Characteristic analysis of the lithospheric magnetic anomaly before the Madoi MS7.4 earthquake on 22th May 2021
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摘要: 本文利用2019年和2020年两期的全国流动地磁矢量数据，针对玛多MS7.4地震震中附近的岩石圈磁场空间分布，分析研究了岩石圈磁场各个分量的震前变化特征。结果表明，玛多MS7.4地震发生前，震中附近的岩石圈磁场分量均发生了不同程度的变化：震中位于各分量的弱变化区域和零变线附近；震中位于各分量的高梯度带和低梯度带之间。本文证实了地震发生前会引起岩石圈磁场变化这一现象，并总结了震前地磁分量的变化特征，为今后强地震（尤其是M≥7.0地震）的震磁关系研究提供了一个震例参考。Abstract: This paper analyzes and studies the magnetic anomaly characteristics of each component of the lithospheric magnetic field in the view of pre-earthquake changes of the lithospheric magnetic field near the epicenter of the Madoi MS7.4 earthquake using geomagnetic field vector data of the mainland of China in 2020 and 2019. The results show that before the Madoi MS7.4 earthquake, the lithospheric magnetic field components near the epicenter all changed to varying degrees. The Madoi MS7.4 earthquake epicenter is located at the weakly magnetic anomaly region, and near the zero-variation line of all the components. The Madoi MS7.4 earthquake epicenter is located between the high gradient belt and the low gradient belt of all the components. This paper confirms that the lithospheric magnetic anomaly will be changed before the earthquake, and summarizes characteristics of geomagnetic components magnetic anomaly, and provides a case for the future study of the seismo-magnetism, especially the earthquakes that magnitude larger than 7.0.
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引言
2021年5月22日2时4分，青海果洛州玛多县发生MS7.4地震，此次地震是继汶川地震后中国发生的震级最高的一次地震，其震源深度为17 km，震中位于（34.59°N，98.34°E），地处巴颜喀拉地块内部，如图1所示，黑色线条为断层分布（邓起东等，2003）。巴颜喀拉地块属于青藏高原活动地块之一，北边界为东昆仑断裂带，南边界为甘孜—玉树—鲜水河断裂带，西边界为阿尔金断裂带，东边界为龙门山断裂，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；Zhang et al，2004）。受印度—欧亚板块新生代以来碰撞的影响，巴颜喀拉地块发生了强烈的构造变形，其内部发育了多条复杂的断裂系统，初步判断此次地震发生在其中一条断裂带上，玛多—甘德断裂，为北西向左旋走滑断裂（詹艳等，2021）。
