不同水深海底的變化地磁場特征

陸鏡輝,馮昭懿,徐 行,邱 杰

（1.廣東省地震局,廣州 510070；2.廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局,廣州 510070）

0 引言

基本地球磁場是地球固有的屬性,主要源于地球外核磁流體發(fā)電機的動力學(xué)過程,它具有復(fù)雜的空間分布特征和時間變化尺度；而變化地磁場主要源于外部電離層及以上磁層電流體系的變化[1]。海洋的總面積占地球表面積的70.8%,平均深度-3729 m。由于受海洋地磁觀測技術(shù)發(fā)展的研制,海域的地磁場觀測能力及其相應(yīng)研究程度遠不如陸域,這不僅改善了人們對于海洋水體中的地磁場特征的認識水平,而且也影響了人們利用地磁場特性去研究探索和開發(fā)海洋。

現(xiàn)代海洋地磁場的連續(xù)觀測實踐要追溯到1962年英國海域的地磁浮標觀測[2],安裝在浮標中的地磁總場觀測磁力儀受水面波浪運動影響,記錄中疊加了較強感應(yīng)電磁場成分。在20世紀七、八十年代,澳大利亞和日本學(xué)者先后就開展海底地磁觀測科學(xué)實踐[3-4]。我國海底地磁觀測起步比較晚,直至2004年,我國學(xué)者首次用Overhauser磁力儀在南海北部陸坡890 m的海底連續(xù)記錄了19 d的地磁場總場變化。初期的海底地磁觀測成果主要應(yīng)用到海洋地磁測量,去解決在深遠海區(qū)磁測中的地磁日變改正問題[5]。隨著該技術(shù)方法在海洋調(diào)查中的推廣,一些特殊現(xiàn)象得以發(fā)現(xiàn),利用調(diào)查工區(qū)附近的深海底地磁觀測數(shù)據(jù)去做海洋磁測的日變改正處理,發(fā)現(xiàn)其效果不如采用遠處陸地地磁臺的觀測記錄[6]。通過對南海海盆的400 m 超長潛標的地磁觀測實踐,發(fā)現(xiàn)了當(dāng)磁靜時段,同一地點不同深度的地磁觀測結(jié)果比較相近；而在磁擾嚴重時段,兩者之間存在較大的差異[6]。顯然,在海洋水體中的變化地磁場觀測記錄中,除外源場產(chǎn)生的變化地磁場信息,還有受內(nèi)源場中的地球感應(yīng)地磁場的影響。不同水深的海流不僅會對變化地磁場的高頻信息產(chǎn)生抑制作用,而且變化地磁場活動性也影響著相應(yīng)的感應(yīng)地磁場變化特征；因此,在海洋水體中的變化地磁場特征比陸地觀測所得更為復(fù)雜。

為探討不同水深環(huán)境下的地磁觀測成果與陸地臺站之間的差異及規(guī)律,研究導(dǎo)致這些差異的主控因素,本文將通過選取在南海海域中4個不同水深的海底地磁臺觀測數(shù)據(jù),與相近緯度的海南瓊中地磁臺記錄對比,分析對比不同磁情環(huán)境下的觀測記錄,為深入開展海洋對變化地磁場和地磁活動性也有一定程度的影響提供科學(xué)依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)來源

本文選用數(shù)據(jù)來源分三部分：①海洋臺站數(shù)據(jù)選自廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局的歷史調(diào)查數(shù)據(jù),分別來自2008年南海北部陸坡中1829 m（T2臺）和中沙北海隆附近3798 m（T4臺）水深的數(shù)據(jù),2013年南海中沙北海隆附近2800 m（T3臺）和2015年南海北部陸坡中740 m水深（T1臺）的觀測記錄四個臺站的數(shù)據(jù)；②陸地臺站數(shù)據(jù)選自海南省地震局瓊中地磁臺（19.000°N,109.800°E）；③）廣東省地震局肇慶地磁臺（22.970°N, 112.45°E）的磁情指數(shù)。海陸地磁觀測臺站位置見圖1所示,采集數(shù)據(jù)時間信息見表1所列。

圖1 研究區(qū)內(nèi)的?！懙卮排_站分布圖Fig.1 Distribution map of sea-land magnetic stations in the study area

表1 陸地和海洋地磁觀測臺站的信息表Table 1 Information table of land and ocean geomagnetic observation stations

