羅玉芬 陸鏡輝 陳政雷
(中國(guó)廣東 510320 廣州地震監(jiān)測(cè)中心站)
地磁觀測(cè)技術(shù)是一門(mén)傳統(tǒng)的地球物理觀測(cè)技術(shù),地磁場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)廣泛運(yùn)用于各行各業(yè),如航空航海、國(guó)防軍事、地質(zhì)勘探、地震研究等。中國(guó)地磁觀測(cè)始于1874 年,最早由佘山地磁臺(tái)開(kāi)始正式記錄。發(fā)展至今,我國(guó)已建成45 個(gè)國(guó)家基準(zhǔn)地磁臺(tái),140 多個(gè)地磁觀測(cè)站點(diǎn),地磁觀測(cè)網(wǎng)覆蓋全國(guó),積累了大量連續(xù)穩(wěn)定的高質(zhì)量地磁場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù),為探索認(rèn)知地磁場(chǎng)的時(shí)空變化特征提供了依據(jù)。
地球基本磁場(chǎng)在長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)發(fā)生的緩慢變化現(xiàn)象稱(chēng)為地磁場(chǎng)的長(zhǎng)期變化。地球磁場(chǎng)分為偶極子磁場(chǎng)和非偶極子磁場(chǎng),地磁場(chǎng)的長(zhǎng)期變化主要為非偶極磁場(chǎng)的變化,主要起源于地球內(nèi)部,且具有區(qū)域性特征。1634 年,英國(guó)人吉利布蘭(Gel-librand)在英國(guó)倫敦磁偏角變化中發(fā)現(xiàn)了地磁場(chǎng)的長(zhǎng)期變化。多年來(lái),眾多學(xué)者,如羅玉芬等(2005)、張小濤等(2008)、孫旭麗(2013)、趙德軍等(2013)、葉向頂?shù)龋?015)對(duì)該變化進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)期變化不單具有區(qū)域性,且具有周期性。但是,對(duì)20 世紀(jì)地磁長(zhǎng)期變化場(chǎng)西向漂移的認(rèn)識(shí)并不一致(王亶文,2004)。通過(guò)分析地磁各要素(磁偏角D、磁傾角I、總強(qiáng)度F、水平分量H、北向分量X、垂直分量Z、東向分量Y)空間分布變化及長(zhǎng)期變化現(xiàn)象,研究其變化特征和規(guī)律,有助于了解地球內(nèi)部物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)(徐文耀,2001)。在對(duì)地磁場(chǎng)變化進(jìn)行分析時(shí),多采用IAGA 主磁場(chǎng)模型和IGRF 長(zhǎng)期變化場(chǎng)模型,本文從地磁觀測(cè)臺(tái)站的角度,以華南地區(qū)為例,選用實(shí)時(shí)地磁觀測(cè)數(shù)據(jù),分析地磁各要素的空間分布變化及長(zhǎng)期變化特征和規(guī)律。
考慮到地磁場(chǎng)變化的區(qū)域性,選取華南地區(qū)(108°—118°E,18°—28°N)觀測(cè)質(zhì)量穩(wěn)定、觀測(cè)環(huán)境優(yōu)良的5 個(gè)國(guó)家基準(zhǔn)地磁觀測(cè)臺(tái),即海南瓊中、廣西邕寧、廣東肇慶、福建泉州和湖南邵陽(yáng)地磁臺(tái)(地理位置見(jiàn)圖1),作為研究臺(tái)站。
圖1 華南地區(qū)5 個(gè)國(guó)家基準(zhǔn)地磁臺(tái)地理位置Fig.1 Location of five national geomagnetic observatories in South China
