航空磁測(cè)中正常地磁場(chǎng)校正

駱 遙 ， 羅 鋒， 王 明， 何 輝， 王林飛

(中國(guó)國(guó)土資源航空物探遙感中心，北京 100083)

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航空磁測(cè)中正常地磁場(chǎng)校正

駱 遙 ， 羅 鋒， 王 明， 何 輝， 王林飛

(中國(guó)國(guó)土資源航空物探遙感中心，北京 100083)

在地球物理勘探中，磁異常是地磁場(chǎng)同正常地磁場(chǎng)的差，去除正常地磁場(chǎng)背景能夠獲得磁異常信息，正常地磁場(chǎng)校正是航空磁測(cè)資料處理中的必要環(huán)節(jié)。這里從航空磁測(cè)資料處理實(shí)際出發(fā)，針對(duì)正常地磁場(chǎng)計(jì)算、校正中坐標(biāo)系變換、改正方式等關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行分析，同時(shí)對(duì)行業(yè)規(guī)范中存在的問(wèn)題進(jìn)行討論，以明確航空磁測(cè)中正常地磁場(chǎng)校正處理的方式，這些結(jié)論可供地面磁法勘探參考。

正常地磁場(chǎng)； 國(guó)際地磁參考場(chǎng)； 航空磁測(cè)； 航磁資料處理； 磁法勘探

0 引言

中國(guó)航空磁測(cè)創(chuàng)始于1953年，航空磁測(cè)已基本覆蓋我國(guó)陸域和大部分海域，部分區(qū)域?qū)崿F(xiàn)了多次覆蓋[1]。航空磁測(cè)在大地構(gòu)造、地質(zhì)填圖、固體礦產(chǎn)與石油天然氣勘查、城市穩(wěn)定性評(píng)價(jià)、地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測(cè)及其他地學(xué)研究等方面得到廣泛應(yīng)用，其解決國(guó)家戰(zhàn)略性、先導(dǎo)性問(wèn)題的能力為人矚目，社會(huì)各界對(duì)航空磁測(cè)資料的需求不斷增多。區(qū)別于地面磁法勘探，航空磁測(cè)具有其自身的測(cè)量特色和一套完整的數(shù)據(jù)處理與解釋方法，使用航磁成果資料中需要特別重視航空磁測(cè)數(shù)據(jù)采集與處理。正常場(chǎng)校正是獲取ΔT異常的關(guān)鍵，作者從磁異常的概念出發(fā)，結(jié)合航空磁測(cè)測(cè)量實(shí)際情況討論了航空磁測(cè)中正常場(chǎng)計(jì)算和校正方法，同時(shí)針對(duì)相關(guān)行業(yè)規(guī)范較系統(tǒng)地討論了正常場(chǎng)計(jì)算、校正中的關(guān)鍵問(wèn)題，這對(duì)理解航空磁測(cè)正常場(chǎng)校正以及應(yīng)用航磁資料具有意義。

1 地球磁場(chǎng)

