磁暴期間航磁測量數(shù)據(jù)的對比分析

房江奇， 楊金政， 蔡文軍， 祝亞荔， 倪衛(wèi)沖

(1.核工業(yè)航測遙感中心， 石家莊 050002；2.中核集團鈾資源地球物理勘查技術(shù)中心(重點實驗室)， 石家莊 050002)

0 引言

航空磁法測量是將磁法探測儀器安裝在固定翼飛機、直升機或其他飛行器上，按一定高度沿測線飛行并記錄磁場變化，以解決地質(zhì)、地球物理問題為目的的測量工作。該方法具有測量速度快、效率高，成本低，不受地域限制等優(yōu)勢，廣泛應(yīng)用于礦產(chǎn)勘查、油氣勘探、基礎(chǔ)地質(zhì)研究等領(lǐng)域(鐵、錳等礦產(chǎn)，能夠引起局部強磁異常，在磁法測量中可以被快速圈出勘查靶區(qū)[1-4])。另外，航空磁測按地表一定高度飛行測量，大大減弱了淺地表地質(zhì)體及地表磁性不均的干擾，能更清晰地反映深處的地質(zhì)情況，因而廣泛應(yīng)用于地球深部研究。

地球的磁場分為穩(wěn)定磁場和變化磁場。變化磁場起源于地球的外部，是疊加在地球基本磁場之上的各種短期變化磁場。按照起源的不同，變化磁場表現(xiàn)為兩大基本類型：①平靜變化；②干擾變化(磁擾)。平靜變化的主要成分是磁靜日變化，在中低緯度地區(qū)，日變幅平均在30 nT ～40 nT左右，在赤道地區(qū)，日變幅可達200 nT。以一天的變化來講，在不同的地區(qū)其形態(tài)變化特征均為白天變化大，而夜間比較平靜。地磁日變場是一個矢量場，在高精度航磁測量中，需對航空磁測數(shù)據(jù)進行磁日變校正。

地磁場除了每天連續(xù)出現(xiàn)的周日變化外，還會發(fā)生無規(guī)律的突然變化。采用地磁觀測設(shè)備在地面對大地磁場進行連續(xù)觀測中，短時間內(nèi)測量儀器觀測到的數(shù)nT無規(guī)律的變化稱磁擾。突然出現(xiàn)的磁擾，變化劇烈，形態(tài)復雜。十分強烈的磁擾現(xiàn)象稱為磁暴，一般在全球同時發(fā)生。通常小磁暴較多，而大磁暴較少，有相當數(shù)量的磁暴具有27天重復出現(xiàn)的特征。

依據(jù)中華人民共和國地質(zhì)礦產(chǎn)行業(yè)標準—航空磁測技術(shù)規(guī)范( DZ /T 0142-2010)(簡稱“規(guī)范”)[5]，磁暴期間不得進行航空磁測。當進行高精度航磁測量時，磁日變記錄連續(xù)出現(xiàn)梯度變化大于1 nT/min時，應(yīng)密切注意其變化；當連續(xù)出現(xiàn)梯度大于5 nT/3min的非線性變化時，應(yīng)停止飛行或事后補飛。

磁暴的發(fā)生對于任何一項磁法測量勢必會有影響，如何確定影響大小，能否用數(shù)據(jù)處理手段減小影響，引起了廣大學者的重視。徐東禮等[6]對線性和非線性磁擾情況下的航空磁測數(shù)據(jù)進行了影響分析和評價，認為在嚴重磁擾情況下的航空磁測數(shù)據(jù)，經(jīng)過磁日變校正和其他各項修正后，可獲得與磁靜日重復觀測結(jié)果基本一致的航磁△T數(shù)據(jù)。

近幾年來，核工業(yè)航測遙感中心在黑龍江省和內(nèi)蒙古自治區(qū)開展了大量的高精度航磁測量工作，并且在測量時，遇到磁暴事件發(fā)生。之后，依據(jù)“規(guī)范”要求，在磁靜日進行了重新測量。筆者利用磁暴時航磁測量的數(shù)據(jù)和非磁暴日的重復測量數(shù)據(jù)，對比分析了這些磁暴時測量的歷史航磁數(shù)據(jù)質(zhì)量，對磁暴期間航測數(shù)據(jù)的利用具有指導意義。

