2013年IAGA科學大會與巖石圈磁異常研究進展＊

袁潔浩 陳 斌 王 粲 狄傳芝 徐如剛 倪 喆

1）中國地震局地球物理研究所，北京 100081

2）安徽省地震局，合肥 230031

3）云南省地震局，昆明 650224

（作者電子信箱，袁潔浩：yjh810405＠163．com）

引言

1919年創(chuàng)立的國際大地測量學與地球物理學聯(lián)合會（IUGG）是由7個獨立的國際組織組成：國際大地測量學協(xié)會（IAG）、國際地震學和地球內(nèi)部物理學協(xié)會（IASPEI）、國際地磁學和高空物理學協(xié)會（IAGA）、國際氣象學和大氣科學協(xié)會（IAMAS）、國際火山學和地球內(nèi)部化學協(xié)會（IAVCEI）、國際水文科學協(xié)會（IAHS）、國際海洋物理科學協(xié)會（IAPSO）。國際地磁學與高空物理學協(xié)會（IAGA）鼓勵與協(xié)調(diào)關(guān)于地球的地殼、地幔與地核的電磁性質(zhì)的研究，大氣層的中上層、電離層與磁層的電磁性質(zhì)的研究，以及太陽、太陽風、行星與行星際天體的研究。IAGA由內(nèi)部磁場、高空物理現(xiàn)象、磁層現(xiàn)象、太陽風與行星際磁場 、地磁臺站及測量與分析等5個部分與歷史委員會及發(fā)展中國家委員會等2個委員會組成，上述各部分與各委員會由相應(yīng)的主席領(lǐng)導。表1給出了IAGA的各部分與各委員會及其主席?，F(xiàn)任的IAGA主席是Kathryn Whaler（英國），秘書長是Mioara Mandea（法國）。

表1 IAGA的5個部分與2個委員會及其主席

地磁場是由主磁場、巖石圈磁場、電離層磁場與磁層磁場組成的。主磁場來源于地球的外核（液核），電離層磁場與磁層磁場分別來源于電離層與磁層的電流體系［1，2］。巖石圈磁場由地下介質(zhì)的磁化強度（感應(yīng)磁化強度和剩余磁化強度）所產(chǎn)生的磁場構(gòu)成。由于地下介質(zhì)的磁化強度主要受地下介質(zhì)所包含的鐵磁性物質(zhì)比例、介質(zhì)顆粒度、介質(zhì)所處的溫度環(huán)境和應(yīng)力狀態(tài)等因素控制，而這些因素又因地質(zhì)結(jié)構(gòu)、構(gòu)造環(huán)境以及構(gòu)造活動的差異性而表現(xiàn)出非常復雜的空間不均勻性［3－6］。巖石圈磁異常可從地磁測量數(shù)據(jù)中剝離出來。研究表明，巖石圈磁異常與地質(zhì)構(gòu)造、地殼活動等因素有密切關(guān)系。因此，分析巖石圈磁異常變化與地質(zhì)構(gòu)造的關(guān)系，研究諸如地震、火山活動等地殼活動所產(chǎn)生的巖石圈磁場變化的特征，對研究構(gòu)造磁學與震磁前兆信息都具有重要意義。

2013年8月26～31日，在墨西哥的梅里達召開了第12屆國際地磁學與高空物理學協(xié)會（IAGA）科學大會。IAGA每兩年召開一次科學大會，開展國際學術(shù)交流討論，促進國際合作與學科發(fā)展。本文描述了第12屆IAGA科學大會的簡況，概述了在這次IAGA科學大會中所展示的巖石圈磁異常的研究進展，并展望了今后的發(fā)展前景。

1 IAGA科學大會的概況

在2013年8月26～31日召開的第12屆IAGA科學大會上，分6個部分進行了學術(shù)報告與學術(shù)交流。這6個部分是：IAGA的內(nèi)部磁場、高空物理現(xiàn)象、磁層現(xiàn)象、太陽風與行星際磁場 、地磁臺站及測量與分析等5個部分，以及聯(lián)合學術(shù)報告與學術(shù)交流部分（J）。在這次IAGA科學大會上，報告了596篇學術(shù)論文（oral），展示了258篇學術(shù)論文 （poster），一共報告與展示了854篇學術(shù)論文，內(nèi)容十分豐富（表2）。此外，還有儀器設(shè)備、地球物理資料與出版物等展覽。

表2 2013年IAGA科學大會上聯(lián)合學術(shù)部分（J）與IAGA各部分的學術(shù)論文數(shù)

