張海洋,蘇樹朋,趙慧琴

(1.河北紅山巨厚沉積與地震災(zāi)害國家野外科學(xué)觀測研究站,河北 邢臺 054000;2.河北省地震局保定地震監(jiān)測中心站,河北 保定 071000)

0 引言

根據(jù)中國地震臺網(wǎng)測定,2022年1月8日1時(shí)45分,青海省海北藏族自治州門源回族自治縣發(fā)生6.9級地震(以下簡稱門源地震),震中位于37.77°N,101.26°E,震源深度10 km,當(dāng)?shù)卣鸶袕?qiáng)烈。門源地震發(fā)生在北祁連山活動斷裂帶,具體位于冷龍嶺斷裂西北緣與托萊山斷裂、肅南—祁連斷裂 (俄堡段) 交匯處南部,震中距交匯處約3.7 km。歷史上在該斷裂帶上發(fā)生過1927年古浪8.0級地震、1986年門源6.4級地震和2016年門源6.4級地震。前人研究表明,地磁場的變化與構(gòu)造運(yùn)動有關(guān),隨著構(gòu)造應(yīng)力的變化,地殼介質(zhì)的磁性也會產(chǎn)生變化,從而引起巖石圈磁場的異常變化[1-3]。如國外地磁學(xué)者在研究震磁異常變化時(shí)發(fā)現(xiàn),距離North Palm SpringsML5.9震中3 km處的地磁觀測儀器記錄到的同震地磁變化量為1.2 nT[4];距Loma PrietaML7.1地震30 km和50 km 的觀測儀器記錄到的同震地磁變化量分別為1.1 nT和0.6 nT[5],并認(rèn)為該變化是由地震破裂產(chǎn)生的應(yīng)力變化導(dǎo)致的。近年來,中國地震局流動地磁技術(shù)團(tuán)隊(duì)通過對流動地磁觀測數(shù)據(jù)的精細(xì)處理和深入分析,獲得了諸多震磁關(guān)系的研究成果,如地震發(fā)生前,巖石圈磁場年度變化中水平矢量的弱化區(qū)及轉(zhuǎn)向區(qū),巖石圈磁場磁偏角、總強(qiáng)度及磁傾角的零變線、梯度帶和磁化率正、負(fù)異常變化交匯區(qū),往往與地震震中位置有較好的對應(yīng)關(guān)系[6-11]。隨著越來越多的震磁異?，F(xiàn)象被發(fā)現(xiàn),地磁學(xué)者嘗試?yán)枚喾N震磁效應(yīng)來對其進(jìn)行解釋。學(xué)者對2021年青?，敹郙S7.4地震地磁場變化進(jìn)行研究時(shí)發(fā)現(xiàn),瑪多地震震中位于巴顏喀拉地塊地下高導(dǎo)體與低導(dǎo)體交界區(qū)的高導(dǎo)體區(qū)域且地下應(yīng)力一直處于變化狀態(tài),表明該區(qū)域可能存在壓磁效應(yīng)及感應(yīng)磁效應(yīng);此外,地下的裂隙水和熱熔物質(zhì)等的存在與否也會引起不同的震磁效應(yīng),因此推斷瑪多地震受多種震磁效應(yīng)的綜合影響,各種震磁效應(yīng)的影響占比各不相同[12]。另有學(xué)者通過公式定量計(jì)算了2021年云南漾濞MS6.4地震前后壓磁效應(yīng)和動電效應(yīng)引起的地磁場變化,發(fā)現(xiàn)兩種磁異常機(jī)制均不能完全解釋實(shí)測的磁場變化,認(rèn)為可能還有其他震磁效應(yīng)影響了地磁場的變化[13]。通過以上研究成果可以看出,不同地震引起的巖石圈磁場變化的異常特征并不相同,成因機(jī)制也存在較大差異。

本文以2022年門源地震為研究對象,利用青海及甘肅部分地區(qū)2020年8月、2021年8月2期的流動地磁觀測資料,經(jīng)數(shù)據(jù)處理獲得“2020—2021”年度巖石圈磁場變化結(jié)果,通過研究各個(gè)巖石圈磁場分量的變化特征,系統(tǒng)分析并總結(jié)門源地震震前巖石圈磁場的變化特征,并對可能導(dǎo)致該變化的原因進(jìn)行探討。

