華北中部主要活動斷裂對巖石圈磁異常分布的影響

劉德強

1 河北省地震局，石家莊市槐中路262號, 050021

研究巖石圈磁異常的構造相關性，加強對多種磁異常影響因素的認識，有助于更好地提取震磁異常信息。本文研究華北中部地區多期準確可靠的流動地磁矢量觀測數據，發現巖石圈磁場ΔX、ΔY和ΔZ三要素梯度高值區、局部異常分布與活動斷裂均具有一定相關性，其中，ΔY要素相對更明顯，因此本文主要以東向分量ΔY為描述對象。同時，由于受多因素共同影響，各期ΔY梯度高值區、局部異常分布具有動態變化特點，在某些斷裂附近兩者延續性存在的可能和構造相關性更好。

1 數據及處理

本文使用華北中部地區(34.7°～41.1°N,110.3°～119.7°E)118個流動地磁矢量測點(圖1)2016～2019年的連續觀測數據，經日變通化改正、主磁場長期變改正、主磁場剝離、相鄰兩期巖石圈磁場數據差分等處理后，得到2016～2017年、2017～2018年和2018～2019年連續3期巖石圈磁場各要素年變化數據，為便于表述，對應稱之第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ期。為保證結果準確可靠，剔除相鄰兩期發生點位變動或其他可能受外界環境干擾的測點數據，因此各期差值計算實用測點數可能略有不同。數據處理過程參考文獻[1-2]，其中，日變通化改正主要借助測點周邊7個地磁臺站相關數據進行處理，包括太原臺、呼和浩特臺、隆堯臺、靜海臺、昌黎臺、泰安臺和郯城臺。

圖1 研究區流動地磁矢量測點分布Fig.1 Distribution of mobile geomangetic observation points in research area

利用上述得到的巖石圈磁場年變化數據，可進一步明確ΔY梯度幅值、形態等。為了對區內ΔY梯度進行量化描述，對其進行賦值處理。采用以經、緯度各0.1°為間隔的ΔY網格化插值數據，設某節點相鄰的正西側0.1°處實際數據為x1、東側為x2、南側為y1、北側為y2，T0為梯度值，且梯度結果均歸算為以1°為間隔的值，則：

巖石圈磁場一般在空間上表現出大范圍的區域性異常[3-7]。為明確局部異常形態，需將巖石圈磁場進行成分分解。利用多項式回歸法可以較好地獲得巖石圈磁場區域背景場變化值，然后將原巖石圈磁場信息減去區域背景場成分即可得到局部異常成分[4-5]。本文根據測點數量并對比原巖石圈磁場變化系統性形態，發現利用三階多項式擬合提取的區域和局部異常形態最為合理。

2 梯度高值區分布

第Ⅰ期ΔY梯度高值區主要位于山西西北部、河北南部、河北山東交界處和山東西北部(圖2(a))。山西境內高值區幾乎沿整個山西構造帶方向延伸；河北南部高值區夾于邯鄲-磁縣斷裂和晉獲斷裂之間，中心靠近邯鄲-磁縣斷裂；河北山東交界處附近高值區面積大、能量強，主要沿滄東斷裂和聊城-蘭考斷裂分布，中心位于滄東斷裂附近；山東西北部環無棣-益都活動斷裂的高值區能量最強。以上高值區分布和延伸都呈現出較好的構造相關性。

橙色等值線代表ΔY≥10 nT區域，加粗橙色等值線為20 nT以上區域，等值線間隔為2 nT，紅色粗實線為活動斷裂圖2 ΔY梯度高值區空間分布Fig.2 Spatial distribution of high value areas of ΔY gradient

