2006～2010年云南東部地區(qū)磁偏角變化特征＊

倪 喆,李春光,陳 斌,袁潔浩,狄傳芝

(1.北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院,北京 100871;2.云南省地震局,昆明 650224;3.中國地震局地球物理研究所,北京 100081)

2006～2010年云南東部地區(qū)磁偏角變化特征＊

倪 喆1,2,李春光2,陳 斌3,袁潔浩3,狄傳芝3

(1.北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院,北京 100871;2.云南省地震局,昆明 650224;3.中國地震局地球物理研究所,北京 100081)

利用 2006～2010年云南東部地區(qū) 9期地磁三分量觀測(cè)資料,經(jīng)過日變改正、長(zhǎng)期變化改正消除地磁場(chǎng)的日變化及長(zhǎng)期變化影響,計(jì)算各期地磁內(nèi)源場(chǎng)的曲面樣條模型并剝離出地磁異常場(chǎng)分布,求解相鄰兩期地磁異常場(chǎng)差異獲取地磁異常場(chǎng)的變化,并對(duì)磁異常場(chǎng)中磁偏角分布的變化進(jìn)行了描述。

曲面樣條模型;磁偏角異常;云南東部地區(qū)

0 引言

地磁測(cè)量數(shù)據(jù)是研究地磁場(chǎng)及其長(zhǎng)期變化在空間—時(shí)間上分布的基本數(shù)據(jù)。用地磁數(shù)據(jù)可以直接繪制地磁圖,計(jì)算地磁場(chǎng)模型,并繪制相應(yīng)的理論地磁圖(高金田等,2006)。地磁場(chǎng)模型分為全球模型和區(qū)域模型。國際地磁學(xué)與高空物理學(xué)協(xié)會(huì)( IAGA)每 5年給出一代全球地磁場(chǎng)模型——國際地磁參考場(chǎng)(IGRF),2010年 IAGA給出了第 11代 IGRF,它是描述地球主磁場(chǎng)的標(biāo)準(zhǔn)模型。不同國家的學(xué)者使用各種數(shù)學(xué)方法來建立本國的區(qū)域地磁場(chǎng)模型,我國學(xué)者曾經(jīng)使用泰勒多項(xiàng)式方法(安振昌等,1991;林金獅等,1994)、球諧分析方法(安振昌,2000)、按距離加權(quán)最小二乘曲面擬合法(郭啟華等,1986)、矩諧分析方法(徐文耀,朱崗崑,1984;朱崗崑,徐文耀,1985)和曲面樣條方法(顧左文等,2006)等數(shù)學(xué)方法來建立中國地磁場(chǎng)模型或局部地區(qū)地磁場(chǎng)模型。

地磁學(xué)中,按場(chǎng)源位置劃分,地磁場(chǎng)可以分為內(nèi)源場(chǎng)和外源場(chǎng)。內(nèi)源場(chǎng)起源于地表以下的磁性物質(zhì)和電流,它可以進(jìn)一步分為地核場(chǎng)和地殼場(chǎng)。地核場(chǎng)又稱主磁場(chǎng),它是由地核磁流體發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的。地殼場(chǎng)又稱局部磁異常場(chǎng),它是由地殼磁性巖石產(chǎn)生的。外源場(chǎng)起源于地表以上的空間電流體系,這些電流體系隨時(shí)間變化較快,所以外源場(chǎng)又叫變化磁場(chǎng)(徐文耀,2003)。

從 2006年至今,由地震行業(yè)科研專項(xiàng) “地震與構(gòu)造活動(dòng)重點(diǎn)監(jiān)視區(qū)地磁基本動(dòng)態(tài)場(chǎng)模型研究”和“青藏高原東緣地區(qū)地磁場(chǎng)變化加密觀測(cè)研究”項(xiàng)目資助,中國地震局地球物理研究所和云南省地震局形變測(cè)量中心在云南東部地區(qū)共同開展了 9期地磁場(chǎng)三分量(F、D、I)觀測(cè)。筆者將這九期地磁數(shù)據(jù)歸算到“2010.0年代”,采用曲面樣條方法,分別建立各期云南東部地區(qū)地磁內(nèi)源場(chǎng)的曲面樣條模型。利用“2010.0年代中國地磁圖”和IGRF11中的數(shù)據(jù)建立球冠諧正常場(chǎng)模型。以球冠諧正常場(chǎng)作為該地區(qū)的主磁場(chǎng),通過從內(nèi)源場(chǎng)中剝離主磁場(chǎng)獲得磁異常場(chǎng),再通過求相鄰期磁異常場(chǎng)的差值,得到云南東部地區(qū)磁異常場(chǎng)分布的時(shí)序變化。限于篇幅原因,本文僅對(duì)磁偏角(D)的異常分布變化特征進(jìn)行描述。

