海洋磁力數(shù)據(jù)地磁日變時差校正的局部極值比對法

劉 賓, 王景強 , 張振波, 周章國 宋德龍 付永濤

(1. 中海石油(中國)有限公司深圳分公司, 廣東 深圳 518067； 2. 中國科學院海洋研究所 海洋地質與環(huán)境重點實驗室, 山東 青島266071； 3. 國家海洋局第一海洋研究所, 山東 青島 266061)

目前在海洋地磁測量中, 伴隨著海洋磁力儀的精度可達0.2 nT甚至0.1 nT[1-2], 定位儀精度在1～3 m乃至小于 1 m[3-4], 利用導航軟件可以操控船只航跡的偏移距小于20 m(如Hypack Max 海洋導航定位軟件)[5], 通過船磁方位實驗來精確檢驗磁力儀拖魚的拖拽長度[6-7], 計算出磁力儀拖魚的可靠位置[8-9],從而上述因素導致的誤差均可控制在國家和各行業(yè)的相關規(guī)范規(guī)定的誤差值內。由于《海洋調查規(guī)范——海洋地質與地球物理調查GB/T 12763.8-2007》(下稱“規(guī)范”)要求海洋磁力測網測量準確度為2 nT或4 nT[10], 而地磁日變的產生的干擾可高達數(shù)十乃至上百 nT[11], 因此地磁日變校正的正確與否是目前海洋磁力測量的最主要誤差來源。

為了解決這一問題, 海洋地磁測量實施時, 通常在靠近測區(qū)的同緯度地區(qū)布設陸地地磁日變觀測站(規(guī)范要求臺站與海測區(qū)相距小于 300 km), 利用日變觀測數(shù)據(jù)對海上測量數(shù)據(jù)進行校正, 來減弱日變對海測數(shù)據(jù)的影響[12-14]。除陸地地磁臺站外, 海底地磁觀測站也是一種用來記錄地磁日變的方法。由于目前海底觀測站不能完全適應深水區(qū)海洋磁力調查任務, 例如加拿大Marine Magnetic 公司的SENTINEL海底地磁日變觀測站, 僅適用于工作水深小于1 000 m的海域(據(jù)該公司海底觀測站資料)[15]。因此在遠離陸地的大洋區(qū)域進行磁力調查時, 仍然需要采用各種技術手段來盡可能地對地磁數(shù)據(jù)進行可靠的校正[13],包括地磁場基準值計算[16]、布設多臺站及國際臺站資料的應用、地磁日變校正的時差計算等[14,17]。

參考目前多臺站地磁日變校正時差計算的經度差法[18-20]、同步比對法[21]、相關分析法[22-24]和小波分析法[25]等方法, 將海洋磁力測量點和陸地地磁臺站比作兩個地磁臺站, 可以直接讀取兩磁力曲線極值之間的時差, 作為實測海洋磁力數(shù)據(jù)與陸地地磁數(shù)據(jù)的日變校正時差。這種方法快捷, 時差計算結果精度高, 可以提高海洋地磁資料整理的效率。

本文將這個方法稱為地磁日變時差校正的局部極值比對法, 并在下文做詳細的介紹。

1 地磁日變時差校正的原理

地磁場隨時間有緩慢的長期變化, 具有全球性的統(tǒng)一特征, 一般認為是來源于地核內部或核幔邊界[26], 可以采用每五年發(fā)布的國際地磁參考場來擬合這種長期變化。地磁場還有短期的變化磁場, 主要來源于太陽活動的粒子輻射和光輻射： 太陽的等離子體與地球地磁場相互作用會產生各種偶爾發(fā)生的干擾變化, 如太陽擾日變化、磁暴場、地磁脈動等；而太陽光線照射到當?shù)馗呖沾髿鈺r, 紫外輻射使高空大氣電離, 這種電離大氣在電磁場中運動產生附加的磁場, 是一種平靜的變化, 在時間上有連續(xù)存在的周期性變化, 與當?shù)氐牡胤綍r有關[26]。