聯(lián)合學術(shù)部分（J）有18個專題，分別為：SWARM衛(wèi)星與以往衛(wèi)星的結(jié)果、由衛(wèi)星與臺站測量的地磁長期變化與地核動力學，地核動力學模型的地磁觀測，由地磁學與電磁學約束的大陸地幔巖石圈與軟流圈的結(jié)構(gòu)、尺度與性質(zhì)，電磁臺網(wǎng)研究對了解固體地球與磁層過程的貢獻，大氣上層與電離層系統(tǒng)的長期變化與趨勢，低大氣層－磁層和低緯大氣層－磁層耦合過程與響應(yīng)：太陽風－磁層－電離層－大氣上層的耦合，高能粒子進入大氣層：來源與結(jié)果，地球等離子體層：模擬與遙測，日光層與磁層的微觀尺度與宏觀尺度，第24太陽周上升期日光層的結(jié)構(gòu)，無弱磁場下太陽系天體的等離子體相互作用，電離層探測儀的研究史，由地面與衛(wèi)星觀測的電離層與磁層過程的特征。

“內(nèi)部磁場”部分有13個專題，內(nèi)容包括：行星發(fā)電機與地核動力學，實驗的磁流體動力學與流體動力學過程，地殼構(gòu)造與過程的電磁成像，電磁感應(yīng)的近地應(yīng)用，電磁模擬與反演的進展，海洋電磁研究，地磁場的時間變化：歷史性變化、倒轉(zhuǎn)、長期變化、突變，古地磁學與測定年代，古地磁參考模型（GPTS，APMP等），古地磁學與應(yīng)用于構(gòu)造過程的磁組構(gòu)，古地磁學與巖石磁學，應(yīng)用巖石磁學：更好地理解環(huán)境磁場的控制因子，理論與實驗的巖石磁學。

“高空物理現(xiàn)象”部分有5個專題：在地磁平靜與擾動期間赤道F與F3－層研究，大氣中層與低熱層的電子動力學與高能學：區(qū)域與全球的圖像，大氣層－電離層系統(tǒng)的耦合過程，中高大氣層的長短期太陽效應(yīng)，大氣中層科學。

“磁層現(xiàn)象”部分有9個專題：ULF波的空間－地面調(diào)整，內(nèi)磁層的ULF波，輻射帶與環(huán)電流中的波與粒子動力學，磁層的邊界層，磁層對太陽風驅(qū)動的不同響應(yīng)模式，等離子體殼層－電離層耦合系統(tǒng)：場向電流與離子外流的變換、源、傳輸與作用，極光過程，高緯電子動力學與離子外流，“磁層現(xiàn)象”部分學術(shù)報告的評述。

“太陽風與行星際磁場”部分有5個專題：太陽風與行星際磁場研究的最新成果，太陽外大氣層中的波傳播，太陽耀斑的多譜研究，穿過日光層進入星際介質(zhì)，“太陽風與行星際磁場”部分學術(shù)報告的評述。

“地磁臺站、測量與分析”部分有7個專題：全球地磁臺網(wǎng)的進展，全球地磁場特征和研究區(qū)域的現(xiàn)代磁測，應(yīng)用于空間天氣／氣候的地磁臺站資料，極蓋地磁指數(shù)：起源與應(yīng)用，應(yīng)用于電離層研究的地磁觀測以及雷達、激光雷達與其它的測量，巖石圈磁異常的摸擬與解釋，“地磁臺站、測量與分析”部分學術(shù)報告的評述。

2 巖石圈磁異常研究進展

在第12屆IAGA科學大會期間，2013年8月29日召開了“巖石圈磁異常的摸擬與解釋”專題學術(shù)討論會。該專題學術(shù)討論會的召集人是Jerome Dyment（法國），副召集人是 Dhananjay Ravat（美國）與Juha V Korhonen（芬蘭）。該專題討論會報告了11篇學術(shù)論文，展示了10篇學術(shù)論文。該專題學術(shù)討論會顯示了巖石圈磁異常研究的新成果與新進展。

