张 瑜 陈双贵 马辉源 闫万生 杨 磊 雷 光 杨 龙 杜建清

1）中国兰州 730000甘肃省地震局

2）中国甘肃 730046 兰州地球物理国家野外科学观测研究站

0 引言

2021年5月22日青海果洛州玛多县发生了MS7.4地震，地震发生在玛多—甘德断裂带上（詹艳等，2021），震中位于（34.59°N，98.34°E），震源深度17 km，这是自汶川MS8.0地震后中国大陆发生的震级最高的破坏性地震。震中以北为玛多—甘德断裂带，以南为巴彦喀喇山主峰断裂带（邓起东等，2003）。该地区近20年来发生了多次强震，是中国大陆地震活动最为强烈的区域之一（张培震等，2003）。

如何通过监测地球物理场的异常信息来预测地震是众多学者研究的课题，地磁学者一般通过监测地磁场异常变化来研究震磁关系，其中就包括通过监测地磁场要素的变化特征与地震的相关性来预测地震。近1个世纪的研究发现，地磁异常现象与地震活动关系大体可分成2类：一类是基本磁场观测数据中岩石在应力作用下产生的“压磁效应”（祁贵仲，1978；郝锦绮等，1989），另一类是基于感应效应和地下电性变化出现的有关地磁异常的“感应磁效应”（祁贵仲等，1981），这些理论也被用于解释孕震过程中各种磁异常现象。一般认为发生在岩石圈的浅源地震造成的破坏往往比同级别深源地震大（许忠淮，2014），因此，研究岩石圈的动力学过程从而对地震活动进行监测和预报有利于降低地震灾害的风险。孕震区域地下岩石介质的破裂、膨胀等变化会导致局部的地磁异常变化，特别是岩石圈磁场的异常变化，同时岩石圈磁场的变化又受地质结构、构造环境、应力状态等多种因素影响（丁鉴海等，2011）。中国地震局流动地磁技术团队通过在监测区布设高密度重复性测点，产出丰富的地磁场（尤其是岩石圈磁场）信息，期望通过分析岩石圈磁异常信息找出孕震的机理，探究孕震的动力学过程。

本文主要利用2018—2021年玛多MS7.4地震震中周边区域连续4年流动地磁场矢量数据，得出2018—2019年、2019—2020年、2020—2021年连续3期岩石圈磁场空间年变化结果，总结玛多周边区域岩石圈磁场各要素年变化特征，为研究震磁关系提供参考。为方便讨论，依次将2018—2019年、2019—2020年、2020—2021年称为震前2期、震前1期、震后1期。

1 资料选取与数据处理

研究区域（图1）为玛多MS7.4地震震中周边地区（31°—38°N，95°—102°E），研究区域共有76个测点，各期测点数略有不同，测点均为重复性测点，受限于气候环境等因素，大部分测点测量时间均为当年7—9月，重复测量周期为一年，2021年测点测量时间均在玛多MS7.4地震发生后，因此，可认为2020—2021年的岩石圈磁场年度变化可以反映地震前后震磁异常变化。测点测量的物理量为地磁三要素的绝对值，包括总强度F、磁偏角D、磁倾角I。测量使用GMS-19T质子旋进磁力仪、CTM-DI磁力仪、阿什泰克单频差分仪。观测精度要求：水平梯度≤3 nT/m，垂直梯度≤5 nT/m，2次方位角测量误差小于6″，相邻两期主副点点位差的变化小于1.5 nT。

图1 研究区域断层与地磁测点分布Fig.1 Distribution of faults and geomagnetic stations in the study area

数据处理主要包括以下2个步骤：

（1）利用地磁台网泰勒多项式拟合法(陈斌等，2017；苏树朋等，2019)对原始数据集进行日变通化，主要的目的是消除观测数据中的规则日变场和其他外源场成分，得到地磁场数据中的内源场部分。通化后要求均方差满足：δF≤1.5 nT，δD≤0.5′，δI≤0.5′。

（2）利用自然正交模型（NOC）（顾左文等，2009；陈斌，2011）进行长期变化改正，长期变化结果均统一改正至2020.0地磁标准年代。以“中国地磁参考场模型（CGRF）”作为研究区域的主磁场，通过对其剥离获得岩石圈磁场，再对岩石圈磁场做差分即可获得相邻测期岩石圈磁场的动态变化模型。

2 岩石圈磁场各要素特征分析

通过上述步骤及地磁要素的关系，即H=FcosI，Z=FsinI（丁鉴海等，2011），可以获取研究区域2018—2019年、2019—2020年、2020—2021年玛多MS7.4地震前后水平矢量H、垂直矢量Z的空间变化，以及磁偏角D、磁倾角I的等变线的空间变化和总强度F、垂直分量Z等变线的空间变化，见图2、图3。

图2 研究区域各期水平矢量与垂直矢量的空间分布Fig.2 Spatial distribution of horizontal and vertical vectors in each period of the study area