由于太陽輻射的影響, 地磁日變存在時空變化,海上磁測點和陸地臺站地磁日變化存在幅值差和相位差[27-28], 其中幅值差可以通過控制陸地臺站與海洋磁測區(qū)的距離進行消除, 相位差的消除則需要對海上磁力數(shù)據(jù)進行地磁日變時差改正[17,20,29]。在同一緯度的不同經度的海上作業(yè)區(qū)和陸地地磁臺站具有相似的地磁日變, 理論上, 兩個地區(qū)的地磁日變時差也就是兩地的經度時差。這是各種規(guī)范和實際工作中設立地磁日變站技術要求的理論基礎, 例如《海洋磁力測量要求》[30]認為在地磁日變站有效控制范圍內, 地磁日變的幅值和相位一致。“規(guī)范”要求在臺站的地磁日變觀測中, 需要注意偶發(fā)的干擾變化, 干擾時間較長時及時通知海上停止測量, 并進行補測。

2 地磁日變時差校正的局部極值比對法

通過陸地臺站和陸海臺站之間的地磁日變數(shù)據(jù)的同步對比分析, 可以清晰對比臺站地磁日變曲線的極值來獲得準確的地磁日變時差[17,20-21]。與此同時, 該方法在陸地臺站和海洋臺站的分析表明, 海洋臺站地磁數(shù)據(jù)的變化在幅值上可以達到陸地臺站變化的兩倍, 并且日變曲線極值具有明顯的相位移動[20]。另外, 還可以采用相關性分析法及小波分析法對兩個臺站的地磁數(shù)據(jù)進行地磁日變時差的計算。實際觀測數(shù)據(jù)和分析結果都顯示, 同步分析法和相關性分析法獲得的地磁日變時差可以大幅度消減由經度差計算的地磁日變時差的誤差。

在遠離陸地臺站或大范圍的海洋磁力測量中,需盡可能準確地獲得海測工區(qū)與臺站之間的地磁日變的時差, 以便可靠地進行地磁日變的校正。上述針對不同臺站數(shù)據(jù)時差的計算方法是否能夠解決海洋磁力數(shù)據(jù)與陸地地磁日變數(shù)據(jù)之間的時差計算問題,需要進行驗證。

在進行南海北部深水區(qū)磁力資料(圖 1、圖 2和圖 4)整理時, 作者注意到海洋磁力數(shù)據(jù)和陸地地磁日變曲線中的局部極值類似于兩個臺站之間地磁日變曲線的極值?？梢圆捎妙愃婆_站之間地磁日變曲線極值的同步比對法來進行處理, 準確且快捷的獲得陸地臺站地磁日變與海區(qū)磁力日變的時差。實際上, 在有限的幾分鐘或十幾分鐘的船只航行時間內,海洋磁力數(shù)據(jù)可以比擬為一個面積較大的海洋地磁日變觀測站, 并利用這些局部時間段的磁力數(shù)據(jù)極值來計算地磁日變的時差。為了與臺站之間地磁日變時差的同步比對法區(qū)別, 本文將利用臺站和海洋磁力數(shù)據(jù)之間局部極值的比對來計算時差的方法稱為局部極值比對法。

3 局部極值比對法的應用效果

圖1為南海北部深水區(qū)海洋磁力測量和陸地地磁日變觀測站示意圖。海洋磁力測線采用SeaSPY海洋磁力儀進行測量, 陸地地磁臺站采用WCZ系列質子磁力儀進行觀測。左下方梯形圖框為2011年磁力測量區(qū)域, 直線為測線 2011； 右側方形圖框為 2013年磁力測量區(qū)域, 直線為測線2013。測線2011對應海南崖城陸地地磁臺站, 測線2013對應海南會文陸地地磁臺站。其中, 測線2011離崖城臺站134～187.8 km,測線水深 183～1 080 m； 測線 2013距離會文臺站655.2～591.9 km, 測線水深 1 442～3 800 m。在海洋磁力測網資料整理時, 作者分別采用經度差法和局部極值比對法計算了海洋磁力數(shù)據(jù)地磁日變時差, 對于沒有明顯極值變化的測線, 則采用地磁日變時差的平均值。

