地磁日變改正中的磁擾分離

1傳統(tǒng)日變規(guī)范基值的確定和提高研究海底障礙、結(jié)構(gòu)和礦產(chǎn)資源的分布，以及潛水員的導(dǎo)航、磁強(qiáng)剖面和航空磁強(qiáng)勘探緊密分離。由于早期地磁觀測(cè)基準(zhǔn)臺(tái)數(shù)量和質(zhì)量的影響,地磁參考場(chǎng)精度受限制,海洋地磁測(cè)量和定位精度的影響,對(duì)磁異常的計(jì)算精度也不能提出很高要求,相應(yīng)的日變改正也就沿用老套路。隨著地磁參考場(chǎng)和地磁測(cè)量精度的提高,傳統(tǒng)日變改正方法造成的區(qū)塊地磁異常數(shù)據(jù)之間的偏差越來(lái)越明顯。盡管不少研究者在簡(jiǎn)單平均法的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提出早晚基時(shí)刻法、早晚基時(shí)段法和時(shí)段加權(quán)法等來(lái)調(diào)整日變改正基值常數(shù)的大小,但是對(duì)提高地磁異常處理拼接的精度的作用有限。傳統(tǒng)日變改正基值的常數(shù)取法及與時(shí)間的無(wú)關(guān)性,使人們對(duì)磁異?；档睦斫夂陀?jì)算上有簡(jiǎn)單化和隨意性的傾向,因?yàn)槌?shù)差在地磁數(shù)據(jù)處理、拼接中容易解決。關(guān)鍵的問(wèn)題是僅重視日變這種地磁場(chǎng)的短期變化,沒(méi)有重視也隨空間位置變化而不同的地磁場(chǎng)長(zhǎng)期變化。鑒于單傳感器海洋地磁總場(chǎng)測(cè)量外加地磁日變觀測(cè)、改正仍然是目前最便利、可靠的地磁總場(chǎng)數(shù)據(jù)獲取的有效途徑,本文從提高地磁日變改正精度和統(tǒng)一地磁異?；鶞?zhǔn)的角度出發(fā),討論如何合理選取與時(shí)間相關(guān)的日變改正基值,保證測(cè)區(qū)內(nèi)部和測(cè)區(qū)之間的測(cè)線磁異常數(shù)據(jù)的基準(zhǔn)在時(shí)間、空間上獲得統(tǒng)一,同時(shí)針對(duì)磁擾對(duì)日變改正的影響,提出如何避免因地方時(shí)的正常日變改正和世界時(shí)的磁擾改正之間的偏移造成改正的不合理畸變,并以實(shí)例說(shuō)明改進(jìn)后的日變改正可以達(dá)到期望的效果。2正常場(chǎng)觀測(cè)值的計(jì)算地磁場(chǎng)長(zhǎng)期緩慢變化(約0.07nT/d),在一定時(shí)期內(nèi)可近似當(dāng)作線性變化,而在小范圍內(nèi)可認(rèn)為近似相同。由于對(duì)地磁場(chǎng)長(zhǎng)期變化的處理不當(dāng),對(duì)于長(zhǎng)時(shí)間、空間跨度大的地磁數(shù)據(jù)處理拼接就會(huì)遇到區(qū)塊之間的地磁異常差值不是常數(shù),甚至不是線性的情形。姚俊杰等已經(jīng)注意到地磁正常場(chǎng)的長(zhǎng)期時(shí)間變化部分的影響,提出直接使用日變站的地磁異常來(lái)推算測(cè)線的地磁異常,況且地磁異常幾乎應(yīng)該是不隨時(shí)間變化的,通過(guò)建立長(zhǎng)期日變站或通過(guò)陸地磁力聯(lián)測(cè)可逼近得到日變站的地磁異常。實(shí)際上可把日變站的地磁異常ΔTr取為時(shí)間足夠長(zhǎng)、采樣足夠密的磁靜日總場(chǎng)觀測(cè)值Tt偏離正常場(chǎng)Tn的某種形式的平均值:ΔTr(x0,y0)=limn→∞∑i=1n[Tt(x0,y0,ti)?Tn(x0,y0,ti)]/n,(1)ΔΤr(x0,y0)=limn→∞∑i=1n[Τt(x0,y0,ti)-Τn(x0,y0,ti)]/n,(1)式中,(x0,y0)代表日變站地理坐標(biāo);i=1,2,…,n,代表離散時(shí)間采樣點(diǎn);ti代表第i個(gè)采樣點(diǎn)的時(shí)間。