最近10年間，地球勢場的研究大大改進了對地磁場的理解與描述。它激勵了開展關(guān)于編輯、處理、模擬與解釋的國際合作。與此同時，已產(chǎn)出并出版了描述局部區(qū)域巖石圈磁場（地殼磁場）的空間高分辨率磁異常資料，從而出版了第一張全球地殼磁場圖，即世界數(shù)字磁異常圖（WDMAM）。包括地面、海洋、航磁與衛(wèi)星磁測的數(shù)據(jù)系列，可用于構(gòu)建高精度的巖石圈磁場（地殼磁場）模型。應(yīng)用修正的球冠諧分析（R－SCHA）構(gòu)建了局部地區(qū)地殼磁場模型并進行了定量的解釋［7］。地磁資料的數(shù)字化，對于巖石圈磁場的分析與研究是很重要的。為此，全球低緯的地磁數(shù)據(jù)正在數(shù)字化，計劃2014年初完成。以新的數(shù)字化資料系列表述，將明顯增加近地地磁異常數(shù)據(jù)的密度，特別是在南部大洋的區(qū)域［8］。

在巖石圈磁場模型研究方面，應(yīng)用Slepian函數(shù)方法，將階數(shù)m＝n＝100的全球巖石圈磁場模型在陸地與海洋兩大區(qū)進行頻譜與空間分解。結(jié)果表明，在陸地的地磁場是以地殼磁場為主，并有明顯的功率譜信號。海洋的地磁功率譜近似平緩，而在大陸地區(qū)則顯示其功率譜隨球諧階數(shù)的增加而增加［9］。此外，對 NGDC－720巖石圈磁場模型進行了理論擬合與比較，預(yù)測了全球平均視磁化率為0．04SI（平均感應(yīng)磁化強度為（0．42±0．02）A／m），平均磁性地殼厚度為（26．5±2．0）km，地面巖石圈磁場總強度均方根約為220nT［10］。對于從衛(wèi)星數(shù)據(jù)得到的巖石圈磁場模型中出現(xiàn)的噪聲，Lesur博士研制了一種噪聲模型。該噪聲模型適用于近極軌道衛(wèi)星的三分量磁矢量數(shù)據(jù)。它與CHAMP衛(wèi)星數(shù)據(jù)有關(guān)。結(jié)果表明，不能區(qū)分內(nèi)外源的噪聲，而巖石圈磁場模型在所有波長上被污染。應(yīng)用該噪聲模型，改進了由CHAMP衛(wèi)星數(shù)據(jù)得到的球諧階數(shù)為120的巖石圈磁場模型［11］。

為研究中國坪壩－麗江剖面的巖石圈磁場，在800km的該剖面上，以5km間距設(shè)立測點，進行了地磁三分量測量。分析這些磁測數(shù)據(jù)，得到了相應(yīng)的巖石圈磁場。應(yīng)用向上延拓的方法，獲得了不同深度的磁異常：基底磁異常、上地殼磁異常與淺表磁異常。根據(jù)這些磁異常，反演得到了地下磁化強度的分布。分析結(jié)果表明：①這些磁異常與局部地質(zhì)構(gòu)造有很好的相關(guān)性；②地下磁化強度的分布和磁化率的地下分布、居里等溫面的深度、地震活動性及地質(zhì)構(gòu)造等因素有關(guān)；③地下磁化強度的分布與電磁構(gòu)造具有良好的一致性［12］。根據(jù)2011～2012年青藏高原215個測點2期的地磁三分量測量資料，經(jīng)過地磁日變化改正與地磁長期變化改正，應(yīng)用曲面樣條方法，得到了局部巖石圈磁異常。在時間限定為一年的5個磁異常區(qū)中，2012年5．7級彝良地震、2013年5．5級洱源地震與7．0級雅安地震正好發(fā)生在這些磁異常區(qū)及其附近。這些結(jié)果表明，可能存在震磁前兆信息。這些結(jié)果，對于應(yīng)用局部巖石圈磁異常進行地震預(yù)測研究是很有意義的，值得今后深入分析與研究［13］。

