引言

岩石圈磁场是地磁场的重要组成部分，来源于岩石圈居里等温面以上的岩石磁性，其变化受地质结构、构造环境、构造活动、温度与应力状态等多种因素影响。诸多学者已对岩石圈磁场进行相关研究工作，对于空间尺度而言，涵盖全球范围（徐文耀，2003；徐文耀等，2008）、中国大陆地区（杜劲松等，2017；冯丽丽等，2015；王粲等，2017；Ou等，2013）、局部地区（文丽敏等，2017；韶丹等，2015；徐晓雅等，2017；宋成科等，2017；Hemant等，2009）、特定构造带（张忠龙等，2017），数据来源主要为地磁场模型、卫星磁测、航空磁测、地面矢量磁测等。

相对于卫星及航空磁测，地面测量更接近岩石圈磁场物理源，且具备更高的测量精度。在中国地震局经费支持下，流动地磁工作团队已在“冀晋蒙”“京津冀”局部地区开展了流动地磁总强度加密监测工作，布设了规模较大的高精度、高密度测点网络。监测区地处“首都圈”地震重点监视区，地质构造复杂，历史地震多发。观测作业以地磁场总强度F为单一测量要素，其测量精度高于卫星、航空磁测，测点密度优于地面矢量磁测，为相关研究工作提供了高质量数据来源。本文应用相关观测资料，计算观测区域高分辨率F要素岩石圈磁场数值模型（以ΔF表示），研究ΔF空间分布、地震地质特征，并重点针对历史地震震中在ΔF中的位置特征进行研究，以期为该地区震中预测工作提供新技术思路和资料依据。

1.   数据资料与数据处理

1.1   数据资料

观测区内共有180个地磁总强度测点，平均点间距约28km，由“晋冀蒙”及“京津冀”2个地磁总强度加密测网合并而成，观测作业执行《流动地磁测量基本技术要求》¹及其规范性附录。为合理控制测区边界处模型产出结果，笔者在测区周边选取40个流动地磁矢量测点，作为模型边界约束点，并将其中4个测点用作补充测点，令研究区最终测点总数达184个（图 1）。

¹ 中国地震局监测预报司，中震测函[2015]39号：关于印发《流动地磁测量基本技术要求（试行）》的通知

图 1  研究区野外测点示意图

Figure 1.  Schematic diagram of field survey points in the study area

（绿色圆点为地磁总强度加密区测点，红色圆点为地磁矢量约束点，黑色虚线框内部为研究区范围）

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1.2   数据处理

本文采用最新一期观测数据，通过日变通化改正、主磁场长期变改正、主磁场剥离等主要技术处理，获取研究区ΔF（陈斌等，2017），过程如下：

（1）日变通化改正

为消除流动地磁观测数据中包含的地磁场日变化等外源场成分，依托测区邻近地磁台站连续观测分钟值数据，采用单台参照法，对野外观测数据进行日变通化处理，获取监测区日变通化改正数据集。

（2）长期变改正

采用1995年1月1日以来的全国地磁台网观测数据，建立中国及周边地区地磁场长期变化3阶NOC非线性模型（顾左文等，2009），对日变通化改正数据集进行主磁场长期变改正，获取监测区长期变改正数据集。

（3）主磁场剥离

以IGRF12（2015.0年代）为研究区主磁场参考模型，并在监测区长期变改正数据结果中进行剔除，即获得各测点ΔF初始值。

（4）低通滤波

地面磁测结果必然包含杂乱的浅表岩层磁性影响成分（图 2）。为抑制和消除该数据成分，保证研究成果的合理性，笔者采用移动平均法对网格化后的ΔF初始值进行低通滤波处理，滤波器为5×5节点，对应的实际空间范围为0.5°×0.5°，滤波结果即为本研究最终采用的ΔF，本文研究模型描述了研究区2015.0年代ΔF空间分布形态（图 3）。本文ΔF等值线图中，红、蓝色实线分别代表正、负值区，黑色加粗实线为“0”值线，等值线间隔统一为25nT。

