四川長寧地區(qū)巖石圈磁場分布

蔡蘇蘇 陳斌

摘要：基于四川長寧地區(qū)平均點距為2km的952個地磁總強度測量數(shù)據(jù)，經(jīng)過日變化改正、主磁場剝離以及曲面樣條插值等數(shù)據(jù)處理，得到長寧背斜附近地區(qū)的巖石圈磁場分布。結(jié)果表明：巖石圈磁場總強度范圍為-400～200nT，中值約為-4.4nT，90%的數(shù)據(jù)位于（-4.4±32）nT。長寧背斜內(nèi)部對應(yīng)巖石圈正值區(qū)域，背斜邊界對應(yīng)負值區(qū)。邊界區(qū)域內(nèi)最顯著的負值區(qū)域位于長寧背斜的西北端，背斜東北側(cè)以正值區(qū)域為主，背斜南側(cè)以負值區(qū)域為主。羅場向斜與建武向斜之間的高地震活動區(qū)域?qū)?yīng)巖石圈磁場的正值區(qū)域。巖石圈磁場空間分布說明長寧背斜東、西部之間存在巖石圈磁場的局部負值嵌入體，該嵌入體或許造成了背斜東、西兩部分的地震活動性的差異，背斜東、西部的巖石圈磁場梯度呈現(xiàn)西高東低的差異性分布。

關(guān)鍵詞：長寧地區(qū);巖石圈磁場;曲面樣條;嵌入體

中圖分類號：P318.2文獻標(biāo)識碼：A文章編號：1000-0666（2021）04-0635-07

0引言

長寧背斜位于四川盆地南側(cè)與云貴高原相交的過渡地帶，周邊構(gòu)造環(huán)境復(fù)雜，該地區(qū)存在國家級頁巖氣開采示范區(qū)（謝軍，2018）。2019年6月17日，該地區(qū)發(fā)生一次M6.0地震，分析該次地震前后的地震震中空間分布發(fā)現(xiàn)，地震主要分布于長寧背斜的西部，而東部無顯著地震發(fā)生，但相關(guān)研究并未提及背斜內(nèi)部東西部的差異。探尋這一地震分布差異成因，有利于頁巖氣開采的順利開展，也可為研究四川盆地南緣的動力學(xué)過程提供參考。

巖石圈磁場常被地質(zhì)學(xué)家和地磁學(xué)家用來分析地下物質(zhì)的構(gòu)造運動和動力學(xué)演化等信息（徐文耀，2003）?？祰l(fā)等（2011）運用NGDC-720模型分析了青藏高原地區(qū)的巖石圈磁場與構(gòu)造的對應(yīng)關(guān)系;宋成科等（2017）基于地面觀測資料分析巖石圈磁場變化與地質(zhì)結(jié)構(gòu)的空間相關(guān)性。地震孕震過程中地質(zhì)構(gòu)造活動引起巖石圈磁場異常變化也被發(fā)現(xiàn)（張季生等，2009;顧春雷等，2010;楊學(xué)慧等，2020）。因此使用地磁場分布來探求長寧地區(qū)地下介質(zhì)構(gòu)造和動力學(xué)過程，進而分析背斜內(nèi)部是否存在構(gòu)造意義上的東西差異，是本文擬探討的問題和進行的工作。

航空磁場測量得到的航磁異常圖可給出巖石圈磁場的分布特征，但不同來源的航磁異常分布存在顯著的差異，這給研究長寧地區(qū)的巖石圈磁場分布帶來困難。曹樹恒（1988）給出的該地區(qū)航磁異常分布顯示，其東北部為正值分布，其余區(qū)域為負值分布。古志東和汪澤成（2014）給出的航磁異常顯示該地區(qū)主要表現(xiàn)為正值分布;李冰等（2018）給出的該地區(qū)1：20萬的航磁異常圖則顯示出北部負值、南部正值的形態(tài)。

我們同時分析了若干巖石圈磁場模型描述的巖石圈磁場空間分布（徐文耀等，2008;張昌達，2013），發(fā)現(xiàn)常見的地磁場模型無法提供長寧地區(qū)的巖石圈磁場局部精細結(jié)構(gòu)。因此本文討論長寧地區(qū)巖石圈磁場精細結(jié)構(gòu)分布特征時，需要在該地區(qū)開展空間密度較高的實際地磁場觀測，并通過數(shù)據(jù)處理，分析巖石磁性結(jié)構(gòu)的分布特征，進而探討前述提出的問題。

