地震和地磁关系的研究已有几十年历史,较早的成果是在岩石压磁效应的研究中获得的(Stacey,1964; Nagata,1970a,b,c; 郝锦绮等,1989)。1946年,日本南海道发生M8.1地震时,胜浦地区地磁偏角变化被作为压磁效应的典型震例(Nagata,1972)。地下核爆前后的地磁观测(Hasbrouck,Allen,1972; 詹志佳等,1992)、大当量人工爆破前后地磁观测(张毅等,2008)及水库蓄水过程的地磁场连续观测(詹志佳等,1990)均获得了地磁总强度的异常变化,对研究压磁效应具有重要参考意义。随着对震源物理过程和地球内部的物理性质探索研究的深入,研究人员逐渐认识到压磁效应并不是震磁关系的唯一机制,膨胀磁效应(祁贵仲,1978)和感应磁效应(中国科学院地球物理研究所第十研究室第二组,1977; 祁贵仲等,1981)相继被提出,并用于解释地震过程中观测到的地磁场异常变化。

随着野外地磁观测资料的大量积累,震磁关系的研究逐渐由理论走向实践,多位研究者利用多期观测资料探讨了唐山地震的震磁效应(李存悌等,1980; 任熙宪等,1984; Zhan,1989; 蒋邦本等,1997)。近年来,中国地震局流动地磁技术团队通过合理的测点布设(顾左文等,2006)和严谨的数据处理(张毅等,2009),获得了很多地震前后岩石圈磁场的异常变化(顾春雷等,2010,2012; 倪喆,2014b)。如顾左文等(2006)研究认为九江—瑞昌M_S5.7地震前在震中附近空间尺度为100 km的范围内出现了异常幅度大于100 nT的地磁基本场水平分量异常,并认为这种异常无法直接用压磁效应和膨胀磁效应解释。倪喆等(2014c)研究认为岩石圈磁场异常空间分布与中强地震的发震地点有一定对应关系,孕震区与非孕震区相比具有显著磁场差异特征,利用这种特征可以为研判发震地点提供岩石圈磁场异常的事实依据; 异常持续时间和空间范围应与震级大小有关。在磁异常分析和研判过程中发现不同区域的异常变化不尽相同,本文将简述2013年芦山M7.0地震和2014年景谷M6.6地震前岩石圈磁场水平矢量异常的空间变化特征,并对这2个地震磁场异常变化的差异进行分析讨论。

岩石圈磁场由地下介质的磁化强度所产生的磁场构成,它的变化受地质结构、构造环境、构造活动、温度与应力状态等多种因素影响(Thebault et al,2010; 丁鉴海等,2011),目前已知的震磁效应(包括压磁效应、膨胀磁效应、感应磁效应等)都是由于地震孕育过程中地下介质的特性(包括孔隙度、含水量、电导率等)发生变化所产生的。本节分析讨论的重点为这2次地震震中及其周边区域岩石圈结构和介质特性。

芦山M7.0地震发生在青藏高原东缘的龙门山断裂带西南段(谢祖军等,2013; 刘成利等,2013),青藏高原东缘没有显著上地壳缩短,大量的地壳物质可能通过下地壳流的方式导致青藏及周边块体的地壳增厚(Clark,Royden,2000; Royden et al,2008)。地壳物质流动受到坚硬的四川盆地的阻挡,导致龙门山两侧平均海拔差高达3.5 km,形成该区域最显著的构造背景。波速结构的研究表明:尽管龙门山断裂带两侧的波速结构具有明显的差别,但龙门山断裂带同侧的波速结构在较大的尺度上一致性较好(雷建设等,2009; 郑勇等,2013)。詹艳等(2013)研究认为龙门山断裂带西南段出现自地表附近到上地幔顶部的龙门山高阻体,其横向范围自双石—大川断裂附近向西扩展到耿达—陇东断裂以西约10～15 km处,宽约45 km,在高阻体内部不仅没有与西侧地壳高导层相通的地壳低阻层,也没有发现电阻率减小的局部区域(图3)。以上资料表明,龙门山断裂带及周边区域岩石圈结构尽管在断裂带两侧具有明显差异,但在断裂带同一侧的整体性较好,这也许是芦山地震前震中及周边区域水平矢量方向不尽相同,但具有较好的整体趋势的原因之一。

在区域构造上,景谷M6.6地震发生在红河断裂带西侧的兰坪—思茅中生代盆地内,上地壳部分由白垩纪的砂岩、泥岩等组成(蔡麟孙,李兴林,2002),在其形成过程中允许大量含水流体的存在。另一方面,该地震距离澜沧江缝合带只有30 km左右,在澜沧江缝合带拼接形成过程中也为上地壳圈闭大量的含水流体提供了可能(李永华等,2014)。澜沧江断裂控制兰坪—思茅盆地的西缘边界断裂,其西侧发育有著名的临沧花岗岩体。地震层析图像研究表明,在澜沧江断裂以东、红河断裂以西思茅—普洱地区中、下地壳广泛存在着高导低速层,而上地壳则为正速度异常(图4),与红河断裂以东及澜沧江断裂以西截然相反(刘福田等,2000; 王椿镛等,2002)。以上资料表明,景谷M6.6地震周边区域显然在岩石圈结构和地下介质性质方面存在较大差异,这也许是景谷M6.6地震前震中及周边区域水平矢量方向散乱的原因之一。

图3 芦山地震区某一剖面深部结构示意图(修改自詹艳等,2013)
Fig.3 Schematic diagram of deep structure of a profile in the Lushan earthquake area (modified from Zhan et al,2013)

图4 红河—澜沧江一带地震层析岩石圈剖面(修改自刘福田等,2000)
Fig.4 Lithosphere profile of Honghe-Lancangjiang area(modified from Liu et al,2000)

通过对芦山M7.0、景谷M6.6地震震中及其周边区域岩石圈磁场异常变化空间特征的总结,发现岩石圈磁场水平矢量的方向与区域岩石圈结构有很好的对应关系:岩石圈结构比较均匀的地区,磁场水平矢量方向的整体趋势性较明显; 岩石圈结构不均匀的地区,磁场水平矢量方向更容易呈现散乱状态,这体现介质性质对岩石圈磁场变化的影响。

本文仅从岩石圈结构入手,得出岩石圈磁场异常变化的一些粗浅认识。关于地下介质是如何影响岩石圈磁场的这一问题需要开展更加深入和精细的研究。

感谢中国地震局流动地磁技术团队在流动地磁野外监测、数据处理和异常研判方面做出的努力。