1 數(shù)據(jù)采集與處理

1.1 數(shù)據(jù)采集

使用 G-856質(zhì)子旋進(jìn)磁力儀測(cè)量 F值,精度為 0.1 nT;使用 CDM-D I磁通門磁力儀測(cè)量 D和 I值,精度為 0.2′;使用 Ashtech單頻差分式 GPS接收機(jī)測(cè)量地理經(jīng)緯度、高程和地理方位角,水平定位精度為 5 mm,垂直定位精度為 10 mm,地理方位角測(cè)量精度優(yōu)于 6″(高金田等,2005)。云南東部地區(qū)野外測(cè)量的 9期地磁三分量數(shù)據(jù)分別為磁場(chǎng)總強(qiáng)度(F)、磁偏角(D)和磁傾角(I)的絕對(duì)觀測(cè)值,通過這三個(gè)分量可解算出其它 4個(gè)地磁分量(H、X、Y、Z)。觀測(cè)數(shù)據(jù)日變通化均方差F最大值為 1.3 nT,D最大值為 0.46′,I最大值為0.3′,均優(yōu)于規(guī)范所規(guī)定的 F＜1.5 nT,D ＜0.5′,I＜0.5′。

1.2 數(shù)據(jù)日變改正和長(zhǎng)期變改正

因地磁場(chǎng)隨時(shí)間變化而變化,這就需要將在不同時(shí)期測(cè)量所得的地磁數(shù)據(jù)歸算到某一特定時(shí)刻,經(jīng)歸算后的地磁數(shù)據(jù)才具有對(duì)比分析的價(jià)值。本文中 9期測(cè)量數(shù)據(jù)均使用通海地磁基準(zhǔn)臺(tái)的分均值資料進(jìn)行日變改正,長(zhǎng)期變改正則采用國內(nèi) 36個(gè)地磁臺(tái)的日均值所建立的 “1995.0～2010.0中國地區(qū)地磁基本場(chǎng)長(zhǎng)期變化 NOC模型” (顧左文等,2009)。

1.3 數(shù)據(jù)取舍

為了改善云南東部地區(qū)地磁場(chǎng)模型的邊界效應(yīng),筆者在該區(qū)域周邊缺少測(cè)點(diǎn)的地區(qū)采用了 28個(gè) “2010.0年代中國地磁圖”的測(cè)點(diǎn)(圖 1)。由于曲面樣條模型有 “過點(diǎn)”擬合的特性,所以筆者利用最新一期的全部測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)計(jì)算云南東部地區(qū)曲面樣條模型并繪制等值線圖后,發(fā)現(xiàn)在測(cè)點(diǎn)間距小于 10 km的區(qū)域內(nèi)等值線會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的扭曲現(xiàn)象,所以將昆明和會(huì)澤兩地間距小于 10 km的 6個(gè)測(cè)點(diǎn)刪除。

圖1 云南東部地區(qū)地磁測(cè)點(diǎn)分布(圖中黑點(diǎn)表示重復(fù)測(cè)點(diǎn),“”表示 “2010.0年代中國地磁圖”的測(cè)點(diǎn))Fig.1 Distribution of geomagnetic stations in east Yunnan area(The point stands for the repeat station and the cross stands for the stations of the geomagnetic map in China 2010.0)