第Ⅱ期ΔY梯度高值區主要位于山西東北部和河北山東交界地區(圖2(b))。前者主要沿口泉和天鎮-陽高、懷安鎮盆地南緣等活動斷裂分布，走向與一系列北東向斷裂一致；后者主要沿滄東斷裂和聊城-蘭考斷裂分布。其他影響高值區分布的活動斷裂主要有晉獲斷裂、新河斷裂等，這些斷裂附近分布的高值區能量也相對較強，且斷裂靠近異常中心區。

第Ⅲ期ΔY梯度高值區主要位于山西東北部、山西河北交界中部、北京西北部、河北南部和河北山東交界南部(圖2(c))。高值區多環活動斷裂分布或沿活動斷裂延伸，其中河北山東交界處附近高值區能量最強，主要沿滄東、聊城-蘭考和巨野等活動斷裂分布。對異常影響顯著的還有岱海南緣、天鎮-陽高、懷安鎮盆地南緣、六棱山北麓、霍山山前、延礬盆地北緣、昌平-豐南、灤縣-東亭和邯鄲-磁縣等活動斷裂。

以分布于梯度高值區的活動斷裂數量占總斷裂數量之比表示ΔY異常的構造相關程度，則3期分別為68%、76%和54%。

3 局部異常特征

第Ⅰ期ΔY局部性異常幅值主要在-15～12 nT之間(圖3(a))，顯著異常區分布零散，區內大多都有活動斷裂分布，且異常中心區多位于活動斷裂附近。山西中部和東北部正異常高值區走向與活動斷裂走向近乎一致；河北南部沿邯鄲-磁縣斷裂和新河斷裂分布負異常中心區；魯西斷隆及以東地區高值區沿聊城-蘭考斷裂和無棣-益都斷裂分布；以滄東斷裂為界兩側正負異常相對分布。

圖3 ΔY局部異常分布Fig.3 Distribution of ΔY local anomalies

第Ⅱ期范圍大、能量強的ΔY異常中心區均沿活動斷裂分布，整體幅值位于-12～8 nT之間(圖3(b))。山西中部仍為正異常高值區，沿交城斷裂和太谷斷裂分布；河北南部主要表現為負異常，大致夾于邯鄲-磁縣斷裂、新河斷裂和晉獲斷裂之間分布，有一正異常高值中心區分布于滄東斷裂西側；山西東北部分布的顯著異常區由正轉負，但走向仍與活動斷裂大體一致；山東西北部異常值由正轉負，山東西部顯著區主要沿聊城-蘭考斷裂分布。

第Ⅲ期ΔY異常形態同樣動態變化，幅值位于-11～11 nT之間(圖3(c))，異常中心區基本沿活動斷裂分布，在山西中部、河北南部及東北部和山東西部等地最為明顯。其中山西中部異常顯著區延續存在，異常值由正轉負，主要沿交城斷裂、太谷斷裂和系舟山北麓斷裂分布；河北南部正高值區沿邯鄲-磁縣斷裂和新河斷裂分布，河北東北部負異常顯著區主要沿昌平-豐南斷裂和灤縣-東亭斷裂分布；山東西部負異常顯著區沿聊城-蘭考斷裂分布，與河北南部正高值區以滄東斷裂為隔正負相對。

3期局部異常形態中，構造相關性較好的異常中心區占總異常數之比分別為94%、80%、95%，僅個別較為明顯的異常中心區無活動斷裂。

4 磁異常和斷裂構造的關系

許儀西等[3,8]對福建地區巖石圈磁場特征進行研究，發現磁異常和地質構造的分布以及地震活動存在一定對應關系。2008年福建長泰ML4.7地震受NW向斷裂主導，沿此走向的流動地磁測點數據出現同步異常，且構造應力集中的情形并不只限于發震斷層，在震區外圍某些特殊構造也會出現，進而改變巖石介質電性參數，引起磁異常。蘆山MS7.0地震發生時也表現出一定程度壓磁效應，且距斷層越近越明顯[9]。