地磁場(chǎng)是由地球內(nèi)部磁性巖石及分布于地球內(nèi)部和外部的電流產(chǎn)生的多種磁場(chǎng)疊加而成，分為內(nèi)源場(chǎng)和外源場(chǎng)。內(nèi)源場(chǎng)包括起源于地核的主磁場(chǎng)(地核場(chǎng))和起源于地殼的巖石圈磁場(chǎng)(地殼場(chǎng))。外源場(chǎng)主要由分布在磁層、電離層以及行星際空間的電流體系引起，是空間電磁環(huán)境在地球上的直接表象。此外，外源場(chǎng)也會(huì)在地球內(nèi)部生成感應(yīng)電流產(chǎn)生感應(yīng)磁場(chǎng)。從全球平均看，地核場(chǎng)占總磁場(chǎng)的95%以上，地殼磁場(chǎng)約占4%，外源變化磁場(chǎng)及其感應(yīng)磁場(chǎng)只占總磁場(chǎng)的1%[2]。盡管主磁場(chǎng)不像外源場(chǎng)那樣快速地劇烈變化，卻仍長(zhǎng)期不斷變化，表現(xiàn)最為顯著的是偶極矩的變化、磁極移動(dòng)等現(xiàn)象[3]。地磁場(chǎng)在航海、航空航天、國(guó)防工業(yè)、基礎(chǔ)科學(xué)研究中具有重要作用，世界上許多國(guó)家和地區(qū)每隔一定周期發(fā)布自己的主磁場(chǎng)模式或地磁圖，國(guó)際地磁學(xué)和高空大氣學(xué)協(xié)會(huì)(International Association of Geomagnetism and Aeronomy, IAGA)每五年發(fā)布一次國(guó)際地磁參考場(chǎng)(International Geomagnetic Reference Field, IGRF)[4]，中國(guó)從1950年起每十年發(fā)布一次中國(guó)地磁圖或中國(guó)區(qū)域主磁場(chǎng)模式[5-6]。地球主磁場(chǎng)強(qiáng)度高達(dá)數(shù)萬(wàn)納特，勘探中被探測(cè)目標(biāo)的磁異常多為主磁場(chǎng)所掩蓋，需要選取并去除正常地磁場(chǎng)背景，獲得與地殼相關(guān)的磁異常信息，此外諸如位場(chǎng)轉(zhuǎn)換等資料處理和解釋中也要求使用ΔT異常，這是磁法勘探中正常地磁場(chǎng)校正的目的。由于能夠分離內(nèi)源場(chǎng)和外源場(chǎng)，全球性地磁場(chǎng)建模中一直采用1839年高斯應(yīng)用于地磁場(chǎng)的球諧函數(shù)分析方法，這也是現(xiàn)代地磁學(xué)的數(shù)理基礎(chǔ)。按照高斯理論，內(nèi)源磁場(chǎng)的標(biāo)量位滿足拉普拉斯方程，解的球諧函數(shù)形式為式(1)：

(1)

(2)

即

(3)

地磁場(chǎng)其他要素，總強(qiáng)度F、水平強(qiáng)度H、磁偏角D和磁傾角I，則可由地磁場(chǎng)矢量的三個(gè)分量X、Y、Z確定：

(4)

上述計(jì)算地磁場(chǎng)要素的表達(dá)不僅適用于主磁場(chǎng)建模，同樣也適用于巖石圈磁場(chǎng)建模及綜合建模，其區(qū)別主要在于球諧函數(shù)展開(kāi)項(xiàng)與球諧系數(shù)的不同。當(dāng)前通過(guò)航磁、船磁以及衛(wèi)星磁測(cè)資料構(gòu)建巖石圈磁場(chǎng)模型正逐漸成為熱點(diǎn)[7]。

2 正常場(chǎng)校正問(wèn)題

地磁場(chǎng)球諧分析理論是正常地磁場(chǎng)校正的基礎(chǔ)，上述論述同教科書及相關(guān)技術(shù)規(guī)范大體相同，但現(xiàn)行教科書及相關(guān)技術(shù)規(guī)范卻往往沒(méi)有對(duì)正常地磁場(chǎng)計(jì)算與校正中幾個(gè)重要的細(xì)節(jié)進(jìn)行闡述，造成對(duì)資料處理的誤解，作者將試圖解決航空磁測(cè)正常地磁場(chǎng)計(jì)算與校正過(guò)程中遇到的各種“困惑”，這些對(duì)航空磁測(cè)的討論同樣適用于地面磁法測(cè)量或海洋磁測(cè)。