1 航磁數(shù)據(jù)的比較

1.1 數(shù)據(jù)的獲取

總計選取了不同作業(yè)區(qū)、不同年度6條受磁暴影響的測線(圖1)，通過對磁日變數(shù)據(jù)每3min磁場強度最大變化統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)當日有磁暴發(fā)生。對連續(xù)出現(xiàn)地磁場梯度大于5 nT/3 min的非線性變化時間段的測線數(shù)據(jù)，選擇磁靜日進行了重新測量，第二次測量時的航磁數(shù)據(jù)和磁日變數(shù)據(jù)均符合“規(guī)范”的要求。

1.2 磁暴事件下的航磁數(shù)據(jù)分析

評價航磁數(shù)據(jù)質(zhì)量需要考慮以下幾個方面：

①航磁數(shù)據(jù)的動態(tài)噪聲；②磁日變數(shù)據(jù)的噪聲；③航磁ΔT數(shù)據(jù)第一次測量和第二次測量的重現(xiàn)性。針對磁暴時間段測量的航磁數(shù)據(jù)，質(zhì)量采用兩種方法進行評價分析：①內(nèi)符合精度法;②航磁數(shù)據(jù)四階差分法計算的動態(tài)噪聲。

1.2.1 內(nèi)符合精度

內(nèi)符合精度法是一種通過第一次測量和第二次測量的數(shù)據(jù)計算重復測量精度的方法。計算一條測線兩次測量數(shù)據(jù)的內(nèi)符合精度均方誤差公式為[7-10]：

(1)

式中：n是重復線公共線段數(shù)據(jù)上的對應(yīng)點數(shù)量；δi是重復線公共線段各點測量值ΔTi與該點平均值ΔT的差。

依據(jù)航空磁測技術(shù)規(guī)范，航磁數(shù)據(jù)經(jīng)過了航磁數(shù)據(jù)和磁日變數(shù)據(jù)合并、飛行方向差校正、飛行海拔高度校正、地磁正常場校正、磁日變校正等處理。航磁測量時，航磁數(shù)據(jù)和坐標數(shù)據(jù)采樣頻率為10 Hz。在基本保持和采樣點距一致的情況下，對坐標數(shù)據(jù)和航磁ΔT數(shù)據(jù)進行線性內(nèi)插，實際內(nèi)插點距在6.5 m～6.8 m之間。之后進行了兩次測量公共線段提取及內(nèi)符合精度計算。

選取的6條測線，從圖1可以看出，測線上地磁場強度的變化各不相同。出現(xiàn)磁暴時間段，有時飛機正好位于地磁場平緩區(qū)，有時位于地磁場變化復雜區(qū)。對6條重飛測線進行統(tǒng)計，研究其變化規(guī)律。通過計算(表1)可以看出，測線上非磁暴時間段所有重復測點參與計算時，內(nèi)符合精度在0.27nT～8.65 nT之間變化，不同地磁場梯度情況下，內(nèi)符合精度各不相同。剔除磁場梯度大于100 nT/km之后計算得出的內(nèi)符合精度在0.27 nT～3.53 nT之間(計算時磁暴時間段內(nèi)的數(shù)據(jù)沒有參加統(tǒng)計)，內(nèi)符合精度明顯改善，可以看出磁場梯度變化大時，影響內(nèi)符合精度的計算結(jié)果。

圖1 航磁ΔT剖面圖Fig.1 Profile map of aeromagnetic ΔT(a)4971測線航磁ΔT剖面圖；(b)4130測線航磁ΔT剖面圖；(c)2770測線航磁ΔT剖面圖;(d)1720測線航磁ΔT剖面圖；(e)7360測線航磁ΔT剖面圖；(f)7370測線航磁ΔT剖面圖

