淺析井下地磁場觀測長短周期變化特征

王莉森，殷金平,邊鵬飛，牛 露

(1.河北省地震局,河北 石家莊 050021; 2.贛州市地震局，江西 贛州 341000)

對地球地磁場觀測是地球物理觀測的重要組成部分之一。隨著地磁場模型的精細(xì)化應(yīng)用需求，抑制或減小地磁干擾，提高信噪比，獲得更加精準(zhǔn)的觀測數(shù)據(jù)成為了地磁場觀測研究的重要課題。與地面觀測相比較，井下觀測能提高觀測精度1-2個(gè)數(shù)量級(jí)(徐紀(jì)人，2006)。在河北唐山灤縣開展的地磁場井下觀測時(shí)間已累計(jì)5年，根據(jù)期間儀器運(yùn)行穩(wěn)定性、磁靜擾日變化形態(tài)、數(shù)據(jù)觀測精度(背景噪聲)等指標(biāo)評(píng)估結(jié)果，認(rèn)為灤縣地磁場井下觀測系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，其觀測數(shù)據(jù)精度優(yōu)于國家地磁臺(tái)網(wǎng)中心發(fā)布的精度指標(biāo)，其觀測數(shù)據(jù)可用于地球物理地磁場信息的研究(王莉森，2017)。但由于該系統(tǒng)未配備絕對觀測儀器校準(zhǔn)，其相對記錄數(shù)據(jù)受到設(shè)備周圍巖質(zhì)磁化以及地下觀測環(huán)境不確定性的影響，針對深井觀測地磁場特征是否與地表觀測地磁場長、短周期變化大體一致是值得研究的。繼續(xù)開展長時(shí)期井下觀測會(huì)遇到哪些問題也是值得研究的。一般認(rèn)為，小區(qū)域內(nèi)地磁場變化是一致性的，以灤縣2013-2018年累計(jì)5年的井下地磁場觀測數(shù)據(jù)為研究對象，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理分析其地磁場變化，將其與鄰近昌黎后土橋地磁臺(tái)、大連地磁臺(tái)2個(gè)站點(diǎn)地磁場的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行一致性分析，討論深井觀測地磁場觀測數(shù)據(jù)的長、短周期變化之間的一致性。

灤縣磁通門觀測井位于唐山斷裂以西22.4 km，唐山斷裂在唐山地震之前就處于緩慢的蠕動(dòng)狀態(tài)，為一條發(fā)震斷裂，它孕育了1976年7月28日唐山7.8級(jí)地震。灤縣磁通門觀測井深300 m，地磁傳感器位于井下280 m處，觀測量為地磁水平方向的東西X分量、南北Y分量及垂直Z分量。灤縣磁通門觀測系統(tǒng)使用英國Bartington的MAG-03MC型地磁傳感器，采用48 V直流供電電源與24 bits低噪聲數(shù)據(jù)采集器，將其與井下傳感器的連接，組成一個(gè)井下地磁觀測系統(tǒng)。對灤縣地磁場井下觀測點(diǎn)地磁場長、短周期變化與其周圍臺(tái)站觀測地磁場變化的一致性進(jìn)行分析。

1 變化一致性分析

1.1 長周期變化

對于地球磁場變化的研究表明，在一個(gè)不大的空間范圍內(nèi)基本磁場和磁場分布是均勻的，變化也基本同步，即在空間內(nèi)各處的變化是相關(guān)的，至少在 1 000～200 km范圍內(nèi)如此(張秀霞，2008)。以唐山灤縣深井觀測點(diǎn)同緯度區(qū)內(nèi)相鄰的有昌黎后土橋地磁臺(tái)和大連2個(gè)絕對地磁觀測站點(diǎn)，將這兩個(gè)地磁觀測臺(tái)觀測數(shù)據(jù)作為變化一致性分析的地磁觀測參考站點(diǎn)，選取2013年5月-2018年3月近似5年地磁絕對觀測日均值(磁通門加絕對觀測數(shù)據(jù))，進(jìn)行多站點(diǎn)間長周期和短周期趨勢變化一致性分析。根據(jù)地磁場7要素轉(zhuǎn)換關(guān)系，應(yīng)用下面3個(gè)公式:X=H*cos(D);Y=H*sin(D)和H=F*cos(I)來計(jì)算2個(gè)參考點(diǎn)5年北向分量X、東向分量Y、垂直分量Z的日均值絕對數(shù)據(jù)，同時(shí)計(jì)算灤縣深井觀測相應(yīng)時(shí)段日均值數(shù)據(jù)，在檢驗(yàn)數(shù)據(jù)預(yù)處理完整性后繪制3個(gè)站點(diǎn)長周期數(shù)據(jù)變化曲線研究其變化特征(參見圖1)。圖1顯示，昌黎、大連、灤縣3個(gè)站點(diǎn)長周期數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)曲線變化形態(tài)一致，其中北向分量X、東向分量Y均呈趨勢下降的態(tài)勢，因?yàn)闉纯h與昌黎臺(tái)地理位置相近，幅度受地球內(nèi)部、外太空磁場影響一致性較強(qiáng)，所以觀測數(shù)據(jù)變化一致性較強(qiáng)；3個(gè)站點(diǎn)垂直分量Z呈上升的態(tài)勢，灤縣深井觀測地磁場變化與昌黎和大連參考站點(diǎn)變化趨勢一致。將昌黎后土橋、大連臺(tái)作為地磁絕對觀測站觀測數(shù)據(jù)參考點(diǎn)，經(jīng)絕對觀測校準(zhǔn)的地磁場觀測數(shù)據(jù)已消除了儀器零點(diǎn)漂移與量程漂移，深井磁通門觀測數(shù)據(jù)長周期變化趨勢與2個(gè)參考站點(diǎn)長周期變化趨勢一致，可以認(rèn)為深井觀測系統(tǒng)受儀器自身與觀測環(huán)境的影響較小，未出現(xiàn)漂移的跡象。同時(shí)計(jì)算3個(gè)站點(diǎn)5年觀測數(shù)據(jù)日均值相關(guān)性，X、Y、Z分量相關(guān)系數(shù)分別是0.998、0.995和0.996，可以認(rèn)為3個(gè)站點(diǎn)5年觀測數(shù)據(jù)長周期X、Y、Z分量變化一致性較強(qiáng)，深井觀測長周期變化穩(wěn)定。