2 局部磁異常場(chǎng)計(jì)算

理論上,利用儀器在地球表面所觀測(cè)到的地磁場(chǎng)絕對(duì)值,通過日變改正可將變化磁場(chǎng)消除,再通過長(zhǎng)期變改正就可將內(nèi)源場(chǎng)的變化消除。利用數(shù)學(xué)模型對(duì)內(nèi)源場(chǎng)中的地核場(chǎng)進(jìn)行剝離便可獲得局部磁異常場(chǎng)。本文對(duì)局部磁異常場(chǎng)的定義是曲面樣條模型內(nèi)源場(chǎng)值減去球冠諧模型正常場(chǎng)值,就磁偏角 D而言

式中,DAN代表磁偏角異常場(chǎng)值,DSP代表曲面樣條模型中磁偏角內(nèi)源場(chǎng)值,DSCH正常代表球冠諧模型中磁偏角正常場(chǎng)值。

2.1 曲面樣條模型求解方法

曲面樣條方法用下式表示區(qū)域地磁內(nèi)源場(chǎng)的分布:

式中,W(x,y)表示坐標(biāo) (x,y)處地磁場(chǎng)的各獨(dú)立要素,其中

ε為控制曲面曲率變化的小量,根據(jù)模型計(jì)算的需要而設(shè)定。a0,a1,a2,Fi是待定系數(shù),可由下列方程組求出:

曲面樣條模型共有(N+3)個(gè)系數(shù),N為參與模型計(jì)算的數(shù)據(jù)點(diǎn)個(gè)數(shù)。

用該模型計(jì)算的云南東部地區(qū)的空間區(qū)域?yàn)?22.8°～29.3°N,99.5°～105.5°E。表 1為云南東部地區(qū)每期測(cè)點(diǎn)和新增加的 28個(gè) “2010.0年代中國地磁圖”測(cè)點(diǎn)所構(gòu)成的各期數(shù)據(jù)集。利用每期數(shù)據(jù)集分別計(jì)算曲面樣條模型,模型控制曲面曲率ε=10-7。

表1 各期觀測(cè)時(shí)間及計(jì)算模型點(diǎn)數(shù)Tab.1 Each observational time and calculation model sites

2.2 球冠諧模型求解方法

2.2.1 計(jì)算球冠諧模型異常場(chǎng)

在球冠坐標(biāo)系下地磁異常場(chǎng)(ΔX,ΔY,ΔZ)可以表示為式(5)。式中φ和θ分別是球冠諧坐標(biāo)系中的經(jīng)度和余緯;a是地球參考半徑(a=6 371.2 km);r是離開地心的徑向距離;是非整數(shù)階nk(m)和整數(shù)次 m的Schmidt締合 Legendre函數(shù);Kmax代表球冠諧分析中的最大截?cái)嚯A數(shù)。

用該模型計(jì)算的中國地區(qū)的空間區(qū)域?yàn)?18°～54°N,73°～136°E。球冠極位置坐標(biāo)為(27°N,104.5°E)。選取的球冠半角為 35°,全部測(cè)點(diǎn)位于球冠內(nèi)。最大截?cái)嚯A數(shù)取 8階。

2.2.2 計(jì)算球冠諧模型正常場(chǎng)

利用國際參考地磁場(chǎng)第十一代 IGRF和“2010.0年代中國地磁圖”數(shù)據(jù)建立的中國地區(qū)地磁異常場(chǎng)球冠諧模型,可計(jì)算出中國地區(qū)地磁正常場(chǎng)球冠諧模型。就磁偏角D而言,

式中 DSCH正常代表球冠諧模型中磁偏角正常場(chǎng)值,DIGRF11代表 IAG A給出的第 11代 IGRF磁偏角計(jì)算值,DSCH異常代表球冠諧模型中磁偏角異常場(chǎng)值。

2.3 云南東部地區(qū)磁異常場(chǎng)的獲取

筆者通過該地區(qū) 9期通化數(shù)據(jù)分別建立“2010.0年代曲面樣條內(nèi)源場(chǎng)”模型,利用Matlab程序從中國地區(qū)球冠諧正常場(chǎng)模型中裁取云南東部地區(qū),得到云南東部地區(qū)球冠諧正常場(chǎng)模型。云南東部地區(qū)磁異常場(chǎng)可由上述兩個(gè)模型之差計(jì)算獲得,即 9期的曲面樣條內(nèi)源場(chǎng)模型減去球冠諧正常場(chǎng)模型所得的差值。

