一種適用于海洋磁力測量的地磁日變觀測系統(tǒng)的實測結果

賈富昊, 顧兆峰, 張振波, 周章國, 羅 強, 張駿韜, 付永濤

(1. 中國科學院海洋研究所, 山東 青島 266071; 2. 中國科學院海洋地質與環(huán)境科學重點實驗室, 山東 青島266071; 3. 中國科學院大學, 北京 100049; 4. 中國科學院海洋大科學研究中心, 山東 青島 266071; 5. 中國地質調查局青島海洋地質研究所, 山東 青島 266071; 6. 中海石油(中國)有限公司深圳分公司, 廣東 深圳518067; 7. 重慶奔騰數(shù)控技術研究所, 重慶 400039)

在海洋磁力測量中, 地磁日變受太陽輻射影響,具有時效性(每日、每時變化都不同), 對地磁日變的校正工作是海洋磁力測量資料處理中重要的改正項目, 關系到測量成果的質量和精度[1-4], 若不進行校正則無法得到準確的因地質構造或磁性體引起的異常[5]。同時, 地磁日變受太陽輻射影響, 具有時效性,每時、每日的觀測結果都不相同, 日變數(shù)據(jù)的缺失、失真等都會導致海洋磁力測量工作的失敗, 造成重大的經(jīng)濟損失。因此, 如何消除日變對海洋磁測的影響, 一直是海洋磁力測量中需要優(yōu)先考慮的問題。從20 世紀60 年代至今, 適用于海洋磁力測量的地磁日變觀測方法主要包括設立同緯度陸地日變站[6]、利用錨系系統(tǒng)觀測[7]、海底地磁日變觀測技術[8]、海洋磁力梯度測量[9]等, 以及各種地磁日變校正的方法[4,10-17]。綜合考慮上述方法的優(yōu)劣[9,18-20],現(xiàn)行的主流做法仍是在靠近海上測區(qū)的同緯度陸地設立臺站進行日變觀測[21-23]。

但在陸地地磁日變觀測時需要重點考慮地磁日變具有時效性的特點, 所以海洋磁力測量對用于地磁日變觀測的磁力儀提出了既能長時間內(nèi)部存儲又能在PC 端實時成像、報警的需求, 以便在保證數(shù)據(jù)安全的前提下幫助臺站人員及時發(fā)現(xiàn)強磁擾或磁暴,避免海上無效作業(yè)。本文介紹的WCZ-3S[24]陸地地磁日變觀測系統(tǒng)則實現(xiàn)了這一功能, 且在江蘇鹽城和海南三亞的實測數(shù)據(jù)表明其適用于海洋磁力測量中的地磁日變觀測。

1 系統(tǒng)簡介

WCZ-3S 陸地地磁日變觀測系統(tǒng)由WCZ-3S 磁力儀主機、探頭、計算機及配套軟件等組成, 是中國科學院海洋研究所和重慶奔騰數(shù)控技術研究所在WCZ-3 質子旋進磁力儀基礎上進行的改進, 其在基站測量模式下的測量精度優(yōu)于0.5 nT, 分辨率可達0.05 nT。相對于原型號在儀器主機內(nèi)存儲數(shù)據(jù), 且僅能在很小的顯示器顯示數(shù)據(jù), WCZ-3S 磁力儀的改進如下: 磁力儀主機存儲測量的地磁總場強度值的同時, 經(jīng)由實時傳輸模塊通過儀器的RS232 端口傳輸?shù)絇C 端, 之后PC 端的數(shù)據(jù)處理軟件實時繪制數(shù)據(jù)曲線圖, 實現(xiàn)了既能在磁力儀主機內(nèi)部長時間存儲又能在PC 端實時成像的功能。

