北極地區(qū)地磁總強(qiáng)度的測(cè)量與分析＊

劉陽(yáng)深 付碧宏 李 晨 劉玉曼

1）北京五中，北京 100007

2）中國(guó)科學(xué)院對(duì)地觀測(cè)與數(shù)字地球科學(xué)中心，北京 100094

（作者電子信箱，劉陽(yáng)深：xinlong856f＠126．com）

引言

地磁場(chǎng)是重要的地球物理場(chǎng)。地磁場(chǎng)具有一定的空間分布，并且它還隨時(shí)間的變化而變化。地磁場(chǎng)的研究，不僅對(duì)于深入了解地球的起源、探索宇宙奧秘等具有重要的科學(xué)意義，而且在諸如能源與礦產(chǎn)資源的探查與開(kāi)發(fā)、飛機(jī)與艦船的導(dǎo)航、無(wú)線(xiàn)電通信、航空航天、空間天氣預(yù)測(cè)、地震與火山噴發(fā)等自然災(zāi)害預(yù)測(cè)等方面都有重要應(yīng)用［1－2］。

地磁場(chǎng)是由主磁場(chǎng)、變化磁場(chǎng)和巖石圈磁場(chǎng)組成的。主磁場(chǎng)來(lái)源于地球的外核（液核），變化磁場(chǎng)來(lái)源于電離層、磁層以及太陽(yáng)活動(dòng)［3］。巖石圈磁場(chǎng)是由地下介質(zhì)的磁化強(qiáng)度（感應(yīng)磁化強(qiáng)度和剩余磁化強(qiáng)度）所產(chǎn)生的磁場(chǎng)構(gòu)成的。局部地區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造、地殼活動(dòng)等可引起巖石圈磁異常［4］。

地磁場(chǎng)的測(cè)量與研究是地球物理學(xué)的重要內(nèi)容。在地球的許多地方，建立了固定地磁臺(tái)站，對(duì)地磁場(chǎng)進(jìn)行觀測(cè)［5－6］。同時(shí)，在陸地、海洋、南極等地區(qū)還開(kāi)展了地磁測(cè)量［7］。我國(guó)已在全國(guó)范圍內(nèi)建立了地磁觀測(cè)臺(tái)網(wǎng)［8］，還在南極建立了地磁臺(tái)站；同時(shí)，在我國(guó)開(kāi)展了地磁測(cè)量與研究［9－10］。但是，我國(guó)還未開(kāi)展北極地區(qū)的地磁觀測(cè)研究。

為探測(cè)北極地區(qū)的地磁場(chǎng)，我們于2012年7～8月間，采用G856T磁力儀和GPS儀，在北極地區(qū)進(jìn)行了地磁總強(qiáng)度的測(cè)量工作，獲得了該地區(qū)的地磁總強(qiáng)度的寶貴數(shù)據(jù)。本文描述了這次北極地區(qū)進(jìn)行的地磁總強(qiáng)度測(cè)量，處理與分析了這些測(cè)量數(shù)據(jù)，討論了其分析結(jié)果。

1 測(cè)量?jī)x器與地磁測(cè)點(diǎn)

測(cè)量地磁總強(qiáng)度的儀器為G856T磁力儀，其靈敏度為0．1nT，精度為0．5nT［11］。

測(cè)量地磁測(cè)點(diǎn)的經(jīng)度、緯度與高程采用GPS－集思寶G310，該GPS的定位精度約為 5m［12］。

在北極地區(qū)的斯瓦爾巴德群島上，布設(shè)了3個(gè)測(cè)區(qū)：1號(hào)測(cè)區(qū)有16個(gè)測(cè)點(diǎn)，2號(hào)測(cè)區(qū)10個(gè)測(cè)點(diǎn)，3號(hào)測(cè)區(qū)7個(gè)測(cè)點(diǎn)．在每個(gè)測(cè)區(qū)中，測(cè)點(diǎn)呈直線(xiàn)形分布。這些測(cè)點(diǎn)的環(huán)境都很好，沒(méi)有電磁干擾，符合地磁測(cè)量的要求。在各測(cè)區(qū)中，相臨測(cè)點(diǎn)之間的距離為50～300m。1號(hào)測(cè)區(qū)與2號(hào)測(cè)區(qū)的距離為132km，1號(hào)測(cè)區(qū)與3號(hào)測(cè)區(qū)的距離為78km。