1 資料來源及數(shù)據(jù)處理

1.1 數(shù)據(jù)來源

目前,中國地震局流動地磁技術(shù)團(tuán)隊(duì)在全國各地區(qū)每年開展一次流動地磁測量,觀測數(shù)據(jù)為地磁場三分量數(shù)據(jù)(磁偏角D,磁傾角I,總強(qiáng)度F),并通過地磁要素間的三角函數(shù)關(guān)系獲得水平分量H、東向分量Y、北向分量X及垂直分量Z的數(shù)值。計(jì)算公式為[12]:

Z=FsinI

(1)

H=FcosI

(2)

Y=HsinD

(3)

X=HcosD

(4)

青海及甘肅部分測點(diǎn)覆蓋了北祁連山活動斷裂帶及其周邊地區(qū),部分測點(diǎn)分布如圖1所示。地磁場總強(qiáng)度觀測儀器為GSM-19T質(zhì)子旋進(jìn)磁力儀,其靈敏度為0.15 nT@1 Hz,分辨率為0.01 nT,絕對精度為±0.2 nT。地磁場磁偏角和磁傾角觀測使用儀器為磁通門經(jīng)緯儀,精度均優(yōu)于0.2′。測點(diǎn)觀測環(huán)境良好,所處場地水平和垂直梯度均小于5 nT,無電磁干擾,觀測數(shù)據(jù)能夠準(zhǔn)確反映該地區(qū)的磁場特征。測點(diǎn)處設(shè)有固定標(biāo)識,每期進(jìn)行6組重復(fù)測量,取其平均值作為該測點(diǎn)的測值。

紅色實(shí)心五角星表示地震;灰色實(shí)線表示活動斷裂,紅色實(shí)線表示震中附近斷裂,藍(lán)色實(shí)心圓點(diǎn)表示流動地磁測點(diǎn).SQF:肅南—祁連斷裂;TLSF:托萊山斷裂;LLLF:冷龍嶺斷裂圖1 青海及甘肅部分地區(qū)流動地磁測點(diǎn)及構(gòu)造分布圖Fig.1 Distribution of structures and geomagnetic measuring points in some areas of Qinghai and Gansu

1.2 數(shù)據(jù)處理方法

地面磁場的測量值主要包含穩(wěn)定變化的主磁場、地殼磁場和隨時(shí)間變化較快的變化磁場。為消除規(guī)律性變化磁場和外源磁場的影響,需要對地磁重復(fù)觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一處理。主要的數(shù)據(jù)處理過程如下:

(1) 日變通化改正。為消除流動地磁觀測數(shù)據(jù)包含的地磁場日變化等外源場影響,使測量數(shù)據(jù)能夠統(tǒng)一進(jìn)行分析,需將不同測點(diǎn)的觀測數(shù)據(jù)通化至同一天的同一時(shí)刻。本文采用臺網(wǎng)通化法進(jìn)行日變通化,利用觀測區(qū)周邊多個(gè)地磁臺站連續(xù)觀測分鐘值的數(shù)據(jù)進(jìn)行函數(shù)擬合,獲取日變通化空間參考場[14-15],降低了通化臺選擇帶來的通化誤差。計(jì)算公式為[12]

(5)

(2) 長期變化改正。為消除地球主磁場和研究區(qū)域磁場的變化成分,本文采用 “中國地區(qū)地磁基本場長期變化 6 階 NOC 非線性模型”進(jìn)行長期變化改正,將2期日變通化后的數(shù)據(jù)統(tǒng)一歸算至2020.0地磁標(biāo)準(zhǔn)年代。該模型基于1995年1月1日至今的中國地區(qū)36個(gè)臺站的地磁場要素H、D、Z絕對連續(xù)觀測時(shí)均值作為NOC方法的目標(biāo)數(shù)據(jù),分析各能量對應(yīng)的時(shí)間-空間分布特征,并確定前6階能量成分共同表征地磁場的長期變化過程,建立該變化NOC模型[16]。計(jì)算公式為[12]:

(6)

(3) 巖石圈磁場年變化。對2020年和2021年2期長期變化改正后的數(shù)據(jù)進(jìn)行差值計(jì)算,即可獲得“2020—2021”巖石圈磁場年度變化數(shù)據(jù)。為獲得合理可信的計(jì)算結(jié)果,對2期發(fā)生遷移和單要素異常的測點(diǎn)予以剔除。