3.1 利用局部極值比對法進行測線2013地磁日變時差改正

對2013年完成的南海北部海洋磁力測網中的測線2013進行了地磁日變時差改正處理, 圖2a是利用經度差法進行海洋磁力數(shù)據(jù)與陸地地磁日變校正值對應情況, 圖2b是利用局部極值法進行海洋磁力數(shù)據(jù)與陸地地磁日變校正值對應情況。

圖2a中, 實線為海測磁力原始數(shù)據(jù), 虛線為經過海磁測點和臺站之間經度的時差校正后的陸地地磁日變校正值。可以從圖 2a中得到, 經度差法計算時差效果并不理想, 海洋磁力數(shù)據(jù)與陸地地磁觀測數(shù)據(jù)曲線有明顯的錯位。選取海測磁力數(shù)據(jù)與陸地地磁日變數(shù)據(jù)的波峰、波谷作為局部極值點, 如A1與 B1、A2與 B2、A3與 B3。表 1為測線 2013數(shù)據(jù)極值點與會文臺站數(shù)據(jù)極值點時差表。其中 A1與B1、A2與B2、A3與B3的時差分別為1 025 s、1 030 s、1 020 s。經計算求取平均值, 時差平均值為 1 025 s(即ΔT), 也就是時間地磁日變數(shù)據(jù)向后延遲錯位了1 025 s。

圖1 測線2011, 2013及海南陸地地磁臺站位置分布Fig. 1 The distribution of line 2011, line 2013 and Hainan geomagnetic stations

圖2 測線2013海洋磁力測量值時差校正Fig. 2 Geomagnetic diurnal variation correction for Line 2013

表1 測線2013數(shù)據(jù)極值點與會文臺站數(shù)據(jù)極值點時差表Tab.1 The time differences between extremes of line 2013 and geomagnetic diurnal variation data

根據(jù)表 1的地磁時差值對海洋磁力數(shù)據(jù)和地磁日變數(shù)據(jù)進行了重新處理。圖2b中, 實曲線為海測磁力原始數(shù)據(jù), 虛曲線為經過局部極值比對法校正后的陸地地磁日變校正值。通過提前1 025 s重新匹配陸地地磁日變校正值與海洋實測磁力數(shù)據(jù), 發(fā)現(xiàn)海測磁力數(shù)據(jù)與陸地地磁日變校正值(A1與B1、A2與B2、A3與B3)之間的錯位現(xiàn)象消除。經過計算, 局部極值間(A1～A3)的數(shù)據(jù)相關系數(shù)由 0.16變?yōu)?0.98,改正效果明顯提高。

采用該方法對2013年南海北部磁力測網進行了地磁日變校正, 對有明顯極值變化的測線進行了時間差計算。經計算, 上述測線時間差均約為1 025 s,故對測網中其余測線也同樣應用了1 025 s的時間差進行改正。對比經過經度差法時差校正后交點差準確度為4.94 nT, 而局部極值法時間差校正后交點差準確度為 2.15 nT, 準確度有很大的提高。通過方向性誤差校正和測網平差校正, ΔT地磁異常交點差最大值7.88 nT, 最小值-6.48 nT, 區(qū)間值14.36 nT, 均值0.076 nT, 測網準確度0.77 nT, 符合規(guī)范2 nT或4 nT的準確度技術要求。

3.2 利用局部極值比對法進行測線2011地磁日變時差改正

圖3 測線2011海洋磁力測量值時差校正Fig. 3 Geomagnetic diurnal variation corrections for Line 2013