與傳統(tǒng)方法不同,由原來(lái)的取磁靜日地磁總場(chǎng)某種形式的平均值改為逼近得到地磁異常,而不受地磁場(chǎng)的長(zhǎng)期變化這一因素的困擾。這種平均值的求取顯然更合理,而且地磁日變觀測(cè)數(shù)據(jù)不能僅限于航次測(cè)量時(shí)間,在航次前后的觀測(cè)時(shí)間越長(zhǎng)越好。通過(guò)簡(jiǎn)單平均法、早晚基時(shí)刻法、早晚基時(shí)段法或時(shí)段加權(quán)法等,可以尋求逼近一個(gè)合理的平均值——地磁異常。這樣,日變改正基值可由日變站的正常場(chǎng)與地磁異常之和得到T—t(x0,y0,t)=Tn(x0,y0,t)+ΔTt(x0,y0).(2)Τ—t(x0,y0,t)=Τn(x0,y0,t)+ΔΤt(x0,y0).(2)式(1)通過(guò)地磁正常場(chǎng)來(lái)有效消除日變站地磁觀測(cè)的長(zhǎng)期變化,逼近更具有平均意味的地磁異常,式(2)再通過(guò)地磁正常場(chǎng)來(lái)有效彌補(bǔ)地磁異常沒(méi)有時(shí)間變化的特點(diǎn),合理給出具有長(zhǎng)期變化的日變改正基值,顯然較好地避免了傳統(tǒng)日變改正基值平均算法缺少客觀標(biāo)準(zhǔn)評(píng)判和地磁長(zhǎng)期變化帶來(lái)的影響。由這兩個(gè)式子可以看出,傳統(tǒng)上忽略日變改正基值與正常場(chǎng)及其時(shí)間變化之間的關(guān)系等于掩蓋了日變改正和正常場(chǎng)改正之間的協(xié)調(diào)關(guān)系,會(huì)引起正常場(chǎng)改正的不可靠,導(dǎo)致人為誤差。在日變改正基值中引進(jìn)地磁正常場(chǎng)能夠使日變改正納入到測(cè)線數(shù)據(jù)各項(xiàng)改正的通盤(pán)考慮中,尤其是日變改正的具體方式與測(cè)線數(shù)據(jù)的正常場(chǎng)改正及其時(shí)間處理方式要一致起來(lái),使日變改正基值的時(shí)間因素成為有意義。3日變基值和正常場(chǎng)同步固定的問(wèn)題從式(2)看出,如果日變基值固定在某個(gè)時(shí)刻t0,也就是正常場(chǎng)固定在某個(gè)時(shí)刻t0,即不需要其中正常場(chǎng)的時(shí)間變化部分,日變改正值則包含了這部分長(zhǎng)期變化,經(jīng)它改正的測(cè)線磁力數(shù)據(jù)理論上不包含長(zhǎng)期變化部分了,測(cè)線磁力數(shù)據(jù)的正常場(chǎng)改正也就同樣不需要這部分長(zhǎng)期變化了,這樣測(cè)線正常場(chǎng)改正與日變基值應(yīng)該同步固定在時(shí)刻t0。因此,日變基值和正常場(chǎng)同步固定在時(shí)刻t0,意味著測(cè)線的總場(chǎng)長(zhǎng)期變化是與日變站近似一致的。如果航次時(shí)間不長(zhǎng),日變站距離測(cè)區(qū)不遠(yuǎn),采用日變基值和正常場(chǎng)同步固定的辦法是一種合理的選擇。傳統(tǒng)日變改正基值取常數(shù),意味著測(cè)線磁力數(shù)據(jù)的正常場(chǎng)改正不應(yīng)該考慮長(zhǎng)期變化部分,而通常的做法往往還是采用隨時(shí)間變化的正常場(chǎng)改正,等于對(duì)測(cè)線磁力數(shù)據(jù)進(jìn)行了兩次長(zhǎng)期變化改正,而且日變改正基值常數(shù)失去了時(shí)間參照,即使采用的正常場(chǎng)改正固定在時(shí)間t0,日變改正與正常場(chǎng)改正之間也還不能確切匹配起來(lái)。