1研究背景

1.1長寧地區(qū)構(gòu)造背景

長寧背斜內(nèi)外發(fā)生的地震的震源機制的顯著差異表明該區(qū)域介質(zhì)構(gòu)造較破碎，動力學(xué)過程較復(fù)雜，背斜內(nèi)部與其南側(cè)具有不同的構(gòu)造特征。長寧附近NW-SE走向的背斜-向斜結(jié)構(gòu)是青藏高原深部物質(zhì)受印度板塊北向運動推擠導(dǎo)致的東向溢出在沿四川盆地南緣南東向運移的過程中形成的（王琪等，2002;滕吉文等，2008）。受四川盆地多回旋構(gòu)造作用的影響，該地區(qū)經(jīng)歷過多次不同方向構(gòu)造運動，特征復(fù)雜（覃作鵬等，2013）。何登發(fā)等（2019）的研究結(jié)果表明該地區(qū)5～6級地震不是超壓或重力負荷變化的誘發(fā)地震，而是基底斷層復(fù)活引起的天然地震。但長寧背斜內(nèi)部地震與南側(cè)地震具備不同基底斷層背景，背斜內(nèi)部地震以NE-SW向逆沖型為主，兼具NW-SE向拉張?zhí)卣?背斜南側(cè)地震則以NW-SE向擠壓為主（萬永革等，2019;易桂喜等，2020）。圖1顯示了長寧地區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造背景，較為顯著的構(gòu)造為長寧背斜及其南側(cè)的建武向斜和羅場向斜，在該組構(gòu)造東西兩側(cè)，存在如燈桿壩背斜和賈村溪背斜等NE-SW向結(jié)構(gòu)。本文收集了2018年1月1日—2020年9月1日長寧地區(qū)M≥3.0地震目錄，發(fā)現(xiàn)震中分布存在一定規(guī)律（圖1）：①該區(qū)域的地震活動主要集中在長寧背斜內(nèi)部，以及南側(cè)的建武向斜周邊;②長寧背斜內(nèi)部的地震主要分布在背斜的西北部，背斜東南部地震活動較弱;③長寧背斜南側(cè)的3.0～3.9級地震主要發(fā)生在建武向斜和羅場向斜之間的NE-SW向構(gòu)造上，4.0～5.9級地震主要發(fā)生在建武向斜和長寧背斜之間。

背斜東西兩部分地震活動性的差異是否因為背斜中部存在地質(zhì)圖未描述的隱伏結(jié)構(gòu)？NW-SE向擠壓運動與NE-SW向擠壓運動的分界與轉(zhuǎn)換帶的結(jié)構(gòu)如何？這些都是值得研究的問題。根據(jù)長寧背斜附近地震事件的空間分布，本文選?。?8°～28.6°N，104.6°～105.2°E）地區(qū)為巖石圈磁場構(gòu)造的研究區(qū)域（圖2）。

1.2磁結(jié)構(gòu)背景

常見的空間分辨率較高的地磁場模型包括Maus等（2009）建立的空間分辨率為2的EMAG2（Earth Magnetic Anomaly Grid ）地球磁場總強度數(shù)值的異常網(wǎng)格數(shù)據(jù)以及Maus（2010）依據(jù)美國國家地球物理數(shù)據(jù)中心的衛(wèi)星磁測、地面磁測、海洋磁測以及航空磁測等資料建立的分辨率為0.5 NGDC-720（National Geophysical Data Cen-ter-720）全球巖石圈磁場球諧模型，以及依托地面磁測數(shù)據(jù)建立的空間分辨率為70km的中國地磁參考場（陳斌等，2016）。NGDC-720模型和中國地磁參考場空間分辨率不足，而EMAG2在研究區(qū)域的實際描述能力也不佳。

圖2展示了依據(jù)EMAG2計算得到的研究區(qū)域巖石圈磁場總強度空間分布。從圖2a中可以看出EMAG2提供的巖石圈磁場數(shù)據(jù)表現(xiàn)較為平緩，小尺度的巖石圈磁場精細結(jié)構(gòu)表現(xiàn)不明顯。本文采用20寬度的矩形窗口進行滑動平均得到研究區(qū)域巖石圈磁場總強度的趨勢性分布（圖2b），以及類似白噪聲的殘差（圖2c）。圖2顯示EMAG2無法提供長寧背斜區(qū)域巖石圈磁場的局部精細結(jié)構(gòu)。