2.1 IGRF模型選擇

同其他廣泛開(kāi)展航空物探的國(guó)家相類似，中國(guó)航空磁測(cè)的正常地磁場(chǎng)校正經(jīng)歷了幾個(gè)階段。早期航空磁測(cè)采用零線改正方式進(jìn)行正常地磁場(chǎng)校正，中國(guó)科學(xué)院建立中國(guó)地磁場(chǎng)泰勒多項(xiàng)式模式后，采用過(guò)泰勒多項(xiàng)式進(jìn)行正常地磁場(chǎng)校正，上世紀(jì)80年代開(kāi)始采用國(guó)際地磁參考場(chǎng)(IGRF)進(jìn)行正常地磁場(chǎng)校正。早期航空磁測(cè)采用模擬記錄，其資料整理、修正和成圖均為人工，正常場(chǎng)只能通過(guò)人工確定ΔT零線的方式進(jìn)行校正。1956年-1988年間航空磁測(cè)導(dǎo)航定位為目視布標(biāo)領(lǐng)航、照相定位階段，不能精確給出飛行測(cè)量的航跡，不具備通過(guò)數(shù)學(xué)模式計(jì)算正常地磁場(chǎng)的條件。1966年-1990年間航空磁測(cè)導(dǎo)航定位采用雙曲線、多卜勒、應(yīng)答、賽里第斯等電子導(dǎo)航設(shè)備，航跡恢復(fù)相對(duì)變得簡(jiǎn)便、準(zhǔn)確，為數(shù)學(xué)模式計(jì)算正常地磁場(chǎng)提供了必要條件，加之中國(guó)科學(xué)院已建立了中國(guó)地磁場(chǎng)泰勒多項(xiàng)式模式[8]，正常地磁場(chǎng)校正改用泰勒多項(xiàng)式。1987年中國(guó)國(guó)土資源航空物探遙感中心率先引進(jìn)全球定位系統(tǒng)(GPS)進(jìn)行航空磁測(cè)試生產(chǎn)，1988年正式用于塔里木盆地東部地區(qū)1∶200 000 航磁測(cè)量，1989年以后全面推廣了GPS。GPS的廣泛應(yīng)用為航空物探中高精度導(dǎo)航定位、航跡的快速準(zhǔn)確恢復(fù)提供了手段，航磁采樣點(diǎn)處準(zhǔn)確的空間坐標(biāo)為以數(shù)學(xué)模式計(jì)算正常地磁場(chǎng)奠定了基礎(chǔ)。1987年中國(guó)國(guó)土資源航空物探遙感中心引進(jìn)基于IBM 4341計(jì)算機(jī)的航空物探數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含計(jì)算IGRF的FORTRAN 77源程序，航空磁測(cè)中正常地磁場(chǎng)改正逐步采用IGRF模式，1995年原中國(guó)地質(zhì)礦產(chǎn)部發(fā)布的《航空磁測(cè)技術(shù)規(guī)范》(DZ/T 0142-1994)正式將使用IGRF進(jìn)行正常地磁場(chǎng)校正列入行業(yè)推薦標(biāo)準(zhǔn)[9]。零線改正的缺陷顯而易見(jiàn)，手工改正僅能大致去除數(shù)萬(wàn)納特的正常場(chǎng)背景，測(cè)線間改正量差異造成的測(cè)線水平差異嚴(yán)重。此外，改正后的模擬記錄資料由于缺少原始正常場(chǎng)信息，無(wú)法恢復(fù)磁場(chǎng)原始面貌，在區(qū)域性航磁編圖中只能通過(guò)用周圍數(shù)字收錄測(cè)區(qū)資料進(jìn)行糾正，才能基本消除模擬記錄測(cè)區(qū)正常場(chǎng)校正誤差[1]。

用泰勒多項(xiàng)式進(jìn)行正常場(chǎng)校正一定程度上避免了上述問(wèn)題，但泰勒多項(xiàng)式模式本身并不完善，泰勒多項(xiàng)式擬合地磁場(chǎng)不具備物理意義，擬合的地磁場(chǎng)各分量并不自洽，不滿足位場(chǎng)所滿足的拉普拉斯方程，加之缺乏中國(guó)境外鄰區(qū)的地磁測(cè)量資料，泰勒多項(xiàng)式擬合的中國(guó)地磁場(chǎng)在國(guó)界邊境存在較嚴(yán)重的邊界效應(yīng)，不能同境外地磁場(chǎng)銜接。此外，泰勒多項(xiàng)式建立的磁場(chǎng)模式不包含高程變量，僅是平面位置的函數(shù)，無(wú)法計(jì)算高空正常地磁場(chǎng)。其他主磁場(chǎng)建立方式，如矩諧分析、球冠諧分析、樣條擬合等也存在諸如邊界效應(yīng)或不滿足拉普拉斯方程等缺陷[10]。球諧函數(shù)模式如IGRF建模中雖然僅采用極少數(shù)的中國(guó)地磁測(cè)量數(shù)據(jù)，不能很好地?cái)M合中國(guó)地磁場(chǎng)，但由于球諧分析的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)以及近年來(lái)衛(wèi)星磁測(cè)資料的廣泛應(yīng)用，盡管不是表述中國(guó)主磁場(chǎng)“最好”的模式，但球諧函數(shù)模式無(wú)疑是一種“最佳”的模式，這是廣泛采用IGRF等球諧函數(shù)模式進(jìn)行正常地磁場(chǎng)校正的原因。除IGRF外還有其他一些基于球諧函數(shù)的主磁場(chǎng)模型，如美國(guó)國(guó)防部、英國(guó)國(guó)防部、北大西洋公約組織等軍事機(jī)構(gòu)使用的標(biāo)準(zhǔn)地磁模型WMM[11]，盡管這類主磁場(chǎng)模型在細(xì)節(jié)上同IGRF略有不同，但正常的磁場(chǎng)計(jì)算和校正的討論均適用于此類以球諧函數(shù)為數(shù)學(xué)背景的主磁場(chǎng)模型。

