华北中部主要活动断裂对岩石圈磁异常分布的影响

刘德强

1 河北省地震局，石家庄市槐中路262号, 050021

研究岩石圈磁异常的构造相关性，加强对多种磁异常影响因素的认识，有助于更好地提取震磁异常信息。本文研究华北中部地区多期准确可靠的流动地磁矢量观测数据，发现岩石圈磁场ΔX、ΔY和ΔZ三要素梯度高值区、局部异常分布与活动断裂均具有一定相关性，其中，ΔY要素相对更明显，因此本文主要以东向分量ΔY为描述对象。同时，由于受多因素共同影响，各期ΔY梯度高值区、局部异常分布具有动态变化特点，在某些断裂附近两者延续性存在的可能和构造相关性更好。

1 数据及处理

本文使用华北中部地区(34.7°～41.1°N,110.3°～119.7°E)118个流动地磁矢量测点(图1)2016～2019年的连续观测数据，经日变通化改正、主磁场长期变改正、主磁场剥离、相邻两期岩石圈磁场数据差分等处理后，得到2016～2017年、2017～2018年和2018～2019年连续3期岩石圈磁场各要素年变化数据，为便于表述，对应称之第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ期。为保证结果准确可靠，剔除相邻两期发生点位变动或其他可能受外界环境干扰的测点数据，因此各期差值计算实用测点数可能略有不同。数据处理过程参考文献[1-2]，其中，日变通化改正主要借助测点周边7个地磁台站相关数据进行处理，包括太原台、呼和浩特台、隆尧台、静海台、昌黎台、泰安台和郯城台。

图1 研究区流动地磁矢量测点分布Fig.1 Distribution of mobile geomangetic observation points in research area

利用上述得到的岩石圈磁场年变化数据，可进一步明确ΔY梯度幅值、形态等。为了对区内ΔY梯度进行量化描述，对其进行赋值处理。采用以经、纬度各0.1°为间隔的ΔY网格化插值数据，设某节点相邻的正西侧0.1°处实际数据为x1、东侧为x2、南侧为y1、北侧为y2，T0为梯度值，且梯度结果均归算为以1°为间隔的值，则：

岩石圈磁场一般在空间上表现出大范围的区域性异常[3-7]。为明确局部异常形态，需将岩石圈磁场进行成分分解。利用多项式回归法可以较好地获得岩石圈磁场区域背景场变化值，然后将原岩石圈磁场信息减去区域背景场成分即可得到局部异常成分[4-5]。本文根据测点数量并对比原岩石圈磁场变化系统性形态，发现利用三阶多项式拟合提取的区域和局部异常形态最为合理。

2 梯度高值区分布

第Ⅰ期ΔY梯度高值区主要位于山西西北部、河北南部、河北山东交界处和山东西北部(图2(a))。山西境内高值区几乎沿整个山西构造带方向延伸；河北南部高值区夹于邯郸-磁县断裂和晋获断裂之间，中心靠近邯郸-磁县断裂；河北山东交界处附近高值区面积大、能量强，主要沿沧东断裂和聊城-兰考断裂分布，中心位于沧东断裂附近；山东西北部环无棣-益都活动断裂的高值区能量最强。以上高值区分布和延伸都呈现出较好的构造相关性。

橙色等值线代表ΔY≥10 nT区域，加粗橙色等值线为20 nT以上区域，等值线间隔为2 nT，红色粗实线为活动断裂图2 ΔY梯度高值区空间分布Fig.2 Spatial distribution of high value areas of ΔY gradient

第Ⅱ期ΔY梯度高值区主要位于山西东北部和河北山东交界地区(图2(b))。前者主要沿口泉和天镇-阳高、怀安镇盆地南缘等活动断裂分布，走向与一系列北东向断裂一致；后者主要沿沧东断裂和聊城-兰考断裂分布。其他影响高值区分布的活动断裂主要有晋获断裂、新河断裂等，这些断裂附近分布的高值区能量也相对较强，且断裂靠近异常中心区。

第Ⅲ期ΔY梯度高值区主要位于山西东北部、山西河北交界中部、北京西北部、河北南部和河北山东交界南部(图2(c))。高值区多环活动断裂分布或沿活动断裂延伸，其中河北山东交界处附近高值区能量最强，主要沿沧东、聊城-兰考和巨野等活动断裂分布。对异常影响显著的还有岱海南缘、天镇-阳高、怀安镇盆地南缘、六棱山北麓、霍山山前、延矾盆地北缘、昌平-丰南、滦县-东亭和邯郸-磁县等活动断裂。

以分布于梯度高值区的活动断裂数量占总断裂数量之比表示ΔY异常的构造相关程度，则3期分别为68%、76%和54%。

3 局部异常特征

第Ⅰ期ΔY局部性异常幅值主要在-15～12 nT之间(图3(a))，显著异常区分布零散，区内大多都有活动断裂分布，且异常中心区多位于活动断裂附近。山西中部和东北部正异常高值区走向与活动断裂走向近乎一致；河北南部沿邯郸-磁县断裂和新河断裂分布负异常中心区；鲁西断隆及以东地区高值区沿聊城-兰考断裂和无棣-益都断裂分布；以沧东断裂为界两侧正负异常相对分布。