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图 1 玛多MS7.4地震震中周围地区地质构造简图Figure 1. Schematic tectonic map around epicenter of Madoi MS7.4 earthquake相关研究表明，不同地区不同时期，岩石圈磁场要素的强度、分布特征均不相同（陈斌等，2011b；康国发等，2013；李莎，康国发，2014）。其中，地震发生前岩石圈磁场也会发生不同程度的变化（Mörner，1986；顾左文等，2006；倪喆等，2014；姚休义，冯志生，2018；杨杰等，2021），但具体的震磁关系尚不明确（Johnston et al，2006；Maus et al，2006；Thébault et al，2010；丁鉴海等，2011）。顾春雷等（2010）针对2005年11月26日九江—瑞昌MS5.7地震和2008年5月12日汶川MS8.0地震作了地震前后磁异常研究，结果表明，九江—瑞昌MS5.7地震震中位于岩石圈磁场总强度高梯度带与低梯度带的交界处，磁偏角和磁倾角零变线附近；汶川MS8.0地震震中位于总强度F、磁偏角D和磁倾角I各分量的零变线附近。冯丽丽等（2012）针对2008年5月12日汶川地震、1970年1月5日通海地震和1988年1月6日澜沧—耿马地震3个地震区的岩石圈磁场分布特征作了相关总结，结果显示这3个地震震中均位于岩石圈磁场的弱异常区域。倪喆等（2014）针对2013年4月20日芦山MS7.0地震震前磁异常变化作了相关研究，结果表明震中位于总强度和垂直分量的零变线上，且位于磁偏角的高梯度带附近。文丽敏等（2017）针对云南地区的强震磁异常现象作了总结，研究表明强震主要发生在磁异常较弱的区域。
综上，针对不同地区、不同强度的地震，岩石圈磁场所表现出的变化特征各不相同。震中通常位于磁场分量的零变线附近、弱异常区域和梯度带上（附近）或交界处，但不同的地震所表现出的现象又各有差异。本文拟利用中国地震局流动地磁矢量数据，通过2019年和2020年两期数据，计算岩石圈磁场的年变化分布，通过研究各个磁场分量的变化特征，分析总结玛多MS7.4地震震前的地磁变化特征。
1. 地磁数据处理
本文所用地磁数据为中国地震局流动地磁矢量数据，全国共1 332个测点，观测周期为1年，观测数据为地磁场三分量数据（磁偏角D，磁倾角I，总强度F）。流动地磁测量仪器主要包含质子旋进磁力仪、磁通门经纬仪和差分GPS仪器。测点均为重复性观测点，为保证定位精度，所有测点处均埋藏了无磁标桩。测点所处场地的水平梯度不大于3 nT/m，垂直梯度不大于5 nT/m，所有流动地磁测点均回避了各种人工电磁干扰源，保证数据的可靠性和精度（Gu et al，2006; 陈斌等，2017）。
地球磁场主要由主磁场、岩石圈磁场和外源磁场等成分构成（徐文耀，2004，2009）。地球主磁场目前公认是由外核液态等离子体流动所产生的，称之为地磁场发电机理论（Kuang，Bloxham，1997；Dong et al，2021）。外源场主要包括地球外部环境产生的磁场，如磁层和电离层磁场。为研究岩石圈磁场，需要消除其它场源磁场的影响，对观测数据进行统一处理，主要包括以下三个步骤：
首先，为消除规律性变化磁场和外源磁场的影响，使用于计算分析的测量数据统一，需要对观测数据进行日变通化，将不同测点数据归算到同一时刻。采用测区邻近的基准地磁台或基本地磁台的地磁场独立三要素的连续观测分钟值数据进行地磁日变通化，计算方法为
$$ {F}_{P}^{0}{\text{＝}}{F}_{P}^{t}{\text{－}}{F}_{s}^{t}{\text{＋}}{F}_{s}^{0}{\text{，}} $$ (1) 式中，
$F_P^0 $ 为测点P通过日变通化得到通化零时的结果，通化零时为通化参考台所处时区地方时00:00—03:00的平均值，通化零日为距实际野外测量时间段最近的磁静日Q1或Q2。FPt为测点P在时间t时的地磁测量值，FSt为通化参考台S在时间t时的观测分钟值数据，FS0为通化参考台S在所处时区地方时00:00—03:00的连续观测分钟值数据平均值。通过计算日变通化的均方误差来判断日变通化的有效性和可靠性，地磁总强度、磁偏角和磁倾角日变通化的均方误差应不超过1.5 nT、0.5分和0.3分，均方差计算方法为$$ \sigma {\text{＝}}\sqrt{\frac{\displaystyle\sum _{i{\text{＝}}1}^{n}{\left({F}_{i}^{0}{\text{－}}\displaystyle\sum _{i{\text{＝}}1}^{n}\dfrac{{F}_{i}^{0}}{n}\right)}^{2}}{n{\text{－}}1}}{\text{，}}$$ (2) 式中，σ为日变通化值均方差，