2.2 球諧函數(shù)階次的選擇

圖1 地球磁場(chǎng)能譜

2.3 大地坐標(biāo)系下主磁場(chǎng)計(jì)算

球諧分析理論是建立在球坐標(biāo)系下的，式(1)-式(3)是建立在參考球體與球坐標(biāo)系基礎(chǔ)上的，公式中的經(jīng)度、緯度并非通常意義下理解的經(jīng)度、緯度，而需要進(jìn)行坐標(biāo)系變換，幾乎所有教科書和規(guī)范都忽視了這點(diǎn)。GPS采用WGS-84坐標(biāo)系，航空磁測(cè)作業(yè)中直接收錄的是WGS-84坐標(biāo)系下的經(jīng)度、緯度和大地高，計(jì)算IGRF時(shí)需要將WGS-84大地坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換至以地球?yàn)橹行牡那蜃鴺?biāo)系下，這也是IAGA推薦的。計(jì)算時(shí)取a2=40 680 631.6 km2，b2=40 408 296.0 km2，其中a、b分別是橢球體的長(zhǎng)半軸和短半軸。設(shè)WGS-84下的經(jīng)度為L(zhǎng)、緯度為B，大地高為H，則

φ=L

(5)

θ′=90°-B

(6)

(7)

(8)

cosα=(H+RH)/r

(9)

sinα=cosθ′sinθ′(a2-b2)/r/RH

(10)

cosθ=cosα·cosθ′-sinα·sinθ

(11)

sinθ=cosα·sinθ′+sinα·cosθ′

(12)

通過(guò)式(5)-式(12)就可以得到式(3)計(jì)算所需的r、φ、cosθ、sinθ，式(3)中平均地球半徑R取6 371.2 km。由式(3)計(jì)算得到的是地心坐標(biāo)系下的主磁場(chǎng)要素，需要對(duì)緯向分量X′和垂直分量Z′旋轉(zhuǎn)，將切于球面的X′和垂直球面的Z′旋轉(zhuǎn)至切于橢球面的地磁場(chǎng)北向分量X和垂直橢球面的地磁場(chǎng)垂直分量Z，即

(13)

于是可將式(13)計(jì)算出的地磁場(chǎng)分量代入式(4)獲取其他地磁要素。

2.4 高度校正或水平梯度校正問(wèn)題

《航空磁測(cè)技術(shù)規(guī)范》(DZ/T 0142-2010)8.1.6.1中規(guī)定“地球正常磁場(chǎng)校正應(yīng)按國(guó)際規(guī)定，使用有效的國(guó)際地磁參考場(chǎng)值”，而在8.1.6.3中又規(guī)定了“地球正常磁場(chǎng)垂向梯度校正，根據(jù)測(cè)量飛行的海拔高度差值，由國(guó)際地磁參考場(chǎng)計(jì)算校正”，即提出了正常地磁場(chǎng)的“高度校正”問(wèn)題[13]?！兜孛娲欧碧郊夹g(shù)規(guī)程》(SY/T 5771-2004)7.3.2中規(guī)定“正常場(chǎng)改正利用國(guó)際地磁參考場(chǎng)IGRF模型進(jìn)行改正”，在7.3.3中規(guī)定了“高度改正值計(jì)算”，也提出了正常地磁場(chǎng)的“高度校正”問(wèn)題[14]?！兜孛娲趴辈榧夹g(shù)規(guī)程》(DZ/T 0144-1994)則規(guī)定了“當(dāng)測(cè)區(qū)沿地磁場(chǎng)梯度方向的正常磁場(chǎng)變化值等于或大于設(shè)計(jì)的總均方誤差值時(shí)，對(duì)全部測(cè)點(diǎn)均須進(jìn)行校正，校正應(yīng)相對(duì)于總基點(diǎn)進(jìn)行。所用正常梯度的數(shù)值和方向，應(yīng)取自最近年代的國(guó)際地磁參考場(chǎng)”，又提出了正常地磁場(chǎng)“水平梯度校正”問(wèn)題[15]?！兜孛娓呔却艤y(cè)技術(shù)規(guī)程》(DZ/T0071-1993)也規(guī)定了“正常梯度改正與高度改正”，要求“用國(guó)際地磁參考場(chǎng)提供的高斯系數(shù)，用電子計(jì)算機(jī)算出測(cè)區(qū)內(nèi)1 km×1 km節(jié)點(diǎn)地磁場(chǎng)值，以1nT的間距繪制等值線圖。用此圖作正常場(chǎng)梯度改正”[16]。從事航空磁測(cè)及地面磁法勘探的技術(shù)人員不禁疑問(wèn)，當(dāng)前以IGRF作為校正正常地磁場(chǎng)的標(biāo)準(zhǔn)模式時(shí)，是否真存在“高度校正”和“水平梯度校正”的問(wèn)題？