這些因素自然導(dǎo)致不同部門(mén)、不同航次和不同區(qū)塊的測(cè)線磁力異常數(shù)據(jù)之間有很大的偏差。因此,如果對(duì)各個(gè)航次測(cè)區(qū)的日變改正和正常場(chǎng)改正采用時(shí)間固定的辦法,而又要對(duì)所有的磁力數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接、整合,則要把各個(gè)航次測(cè)區(qū)的日變基值和正常場(chǎng)同步固定在某個(gè)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間t0,所采用的地磁正常場(chǎng)公式及系數(shù)也應(yīng)該一致。如果日變站和測(cè)區(qū)的時(shí)間、空間跨度很大,測(cè)線的位置變化會(huì)使它的測(cè)線磁力數(shù)據(jù)與日變基站之間的長(zhǎng)期變化部分差異擴(kuò)大,采取日變基值固定的方式消除測(cè)線磁力數(shù)據(jù)的長(zhǎng)期變化就有可能達(dá)不到好的效果。4多系統(tǒng)模型的應(yīng)用從式(2)看出,考慮日變基值隨時(shí)間變化的部分,需要其中的正常場(chǎng)長(zhǎng)期變化部分,理論上意味日變改正不含有長(zhǎng)期變化部分了,僅集中在日變本身的短期變化部分,經(jīng)它改正的測(cè)線磁力數(shù)據(jù)仍含有長(zhǎng)期變化部分,則其正常場(chǎng)改正需要考慮這部分長(zhǎng)期變化的改正。對(duì)于日變站和測(cè)區(qū)的時(shí)間、空間跨度很大的情形,日變站和測(cè)線的總場(chǎng)長(zhǎng)期變化會(huì)出現(xiàn)相當(dāng)?shù)牟町?這時(shí)應(yīng)該考慮通過(guò)正常場(chǎng)隨時(shí)間變化來(lái)分別表示、消除日變站和測(cè)線的總場(chǎng)長(zhǎng)期變化。日變站和測(cè)線的總場(chǎng)長(zhǎng)期變化均以正常場(chǎng)的總場(chǎng)長(zhǎng)期變化來(lái)代替,這顯然對(duì)地磁正常場(chǎng)公式的要求較高,因?yàn)樗仨毮苷_反映日變站和測(cè)線的總場(chǎng)長(zhǎng)期變化,才能保證日變改正和正常場(chǎng)改正的可靠。事實(shí)上,國(guó)際高空物理與地磁協(xié)會(huì)(IAGA)每5a公布一次的國(guó)際地磁參考場(chǎng)(IGRF或DGRF)球諧系數(shù)及時(shí)間變化,是由分布在全球各地的地磁標(biāo)準(zhǔn)觀測(cè)臺(tái)站的日變觀測(cè)數(shù)據(jù)聯(lián)合求解出來(lái)的,2000年之前球諧階次n達(dá)到10,2000年以后加入覆蓋全球的?rsted,CHAMP兩顆地磁衛(wèi)星數(shù)據(jù),球諧階次n達(dá)到13,反映長(zhǎng)期變化的球諧階次n達(dá)到8,具有80個(gè)球諧系數(shù)。一般來(lái)說(shuō)IGRF模型還有改進(jìn)的余地,但最終被更理想的DGRF模型所取代。自2000年以后DGRF模型的不確定性約為±10.0nT,顯然其中的長(zhǎng)期變化的不確定性則要小得多,在一定程度上能夠反映日變站和測(cè)線的總場(chǎng)長(zhǎng)期變化。