地磁日变改正中的磁扰分离

地磁日变改正中的磁扰分离

1传统日变规范基值的确定和提高研究海底障碍、结构和矿产资源的分布，以及潜水员的导航、磁强剖面和航空磁强勘探紧密分离。由于早期地磁观测基准台数量和质量的影响,地磁参考场精度受限制,海洋地磁测量和定位精度的影响,对磁异常的计算精度也不能提出很高要求,相应的日变改正也就沿用老套路。随着地磁参考场和地磁测量精度的提高,传统日变改正方法造成的区块地磁异常数据之间的偏差越来越明显。尽管不少研究者在简单平均法的基础上进一步提出早晚基时刻法、早晚基时段法和时段加权法等来调整日变改正基值常数的大小,但是对提高地磁异常处理拼接的精度的作用有限。传统日变改正基值的常数取法及与时间的无关性,使人们对磁异常基值的理解和计算上有简单化和随意性的倾向,因为常数差在地磁数据处理、拼接中容易解决。关键的问题是仅重视日变这种地磁场的短期变化,没有重视也随空间位置变化而不同的地磁场长期变化。鉴于单传感器海洋地磁总场测量外加地磁日变观测、改正仍然是目前最便利、可靠的地磁总场数据获取的有效途径,本文从提高地磁日变改正精度和统一地磁异常基准的角度出发,讨论如何合理选取与时间相关的日变改正基值,保证测区内部和测区之间的测线磁异常数据的基准在时间、空间上获得统一,同时针对磁扰对日变改正的影响,提出如何避免因地方时的正常日变改正和世界时的磁扰改正之间的偏移造成改正的不合理畸变,并以实例说明改进后的日变改正可以达到期望的效果。2正常场观测值的计算地磁场长期缓慢变化(约0.07nT/d),在一定时期内可近似当作线性变化,而在小范围内可认为近似相同。由于对地磁场长期变化的处理不当,对于长时间、空间跨度大的地磁数据处理拼接就会遇到区块之间的地磁异常差值不是常数,甚至不是线性的情形。姚俊杰等已经注意到地磁正常场的长期时间变化部分的影响,提出直接使用日变站的地磁异常来推算测线的地磁异常,况且地磁异常几乎应该是不随时间变化的,通过建立长期日变站或通过陆地磁力联测可逼近得到日变站的地磁异常。实际上可把日变站的地磁异常ΔTr取为时间足够长、采样足够密的磁静日总场观测值Tt偏离正常场Tn的某种形式的平均值: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)代表日变站地理坐标;i=1,2,…,n,代表离散时间采样点;ti代表第i个采样点的时间。与传统方法不同,由原来的取磁静日地磁总场某种形式的平均值改为逼近得到地磁异常,而不受地磁场的长期变化这一因素的困扰。这种平均值的求取显然更合理,而且地磁日变观测数据不能仅限于航次测量时间,在航次前后的观测时间越长越好。通过简单平均法、早晚基时刻法、早晚基时段法或时段加权法等,可以寻求逼近一个合理的平均值——地磁异常。这样,日变改正基值可由日变站的正常场与地磁异常之和得到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)通过地磁正常场来有效消除日变站地磁观测的长期变化,逼近更具有平均意味的地磁异常,式(2)再通过地磁正常场来有效弥补地磁异常没有时间变化的特点,合理给出具有长期变化的日变改正基值,显然较好地避免了传统日变改正基值平均算法缺少客观标准评判和地磁长期变化带来的影响。由这两个式子可以看出,传统上忽略日变改正基值与正常场及其时间变化之间的关系等于掩盖了日变改正和正常场改正之间的协调关系,会引起正常场改正的不可靠,导致人为误差。在日变改正基值中引进地磁正常场能够使日变改正纳入到测线数据各项改正的通盘考虑中,尤其是日变改正的具体方式与测线数据的正常场改正及其时间处理方式要一致起来,使日变改正基值的时间因素成为有意义。3日变基值和正常场同步固定的问题从式(2)看出,如果日变基值固定在某个时刻t0,也就是正常场固定在某个时刻t0,即不需要其中正常场的时间变化部分,日变改正值则包含了这部分长期变化,经它改正的测线磁力数据理论上不包含长期变化部分了,测线磁力数据的正常场改正也就同样不需要这部分长期变化了,这样测线正常场改正与日变基值应该同步固定在时刻t0。