图3 研究区域各期磁偏角D、磁倾角I等变线的空间分布红色代表正值，黑色代表零线，蓝色代表负值，D、I等变线间隔为0.25′Fig.3 Spatial distribution of contour lines of magnetic declination D and magnetic inclination I in each period of the study area

2.1 水平矢量H的空间变化

图2为地震前后水平矢量H、垂直矢量Z的空间变化分布图。从图2中可以看出，震前，2018—2019年水平矢量优势方向为自西向东，西部、南部幅值大于东部、北部，且东部、北部小范围内矢量方向表现杂乱，变化各异，震中位置水平矢量方向、幅值均变化平稳。矢量在震中东南80 km处出现顺时针旋转且幅值变小的弱变化，弱变化在玛沁周边表现最为明显，矢量方向与断层走向在震中周围200 km范围内有较高的契合度。2019—2020年水平矢量变化趋势与上期有很大不同，幅值整体变小，整个研究区域具有自南向北的优势方向，巴颜喀拉地块内部呈散乱状态，矢量方向无规律且量级小，震中周边100 km范围内这种弱变化趋势最为明显。震后，2020—2021年水平矢量优势方向自北向南，幅值自北至南无较大变化，但较2019—2020期显著变大，震中位置水平矢量变化平稳。

2.2 垂直矢量Z的空间变化

从图2可以看出，震前，2018—2019年垂直矢量变化较为复杂，优势方向大致以巴彦喀喇山主峰断裂为界，西南侧主体向上，西北侧主体向下，东昆仑断裂带以北至研究区域的东北角主体向上，甘孜—玉树—风火山断裂中部量值较大，震中西侧20 km处矢量有对冲现象。2019—2020年垂直矢量大致以玛多—甘德断裂为界，东南侧主体向上，西北侧主体向下，研究区域矢量的方向大致与上一期相反，幅值并无较大变化，震中位置矢量既有对冲又有发散。震后，2020—2021年垂直矢量方向在研究区域内整体上由南向北，幅值在震中西侧100 km处变大。

2.3 磁偏角 D、磁倾角I等变线的空间变化

图3为地震前后磁偏角D、磁倾角I等变线的空间分布图。从图3可以看出，震前，2018—2019年磁偏角D正负值有明显的界限，磁偏角I的变化范围在-1′—2′之间，研究区域以正值为主，负值区域成带状分布于东昆仑断裂带、玛多—甘德断裂带东北、玛沁—西宁—门源一带，最大值为1′，震中位于正值区，幅值为1.5′，距离“0”变线130 km。2019—2020年磁偏角D正值区大面积分布于研究区域，负值区以带状分布于少量区域，较上一期，负值主要区域的位置偏移至震中附近，磁偏角的变化范围在-0.5′—1′之间，震中位于正负值交界地区，距离“0”变线仅10 km。震后，2020—2021年磁偏角D的变化范围在-1.25′—0.75′之间，负值区以带状形式分布于玉树—共和—德令哈以东，玛沁—西宁以西区域。震中位于正值区，距离“0”变线30 km，3期“0”变线与震中的距离见表1。

表1 玛多震中周边岩石圈磁场各要素变化特征统计Table 1 Statistics of variation characteristics of various elements of the lithospheric magnetic field around the epicenter of Maduo earthquake

从图3可以看出，震前，2018—2019年磁倾角I正负值大致以东昆仑断裂带为界，以北为负值区，以南为正值区。柴达木地块及祁连地块大部分区域为负值，磁倾角的变化范围在-0.5′—0.75′之间，震中位于正负值的交界区域，距离“0”变线10 km。2019—2020年磁倾角I负值区占据大部分研究区域，正值区以点状零星分布于震中及德令哈以北区域，磁倾角的变化范围为-0.75′—0.25′。震中正西30 km处有小范围正值区，震中位于正负交界地区，距离“0”变线不足10 km。震后，2020—2021年磁倾角I正负值的分布与上一期完全相反，正值区占据研究区域的大部分区域，负值区以点状形式分布于震中东南200 km处，震中位于正值区，远离“0”变线，磁倾角的变化范围在-0.25′—0.1′之间。3期“0”变线与震中的距离见表1。

2.4 总强度F、垂直分量Z等变线的空间变化

图4为地震前后总强度F、垂直分量Z等变线的空间分布图。从图4可以看出，震前，2018—2019年总强度F的变化范围在-12—6 nT之间，正值分布于柴达木地块及巴颜喀拉地块的西部，震中位于正值区域的高梯度带，距离“0”变线50 km。2019—2020年总强度F的变化范围在-6—8 nT之间，正值区域分布较广，负值区以点状或带状分布于研究区域，震中位于正负值交界地带，震中距离“0”变线20 km。震后，2020—2021年总强度F的变化范围在-8—4 nT之间，正值区大面积分布，形成较多高梯度带，负值区仅以点状形式零星分布，震中西北100 km处有小范围负值分布，震中位于负值区，距离“0”变线60 km。3期“0”变线与震中的距离见表1。

图4 研究区域各期总强度F、垂直分量Z等变线的空间分布红色代表正值，黑色代表零线，蓝色代表负值，F、Z等变线间隔为2 nTFig.4 Spatial distribution of contour lines of total intensity F and vertical intensity component Z in each period of the study area