在地磁模型的研究中，巖石圈磁場是很重要的。為研究2010年增強地磁模型（EMM2010）在中國地區(qū)適用性，應(yīng)用中國地區(qū)1 302個測點與32個臺站地磁總強度F、磁偏角D、磁傾角I的1 334組準確數(shù)據(jù)，進行了定量的分析。比較分析了地磁七要素，得到了中國地區(qū)地磁觀測值與相應(yīng)EMM2010計算值之間的差值及其標準方差σ。結(jié)果表明，隨著EMM2010截斷階數(shù)N的增加，相應(yīng)的σ減少。當N＝720時，ΔD、ΔI、ΔF的σ分別為10．44′、7．83′、126．89nT。這些差值的標準方差σ，是EMM2010應(yīng)用于中國地區(qū)的誤差的估計值。EMM2010應(yīng)用于中國地區(qū)的誤差是由EMM2010有限的截斷階數(shù)、中國各地區(qū)的地磁異常狀況、地磁觀測數(shù)據(jù)的誤差等因素引起的。在中國地區(qū)比較分析EMM2010、2010年世界地磁模型（WMM2010）與第11代國際地磁參考場（IGRF－11）的結(jié)果顯示，EMM2010相應(yīng)的σ最小。EMM2010的σ最小的主要原因是：EMM2010不僅包含了地球主磁場，同時還包含了巖石圈磁場。EMM2010應(yīng)用于中國地區(qū)的實例表明，EMM2010具有一定的適用性，但有其局限性，EMM2010不能準確計算中國地區(qū)的地磁場信息。因此，為了實際應(yīng)用，應(yīng)當研制中國地區(qū)的高精度地磁模型［14］。應(yīng)用自然正交分量方法分析了中國與蒙古地區(qū)地磁場長期變化，應(yīng)用球冠諧和與曲面樣條方法分析了中國與蒙古地區(qū)地磁場，并分析了局部區(qū)域巖石圈磁場及其時間變化特征，建立了中國與蒙古的區(qū)域地磁模型。對于巖石圈磁場及其變化，水平強度H與偏角I的空間分布類似但符號相反，北向分量X與水平強度H 的空間分布類似，東向分量Y與偏角D的空間分布類似，垂直分量Z與總強度F的空間分布類似［15］。

此外，該專題還分析與研究了華北鄂爾多斯塊體局部巖石圈變形的電磁證據(jù)、笛卡爾坐標系下地殼磁化強度、Precambrian板塊構(gòu)造的航磁證據(jù)、阿拉伯海中Laxmi嶺的地殼構(gòu)造、La Soufriere－Guadeloupe Claire Bouligand的磁異常的高精度圖、深海溫泉處的磁信號、深海底的巖石磁性、新的全球大洋磁異常圖、日本海溝周圍太平洋板塊的海洋磁異常與磁化強度、應(yīng)用位場數(shù)據(jù)闡明非洲板塊構(gòu)造框架、墨西哥城郊的地磁及其變化、巴西深部磁化強度的解釋、應(yīng)用HPMS測量的矢量異常的三維空間三分量磁化強度等。由此可見，巖石圈磁異常的分析與研究是很重要的，也是很有意義的。

3 展望

綜上所述，2013年8月26～31日在墨西哥的梅里達召開的第12屆國際地磁學與高空物理學協(xié)會（IAGA）科學大會，展示了IAGA所屬各領(lǐng)域與各部分的觀測與研究所獲得的新進展與新成果，在科學思路、觀測技術(shù)、分析方法、結(jié)果解釋、模型實驗、理論研究等諸多方面都是值得我們借鑒與參考的。參加這次IAGA科學大會，我們與國際同行們進行了學術(shù)交流與討論，共享了最新科研成果，吸取了國際同行們的好經(jīng)驗，了解了最新的科研信息與動態(tài)，這將有助于凝練我們的科學問題和研究目標，為今后的科研工作取得更大進步奠定了良好的基礎(chǔ)。

在第12屆IAGA科學大會期間召開的“巖石圈磁異常的摸擬與解釋”專題學術(shù)討論會，顯示了巖石圈磁異常研究的新成果與新進展。該專題學術(shù)討論會充分表明，巖石圈磁異常的研究不僅具有重要的地磁學意義，而且具有廣泛的實際應(yīng)用。因此，巖石圈磁場及其異常變化是很重要、很有意義的科研課題，今后必須開展深入的分析與研究。

近年來，我國的相關(guān)專家學者關(guān)注巖石圈磁場及其異常變化［16－18］，而且在地震活動區(qū)與構(gòu)造活動帶，已觀測到與地震活動、地質(zhì)構(gòu)造有關(guān)的巖石圈磁異常［19－21］。對于2013年4月20日四川蘆山發(fā)生的7．0級地震，分析了該地震前后巖石圈局部磁場的動態(tài)變化特征，研究了這種演化特征與該地震的關(guān)系［22］。該結(jié)果表明，蘆山地震前巖石圈磁場各要素均有變化異常，而震后該異常消失。蘆山地震前后水平矢量的異常空間分布顯示，孕震過程中所產(chǎn)生的巖石圈局部磁異常空間范圍約為125km。蘆山地震的孕震過程中垂直矢量的反向與龍門山斷裂的構(gòu)造運動較為一致，在發(fā)震地點附近其矢量值最小，這可能與該地震的類型為純逆沖型有關(guān)［22］。