海南地震局瓊中地磁臺數(shù)據(jù)是采用GSM-19F型Overhauser質(zhì)子增強型磁力儀記錄所得。廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局海底地磁臺的地磁場總場的連續(xù)觀測數(shù)據(jù)是有SENTINEL Overhauser質(zhì)子增強型磁力儀自動采集得到的。海底地磁觀測采用潛標觀測方式,投放方式和詳細結(jié)構(gòu)與早期方式[5,7]一致。GSM-19F型磁力儀與SENTINEL磁力儀的儀器技術(shù)指標一致,分別屬于位于加拿大多倫多市的GEM公司生產(chǎn)的陸地磁力儀和海洋磁力儀。其主要技術(shù)指標如下：直接測程：18 000～120 000 nT,靈敏度：0.015 nT,分辨率：0.001 nT,絕對精度：0.2 nT,梯度容限制>10 000 nT；該設(shè)備的工作溫度范圍在-25℃～+60℃之間。GM4磁通門磁力儀的技術(shù)指標：測量范圍：0～±6500 nT,動態(tài)范圍：0～±2500 nT,分辨率：0.1 nT。MAG-01H磁通門經(jīng)緯儀的技術(shù)指標：觀測精密度：δD≤1"、δI≤1",分 辨 率：0.1nT,零 場 漂 移：±1～±5 nT。海陸地磁觀測設(shè)備的技術(shù)指標相同,符合數(shù)據(jù)對比分析的要求。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)選取

在地磁學(xué)中,為描述地磁場活動引入了許多指數(shù),K指數(shù),也稱磁情指數(shù),是單個地磁臺用來描述每日每個3 h內(nèi)的地磁擾動強度的指數(shù)。每個時段確定一個K值,K值大小由各個時段的純干擾變化的幅度而定；其中的純干擾變化的幅度就是消除太陽靜日變化和太陰日變化之后的純屬地磁擾動的幅度[8]。本文筆者通過廣東肇慶臺的K指數(shù)判斷外部空間引起的變化磁場的磁擾強度,抽取陸地臺中的K總和的最大值和最小值時間段內(nèi)的24 h的4個不同水深臺站海洋中地磁觀測記錄,和瓊中臺作為典型的資料進行系統(tǒng)分析,共8 d記錄。又因海洋地磁觀測資料僅為地磁場總場觀測值,難以精細地描繪海洋中變化地磁場的時空變化特征,故又參考陸地基準臺站中D、H和Z同步觀測記錄信息。

本文選取世界時為時間制。根據(jù)地磁活動情況,將這8 d的海陸臺站數(shù)據(jù)分三類情況進行分析。分別是：①在磁靜日中,四個水深不同的海底地磁臺與陸地臺的同步觀測數(shù)據(jù)對比；②在磁擾和③在磁暴期間,兩個水深不同的海陸地磁臺的同步觀測數(shù)據(jù)對比。

2.2 磁靜日的地磁特征對比

根據(jù)表2所列的四個海洋臺在典型磁靜日K指數(shù),T1臺選2015-04-25、T2臺選2008-06-23、T3臺 選2013-03-26、T8臺 選2008-04-02。這4天的海陸地磁臺的ΔF對比曲線見下圖2所列。

圖2 瓊中臺與四個海洋臺在磁靜日期間的觀測曲線對比圖Fig.2 Comparison of observation curves between Qiongzhong station and four ocean stations during magnetostatic period

表2 四個海洋臺在典型磁靜日K指數(shù)Table 2 K index of four ocean stations on typical magnetostatic days

2.3 磁擾日的地磁特征對比

參照表3,選用T2臺的2008-06-26和T3臺的2013-03-27作為磁擾日典型曲線,這二天海陸地磁臺的ΔF對比曲線見下圖3所示。

表3 四個海洋臺在典型磁擾日K指數(shù)Table 3 K index of four ocean stations on typical magnetic disturbance days

圖3 瓊中臺與T2和T3臺磁暴期間的觀測曲線對比圖Fig.3 Comparison of observation curves between the Qiongzhong station and T2 and T3 stations during magnetic storms

2.4 磁暴期間的地磁特征對比

磁暴是一種劇烈的全球性磁擾現(xiàn)象,是日地能量耦合鏈中的一個重要環(huán)節(jié)。具有變化幅度大,形態(tài)復(fù)雜,持續(xù)時間長,全球同步性好等特點。在磁暴的發(fā)生和發(fā)展過程中,地磁要素都發(fā)生了劇烈變化,尤其是在中低緯度地區(qū)的H分量變化特征影響了磁暴的形態(tài)學(xué)和統(tǒng)計學(xué)特征。圖5 瓊中臺與T1和T4臺磁暴期間的觀測曲線對比圖。根據(jù)T1和T4臺的ΔF典型曲線形態(tài)分析,參考肇慶地磁臺的K指數(shù),選用的觀測記錄達到了中常磁暴水平。

