長春地磁臺地磁場長期變化特征分析

孫旭麗

（吉林省地震局，吉林 長春 130117）

0 引言

長春地磁臺是新中國成立后建設(shè)的 “老八臺”之一。該臺因受環(huán)境干擾遷址兩次，最初臺址在長春市南嶺，海拔高度234m。臺基為白堊紀地層，由砂巖、頁巖組成，第四紀沖積層主要是黃土、亞粘土層，覆蓋厚度約30米，地面磁場水平梯度小于0.5nT／m。1978年底遷至長春市農(nóng)安縣合隆鎮(zhèn)，海拔高度203m。臺基為白堊紀地層，由泥巖、頁巖、粉細砂巖組成，第四紀亞粘土覆蓋約24米。地面磁場水平梯度小于1nT／m。2008年1月1日遷至長春市農(nóng)安縣三崗鄉(xiāng)，海拔高度187m，臺基為白堊系，由無磁性和弱磁性泥巖、粉細砂巖及砂巖組成，下伏為侏羅紀火山巖類，構(gòu)成盆地的磁性基底第四紀蓋層厚約20米。地面磁場水平梯度小于1nT／m。長春地磁臺于1957年創(chuàng)刊 《地磁觀測報告》，至2012年已經(jīng)積累55年連續(xù)可靠的地磁觀測資料。本文利用長春地磁臺1957—2012年地磁觀測資料對長春地磁臺地磁場長期變化進行了分析研究。

1 地磁場長期變化研究概況

地磁場長期變化的時空規(guī)律是追蹤地球內(nèi)部物質(zhì)的性質(zhì)和運動的僅有的已知途徑，因此地磁場長期變化具有全球性的統(tǒng)一特性。許多地磁臺的各個地磁要素的年均值都有顯著的逐年變化，這種變化表現(xiàn)為單調(diào)的增減變化。最早的、較為系統(tǒng)的長期變化現(xiàn)象記錄是英國Henry Gellibrand在1634年倫敦測量磁偏角是4.1°E；在同一地點，1580年Burrow和Norman曾做過測量，是11.3°W，磁偏角隨時間變化了。在非洲南端希望峰磁偏角同樣存在這種變化，300年間變化達幾十度。繼發(fā)現(xiàn)磁偏角變化之后，也發(fā)現(xiàn)其他地磁要素有性質(zhì)類似的長趨勢變化。在約400年中，倫敦地磁偏角的變化描繪了一個圓圈的四分之三，暗示了長期變化有500～600年的周期。但是，波士頓和巴爾的摩的變化卻是另外一種情況，看不出明顯的周期性。由此可見，地磁場長期變化非常復雜，有極大的地區(qū)差異。中國古代資料從1280年至1580年中斷了300年，顯示不出完整的周期性。長期變化資料的頻譜分析以及對考古地磁資料的研究指出，地磁場的長期變化可能具有下列各種周期，58年、450年、600年、1800年、8000年、10000年等周期變化。非偶極子磁場長期變化的時間尺度為世紀量級，而偶極子磁場的時間尺度為千年量級或更長。人們常常用偶極矩強度的變化、地磁極移動、非偶極磁場的西向漂移和長期變化自身的西向漂移、磁極倒轉(zhuǎn)和急變等特征來描述主磁場長期變化整體特征［1］。

2 長春地磁臺地磁場長期變化的基本特征

2.1 資料的選取

本文的數(shù)據(jù)資料選用長春地磁臺1957—1996年已正式出版的 《地磁觀測報告》，1997—2012年待出版的 《地磁觀測報告》。選取報告中磁偏角（D）、 磁傾角（I）、 磁場總強度（F）、水平分量（H）、 北向分量（X）、 東向分量（Y）、垂直分量（Z）地磁場七要素的年均值。

表1 長春地磁臺地磁場七要素年均值

Year D(°)W I(°)Z(nT)F(nT)H(nT) X(nT) Y(nT)1992 9.15 61.21 54639.9 26315.4 25980.8 －4183.4 47885.5 1993 9.15 61.26 54675.7 26294.2 25959.6 －4181.4 47937.9 1994 9.17 61.31 54707.2 26262.8 25927.6 －4183.2 47991.0 1995 9.19 61.35 54736.8 26243.5 25907.0 －4189.3 48035.4 1996 9.21 61.39 54761.8 26226.7 25888.5 －4197.8 48073.0 1997 9.24 61.42 54780.0 26201.5 25861.5 －4207.0 48107.4 1998 9.27 61.47 54785.6 26167.6 25825.9 －4215.0 48132.3 1999 9.29 61.49 54784.0 26149.3 25806.6 －4219.4 48140.4 2000 9.30 61.50 54774.8 26132.4 25788.7 －4224.5 48139.2 2001 9.32 61.50 54755.9 26130.0 25785.4 －4229.9 48118.9 2002 9.34 61.49 54736.7 26127.2 25781.0 －4239.2 48098.6 2003 9.37 61.50 54720.1 26113.1 25764.4 －4253.2 48087.4 2004 9.40 61.49 54706.1 26115.5 25764.7 －4266.3 48070.1 2005 9.43 61.49 54693.6 26102.8 25750.1 －4276.7 48062.8 2006 9.45 61.49 54680.9 26098.6 25744.3 －4285.6 48050.6 2007 9.48 61.51 54689.2 26083.6 25727.4 －4295.8 48068.2 2008 9.54 61.65 54792.8 26018.4 25658.0 －4315.2 48220.8 2009 9.58 61.68 54799.1 25998.8 25636.0 －4327.9 48239.1 2010 9.63 61.72 54806.3 25964.7 25598.5 －4345.2 48265.6 2011 9.68 61.77 54815.2 25927.7 25558.3 －4360.8 48295.5 2012 9.91 61.82 48338.9 54832.025882.5 25509.7 －4377.1