通過分析磁暴時間段航磁ΔT數(shù)據(jù)(表2)可以看出，所有重復測點參與計算時內(nèi)符合精度在0.13 nT～8.08 nT之間變化，不同地磁場梯度情況下，內(nèi)符合精度也各不相同。剔除磁場梯度大于100 nT/km之后計算得出的內(nèi)符合精度在0.13 nT～2.78 nT之間，同樣可以明顯看出磁場梯度變化大距離為磁日變基站點距離測線最遠點的距離；ε1為非磁暴時間段所有測點參加計算的內(nèi)符合精度；ε2為剔除磁場梯度大于100 nT/km之后計算的內(nèi)符合精度，點數(shù)為磁場梯度小于100 nT/km測點數(shù)；H1為測線第一次測量的平均離地高度；H2為測線第二次測量平均離地高度；Δ1為兩次測量的航磁ΔT平均值差。

表1 測線內(nèi)符合精度表

表2 磁暴時間段內(nèi)測線內(nèi)符合精度結(jié)果表

D為磁暴時間段內(nèi)的測線長度，ε3為磁暴時間段內(nèi)的所有測點計算得出的內(nèi)符合精度；ε4為磁暴時間段內(nèi)的剔除磁場梯度大于100 nT/km之后計算的內(nèi)符合精度;ε5為磁暴時間段磁場平緩區(qū)內(nèi)測點計算的內(nèi)符合精度；Δ2為兩次測量的航磁ΔT平均值差。

時，影響航磁ΔT數(shù)據(jù)內(nèi)符合精度的計算結(jié)果。磁暴時間段內(nèi)磁場平緩區(qū)內(nèi)測點計算的內(nèi)符合精度在0.13 nT～1.08 nT之間，L1720和L2770均位于磁場變化復雜區(qū)，無法進行磁場平緩區(qū)內(nèi)測點統(tǒng)計。

表1和表2均統(tǒng)計了6條測線兩次測量ΔT的平均值差，非磁暴時間段和磁暴時間段內(nèi)兩次測量平均值變化分別在-0.85 nT～2.41 nT和-0.48 nT～2.90 nT之間。非磁暴時間段和磁暴時間段平均值差的變化(Δ1-Δ2)在-1.29 nT～0.26 nT變化，二者之間并沒有發(fā)生顯著變化。

內(nèi)符合精度的變化與磁場強度梯度的變化關(guān)系密切。以L4130為例(圖2)，內(nèi)符合精度采用分段計算的方式進行統(tǒng)計，以150個測點為一組進行滑動統(tǒng)計，內(nèi)符合精度偏大的地方，往往出現(xiàn)在磁場強度梯度變化大的區(qū)域。從圖2中可以看出，磁場變化平緩區(qū)的內(nèi)符合精度遠好于磁場變化復雜區(qū)計算的內(nèi)符合精度。

L2770磁暴時間段內(nèi)兩次測量ΔT的內(nèi)符合精度為2.70 nT(測線長12.3 km)，主要是由于測線位于磁場變化劇烈區(qū)、兩次測量位置最大偏離30 m造成的。內(nèi)符合精度采用分段計算的方法，在一定范圍之內(nèi)最差為4.50 nT，位于磁場變化復雜區(qū)；最好為0.92 nT，位于磁場變化相對平緩區(qū)(測線長6.4 km)。這說明L2770測線磁暴時間段ΔT的內(nèi)符合精度變差，并不是由于磁暴引起。

1.2.2 航磁動態(tài)噪聲

兩次測量的航磁數(shù)據(jù)進行了動態(tài)噪聲分析，采用動態(tài)噪聲水平Si值來評價每條測線航磁測量數(shù)據(jù)質(zhì)量。選取采樣間隔為0.5 s的航磁數(shù)據(jù)，并且舍掉水平梯度大于600 nT/km異常上的測點值，按式(2)計算Si值：

(2)

圖2 4130測線航磁測量結(jié)果曲線圖(資料來源：核工業(yè)航測遙感中心實測)Fig.2 Aeromagnetic survey curve of Line 4130(a)4130測線兩次測量航磁ΔT剖面圖；(b)4130測線兩次測量航磁ΔT內(nèi)符合精度曲線圖;(c)4130測線兩次測量飛行航跡偏差曲線圖；(d)4130測線兩次測量離地高度差值曲線圖;(e)4130測線兩次測量時磁日變變化曲線圖