2 WCZ-3S 陸地地磁日變觀測系統(tǒng)實測結果分析

2018 年在江蘇鹽城和海南三亞采用WCZ-3S、Sentinel、WCZ-2、WCZ-3(各儀器部分參數(shù)見表1)4 臺磁力儀同步測量(江蘇鹽城日變站實測49 d, 海南三亞日變站實測37 d)。

表1 多型號磁力儀部分性能參數(shù)Tab. 1 Performance parameters of multi-type magnetometer

2.1 臺站簡介

在江蘇鹽城射陽縣臨海鎮(zhèn)頭廠村(2018 年7 月至9 月)和海南三亞南濱農(nóng)場(2018 年10 月至12 月)分別設立臺站進行觀測。兩臺站主機皆設在遠離探頭50 m 外的房屋內(nèi), 同時周邊50 m 范圍內(nèi)無電線等電磁干擾源, 2 km 范圍內(nèi)無高壓電、工廠、變電站等強干擾源。使用WCZ-3 磁力儀分別對兩臺站進行了梯度場的八方位測量, 測試結果顯示兩地梯度變化皆小于1 nT/m, 符合《海洋調查規(guī)范》[6]的相關要求。

2.2 測量精度分析

分別對WCZ-3S 在江蘇鹽城日變站和海南三亞日變站工作期間的觀測精度進行計算, 并對不同磁擾情況下的精度平均值進行了統(tǒng)計(表2)。可見, WCZ-3S在不同磁擾情況下的觀測精度皆優(yōu)于0.5 nT, 符合國標GB/T12763.8—2007[6]日變校正測量誤差≤1 nT的技術標準。精度計算公式如下:

其中,δi為第i點經(jīng)過去除跳變與低通濾波后的觀測值與原始觀測值之差;n是觀測點的個數(shù)。

表2 WCZ-3S 在不同磁擾環(huán)境下的實測精度(北京時間)Tab. 2 Precision of WCZ-3S under different magnetic disturbances (Beijing time)

表2 中對于磁擾環(huán)境的分類, 區(qū)別于傳統(tǒng)磁靜日、磁擾日的分類方法。海洋磁力測量中, 地磁日變化分為平靜變化和干擾變化, 大多是規(guī)則的平靜變化疊加一些形態(tài)和幅度不同的擾動[25](如灣擾、鉤擾等現(xiàn)象的出現(xiàn)[26-28]), 為了消除地磁日變的影響, 對不同的日變化應采取不同的日變改正方法。以往的做法是認定每月5 個地磁擾動最小的日期為一般磁靜日, 但對于實際的日變校正工作仍不夠精確。范守志[29]根據(jù)多年的工作經(jīng)驗, 對磁靜日和磁擾日進行了更為細致的劃分(圖1 為從三亞日變站觀測期間選取的與各個磁擾類型劃分相對應的日變觀測曲線)。上文中對磁擾類型的分類統(tǒng)計即采用了這一分類方法, 具體標準如下。

平靜型: 沒有磁擾。太陽輻射引起的日變化是平穩(wěn)的。中午時分有主極大, 相位清楚。

微擾型: 在平靜型上疊加有輕微的干擾成分(幅度在30 nT 以內(nèi)), 中午時分的主極大仍十分明顯。

磁擾型: 干擾成分較大, 但幅度不超過60 nT。中午時分的主極大已消失。

強擾型: 干擾成分幅度更大, 日變曲線有時快速振動呈大的鋸齒狀, 但還不是磁暴。一兩天甚至次日即恢復正常。

作為對比, 分別選取江蘇鹽城和海南三亞兩臺站多型號磁力儀在地磁平靜日內(nèi)的觀測精度進行了對比(表3), 結果證明Sentinel 的觀測精度最高且最為穩(wěn)定, 為0.1 nT; WCZ-3S 的精度稍次之, 優(yōu)于0.5 nT,但高于WCZ-2 的精度。其中WCZ-3S 質子磁力儀利用的是靜態(tài)激發(fā)質子在地磁場內(nèi)的拉莫爾進動效應測量地磁場。而Sentinel 磁力儀為Overhauser 型磁力儀, 是在質子磁力儀的基礎上利用射頻磁場進行動態(tài)極化極化, 極化時可以和進動信號的測量同時進行, 成倍提高了可用信息量和信號能級, 因此具有更高的精度和采樣頻率[18,30-31]。