參照表3,選用T1臺的20150415和T4臺的20080423作為磁擾日典型曲線,這二天海陸地磁臺的ΔF對比曲線見下圖4所示。為了便于分析對比,還添加了瓊中地磁臺的D-H-Z三要素的信息。

圖4 瓊中臺與T1和T4臺磁暴期間的觀測曲線對比圖Fig.4 Comparison of observation curves between the Qiongzhong station and T1 and T4 stations during magnetic storms

圖5 典型臺站的地磁場總場差值曲線Fig.5 The difference curve of total geomagnetic field of typical stations the

3 分析和討論

3.1 海陸臺的ΔF曲線形態(tài)變化特征

本文從不同水深環(huán)境和不同地磁活動情形的角度來探討海陸地磁臺ΔF曲線形態(tài)變化特征。圖2描述在磁靜日四個海洋臺與瓊中臺ΔF曲線形態(tài)的對比結(jié)果。在磁靜日中,四個臺的共性是海陸臺的ΔF日變曲線比較接近,具有一定的規(guī)律性平緩變化,也存在有微小的地磁變化；其源于電離層中較為穩(wěn)定的電流體系。他們之間差異是水深較淺的臺高頻成分豐富,隨著水深加大,高頻成分缺失程度越來越大。

圖4是在磁擾日中2個海洋臺與瓊中臺的ΔF曲線形態(tài)的對比曲線,而圖5是在磁暴日中的對比曲線。從這四個海洋臺站與瓊中臺的ΔF日變對比曲線中,形態(tài)相似程度比磁靜日的要差一些。ΔF起伏變化既無規(guī)則性,又無周期性；出現(xiàn)的干擾變化主要源于太陽粒子流在磁層和電離層中形成的各種短暫的電流體系,導(dǎo)致了各種短暫的、復(fù)雜的干擾變化。隨著水深加大,四個不同水深海洋臺和陸地臺對比出現(xiàn)了以下幾個特征：①高頻成分越來越少,水深較大的兩個海洋臺的曲線比較光滑；②海陸臺之間形態(tài)受外源場活動性的影響,當(dāng)磁擾加劇時,相似性越來越差。

3.2 海陸臺的ΔF曲線幅度變化特征

在幅度變化方面,在磁靜日,4個海陸臺的ΔF變化曲線是有周期和規(guī)律的。在地方時的正午時刻前后,兩者差異比較明顯,而在子夜時刻前后兩者差異較小。T1和T2的ΔF總體上要比瓊中地磁臺的要小一些, T3和T4臺的ΔF總體上要比瓊中地磁臺的要大一些。各個海陸臺的對比,均遵循了平靜日變化（Sq）隨緯度變化的規(guī)律,說明記錄時段的變化地磁場與赤道環(huán)電流影響有一定的聯(lián)系[10]。如圖3所示,T2臺與瓊中臺的差值曲線和T3臺與瓊中臺的差值曲線規(guī)律近似,幅度差在±3～4 nT之間,正負差異是有海洋臺與瓊中臺在緯度上相對位置關(guān)系所致。

在磁擾日和磁暴期間,4個海陸臺對比的ΔF變化曲線在幅度變化方面不再具有規(guī)律。在強磁擾情況下,T2與T3臺兩者ΔF的極大值和極小值差異均在80～90 nT之間,幅度相差較大。在磁暴期間,T1和T4臺的ΔF的極大值和極小值相差約130 nT,幅度相差更大；其中,兩個磁暴均屬于急始磁暴,規(guī)模不大,T1的持續(xù)時間比T4更長。海陸臺的ΔF幅度差明顯。T1臺與瓊中臺的幅度差最大將近±8 nT；T2臺為10 nT,T3臺為20 nT,T4臺的最大±20 nT左右。顯然,在磁擾期間,海陸臺的幅度差隨著水深不斷擴大。

D的變化主要與ΔF幅度變化趨勢相關(guān)。ΔZ分量只是在正午時刻有變小趨勢,其它時刻變化不明顯。而H分量的形態(tài)和幅度變化曲線與ΔF的比較近似；值得注意的是,它的過程變化全面反映了磁擾的發(fā)生發(fā)展過程,也揭示了在低緯度地區(qū)的H分量是磁日變的主要貢獻者。

3.3 海陸臺的ΔF曲線相位變化特征

在相位變化上,相對于瓊中臺,T1和T2的ΔF在上升過程中往往滯后,而在下降過程中反而是超前的；而T3和T4臺出現(xiàn)的現(xiàn)象則相反。無論是幅度還是相位,T1、T2、T3和T4臺與海南瓊中地磁臺的差異主要是來自海陸地磁臺的在緯度上相互關(guān)系。T1和T2臺位于地磁臺以北,而T3和T4臺的緯度要低于瓊中臺。海陸臺站的相位和幅度差異的主要原因是在緯度上的差異。