从图4可以看出，震前，2018—2019年垂直分量Z的变化范围在-10—8 nT之间，负值区主要位于研究区域的北部及中南部，分布相对较广，正值区域主要分布于研究区域的中西部及东部，主要集中于巴颜喀喇主峰断裂与甘孜—玉树—风火山断裂之间。震中位于正负交界地区，距离“0”变线20 km。2019—2020年垂直分量Z的变化范围在-10—8 nT之间，负值区域向南部扩展，震中位于正负交界地带，距离“0”变线仅5 km。震后，2020—2021年垂直分量Z的变化范围在-4—10 nT之间，正负值分布区域与震前一期相比出现了置换的现象，研究区域有高梯度带出现，震中位于负值区，距离“0”变线40 km。3期“0”变线与震中的距离见表1。

3 讨论

由图2—图4可以看出，在玛多MS7.4地震发生之前，岩石圈磁场各要素均发生了不同程度的变化。

从场值分布来看：震前2期（2018—2019年）岩石圈磁场水平矢量的方向与断层的走向在玛多震中200 km范围内大体一致，震中东南80 km处出现顺时针旋转且幅值变小的弱变化，磁偏角等变线也在震中东南80 km及以东地区出现集中的负值区域，垂直矢量变化较为复杂，研究区域存在多个不同的优势方向以及幅值减小的弱变化区域。震中位于磁倾角、总强度、垂直分量等变线的正负交界地带，而且震中位于总强度、垂直分量等变线的高梯度带，震中位于磁倾角等变线的负值区，位于磁偏角、总强度、垂直分量等变线的正值区；震前1期（2019—2020年）岩石圈磁场水平矢量的场值明显的小于震前2期的结果，研究区域矢量的优势方向明显，但在震中周边100 km范围内呈现散乱状态，主要表现为矢量方向无规律且量级减小的弱变化，磁偏角在该区域也出现了集中分布的负值，垂直矢量场值并无较大变化，震中周边矢量既有对冲又有发散现象，震中位于磁倾角、总强度、垂直分量等变线的正负交界地带，其中震中位于磁偏角等变线的负值区，位于总强度、垂直分量等变线的正值区；震后1期（2020—2021）岩石圈磁场水平矢量的场值变大，优势方向明显，研究区域内无明显的转向和幅值减小的弱变化区域，磁偏角、磁倾角、垂直分量均以正值为主，总强度以负值为主。

从震中位置响应来看：2018—2020年震前连续2期水平矢量在震中80—100 km范围内出现了弱变化现象，震后1期弱变化现象消失。震中位于磁倾角、总强度、垂直分量等变线的“0”变线附近，2019—2020年尤为明显，磁偏角、磁倾角、总强度、垂直分量等变线的“0”变线距离震中5—20 km，这与部分学者研究成果（杨福喜等，2010；陈斌等，2011；顾春雷等，2012；倪喆等，2014；宋成科等，2017；董超等，2021）较为一致。

4 结论

对玛多MS7.4地震前后岩石圈磁场部分要素的变化特征进行分析，并对岩石圈磁场部分要素累计年变化特征进行总结，得到以下结论：

（1）在震前2—3年岩石圈磁场水平矢量弱变化主要位于距离震中100 km的范围内，磁偏角在100 km范围内集中出现了负值分布，震中位于磁倾角、总强度、垂直分量等变线的梯度带。

（2）在震前1—2年震中位置距离岩石圈磁场磁偏角、磁倾角、总强度、垂直分量等变线的“0”变线不到20 km，尽管并不完全确定产生这种变化的原因，但玛多地震可能是一种解释，地震同震和震后形变释放了该区域积累的应力和能量，造成区域应力调整，从而导致磁场的异常变化。

（3）玛多MS7.4地震前1—2年震中附近岩石圈磁场各要素的强变化，可以为短临预测提供异常背景。如能在监测区加密观测或复测，或许能捕捉到更明显的震磁信息。

（4）根据亚失稳理论，在地震发震之前的亚失稳阶段，震中应力表现为平稳弱变化趋势。反映为岩石圈磁场年度变化由强至弱再至强的演化过程，所以监测地表的岩石圈磁场变化过程及“0”变线的演化形态，可帮助探查地下是否进入震前的亚失稳阶段。

（5）震前震后岩石圈磁场磁偏角、磁倾角、总强度、垂直分量等变线的“0”变线与震中的距离经历了“远—近—远”的过程，岩石磁学实验表明，岩石的磁化率会随应力变化而变化，相当多的岩石在应力增加时磁化率降低，应力降低时磁化率升高，应力与磁场大小存在着近似反向的关系（高龙生等，1985），这也说明玛多地震震源区地下应力与上述要素“0”变线的分布关系密切，上述磁要素异常变化特征可以作为震磁异常的佐证并为地震预测、预报服务。

本文使用的流动地磁数据由13家省级地震局共同处理完成，作者在此表示感谢。