圖1 地磁日變類型劃分Fig. 1 Classification of geomagnetic diurnal variation types

表3 多型號磁力儀平靜日測量精度對比(北京時間)Tab. 3 Comparison of the measurement precisions of multiple models of magnetometers on quiet days (Beijing time)

2.3 多型號磁力儀測量數(shù)據(jù)對比

WCZ-3S 與Sentinel、WCZ-2 的相關性系數(shù)分別為0.998 1、0.996 0, 數(shù)據(jù)相關性較好。且三臺儀器所測曲線相位一致, 幅值差小于5%, 雖然存在一恒定常數(shù)差, 但消除常數(shù)差后所測曲線吻合。

在兩個臺站的觀測期間地磁微擾出現(xiàn)的天數(shù)最多, 為最常見的地磁環(huán)境; 磁暴引起的地磁擾動最大, 但出現(xiàn)的次數(shù)少, 受太陽耀斑活動影響[28], 是一種極端的地磁環(huán)境。為評價WCZ-3S 的穩(wěn)定性,以11 月13 日(微擾日)和11 月5 日(磁暴日)的觀測結果為例, 對WCZ-3S 與其他型號磁力儀在微擾日和磁暴日這兩種地磁環(huán)境下的測量數(shù)據(jù)進行了對比分析。

2.3.1 微擾時的對比

三亞日變站 11 月 13 日(微擾日)WCZ-3S、Sentinel 和WCZ-2 的觀測精度分別為0.1 nT、0.09 nT和0.24 nT。對3 臺儀器采集的地磁日變數(shù)據(jù)曲線中同步變化的局部極值段進行對比, 如圖2 所示, 3 條曲線的局部極值出現(xiàn)時間相同、相位一致, 曲線變化的幅值相同。此外, WCZ-3S 與Sentinel、WCZ-2 所測數(shù)據(jù)的相關系數(shù)分別為0.998 7 和0.996 9, 但是Sentinel 測得的曲線與WCZ-3S、WCZ-2 測得的曲線間存在著分別為10 nT 和12 nT 的常數(shù)差(3 條曲線消除常數(shù)差后吻合)。

圖2 三亞日變站2018 年11 月13 日地磁觀測數(shù)據(jù)曲線Fig. 2 The geomagnetic diurnal variation curve at Sanya observatory on November 13, 2018

2.3.2 磁暴時的對比

在海洋磁力測量期間, 磁暴發(fā)生時, 將無法進行有效的日變校正, 為避免無效作業(yè), 應及時中止海上磁測作業(yè)。在磁暴期間, 地磁場的變化特征最明顯的為水平分量H, 目前作為磁暴判別標準的重要參數(shù)。同時, 由于水平分量在地磁場總強度的構成中占有極大比重, 所以總場的變化與H分量的變化在相位、幅值上是高度相關的, 如圖3 所示即為11 月5 日磁暴發(fā)生時中國科學院三亞地磁臺水平分量與總場強度變化的對比(數(shù)據(jù)來源于國家地球系統(tǒng)科學數(shù)據(jù)共享平臺-地球物理科學數(shù)據(jù)中心), 二者具有高度相關性。因此,盡管WCZ-3S 磁力儀無法測量水平分量, 但其所測總場強度的變化仍可作為磁暴發(fā)生時的重要參考, 當磁暴發(fā)生時, 可在PC 端屏幕上快速識別出磁測曲線有較大的幅度變化(一般為幾十或幾百nT), 此時可初步判斷為“疑似磁暴發(fā)生”, 進而參考磁暴預警(根據(jù)國家空間天氣監(jiān)測預警中心編制的《空間天氣預警級別、預警符號及效應分類》,Kp指數(shù)(全球三小時磁情指數(shù))等于或大于5 時, 視為磁暴[32]), 即可最終確認為磁暴。

