在地表观测到的地磁场数值包括内源场和外源场。内源场可细分为源于地球液体外核磁流体动力学过程的主磁场和源于地壳及上地幔物质磁性的岩石圈磁场。外源场可细分为源于固体地球之外的各种电流体系产生的磁场和固体地球内部产生的感应磁场(付承义等,1985; 徐文耀,2003)。地下介质所处的环境,如温度、应力等状态影响岩石圈介质的磁化率与磁化强度(黄平章等,1990; 郝锦绮等,1992,1993; 侯登录等,2003; 赵翔宇,刘青松,2010),并反映到地面观测到的磁场异常分布中。

由于岩石圈磁场包含了固体地球内部物质状态和结构的丰富信息,因此通过对岩石磁异常的研究可以推进对地球的发展演变、地质构造的发展演变、地震活动性及成矿研究等诸多领域的研究并应用于航空航天和定向导航等相关领域。而高精度地磁场测量以及建模为上述研究提供了必不可少的基本科学数据。国内外学者通过重访地震活动邻区的地磁场变化,发现地震之前存在地磁异常现象(Bernardi et al.,1991; 顾春雷等,2010; 顾左文等,2006; 倪喆等,2014)。

蒙古人民共和国位于亚洲东部蒙古高原上,北临贝加尔湖,东南西三面与我国的新疆、甘肃和内蒙古接壤,与我国共有极长的国境线,为我国北方边界的重要邻国。受印度—欧亚大陆碰撞、挤压与太平洋板块俯冲、出消减等过程的共同作用,蒙古地区是当今地球上构造运动最活泼的地区之一(熊熊等,2010; Cunningham,2005)。区域内分布由两条巨大的E-W走向的中蒙弧构造带和和贝加尔弧构造带,蒙古地区的构造格局分为西部地区与东部地区,西部地区地震活动强烈,东部地震活动很少^①(Ulziibat Munkhuu,2006)。蒙古东部至内蒙中东部、辽宁和黑龙江西部构成的东蒙—兴安块体为我国华北克拉通地块的北部重要构造。蒙古西部、内蒙西部,阿尔泰造山带以东和戈壁阿尔泰造山带以北构成的西蒙古地块为我国南北地震带和塔里木地块的本部重要构造块体。其中西蒙古地块又被Bolnai断裂和Bogd断裂自北向南分隔成萨彦地块、阿尔泰地块和阿拉善地块。研究蒙古地区的地质构造对研究华北克拉通、南北地震带和塔里木地块等主要块体的与北方重要块体及更北部的西伯利亚克拉通块体之间的动力学关系有着重要的地球物理学意义。

为了实现蒙古地区区域地磁场的建立,研究中国北方边界地区地磁分布特征和中国地磁分布的联系,探索蒙古高原块体与华北克拉通、南北地震带北端及塔里木块体相互作用。在2011～2012年期间,中国地震局地球物理研究所(IGPCEA)与蒙古科学院天文与地球物理研究中心(简称RCAG,MAS)在蒙古境内合作测量了119个点的地磁三分量数据(D、I、F)。笔者根据这些地磁场实测数据,分别用球冠谐和方法和曲面样条方法建立了2010.0年代蒙古及周边地区地磁场区域模型,用两者的差表示岩石磁异常,并计算了该岩石磁异常与NGDC-720(National Geophysical Data Center,国家地球物理数据中心,简称NGDC)模型计算的岩石磁异常的差异。

笔者以2011～2012年中国地震局地球物理研究所与RCAG合作测量得到的蒙古境内119个测点的D、I、F三分量数据为最初研究数据,其中75点为2011年由中、蒙两国科研人员共同测量完成,44点由蒙方人员于2012年独立测量完成。本文根据这些地磁场实测数据,经过数据处理与分析,最后选用118个实测点数据,其中由于2012年RCAG独立测量的096号测点与2011年共同测量的008号点位置重复,故舍去了096号点。蒙古地区118个地磁测点及边界约束点如图1所示。

选用乌兰巴托地磁台分钟值记录数据消除观测数据中外源地磁场的成分,用第11代国际地磁参考场IGRF-11(IAGA,2010)将全部数据长期变化改正至当地时2010年1月1日午夜零时。并分别用球冠谐和与曲面样条两种方法对观测数据进行空间拟合和插值,球冠谐和和曲面样条的拟合插值方法和结果已由另文阐述 陈斌,袁洁浩,王雷,等.2014a.2010.0年代蒙古地区地磁场曲面样条分析.地球学报(待刊). 陈斌,袁洁浩,王雷,等.2014b.2010.0年代蒙古地区地磁场球冠谐和分析.测绘学报(待刊).,此文不再重复表述。然后以球冠谐和描述的地磁场数值作为正常场,从曲面样条描述的地磁场数值中消去正常场数值,即为岩石磁异常数值。以总强度为例,空间某点的岩石磁异常可由FANO=FSP-FSCH计算。其中FANO为该点的岩石磁异常数值,FSP为曲面样条给出的地磁场数值,FSCH为球冠谐和给出的地磁场数值。

由于野外测点主要分布的区域位于42°～52°N,89°～116°E之间,选择覆盖蒙古地区的模型计算区域为42°～52°N,89°～116°E。为弥补地区外测点缺失,同时为降低边界畸变,我们在计算区域边缘处均匀选取16个补充点,根据增强磁场模型(Enhance Magnetic Model,简称EMM)计算出这16个补充点的地磁场值作为强化约束条件。

图1 蒙古地区地磁野外测点分布(●测点; ▲边界点)
Fig.1 Distribution of geomagnetic field survey points in Mongolia