海南瓊中地磁臺(tái)位于海南省瓊中縣營(yíng)根鎮(zhèn)東南部,臺(tái)基為海西—印支期花崗巖,于1976 年籌建,1981 年正式觀測(cè)。廣西邕寧地磁臺(tái)位于南寧市邕寧區(qū)龍崗村,臺(tái)基為石炭系白云質(zhì)灰?guī)r,始建于1972 年,1984 年1 月1 日正式觀測(cè)。廣東肇慶地磁臺(tái)位于肇慶市蓮塘鎮(zhèn),臺(tái)基為石炭系石灰?guī)r。其前身為廣州地磁臺(tái),始建于1957 年,1998 年因受廣州地鐵干擾而停測(cè),1996—2001 年選址肇慶重建,于2001 年12 月18 日重新投入觀測(cè)。福建泉州地磁臺(tái)位于福建省泉州南安市洪瀨鎮(zhèn)厝斗村,臺(tái)基為燕山期花崗巖,始建于1976 年,2001 年因原白水營(yíng)舊址觀測(cè)環(huán)境受到破壞,故選址重建,新臺(tái)于2007 年重新投入觀測(cè)。邵陽(yáng)地磁臺(tái)始建于1976 年,原址位于湖南邵陽(yáng)市城南柑橘研究所旁,因修建洛湛鐵路和火車(chē)南站而搬遷,新址位于湖南省邵陽(yáng)市大祥區(qū)檀江鄉(xiāng)清風(fēng)村排樓山,臺(tái)基為第四紀(jì)黃土,下為上碳系白云質(zhì)灰?guī)r,2007 年新臺(tái)投入觀測(cè)至今。
以上資料顯示,5 個(gè)地磁臺(tái)均有幾十年觀測(cè)史,經(jīng)搬遷重整及數(shù)字化改造,2008 年以來(lái)觀測(cè)數(shù)據(jù)更為連續(xù)穩(wěn)定。因此,選取2008—2018 年地磁觀測(cè)資料,分析華南地區(qū)地磁場(chǎng)長(zhǎng)期變化特征。
國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)地磁臺(tái)均需配備絕對(duì)觀測(cè)儀和相對(duì)觀測(cè)儀各一套,有條件的臺(tái)站配備2套以上,以防儀器故障造成數(shù)據(jù)缺測(cè)。按照地磁觀測(cè)技術(shù)規(guī)范(中國(guó)地震局,2001)的要求,各地磁臺(tái)站于每周一、四進(jìn)行2 次絕對(duì)觀測(cè),測(cè)定D、I、F絕對(duì)值,使用H=F× cosI和Z=F× sinI關(guān)系式,計(jì)算得到H和Z絕對(duì)值,進(jìn)而計(jì)算相對(duì)觀測(cè)儀D、H、Z的基線(xiàn)值。相對(duì)觀測(cè)儀是對(duì)被測(cè)地磁場(chǎng)要素相對(duì)于某一基值變化量的連續(xù)觀測(cè)。目前,各地磁臺(tái)使用GM4、FGM-01 及FHDZ-M15 進(jìn)行相對(duì)觀測(cè),采樣率均達(dá)1 次/s。隨著觀測(cè)儀器采樣率、分辨力和觀測(cè)精度的不斷提高,利用大量實(shí)時(shí)數(shù)字化觀測(cè)數(shù)據(jù),可精確反映地磁場(chǎng)隨時(shí)間和空間分布的長(zhǎng)期變化。華南地區(qū)5 個(gè)地磁臺(tái)目前使用的觀測(cè)儀器及基本參數(shù)見(jiàn)表1。
表1 華南地區(qū)5 個(gè)國(guó)家基準(zhǔn)地磁臺(tái)觀測(cè)儀器使用及基本參數(shù)Table 1 Usage and basic parameters of geomagnetic instruments in five national geomagnetic observatories in South China
續(xù)表1
選用邵陽(yáng)、邕寧、肇慶、瓊中、泉州等5 個(gè)國(guó)家基準(zhǔn)地磁臺(tái)2008—2018 年數(shù)字化觀測(cè)資料,繪制華南地區(qū)地磁場(chǎng)磁偏角D、磁傾角I、總強(qiáng)度F、水平分量H、北向分量X、垂直分量Z、東向分量Y的月均值變化曲線(xiàn)(圖2),分析該區(qū)地磁場(chǎng)的長(zhǎng)期變化趨勢(shì)與特征。