為了對(duì)比，在北京北六環(huán)外布設(shè)了一個(gè)地磁測(cè)點(diǎn)。該測(cè)點(diǎn)的環(huán)境好，沒(méi)有電磁干擾，適合于地磁測(cè)量。

2 地磁總強(qiáng)度的測(cè)量及其結(jié)果

2．1 地磁測(cè)量

為保證地磁測(cè)量數(shù)據(jù)可靠，磁測(cè)人員的身上不帶任何磁性的物品。

在測(cè)點(diǎn)上，應(yīng)用上述的GPS測(cè)量該測(cè)點(diǎn)的經(jīng)度、緯度與高度。應(yīng)用上述的G－856T磁力儀，測(cè)量地磁總強(qiáng)度，并記錄相應(yīng)的測(cè)量時(shí)間。記錄的測(cè)量時(shí)間采用北京時(shí)。

在北極地區(qū)的地磁測(cè)量工作分三天進(jìn)行。2012年7月22日完成了在1號(hào)測(cè)區(qū)的16個(gè)測(cè)點(diǎn)的測(cè)量，7月26日測(cè)量了2號(hào)測(cè)區(qū)的10個(gè)測(cè)點(diǎn)，7月29日測(cè)量了3號(hào)測(cè)區(qū)的7個(gè)測(cè)點(diǎn)。

2．2 測(cè)量數(shù)據(jù)

上述測(cè)量結(jié)果列于表1。表1中，M1與M2分別表示各測(cè)區(qū)的起始與終止的測(cè)點(diǎn)號(hào)，F(xiàn)為地磁總強(qiáng)度；Ma與Mi分別表示各測(cè)區(qū)的最大地磁總強(qiáng)度Fmax與最小地磁總強(qiáng)度Fmin的測(cè)點(diǎn)號(hào)。

表1 北極地區(qū)各測(cè)區(qū)的地磁總強(qiáng)度測(cè)量結(jié)果

2．3 北京測(cè)點(diǎn)的測(cè)量數(shù)據(jù)

北京測(cè)點(diǎn)位于緯度40°10′09″N，經(jīng)度116°26′45″E，其海拔高度為32m。2012年8月25日，在這個(gè)測(cè)點(diǎn)上，進(jìn)行了地磁總強(qiáng)度測(cè)量，得到了19個(gè)測(cè)值，其測(cè)值的均值為54 581．4nT、標(biāo)準(zhǔn)偏差為0．3nT。

3 測(cè)量數(shù)據(jù)的處理結(jié)果

北極地區(qū)的1號(hào)測(cè)區(qū)，16個(gè)測(cè)點(diǎn)的平均海拔高度為112±40m，地磁總強(qiáng)度的均值為54 598．3±49．5nT。

北極地區(qū)2號(hào)測(cè)區(qū)，10個(gè)測(cè)點(diǎn)的平均海拔高度為70±37m，地磁總強(qiáng)度的均值為54 966．7±7．4nT。

北極地區(qū)的3號(hào)測(cè)區(qū)，7個(gè)測(cè)點(diǎn)的平均海拔高度為19±16m，地磁總強(qiáng)度的均值為54 686．2±101．1nT。