表3列出了不同年度6條測線磁暴條件下和非磁暴條件下的航磁數(shù)據(jù)的動態(tài)噪聲水平。從表3結(jié)果可以看出，非磁暴時間段兩次測量測線統(tǒng)計動態(tài)噪聲最大差值為-0.105 7 nT；當?shù)谝淮螠y量為磁暴時間段測量，第二次測量為非磁暴時間段測量時兩次測量測線統(tǒng)計動態(tài)噪聲最大差值為0.112 47 nT。有3條測線(L1720、L2770、L7360)在有磁暴期間飛行時動態(tài)噪聲相對偏大，但也出現(xiàn)兩條測線(L4971、L7370)動態(tài)噪聲略微偏小的情況。這6條測線兩次測量航磁數(shù)據(jù)動態(tài)噪聲水平?jīng)]有明顯變化。

影響航磁數(shù)據(jù)動態(tài)噪聲的因素包括：①儀器性能；②飛行離地高度；③地下磁性體的分布特征；④磁日變特征。因此第一次測量和第二次測量的結(jié)果不會完全一致，每條測線的航磁數(shù)據(jù)動態(tài)噪聲也不相同。

2 非磁暴條件下測量的數(shù)據(jù)的比較

為了和磁暴時間段內(nèi)測量的數(shù)據(jù)精度進行對比，同樣對均為非磁暴日的兩次測量進行了內(nèi)符合精度分析和計算。抽選了2011年-2015年不同作業(yè)區(qū)的6條測線進行分析(表4)，由表4可以看出，所有重復測點參加計算時，內(nèi)符合精度可在1.17 nT～8.48 nT之間變化，剔除磁場梯度大于100 nT/km之后的測點計算得出的內(nèi)符合精度在0.87 nT～2.83 nT之間，磁場梯度變化大時，影響內(nèi)符合精度的計算結(jié)果。采用磁場變化平緩區(qū)測點參加計算得出的兩次測量ΔT內(nèi)符合精度變化在0.41 nT～0.99 nT之間。采用平緩區(qū)測點進行數(shù)據(jù)質(zhì)量評價，反映了設(shè)備的儀器狀態(tài)、性能指標和當時的地磁環(huán)境。

表3 重復線測量航磁數(shù)據(jù)動態(tài)噪聲統(tǒng)計表

Si1、Si3為第一次測量原始航磁數(shù)據(jù)動態(tài)噪聲；Si2、Si4第二次測量原始航磁數(shù)據(jù)動態(tài)噪聲；Si1-Si2和Si3-Si4均為兩次測量動態(tài)噪聲的差值

表4 非磁暴條件下重復線測量航磁ΔT內(nèi)符合精度表

D指磁日變基站點距離測線最遠點的距離；ε1為所有測點計算得出的內(nèi)符合精度；ε2為剔除磁場梯度大于100 nT/km之后計算得出的內(nèi)符合精度；ε3為磁場變化平緩區(qū)測點參加計算得出的內(nèi)符合精度；H1為第一次測量時的平均離地高度；H2為第二次測量時的平均離地高度

3 磁日變數(shù)據(jù)對比分析

牡丹江和佳木斯磁日變基站相距258 km，2011年6月10日至10月8日期間，在牡丹江和佳木斯兩地開展了多次磁日變測量，磁日變數(shù)據(jù)變化規(guī)律基本一致。但隨著測量時間的變化，二者之間的變化量略有差異。

以2011年牡丹江和佳木斯兩地磁日變基站測量結(jié)果為例(圖3)，7月19日06時19分03秒開始測量，15時50分00秒結(jié)束測量，從測量結(jié)果來看，磁日變數(shù)據(jù)每3 min的最大變化小于3 nT，兩地磁日變數(shù)據(jù)的變化量在-4.25 nT～4.67 nT之間。對這個時間段內(nèi)兩地的磁場強度進行相關(guān)性分析，相關(guān)系數(shù)為0.982 8。