地球磁場(chǎng)是空間位置和時(shí)間的函數(shù)，地磁要素不僅存在時(shí)間變化率，在三維空間上也具有不同的變化率，即地磁場(chǎng)梯度。磁法勘探中現(xiàn)代磁力儀測(cè)量的是地磁場(chǎng)強(qiáng)度，正常地磁場(chǎng)校正就是用觀測(cè)點(diǎn)測(cè)量的地磁場(chǎng)強(qiáng)度減去該測(cè)點(diǎn)IGRF計(jì)算出的主磁場(chǎng)強(qiáng)度，由于計(jì)算IGRF過(guò)程中需要代入該觀測(cè)點(diǎn)處的坐標(biāo)及高程，采用IGRF進(jìn)行正常場(chǎng)校正事實(shí)上已經(jīng)隱含解決了高度校正或水平梯度校正問(wèn)題。出現(xiàn)正常地磁場(chǎng)的高度校正或水平梯度校正問(wèn)題，是由于校正中考慮用基點(diǎn)處的正常地磁場(chǎng)值對(duì)全部觀測(cè)點(diǎn)進(jìn)行校正，這樣主磁場(chǎng)的校正量為一個(gè)常量，還需要考慮觀測(cè)點(diǎn)與基點(diǎn)空間位置差異，即水平位置差異及高程差異引起的主磁場(chǎng)強(qiáng)度變化。規(guī)范中涉及正常場(chǎng)高度校正或水平梯度校正時(shí)，其參考點(diǎn)同測(cè)量點(diǎn)正常地磁場(chǎng)的相對(duì)變化均是按IGRF(或IGRF的偶極子近似)計(jì)算而來(lái)，其改正精度必然與直接用IGRF校正各觀測(cè)點(diǎn)處的正常地磁場(chǎng)等同(或偏低)，文獻(xiàn)[17]給出了采用IGRF一階近似校正誤差分析的一個(gè)初步結(jié)果，認(rèn)為當(dāng)測(cè)點(diǎn)與基點(diǎn)沿緯度方向的距離大于9 km時(shí)，均方誤差(水平梯度校正誤差)將超出《地面高精度磁測(cè)技術(shù)規(guī)程》(DZ/T 0071-1993)要求，當(dāng)測(cè)點(diǎn)與基點(diǎn)的高程差大于700 m時(shí)，計(jì)算的高度改正值均方誤差(高度校正誤差)將超出《地面高精度磁測(cè)技術(shù)規(guī)程》(DZ/T 0071-1993)的要求。目前磁測(cè)規(guī)范中水平梯度改正均采用IGRF，除了手工取值外不存在近似改正問(wèn)題，與直接用觀測(cè)點(diǎn)處的IGRF值(不考慮測(cè)點(diǎn)間或與基點(diǎn)間高程變化，即不考慮高度校正問(wèn)題)改正無(wú)異，以下僅以正常地磁場(chǎng)垂直梯度為例進(jìn)行討論。如果僅考慮偶極子場(chǎng)，正常場(chǎng)垂直梯度可近似為：

(14)

