北京國(guó)家地球觀象臺(tái)地磁場(chǎng)長(zhǎng)期變化特征分析

張秀玲，范曉勇，周江林，龔 正

（中國(guó)地震局地球物理研究所 北京國(guó)家地球觀象臺(tái)，北京 100095）

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北京國(guó)家地球觀象臺(tái)地磁場(chǎng)長(zhǎng)期變化特征分析

張秀玲，范曉勇，周江林，龔 正

（中國(guó)地震局地球物理研究所 北京國(guó)家地球觀象臺(tái)，北京 100095）

摘要：利用北京國(guó)家地球觀象臺(tái)1957—2013 年的地磁連續(xù)觀測(cè)資料，對(duì)北京地磁場(chǎng)七個(gè)分量的均值和年變率進(jìn)行分析，總結(jié)出地磁場(chǎng)七個(gè)要素不同的變化特征。此項(xiàng)工作對(duì)了解和應(yīng)用北京地震臺(tái)地磁的資料有一定的意義。

關(guān)鍵詞：北京地磁場(chǎng)；長(zhǎng)期變化；年均值；年變率

0　引言

地磁場(chǎng)可以分為基本磁場(chǎng)和變化磁場(chǎng)兩大類(lèi)，基本磁場(chǎng)主要部分來(lái)源于地核，其隨時(shí)間的緩慢變化叫地磁場(chǎng)的長(zhǎng)期變化，地磁場(chǎng)長(zhǎng)期變化是全球性的現(xiàn)象，這種變化提供了地球內(nèi)部物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的信息。最早的、較為系統(tǒng)的長(zhǎng)期變化現(xiàn)象記錄是英國(guó)倫敦在1634 年和1580 年在同一地點(diǎn)測(cè)量磁偏角發(fā)現(xiàn)磁偏角隨時(shí)間發(fā)生變化，后來(lái)也發(fā)現(xiàn)其它地磁要素也有類(lèi)似的長(zhǎng)期變化趨勢(shì)。長(zhǎng)期變化資料的頻譜分析以及考古地磁資料的研究指出，地磁場(chǎng)的長(zhǎng)期變化可能具有58年、450年、600年、1800年、8000年和10000年等周期變化。人們常常用偶極矩強(qiáng)度的變化、地磁極移動(dòng)、非偶極磁場(chǎng)的西向漂移和長(zhǎng)期變化自身的西向漂移、磁極倒轉(zhuǎn)和急變等特征來(lái)描述主磁場(chǎng)長(zhǎng)期變化的整體特征,只有研究并充分認(rèn)識(shí)它們的規(guī)律，才能正確提取異常場(chǎng)[1]。

地磁場(chǎng)長(zhǎng)期變化的區(qū)域特征受到地球物理學(xué)界和地質(zhì)學(xué)界的極大關(guān)注,國(guó)內(nèi)外對(duì)地磁場(chǎng)長(zhǎng)期變化規(guī)律作了大量研究。徐文耀等和王覃文等分別研究了地球偶極磁場(chǎng)短期和長(zhǎng)期的變化規(guī)律[2,3],孫旭麗分別分析了長(zhǎng)春地磁臺(tái)數(shù)十年的地磁數(shù)據(jù)[4]，總結(jié)了地磁場(chǎng)長(zhǎng)期變化的區(qū)域性規(guī)律，這些研究從不同角度揭示了地磁場(chǎng)主要的變化規(guī)律,反映了地球基本磁場(chǎng)在相應(yīng)時(shí)間段的變化特征。本文利用年北京國(guó)家地球觀象臺(tái)1957—2013年的地磁觀測(cè)資料對(duì)北京地磁場(chǎng)長(zhǎng)期變化進(jìn)行分析。

1　臺(tái)站簡(jiǎn)介

北京國(guó)家地球觀象臺(tái)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)北京臺(tái)），地磁觀測(cè)位于北京市西北郊白家疃村南一九五二年選址、興建?；刭|(zhì)為洪基層，根據(jù)院內(nèi)北半部鉆探查明，奧陶系石灰?guī)r埋藏于54米以下，上部為沙土，沙礫，卵石分層覆蓋。一九五四年落成，一九五五年安裝儀器試記，一九五七年七月一日正式投入觀測(cè)，產(chǎn)出地磁觀測(cè)的第一張圖紙?，F(xiàn)有觀測(cè)室一座，半地下的連續(xù)記錄室一座，實(shí)驗(yàn)室一座，儀器觀測(cè)房三間，觀測(cè)場(chǎng)地一萬(wàn)平方米。北京地磁觀測(cè)從1957年7月1日投入正式觀測(cè)以來(lái)，保持了連續(xù)50多年的可靠記錄數(shù)據(jù)。在地震局“九五”、“首都圈示范工程”國(guó)家項(xiàng)目實(shí)施完成后，于2001年增加了數(shù)字化儀器，于2002 年1月投入記錄和觀測(cè)，為全國(guó)及世界地球物理研究提供地磁觀測(cè)數(shù)據(jù)。