由CGRF 中國(guó)參考地磁場(chǎng)模型可知,磁偏角D的零變線(xiàn)大致沿100°子午線(xiàn)南北延伸,將中國(guó)分為東西兩部分,東部為負(fù)(西偏),西部為正(東偏)(徐文耀等,2005)。華南地區(qū)位于100°子午線(xiàn)偏東,磁偏角D為負(fù)。
由圖2(a)可見(jiàn):①瓊中臺(tái)磁偏角2008 年偏西1.34°,2018 年偏西1.82°,10 年間增大0.48°,平均年變率為0.048(°)/a;②邕寧臺(tái)磁偏角2008 年偏西1.66°,2018 年偏西2.14°,10 年間增大0.48°,平均年變率為0.048(°)/a;③肇慶臺(tái)磁偏角2008 年偏西2.08°,2018年偏西2.68°,10 年間增大0.61°,平均年變率為0.061(°)/a;④邵陽(yáng)臺(tái)磁偏角2008 年偏西2.71°,2018 年偏西3.31°,10 年間增大0.60°,平均年變率為0.06(°)/a;⑤泉州臺(tái)磁偏角2008 年偏西3.37°,2018 年偏西4.13°,10 年間增大0.76°,平均年變率為0.076(°)/a。
由圖2(a)可知,華南地區(qū)地磁臺(tái)磁偏角的長(zhǎng)期變化具有隨時(shí)間和臺(tái)站經(jīng)度增加呈逐年緩慢偏西增大趨勢(shì),且5 個(gè)地磁臺(tái)2008—2018 年磁偏角變化形態(tài)基本一致,變化量在0.48°— 0.76°。
由圖2(b)可見(jiàn):①瓊中臺(tái)2008年磁傾角為25.64°,2018年為27.03°,10年間增加1.39°,平均年變率為0.139(°)/a;②邕寧臺(tái)2008 年磁傾角為33.20°,2018 年為34.50°,10 年間增加1.30°,平均年變率為0.13(°)/a;③肇慶臺(tái)2008 年磁傾角為33.50°,2018 年為34.73°,10 年間增加1.23°,平均年變率為0.123(°)/a;④邵陽(yáng)臺(tái)2008 年磁傾角為41.05°,2018 年為42.13°,10 年間增加1.08°,平均年變率為0.108(°)/a;⑤泉州臺(tái)2008 年磁傾角I為36.71°,2018 年為37.68°,10 年間增加0.97°,平均年變率為0.097(°)/a。
圖2 華南地區(qū)5 個(gè)國(guó)家基準(zhǔn)地磁臺(tái)地磁場(chǎng)七要素月均值曲線(xiàn)(a)磁偏角D;(b)磁傾角I;(c)總強(qiáng)度F;(d)水平分量H;(e)北向分量X;(f)垂直分量Z;(g)東向分量YFig.2 Curves of monthly mean values of seven elements of the geomagnetic field at five national geomagnetic observatories in South China
由圖2(b)可知,華南地區(qū)地磁臺(tái)磁傾角I的長(zhǎng)期變化具有隨時(shí)間和臺(tái)站緯度增加呈逐年緩慢增大趨勢(shì),且5個(gè)地磁臺(tái)2008—2018年磁傾角變化形態(tài)基本一致,變化量在0.97°—1.39°。
由圖2(c)可見(jiàn):①瓊中臺(tái)2008—2018年地磁場(chǎng)總強(qiáng)度從43 678.3 nT增大至 44 123.1 nT,10 年間增大444.8 nT,平均年變率為44.5 nT/a;②邕寧臺(tái)2008—2018 年地磁場(chǎng)總強(qiáng)度從45 607.0 nT 增大至46 122.2 nT,10 年間增大515.2 nT,平均年變率為51.5 nT/a;③肇慶臺(tái)2008—2018 年地磁場(chǎng)總強(qiáng)度從45 375.2 nT 增大至45 847.7 nT,10 年間增大472.5 nT,平均年變率為47.3 nT/a;④邵陽(yáng)臺(tái)2008—2018 年地磁場(chǎng)總強(qiáng)度從47 745.7 nT增大至48 251.8 nT,10 年間增大506.1 nT,平均年變率為50.6 nT/a;⑤泉州臺(tái)2008—2018 年地磁場(chǎng)總強(qiáng)度從45 536.1 nT 增大至45 974.6 nT,10 年間增大438.5 nT,平均年變率為43.9 nT/a。