11 月5 日磁暴事件中WCZ-3S、Sentinel 和WCZ-2的精度分別為0.27 nT、0.2 nT 和0.37 nT; 3 臺儀器在磁暴發(fā)生時的記錄曲線相位一致(圖3); 雖然Sentinel測得的曲線與WCZ-3S、WCZ-2 測得的曲線間存在著常數(shù)差, 但消除常數(shù)差后吻合; 經(jīng)計算, WCZ-3S 與Sentinel、WCZ-2 所測數(shù)據(jù)的相關系數(shù)分別為0.996 2和0.996 8, 顯示出WCZ-3S 與Sentinel、WCZ-2 在磁暴發(fā)生時的數(shù)據(jù)變化的一致性。

圖3 2018 年11 月5 日, 磁暴期間各觀測曲線對比Fig. 3 Comparison of the observed curves during a magnetic storm on November 5, 2018

此外, 臺站人員利用WCZ-3S還成功識別了另外兩次分別發(fā)生于2018 年8 月26 日和11 月9 日的磁暴事件, 并向海上作業(yè)人員發(fā)出了磁暴預警。以8 月26 日磁暴為例, 如圖4 所示, 日變曲線首先在高于暴前值的水平上起伏變化, 可識別為初相; 之后, 曲線開始下降的階段可判斷為主相; 最后開始緩慢上升,并恢復至平靜狀態(tài), 為恢復相[33]。

圖4 2018 年8 月26 日磁暴發(fā)生后48 小時內(nèi)WCZ-3S 記錄曲線Fig. 4 The recorded curve of WCZ-3S within 48 hours after the occurrence of the geomagnetic storm on August 26, 2018

3 討論

如前所述, 在海洋磁力測量中最大的誤差項是地磁日變改正的誤差。由于地磁日變是受太陽輻射電離層引起的, 而且受太陽耀斑活動的影響, 每一天、每一時刻的變化都無法預估和擬合或反推, 即丟失的數(shù)據(jù)難以得到恢復。因此地磁日變具有極強的時效性, 日變數(shù)據(jù)的缺失、失真等都會導致海洋磁力測量工作的失敗。

因此, 人們開始嘗試一種無需進行額外日變校正的新思路——海洋磁力梯度測量。但在海洋磁力梯度測量中, 船只及磁力儀探頭易受水流、風向、波浪等因素的影響, 測量路徑實際上無法嚴格地保持是一條直線(即無法實現(xiàn)理論上對日變影響的完全抵消), 并且船載GPS 對探頭定位的不同步以及船磁的影響等都會影響日變校正的準確性[9-10]。

對于海底地磁日變觀測, 淺海獲得的日變觀測數(shù)據(jù)雖優(yōu)于深海, 但易受過往船只及漁船作業(yè)的影響, 同時近岸的導電海水流動導致的地磁場變化也會對日變觀測產(chǎn)生影響[34]; 深海測量時, 海水層的衰減作用則會變得明顯, 導致日變數(shù)據(jù)的失真[19-20]。若應用系錨技術進行海底觀測, 磁力儀探頭則易受到海流等的影響產(chǎn)生漂移、擺動, 影響日變觀測的數(shù)據(jù)質量。此外, 不管是淺、深海日變觀測還是運用系錨的技術方法皆無法保證地磁日變觀測的時效性,不能實時傳輸數(shù)據(jù), 無法及時發(fā)現(xiàn)磁暴、儀器故障等問題, 可導致日變數(shù)據(jù)的失真、缺失, 甚至造成海洋磁測工作的失敗。同時, 由于海洋作業(yè)環(huán)境的復雜性,磁力儀回收的成功率也不能得到有效保障。理想的日變校正方法應是在固定浮標上記錄地區(qū)磁場值,但因放置和回收儀器困難、場空間變化遠大于觀測日變等限制, 現(xiàn)階段并不適用于海洋磁測中的日變觀測[35]。

