兩種典型磁擾對(duì)航空磁測(cè)的影響研究(依據(jù)2015退修要求修改)

1、兩種典型磁擾對(duì)航空磁測(cè)的影響研究徐東禮，范正國(guó)，舒晴，葉挺明，陳浩（中國(guó)國(guó)土資源航空物探遙感中心，北京 100083）摘 要：磁擾是磁暴發(fā)生期內(nèi)間斷性出現(xiàn)的地磁場(chǎng)擾動(dòng)變化，可以出現(xiàn)在磁暴的不同階段，也稱暴間磁擾，其幅度和形態(tài)與磁暴的規(guī)模和類型相關(guān)，規(guī)模較大的磁暴期間出現(xiàn)的磁擾比規(guī)模較小的磁暴期間出現(xiàn)的磁擾幅度大、頻次高、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)。研究發(fā)現(xiàn)，實(shí)際生產(chǎn)中最常見(jiàn)的磁擾幅度一般在幾納特至十幾納特，形態(tài)主要呈線性梯度變化和非線性擾動(dòng)變化，這兩種典型磁擾對(duì)磁測(cè)結(jié)果的影響程度究竟如何，經(jīng)過(guò)磁日變校正是否能夠有效消除，本文結(jié)合生產(chǎn)實(shí)例，探討磁日變校正對(duì)消除磁擾的作用，這對(duì)高精度航空磁測(cè)具有現(xiàn)實(shí)意義。關(guān)鍵詞：

2、地磁場(chǎng)，航空磁測(cè)，磁日變，磁暴，磁擾，內(nèi)符合精度中圖分類號(hào)：P631.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1000-8918（2015）02-0200-04地球周圍存在的磁場(chǎng)稱為地磁場(chǎng)，地磁場(chǎng)是一個(gè)矢量場(chǎng)，在磁法勘探中通常測(cè)量的是地磁總場(chǎng)強(qiáng)度的模量值，其中包含了地球基本磁場(chǎng)、磁異常場(chǎng)和變化磁場(chǎng)。地球基本磁場(chǎng)也可認(rèn)為是地磁正常場(chǎng)，在磁法勘探中被當(dāng)作背景場(chǎng)，可通過(guò)國(guó)際地磁參考場(chǎng)（IGRF）模型進(jìn)行地磁正常場(chǎng)校正；磁異常場(chǎng)是地殼內(nèi)的巖石礦物及地質(zhì)體在基本磁場(chǎng)磁化作用下所產(chǎn)生的磁場(chǎng)，是磁法勘探研究的主要對(duì)象，磁異常場(chǎng)是無(wú)法通過(guò)儀器直接觀測(cè)到的，但可通過(guò)測(cè)量地磁總場(chǎng)強(qiáng)度模量值，再經(jīng)地磁正常場(chǎng)校正和變化場(chǎng)校正獲

3、得，即T磁異常。變化磁場(chǎng)是疊加在地球基本磁場(chǎng)上的變化場(chǎng)，在磁法勘探中屬于干擾場(chǎng)，應(yīng)加以去除1,2。變化磁場(chǎng)包括長(zhǎng)期變化場(chǎng)和短期變化場(chǎng)，長(zhǎng)期變化場(chǎng)起源于地球內(nèi)部場(chǎng)源隨時(shí)間的緩慢變化，周期一般為數(shù)十年甚至更長(zhǎng)，這部分影響相對(duì)于測(cè)量周期較短的區(qū)域磁測(cè)來(lái)說(shuō)影響甚微，而短期變化場(chǎng)主要起因于地球外部場(chǎng)源的變化，包含周期性出現(xiàn)、平緩而有規(guī)律的平靜變化（如地磁日變），以及偶然發(fā)生、幅度不定的擾動(dòng)變化，如磁暴或磁擾。磁暴是一種劇烈的全球性地磁擾動(dòng)現(xiàn)象，當(dāng)太陽(yáng)表面活動(dòng)旺盛，特別是在太陽(yáng)黑子極大期時(shí)，太陽(yáng)表面的閃焰次數(shù)增加，并輻射出X射線、紫外線、可見(jiàn)光及高能量的質(zhì)子和電子束，其中的帶電粒子（質(zhì)子、電子）形成的太陽(yáng)