图 2  低通滤波处理的残差值成分

Figure 2.  Residual value components of low-pass filtering

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图 3  研究区2015.0年代ΔF空间分布

Figure 3.  Spatial distribution of ΔF in 2015.0

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2.   ΔF空间分布特征

2.1   总体特征

研究区ΔF呈正、负异常区零散相间的分布形态，负异常区面积略大于正异常区。ΔF空间结构复杂，局部异常特征表现强烈，强磁异常区形状多表现为条带状或团块状。研究区范围内共有184个测点，ΔF数值范围为-326.0—180.1nT，平均值为-40.0nT。其中负值测点128个，占69.6%，ΔF平均值为-83.1nT；正值测点56个，占30.4%，ΔF平均值为58.6nT。全部测点ΔF平均幅值（为表述方便，本文借用物理学名词“幅值”表示ΔF绝对值）为75.6nT，约占地磁场能量成分的0.14%（图 4）。

图 4  研究区ΔF空间分布图

Figure 4.  Spatial distribution of ΔF in study area

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2.2   分区特征

根据ΔF形态特征，可在京南地区划出1条NE走向界线，将研究区分为以下2个分区（图 4）：

（1）中西部为ΔF能量集中区，其核心区由2个NE走向的高值负异常区及其间的高值正异常区组成，近似平行四边形。磁异常强度总体较高，且随空间展布快速变化，磁场高梯级带广泛分布。

（2）中东部为弱磁异常区，表现为幅值较低的背景性负异常区，在其边缘零散分布小片正磁异常区，最东端为局部强磁异常区。

ΔF分区与地形、地层分布形态具有明显相关性，表现为三者具备相似的分区特征，且分区界线位置基本吻合：

（1）分区界线与太行山脉东缘基本重合，其东侧为平原地区，磁异常强度总体较低；西侧为山区及高原地区，磁异常强度整体较高且形态复杂。山区强磁异常区呈条带状，走向基本与山脉吻合（图 5）。该现象的形成应与平原地区深厚冲积层对ΔF短波成分的屏蔽效应及山地浅表岩层磁性的影响直接相关。

图 5  研究区ΔF与地形图

Figure 5.  ΔF and topographic map of the study area

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（2）以分区界线为界，东部地区以第四系地层为主，面积较大、形状规整，与ΔF弱磁异常区基本重合；西部地区地层多样、分布杂乱，均为较古老的地层，火山岩、变质岩岩体及碎屑分布较广泛，与ΔF强磁异常区对应（图 6）。该特征显示了第四系地层地表磁性与其它地层明显不同。

图 6  研究区ΔF与地质图

Figure 6.  ΔF and geological map of the study area

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3.   研究区ΔF地震地质特征

3.1   ΔF与二级地块构造

研究区位于燕山、华北平原及鄂尔多斯3个二级地块交汇部位，地块间的结合带贯穿其间。各地块在ΔF中显示出不同的特征：华北平原地块磁异常强度较弱，其西北边界线与ΔF中NE走向高梯级带及“0”值线具有较好的吻合度，东北边界线穿过ΔF弱磁异常区；鄂尔多斯地块东北局部为强磁异常区，边界线局部与ΔF高梯级带有一定程度的对应；燕山地块南缘贯穿ΔF正、负异常相间分布区（图 7）。地块结合带部位为强磁异常区，形态复杂。

图 7  研究区ΔF与二级地块

Figure 7.  ΔF and secondary block in the study area

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3.2   ΔF与断裂构造

研究区内断裂构造广泛发育，分布密集。中、西部断裂为晚更新世—全新世（距今10—12万年）以来的活动断裂，其走向以NE向为主，与该地区强磁异常条带的空间位置大体对应，走向基本一致；研究区中、东部断裂属平原区隐伏断裂，对应ΔF弱磁异常区；研究区东端局部强磁异常区与对应断裂带的走向基本一致，同为NEE向（图 8）。