2　資料的選取和方法

本文的數(shù)據(jù)資料選用北京臺(tái)1957—2013年的地磁觀測(cè)資料，1957—2008年資料采用模擬時(shí)期的觀測(cè)數(shù)據(jù)，2008年以后應(yīng)用數(shù)字化觀測(cè)數(shù)據(jù)，主要是分析地磁場(chǎng)七要素的數(shù)據(jù)，具體要素有磁場(chǎng)總強(qiáng)度（F）、水平強(qiáng)度（H）、垂直強(qiáng)度（Z），北向分量（X）、東向分量（Y）、磁偏角（D）、磁傾角（I），利用七要素的年均值和年變率分析地磁場(chǎng)的長(zhǎng)期變化。

表1　北京地震臺(tái)地磁1987—2013年年均值

3　北京地磁臺(tái)長(zhǎng)期變化的特性

研究地磁場(chǎng)的長(zhǎng)期變化就是研究?jī)?nèi)源場(chǎng)，即各種地磁要素的多年所引起的變化。本文主要對(duì)北京地磁臺(tái)1957—2004年的地磁場(chǎng)七要素進(jìn)行統(tǒng)計(jì)（表1），圖1是七要素的長(zhǎng)期變化曲線，從各自的變化趨勢(shì)來(lái)看，形態(tài)變化既有相似性，又有獨(dú)特性，以下逐一對(duì)地磁場(chǎng)的七個(gè)分量從年均值和年變率的變化進(jìn)行分析。

3.1磁偏角（D）

北京臺(tái)1957—2013年磁偏角的年均值從偏西5o40.93'到偏西6o43.80'，D增大62.87′，平均年變率增大1.10'/a。

磁偏角的變化分為五個(gè)階段：第一階段是1957—1966年增大期,年均值從5o40.93'W到5o53.83'W，10年間增大了12.70'，平均年變率為1.27'/a。第二階段是1966—1974年的平緩期，8年間磁偏角的年均值都在5o54'W左右。第三階段是1975—1986年的增大期，年均值增大9.1'。第四階段是處于1987—1994年平緩期，年均值在6o4.0W'左右。第五階段是1994—2013年的增大期,年均值逐漸偏西，增大了41.45'，年變率為2.18'/a。57年中磁偏角在逐漸偏西增加中，這反映了地球磁極在緩慢移動(dòng)中。

北京臺(tái)磁偏角呈現(xiàn)緩慢偏西的趨勢(shì)，與長(zhǎng)春地磁臺(tái)的磁偏角變化趨勢(shì)一致。

3.2磁傾角（I）

磁傾角的變化分為：第一階段：1958—1965年為下降期，年均值減小6.91'。第二階段：1966—1972年的I年均值在57o12.0'左右，比較平穩(wěn)。第三階段：1973—1999年27年間I年均值增加了0.88o,年變率增加了1.96'，磁傾角一直處在上升階段。第四階段：2000-2007年為平穩(wěn)期。第五階段上升期，2008-2013年出現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)。

1957-2013年磁傾角年均值增加68.34'，平均年變率為1.20'/a。磁傾角呈現(xiàn)緩慢上升的趨勢(shì)。

3.3地磁總強(qiáng)度（F）

地磁總場(chǎng)的變化可為：第一階段：1959—1975年的下降期，F(xiàn)年均值從55242.21nT 到54826.01nT，減少416.2nT，平均年變率為-23.1nT/a。第二階段：1976年年變率增36.5nT,年均值F值為54862.6nT達(dá)到高點(diǎn)，從1976年到1982年，F(xiàn) 的年均值逐年減少，減少了10.21nT。第三階段：1983—1999年又逐漸增強(qiáng)，17年增大354.61nT。第四階段2000—2006年年均值減少64.21nT。第五階段：2007年年均值曲線回升，數(shù)值增大。與長(zhǎng)春地磁臺(tái)總強(qiáng)度變化趨勢(shì)相同，時(shí)間比長(zhǎng)春地磁臺(tái)滯后一兩年。

1957—2013年地磁總強(qiáng)度呈現(xiàn)降低—上升—降低—上升變化趨勢(shì)。

3.4垂直分量（Z）

北京地磁場(chǎng)的垂直分量從1957年到1975年降低366.3nT,平均年變率為-19.286nT/a。1957—1975年的年變率一直是負(fù)值，1976年反轉(zhuǎn)為正值。1976—1999年均值為呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)，年均值增長(zhǎng)了727.46nT。2000—2006年年均值在下降，共減少了166.76nT。2007年后年均值每年都在增加，年變率也由負(fù)值反轉(zhuǎn)為正值，曲線呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)。

1957—2013年垂直分量的年均值增加603nT，平均年變率為10.58nT/a。垂直強(qiáng)度的變化與總強(qiáng)度變化趨勢(shì)相同。

3.5水平分量（H）

1957—2013年水平強(qiáng)度的變化分為兩個(gè)階段：

第一階段是1957—1959年H的年均值變化起伏不定，無(wú)規(guī)律，1960—1962年水平強(qiáng)度年均值共緩慢增大了53.2nT，平均年變率為8.87nT/a。