表2列出了北極地區(qū)各測(cè)區(qū)與北京測(cè)點(diǎn)的地磁總強(qiáng)度的測(cè)量結(jié)果，表中Fmax與Fmin分別表示地磁總強(qiáng)度的最大值與最小值，而ΔF＝Fmax－Fmin，F(xiàn)0與σ分別為平均值與標(biāo)準(zhǔn)偏差，在北極地區(qū)N為各測(cè)區(qū)的測(cè)點(diǎn)個(gè)數(shù)，而在北京地區(qū)N為北京測(cè)點(diǎn)地磁總強(qiáng)度的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)。

表2 北極地區(qū)各測(cè)區(qū)與北京測(cè)點(diǎn)的地磁總強(qiáng)度測(cè)量結(jié)果

從表2可見(jiàn)，在北極地區(qū)，2號(hào)測(cè)區(qū)的地磁總強(qiáng)度較高，F(xiàn)0＝54 966．7nT；而1號(hào)測(cè)區(qū)的地磁總強(qiáng)度較低，F(xiàn)0＝54 598．3nT。在北極地區(qū)的測(cè)點(diǎn)中，2號(hào)測(cè)區(qū)的測(cè)點(diǎn)10的地磁總強(qiáng)度最高，F(xiàn)max＝54 978．1nT；而1號(hào)測(cè)區(qū)的測(cè)點(diǎn)3的地磁總強(qiáng)度最低，F(xiàn)min＝54 515．8nT。表2顯示，與北極地區(qū)的地磁總強(qiáng)度相比，北京地區(qū)的地磁總強(qiáng)度較低，F(xiàn)0＝54 581．4nT。

4 討論

4．1 北極地區(qū)的地磁總強(qiáng)度

在北極地區(qū)的斯瓦爾巴德群島上，布設(shè)了3個(gè)測(cè)區(qū)，共有33個(gè)地磁測(cè)點(diǎn)。在這些測(cè)點(diǎn)上，測(cè)量地磁總強(qiáng)度，獲得了寶貴的北極地區(qū)地磁數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)顯示，在北極地區(qū)，2號(hào)測(cè)區(qū)的地磁總強(qiáng)度較高，其平均值F0＝54 966．7nT；2號(hào)測(cè)區(qū)的測(cè)點(diǎn)10的地磁總強(qiáng)度最高，F(xiàn)max＝54 978．1nT。而1號(hào)測(cè)區(qū)的地磁總強(qiáng)度較低，F(xiàn)0＝54 598．3nT；1號(hào)測(cè)區(qū)的測(cè)點(diǎn)3的地磁總強(qiáng)度最低，F(xiàn)min＝54 515．8nT。地磁總強(qiáng)度的這種分布狀況，是與該測(cè)區(qū)的地理位置、地質(zhì)構(gòu)造、地下介質(zhì)的電磁性質(zhì)等因素有關(guān)。

4．2 北京地區(qū)地磁總強(qiáng)度及其變化

在北京測(cè)點(diǎn)有地磁總強(qiáng)度19個(gè)測(cè)量值，其中最大值Fmax＝54 581．9nT，最小值Fmin＝54 580．9nT，它們的差值ΔF＝1．0nT；平均值F0＝54581．4nT，標(biāo)準(zhǔn)偏差σ＝0．3nT。這表明，在該測(cè)量時(shí)間段中，地磁總強(qiáng)度的變化很小。與北極地區(qū)的地磁總強(qiáng)度相比（表2），該北京測(cè)點(diǎn)的地磁總強(qiáng)度較低。分析研究的結(jié)果表明，北京地區(qū)地磁總強(qiáng)度及其變化的特征，是與該地區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造、地震與構(gòu)造活動(dòng)、地下應(yīng)力變化與地下介質(zhì)電磁性質(zhì)等因素密切相關(guān)的［13－14］。

4．3 與國(guó)際地磁參考場(chǎng)的比較

國(guó)際地磁參考場(chǎng)（IGRF）是描述全球地磁場(chǎng)及其長(zhǎng)期變化的，而且是國(guó)際上通用的全球地磁標(biāo)準(zhǔn)模型［15］。國(guó)際地磁學(xué)與高空物理學(xué)聯(lián)合會(huì)（IAGA）給出了每5年的IGRF，迄今已經(jīng)發(fā)布了11代IGRF模型［16］。