图 8  研究区ΔF与断裂构造

Figure 8.  ΔF and fault structure in the study area

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3.3   历史地震在ΔF中的位置特征

研究区涵盖张渤地震带大部分及华北平原地震带北端，为华北地区重要的地震活动区，历史上共发生Ms5.0以上地震85次，其中包括Ms6.0以上地震20次、Ms7.0以上地震4次（图 9）。为全面研究历史地震震中在ΔF中的分布规律与位置特征，笔者按震级分类，对震中位置处ΔF值、ΔF特殊位置处的震中数量进行分类统计，结果见表 1。

图 9  研究区ΔF与历史地震震中

Figure 9.  Study areaΔF and epicenter of historical earthquakes

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表 1  研究区历史地震震中部位ΔF数值统计结果

Table 1.  Basic statistical results of ΔF value at the epicenter of historical earthquakes in the study area

项目	震级
	5级以上	6级以上	7级以上
地震总数/个	85	20	4
震中位置处ΔF均值/nT	-70.6	-75.6	-60.2
震中位置处ΔF平均幅值/nT	82.9	91.0	60.2
位于ΔF负值区的震中个数与占比/（个，%）	70，82.4%	17，85.0%	4，100.0%
ΔF低幅值（小于平均幅值）区震中个数与占比/（个，%）	51，60.0%	11，55.0%	4，100.0%
ΔF高幅值（大于2倍平均幅值）区震中个数与占比/（个，%）	10，11.8%	2，10.0%	0，0.0%
ΔF“0”值线附近（两侧各15km范围内）震中个数与占比/（个，%）	50，58.8%	8，40.0%	2，50.0%
ΔF高梯级带处震中个数与占比/（个，%）	70，82.4%	16，80.0%	3，75.0%

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根据统计结果，对历史地震震中在ΔF中的位置特征进行以下分析：

（1）震中位置处ΔF平均值明显低于研究区总体平均值（-40nT）；

（2）ΔF负值区内地震个数远多于正值区，且随着震级的增大，其比例增加；

（3）低幅值区内震中个数明显多于高幅值区。ΔF超高幅值区（大于2倍平均幅值）内震中数量占比较低，且随着震级的增大，其占比进一步减小；

（4）在ΔF“0”值线附近的狭长地带中，密集发生了大量历史地震；

（5）绝大多数地震发生于ΔF高梯级带部位；

（6）强磁异常区内，地震震中表现出的位置特征明显区别于弱磁异常区。前者以ΔF负值区、“0”值线、高梯级带为主；后者主要表现为ΔF负值区、低幅值区。相对而言，前者的震中位置特殊性显著程度远大于后者。

4.   总结与讨论

通过本文研究主要得到以下结论：

（1）研究区ΔF空间结构复杂，局部异常特征表现强烈。总体具有分区特征，且与地形、地层的关系密切。

（2）磁场高梯级带走向与断裂构造体系总体一致；各二级地块ΔF特征明显不同，地块边界线局部与ΔF高梯级带吻合；地块间结合带部位为强磁异常区，形态复杂。

（3）5级以上历史地震与ΔF负值区、低幅值区、“0”值线、高梯级带等特殊位置关系密切。强磁异常区内的震中位置统计规律性明显强于弱磁异常区。该特征可为本地区未来震中位置预测工作提供新的参考依据。

在已有研究的基础上，计算研究区岩石圈磁场数值模型时，应用了较大规模的高精度、高密度地面磁测资料，因此模型计算与研究结论具备更好的数据基础。进而对该模型进行了较细致的量化研究，并从“为地震预测服务”角度出发，分层次、多角度对历史地震在ΔF中的分布规律进行统计分析，并进行有针对性的研究工作。

在数据处理过程中，笔者发现地面磁测结果中包含地表浅层岩层磁性影响成分，并对ΔF初始值进行低通滤波处理。为抑制和消除其影响，相关学者在进行类似研究工作时，也应采用适当的数据处理方法对其进行剔除处理，以保证研究结果的合理性。

受研究区域范围及笔者研究水平的限制，研究结论可能具有一定片面性，更深入、全面的研究工作有待进一步开展。