因此,日变基值和正常场同步固定在时刻t0,意味着测线的总场长期变化是与日变站近似一致的。如果航次时间不长,日变站距离测区不远,采用日变基值和正常场同步固定的办法是一种合理的选择。传统日变改正基值取常数,意味着测线磁力数据的正常场改正不应该考虑长期变化部分,而通常的做法往往还是采用随时间变化的正常场改正,等于对测线磁力数据进行了两次长期变化改正,而且日变改正基值常数失去了时间参照,即使采用的正常场改正固定在时间t0,日变改正与正常场改正之间也还不能确切匹配起来。这些因素自然导致不同部门、不同航次和不同区块的测线磁力异常数据之间有很大的偏差。因此,如果对各个航次测区的日变改正和正常场改正采用时间固定的办法,而又要对所有的磁力数据进行拼接、整合,则要把各个航次测区的日变基值和正常场同步固定在某个标准时间t0,所采用的地磁正常场公式及系数也应该一致。如果日变站和测区的时间、空间跨度很大,测线的位置变化会使它的测线磁力数据与日变基站之间的长期变化部分差异扩大,采取日变基值固定的方式消除测线磁力数据的长期变化就有可能达不到好的效果。4多系统模型的应用从式(2)看出,考虑日变基值随时间变化的部分,需要其中的正常场长期变化部分,理论上意味日变改正不含有长期变化部分了,仅集中在日变本身的短期变化部分,经它改正的测线磁力数据仍含有长期变化部分,则其正常场改正需要考虑这部分长期变化的改正。对于日变站和测区的时间、空间跨度很大的情形,日变站和测线的总场长期变化会出现相当的差异,这时应该考虑通过正常场随时间变化来分别表示、消除日变站和测线的总场长期变化。日变站和测线的总场长期变化均以正常场的总场长期变化来代替,这显然对地磁正常场公式的要求较高,因为它必须能正确反映日变站和测线的总场长期变化,才能保证日变改正和正常场改正的可靠。事实上,国际高空物理与地磁协会(IAGA)每5a公布一次的国际地磁参考场(IGRF或DGRF)球谐系数及时间变化,是由分布在全球各地的地磁标准观测台站的日变观测数据联合求解出来的,2000年之前球谐阶次n达到10,2000年以后加入覆盖全球的∅rsted,CHAMP两颗地磁卫星数据,球谐阶次n达到13,反映长期变化的球谐阶次n达到8,具有80个球谐系数。一般来说IGRF模型还有改进的余地,但最终被更理想的DGRF模型所取代。自2000年以后DGRF模型的不确定性约为±10.0nT,显然其中的长期变化的不确定性则要小得多,在一定程度上能够反映日变站和测线的总场长期变化。国际地磁参考场(IGRF或DGRF)的解算以5a时间为间隔,5a以内的总场长期变化可以得到较好的反映,5a以上的总场长期变化的连贯性可能会变差。为了有效地消除日变站和测区的地磁总场长期变化,显然有必要研究全球性的长时间跨度的地磁参考场,目前这方面最成功的地磁参考场当数综合模型CM4(comprehensivemodelVer.4)。它采用全球地磁观测站时平均数据(1960—)构制模型,融合了POGO(1965—1971年)、Magsat(1979—1980年)、∅rsted(1999—)和CHAMP(2000—)等卫星地磁观测数据,保证地磁总场长期变化连贯的时间跨度为1960—2002年。CM4不但包含了源于地球内部的正常场及其长期变化,而且包含了磁静日所能观测到的外源场(正常日变、磁层环流和电离层活动等)。在此情况下CM4本身包含了正常日变部分,采用CM4的地磁参考场改正,可以放弃日变站观测数据的采集、处理,一并解决日变改正、正常场及其长期变化改正。通过对美国20世纪70年代的油矿勘测评价项目航空地磁测线数据的拼接处理及2007年7月联合国教科文组织和世界地质图委员会发布的世界地磁异常图中使用的海洋地磁测线数据的拼接处理,证明综合模型CM对于长时间、空间跨度大的地磁测线数据的拼接精度优于国际地磁参考场(IGRF或DGRF)。