對2011年完成的南海北部海洋磁力測網中的測線2011進行了地磁日變時差改正處理。圖3a是利用經度差法進行海洋磁力數(shù)據(jù)與陸地地磁日變校正值對應情況, 圖3b是利用局部極值法進行海洋磁力數(shù)據(jù)與陸地地磁日變校正值對應情況。圖 3a中, 實曲線為海測磁力原始數(shù)據(jù), 虛曲線為經過海磁測點和臺站之間經度的時差校正后的陸地地磁日變校正值?？梢詮膱D 3a中得到, 經度差法計算時差效果并不理想, 海洋磁力數(shù)據(jù)與陸地地磁觀測數(shù)據(jù)曲線有明顯的錯位。選取海測磁力數(shù)據(jù)與陸地地磁日變數(shù)據(jù)的波峰、波谷(C1和D1、C2和D2)作為局部極值點。表2為測線2011數(shù)據(jù)極值點與崖城臺站數(shù)據(jù)極值點時差表。經計算局部極值(C1和D1、C2和D2)之間存在著2 365 s的時間錯位現(xiàn)象。

表2 測線2011數(shù)據(jù)極值點與崖城臺站數(shù)據(jù)極值點時差表Tab.2 The time differences between extremes of line 2011 and geomagnetic diurnal variation data

根據(jù)表 2的時差值對海洋磁力數(shù)據(jù)和地磁日變數(shù)據(jù)進行了重新處理。圖3b中, 實曲線為海測磁力原始數(shù)據(jù), 虛曲線為經過局部極值比對法時差校正后的陸地地磁日變校正值。通過提前2 365 s重新匹配陸地地磁日變校正值與海洋實測磁力數(shù)據(jù), 發(fā)現(xiàn)海測磁力數(shù)據(jù)與陸地地磁日變校正值(C1和D1、C2和 D2)之間的錯位現(xiàn)象消除。經計算, 局部極值間(C1～D2)的數(shù)據(jù)相關系數(shù)由0.15變?yōu)?.92。

采用該方法對2011年南海北部磁力測網進行了地磁日變校正, 對有明顯極值變化的測線進行了時間差計算。經計算, 這些測線時間差均約為2 365 s,故對測網中其余測線也同樣應用了2 365 s的時間差進行改正。對比經過經度差法校正時差后交點差準確度為6.33 nT, 而局部極值法時間差校正后交點差準確度為 4.64 nT, 準確度有所提高。再通過方向性誤差校正和測網平差, ΔT地磁異常交點差最大值0.03 nT, 最小值-0.57 nT, 區(qū)間值0.6 nT, 均值-0.02 nT,測網準確度0.07 nT, 符合規(guī)范2 nT或4 nT的準確度技術要求。

與此同時, 作者注意到雖然海洋磁力測量工區(qū)與陸地臺站僅間隔不到200 km, 但在圖3b中仍然存在約 2倍的幅值差, 必須通過人工干預才能盡可能的消除, 否則會產生明顯錯誤的假的高異常。

4 討論

與陸地磁力測量相較, 海洋磁力測量受多種因素影響, 具有復雜性, 地磁日變時空變化更明顯。因此需要盡可能設立距離海磁測點相近的陸地地磁日變觀測站和海底地磁日變觀測站, 來準確地消除海洋磁力數(shù)據(jù)與臺站數(shù)據(jù)之間的地磁日變時差和幅值差[12-14,17,20-21,27-28]。多臺站的同步比對法和相關分析法被應用于范圍較大或離岸較遠的海洋磁力測量中, 取得了較好的效果[17,20-21]。然而在一些實際工作中, 無法設立海底地磁日變站, 或者海磁測量區(qū)域離陸地臺站比較遠, 因此不能應用上述兩種方法。

根據(jù)海洋磁力數(shù)據(jù)和陸地地磁日變數(shù)據(jù)之間存在的對應關系, 本文提出可以將某一個時間段內的海洋磁力測量比擬為范圍相對較大的海洋臺站, 并將該時間段內的局部極值與陸地臺站極值直接進行同步對比。從實際測線看, 采用局部極值比對法獲得了良好的效果, 磁力測網的準確度0.77 nT和0.07 nT也符合規(guī)范的技術要求。上述測線或測網采用統(tǒng)一的時差進行校正, 是基于測量區(qū)域較小的情況。建議在測量區(qū)域范圍較大時, 考慮不同的測線段用不同時差進行校正, 提高局部極值法的靈活度, 使得測量值與日變值在各段都可以達到最大相關。