${F}_{i}^{0} $ 为某测点第i个经日变通化处理得到的通化零时的结果数据，n为该测点地磁测量组数。本文使用相应测点附近的地磁台进行日变通化，总强度、磁偏角和磁倾角的均方误差均符合要求，通化台站和误差列于表1。表 1 日变通化三分量均方差Table 1. The mean square error of three-component in diurnal variation reduction时间 通化台 Fσ /nT Dσ /′ Iσ /′ 2019 CDP （成都台） 0.56 0.14 0.07 DUL （都兰台） 0.55 0.17 0.07 JYG （嘉峪关台） 0.72 0.15 0.03 LZH （兰州台） 0.44 0.15 0.06 TSY （天水台） 0.13 0.13 0.09 2020 CDP （成都台） 0.33 0.09 0.04 GLM （格尔木台） 0.48 0.10 0.04 JYG （嘉峪关台） 0.50 0.13 0.04 LZH （兰州台） 0.28 0.08 0.04 TSY （天水台） 0.33 0.13 0.02 其次，为消除地球主磁场和研究区域磁场的变化成分，要对日变通化后的数据进行长期变化改正，其计算方法为
$$ {F}_{P}^{{\rm{sv}}}{\text{＝}}{F}_{P}^{0}{\text{－}}{ \Delta }_{P}^{{\rm{sv}}}{\text{，}} $$ (3) 式中，
${F}_{P}^{{\rm{sv}}} $ 为测点P经过长期变化（secular variation，缩写为sv）改正到标准地磁年代的结果，${ \Delta }_{P}^{{\rm{sv}}} $ 为测点P处地磁场长期变化改正参考数值。本文使用“2015.0—2020.8中国地区地磁场非线性变化模型”，即自然正交分量法（natural orthogonal components，缩写为NOC）模型，将日变通化后的数据统一归算至2020.0地磁标准年代（顾左文等，2009）。最后，剥离地磁正常场，获得观测区域、观测时间段内地磁岩石圈磁场的空间分布，计算方法为
$$ {F}_{P}^{{\rm{a}}}{\text{＝}}{F}_{P}^{{\rm{sv}}}{\text{－}}{F}_{P}^{{\rm{n}}}{\text{，}} $$ (4) 式中，
${F}_{P}^{{\rm{a}}} $ 为测点P经地磁正常场剥离后所获得的岩石圈磁场数值，${F}_{P}^{{\rm{n}}} $ 为测点P处的地磁正常场参考数值，本文使用2020.0年代中国地磁参考场球冠谐和模型剥离地磁场正常场（陈斌，2011a）。上述各物理量汇总见表2。再通过差分计算2020年和2019年两期地磁矢量数据，得到2020－2019年度岩石圈磁场变化值。针对玛多MS7.4地震，截取研究区域为（93°E—103°E，32°N—38°N）。表 2 数据处理过程中的物理量及其含义Table 2. The implication of physical quantities in data processing物理量 含义 ${F}_{P}^{ {\rm{0} } } $ 测点P通过日变通化得到通化零时的结果 ${F}_{P}^{ {{t} } } $ 测点P在时间t时的地磁测量值 ${F}_{S}^{ {{t} } } $ 通化参考台S在时间t时的观测分钟值数据 ${F}_{S}^{ {{0} } } $ 通化参考台S在所处时区地方时00:00—03:00的连续观测分钟值数据平均值 ${F}_{P}^{{\rm{sv}}} $ 测点P经过长期变化改正到标准地磁年代的结果 $ { \Delta }_{P}^{{\rm{sv}}} $ 测点P处地磁场长期变化改正参考数值 ${F}_{P}^{ {{a} } } $ 测点P经地磁正常场剥离后所获得的岩石圈磁场数值 ${F}_{P}^{ {{{\rm{n}}} } } $ 测点P处的地磁正常场参考数值 2. 磁场特征分析
根据磁偏角D，磁倾角I，总强度F计算出地磁场的其它四个要素，分别是北向分量X，东向分量Y，水平分量H和垂直分量Z，计算方法为