采用类似CM的全球性长时间跨度的综合模型改正来代替原先分开的日变改正、正常场及其长期变化改正显然特别适用于难以作日变观测的开阔海域,然而对于日变观测能够控制的海洋地磁测量,仍可沿用上面的思路采用综合模型CM,只是正常日变也归人了正常场中,原先式(2)的“日变基值”T—tΤ—t应该改称为磁扰基值。日变观测数据减去磁扰基值得出磁扰变化,原先“日变改正”演进为磁扰改正,可以进一步提高测线数据的处理拼接精度。5日变校正与磁扰校正的突变传统上分离日变与磁扰并没有完全可靠的方法,磁扰阶段的日变取磁扰发生前后3d(或2d,1d等,视正常日变阶段的时间长短)的平均日变曲线。这种处理方法会使磁扰阶段的日变与正常日变的衔接产生突变(图1a中的蓝色曲线),相应地分离出来的磁扰初动和消失也是突变的(图1a中的红色曲线)。由于日变校正采用地方时和磁扰校正采用世界时,日变改正和磁扰改正之间的偏移造成这种改正的畸变,会给测线地磁数据带来额外的起伏误差,最后影响地磁数据的总精度。如果按上节最后提出的采用综合模型CM,日变观测数据减去磁扰基值得出磁扰变化,这不失为解决这个问题的好办法,或者在传统方法的基础上,依据磁扰阶段的日变曲线两端与正常日变曲线的台阶差(见图1a),进行线性倾斜改正,去除其两端的台阶差,实现磁扰阶段的日变曲线与正常日变曲线的连续自然过渡(见图1b中的蓝色曲线),再用此磁扰阶段的正常日变曲线减去实测的地磁日变曲线(见图1b中的黑色曲线),便可得到初动和消失也自然过渡的磁扰曲线(见图1b中的红色曲线),由此可以克服磁扰阶段的日变、磁扰改正给地磁测线数据带来的额外畸变误差,保证地磁数据的总精度。6日变基值及点差图2是2004年7—9月和2005年9—10月两个航次完成的浙江外海测线,地磁日变观测站设在浙江省沿海,处于测区南北方向的中间,东西方向上距离测区最近不到100km。2004年日变站正常场总值的变化范围为47307.6～47305.6nT,8月1日00:00的值为47306.8nT;2005年日变站正常场总值的变化范围为47293.9～47291.9nT,10月1日00:00的值为47293.0nT,两个航次约相差-13.8nT,基本上反映了地磁总场的长期递减趋势。根据两个航次期间日变观测值偏离正常场的情况,给出日变站位置的磁异常为-60.0nT,时间固定在2005年1月1日00:00,日变站正常场总值为47302.4nT,相当于日变基值常数47242.4nT,赋予日变基值时间、空间的含义,也使日变改正后所有测线交点差能较完全地反映船磁影响。按照传统方法,2004年日变基值为47232nT,2005年日变基值为47251nT,相差19nT,与地磁总场的长期递减趋势相反,日变基值没有明确的时间、空间的含义,也使日变改正后所有测线交点差不能较完全地反映船磁影响。无时间参照、时间同步固定和时间同步变化以及磁扰分离连续与否等情形对测线磁力数据进行日变改正,并分别对平差前后的所有252个测线交点进行交点差统计,平差方法采用线性误差模型的约束最小二乘算法。表1分别列出了各种情形下的交点差均方根值,显示时间同步变化情形比时间同步固定情形对数据精度更有保障,也表明磁扰的连续性可以提高地磁数据的精度。6异常叠加上地磁正常场的日变动值(1)在地磁日变改正中不考虑地磁总场的长期变化或其中基值的时间因素,会使日变改正与正常场改正之间的时空关系错乱,导致航次相互之间或内部出现基值差异,甚至可能不是差一个常数;通过日变总场观测值偏离正常场的某种形式的平均值,得出的日变站地磁异常叠加上地磁正常场,作为日变改正基值,有别于取常数的传统日变改正基值,可以建立起日变改正和正常场改正之间的时空协调关系。(2)日变站控制理想的地磁测量数据,可以考虑将日变站的