4、風(fēng)以每秒數(shù)百甚至上千公里的速度向外拋射，沖擊地球磁場(chǎng)，引發(fā)地球磁場(chǎng)突變，形成磁暴。一個(gè)完整磁暴周期起始于地面磁場(chǎng)強(qiáng)度的增加，稱為磁暴急始，在數(shù)小時(shí)內(nèi)，地磁場(chǎng)水平分量較平靜值變大，一般為數(shù)十納特，磁照?qǐng)D相對(duì)穩(wěn)定，這段期間稱為磁暴初相；之后，水平分量很快下降到極小值，下降時(shí)間約半天，期間磁照?qǐng)D起伏劇烈，為磁暴活躍期，稱為磁暴主相；水平分量下降到極小值后開(kāi)始緩慢回升，數(shù)天后恢復(fù)平靜，這段期間稱為磁暴恢復(fù)相。磁擾是磁暴發(fā)生期內(nèi)間斷性出現(xiàn)的地磁場(chǎng)擾動(dòng)變化，可以出現(xiàn)在磁暴的不同階段，也稱為暴間磁擾，磁擾的幅度和形態(tài)與磁暴的規(guī)模和類型相關(guān)，規(guī)模較大的磁暴期間出現(xiàn)的磁擾比規(guī)模較小的磁暴期間出現(xiàn)的磁擾幅度大、頻

5、次高、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)3,4,5。磁暴強(qiáng)度劃分上，一般把Dst指數(shù)不超過(guò)50nT的磁暴稱為小規(guī)模磁暴，50-100nT的磁暴稱為中等規(guī)模磁暴，100-200nT的磁暴稱為大磁暴，超過(guò)200nT的磁暴屬于超強(qiáng)磁暴6，不同規(guī)模的磁暴對(duì)磁測(cè)結(jié)果均產(chǎn)生顯著影響，因此地面高精度磁測(cè)技術(shù)規(guī)程和航空磁測(cè)技術(shù)規(guī)范中均有在磁暴發(fā)生時(shí)停止作業(yè)的規(guī)定7,8。那么不同的磁擾對(duì)磁測(cè)結(jié)果的影響程度究竟如何？研究發(fā)現(xiàn)，磁擾主要呈線性梯度變化和非線性擾動(dòng)變化兩種典型形態(tài)，其幅度一般在幾納特至十幾納特。客觀上說(shuō)，磁擾是干擾場(chǎng)，即使是幾納特的擾動(dòng)也足以影響航空磁測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。那么通過(guò)磁日變校正，能夠有效消除這種影響嗎？筆者在多個(gè)工區(qū)

6、的航空磁測(cè)施工中，觀察并分析了多起磁擾實(shí)例，并選擇在磁靜日對(duì)受影響測(cè)線進(jìn)行了重復(fù)飛行，通過(guò)重飛前、后磁異常結(jié)果對(duì)比分析，初步揭示了這兩種典型磁擾對(duì)航空磁測(cè)結(jié)果的影響程度，以及磁日變校正對(duì)降低甚至消除其影響所起的作用，這對(duì)高精度航空磁測(cè)具有現(xiàn)實(shí)意義。1 磁擾影響程度分析方法基于磁法勘探理論，航空磁測(cè)中測(cè)得的總磁場(chǎng)強(qiáng)度模量值T，經(jīng)過(guò)正常場(chǎng)改正后，獲得了T磁異常（記為T(mén)校正常場(chǎng)），再經(jīng)過(guò)日變校正，可初步獲得由磁性巖礦石和地質(zhì)體引起的T磁異常（記為T(mén)校磁日變）。顯然，T校正常場(chǎng)中包含了磁日變的成分，在磁擾日觀測(cè)時(shí)也包含了磁擾的成分。從理論上講，如果磁日變觀測(cè)站設(shè)置合理，觀測(cè)到的磁日變與測(cè)線上的磁日變完