在國(guó)際地磁參考場(chǎng)（IGRF）中，地磁場(chǎng)的標(biāo)量位用球諧級(jí)數(shù)表示：

其中a＝6 371．2km為地球的平均半徑，r為某一點(diǎn)到地心的距離（km），n是球諧級(jí)數(shù)的階，m是球諧級(jí)數(shù)的次，gnm與hnm為球諧系數(shù)，θ為余緯（90°－緯度），φ為經(jīng)度。

第11代國(guó)際地磁參考場(chǎng)（IGRF－11）是最新的也比較精確的IGRF，其球諧級(jí)數(shù)的截?cái)嚯A數(shù)n＝13，IGRF－11是比較精確的［16］。

從圖1可見(jiàn)，北極地區(qū)斯瓦爾巴德群島的地磁總強(qiáng)度位于54 000～55 000nT的分布區(qū)域內(nèi)；而實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)在54650～55000nT之間。由此可見(jiàn)，它們的數(shù)值比較吻合，但有差異。

北京測(cè)點(diǎn)位于40°10′09″N，116°26′45″E。該測(cè)點(diǎn)的測(cè)量平均值為54 581nT。從圖2可見(jiàn)，該測(cè)量值與圖中數(shù)值比較接近，但有差異。

圖1 北極斯瓦爾巴特群島的局部地磁圖（IGRF）［17］

圖2 北京地區(qū)的局部地磁圖（IGRF）［17］

為了定量分析地磁總強(qiáng)度的測(cè)量結(jié)果與IGRF的異同，根據(jù)IGRF－11模型，計(jì)算了北極地區(qū)各測(cè)區(qū)與北京測(cè)點(diǎn)的IGRF－11地磁總強(qiáng)度的數(shù)值Fm，結(jié)果列于表3。表3中，F(xiàn)0表示北極地區(qū)各測(cè)區(qū)與北京測(cè)點(diǎn)的地磁總強(qiáng)度平均值，F(xiàn)m表示相應(yīng)的IGRF－11計(jì)算值，它們的差值為ΔF。

表3 北極各測(cè)區(qū)及北京測(cè)點(diǎn)的地磁總強(qiáng)度F0與IGRF－11計(jì)算值Fm的比較

上述北極地區(qū)地磁總強(qiáng)度與國(guó)際地磁參考場(chǎng)IGRF－11定量對(duì)比的結(jié)果表明，地磁總強(qiáng)度的測(cè)量值與IGRF相應(yīng)的數(shù)值比較接近，但有差異。從表3可見(jiàn)，它們的差值ΔF，北極地區(qū)1號(hào)測(cè)區(qū)ΔF＝－185．2nT，其差異大；2號(hào)測(cè)區(qū)ΔF＝－58．7nT；3號(hào)測(cè)區(qū)ΔF＝9．4nT，其差異??；北京測(cè)點(diǎn)ΔF＝56．8nT。

文獻(xiàn)［18］應(yīng)用中國(guó)地區(qū)34個(gè)臺(tái)站的地磁資料，分析對(duì)比了IGRF－11與這些臺(tái)站實(shí)際觀測(cè)資料，結(jié)果表明，總體比較吻合，但有誤差。引起誤差的原因?yàn)椋阂环矫?，IGRF有它的適用性與局限性，IGRF是描述地球主磁場(chǎng)及其長(zhǎng)期變化的，而忽略了地磁外源場(chǎng)的變化。IGRF模型有一定的截?cái)嚯A數(shù)，被截去的高階部分通常代表地殼區(qū)域性磁異常。IGRF模型的高斯系數(shù)，是由地磁臺(tái)站與磁測(cè)資料來(lái)確定的；研究結(jié)果表明，全球臺(tái)站與測(cè)點(diǎn)分布的不均勻性將引起高斯系數(shù)的誤差；而這些地磁資料亦有觀測(cè)誤差。另一方面，中國(guó)地區(qū)有些臺(tái)站處于程度不同的磁異常區(qū)，而且各臺(tái)站資料也有觀測(cè)誤差，等。因此，北極地區(qū)地磁總強(qiáng)度與IGRF－11的差異是由IGRF－11的局限性、地磁局部異常與地磁觀測(cè)誤差等因素引起的。