$$ Z{\text{＝}}F\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}I{\text{，}} $$ (5) $$ H{\text{＝}}F\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}I{\text{，}} $$ (6) $$ Y{\text{＝}}H\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}D{\text{，}} $$ (7) $$ X{\text{＝}}H\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}D{{\text{.}}} $$ (8) 图2为岩石圈磁场总强度、磁偏角和磁倾角变化值分布图。从图2a可以看出，研究区域总强度正负变化交替分布，以团状、点状和带状分布为主，较为复杂，震中附近总强度变化沿着断层方向分布，变化范围在±10 nT以内，最大负变化位于震中NE向400 km左右处，最大正变化位于震中正东方向400 km左右处。玛多MS7.4地震震中位于总强度零变线附近，距离不到5 km，其NE向100 km出现了一处正变化，其SE向100 km出现了一处负变化，震中位于这条高梯度带附近。震中西部为低梯度带区，东部为高梯度带区，震中位于高梯度带与低梯度带的交界处。
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图 2 岩石圈磁场总强度（a）、磁偏角（b）和磁倾角（c）变化值分布图Figure 2. Distribution of variation value of the total intensity （a），declination （b） and inclination （c）component of the lithospheric magnetic field图2b显示磁偏角变化范围在−1.3′—3.6′之间，巴颜喀拉地块基本被正变化覆盖，负变化较小呈零星分布。最大正变化位于震中SW向400 km处，最大负变化位于震中的正东方向500 km左右。玛多MS7.4地震震中位于磁偏角正变化区域，零变线附近，其NE向100 km处出现了一处负变化，震中位于高梯度带与低梯度带的交界处。
图2c可以看出，磁倾角变化范围是−1.4′—1′之间，巴颜喀拉地块几乎被负变化所覆盖，正变化呈点状分布于四周。最大正变化位于震中SW方向400 km处，最大负变化位于震中的正东方向500 km左右。玛多MS7.4地震震中位于磁倾角负变化区域，零变线附近，其东向100 km处出现了一个正变化区域，震中位于高梯度带与低梯度带之间。
图3为岩石圈磁场垂直分量、水平分量、北向分量和东向分量变化值分布图。从图3a可以看出，垂直分量变化范围在−13.2—10.2 nT之间，研究区域几乎被负变化所覆盖，正变化呈团状分布于震中周围。最大正变化位于震中SW向400 km处，最大负变化位于震中NE向400 km左右。玛多MS7.4地震震中位于垂直分量负变化区域，零变线附近，其正东方向100 km处出现了一处正变化，震中位于高梯度带与低梯度带交界处。
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图 3 岩石圈磁场垂直分量（a）、水平分量（b）、北向分量（c）和东向分量（d）变化值分布图Figure 3. Distribution of variation value of the vertical （a），horizontal （b），north （c） and east （d） component of the lithospheric magnetic field图3b为水平分量变化值图，其变化范围在−11.3—18.2 nT以内，研究区域几乎被正变化所覆盖，负变化零星分布在震中周围。最大正变化位于震中NE向500 km处，最大负变化位于震中SW向400 km左右。玛多MS7.4地震震中位于水平分量正变化区域，几乎位于零变线上，震中位于高梯度带与低梯度带之间。
图3c为北向分量变化值图，其与水平分量分布一致，只是数值稍小一些，在−11.1—17.6 nT以内。
图3d为东向分量变化值图，其变化范围在−11.9—34.5 nT以内，研究区域几乎被正变化所覆盖，负变化零星分布在研究区域周围。最大正变化位于震中SW向400 km左右，最大负变化位于震中NE向500 km处。玛多MS7.4地震震中位于东向分量正变化区域，零变线附近，震中位于高梯度带与低梯度带交界处。
3. 讨论与结论