國(guó)際地磁參考場(chǎng)(IGRF或DGRF)的解算以5a時(shí)間為間隔,5a以?xún)?nèi)的總場(chǎng)長(zhǎng)期變化可以得到較好的反映,5a以上的總場(chǎng)長(zhǎng)期變化的連貫性可能會(huì)變差。為了有效地消除日變站和測(cè)區(qū)的地磁總場(chǎng)長(zhǎng)期變化,顯然有必要研究全球性的長(zhǎng)時(shí)間跨度的地磁參考場(chǎng),目前這方面最成功的地磁參考場(chǎng)當(dāng)數(shù)綜合模型CM4(comprehensivemodelVer.4)。它采用全球地磁觀測(cè)站時(shí)平均數(shù)據(jù)(1960—)構(gòu)制模型,融合了POGO(1965—1971年)、Magsat(1979—1980年)、?rsted(1999—)和CHAMP(2000—)等衛(wèi)星地磁觀測(cè)數(shù)據(jù),保證地磁總場(chǎng)長(zhǎng)期變化連貫的時(shí)間跨度為1960—2002年。CM4不但包含了源于地球內(nèi)部的正常場(chǎng)及其長(zhǎng)期變化,而且包含了磁靜日所能觀測(cè)到的外源場(chǎng)(正常日變、磁層環(huán)流和電離層活動(dòng)等)。在此情況下CM4本身包含了正常日變部分,采用CM4的地磁參考場(chǎng)改正,可以放棄日變站觀測(cè)數(shù)據(jù)的采集、處理,一并解決日變改正、正常場(chǎng)及其長(zhǎng)期變化改正。通過(guò)對(duì)美國(guó)20世紀(jì)70年代的油礦勘測(cè)評(píng)價(jià)項(xiàng)目航空地磁測(cè)線數(shù)據(jù)的拼接處理及2007年7月聯(lián)合國(guó)教科文組織和世界地質(zhì)圖委員會(huì)發(fā)布的世界地磁異常圖中使用的海洋地磁測(cè)線數(shù)據(jù)的拼接處理,證明綜合模型CM對(duì)于長(zhǎng)時(shí)間、空間跨度大的地磁測(cè)線數(shù)據(jù)的拼接精度優(yōu)于國(guó)際地磁參考場(chǎng)(IGRF或DGRF)。采用類(lèi)似CM的全球性長(zhǎng)時(shí)間跨度的綜合模型改正來(lái)代替原先分開(kāi)的日變改正、正常場(chǎng)及其長(zhǎng)期變化改正顯然特別適用于難以作日變觀測(cè)的開(kāi)闊海域,然而對(duì)于日變觀測(cè)能夠控制的海洋地磁測(cè)量,仍可沿用上面的思路采用綜合模型CM,只是正常日變也歸人了正常場(chǎng)中,原先式(2)的“日變基值”T—tΤ—t應(yīng)該改稱(chēng)為磁擾基值。日變觀測(cè)數(shù)據(jù)減去磁擾基值得出磁擾變化,原先“日變改正”演進(jìn)為磁擾改正,可以進(jìn)一步提高測(cè)線數(shù)據(jù)的處理拼接精度。5日變校正與磁擾校正的突變傳統(tǒng)上分離日變與磁擾并沒(méi)有完全可靠的方法,磁擾階段的日變?nèi)〈艛_發(fā)生前后3d(或2d,1d等,視正常日變階段的時(shí)間長(zhǎng)短)的平均日變曲線。這種處理方法會(huì)使磁擾階段的日變與正常日變的銜接產(chǎn)生突變(圖1a中的藍(lán)色曲線),相應(yīng)地分離出來(lái)的磁擾初動(dòng)和消失也是突變的(圖1a中的紅色曲線)。由于日變校正采用地方時(shí)和磁擾校正采用世界時(shí),日變改正和磁擾改正之間的偏移造成這種改正的畸變,會(huì)給測(cè)線地磁數(shù)據(jù)帶來(lái)額外的起伏誤差,最后影響地磁數(shù)據(jù)的總精度。