4．4 對(duì)今后北極地區(qū)地磁觀測(cè)與研究的建議

為了深入觀測(cè)與研究北極地區(qū)的地磁場(chǎng)及其變化，應(yīng)當(dāng)在北極地區(qū)布局由臺(tái)站與測(cè)點(diǎn)組成的地磁觀測(cè)網(wǎng)。采用先進(jìn)的磁力儀，觀測(cè)地磁場(chǎng)三分量。應(yīng)用先進(jìn)的方法，深入分析與研究北極地區(qū)的地磁場(chǎng)及其變化。研究北極地區(qū)的地磁場(chǎng)及其變化，對(duì)進(jìn)一步了解極光、亞暴等極區(qū)特有的地球物理現(xiàn)象及其物理機(jī)制有著重要的科學(xué)意義，而且對(duì)探查與開(kāi)發(fā)諸如能源、礦產(chǎn)資源等方面有重要的應(yīng)用價(jià)值。

5 結(jié)論

為探測(cè)北極地區(qū)的地磁場(chǎng)，2012年7月間，在北極地區(qū)的斯瓦爾巴德群島上，布設(shè)了3個(gè)測(cè)區(qū)，共33個(gè)地磁測(cè)點(diǎn)。在這些測(cè)點(diǎn)上，采用G856T磁力儀測(cè)量地磁總強(qiáng)度，獲得了寶貴的北極地區(qū)地磁數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)顯示：在2號(hào)測(cè)區(qū)，地磁總強(qiáng)度較高，其平均值F0＝54 966．7nT；該測(cè)區(qū)的測(cè)點(diǎn)10，地磁總強(qiáng)度最高，F(xiàn)max＝54 978．1nT。而1號(hào)測(cè)區(qū)的地磁總強(qiáng)度較低，F(xiàn)0＝54 598．3nT；該測(cè)區(qū)的測(cè)點(diǎn)3的地磁總強(qiáng)度最低，F(xiàn)min＝54 515．8nT。地磁總強(qiáng)度的這種分布狀況，與該測(cè)區(qū)的地理位置、地質(zhì)構(gòu)造、地下介質(zhì)的電磁性質(zhì)等因素有關(guān)。在北京測(cè)點(diǎn)上，測(cè)量了19次地磁總強(qiáng)度，得到19個(gè)測(cè)量值，其平均值F0＝54 581．4nT±0．3nT；在該測(cè)量時(shí)間段中，地磁總強(qiáng)度的變化很?。?/p>

與國(guó)際地磁參考場(chǎng)（IGRF）比較顯示，北極地區(qū)斯瓦爾巴德群島的地磁總強(qiáng)度與IGRF比較吻合，但有差異。與最新的、比較精確的國(guó)際地磁參考場(chǎng)IGRF－11定量比較的結(jié)果表明，地磁總強(qiáng)度的測(cè)量值與IGRF－11相應(yīng)的計(jì)算值比較接近，但有差異；它們的差值ΔF，北極地區(qū)1號(hào)測(cè)區(qū)ΔF＝－185．2nT，其差異大；2號(hào)測(cè)區(qū)ΔF＝－58．7 nT；3號(hào)測(cè)區(qū)ΔF＝9．4nT，其差異小；北京測(cè)點(diǎn)ΔF＝56．8nT。該地磁總強(qiáng)度與IGRF－11的差異是由IGRF－11的局限性、地磁局部異常與地磁觀測(cè)誤差等因素引起的。