2數(shù)據(jù)來源與數(shù)據(jù)處理

2019年11—12月，中國地震局流動地磁團隊在研究區(qū)域開展了空間高密度的地磁總強度測量。測點總數(shù)為952個，平均間距約2km。每個測點用質(zhì)子旋進磁力儀進行3組地磁總強度測量，該儀器的測量精度小于0.5nT;同時用手持GNSS設(shè)備讀取測點的經(jīng)緯度和高程。測點的空間分布以及高程分布如圖3所示，研究區(qū)域的高程分布為200～1500m。對比圖1和圖3可以看出，長寧背斜位于高程較低的位置，而其南側(cè)建武向斜和羅場向斜對應(yīng)位置的高程較高，最高位置對應(yīng)建武向斜的空間位置。

測量得到的地磁數(shù)據(jù)經(jīng)過日變通化改正消除地磁外源場部分，這一過程需依靠近距離地磁臺站連續(xù)觀測數(shù)據(jù)。本文選取2019年11月1日—12月31日研究區(qū)域東、南、西、北4個方向最近的地磁臺（成都臺、恩施臺、麗江臺和通海臺）的地磁場分鐘值數(shù)據(jù)，通化零時為2019年11月18日北京時0—3時（陳斌等，2017）。由于日變通化數(shù)據(jù)誤差與測點-臺站距離存在正相關(guān)性，各通化臺的通化數(shù)值平均存在2.4nT左右的差異。為降低通化臺選擇帶來的通化誤差，將各測點的4個日變通化結(jié)果采用臺站距離反比加權(quán)平均得到最后的日變通化結(jié)果為：

式中：F為地磁總強度的日變通化結(jié)果;N為地磁臺站數(shù);M為觀測組數(shù);tm為第m組觀測時的時間;F（tn）為測點第m組的觀測值;Fn（tn）為第n個地磁臺tn時的觀測值;Fn（t）為第n個地磁臺通化零時的平均值;rn為測點距離第n個地磁臺的距離。

以第13代國際地磁參考場（InternationalGeo-magnetic Reference Field ，IGRF-13）作為主磁場數(shù)據(jù)源（Alken et al ，2021），計算2019年11月18日各測點空間位置主磁場總強度數(shù)值，從各測點位置的日變通化結(jié)果中減去主磁場部分，得到巖石圈磁場總強度的數(shù)值。

各測點的巖石圈磁場總強度分布如圖4a、b所示，數(shù)值分布范圍為-400～200nT，中值在-4.4nT附近，在圖中以垂直紅色虛線標(biāo)記。測點巖石圈磁場值過大會導(dǎo)致空間插值結(jié)果在該處出現(xiàn)較大的梯度和等值線扭曲，導(dǎo)致該處的巖石圈磁場等值線出現(xiàn)奇點，同時會擴大等值線的色標(biāo)范圍，導(dǎo)致其他部分細節(jié)顯示不清，因此本文考慮刪去部分巖石圈磁場過大的測點數(shù)據(jù)。依據(jù)巖石圈磁場總強度數(shù)值偏離中值量與偏離測點數(shù)的衰減趨勢，在閾值為32nT左右存在趨勢的拐點，超過正負32nT的測點數(shù)目約占總測點數(shù)目的10%（圖4c）。因此，以32nT的偏離量為閾值刪去巖石圈磁場過大的測點數(shù)據(jù)，90%的測點數(shù)據(jù)得以保留。在圖4a、b中以黑色虛線標(biāo)記了（-4.4±32）nT的位置。本文以（-4.4±32）nT為閾值，刪去了巖石圈磁場數(shù)值在閾值區(qū)間外的測點數(shù)據(jù)。

繪制等值線需要先得到均勻網(wǎng)格的巖石圈磁場數(shù)值，本文對剩余測點的巖石圈磁場數(shù)值采用曲面樣條方法（余志偉，1987）計算研究區(qū)域內(nèi)均勻網(wǎng)格（0.01°經(jīng)緯度間隔位置）的巖石圈磁場數(shù)值。曲面樣條的計算公式為：