僅與正常場(chǎng)強(qiáng)度F和地心距r相關(guān)。《地面高精度磁測(cè)技術(shù)規(guī)程》(DZ/T 0071-1993)、《航空磁測(cè)技術(shù)規(guī)范》(DZ/T 0142-1994)、《地面磁法勘探技術(shù)規(guī)程》(SY/T 5771-2004)均采用式(14)計(jì)算正常地磁場(chǎng)垂向梯度進(jìn)行校正。

(15)

相應(yīng)的正常場(chǎng)校正為

FΔH(L,B,H)

(16)

其中：ΔT表示經(jīng)IGRF校正后的ΔT；T為實(shí)測(cè)航磁采樣點(diǎn)(L,B,H)處的地磁場(chǎng)強(qiáng)度；F0為采樣點(diǎn)處的正常場(chǎng)；FΔH為高度校正值。將式(15)高度校正值代入式(16)，得到式(17)。

ΔT=T(L,B,H)-F0(L,B,H)

(17)

即實(shí)際正常地磁場(chǎng)校正過(guò)程實(shí)質(zhì)就是利用采樣點(diǎn)處地磁場(chǎng)的測(cè)量值減去該采樣點(diǎn)處的IGRF值。如果按照《航空磁測(cè)技術(shù)規(guī)范》(DZ/T0142-2010)進(jìn)行正常地磁場(chǎng)校正，即用式(15)和式(16)進(jìn)行校正，需要兩次計(jì)算同一采樣點(diǎn)上兩種高度上的IGRF[13]，采用式(17)直接校正采樣點(diǎn)處的正常地磁場(chǎng)，則只需計(jì)算一次IGRF，校正結(jié)果卻完全一致。實(shí)際上式(17)的含義是直接獲取觀測(cè)點(diǎn)處的磁異常，正常地磁場(chǎng)校正中的高度校正在理論上不具備新的地球物理意義。航空磁測(cè)中導(dǎo)航定位系統(tǒng)收錄的GPS數(shù)據(jù)可直接用于計(jì)算IGRF，目前航空磁測(cè)中正常場(chǎng)校正也是直接采用式(17)方式進(jìn)行處理。地面磁測(cè)與航空磁測(cè)無(wú)異，也應(yīng)采用觀測(cè)點(diǎn)處的IGRF進(jìn)行校正。對(duì)于《地面磁勘查技術(shù)規(guī)程》(DZ/T0144-1994)中涉及基點(diǎn)歸算磁場(chǎng)水平問(wèn)題[15]，由于磁法本身仍屬相對(duì)測(cè)量，最終歸算到何種水平僅相差直流分量，實(shí)際上與高度校正或水平梯度校正問(wèn)題本身無(wú)關(guān)。

圖2 地球正常地磁場(chǎng)強(qiáng)度及其垂直梯度

圖3 兩種地磁場(chǎng)總強(qiáng)度垂直梯度差異(等值線間隔1 nT/km)