第二階段從1963—2013年水平強(qiáng)度從年均值曲線看，整體趨勢(shì)繼續(xù)下降,年均值下降772.8nT，平均年變率為-17.56nT/a。此階段水平強(qiáng)度的變化與長(zhǎng)春地磁臺(tái)的水平強(qiáng)度變化一致。

1976年、1990年、2001年和2004年年均值突然增加，同時(shí)年變率在1976年 、1990年、2001年和2006年發(fā)生四次反轉(zhuǎn)。

1958—2013年H的年均值減少920.9nT,年變率為-16.16nT/a。水平強(qiáng)度呈現(xiàn)出單調(diào)下降的趨勢(shì)。

3.6北向分量（X）

從圖1中可以看出，1958—2013年北向分量X變化趨勢(shì)和H是一致的，呈現(xiàn)單調(diào)下降趨勢(shì)。57年間年均值減少-973.5nT，平均年變率為-17.07nT/a。57年期間X年變率發(fā)生4次轉(zhuǎn)折，分別是在1960年、1976年、2001年和2006年。

3.7東向分量（Y）

1957—2013年?yáng)|向分量的變化趨勢(shì)是下降，年均值減小-434nT，年變率為-7.61nT/a，發(fā)生了4次有上升到下降的轉(zhuǎn)折，年均值高點(diǎn)分別在1968年、1973年、1987年、1994年和2006年。從年變率分析，在1969年和1992年發(fā)生的急變Y分量比較明顯。與長(zhǎng)春臺(tái)和佘山地磁臺(tái)的變化一致。

4　結(jié)論

地磁場(chǎng)長(zhǎng)期變化的時(shí)間尺度為世紀(jì)量級(jí)或更長(zhǎng)，通過(guò)對(duì)北京地磁臺(tái)57年的觀測(cè)資料進(jìn)行分析，地磁場(chǎng)各個(gè)要素顯示出一定的周期,在時(shí)間上也顯示出若干個(gè)峰值和谷值。

（1）北京地磁總場(chǎng)和垂直分量呈現(xiàn)出波峰波谷，逐漸上升逐漸減小的趨勢(shì)；

（2）北向分量、東向分量和水平分量呈現(xiàn)出單調(diào)下降的趨勢(shì)；

（3）北京地磁臺(tái)的磁偏角和磁傾角都呈現(xiàn)緩慢的上升趨勢(shì)；

（4）北京地磁臺(tái)的總強(qiáng)度、水平分量和垂直分量的強(qiáng)度和方向均呈現(xiàn)出下降轉(zhuǎn)為上升，或由上升轉(zhuǎn)為下降的變化形態(tài)；轉(zhuǎn)折的開(kāi)始時(shí)間、結(jié)束時(shí)間和回升時(shí)間均有差異。

參考文獻(xiàn)：

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

[2]徐文耀,魏自剛，夏國(guó)輝．2000年中國(guó)地區(qū)地磁場(chǎng)長(zhǎng)期變化的區(qū)域特征[J]．地球物理學(xué)報(bào)，2005.

[3]王覃文.20 世紀(jì)地磁長(zhǎng)期變化場(chǎng)分析［J］.地球物理學(xué)報(bào)，2004，47(3): 423-427．

[4]孫旭麗.長(zhǎng)春地磁臺(tái)地磁場(chǎng)長(zhǎng)期變化特征分析［J］.防災(zāi)減災(zāi)學(xué)報(bào)，2013.29(3):44-48.

ANALISYS OF GEOMAGNETIC SECULAR VARIATION IN BEIJING NATIONAL EARTH OBSERVATION

ZHANG Xiu-ling，F(xiàn)AN Xiao-yong，ZHOU Jiang-lin，GONG Zheng
（Beijing National Earth Observatory，Institute of Geophysics，China Earthquake Administration，Beijing 100095，China）

Abstract：According to the geomagnetic data recorded by Beijing National Earth observatory from 1957 to 2013,the annual mean and annual rate were analyzed,meanwhile,the changing characteristics of seven secular variations component of Beijing geomagnetic field were summarized.The results can provide valuable insight into the understanding and application of geomagnetic data measured by Beijing National observatory.

Key words:Beijing geomagnetic field ;geomagnetic secular variation;annual mean ;annual rate

作者簡(jiǎn)介：張秀玲（1968-），女，北京市人，工程師，現(xiàn)主要從事前兆觀測(cè)與數(shù)據(jù)處理工作。

收稿日期：2015-10-12

修訂日期：2015-12-07

基金項(xiàng)目：子午項(xiàng)目工程

中圖分類(lèi)號(hào)：P315.8

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.13693/j.cnki.cn21-1573.2016.01.005

文章編號(hào)：1674-8565（2016）01-0027-05