結(jié)果誤差主要來源于儀器安裝誤差、日變通化誤差和長期變化誤差[13,17]。每個(gè)測點(diǎn)均埋設(shè)永久標(biāo)石,以保證每期測量在同一點(diǎn)位開展,在實(shí)際觀測中儀器安裝位置偏差不超過5 cm,因此儀器安裝誤差小于0.25 nT。日變通化誤差可用觀測點(diǎn)日變通化均方差表示[13],其中D的最小、最大均方差分別為0.03′和0.27′,平均為0.09′;I的最小、最大均方差分別為0.01′和0.18′,平均為0.05′;F的最小、最大均方差分別為0.06 nT和2.22 nT,平均為0.39 nT。前人使用NOC模型分析了瑪多地震周邊地區(qū)地磁觀測長期變化誤差,其中D、I和F的誤差分別為0.08′、0.1′和0.75 nT[18]。本文使用該結(jié)果作為長期變化的誤差。因此D、I和F結(jié)果的總誤差分別為0.17′、0.15′和1.4 nT。

2 區(qū)域巖石圈磁場年變化

2.1 巖石圈磁場異常變化分析

本節(jié)以巖石圈磁場變化的水平矢量、垂直矢量及巖石圈磁場磁偏角、磁傾角、垂直分量及總強(qiáng)度等要素的年度變化為代表,并分別給出巖石圈磁場變化圖像,系統(tǒng)分析并總結(jié)門源地震震前的巖石圈磁場變化特征,如圖2和圖3所示。

圖2 巖石圈磁場水平和垂直矢量的變化分布圖Fig.2 Variation distribution of horizontal and vertical vectors of lithospheric magnetic field

(1) 水平矢量

由圖2(a)可以看出,2020—2021年研究區(qū)內(nèi)巖石圈磁場水平矢量變化幅值整體較小,僅圍繞震中區(qū)域出現(xiàn)幅值變化增大的現(xiàn)象。巖石圈磁場水平矢量變化方向具有一定的分區(qū)現(xiàn)象,即研究區(qū)西部水平矢量變化方向較為平順,主要以南北向和南西向?yàn)橹?幅值變化較弱;研究區(qū)中部地區(qū)水平矢量變化方向稍顯雜亂,由北往南看,水平矢量變化方向呈現(xiàn)由近東西向-南東向-近南北向逐漸轉(zhuǎn)變的特征,幅值變化也由北向南增大;研究區(qū)東部地區(qū)水平矢量變化方向最為雜亂,方向變化最為集中的區(qū)域位于甘青交界處的東邊緣區(qū)。

(2) 垂直矢量

由圖2(b)可以看出,2020—2021年研究區(qū)內(nèi)巖石圈磁場垂直矢量變化幅值也整體較小,在震中東部出現(xiàn)幅值變化較大現(xiàn)象。研究區(qū)內(nèi)空間連續(xù)性或一致性較差,整體表現(xiàn)為南向、北向相間分布的異常特征,且西部及北部幅值變化較弱于東部和南部地區(qū)。在甘青川交界區(qū)及于甘青交界處的東邊緣區(qū)出現(xiàn)垂直矢量幅值變化的突變區(qū)。

(3) 磁偏角

由圖3(a)可以看出,2020—2021年研究區(qū)內(nèi)巖石圈磁場磁偏角正、負(fù)異常變化幅值整體較大,在-0.75至+2.0′之間,在甘蒙交界處中部地區(qū)及甘青交界處西邊緣南部地區(qū)分別分布有正、負(fù)異常的極值區(qū)。研究區(qū)內(nèi)磁偏角正、負(fù)異常變化具有明顯的分區(qū)特征,磁偏角“0”變線貫穿南北,作為正、負(fù)異常變化的分界線,在其西部主要以負(fù)異常變化為主,變化相對平緩;在其東部主要以正異常分布為主,但有零星的負(fù)異常嵌入其中,并圍繞這些負(fù)異常形成磁偏角的正、負(fù)異常變化高梯級帶。

圖3 巖石圈磁場磁偏角、磁傾角、總強(qiáng)度及垂直分量等要素變化分布圖Fig3 Variation distribution of magnetic declination,inclination,total intensity,and vertical component of lithosphere magnetic field