图2为得到的蒙古地区岩石磁异常空间分布等值线图。各要素的空间分布和量值区间如下:

磁偏角D和东向分量Y在蒙古地区东部和西部呈现不同的特征。东部大部分地区为正值区域,最大值为+75'(D)和+460 nT(Y),负值区域为乌兰巴托西南至区域东南的条带状地区,最小值为-60'(D)和-420 nT(Y)。西部大部分区域为负值区域,最小值为-80'(D)和-520 nT(Y); 在100°E附近北部和46°N,98°E附近存在正值区域,最大值为+10'(D)和280 nT(Y)。

磁倾角I、水平分量H和北向分量X的空间分布特征较为类似。主要空间特征为4对共8条正负相间的南北向条带。沿94°E、101°E、107°E和111°E 4条经线分布的条带I为负,H和X为正; 沿97°E、104°E、109°E和114°E 4条经线分布的条带I为正,H和X为负。I的最大值为+22',位于49°N,104°E和47°N,97°E两处; 最小值为-36分,位于(50°N,104°E)。H和X的最大值为740 nT,位于(50°N,104°E); 最小值为-440 nT,位于(49°N,97°E)。

总强度F和垂直分量Z的空间分布特征较为类似。蒙古西部的岩石磁异常场表现为大范围的负值区域中镶着一块较小的正值区域,蒙古中东部的岩石磁异常较为复杂,为正负互相交错的形态。最大值为+400 nT(F)和+460 nT(Z),位于(47°N,95°E)附近; 最小值为-360 nT,位于(49°N,97°E)附近(F)和-400 nT,位于(48°N,100°E)附近(Z)。

此外,在蒙古西部南边界处,F、H、X和Z的空间分布存在类弧形分布,这一类弧形分布可认为被北自贝加尔湖—乌兰巴托并南偏东延伸的磁结构所截断,而未延伸至蒙古东部,即蒙古东部南边界未发现类似的弧形分布。

图2 2010.0蒙古地区岩石磁异常空间分布(实线表示正值,虚线表示负值)
(a)ΔD;(b)ΔI;(c)ΔF;(d)ΔH;(e)ΔX;(f)ΔY;(g)ΔZ
(ΔF,ΔH,ΔX,ΔY和ΔZ单位:nT,ΔD和ΔI的单位:弧分('))
Fig.2 The spatial distribution of lithosphere magnetic anomaly in Mongolia on 2010.0(solid Line denotes positive value,dashed line denotes negative value)(a)ΔD;(b)ΔI;(c)ΔF;(d)ΔH;(e)ΔX;(f)ΔY;(g)ΔZ(the unit of ΔF,ΔH,ΔX,ΔY and ΔZ is nT,the unit of ΔD and ΔI is arc minute('))

由于磁场各要素的空间分布特征存在一定的差异性,从若干图像上提取磁异常的总体特征较为困难。仿照矢量长度值的计算方法,我们制定了一个岩石磁异常幅度指标。该指标由磁异常的X、Y、Z这3个独立要素计算,计算公式为:F_IND=(X²+Y²+Z²)^1/2,式中F_IND为计算得到的岩石磁异常幅度指标,X、Y、Z分别为岩石磁异常的北向、东向和北向分量。

计算得到的F_IND的取值范围为0～1 000 nT,为了较为容易获取岩石磁异常幅度指标F_IND的空间分布特征,我们按照数值的大小将F_IND的空间等值线分为3类,并用不同线性的等值线标示。0～250 nT的值用实线表示,250～500 nT的值用虚线表示,500～1 000 nT的值用点线表示。图3为计算的F_IND的空间等值线图,蒙古东西部呈现为明显不同的特征。东部基本为低值区域,西部基本为高值区域,最高值位于贝加尔湖附近和蒙古西南边界两处。另外,从贝加尔湖至乌兰巴托并向南延伸存在一个条状的高值条带。

图3 FIND空间分布(实线表示0～250 nT的值,虚线表示250～500 nT的值,点线表示大于500 nT的值(单位:nT))
Fig.3 The spatial distribution of FIND(the solid line denotes 0～250 nT,the dashed line denotes 250～500 nT,the dotted line denotes 500～1 000 nT(Unit:nT))

本文结合在蒙古地区开展的地磁观测资料,绘制了区域的岩石磁异常图,得出以下结论:

(1)蒙古东西部地区的岩石磁异常特征不同。D和Y在东部地区大多为正,西部为负; F和Z在西部地区表现较为规整,东部地区则较为凌乱。I、H和Z并未发现明显的东西部差异。

(2)蒙古西部南边界存在类弧形磁性结构而西部南边界未发现类似弧形结构。

(3)提出了反映岩石磁异常的幅度指标F_IND,F_IND的空间分布特征较为明显地表现出东西差异性。

(4)贝加尔湖至乌兰巴托并南延的南北走向地区存在不同周边磁性物质的异常磁条带结构。

由于蒙古西部地区地震活动强烈,东部地震活动很少。这种岩石磁异常的东西部差异与地震活动的相关性与因果关系需要更为深入的研究与思考。

蒙古科学院天文与地球物理研究中心U.Sukhbaatar教授、S.TSERENDUG、T.NASAN-OCHIR、S.GANTSOGT、M.NGUNSHAGAI等共同参与野外工作的制定和执行; 安徽省地震局、云南省地震局、甘肃省地震局、新疆维吾尔自治区地震局部分人员为本论文的撰写提供了野外工作和台站数据支持; 在此一并表示感谢。