河北地區(qū)近年地磁場(chǎng)變化特征

董 博，紀(jì)春玲，張環(huán)曦，周安聘，茅遠(yuǎn)哲，唐存智，張尚清

(1. 河北省地震局，石家莊 050021； 2. 河北地質(zhì)大學(xué)， 石家莊 050031)

河北地區(qū)近年地磁場(chǎng)變化特征

董 博1,2，紀(jì)春玲1*，張環(huán)曦1，周安聘1，茅遠(yuǎn)哲1,2，唐存智2，張尚清2

(1. 河北省地震局，石家莊 050021； 2. 河北地質(zhì)大學(xué)， 石家莊 050031)

通過分析河北及周邊10個(gè)地磁臺(tái)2008—2016年的各分量年均值數(shù)據(jù)和年變率曲線變化形態(tài)，發(fā)現(xiàn)3個(gè)分量均呈單調(diào)變化，Z分量和F總場(chǎng)年變率從2008年開始均呈現(xiàn)出上升變化態(tài)勢(shì)；利用克里金插值法對(duì)所研究區(qū)域地磁場(chǎng)變化特征進(jìn)行插值計(jì)算，分析結(jié)果認(rèn)為：在該研究區(qū)域內(nèi)隨著時(shí)間的遞增，3個(gè)分量等值線均逐漸由北向南緩慢的遷移。該研究對(duì)于了解近年來河北及附近區(qū)域地磁場(chǎng)變化規(guī)律有積極指導(dǎo)意義。

地磁場(chǎng)；年變率；克里金插值法；河北

0 引言

地磁學(xué)是地球物理學(xué)的重要組成部分，地球磁場(chǎng)和地球引力場(chǎng)一樣，屬地球物理場(chǎng)。按場(chǎng)源位置劃分，地磁場(chǎng)由外源場(chǎng)和內(nèi)源場(chǎng)2部分組成。外源場(chǎng)起源于地表以上的空間電流體系，內(nèi)源場(chǎng)包括源于地核的基本磁場(chǎng)，源于地殼磁性巖石的地殼場(chǎng)，以及外部變化磁場(chǎng)在地球內(nèi)部的感應(yīng)場(chǎng)。地磁場(chǎng)的變化和分布具有空間上的相關(guān)性和時(shí)間上的延拓性[1]，地磁臺(tái)站觀測(cè)的是包括占百分之九十幾的內(nèi)源場(chǎng)與百分之幾的外源場(chǎng)在內(nèi)的整個(gè)地磁場(chǎng)。通常來說，磁異常場(chǎng)屬于內(nèi)源場(chǎng)的一部分，也稱為巖石圈磁場(chǎng)或地殼磁異常場(chǎng)。而在地磁異常中，有地震引起的地磁異常又占很小的比重，地磁場(chǎng)有各類長(zhǎng)期變化和短期變化，只有研究并充分認(rèn)識(shí)他們的規(guī)律，才能正確提取異常場(chǎng)[2-4]。

本文所研究的原始數(shù)據(jù)取自中國(guó)地震局地磁臺(tái)網(wǎng)數(shù)據(jù)庫，通過分析研究河北及周邊地區(qū)2008—2016年9年間該地區(qū)地磁場(chǎng)變化規(guī)律，認(rèn)為臺(tái)站在所研究區(qū)域內(nèi)分布較合理，臺(tái)站記錄的磁場(chǎng)變化特征基本代表了河北省及附近區(qū)域地磁場(chǎng)的時(shí)空變化。不僅對(duì)了解地磁場(chǎng)變化形態(tài)有意義，還有助于識(shí)別地磁異常信號(hào)，為提供更有價(jià)值的地震地磁異常信息做好準(zhǔn)備工作。

1 臺(tái)站概況

河北省現(xiàn)有10個(gè)地磁FHD觀測(cè)臺(tái)站，考慮到部分臺(tái)站FHD儀器正式觀測(cè)時(shí)間較晚，且存在大量的數(shù)據(jù)缺測(cè)，故只選取省內(nèi)資料連續(xù)性較好的6個(gè)臺(tái)站數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)研究資料。為了能夠更加真實(shí)地反映河北地區(qū)的地磁場(chǎng)變化特征及避免邊界效應(yīng)的產(chǎn)生，又選取靠近河北邊界的周邊省份4個(gè)地磁臺(tái)數(shù)據(jù)作為研究資料(表1)。

表1 臺(tái)站參數(shù)