磁擾期間,在磁擾的主相和磁暴的初相與主相階段中,海陸地磁臺ΔF曲線相位變化特征是在ΔF曲線上升過程中海洋臺相位滯后,其相位于下降過程中表現(xiàn)為超前為主。在磁暴的恢復(fù)相階段或磁擾的次級磁擾過程中,海陸臺的相位變化特征比較復(fù)雜。這些現(xiàn)象除磁層受赤道環(huán)電流以外,場向電流、越尾電流等對地海洋中的變化地磁場都會有重要影響。

4 討論

隨著水深的增大,海洋臺的ΔF曲線顯得越來越光滑。水深較大的海洋臺的ΔF的高頻成分與水深較淺的臺對比,缺失程度要大一些,說明了流動的海水并具有良好的液態(tài)導(dǎo)電介質(zhì),較厚的海水層屏蔽掉了10～20 CPH以上的外源高頻電磁場變化。歸咎于海水切割地磁場運動產(chǎn)生動生電動勢的發(fā)電機過程和產(chǎn)生感生電動勢的電磁感應(yīng)過程兩種表現(xiàn)方式的體現(xiàn)[9]。磁擾強弱程度直接影響到了地磁日變曲線形態(tài)、幅度和相位變化特征。當(dāng)磁擾程度加大和水深加大時,海陸臺之間形態(tài)的相似性差別也加大；海陸臺之間幅度差不斷增大；相位變化規(guī)律變得愈加復(fù)雜。海洋水介質(zhì)中的變化地磁場除對應(yīng)著外源場變化之外,疊加了環(huán)境中的感應(yīng)地磁場。這種情況與深井中的地磁觀測情況相似[11]。外源場活動加劇導(dǎo)致在海水介質(zhì)中的環(huán)境感應(yīng)地磁場變化激烈和復(fù)雜；此外,海水中溫度、壓力、電導(dǎo)率和磁導(dǎo)率等物理特性是隨水深的深度變化的函數(shù)也是主要的影響因素。例如,深海的底部處于恒溫狀態(tài),電導(dǎo)率約為3 S/m；溫暖海面的電導(dǎo)率可以達到或者超過6 S/m。在這種多源電磁場的共同作用,使得了不同深度海底地磁場變化特征顯得比較復(fù)雜[11-14]。

在分析瓊中臺的DHZ和海洋臺的總場變化之間的關(guān)系時,H分量變化和海洋臺的總場變化對應(yīng)一致,說明了本文研究區(qū)所在的中低緯度地區(qū)的H分量變化磁日變的主要貢獻者。

5 結(jié)語

本文通過選取在南海海域中4個不同水深的海底地磁臺觀測數(shù)據(jù),與相近緯度的海南瓊中地磁臺觀測記錄進行對比分析,得到以下幾點認識：

（1）磁擾大小影響了海洋臺地磁觀測曲線在形態(tài)上的規(guī)律性。在磁靜日時,形態(tài)變化具有規(guī)律性；而在磁擾或者磁暴階段,與陸地臺相比的形態(tài)差異越來越大。

（2）磁擾強弱程度影響了海陸臺對比曲線的幅度差異程度。在磁靜日中,兩者的幅度差在很小,而在磁擾或磁暴階段,幅度差隨深度不斷增加。

（3）磁擾強弱程度影響了海陸臺對比曲線的相位變化規(guī)律。磁靜日時,兩者之間是具有規(guī)律的,而在磁擾或磁暴階段,對比曲線相位變化相位對比顯得規(guī)律性不強,很復(fù)雜。

綜上,海洋臺地磁觀測記錄的高頻成分隨水深增加而變得缺失越來越嚴重的情況是受海水層的濾波效應(yīng)所致；而在強磁擾階段,海陸臺地磁觀測記錄在形態(tài)、幅度和相位對比中突顯出的規(guī)律性差,差異隨深度而加大等現(xiàn)象是受多源外源場的共同作用而產(chǎn)生的。

致謝：本文成果受中國地震局監(jiān)測、預(yù)測、科研三結(jié)合課題（編號：CEA-JC/3JH-161901）和國家重大儀器研發(fā)專項（2014YQ100817）聯(lián)合資助,使用國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施子午工程科學(xué)數(shù)據(jù)。特別感謝匿名審稿人和編輯部老師對本文提出的意見和建議。廣東省地震局王建格和柴劍勇兩位高級工程師提供了建設(shè)性的意見；廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局涂君、邢琮琮和徐東海等提供了技術(shù)支持；謹此一并衷心致謝！