由圖2(c)可知,華南地區(qū)地磁臺(tái)地磁場(chǎng)總強(qiáng)度的長(zhǎng)期變化具有隨時(shí)間和臺(tái)站緯度增加呈逐年緩慢增大趨勢(shì),且5 個(gè)地磁臺(tái)2008—2018 年地磁場(chǎng)總強(qiáng)度變化趨勢(shì)基本一致,變化量在438.5 —515.2 nT。
由圖2(d)可見(jiàn):①瓊中臺(tái)2008—2018 年地磁場(chǎng)水平分量從39 377.6 nT 減少到39 302.6 nT,10年間減少75.0 nT,平均年變率為7.5 nT/a;②邕寧臺(tái)2008—2018年地磁場(chǎng)水平分量從38 161.5 nT減少到38 010.6 nT,10年間減少150.9 nT,平均年變率為15.1 nT/a;③肇慶臺(tái)2008—2018 年地磁場(chǎng)水平分量從37 839.6 nT 減少到37 679.5 nT,10 年間減少160.1 nT,平均年變率為16.0 nT/a;④邵陽(yáng)臺(tái)2008—2018 年地磁場(chǎng)水平分量從36 005.7 nT 減少到35 784.2 nT,10 年間減少221.5 nT,平均年變率為22.2 nT/a;⑤泉州臺(tái)2008—2018 年地磁場(chǎng)水平分量從36 503.2 nT 減少到36 383.6 nT,10 年間減少119.6 nT,平均年變率為12.0 nT/a。
由圖2(d)可知,華南地區(qū)地磁場(chǎng)水平分量長(zhǎng)期變化具有隨時(shí)間和臺(tái)站緯度增加呈逐年緩慢減少趨勢(shì),且5 個(gè)地磁臺(tái)2008—2018 年地磁場(chǎng)水平分量變化趨勢(shì)基本一致,其中2008—2014 年呈逐年緩慢下降趨勢(shì),2015—2018 年變化形態(tài)平緩,10 年間變化量在75.0 —221.5 nT。
由圖2(e)可見(jiàn),華南地區(qū)地磁場(chǎng)北向分量與水平分量變化趨勢(shì)一致,其中:①瓊中臺(tái)2008—2018 年X分量從39 366.8 nT 減少到39 282.8 nT,10 年間減少84.0 nT,平均年變率為8.4 nT/a;②邕寧臺(tái)2008—2018 年X分量從38 145.4 nT 減少到37 984.0 nT,10 年間減少161.4 nT,平均年變率為16.1 nT/a;③肇慶臺(tái)2008—2018 年X分量從37 814.8 nT減少到37 638.2 nT,10 年間減少176.6 nT,平均年變率為17.7 nT/a;④邵陽(yáng)臺(tái)2008—2018 年X分量從35 965.3 nT 減少到35 724.6 nT,10 年間減少240.7 nT,平均年變率為24.1 nT/a;⑤泉州臺(tái)2008—2018 年X分量從36 440.0 nT 減少到36 289.1 nT,10 年減少150.9 nT,平均年變率為15.1 nT/a。
由圖2(e)可知,華南地區(qū)地磁場(chǎng)北向分量X的長(zhǎng)期變化具有隨時(shí)間和臺(tái)站緯度增加呈逐年緩慢減少趨勢(shì),且5 個(gè)地磁臺(tái)2008—2018 年X分量變化趨勢(shì)基本一致,其中2008—2014 年呈逐年緩慢下降趨勢(shì),2015—2018 年變化形態(tài)平緩,而且10 年間變化量在84.0 —240.7 nT。