圖1 地磁臺(tái)站位置分布圖

2 資料收集與處理

從中國(guó)地震局地磁臺(tái)網(wǎng)數(shù)據(jù)庫中提取了2008—2016年廣平等10個(gè)地磁臺(tái)站各要素(F、H、Z)的原始數(shù)據(jù)。通過對(duì)這10個(gè)監(jiān)測(cè)臺(tái)站9年的地磁資料進(jìn)行分析，認(rèn)為數(shù)據(jù)真實(shí)性符合我們對(duì)該地區(qū)地磁場(chǎng)變化特征分析研究的要求。通過對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，突出了地磁數(shù)據(jù)的趨勢(shì)變化，并計(jì)算得到了河北省及周邊地磁臺(tái)站各要素的年均值。

3 數(shù)據(jù)分析

3.1 各臺(tái)數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)分析

本文所選各地磁臺(tái)9年的觀測(cè)資料客觀地記錄和反映了該地區(qū)的地磁場(chǎng)的近期變化特征。對(duì)這些臺(tái)2008—2016年的地磁總場(chǎng)F，垂直分量Z及水平分量H觀測(cè)資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、計(jì)算后，用年均值做圖(圖2～4)，可從F、H、Z各自的變化趨勢(shì)看出，形態(tài)變化雖有所不同，但一致性較好；3個(gè)分量曲線形態(tài)均呈現(xiàn)單調(diào)變化，比如各臺(tái)H分量從2008年開始呈逐年緩慢減小，變化曲線單調(diào)遞減，近似于線性變化，到2016年約下降了309.2 nT，平均每年下降38.7 nT；Z分量和F總場(chǎng)曲線變化形態(tài)則相反，二者均呈現(xiàn)逐年緩慢單調(diào)上升現(xiàn)象，各臺(tái)Z分量和F總場(chǎng)從2008—2016年上升的平均幅度分別為449.8 nT和231.1 nT，平均年變化幅度為56.2 nT和28.9 nT。

表2 各地磁臺(tái)站水平分量H年均值統(tǒng)計(jì)表 nT

圖2 2008—2016年各臺(tái)H分量年均值曲線圖

表3 各地磁臺(tái)站垂直分量Z年均值統(tǒng)計(jì)表 nT

圖3 2008—2016年各臺(tái)Z分量年均值曲線圖

nT

圖4 2008—2016年各臺(tái)F總場(chǎng)年均值曲線圖

3.2 各臺(tái)站年變率分析

地磁數(shù)據(jù)分析研究中，通常用1年的長(zhǎng)期變化率來表示這一年地磁要素的變化大小[5]，t0年的長(zhǎng)期變化率(年變率)的定義是

(1)

其中：A2與A1是t2與t1年某地磁要素的年均值，t0=t2+1/2Δt。為了便于研究，將Δt的時(shí)間間隔取為1年，于是公式簡(jiǎn)化為α=ΔA。令t0=t2。所以本文的年變率是指某年的年均值與前一年年均值之差，通過這樣處理，年變率的變化趨勢(shì)會(huì)顯得更加突出和直觀。圖5～7分別給出了所選各臺(tái)記錄的地磁總場(chǎng)F，垂直分量Z和水平分量H的年變率曲線圖。

由圖5可以看出，各臺(tái)H分量的年變率從2008年開始整體呈現(xiàn)緩慢下降趨勢(shì)，至2012年降至最低，而后發(fā)生轉(zhuǎn)折，2012—2014年開始變化為緩慢上升，而后在2015年年變率又開始變?yōu)橄陆?，之?016年開始轉(zhuǎn)折上升。由于所選資料時(shí)間有限，至于近年H分量年變率變化形態(tài)是否具有短周期性，仍需后期長(zhǎng)時(shí)間數(shù)據(jù)進(jìn)行分析驗(yàn)證。由圖6可以看出，各臺(tái)Z分量年變率呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢(shì)，變化速度逐漸減小，至2014和2015年年變率變化速度趨近于零，2016年開始呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。由圖7可以看出，總場(chǎng)F的年變率在2008—2011年變化速度較緩慢，但仍然呈現(xiàn)上升態(tài)勢(shì)，從2011年之后年變率變化速度開始迅速增加，至2013年左右開始變速減小接近于0，至2016年又開始緩慢上升。從圖6～7可以看出，Z分量和F總場(chǎng)年變率從2008年開始均呈現(xiàn)上升變化態(tài)勢(shì)，這與張小濤等[6]在分析前20年河北省內(nèi)的絕對(duì)觀測(cè)地磁數(shù)據(jù)的年變率時(shí)所呈現(xiàn)出的正弦形態(tài)變化相符合。按照其分析結(jié)果來看，2007后年變率變化曲線應(yīng)該呈現(xiàn)出上升的態(tài)勢(shì)，且上升時(shí)間大概為7 a左右。從年變率曲線能夠看出一個(gè)共同的特點(diǎn)，在研究區(qū)域內(nèi)地磁場(chǎng)年變化速率南部大于北部，東部大于西部，有自東南向西北逐漸減弱的規(guī)律,這與謝用明等[7]的研究成果基本吻合。