3 云南東部地區(qū)磁偏角 D異常的時(shí)序分布

根據(jù)上述過程可獲得云南東部地區(qū) 9期磁異常場(chǎng)模型,進(jìn)一步求出相鄰兩期磁異常場(chǎng)模型差值(后一期減去前一期),就得到磁異常場(chǎng)各分量的變化量并繪制相應(yīng)的等值線圖(圖 2)。

磁偏角是磁北與地理北之間的夾角。如果磁偏角為負(fù)值,表示磁北在地理北的西邊。云南東部地區(qū)的磁偏角均為負(fù)值,如果后一期模型的磁偏角值減去前一期的值為正值,則表示磁偏角的值在增大,如果為負(fù)值則表示磁偏角減小;如果為零則表示磁偏角值未發(fā)生變化。圖 2中,實(shí)線所形成的閉合圈為磁偏角正異常中心,虛線所形成的閉合圈是負(fù)異常中心。因此,云南東部地區(qū)磁異常場(chǎng)中磁偏角隨時(shí)間變化有如下描述:

(1)正異常中心的空間分布。2006年4月至2008年11月內(nèi)的 5個(gè)時(shí)間段中,最大正異常中心主要分布在安寧河斷裂中段西側(cè)和小江斷裂中段東側(cè)。最大正異常中心與安寧河斷裂的最近距離約為 5 km,最遠(yuǎn)距離約為 160 km,正異常中心最大變化量為 1.3′,最小變化量為 0.3′。最大正異常中心與小江斷裂最近距離約為 5 km,最遠(yuǎn)距離約為 130 km,正異常中心最大變化量為 0.8′,最小變化量為 0.5′。2008年11月至 2010年4月的 3個(gè)時(shí)間段里,安寧河斷裂中段的最大正異常中心從西側(cè)遷移到了東側(cè),遷移總距離約為 160 km;小江斷裂中段的最大正異常中心從東側(cè)遷移到了西側(cè),遷移總距離約為 300 km。值得關(guān)注的是,2009年11月至 2010年4月遷移到小江斷裂中段西側(cè)的最大正異常中心所處的地理位置在程海斷裂、紅河斷裂、維西—喬后斷裂、無量山斷裂、瀾滄江斷裂和南汀河斷裂的交匯處,其變化量為 1.2′。

圖2 2006～2010年云南東部地區(qū)磁偏角(D)異常分布時(shí)序變化圖(圖中等值線間隔為 0.3′;粗實(shí)線為 0,細(xì)實(shí)線為正,虛線為負(fù))(a)2006年4～ 9月;(b)2006年9月至 2007年4月;(c)2007年4～10月;(d)2007年10月至 2008年5月;(e)2008年5～11月;(f)2008年11月至 2009年3月;(g)2009年3～11月;(h)2009年11月至 2010年4月Fig.2 Anomalous distribution of changes of geomagnetic declination in east Yunnan area from 2006 to 2010(Contour interval is 0.3′;Thick solid lines represents zero,solid lines represent positive,and dashed lines represent negative)(a)Apr.-Sep.,2006;(b)Sep.,2006-Apr.,2007;(c)Apr.-Oct.,2007;(d)Oct.,2007.-May,2008;(e)May-Nov.,2008;(f)Nov.,2008-Mar.,2009;(g)Mar.-Nov.,2009;(h)Nov.,2009-Apr.,2010

(2)正、負(fù)異常的相互演變。演變以 2008年5月至 2010年4月內(nèi)的 4個(gè)時(shí)間段尤為明顯。2008年5～11月該地區(qū)以負(fù)異常為主;2008年11月至2009年3月該地區(qū)負(fù)異常范圍縮小,正異常范圍擴(kuò)大;2009年3～11月該地區(qū)以正異常為主;2009年11月至 2010年4月該地區(qū)正、負(fù)異常所占區(qū)域相對(duì)均衡。

圖3 磁偏角最大正、負(fù)異常值時(shí)序變化(圖中數(shù)字表示相鄰期差值)Fig.3 Changes of the maximum positive and negative values for geomagnetic declination(the numbers in the figure stand for the difference between adjacent t imes)