(4) 磁傾角

由圖3(b)可以看出,2020—2021年研究區(qū)內(nèi)巖石圈磁場磁傾角正、負(fù)異常變化幅值整體較小,在-0.5′至+1.0′之間,在甘青交界處東邊緣北部地區(qū)及甘青川交界處西部地區(qū)分別分布有正、負(fù)異常的極值區(qū)。研究區(qū)內(nèi)磁偏角主要以正異常變化分布為主,僅在東南部有小范圍負(fù)異常分布。并圍繞這些負(fù)異常形成磁傾角小規(guī)模的正、負(fù)異常變化高梯級帶。

(5) 地磁總強(qiáng)度

由圖3(c)可以看出,2020—2021年研究區(qū)內(nèi)巖石圈磁場總強(qiáng)度正、負(fù)異常變化幅值整體較大,在-10 nT至+8 nT之間,在甘蒙交界處東邊緣北部地區(qū)及甘青川交界處西部地區(qū)分別分布有正、負(fù)異常的極值區(qū)。研究區(qū)內(nèi)總強(qiáng)度主要以負(fù)異常變化分布為主,僅在東部及北部區(qū)域有小范圍正異常分布,基本沿甘青交界區(qū)分布有總強(qiáng)度的“0”變線,并圍繞這些“0”變線形成一定規(guī)模的正、負(fù)異常變化高梯級帶。

(6) 垂直分量

由圖3(d)可以看出,2020—2021年研究區(qū)內(nèi)巖石圈磁場垂直分量正、負(fù)異常變化幅值整體較大,在-8 nT至+12 nT之間,在甘青交界處東邊緣地區(qū)及甘青川交界處西部地區(qū)分別分布有正、負(fù)異常的極值區(qū)。研究區(qū)內(nèi)垂直分量正、負(fù)異常變化具有明顯的分區(qū)特征,其分布形態(tài)與巖石圈磁場偏角分布類似,在其西部主要以負(fù)異常變化分布為主,變化相對平緩;在其東部主要以正異常分布為主,但有零星的負(fù)異常嵌入其中,并圍繞這些負(fù)異常形成垂直分量的正、負(fù)異常變化高梯級帶。

2.2 巖石圈磁場變化與門源地震的關(guān)系

由門源地震巖石圈磁場變化圖像(圖2～圖3)可以看出:(1)震中附近巖石圈磁場水平矢量方向發(fā)生較為顯著的轉(zhuǎn)向特征,沿冷龍嶺斷裂由西向東分析,在冷龍嶺斷裂北部巖石圈磁場水平矢量方向主要呈現(xiàn)近東西向展布,在其南部巖石圈磁場水平矢量方向主要呈現(xiàn)近南北向展布,震中就位于水平矢量方向轉(zhuǎn)換的過渡區(qū),主要以南東向?yàn)橹?。巖石圈水平矢量幅值變化由北向南逐漸減小,在震中南部出現(xiàn)明顯的弱化現(xiàn)象。(2)震中附近巖石圈磁場垂直矢量方向出現(xiàn)明顯的南向、北向?qū)_的異?，F(xiàn)象,并在震中東部出現(xiàn)幅值較大程度增大的異常變化。(3)震中位于巖石圈磁場磁偏角正異常區(qū)內(nèi),變化值約+0.35′,且在震中東部的冷龍嶺斷裂附近分布有磁偏角“0”變線和高梯級帶分布。震中距離磁偏角“0”變線最近處48 km左右。(4)震中位于巖石圈磁場磁傾角正異常區(qū)內(nèi),變化值約+0.4′,震中東部分布有磁傾角“0”變線和正異常極值區(qū)。震中距離東部“0”變線最近74 km左右。(5)震中位于巖石圈磁場總強(qiáng)度負(fù)異常區(qū)內(nèi),變化值約-4.5 nT。其東部和西部均分布有總強(qiáng)度“0”變線,并向震中發(fā)生彎曲,在震中東部的冷龍嶺斷裂形成四象限分布特征。震中距離東部“0”變線最近49 km左右。(6)震中基本位于巖石圈磁場垂直分量負(fù)異常區(qū)內(nèi),變化值約-0.5 nT。震中附近分布有垂直分量“0”變線,并在震中南部處發(fā)生彎曲,在震中東部的冷龍嶺斷裂形成垂直分量高梯級帶,震中距離“0”變線最近15 km左右?？傮w來看,震中附近的巖石圈磁場分量均發(fā)生了不同程度的變化,這與先前的一些研究結(jié)果一致。相對而言,震中附近巖石圈磁場水平矢量和垂直矢量的方向轉(zhuǎn)變區(qū)、磁偏角、地磁總強(qiáng)度及垂直分量的正、負(fù)異常交界區(qū)大都集中于震中東部的冷龍嶺斷裂。這或許表明冷龍嶺斷裂為本次地震的發(fā)震斷裂。