由圖2(f) 可見(jiàn):①瓊中臺(tái)2008—2018 年地磁場(chǎng)Z分量從18 899.5 nT 增加到20 053.8 nT,10 年間增加1 154.3 nT,平均年變率為115.4 nT/a;②邕寧臺(tái)2008—2018年地磁場(chǎng)Z分量從24 974.0 nT 增加到26 123.9 nT,10 年間增加1 149.9 nT,平均年變率為115.0 nT/a;③肇慶臺(tái)2008—2018 年地磁場(chǎng)Z分量從25 041.5 nT 增加到26 120.2 nT,10 年間增加1 078.7 nT,平均年變率為107.9 nT/a;④邵陽(yáng)臺(tái)2008—2018 年地磁場(chǎng)Z分量從31 347.6 nT 增加到32 368.6 nT,10 年間增加1 021.0 nT,平均年變率為102.1 nT/a;⑤泉州臺(tái)2008—2018 年地磁場(chǎng)Z分量從27 222.3 nT 增加到28 105.1 nT,10 年間增加882.8 nT,平均年變率為88.3 nT/a。
由圖2(f)可知,華南地區(qū)地磁場(chǎng)垂直分量Z長(zhǎng)期變化具有隨時(shí)間和臺(tái)站緯度增加呈逐年緩慢增加趨勢(shì),且5 個(gè)地磁臺(tái)2008—2018 年Z分量的變化均呈單調(diào)上升趨勢(shì),變化量在882.8 —1154.3 nT。
由圖2(g)可見(jiàn):①瓊中臺(tái)2008—2018 年地磁場(chǎng)東向分量Y從-921.1 nT 減少到-1 247.3 nT,10 年間減少326.2 nT,平均年變率為32.6 nT/a;②邕寧臺(tái)2008—2018 年地磁場(chǎng)Y分量從-1 106.9 nT 減少到-1 419.8 nT,10 年間減少312.9 nT,平均年變率為31.3 nT/a;③肇慶臺(tái)2008—2018 年地磁場(chǎng)Y分量從-1 370.1 nT 減少到-1 762.0nT,10 年間減少391.9 nT,平均年變率為39.2 nT/a;④邵陽(yáng)臺(tái)2008—2018 年地磁場(chǎng)Y分量從-1 705.3 nT 減少到-2 063.6 nT,10 年間減少358.3 nT,平均年變率為35.8 nT/a;⑤泉州臺(tái)2008—2018 年地磁場(chǎng)Y分量從-2 146.7 nT 減少到-2 621.3 nT,10 年間減少474.6 nT,平均年變率為47.5 nT/a。
由圖2(g)可知,華南地區(qū)地磁場(chǎng)東向分量Y長(zhǎng)期變化具有隨時(shí)間和臺(tái)站經(jīng)度增加呈逐年緩慢減小趨勢(shì),且5 個(gè)地磁臺(tái)2008—2018 年地磁場(chǎng)Y分量的變化形態(tài)一致,均呈單調(diào)下降趨勢(shì),而且變化量在312.9 —474.6 nT。
年變率是2 個(gè)相鄰年度的年均值差值,即
式中,A為年均值,Y為差值,a1、a2為觀測(cè)年度,且a2=a1-1。
據(jù)式(1),選取華南地區(qū)2007—2019年地磁觀測(cè)數(shù)據(jù)年均值,計(jì)算2008—2018年D、I、F、H、Z、X、Y七要素年變率,結(jié)果見(jiàn)圖3。由圖3 可見(jiàn):①各地磁臺(tái)磁偏角D年變率在2008—2012 年變化平緩,變化量在2 (′)/a—4 (′)/a,2013—2018 年緩慢上升,變化量在2 (′)/a—5 (′)/a;②各地磁臺(tái)東向分量Y年變率在2008—2012 年變化平緩,變化量在20 nT/a—40 nT/a,2013—2018 年緩慢上升,變化量在20 nT/a—50 nT/a;③各地磁臺(tái)磁傾角I年變率在2008—2013 年緩慢上升,變化量在3 (′)/a—10 (′)/a,2014—2018年緩慢下降,變化量在10 (′)/a—2 (′)/a;④各地磁臺(tái)垂直分量Z年變率在2008—2013年緩慢上升,變化量在60 nT/a—130 nT/a,2014—2018 年緩慢下降,變化量在130 nT/a—60 nT/a;⑤各地磁臺(tái)水平分量H與北向分量X的年變率變化趨勢(shì)基本一致,10 年間年變率變化量在0.1 nT/a—40 nT/a,其中2008—2009 年變化平緩,2009—2011 年逐年上升,2011—2012 年變化平緩,2012—2013 年緩慢下降,2013—2014 年變化平緩,2014—2015 年出現(xiàn)上升,2015—2016 年呈下降變化,2016—2017 年變化平緩,2017—2018年呈上升變化;⑥各地磁臺(tái)總強(qiáng)度F年變率在2008—2018 年表現(xiàn)為曲折上升趨勢(shì),變化量約20 nT/a—70 nT/a。