圖5 各臺(tái)H分量年均值年變率曲線圖

圖6 各臺(tái)Z分量年均值年變率曲線圖

圖7 各臺(tái)F總場(chǎng)年均值年變率曲線圖

3.3 利用插值法分析區(qū)域地磁場(chǎng)變化特征

地磁數(shù)據(jù)的觀測(cè)和采樣往往在不規(guī)則且離散的測(cè)網(wǎng)(或測(cè)線)進(jìn)行。為合理并正確解釋地球物理異常，在保持原有場(chǎng)的特征前提下，有必要進(jìn)行均勻且較密集規(guī)則網(wǎng)格的數(shù)據(jù)插值，形成直觀的二維等值線，為進(jìn)一步異常分析提供依據(jù)。

常用格網(wǎng)化插值方法包括徑向基函數(shù)法，克里金法，最小曲率法，三角網(wǎng)線性內(nèi)插法等。局部地磁場(chǎng)中的地球主磁場(chǎng)，地磁異常場(chǎng)及擾動(dòng)磁場(chǎng)與克里金法的3種成分假設(shè)具有一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，因此克里金法能較為準(zhǔn)確地反映局部地磁場(chǎng)的分布空間相關(guān)特性規(guī)律，可用于局部磁場(chǎng)空間插值[8]。

在插值進(jìn)行前，由于所選10個(gè)地磁臺(tái)站海拔高程相差較大，因此需對(duì)地磁觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行高度改正。具體思路為，選定一個(gè)高度作為標(biāo)準(zhǔn)高度，選擇相應(yīng)經(jīng)緯度作為計(jì)算點(diǎn)得出該地正常場(chǎng)，計(jì)算不同高度修正值。若臺(tái)站海拔高于標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)，則實(shí)測(cè)值需要加上改正值，反之，減去改正值[9]。應(yīng)用克里金法對(duì)研究區(qū)域2008—2016年地磁資料進(jìn)行插值計(jì)算，插值間隔為0.075×0.075,使得x分成96個(gè)網(wǎng)格，而y分為100個(gè)網(wǎng)格，得到地磁場(chǎng)各分量的二維等值線和三維等值線。因2008—2016年各分量變化趨勢(shì)差別不大，在此各分量三維等值線圖只給出中間年份2011年的圖作為參考。

圖8(1)～(9)：2008—2016年H分量二維等值線圖；圖8(10)～(18)：2008—2016年Z分量二維等值線圖；圖8(19)～(27)：2008—2016年F分量二維等值線圖 圖8 2008—2016年河北及周邊H、Z、F分量二維等值線圖

圖9 2011年河北及周邊H、Z、F分量三維等值線圖

由圖8(1)～(9)和圖9a可以看出，隨著緯度的的增大，H值逐漸減小。在(113.5°～118°E，37°～40°N)和(118.5°～120.5°E，40°～40.8°N)范圍內(nèi)變化率較大，其他區(qū)域H值變化率較??；(114.5°E，35.7°N)處的H值較周圍區(qū)域都大，為該研究區(qū)域的極大值。2008—2016年該研究區(qū)域H分量變化趨勢(shì)較平穩(wěn)，如果動(dòng)態(tài)地觀察這9 a的等值線圖，可以形象地看出在該研究區(qū)域內(nèi)，H分量等值線隨著時(shí)間的遞增，逐漸由北向南緩慢地遷移。

由圖8(10)～(18)和圖9b可知，隨著緯度的增大，Z值逐漸增大。在(113.5°～118°E，36.5°～40.1°N)和(118.2°～120.5°E，40°～40.8°N)范圍內(nèi)變化率較大，其他區(qū)域Z值變化率較?。?115.5°E，35.7°N)處的Z值較周圍區(qū)域都小，為該研究區(qū)域的極小值。2008—2016年該研究區(qū)域Z分量變化趨勢(shì)較平穩(wěn)，如果動(dòng)態(tài)地觀察這9年的等值線圖，亦可以看出在該研究區(qū)域內(nèi)，Z分量等值線隨著時(shí)間的遞增，逐漸由北向南緩慢地遷移。