由图2和图3可以看出，玛多MS7.4地震发生前，震中附近的岩石圈磁场分量均发生了不同程度的变化，这与先前的一些研究结果一致（顾左文等，2006；顾春雷等，2010；倪喆等，2014）。从场值分布来看，总强度场值分布变化最复杂，磁倾角和垂直分量几乎以负变化为主，其它四个分量几乎以正变化为主，其中，东向分量与磁偏角分布近似，水平分量与北向分量分布接近。从场值大小来看，震中均位于弱变化区域。其中东向分量的正变化值最大，垂向分量的负变化值最大，如表3所示。从表3可以看出，岩石圈磁场分量变化极值主要位于三个位置，距离玛多MS7.4地震震中500 km左右。从震中位置的响应来看，震中位于总强度的零变线上，位于磁偏角、东向分量、北向分量和水平分量的正变化区域，位于垂直分量和磁倾角的负变化区域，位于水平分量和北向分量的零变线附近30 km左右，位于其它分量零变线附近100 km处；震中均位于各分量的高梯度带与低梯度带交界处（或之间）。与之前的研究不同的是，本次玛多MS7.4地震震前岩石圈磁场分量变化并没有和研究区域的造山带、盆地、活动构造带等相关联。
表 3 岩石圈磁场分量变化极值的位置和强度Table 3. Location and intensity of extreme values of lithospheric magnetic anomalies地磁场分量 ΔF ΔD ΔI ΔZ ΔH ΔX ΔY 东经/° 103.00 102.05 94.89 102.91 94.92 102.91 94.89 102.04 102.92 94.94 102.91 94.92 94.89 102.91 北纬/° 34.85 36.00 32.00 35.36 32.00 35.36 32.00 36.02 35.36 32.00 35.36 32.00 32.00 35.36 极值 9.51 nT −9.81 nT 3.58′ −1.25′ 1.02′ −1.35′ 10.24 nT −13.15 nT 18.20 nT −11.25 nT 17.63 nT −11.10 nT 34.46 nT −11.94 nT 研究表明，在地震孕育及发生的过程当中，会伴随地质构造、岩石物性、应力状态和温度等的变化，从而引起岩石圈磁异常现象（Campbell，2003；Maus et al，2006；Thébault et al，2010；Busse，2011）。岩石圈磁异常的研究对地震活动性及震磁关系研究的重要性不言而喻。目前已知的震磁效应主要包括压磁效应、感应磁效应、动电磁效应和热磁效应等。一次地震可能伴随多种震磁效应，其影响占比不同。熊盛青等（2016）对中国陆地的居里面的研究表明，巴颜喀拉地块为居里面凹陷地块，深度达到36—44 km。詹艳等（2021）利用大地电磁数据结果，得到巴颜喀拉地块内部为高-低-次低阻结构，玛多MS7.4地震震中位于地下高导体与低导体的交界区的高导体区域。苏维刚等（2021）的研究表明，在2021年3月之前，玉树地震台水温观测井的水温一直上升，说明该区域地下应力状态一直在改变。此外，地下的裂隙水和热熔物质等的存在与否均会引起不同的震磁效应，因此推断此次玛多MS7.4地震受多种震磁效应的综合影响，各个震磁效应的影响占比还需进一步的分析研究。
本文对玛多MS7.4地震震前岩石圈磁场分量的响应进行了研究，计算了2020年和2019年岩石圈磁场的年变化值，并对各分量的变化特征进行了分析和总结，得到以下结论：
1） 玛多MS7.4地震发生前，岩石圈磁场各分量变化主要位于弱变化区域，且500 km左右的位置出现强变化特征；
2） 玛多MS7.4地震震中位于各分量零变线100 km以内，同时位于各分量的高梯度带与低梯度带交界处（或之间）。
玛多MS7.4地震发生在巴颜喀拉地块内部，证明巴颜喀拉地块仍然是地震活跃的地块，今后还需关注该地块内的磁场变化特征。先前的研究多以地震震前震后的磁异常作分析研究，本文主要针对震前岩石圈磁场的变化特征进行研究，证实了地震发生前会引起震中周围岩石圈磁场变化的现象，总结了具体的地磁分量的变化特征，为今后的震磁关系研究提供了一个震例（特别是M≥7.0地震）参考。文中图件采用Generic Mapping Tools（GMT）软件（Wessel et al，2013）绘制。
感谢两位匿名审稿专家的高效评审。本研究所使用的地磁流动数据由河北省地震局、云南省地震局、甘肃省地震局、中国地震局第一测量中心、安徽省地震局、内蒙古自治区地震局、青海省地震局、四川省地震局、福建省地震局、新疆维吾尔自治区地震局、吉林省地震局和黑龙江省地震局共同测量和处理完成，作者在此一并表示感谢。
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图 3 岩石圈磁场垂直分量（a）、水平分量（b）、北向分量（c）和东向分量（d）变化值分布图