1.2 短周期變化

以大連和昌黎后土橋2個(gè)觀測站點(diǎn)作為地磁觀測數(shù)據(jù)一致性分析的參考站點(diǎn)，將大連和昌黎后土橋2個(gè)參考站點(diǎn)的觀測數(shù)據(jù)與灤縣深井觀測站點(diǎn)短周期地磁場數(shù)據(jù)繪制出短周期地磁場變化曲線(參考圖2)。從圖中可以看出，北向分量X、東向分量Y數(shù)據(jù)為下降趨勢，地磁年變化明顯；Z分量數(shù)據(jù)為上升趨勢，年變化明顯。特別是北向分量X在2014和2015年間的變化規(guī)律性較強(qiáng)，2016年年變化幅度小于前2年，2017年上半年出現(xiàn)雙峰的態(tài)勢，后半年恢復(fù)原有變化態(tài)勢，3個(gè)地磁觀測臺(tái)的數(shù)據(jù)變化緊密地重合在一起，難以分辨，說明他們之間的一致性非常好。

圖1 長周期變化一致性對比曲線

圖2 短周期變化一致性對比

2 灤縣臺(tái)地磁場數(shù)據(jù)分析

2.1 長周期變化

以灤縣2013-2017整年地磁場深井觀測資料研究其長期變化特征，繪制該時(shí)段時(shí)間序列圖，圖3顯示，X、Y分量呈趨勢下降態(tài)勢，Z分量呈趨勢性上升。其中X分量年變化特征明顯，呈不規(guī)則1/2正弦波變化形態(tài)。利用公式:ΔX=(X2-X1)/(t2-t1)計(jì)算相鄰兩年的年變率以表示該地區(qū)地磁場長期變化，灤縣地區(qū)2014-2017年的平均年變化幅度如表1所示。

表1 2014-2017年灤縣地區(qū)平均年變化幅度

2.2 短周期變化

按照地磁場的組成分類，地磁場由地球主磁場、地殼磁場、變化磁場三部分組成，可以去掉主磁場、地殼磁場。地磁變化場表現(xiàn)出與區(qū)域有關(guān)的特征,場強(qiáng)度變化表現(xiàn)出地磁場季節(jié)變化和短期變化(阿里普別科夫，2007)。選取2014-2017年4年灤縣深井地磁場觀測資料，去除主磁場和地殼磁場后得到該地區(qū)深井地磁場的變化磁場。繪制X、Y、Z分量年地磁場變化時(shí)間序列圖，如圖3所示，地磁場X、Y、Z分量區(qū)域變化特征明顯，均顯示為下降或上升態(tài)勢。其中X分量年變呈下降—緩變—下降/上升的趨勢；Y分量年變呈現(xiàn)下降趨勢；Z分量年變呈現(xiàn)上升趨勢。根據(jù)2014-2017年變化特征，X分量在9或10月為年度變化磁場最低值，該分量在2015年的變化幅度最高，達(dá)138 nT；Y分量在2015年11和12月為變化磁場最低值，該分量在2017年的年變化幅度最大，達(dá)68 nT；Z分量在1月為變化磁場最低值，該分量在2017年的年變化幅度最大，達(dá)62 nT。

圖3 灤縣2014-2017年X、Y、Z分量變化磁場曲線

3 結(jié)論

根據(jù)灤縣深井與參考臺(tái)站昌黎和大連的地磁場觀測數(shù)據(jù)長、短周期變化一致性分析結(jié)果可以得出以下結(jié)論：(1)地磁場深井觀測長、短周期變化與參考站點(diǎn)昌黎臺(tái)、大連臺(tái)觀測結(jié)果變化一致；(2)根據(jù)各類評(píng)估指標(biāo)可以確定深井觀測系統(tǒng)可用于地磁場長期觀測；(3)深井觀測地磁場數(shù)據(jù)三個(gè)分量季節(jié)變化相對明顯。