2.2 長期變化基本特征分析

2.2.1 磁偏角（D）

長春地磁臺磁偏角，1957年偏西8.77°，2012年偏西9.91°，但存在臺址兩次遷址，兩次遷址臺差和為－4.44′。從觀測數(shù)據(jù)和圖1中可以看出，磁偏角長期變化可以分成三個階段。第一階段：1957—1964年，磁偏角由偏西8.77°至偏西 8.95°，8年增大 10.8′，平均年變率為1.35′／a。第二階段：1965—1974年，磁偏角偏西8.96°，10年間基本保持不變，年變化在0.6′之間。第三階段：1975—2012年，磁偏角由偏西8.98°增大到9.91°。期間1978年受環(huán)境干擾，重新選址，1978年觀測至10月，沒有年均值，1979年由南嶺臺址遷址至合隆臺址，磁偏角臺差：南嶺臺址—合隆臺址=9.0′。2008年又因環(huán)境干擾，遷址三崗（現(xiàn)臺址），磁偏角臺差：合隆臺址—三崗新臺址=4.56′。37年間增大0.7°，呈現(xiàn)逐年緩慢增大，平均年變化率為 1.14′／a。

長春地磁臺磁偏角，自1957年到2012年，五十五年的時間偏西增大1.37°，呈現(xiàn)逐年緩慢增大，平均年變率為1.5′／a。同佘山、廣州臺表現(xiàn)一致。

圖1 長春地磁臺地磁場七要素年均值曲線Fig.1 The annual mean value of seven components at magnetic field of Changchun Geomagnetic Station

2.2.2 磁傾角（I）

1957年長春地磁臺磁傾角觀測記錄有部分資料，沒有年均值。1958年磁傾角60.75°，2012年磁傾角61.82°，期間兩次遷址，兩次遷址臺差和－6.1′。從觀測數(shù)據(jù)和圖1中可以看出，磁傾角長期變化可以分成三個階段。第一階段：1958—1964年，磁傾角由60.75°減小至60.61°，7年減小0.14′，呈現(xiàn)逐年緩慢減小趨勢，平均年變率為0.02′／a。第二階段：1965—1976年，磁傾角60.60°12年間基本保持不變，年變化在0.6′之間。第三階段：1977—1999年，磁傾角由60.62°增大到61.6°。期間1978年受環(huán)境干擾，重新選址，1978年觀測至10月，沒有年均值，1997年由南嶺臺址遷址至合隆臺址，磁傾角臺差：南嶺臺址—合隆臺址=－5′。22年間增大0.79°，呈現(xiàn)逐年緩慢增大，平均年變化率為2.15′／a。 第四階段：1999—2007年，8年磁傾角61.6°保持不變。第五階段：2007—2012年，磁傾角由61.51°增大到 61.82°。2008年又因環(huán)境干擾，遷址三崗，磁傾角臺差：合隆臺址—三崗新臺址=6.60′。五年間增大0.2°，呈現(xiàn)逐年緩慢增大，平均年變化率為2.4′／a。

長春地磁臺磁傾角，自1957年到2012年，55年的時間增大0.97°，呈現(xiàn)逐年以波峰波谷，波浪式緩慢遞增，平均年變化率為1.06′／a。同佘山臺表現(xiàn)一致。