式中：x和y分別為計算位置的地理經(jīng)緯度坐標(biāo);x1和y分別為第i個空間點的地理經(jīng)緯度坐標(biāo);F（x，y）為（x，y）處的巖石圈磁場總強度數(shù)值;a0、a1、a2和A為曲面樣條函數(shù)的擬合系數(shù);N為原始數(shù)據(jù)的個數(shù);r為計算位置與第i個空間點的距離;ε為曲率因子，本文取為10-7。

3巖石圈磁場總強度的空間分布形態(tài)

圖5給出了根據(jù)0.01°網(wǎng)格數(shù)據(jù)以及0.05°滑動窗寬度的滑動平均數(shù)據(jù)繪制的研究區(qū)域巖石圈磁場總強度等值線圖。由圖可見，將數(shù)據(jù)中值-4.4nT標(biāo)注為白色以區(qū)分數(shù)據(jù)的正向偏移和負向偏移。研究區(qū)域巖石圈磁場總強度分布趨勢為：北東部以正偏為主，南部以負偏為主。研究區(qū)域內(nèi)最為顯著的負偏區(qū)域分布在長寧背斜西北端部，研究區(qū)域內(nèi)沒有特別顯著的局部正值區(qū)域（圖5）。

研究區(qū)域的巖石圈磁場總強度存在一組正負相間的NW-SE向條帶狀分布，其走向與長寧背斜的走向一致。長寧背斜北邊沿和南邊沿為負值區(qū)域，背斜內(nèi)部主要為正值區(qū)域。長寧背斜和建武向斜之間存在一對正-負條帶狀分布區(qū)域。

長寧背斜北側(cè)的負值條帶嵌入了局部的NE-SW向正值區(qū)域，該區(qū)域位于（28.4°N，105°E）附近，在105°E位置對應(yīng)的長寧背斜內(nèi)部存在局部負值區(qū)域，其位置大約將長寧背斜分為東、西兩部分，西部地震活動較為活躍，東部幾乎沒有地震活動，似乎說明該位置存在局部嵌入?yún)^(qū)，該結(jié)構(gòu)阻隔了長寧背斜內(nèi)部東西部構(gòu)造，與背斜東西兩側(cè)地震活動性差別的空間位置在空間上對應(yīng)。

建武向斜對應(yīng)巖石圈磁場的負值區(qū)域，但羅場向斜對應(yīng)巖石圈磁場北正南負的分布形態(tài)，兩者之間的高地震活動區(qū)域?qū)?yīng)著巖石圈磁場的正值區(qū)域。

圖6展示了研究區(qū)域巖石圈磁場梯度空間分布。以104.95°E為界，長寧背斜西部存在較為復(fù)雜的梯度分布，背斜東部則表現(xiàn)為較平緩的低值分布。背斜內(nèi)部4次M5～6地震的震中可分為兩處匯聚區(qū)域，都對應(yīng)巖石圈磁場的高梯度值，其中間被低梯度區(qū)分隔。羅場向斜和建武向斜內(nèi)部的地磁梯度均較低，兩者之間以及兩者與長寧背斜之間均表現(xiàn)為零碎的高梯度分布。

4結(jié)論與討論

通過研究現(xiàn)有的各類地殼磁場模型，發(fā)現(xiàn)這些模型均無法給出長寧地區(qū)巖石圈磁場的精細結(jié)構(gòu)。不同來源的航磁異常結(jié)構(gòu)又相互矛盾，使得分析該地區(qū)的磁場結(jié)構(gòu)存在困難。通過地表的高密度磁場觀測，發(fā)現(xiàn)長寧背斜東、西段的巖石圈磁場存在較大差異，其西部地震較活躍、區(qū)域磁場較為破碎，東部地震活動性低、區(qū)域巖石圈磁場較為完整。具體表現(xiàn)為：

（1）長寧背斜附近存在一組NW-SE走向的正負相間條帶狀巖石圈磁場分布形態(tài);長寧背斜內(nèi)部對應(yīng)巖石圈磁場正值區(qū)域;長寧背斜邊界對應(yīng)巖石圈磁場負值區(qū)域;建武向斜對應(yīng)巖石圈磁場負值區(qū)域。

（2）羅場向斜與建武向斜之間的高地震活動區(qū)域?qū)?yīng)巖石圈磁場的正值區(qū)域。

（3）長寧背斜中部存在巖石圈磁場的局部負值區(qū)域，似乎說明該位置存在局部嵌入結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)嵌入在背斜主體的正值結(jié)構(gòu)中。