限于流動地磁測點的空間分辨率，有些構造磁效應現象可能不易直接提取，本文借助巖石圈磁場年變化數據，利用2種不同的方法發現，ΔY梯度高值區、局部異常和斷裂構造的相關性均較好，進一步豐富了構造磁效應的研究成果?？傮w來看，與磁異常關系密切的主要有交城、太谷、口泉、恒山北麓、六棱山北麓、天鎮-陽高、晉獲、邯鄲-磁縣、新河、聊城-蘭考、滄東和無棣-益都等活動斷裂。其中太谷、口泉、恒山北麓、六棱山北麓和天鎮-陽高等活動斷裂均為傾滑正斷層[10]，構造區垂直運動明顯，屬于地震活動關注區[11]，因此這種相關性可能和斷層應力狀態改變有關。邯鄲-磁縣斷裂和新河斷裂均為太行山山前斷裂帶正斷層，活動性強[12]，可能是影響磁異常分布的原因。晉獲斷裂是一條深大斷裂，各分段以逆沖斷層為主，變形強度由北向南減弱，北段屬于本地震亞帶主要活動場所，可能與磁異常分布有關[13]。滄東斷裂作為一條深大斷裂，活動性不強，為正斷層，對異常分布影響明顯可能和兩側地殼介質密度差別較大有關[14]。聊城-蘭考斷裂是華北坳陷和魯西斷隆的分界斷裂，為正斷層，活動性偏強，是一條影響多種地球物理異常分布的重要斷裂帶[15]。無棣-益都斷裂總體活動性存在分段差異，以正斷層為主，控制著魯北地區地震活動分布[16]，對磁異常分布影響也較為明顯。

綜上所述，斷裂構造影響磁異常分布可能主要和構造應力狀態改變、深大斷裂造成地殼介質特性明顯不同有關；除晉獲斷裂外，和磁異常分布關系密切的斷裂大多為正斷層，由于異常顯著區空間尺度較大且動態變化明顯，磁異常是否和斷層性質存在聯系仍需進一步研究。

5 結 語

通過對華北中部地區連續3期巖石圈磁場ΔY梯度、局部異常形態進行分析，發現磁異常分布和活動斷裂之間具有一定的對應關系，并得到以下幾點認識：

1)ΔY梯度高值區分布和活動斷裂相關性較好，高值區多沿一個或多個活動斷裂延伸，或環活動斷裂分布。總體看來，和梯度空間分布關系最密切的主要有霍山山前、口泉、六棱山北麓、天鎮-陽高、晉獲、邯鄲-磁縣、滄東、聊城-蘭考、無棣-益都等活動斷裂。

2)各期局部異常中心區和活動斷裂相關程度較高，山西構造帶顯著異常區多位于中部和東北部，中部主要沿交城和太谷等斷裂分布，東北部主要沿口泉、恒山北麓、六棱山北麓和天鎮-陽高等斷裂分布；太行山山前斷裂帶顯著區主要沿邯鄲-磁縣斷裂和新河斷裂分布；魯西斷隆附近異常值顯著區主要和聊城-蘭考斷裂分布有關；滄東斷裂對異常分布影響亦較為明顯，表現為異常顯著區以其為界正負相隔或者異常中心區沿其分布。

3)斷裂構造可能影響磁異常分布，這與前人的研究結果較為一致，造成這種影響的原因主要和構造應力狀態改變、深大斷裂造成地殼介質特性不同有關。

4)巖石圈磁場分布具有動態變化特征，影響因素包括地殼運動歷史、巖石介質磁化率、溫度、壓力、構造應力等，因此各期梯度高值區和局部異常形態差異性較大，但也有高值區或異常顯著區延續性存在的特點，其中在某些斷裂構造附近延續性存在的可能和構造應力關系更密切，據此可為判定地震關注區提供依據。

巖石圈磁場變化是個復雜的過程，本文在分析其構造相關性時，主要結合構造位置和異常區空間分布進行討論，結果可能略有偏頗，今后將進行更深入的定量研究。