2.3 2016年門源6.4級地震與本次地震對比分析

2016年1月21日門源縣區(qū)域發(fā)生了一次6.4級地震,震中位于37.65°N、101.62°E,構(gòu)造上位于冷龍嶺斷裂西段,距本次門源6.9級地震震中約40 km。2016年門源6.4級地震發(fā)震斷裂為冷龍嶺斷裂西北端的一條伴生斷裂[19],前人依據(jù)該斷裂區(qū)域巖石圈磁場小波分解研究表明,冷龍嶺斷裂南、北兩側(cè)磁性結(jié)構(gòu)的磁化強(qiáng)度與埋藏深度并不均勻,東、西兩段兩側(cè)磁性結(jié)構(gòu)存在較大差異,相較于東段,西段兩側(cè)磁性構(gòu)造差異更為顯著,2016年門源6.4級地震震中位于冷龍嶺斷裂西段的巖石圈磁場垂直分量的正、負(fù)值轉(zhuǎn)換區(qū)域的負(fù)異常區(qū)內(nèi)[20]。與2016年門源6.4級地震相比,本次門源6.9級地震震中同樣位于巖石圈磁場垂直分量的正、負(fù)值轉(zhuǎn)換區(qū)負(fù)異常區(qū)內(nèi),巖石圈磁場水平矢量、總強(qiáng)度以及垂直分量在冷龍嶺斷裂南、北及東、西兩側(cè)表現(xiàn)出了顯著不同的磁異常變化分布特征,這也證明了冷龍嶺斷裂南、北兩側(cè)及東、西兩段磁性結(jié)構(gòu)存在明顯的非均勻性與差異性,或許說明這兩次地震引起的巖石圈磁場變化由同一機(jī)制控制。

3 結(jié)論與討論

地震通常被認(rèn)為是地下應(yīng)力的積累和釋放所致,因此,地下介質(zhì)應(yīng)力狀態(tài)及其變化是地震發(fā)生的關(guān)鍵因素[21]。門源地震震中所在的北祁連山活動斷裂帶作為青藏高原東北緣的邊界帶,受青藏地塊向北東推擠的影響,祁連山整體向北東方向俯沖,同時(shí)受到北部阿拉善地塊的阻擋,促使斷裂帶附近處于一種強(qiáng)烈擠壓變形的構(gòu)造環(huán)境,并積累了較高的地殼應(yīng)力[19]。大地電磁剖面揭示出祁連—海原斷裂帶中西段冷龍嶺斷裂以北的北部祁連區(qū)域均表現(xiàn)為完整的不易變形的高阻結(jié)構(gòu),斷裂南部為中祁連和南祁連的中低阻混合構(gòu)造帶[22]。在青藏高原東北緣NE向擠壓作用下,同時(shí)受到北側(cè)完整的高阻結(jié)構(gòu)的阻擋作用,在冷龍嶺斷裂附近轉(zhuǎn)化為持續(xù)、劇烈的側(cè)向逃逸現(xiàn)象,導(dǎo)致斷裂南北兩側(cè)應(yīng)力、應(yīng)變顯著不同。GPS應(yīng)變場數(shù)據(jù)研究表明,冷龍嶺斷裂及鄰區(qū)整體向NE向移動,跨過冷龍嶺斷裂以北,GPS速度矢量減小,運(yùn)動方向也轉(zhuǎn)變?yōu)镹NW向,斷裂整體表現(xiàn)為左旋走滑運(yùn)動[23]。