2.5 其他問(wèn)題

正常地磁場(chǎng)隨時(shí)間長(zhǎng)期變化，時(shí)間是IGRF模式中一個(gè)重要參量，包括《航空磁測(cè)技術(shù)規(guī)范》(DZ/T0142-2010)在內(nèi)，各規(guī)范均沒(méi)有對(duì)校正正常場(chǎng)至哪個(gè)時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行規(guī)定。采用IGRF原則上可以根據(jù)相隔五年的球諧系數(shù)或年變系數(shù)計(jì)算任意時(shí)間點(diǎn)的地磁要素，但實(shí)際IGRF的精度有限，通常只能按日計(jì)算。航磁測(cè)量飛行有著自身的特點(diǎn)，通常測(cè)量一個(gè)工區(qū)要持續(xù)數(shù)月或幾年，理論上每架次測(cè)量數(shù)據(jù)的正常場(chǎng)校正均可改正至測(cè)量日當(dāng)天的IGRF，但I(xiàn)GRF中采用的年變系數(shù)的精度有限，是對(duì)未來(lái)主磁場(chǎng)長(zhǎng)期變化的預(yù)測(cè)，對(duì)每架次航磁數(shù)據(jù)進(jìn)行逐日校正會(huì)帶來(lái)不確定性，航磁資料通常只校正至工區(qū)開(kāi)工之日?？紤]到年變系數(shù)的預(yù)測(cè)因素，作者建議航磁測(cè)量中IGRF校正日期僅精確至年，例如2012年6月30日開(kāi)工進(jìn)行測(cè)量飛行的工區(qū)，其全部航磁數(shù)據(jù)校正的正常場(chǎng)均為2012年1月1日0時(shí)的IGRF。如果測(cè)量飛行的工區(qū)是跨年度飛行，分屬不同年份采集的數(shù)據(jù)，作者也建議校正至開(kāi)工年的IGRF，因?yàn)閷?duì)一個(gè)工區(qū)的數(shù)據(jù)逐年或逐日、逐月的采用相應(yīng)測(cè)量時(shí)間的IGRF進(jìn)行校正會(huì)在連續(xù)的飛行測(cè)量的磁場(chǎng)曲面上人為引入由IGRF不同造成的測(cè)線水平誤差，這是航空物探資料處理中所忌諱的。即使IGRF校正至開(kāi)工年，也不會(huì)影響航磁資料的精度，因?yàn)楹娇沾艤y(cè)不是絕對(duì)測(cè)量而是相對(duì)測(cè)量，地球磁場(chǎng)是在不斷變化的，盡管建立了各種地磁場(chǎng)模式力圖消除地球磁場(chǎng)短期或者長(zhǎng)期的變化，但其精度仍不能將磁異常視為絕對(duì)值。從另外一個(gè)角度講，航磁測(cè)量不同的離地高度也進(jìn)一步將測(cè)量值局限在相對(duì)值的范圍內(nèi)，因此所用航磁圖件的磁場(chǎng)水平都是根據(jù)數(shù)據(jù)狀況和解釋者的需要隨機(jī)確定的[18]。后續(xù)區(qū)域性航磁編圖或編制全國(guó)航磁圖時(shí)，也涉及正常場(chǎng)改正，需要根據(jù)DGRF對(duì)當(dāng)時(shí)使用的IGRF進(jìn)行重新修正，統(tǒng)一磁場(chǎng)水平，前期將IGRF校正至開(kāi)工年份(部分航磁測(cè)量因測(cè)量年代“久遠(yuǎn)”，已經(jīng)無(wú)法確切了解具體的開(kāi)工日期，只能推算至開(kāi)工年)也最有利于重新恢復(fù)原始資料處理中被校正的IGRF。

《航空磁測(cè)技術(shù)規(guī)范》(DZ/T0142-2010)中附錄E規(guī)定“按給出的測(cè)區(qū)內(nèi)控制點(diǎn)的經(jīng)緯度(或測(cè)線某些點(diǎn)上實(shí)測(cè)經(jīng)緯度值)，計(jì)算出具體的IGRF；根據(jù)計(jì)算出的測(cè)區(qū)內(nèi)控制點(diǎn)處的IGRF，按測(cè)線內(nèi)插出每個(gè)采樣點(diǎn)處的IGRF”[13]，但規(guī)范中沒(méi)有對(duì)“控制點(diǎn)”進(jìn)行說(shuō)明，“測(cè)線某些點(diǎn)”表述模糊。航空磁力儀的采樣率可達(dá)每秒百次遠(yuǎn)超過(guò)GPS的采樣率，例如中國(guó)國(guó)土資源航空物探遙感中心目前采用的HC-2000型航空氦光泵磁力儀的采樣率為10次/s，GG-24雙星座全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位儀的采樣率為2次/s，也就是說(shuō)除相鄰2個(gè)GPS采樣點(diǎn)處有磁場(chǎng)采樣外，相鄰2個(gè)GPS采樣點(diǎn)間還存在4個(gè)磁場(chǎng)采樣，非GPS采樣點(diǎn)處的正常地磁場(chǎng)值需要內(nèi)插得到。IGRF校正的明確表述應(yīng)為，計(jì)算所有GPS采樣點(diǎn)處的IGRF，根據(jù)測(cè)線上相鄰GPS采樣點(diǎn)的IGRF值內(nèi)插出非GPS采樣點(diǎn)處磁場(chǎng)采樣的IGRF，并對(duì)磁場(chǎng)采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行校正。例如航磁作業(yè)飛行中Y-12飛機(jī)的航速約60m/s，GPS采樣點(diǎn)的間隔約30m，磁場(chǎng)采樣點(diǎn)的間隔為6m，而IGRF的空間分辨率約4 000km，內(nèi)插的IGRF完全能滿足高精度航空磁測(cè)的需要。此外，根據(jù)目前航空磁測(cè)作業(yè)情況，GPS的平面定位精度要優(yōu)于高程的定位精度[19]，實(shí)際飛行測(cè)量中GPS實(shí)測(cè)高程有時(shí)存在抖動(dòng)，在計(jì)算IGRF時(shí)需要對(duì)其進(jìn)行檢查、處理，以確保校正質(zhì)量。