測線 2013和 2011地磁日變時間數(shù)據(jù)分別向后延遲錯位了1 025 s和2 365 s, 而海洋測線2013與陸地地磁日變站的距離大于590 km, 測線2011與陸地地磁日變站的距離大于 130 km, 還沒有定量確定經度差與時間差的關系, 需要在今后工作中結合更多的數(shù)據(jù)進行分析, 以便將這種定量關系與局部極值法結合運用到以后的數(shù)據(jù)處理工作中。

與此同時, 圖3b顯示即便是海測工區(qū)與陸地臺站距離小于 200 km, 但磁力數(shù)據(jù)與陸地地磁數(shù)據(jù)之間不僅存在著時間差(即相位差), 還存在明顯的幅值差。其中相位差可以采用上述局部極值比對法來進行消除； 而幅值差的消除不僅需要盡可能設立相近的陸地地磁日變觀測站, 還需要進行人機交互處理, 即對明顯存在幅值差的海洋磁力數(shù)據(jù)進行人工干涉。

通過實測數(shù)據(jù)來看, 雖然在國家規(guī)范和行業(yè)規(guī)范中, 僅《海洋磁力測量要求》規(guī)定在測區(qū)附近地磁日變站控制范圍內[30], 認為地磁日變化的幅值和相位一致, 但對于在近岸的幾百公里范圍內的海洋磁力數(shù)據(jù), 作者建議也進行地磁日變時差和幅值的校正。

5 結論

相似于臺站之間地磁日變曲線極值的比對法,將海洋磁力測線中的局部擾動的極值比擬為設立在海區(qū)的一個臺站的地磁日變曲線的極值, 與陸地地磁日變化站的數(shù)據(jù)進行比對, 可以準確且快捷的獲得實測磁力測線與陸地臺站之間的地磁日變時差。采用這個辦法, 對南海北部深水區(qū)磁力測線進行了地磁日變校正, 獲得了良好的效果, 改正測線的相關系數(shù)為 0.98和 0.92, 測網準確度符合規(guī)范要求。實踐證明本方法是簡便且可靠的。

在遠離陸地或無法投放海底地磁日變站的海洋磁力測量中, 建議考慮采用局部極值比對法來對地磁日變時差進行可靠的校正。

致謝：感謝賈連凱、李秀敏等在繪制圖片方面給予的幫助。

[1] 裴彥良, 梁瑞才, 劉晨光, 等. 海洋磁力儀的原理與技術指標對比分析[J]. 海洋科學, 2005, 29(12)： 4-8.

[2] Bian Gang, Liu Yanchun, Yu Bo, et al. Research on the testing methods of instrumental system in the marine magnetic survey [J]. Marine Science Bulletin, 2007,9(2)： 1-11.

[3] Gracias N R, Van Der Zwaan S, Bernardino A, et al.Mosaic-based navigation for autonomous underwater vehicles[J]. Oceanic Engineering, IEEE Journal of,2003, 28(4)： 609-624.

[4] 陽凡林, 康志忠, 獨知行, 等. 海洋導航定位技術及其應用與展望[J]. 海洋測繪, 2006, 26(1)： 71-74.

[5] Coastal Oceanographical Corp. HYPACK MAX User Manual [R]. Middletown： Coastal Oceanographical Corp, 2002.

[6] 高金耀, 翟國君, 劉強, 等. 減弱船磁效應對海洋地磁測量精度影響的方法研究[J]. 海洋測繪, 2008,28(3)： 1-5.

[7] 卞光浪, 翟國君, 劉雁春, 等. 海洋磁力梯度測量中船磁影響的精確校正方法[J]. 海洋技術, 2010, 29(2)：81-84.

[8] 邊剛, 劉雁春, 翟國君, 等. 海洋磁力測量拖魚位置概算[J]. 測繪通報, 2004, 24(8)： 9-11.