(3)最大正、負(fù)異常值的變化量。為更好地說明最大正、負(fù)異常變化的形態(tài),筆者從圖上量取最大正、負(fù)異常變化量,繪制隨時(shí)間的變化圖(圖 3)。從圖 3可以看出:最大正異常值在 0.5′～1.5′之間變化,最大負(fù)異常值在 -0.4′～ -1.2′之間變化。最大正、負(fù)異常的變化量在各個(gè)時(shí)間段內(nèi)均不相同,如 2007年10月至 2008年11月之間的兩個(gè)時(shí)間段,最大正異常值從 1.3′減小到 0.5′,變化了 0.8′;最大負(fù)異常值從 -0.6′減小到-1.1′, 變化了 0.5′。

4 結(jié)論與討論

由 2006～2010年云南東部地區(qū)磁異常場(chǎng)中磁偏角的變化可以看出:①安寧河斷裂中段最大正異常中心由西向東遷移;小江斷裂中段最大正異常中心由東向西遷移,最終止于多條斷裂的交匯處。②正、負(fù)異常區(qū)域的演變遵循正、負(fù)異常區(qū)域相對(duì)均衡→正異常區(qū)域縮小→負(fù)異常區(qū)域擴(kuò)大→正異常區(qū)域擴(kuò)大→負(fù)異常區(qū)域縮小→正、負(fù)區(qū)域相對(duì)均衡的規(guī)律。

本文中,我們從地磁內(nèi)源場(chǎng)中剝離地核場(chǎng)從而得到局部磁異常場(chǎng)。一般來說,局部磁異常場(chǎng)是極其穩(wěn)定的,它產(chǎn)生的根源是地殼內(nèi)磁性巖石的不均勻分布。但一些構(gòu)造運(yùn)動(dòng)可以引起磁異常場(chǎng)的變化(徐文耀,2003)。我們根據(jù)上述分析推斷,云南東部地區(qū)存在某種較為劇烈的構(gòu)造運(yùn)動(dòng),這些構(gòu)造運(yùn)動(dòng)造成該地區(qū)應(yīng)力場(chǎng)發(fā)生變化,進(jìn)而引起地殼中巖石磁性發(fā)生改變,最終導(dǎo)致磁異常場(chǎng)的變化。

顯然,對(duì) 9期地磁三分量觀測(cè)資料的研究能在一定程度上反映近期云南東部地區(qū)磁異常場(chǎng)的變化,但是要研究該地區(qū)磁異常場(chǎng)變化與其構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的相關(guān)性,則需要積累更長(zhǎng)時(shí)間的地磁觀測(cè)資料。

中國地震局地球物理研究所顧左文研究員和云南省地震局形變測(cè)量中心邵德盛研究員對(duì)筆者的悉心指導(dǎo),感謝通海地磁臺(tái)孫維懷副臺(tái)長(zhǎng)、張福工程師在臺(tái)站資料搜集上給予的幫助。

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Variation of Geomagnetic Declination in EastYunnan from 2006 to 2010

N I Zhe1,2,L I Chun-guang2,CHEN B in3,YUAN Jie-hao3,D I Chuan-zhi3(1.School of Earth and Space Sciences,Peking U niversity,Beijing100871,China)(2.Earthquake Adm inistration of Yunnan Province,Kunm ing650224,Yunnan,China)(3.Institute of Geophysics,CEA,Beijing100081,China)

Using nine-term of three-component geom agnetic data observed in the eastern area of Yunnan Province from 2006to2010,w e el im inate the effects of the diurnal variation and the secular variation of the geom agnetic field through correction,calculate each term's surface spline m odel of the interior geom agnetic field,separate the distribution of the geom agnetic anom alous field,and get the differences be tw een tw o successive term s of the geom agnetic anom alous field and acquire the variation of the geom agnetic anom alous field.Finally,w e describe the variation of the distribution of the geom agnetic declination in the geom agnetic anom alous field.

surface spline m odel;anom aly of geom agnetic declination; east Yunnan

P318.4+3

A

1000-0666(2011)01-0030-05

2010-11-05.

地震與構(gòu)造活動(dòng)重點(diǎn)監(jiān)視區(qū)地磁基本動(dòng)態(tài)場(chǎng)模型研究(200708011)資助 .