由圖8(19)～(27)和圖9c可知，隨著緯度的增大，F(xiàn)值逐漸增大。在(113.5°～118°E，37°～40°N)和(117.5°～120.5°E，40.1°～40.7°N)范圍內(nèi)變化率較大，其他區(qū)域F值變化率較??；(116.5°E，35.6°N)處的F值較周圍區(qū)域都小，為該研究區(qū)域的極小值。2008—2016年該研究區(qū)域F總場(chǎng)變化趨勢(shì)較平穩(wěn)，且與Z分量的變化趨勢(shì)相一致。總體來看，F(xiàn)總場(chǎng)等值線也是隨時(shí)間逐漸由北向南緩慢地遷移。

4 結(jié)論與討論

綜上資料分析結(jié)果，河北地區(qū)近年地磁場(chǎng)變化具有如下特征：

1)從F，H，Z各自的變化趨勢(shì)來看，形態(tài)變化雖有所不同，但一致性較好，且3個(gè)分量曲線形態(tài)均呈現(xiàn)單調(diào)變化，各臺(tái)H分量逐年單調(diào)遞減，近似于線性變化；Z分量和F總場(chǎng)曲線變化形態(tài)則相反，二者均呈現(xiàn)逐年單調(diào)上升現(xiàn)象；F、H、Z3個(gè)分量各臺(tái)逐年平均變化量分別為27.6 nT、39.8 nT和56.2 nT，總體變化速度Flt;Hlt;Z。

2)Z分量和F總場(chǎng)年變率從2008年開始均呈現(xiàn)出上升變化態(tài)勢(shì)，這與張小濤等[5]在分析前20 a河北省內(nèi)的地磁數(shù)據(jù)的年變率時(shí)所呈現(xiàn)出的正弦形態(tài)變化相符合。按照其分析結(jié)果來看，2007年后，年變率變化曲線應(yīng)該呈現(xiàn)出上升的態(tài)勢(shì)，且上升時(shí)間大概為7 a左右。H分量年變率是否存在短周期變化需后期積累大量的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。

3)隨著緯度的增大，H值逐漸減小，F(xiàn)和Z值逐漸增大。3個(gè)分量在(113.3°～117°E，36.5°～39.7°N)和(118.5°～120.5°E，40°～40.8°N)范圍內(nèi)變化率均較大，其他區(qū)域變化率相對(duì)較?。?114.5°～116.5°E，35.6°～35.7°N)小區(qū)域范圍內(nèi)均為F、H、Z極值所在之處，H為極大值，F(xiàn)、Z為極小值。動(dòng)態(tài)地觀察這9 a的等值線圖，可以形象地看出，在該研究區(qū)域內(nèi)，3個(gè)分量等值線均逐漸由北向南緩慢地遷移。

4)F、H、Z等值線分布或許與該區(qū)內(nèi)臺(tái)站分布情況有關(guān)，由于研究區(qū)內(nèi)分布臺(tái)站較少等原因，分析精度和深度有待加強(qiáng)，積累更多資料后進(jìn)一步分析和研究。

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GeomagneticFieldVarivationCharacteristicsinHebeiAreainRecentYears

DONG Bo1,2, JI Chun-ling1*, ZHANG Huan-xi1, ZHOU An-pin1,MAO Yuan-zhe1,2,TANG Cun-zhi2, ZHANG Shang-qing2

(1. Hebei Earthquake Agency, Shijiazhuang 050021, China; 2. Hebei GEO University, Shijiazhuang 050031, China)

In the paper, the annual mean data and the annual variation curve of the 10 geomagnetic stations in Hebei and the surrounding areas from 2008 to 2016 are analyzed. The analysis shows that: the three components show monotonic change; the total annual change rate of the Z component and F component from the beginning of 2008 show an upward trend. Then, the characteristics of magnetic field are studied using Kriging interpolation and the results indicated that: in the study area, the three components of the isoline are slowly moving from north to south as time goes on. The study has great significance to understand the geomagnetic field variation in Hebei and its adjacent areas in recent years.

Hebei; geomagnetic field; annual variation rate; Kriging

董博，紀(jì)春玲，張環(huán)曦，等. 河北地區(qū)近年地磁場(chǎng)變化特征[J]．華北地震科學(xué)，2017，35(4):22-28.

2017-03-10

2017年河北省地震局地震科技星火計(jì)劃項(xiàng)目(DZ20170510065)

董 博(1986—)，男，河北鹿泉人，工程師，主要從事地震監(jiān)測(cè)與分析預(yù)報(bào)工作.E-mail：dongbo0002@126.com

*

紀(jì)春玲(1987—)，女，河北晉州人，助理工程師，主要從事地震監(jiān)測(cè)與分析預(yù)報(bào)工作.E-mail：279694644@qq.com

P315.7

A

1003-1375(2017)04-0022-07

10.3969/j.issn.1003-1375.2017.04.004