[9] 張向宇, 張錫林. 海洋探測拖魚水平位置改正方法研究[J]. 測繪與空間地理信息, 2013, 36(7)： 50-53.

[10] GB/T12763.8. 海洋調查規(guī)范-第 8部分： 海洋地質地球物理調查[S].

[11] 邊剛, 劉雁春, 于波, 等. 海洋磁力測量中一種磁擾日地磁日變的改正方法[J]. 測繪科學, 2007, 32(5)：23-24.

[12] 姚俊杰, 孫毅, 趙宏杰.地磁日變觀測數(shù)據(jù)理論分析[J]. 海洋測繪, 2002, 22(6)： 8-10.

[13] 劉保華, 劉晨光, 裴彥良, 等. 大洋調查中海山地磁測量的靜日變化校正方法[J]. 海洋學報, 2008, 30(6)：94-98.

[14] 高金耀, 劉強, 翟國君, 等.與海洋地磁日變校正有關的長期變化和磁擾的處理[J]. 海洋學報, 2009, 4：87-92.

[15] 邊剛, 劉雁春, 翟國君. 一種確定地磁日變校正基值的方法[J]. 海洋測繪, 2003, 23(5)： 9-11.

[16] 張亞彪, 張子良, 于波, 等.海洋磁力測量地磁日變校正中的時差計算方法[J]. 海洋測繪, 2013, 33(4)：19-22.

[17] 徐行, 廖開訓, 盛堰. 海底地磁日變觀測站的設計與應用[J]. 海洋測繪, 2005, 25(1)： 67-69.

[18] Parkinson W D, Jones F W. The geomagnetic coast effect [J]. Reviews of Geophysics, 1979, 17(8)：1999-2015.

[19] Auld D R, Law L K, Currie R G. Cross-over error and reference station location for a marine magnetic survey[J]. Marine Geophysical Researches, 1979, 4(2)：167-179.

[20] 王磊, 邊剛, 任來平, 等.時差對海洋磁力測量地磁日變校正的影響分析[J]. 海洋測繪, 2011, 31(6)：39-41.

[21] 姚俊杰, 孫毅, 劉國斌, 等.地磁日變數(shù)據(jù)時間同步相關系數(shù)分析[J]. 海洋測繪, 2005, 25(6)： 15-17.

[22] Marcotte D I, Hardwick C D, Nelson J B. Auto-mated interpretation of horizontal magnetic gradient profile data[J]. Geophysical Reserach, 1992, 85： 3670-3680.

[23] 劉哲.用地磁場總強度空間線性相關方法對遼寧省內及周圍地區(qū)幾次中強地震的預報總結[J]. 東北地震研究, 2002, 18(2)： 46-50.

[24] Vallée M A, Smith R, Dumont R. Correcting magnetic temporal variations with a base station[C]//Society of Exploration Geophysicists. SEG Technical Program Expanded Abstracts. USA： Society of Exploration Geophysicists, 2003： 608-611.

[25] 邢西淳, 邵輝成, 毛娟, 等. 小波變換在地磁數(shù)據(jù)分析中的應用[J]. 地震地磁觀測與研究, 2005, 26(2)： 38-42.

[26] 傅承義, 陳運泰, 祁貴仲. 地球物理學基礎[M]. 北京： 科學出版社, 1985.

[27] Riddihough R P. Diurnal corrections to magnetic surveys-an assessment of errors [J]. Geophysical Prospecting, 1971, 19(4)： 551-567.

[28] 祁貴仲. 局部地區(qū)地磁日變分析方法及中國地區(qū)S_q場的經度效應[J]. 地球物理學報, 1975, 18(2)： 104-117.

[29] 姚俊杰, 暴景陽, 孫毅, 等. 地磁日變數(shù)據(jù)幅值關系分析與應用[J]. 海洋測繪, 2006, 26(6)： 6-9.

[30] GJB 7537-2012. 海洋磁力測量要求[S].