為研究北極地區(qū)的地磁場(chǎng)及其變化，今后應(yīng)當(dāng)在北極地區(qū)布設(shè)地磁觀測(cè)網(wǎng)，觀測(cè)地磁場(chǎng)三分量，深入分析與研究北極地區(qū)的地磁場(chǎng)及其變化，這對(duì)進(jìn)一步探討北極地區(qū)特有的地球物理現(xiàn)象及其物理機(jī)制有著重要的科學(xué)意義，而且對(duì)探查與開(kāi)發(fā)北極地區(qū)各種寶貴資源具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

致謝 感謝北京青少年科技俱樂(lè)部組織這次北極科考探險(xiǎn)活動(dòng)。

（作者電子信箱，劉陽(yáng)深：xinlong856f＠126．com）

［1］Campbell W H．Introduction to Geomagnetic Field．New York：Cambridge University Press，2003

［2］管志寧．地磁場(chǎng)與磁力勘探．北京：地質(zhì)出版社，2005

［3］徐文耀．地磁學(xué)．北京：地震出版社，2003

［4］Thebault E，Purucker M，Whaler A，et al．The magnetic field of the Earth’s lithosphere．Space Science Reviews，2010，155：95－127

［5］Jankowski和Sucksdorff著．地磁測(cè)量與地磁臺(tái)站工作指南．周錦屏、高玉芬等譯校．北京：地震出版社，1998

［6］張崇陽(yáng)．世界地磁臺(tái)站概況．見(jiàn)：宋守全，張洪由，毛桐恩，詹志佳編．國(guó)際震磁研究．北京：科學(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社，1986：101－104

［7］Newitt，Barton和Bitterly著．地磁復(fù)測(cè)點(diǎn)測(cè)量指南．李琪，宋彥云，韓德勝，余書(shū)明譯，詹志佳，周勛，任熙憲，周錦屏校．北京：地震出版社，2001

［8］張崇陽(yáng)，顧子明．地磁臺(tái)站概況．國(guó)家地震局科技監(jiān)測(cè)司編．地磁地電分冊(cè)．北京：地震出版社，1988：30－41

［9］詹志佳，張洪利，趙從利，等．全國(guó)地磁測(cè)量與地震預(yù)測(cè)研究．地震地磁觀測(cè)與研究，1999，20（6）：22－28

［10］安振昌．中國(guó)地磁測(cè)量與地磁圖和地磁場(chǎng)模型的回顧．地球物理學(xué)報(bào)，2002，45（增刊）：189－196

［11］北京市京核鑫隆科技中心．G856T高精度智能質(zhì)子磁力儀操作說(shuō)明書(shū)．2008

［12］北京合眾思?jí)芽萍脊煞萦邢薰荆紝欸3系列GIS數(shù)據(jù)采集器用戶(hù)手冊(cè)．2009

［13］趙從利，高金田，沈文志．2001～2007年北京地區(qū)地磁變化分析與地震預(yù)測(cè)研究．地震地磁觀測(cè)與研究，2008，29（5）：11－17

［14］詹志佳，高金田，趙從利，等．構(gòu)造磁學(xué)及其預(yù)測(cè)地震研究．地震，2000，20（增刊）：126－135

［15］徐文耀．地球電磁現(xiàn)象物理學(xué)．合肥：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社，2009

［16］陳斌，顧左文，狄傳芝，等．第11代國(guó)際地磁參考場(chǎng)．國(guó)際地震動(dòng)態(tài)，2012（2）：20－29

［17］U S Geological Survey Information Services．Total intensity chart，The International Geomagnetic Reference Field for 2000（BY Kenneth S．Rukstales and John M．Quinn）．2001

［18］陳斌，顧左文，高金田，等．IGRF－11描述的2005～2010年中國(guó)地區(qū)地磁場(chǎng)長(zhǎng)期變化及其誤差分析．地球物理學(xué)進(jìn)展，2012，27（2）：512－521