圖3 華南地區(qū)5 個(gè)國(guó)家基準(zhǔn)地磁臺(tái)地磁場(chǎng)2008—2018 年七要素年變率(a) 磁偏角D;(b)磁傾角I;(c)總強(qiáng)度F;(d) 水平分量H;(e) 北向分量X;(f) 東向分量Y;(g)垂直分量ZFig.3 Annual variation rate of seven elements of the geomagnetic field at five national geomagnetic observatories in South China from 2008 to 2018
經(jīng)“十五”數(shù)字化改造,國(guó)家基準(zhǔn)地磁臺(tái)觀測(cè)數(shù)據(jù)連續(xù)性和數(shù)據(jù)質(zhì)量得到提高。對(duì)邵陽(yáng)、邕寧、肇慶、瓊中、泉州等國(guó)家基準(zhǔn)地磁臺(tái)地磁場(chǎng)七要素進(jìn)行長(zhǎng)期變化分析,發(fā)現(xiàn)變化趨勢(shì)基本一致,側(cè)面說(shuō)明地磁觀測(cè)臺(tái)工作狀態(tài)良好,儀器運(yùn)行穩(wěn)定,觀測(cè)數(shù)據(jù)連續(xù)可靠。
邵陽(yáng)、邕寧、肇慶、瓊中、泉州均位于我國(guó)華南地區(qū),地磁場(chǎng)七要素在10 年內(nèi)具有緩慢而明顯的逐年變化,總體特征表現(xiàn)為:①磁偏角D均偏西,其長(zhǎng)期變化具有隨時(shí)間變化和臺(tái)站經(jīng)度增加呈逐年緩慢偏西增大趨勢(shì),也就是說(shuō),磁偏角D向東在逐年增大;②磁傾角I逐年增大,與國(guó)際參考地磁場(chǎng)長(zhǎng)期變化模型IGRF-SV 的地磁場(chǎng)長(zhǎng)期變化相吻合;③F、X、H、Z分量逐年緩慢上升,磁場(chǎng)強(qiáng)度逐年增加;Y分量為負(fù),呈逐年下降趨勢(shì),亦說(shuō)明磁場(chǎng)強(qiáng)度在反方向逐年遞增,且5 個(gè)臺(tái)站變化趨勢(shì)基本一致。
非偶極子磁場(chǎng)磁場(chǎng)強(qiáng)度在逐年增加,但變化尺度并不均勻。從華南地區(qū)5 個(gè)地磁臺(tái)年變率變化可知,10 年尺度的F、H、Z、X、Y分量年變率約0.1 nT/a—130 nT/a,其中Z分量年變率高達(dá)130 nT/a,D分量年約2 (′)/a—5 (′)/a,I分量約2 (′)/a—10 (′)/a。
20 世紀(jì)初,地磁北極尚在加拿大北部海岸附近,2001 年已移動(dòng)至北冰洋中部,并快速向俄羅斯西伯利亞移動(dòng),每年位移距離約30—50 km,速度比100 年前約提高3 倍,大眾開(kāi)始擔(dān)心磁偏角導(dǎo)航的準(zhǔn)確性。對(duì)華南地區(qū)5 個(gè)地磁臺(tái)地磁觀測(cè)數(shù)據(jù)分析可知,該區(qū)磁偏角D在逐年緩慢增大,但年變率僅2 (′)/a—5 (′)/a,未發(fā)生劇烈改變。據(jù)此認(rèn)為,地磁北極的移動(dòng)速度將對(duì)北冰洋等高緯度地區(qū)的導(dǎo)航準(zhǔn)確性產(chǎn)生影響,對(duì)我國(guó)華南地區(qū)影響不大。
中國(guó)科學(xué)院空間中心“子午工程”項(xiàng)目提供部分地磁觀測(cè)數(shù)據(jù),在此表示感謝。