綜上, 在同緯度設立陸地地磁日變觀測站仍是可靠的一種日變校正觀測方法。本文介紹的WCZ-3S地磁日變觀測系統(tǒng)在測量精度、功能設計(既可內(nèi)部存儲又可在PC 端實時成像)等方面, 皆可滿足海洋磁力測量中對地磁日變觀測儀器的需求, 并通過2018 年江蘇鹽城日變觀測和海南三亞日變觀測, 對WCZ-3S 地磁日變觀測系統(tǒng)進行了測量精度、磁暴預警功能等方面的實測分析。在多型號磁力儀同步測量的數(shù)據(jù)分析中, WCZ-3S 在基站模式下的實測精度為0.2 nT 至0.3 nT, 接近質子旋進原理磁力儀的精度極限[36-37], 與加拿大GEM 公司的GSM-19T 精度(精度為0.2 nT, 采樣率可達1/3 Hz, 分辨率為0.01 nT)[38]相當, 優(yōu)于包括WCZ-2、JHC-856T(精度為0.5 nT)等在內(nèi)的國內(nèi)同類原理的儀器。同步測量所用到的Sentinel 基站磁力儀為Overhauser 型磁力儀, 由于應用原理的不同, 其實測精度優(yōu)于0.2 nT, 采樣率可達1 Hz, 但無實時傳輸功能。而G-880/ G-882 海洋銫光泵磁力儀、SeaSpy 海洋磁力儀、GSM-90 Overhauser型磁力儀等雖然能夠實現(xiàn)實時傳輸, 但并不具備內(nèi)部存儲功能[39-41], 數(shù)據(jù)丟失的風險更大。

WCZ-3S 既可實現(xiàn)內(nèi)部存儲又可在PC 端實時成像, 聯(lián)機后可幫助臺站工作人員對探頭的工作狀態(tài)、地磁數(shù)據(jù)的信號質量、地磁場的變化趨勢、有無異常擾動或磁暴做到直觀的了解。具有類似功能的還有朱培育等[42]改進的視窗版 GSM- 19F 質子磁力儀、京核鑫隆公司的JHC- 856T 質子磁力儀等。鄒廣等[43-44]則在軟件方面編寫了噪聲檢測報警系統(tǒng),并在新疆地區(qū)臺站上成功應用。相較WCZ-3S 地磁日變觀測系統(tǒng), 以上三者主要是在原有磁力儀的基礎上進行了軟件方面的改進, 進而實現(xiàn)了磁力儀的實時傳輸功能。而WCZ-3S 的軟件與硬件在出廠前即作為一個整體進行設計, 具備更好的配套性與穩(wěn)定性。

4 結論

目前, 在海洋磁力測量中進行日變校正的主要做法仍是在靠近海上測區(qū)的同緯度陸地設立臺站開展日變觀測, 同時地磁日變具有時效性, 需對強磁擾、磁暴進行及時預警。實測表明, WCZ-3S 陸地地磁日變觀測系統(tǒng)表現(xiàn)良好, 并及時地對磁暴進行了識別; 在平靜日測量時的精度約為0.3 nT, 僅次于Sentinel 基站磁力儀的0.1 nT, 能夠得出準確穩(wěn)定的測量結果。因此, WCZ-3S 測量精度較高、測量值可靠、能幫助臺站人員及時識別磁暴, 是一種適用于海洋磁力測量的地磁日變觀測系統(tǒng)。

致謝: 感謝中國科學院海洋地質與環(huán)境重點實驗室開放基金(項目編號: MGE2018KG04)的支持。