9月13日07時45分34秒開始測量，12時21分58秒結(jié)束測量，從測量結(jié)果來看，兩地磁日變數(shù)據(jù)的變化量在-2.02nT～3.82 nT之間，最大變化達5.84 nT。對這個時間段內(nèi)兩地的磁場強度進行相關(guān)性分析，相關(guān)系數(shù)為0.985 6。磁日變數(shù)據(jù)在11時39分44秒～11時42分42秒、12時05分16秒～12時06分08秒、12時07分51秒～12時09分36秒時間段每3 min磁場強度的最大變化大于5 nT，分別為7.27 nT、5.27 nT、5.91 nT，出現(xiàn)磁暴事件，但兩地觀測的磁日變數(shù)據(jù)的變化量并不大，分別為1.12 nT、1.43 nT、2.02 nT，均在正常變化范圍內(nèi)。對磁暴時間段內(nèi)兩地的磁場強度進行相關(guān)性分析，相關(guān)系數(shù)為0.997 9。由圖3(b)可以看出，當日發(fā)生磁暴時，兩地磁日變數(shù)據(jù)(磁場強度)的變化量并沒有增大。

因此，在一定距離范圍內(nèi)，磁日變基站選擇合適，兩地磁日變數(shù)據(jù)具有相同的變化規(guī)律，這也說明當磁暴發(fā)生時，通過磁日變校正可以消除由于磁場日變化對測量結(jié)果造成的影響。

圖3 佳木斯和牡丹江磁日變觀測站測量的磁日變數(shù)據(jù)對比圖(資料來源：核工業(yè)航測遙感中心實測)Fig.3 Magnetic diurnal data comparison diagram of Jiamusi and Mudanjang base station(a)2011年7月19日測量的磁日變曲線及差值圖;(b)2011年9月13日測量的磁日變曲線及差值圖

4 重復線測量結(jié)果影響因素分析

影響因素主要包括以下幾個方面：

1)地形影響。兼顧航空放射性測量的航磁測量，采取沿地形起伏飛行，飛行離地高度通常在120 m左右。起伏飛行對磁異常測量結(jié)果影響明顯，其影響程度和起伏高差有很強的相關(guān)性[11]。

2)磁場變化劇烈程度。磁場梯度變化大的區(qū)域重復性相對較差，在此區(qū)域開展重復性對比，會低估儀器的重復測量精度。

3)磁日變數(shù)據(jù)。選擇合適的磁日變觀測基站，并且基站到測區(qū)的距離盡可能近。詹志佳等[12]認為,地磁總強度日變化的日變輻、形態(tài)與頻譜，在100 km～200 km的局部范圍內(nèi)基本相同，但在500 km大范圍內(nèi)則不同，在25°～40°緯度范圍內(nèi)，地磁總強度日變幅的緯度因子約1 nT/°～2 nT/°。雖然磁暴的產(chǎn)生是全球性的，具有同步性，受經(jīng)度差影響小，但受緯度差影響較大。地磁日變幅隨磁日變基站所處緯度的增加而增加，同緯度的磁日變站記錄的磁日變數(shù)據(jù)形態(tài)具有相近的變化規(guī)律[13-15]。牡丹江和佳木斯磁日變基站實測數(shù)據(jù)表明，在基站相距258 km時，磁日變數(shù)據(jù)變化規(guī)律是基本一致的。

4)離地飛行高度不同產(chǎn)生的影響。兩次測量結(jié)果對比時,宜選取離地飛行高度接近的測線。

5)飛行航跡不一致產(chǎn)生的影響。兩次測量結(jié)果對比宜選取飛行航跡接近的測線。

6)儀器性能。

7)磁補償參數(shù)。

在實際工作中，磁場變化劇烈程度、離地飛行高度和飛行航跡是影響兩次測量的數(shù)據(jù)存在差異的主要原因。在排出上述影響后，兩次測量ΔT內(nèi)符合精度較大時，應(yīng)查明由什么原因引起。

5 結(jié)論

同一臺設(shè)備，在磁暴事件下測量的航磁數(shù)據(jù)，經(jīng)過磁日變校正、正常場校正、飛行高度校正等各項修正后，可獲得與在非磁暴日重復觀測基本一致的結(jié)果，平緩磁場區(qū)兩次測量結(jié)果對比好于磁場變化復雜地區(qū)，這與非磁暴條件下兩次測量的數(shù)據(jù)變化規(guī)律相同。

磁場變化復雜地區(qū)，測線兩次測量ΔT內(nèi)符合計算精度變化較大，不能真實反映數(shù)據(jù)的測量質(zhì)量和儀器性能。平緩磁場區(qū)磁暴時間段內(nèi)測點計算的內(nèi)符合精度在1 nT左右。

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