图3 ΔY局部异常分布Fig.3 Distribution of ΔY local anomalies

第Ⅱ期范围大、能量强的ΔY异常中心区均沿活动断裂分布，整体幅值位于-12～8 nT之间(图3(b))。山西中部仍为正异常高值区，沿交城断裂和太谷断裂分布；河北南部主要表现为负异常，大致夹于邯郸-磁县断裂、新河断裂和晋获断裂之间分布，有一正异常高值中心区分布于沧东断裂西侧；山西东北部分布的显著异常区由正转负，但走向仍与活动断裂大体一致；山东西北部异常值由正转负，山东西部显著区主要沿聊城-兰考断裂分布。

第Ⅲ期ΔY异常形态同样动态变化，幅值位于-11～11 nT之间(图3(c))，异常中心区基本沿活动断裂分布，在山西中部、河北南部及东北部和山东西部等地最为明显。其中山西中部异常显著区延续存在，异常值由正转负，主要沿交城断裂、太谷断裂和系舟山北麓断裂分布；河北南部正高值区沿邯郸-磁县断裂和新河断裂分布，河北东北部负异常显著区主要沿昌平-丰南断裂和滦县-东亭断裂分布；山东西部负异常显著区沿聊城-兰考断裂分布，与河北南部正高值区以沧东断裂为隔正负相对。

3期局部异常形态中，构造相关性较好的异常中心区占总异常数之比分别为94%、80%、95%，仅个别较为明显的异常中心区无活动断裂。

4 磁异常和断裂构造的关系

许仪西等[3,8]对福建地区岩石圈磁场特征进行研究，发现磁异常和地质构造的分布以及地震活动存在一定对应关系。2008年福建长泰ML4.7地震受NW向断裂主导，沿此走向的流动地磁测点数据出现同步异常，且构造应力集中的情形并不只限于发震断层，在震区外围某些特殊构造也会出现，进而改变岩石介质电性参数，引起磁异常。芦山MS7.0地震发生时也表现出一定程度压磁效应，且距断层越近越明显[9]。

限于流动地磁测点的空间分辨率，有些构造磁效应现象可能不易直接提取，本文借助岩石圈磁场年变化数据，利用2种不同的方法发现，ΔY梯度高值区、局部异常和断裂构造的相关性均较好，进一步丰富了构造磁效应的研究成果。总体来看，与磁异常关系密切的主要有交城、太谷、口泉、恒山北麓、六棱山北麓、天镇-阳高、晋获、邯郸-磁县、新河、聊城-兰考、沧东和无棣-益都等活动断裂。其中太谷、口泉、恒山北麓、六棱山北麓和天镇-阳高等活动断裂均为倾滑正断层[10]，构造区垂直运动明显，属于地震活动关注区[11]，因此这种相关性可能和断层应力状态改变有关。邯郸-磁县断裂和新河断裂均为太行山山前断裂带正断层，活动性强[12]，可能是影响磁异常分布的原因。晋获断裂是一条深大断裂，各分段以逆冲断层为主，变形强度由北向南减弱，北段属于本地震亚带主要活动场所，可能与磁异常分布有关[13]。沧东断裂作为一条深大断裂，活动性不强，为正断层，对异常分布影响明显可能和两侧地壳介质密度差别较大有关[14]。聊城-兰考断裂是华北坳陷和鲁西断隆的分界断裂，为正断层，活动性偏强，是一条影响多种地球物理异常分布的重要断裂带[15]。无棣-益都断裂总体活动性存在分段差异，以正断层为主，控制着鲁北地区地震活动分布[16]，对磁异常分布影响也较为明显。

综上所述，断裂构造影响磁异常分布可能主要和构造应力状态改变、深大断裂造成地壳介质特性明显不同有关；除晋获断裂外，和磁异常分布关系密切的断裂大多为正断层，由于异常显著区空间尺度较大且动态变化明显，磁异常是否和断层性质存在联系仍需进一步研究。

5 结 语

通过对华北中部地区连续3期岩石圈磁场ΔY梯度、局部异常形态进行分析，发现磁异常分布和活动断裂之间具有一定的对应关系，并得到以下几点认识：

1)ΔY梯度高值区分布和活动断裂相关性较好，高值区多沿一个或多个活动断裂延伸，或环活动断裂分布。总体看来，和梯度空间分布关系最密切的主要有霍山山前、口泉、六棱山北麓、天镇-阳高、晋获、邯郸-磁县、沧东、聊城-兰考、无棣-益都等活动断裂。

2)各期局部异常中心区和活动断裂相关程度较高，山西构造带显著异常区多位于中部和东北部，中部主要沿交城和太谷等断裂分布，东北部主要沿口泉、恒山北麓、六棱山北麓和天镇-阳高等断裂分布；太行山山前断裂带显著区主要沿邯郸-磁县断裂和新河断裂分布；鲁西断隆附近异常值显著区主要和聊城-兰考断裂分布有关；沧东断裂对异常分布影响亦较为明显，表现为异常显著区以其为界正负相隔或者异常中心区沿其分布。

3)断裂构造可能影响磁异常分布，这与前人的研究结果较为一致，造成这种影响的原因主要和构造应力状态改变、深大断裂造成地壳介质特性不同有关。

4)岩石圈磁场分布具有动态变化特征，影响因素包括地壳运动历史、岩石介质磁化率、温度、压力、构造应力等，因此各期梯度高值区和局部异常形态差异性较大，但也有高值区或异常显著区延续性存在的特点，其中在某些断裂构造附近延续性存在的可能和构造应力关系更密切，据此可为判定地震关注区提供依据。

岩石圈磁场变化是个复杂的过程，本文在分析其构造相关性时，主要结合构造位置和异常区空间分布进行讨论，结果可能略有偏颇，今后将进行更深入的定量研究。