如果按上節(jié)最后提出的采用綜合模型CM,日變觀測(cè)數(shù)據(jù)減去磁擾基值得出磁擾變化,這不失為解決這個(gè)問(wèn)題的好辦法,或者在傳統(tǒng)方法的基礎(chǔ)上,依據(jù)磁擾階段的日變曲線兩端與正常日變曲線的臺(tái)階差(見(jiàn)圖1a),進(jìn)行線性?xún)A斜改正,去除其兩端的臺(tái)階差,實(shí)現(xiàn)磁擾階段的日變曲線與正常日變曲線的連續(xù)自然過(guò)渡(見(jiàn)圖1b中的藍(lán)色曲線),再用此磁擾階段的正常日變曲線減去實(shí)測(cè)的地磁日變曲線(見(jiàn)圖1b中的黑色曲線),便可得到初動(dòng)和消失也自然過(guò)渡的磁擾曲線(見(jiàn)圖1b中的紅色曲線),由此可以克服磁擾階段的日變、磁擾改正給地磁測(cè)線數(shù)據(jù)帶來(lái)的額外畸變誤差,保證地磁數(shù)據(jù)的總精度。6日變基值及點(diǎn)差圖2是2004年7—9月和2005年9—10月兩個(gè)航次完成的浙江外海測(cè)線,地磁日變觀測(cè)站設(shè)在浙江省沿海,處于測(cè)區(qū)南北方向的中間,東西方向上距離測(cè)區(qū)最近不到100km。2004年日變站正常場(chǎng)總值的變化范圍為47307.6～47305.6nT,8月1日00:00的值為47306.8nT;2005年日變站正常場(chǎng)總值的變化范圍為47293.9～47291.9nT,10月1日00:00的值為47293.0nT,兩個(gè)航次約相差-13.8nT,基本上反映了地磁總場(chǎng)的長(zhǎng)期遞減趨勢(shì)。根據(jù)兩個(gè)航次期間日變觀測(cè)值偏離正常場(chǎng)的情況,給出日變站位置的磁異常為-60.0nT,時(shí)間固定在2005年1月1日00:00,日變站正常場(chǎng)總值為47302.4nT,相當(dāng)于日變基值常數(shù)47242.4nT,賦予日變基值時(shí)間、空間的含義,也使日變改正后所有測(cè)線交點(diǎn)差能較完全地反映船磁影響。按照傳統(tǒng)方法,2004年日變基值為47232nT,2005年日變基值為47251nT,相差19nT,與地磁總場(chǎng)的長(zhǎng)期遞減趨勢(shì)相反,日變基值沒(méi)有明確的時(shí)間、空間的含義,也使日變改正后所有測(cè)線交點(diǎn)差不能較完全地反映船磁影響。無(wú)時(shí)間參照、時(shí)間同步固定和時(shí)間同步變化以及磁擾分離連續(xù)與否等情形對(duì)測(cè)線磁力數(shù)據(jù)進(jìn)行日變改正,并分別對(duì)平差前后的所有252個(gè)測(cè)線交點(diǎn)進(jìn)行交點(diǎn)差統(tǒng)計(jì),平差方法采用線性誤差模型的約束最小二乘算法。表1分別列出了各種情形下的交點(diǎn)差均方根值,顯示時(shí)間同步變化情形比時(shí)間同步固定情形對(duì)數(shù)據(jù)精度更有保障,也表明磁擾的連續(xù)性可以提高地磁數(shù)據(jù)的精度。6異常疊加上地磁正常場(chǎng)的日變動(dòng)值(1)在地磁日變改正中不考慮地磁總場(chǎng)的長(zhǎng)期變化或其中基值的時(shí)間因素,會(huì)使日變改正與正常場(chǎng)改正之間的時(shí)空關(guān)系錯(cuò)亂,導(dǎo)致航次相互之間或內(nèi)部出現(xiàn)基值差異,甚至可能不是差一個(gè)常數(shù);通過(guò)日變總場(chǎng)觀測(cè)值偏離正常場(chǎng)的某種形式的平均值,得出的日變站地磁異常疊加上地磁正常場(chǎng),作為日變改正基值,有別于取常數(shù)的傳統(tǒng)日變改正基值,可以建立起日變改正和正常場(chǎng)改正之間的時(shí)空協(xié)調(diào)關(guān)系。(2)日變站控制理想的地磁測(cè)量數(shù)據(jù),可以考慮將日變站的