3 結(jié)論與建議

作者從航空磁測(cè)中正常地磁場(chǎng)校正處理的實(shí)際出發(fā)，討論了正常地磁場(chǎng)計(jì)算、校正中的問(wèn)題，這對(duì)深入理解航空磁測(cè)中的正常地磁場(chǎng)校正具有啟示，對(duì)地面磁法勘探也具有借鑒性意義。從上世紀(jì)九十年代起，隨著GPS的廣泛應(yīng)用與普及，磁法勘探中正常地磁場(chǎng)校正方法發(fā)生了深刻性的變革，甚至一些帶導(dǎo)航功能的智能手機(jī)都可以給出當(dāng)前空間位置的正常地磁場(chǎng)信息，以手工方式從地磁圖上取數(shù)改正的方式早已成為歷史。但行業(yè)規(guī)范制定相對(duì)滯后，沒(méi)用充分利用當(dāng)前全球地磁場(chǎng)建模的優(yōu)勢(shì)，無(wú)法徹底拋棄早期正常地磁場(chǎng)校正的思維。作者認(rèn)為應(yīng)當(dāng)從磁異常的概念出發(fā)，將觀測(cè)點(diǎn)的磁場(chǎng)觀測(cè)值直接去掉該測(cè)點(diǎn)處的正常地磁場(chǎng)以獲得磁異常，不宜再引入高度校正或水平梯度校正等概念。此外，直接校正觀測(cè)點(diǎn)處IGRF也符合國(guó)際上磁法勘探資料處理通行的做法。目前，《找礦突破戰(zhàn)略行動(dòng)綱要(2011—2020年)》經(jīng)國(guó)務(wù)院同意，已正式下發(fā)，綱要提出“加快推進(jìn)重點(diǎn)成礦區(qū)帶基礎(chǔ)地質(zhì)調(diào)查和綜合研究工作，重點(diǎn)開(kāi)展1∶50 000 航空磁法測(cè)量，開(kāi)展1∶250 000 航空地球物理調(diào)查”、“圍繞重點(diǎn)成礦區(qū)帶，加大航磁異常查證力度”，作者建議以此為契機(jī)，盡快對(duì)已相對(duì)滯后的規(guī)范進(jìn)行修訂，使之滿足磁法勘探的切實(shí)之需，更好發(fā)揮航空磁測(cè)在找礦突破戰(zhàn)略行動(dòng)中的戰(zhàn)略性、先導(dǎo)性作用。

致謝

感謝中國(guó)國(guó)土資源航空物探遙感中心王乃東、薛典軍、段樹(shù)嶺、周堅(jiān)鑫、熊盛青、陳斌等航空磁測(cè)技術(shù)專家對(duì)作者的幫助。

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Removing the earth’s main field in processing of airborne magnetic data

LUO Yao, LUO Feng, WANG Ming, HE Hui, WANG Lin-fei

(China Aero Geophysical Survey and Remote Sensing Center for Land and Resources, Beijing 100083, China)

We can get magnetic anomalies by removing the normal magnetic field background of the earth, the normal magnetic field correction is a crucial step in airborne magnetic data processing. Based on the principle and practice, we discussed how to calculate the international geomagnetic reference field (IGRF) and how to correct the IGRF in airborne magnetic data processing. The discussions for the misunderstanding in the criterion for aeromagnetic survey should also be noted in the ground magnetic exploration.

normal magnetic field； international geomagnetic reference field； aeromagnetic survey； airborne magnetic data processing； magnetic exploration

2014-10-21改回日期：2014-11-12

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863 計(jì)劃)(2013AA063901)；中國(guó)地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目(1212011087010)

駱遙(1982-)，男，高級(jí)工程師，主要從事航空地球物理探測(cè)工作，E-mail:geophy@vip.qq.com。

1001-1749(2015)05-0552-08

P 631.2

A

10.3969/j.issn.1001-1749.2015.05.02