Figure 3. Distribution of variation value of the vertical （a），horizontal （b），north （c） and east （d） component of the lithospheric magnetic field
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图 1 玛多MS7.4地震震中周围地区地质构造简图
Figure 1. Schematic tectonic map around epicenter of Madoi MS7.4 earthquake
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图 2 岩石圈磁场总强度（a）、磁偏角（b）和磁倾角（c）变化值分布图
Figure 2. Distribution of variation value of the total intensity （a），declination （b） and inclination （c）component of the lithospheric magnetic field
表 1 日变通化三分量均方差
Table 1 The mean square error of three-component in diurnal variation reduction
时间 通化台 Fσ /nT Dσ /′ Iσ /′ 2019 CDP （成都台） 0.56 0.14 0.07 DUL （都兰台） 0.55 0.17 0.07 JYG （嘉峪关台） 0.72 0.15 0.03 LZH （兰州台） 0.44 0.15 0.06 TSY （天水台） 0.13 0.13 0.09 2020 CDP （成都台） 0.33 0.09 0.04 GLM （格尔木台） 0.48 0.10 0.04 JYG （嘉峪关台） 0.50 0.13 0.04 LZH （兰州台） 0.28 0.08 0.04 TSY （天水台） 0.33 0.13 0.02 
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表 2 数据处理过程中的物理量及其含义
Table 2 The implication of physical quantities in data processing
物理量 含义 ${F}_{P}^{ {\rm{0} } } $ 测点P通过日变通化得到通化零时的结果 ${F}_{P}^{ {{t} } } $ 测点P在时间t时的地磁测量值 ${F}_{S}^{ {{t} } } $ 通化参考台S在时间t时的观测分钟值数据 ${F}_{S}^{ {{0} } } $ 通化参考台S在所处时区地方时00:00—03:00的连续观测分钟值数据平均值 ${F}_{P}^{{\rm{sv}}} $ 测点P经过长期变化改正到标准地磁年代的结果 $ { \Delta }_{P}^{{\rm{sv}}} $ 测点P处地磁场长期变化改正参考数值 ${F}_{P}^{ {{a} } } $ 测点P经地磁正常场剥离后所获得的岩石圈磁场数值 ${F}_{P}^{ {{{\rm{n}}} } } $ 测点P处的地磁正常场参考数值
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表 3 岩石圈磁场分量变化极值的位置和强度
Table 3 Location and intensity of extreme values of lithospheric magnetic anomalies
地磁场分量 ΔF ΔD ΔI ΔZ ΔH ΔX ΔY 东经/° 103.00 102.05 94.89 102.91 94.92 102.91 94.89 102.04 102.92 94.94 102.91 94.92 94.89 102.91 北纬/° 34.85 36.00 32.00 35.36 32.00 35.36 32.00 36.02 35.36 32.00 35.36 32.00 32.00 35.36 极值 9.51 nT −9.81 nT 3.58′ −1.25′ 1.02′ −1.35′ 10.24 nT −13.15 nT 18.20 nT −11.25 nT 17.63 nT −11.10 nT 34.46 nT −11.94 nT
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