2.2.3 磁場總強度（F）

1957年長春地磁臺地磁總強度觀測半年，沒有年均值。1958—2012年磁場總強度由54628.6nT增大到54832.0nT，期間兩次遷址，兩次遷址臺差和－296.6nT，從觀測數(shù)據(jù)和圖1中可以看出，地磁總強度變化可以分成兩個階段。第一階段：1958—1981年，地磁總強度54628.6nT減小至54238.2nT，期間1978年受環(huán)境干擾，重新選址，1978年觀測至10月，沒有年均值，1997年由南嶺臺址遷址至合隆臺址，地磁總強度臺差：南嶺臺址—合隆臺址=190.1nT。23年減小390.4nT，呈現(xiàn)逐年緩慢減小趨勢，平均年變率為17.0nT／a。第二階段：1982—1998年，地磁總強度由54431.1nT增大至54785.6nT，16年間增大354.5nT，平均年變率為22.2nT，呈現(xiàn)逐年加大速率遞增趨勢。第三階段：1998—2006年，地磁總強度由54785.6nT減小到54680.9nT，8年間減小104.7nT，呈現(xiàn)逐年緩慢減小趨勢，平均年變化率為13.1nT／a。第四階段：2007—2012年，地磁總強度由54689.2nT增大到54832.0nT，期間2008年又因環(huán)境干擾，遷址三崗，地磁總強度臺差：合隆臺址—三崗新臺址=106.5nT。5年間增大36.4nT，呈現(xiàn)逐年緩慢增大，平均年變化率為 7.3nT／a。

長春地磁臺磁場總強度，自1957—2012年，55年間地磁總強度其實是減小93.2nT，呈現(xiàn)逐年以波峰波谷，波浪式緩慢遞減，平均年變化率為－1.7nT／a。1980年前同佘山臺表現(xiàn)一致。

2.2.4 水平分量（H）和北向分量（X）

地磁水平分量和北向分量變化趨勢相同。這里只對水平分量進行分析。1957—2012年期間水平分量由26675.6nT減小到25882.5nT，期間兩次遷址，兩次遷址臺差和－19.0nT，從觀測數(shù)據(jù)和圖1中可以看出，水平分量變化可以分成四個階段。第一階段：1957—1964年，水平分量由26675.6nT增大到26761.7nT，7年間增大86.1nT，呈現(xiàn)逐年緩慢增大，平均年變化率為10.3nT／a。第二階段：1964—2012年，水平分量由26761.7nT減小到25882.5nT，期間在1979年由南嶺臺址遷址至合隆臺址，水平分量臺差：南嶺臺址—合隆臺址=－26.6nT。2008年又因環(huán)境干擾，遷址三崗，水平分量臺差：合隆臺址—三崗新臺址=45.6nT。48年間水平分量減小860.2nT，呈現(xiàn)逐年緩慢減小趨勢，平均年變化率 17.9nT／a。

長春地磁臺水平分量，自1957—2012年，55年間水平分量減小774.1nT，呈現(xiàn)逐年緩慢遞減，平均年變化率14.1nT／a。1980年前同佘山臺表現(xiàn)一致。

2.2.5 東向分量（Y）

地磁東向分量1957—2012年期間由－4069.2nT減小到－4377.1nT，期間兩次遷址，兩次遷址臺差和58.6nT，從觀測數(shù)據(jù)和圖1中可以看出，東向分量55年間減小366.5nT，呈現(xiàn)逐年緩慢減小趨勢，平均年變化率－6.7nT／a。1980年前同佘山臺表現(xiàn)一致。

2.2.6 垂直分量（Z）

地磁垂直分量1958—2012年期間由-47663.1nT增大到48338.9nT，期間兩次遷址，兩次遷址臺差和332.0nT，從觀測數(shù)據(jù)和圖1中可以看出，垂直分量變化可以分成四個階段。第一階段：1958—1973年，垂直分量由47663.1nT減小到47261.4nT，15年間減小401.7nT，呈現(xiàn)逐年較大尺度減小，平均年變化率為－26.8nT／a。第二階段：1973—1999年，垂直分量由47663.1nT增大到48140.4nT，期間一次遷址，遷址臺差188.2nT，26年間增大690.8nT，呈現(xiàn)逐年較大尺度增大，平均年變化率為26.6nT。第三階段：1999—2006年，垂直分量由48140.4nT減小到48050.6nT，7年間減小89.8nT，呈現(xiàn)逐年緩慢減小，平均年變化率為－12.8nT／a。第四階段：2006—2012年，垂直分量由48050.6nT增大到48338.9nT，期間一次遷址，遷址臺差145.8nT，6年間增大142.5nT，呈現(xiàn)逐年較大尺度增大，平均年變化率為23.8nT ／a。

長春地磁臺垂直分量，自1958年到2012年，54年間增大334.8nT，呈現(xiàn)逐年以波峰波谷，波浪式緩慢遞減，平均年變化率6.4nT／a。1980年前同佘山臺表現(xiàn)一致。

3 結(jié)論

（1）對于非偶極子磁場長期變化的時間尺度為世紀量級，而偶極子磁場的時間尺度為千年量級或更長。長春地磁臺已完整記錄55年，分析顯示出存在一定的周期性；

（2）長春地磁臺磁偏角和磁傾角存在逐年較大尺度遞增趨勢；

（3）長春地磁臺總強度和垂直分量存在時隔55年波峰波谷，波浪式的緩慢遞增和遞減趨勢；

（4）揭示地磁場長期變化完整周期性需要具備較長時間固定地磁臺的觀測資料。

［1］徐文耀.地球地磁現(xiàn)象物理學［M］.中國科學技術(shù)大學出版社，2009，20－140.