許多具有破壞性的淺源地震都發(fā)生在巖石圈中。在地震的孕育和發(fā)生的過程中，會引起局部巖石圈的地質(zhì)結(jié)構(gòu)、溫度與應(yīng)力狀態(tài)、介質(zhì)電磁性質(zhì)等因素的變化，從而導致巖石圈磁異常。分析巖石圈磁異常變化與地質(zhì)構(gòu)造的關(guān)系，研究與地震相關(guān)的構(gòu)造活動所產(chǎn)生的巖石圈磁場變化特征，對分析震磁前兆信息與研討區(qū)域地震活動性具有重要意義。因此，分析研究巖石圈磁異常變化與地震的關(guān)系是震磁研究中具有重要意義的探索途徑。在今后的探索研究中，應(yīng)當加強地震活動區(qū)的地磁觀測，深入分析巖石圈磁場及其變化，研究巖石圈磁異常變化與地震的關(guān)系，探討其震磁信息與物理機制，不斷推進巖石圈磁異常變化的地震監(jiān)測預(yù)報研究。

致謝

感謝顧左文研究員的指導與支持。感謝詹志佳研究員的寶貴意見。

（作者電子信箱，袁潔浩：yjh810405＠163．com）

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

［2］徐文耀．地球電磁現(xiàn)象物理學．合肥：中國科學技術(shù)大學出版社，2009

［3］Morner N．The lithospheric geomagnetic field：origin and dynamics．Phys．Earth Planet．Inter．，1986，44（4）：366－372

［4］Lanel R A，Hinze W．The Magnetic Field of the Earth’s Lithosphere．New York：Cambridge University Press，1998

［5］Maus S，Rother M，Hermant K，et al．Earth’s lithospheric magnetic field determined to spherical harmonic degree 90from CHAMP satellite measurements．Geophys．J．Int．，2006，164：319－330

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

［7］Erwan T．Modeling and interpreting the lithospheric magnetic field on regional scales．Abstract Volume of 12thIAGA Scientific Assembly，2013：8

［8］Ishihara T，Catalan M，Maus S．Digitization of low－altitude project magnetic data．Abstract Volume of 12thIAGA Scientific Assembly，2013：284

［9］Begga C，Whaler K，Simons F．Spectral and spatial decomposition of lithospheric magnetic field models using spherical slepian functions．Abstract Volume of 12th IAGA Scientific Assembly，2013：284

［10］Thebault E，Vervelidou F．Is the lithospheric magnetic field globally self－similar？Abstract Volume of 12thIAGA Scientific Assembly，2013：284

［11］Lesur V，Rother M，Vervelidou F，et al．Post processing scheme for modeling the lithospheric magnetic field models from satellite data．Abstract Volume of 12thIAGA Scientific Assembly，2013：289

［12］Yuan J，Gu Z，Chen B，et al．The lithospheric magnetic field along the Pingba－Lijiang profile，China．Abstract Volume of 12thIAGA Scientific Assembly，2013：285

［13］Ni Z，Yi W．Lithospheric magnetic anomalous area and earthquake．Abstract Volume of 12thIAGA Scientific Assembly，2013：291

［14］Xu R，Zhang Y，Gu Z，et al．The accuracy and application of EMM2010in China．Abstract Volume of 12thIAGA Scientific Assembly，2013：290

［15］Chen B，Gu Z．Chinese and Mongolian geomagnetic reference field．Abstract Volume of 12thIAGA Scientific Assembly，2013：17

［16］陳斌，顧左文，狄傳芝，等．2009～2010年大華北巖石圈磁異常分布及其變化特征．云南大學學報：自然科學版，2011，33（5）：548－553

［17］王慧琳，陳超，張昌達．最新的巖石圈磁場模型及中國磁異常特征的幾點．地學前緣，2008，15（3）：64－71

［18］張毅，顧左文，黃媛，等．蘇、魯、豫、皖交界及南黃海地區(qū)地磁監(jiān)測與分析．地震，2009，29（2）：133－140

［19］顧春雷，張毅，顧左文，等．華北地震區(qū)巖石圈磁異常場零值線與中強震震中分布關(guān)系．西北地震學報，2012，25（2）：174－179

［20］顧春雷，張毅，徐如剛，等．地震前后巖石圈磁場變化特征分析．地球物理學進展，2010，25（2）：472－477

［21］閆素萍，張毅，張有林，等．東大別構(gòu)造帶地震地磁監(jiān)測試驗區(qū)巖石圈磁場特征分析．地球物理學進展，2010，25（5）：1599－1604

［22］倪喆．蘆山7．0級地震前后巖石圈地磁變化異常的研究．地震研究，2014（in press）