（4）長寧背斜東西部存在巖石圈磁場梯度的差異分布，其西部以高梯度的復(fù)雜分布為主，東部以平緩的低梯度分布為主。

（5）羅場向斜和建武向斜內(nèi)部的巖石圈磁場梯度整體較低，而兩者之間的區(qū)域梯度較高。

分析巖石圈磁場，需對地面地磁場總強度測量數(shù)據(jù)進行復(fù)雜數(shù)據(jù)處理，包括日變通化、長期變化改正等，從而在數(shù)據(jù)處理過程中帶來誤差。一般認為局部地區(qū)的巖石圈磁場的正常分布狀態(tài)應(yīng)正負各半，區(qū)域巖石圈磁場中值位于0值附近。本文得到的區(qū)域巖石圈磁場的中值為-4.4nT左右，這說明整個數(shù)據(jù)處理過程的誤差約為4.4nT。這一結(jié)果與本文前期數(shù)據(jù)處理誤差小于5nT的結(jié)論（陳斌等，2017）一致。需要說明的是，這一誤差來源于日變通化過程與長期變化改正這兩個過程，此兩過程的數(shù)據(jù)來源均為地磁臺站的連續(xù)數(shù)據(jù)分布，因此該誤差的空間不均勻尺度應(yīng)與臺站空間距離相當(dāng)。本文研究區(qū)域與附近的地磁臺站距離約800～1000km，遠大于研究區(qū)域60km的尺度，因此臺站數(shù)據(jù)處理誤差在本文研究區(qū)域基本一致，可以認為對局部空間細致結(jié)構(gòu)影響不大。

巖石圈磁場的空間分布說明，本文研究區(qū)域內(nèi)背斜東部和向斜結(jié)構(gòu)內(nèi)部的梯度分布較為均勻，說明結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定。但長寧背斜西北部呈現(xiàn)出較為破碎的巖石圈磁場高梯度分布，結(jié)合該地區(qū)的高地震活動性，說明長寧背斜西部的地下結(jié)構(gòu)已經(jīng)較為破碎。在背斜中部存在梯度較低的巖石圈低值區(qū)域，說明該區(qū)域存在與東、西兩側(cè)不一致的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)的阻隔或許造成了背斜東、西兩部分地震活動的差異性。

IGRF-13模型系數(shù)來自美國國家地球物理數(shù)據(jù)中心（https ：//www.ngdc.noaa.gov/IAGA/vmod/igrf.html），地震目錄來自中國地震臺網(wǎng)中心，日變通化所需的地磁臺站數(shù)據(jù)來自中國地磁臺網(wǎng)中心，野外地磁場觀測數(shù)據(jù)來自中國地震局流動地磁觀測團隊，兩位評審專家對本文提出了寶貴修改建議。在此表示誠摯的感謝。

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CA Susu. CHEN Bin

（Institute of Geophysics， China Earthquake Administration Beijing 100081， China）

Abstract

The existing geomagnetic field models cannot provide the fine structure of local lithospheric magnetic field in Changning area， Sichuan province. Relied on geomagnetic total intensity measuremed data on 952 stations with 2 km average interval in this area， through data processing such as diurnal variation correction， main magnetic field stripping and surface spline interpolation， we obtained distribution of lithospheric magnetic field in the area near the Changning anticline. The total intensity of the lithospheric magnetic field ranged from -400 nt to 200 nT， with a median of about -4.4nT， and 90% of the data lies between （-4.4+32） nT. The inner part of the Changning anticline corresponds to a positive region of lithospheric magnetic field， while the anticline boundary corresponds to a negative region. The most significant negative area in the boundary region is located in the northwest end of the Changning anticline， the northeast of the anticline is dominated by positive region， and the south of the anticline is dominated by negative region. The high seismic activity region between the Luochang syncline and the Jianwu syn-cline corresponds to a positive region of lithospheric magnetic field. The spatial distribution of the lithospheric mag-netic field indicates that there are local negative intercalations of the lithospheric magnetic field between the east and west parts of the Changning anticline， which may block the seismic activity of the two parts of the anticline. At the same time， the lithospheric magnetic field gradient in the east and west of anticline presents a differential distri-bution of high in the west and low in the east.

Keywords： Changning area; lithospheric magnetic field; surface spline; embedded body