巖石磁學(xué)的實(shí)驗(yàn)室結(jié)果表明,在單軸應(yīng)力作用下,巖石樣品磁化強(qiáng)度變化與應(yīng)力變化存在相反的關(guān)系,應(yīng)力積累使得巖石磁化強(qiáng)度在應(yīng)力方向上減小,應(yīng)力釋放使得巖石磁化強(qiáng)度在應(yīng)力方向上增大[24]。由巖石圈磁場變化圖像(圖2和圖3)可以看出,此次門源地震震中區(qū)域存在冷龍嶺斷裂北部巖石圈磁場增大,南部巖石圈磁場減小的分布特征。基于壓磁效應(yīng)分析,冷龍嶺斷裂北部應(yīng)力變化主要以釋放為主,其南部應(yīng)力變化主要以積累為主。相關(guān)學(xué)者對龍門山斷裂南段的地應(yīng)力實(shí)測結(jié)果與巖石圈磁場變化量關(guān)系研究表明,應(yīng)力水平變化的大小與巖石圈磁場變化量同樣存在近似反向關(guān)系[25]。所以在巖石圈磁場幅值變化大的地方,如冷龍嶺斷裂北部地區(qū)應(yīng)力變化應(yīng)處于較低水平;而在巖石圈磁場幅值變化小的地方,如冷龍嶺斷裂南部地區(qū)應(yīng)力變化應(yīng)處于較高水平。本次門源地震發(fā)生于冷龍嶺斷裂南部地區(qū),可能就是由于斷裂南部構(gòu)造應(yīng)力一直處于積累狀態(tài),達(dá)到較高應(yīng)力水平后,斷裂滑動引起的一次地震事件。而門源地震前,冷龍嶺斷裂構(gòu)造應(yīng)力調(diào)整引起的壓磁效應(yīng)可能是造成震中區(qū)域巖石圈磁場異常變化的主要原因。

本文利用青海及甘肅部分地區(qū)2020年8月、2021年8月2期的流動地磁觀測資料,通過分析巖石圈磁場變化的水平矢量、垂直矢量及巖石圈磁場磁偏角、磁傾角、垂直分量及總強(qiáng)度等要素的年度變化特征,并對導(dǎo)致該變化的可能性原因進(jìn)行簡單探討,得出以下結(jié)論:

(1) 門源地震前,震中區(qū)域巖石圈磁場各分量具有較為明顯的異常顯示。具體表現(xiàn)為:震中區(qū)域附近巖石圈磁場變化的水平矢量具有方向轉(zhuǎn)向及幅值弱化的異?，F(xiàn)象;垂直矢量方向出現(xiàn)明顯的南向、北向?qū)_的異?，F(xiàn)象;磁偏角在震中附近具有“0”變線和高梯級帶分布;總強(qiáng)度和垂直分量震中附近具有“0”變線分布,并在震中附近發(fā)生彎曲。巖石圈磁場異常變化現(xiàn)象較為集中于震中東部冷龍嶺斷裂或許為本次地震的發(fā)震斷裂。

(2) 依據(jù)壓磁效應(yīng)分析,冷龍嶺斷裂北部巖石圈磁場強(qiáng)度增大,應(yīng)力變化主要以釋放為主,應(yīng)力變化應(yīng)處于較低水平;冷龍嶺斷裂南部巖石圈磁場強(qiáng)度減小,應(yīng)力變化主要以積累為主,應(yīng)力變化應(yīng)處于較高水平。門源地震前,冷龍嶺斷裂構(gòu)造應(yīng)力調(diào)整引起的壓磁效應(yīng)可能是造成震中區(qū)域巖石圈磁場異常變化的主要原因。

本文僅開展了壓磁效應(yīng)的定性分析,門源地震前地磁場的異常變化是否完全由壓磁效應(yīng)產(chǎn)生尚需開展定量研究。因此本文尚不能排除該變化是由其他機(jī)理產(chǎn)生,例如是否存在深部地殼或上地幔物質(zhì)的上涌侵入導(dǎo)致的熱磁效應(yīng)[26]或流體運(yùn)動產(chǎn)生的電磁效應(yīng)[27]。

致謝:本文使用了國家地磁臺網(wǎng)中心的地磁觀測數(shù)據(jù)和中國地震局流動地磁觀測技術(shù)團(tuán)隊(duì)的數(shù)據(jù)結(jié)果,在此一并表示感謝！