7、全一致，并且地面磁日變觀測(cè)系統(tǒng)與空中測(cè)量系統(tǒng)的收錄時(shí)間完全同步，那么通過(guò)磁日變校正應(yīng)該能夠?qū)⒆兓瘓?chǎng)中的平靜變化和擾動(dòng)變化部分完全消除，獲得的最終T校磁日變磁異常將是地下磁性巖礦石和地質(zhì)體的真實(shí)反映。但是實(shí)際情況不會(huì)是理想的，通常磁日變站觀測(cè)到的結(jié)果，與測(cè)線上實(shí)際的磁日變會(huì)存在一定的差別，隨著兩者之間距離的增加，尤其是當(dāng)兩者在不同地理緯度上距離增加時(shí)，差別也會(huì)隨之增大9,10，當(dāng)兩者之間的距離較近時(shí)，其差別往往可以被忽略。因此地面高精度磁測(cè)技術(shù)規(guī)程和航空磁測(cè)技術(shù)規(guī)范中均對(duì)磁日變站的控制距離有明確規(guī)定7,8。通過(guò)選擇在磁靜日對(duì)受影響測(cè)線進(jìn)行重復(fù)觀測(cè)（重復(fù)飛行的航跡和離地高度與首次飛行一致），我們可

8、以獲得同一測(cè)線在磁擾日和磁靜日兩次觀測(cè)的T校磁日變磁異常剖面，依據(jù)航磁重復(fù)線測(cè)量質(zhì)量評(píng)價(jià)方法11，計(jì)算出兩者的內(nèi)符合精度值，可以衡量?jī)纱斡^測(cè)結(jié)果的一致性。很明顯，內(nèi)符合精度值越小，說(shuō)明兩者一致性越好，亦即磁日變校正對(duì)消除磁擾影響效果越好；反之，內(nèi)符合精度值越大，則說(shuō)明兩者一致性越差，亦即磁日變校正對(duì)消除磁擾影響的效果不好。同理，通過(guò)兩次觀測(cè)的T校正常場(chǎng)磁異常剖面（未經(jīng)磁日變校正）進(jìn)行對(duì)比和內(nèi)符合精度計(jì)算結(jié)果，可以衡量未經(jīng)磁日變校正情況下磁擾對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響程度。根據(jù)上述分析，我們先計(jì)算磁擾日和磁靜日兩次觀測(cè)的T校正常場(chǎng)磁異常內(nèi)符合精度（前），衡量磁日變校正前磁異常的重合程度；再計(jì)算兩次觀測(cè)的T

9、校磁日變磁異常內(nèi)符合精度（后），衡量磁日變校正后磁異常的重合程度。并依據(jù)下列公式，計(jì)算磁日變校正對(duì)磁擾影響的改善率：R =前 /后 其中，前為兩次觀測(cè)結(jié)果未經(jīng)磁日變校正時(shí)的內(nèi)符合精度，后為經(jīng)過(guò)磁日變校正后的內(nèi)符合精度，R為改善率，衡量磁日變校正對(duì)磁擾影響的改善程度。R值大于1，說(shuō)明磁日變校正對(duì)測(cè)量結(jié)果有改善；R值小于等于1，則說(shuō)明磁日變校正對(duì)測(cè)量結(jié)果無(wú)改善。很明顯，由于磁日變中包含了磁擾的成分，R值越大，說(shuō)明磁日變校正對(duì)消除磁擾影響的效果越好。2 應(yīng)用實(shí)例例一：線性梯度變化的磁擾對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響2010年4月12日發(fā)生了磁擾，磁日變出現(xiàn)較大的變化，影響到海南某工區(qū)的一條測(cè)線，記錄顯示在14:0

10、414:09的5分鐘時(shí)段內(nèi)，磁日變線性梯度變化幅度達(dá)22nT（圖1），磁日變的梯度變化使該條測(cè)線磁場(chǎng)觀測(cè)值形成了臺(tái)階，事后選擇磁靜日對(duì)該測(cè)線進(jìn)行了重飛。圖1 海南某工區(qū)磁日變部分記錄通過(guò)繪制該測(cè)線在磁擾日和磁靜日兩次觀測(cè)的、經(jīng)正常場(chǎng)校正后的T磁異常剖面（圖2），清晰地觀察到在磁日變開(kāi)始梯度變化之前，兩次觀測(cè)的T磁異常形態(tài)和強(qiáng)度基本一致，但是隨著磁日變的線性梯度下降，T磁異常曲線也出現(xiàn)了相同趨勢(shì)的偏離，重合度變差，計(jì)算磁日變校正前兩條磁異常曲線的內(nèi)符合精度前為5.218nT，這個(gè)值越大，重合度越不好，一段質(zhì)量較好的重復(fù)線的內(nèi)符合精度值一般為1nT左右。圖2 兩次觀測(cè)的T磁異常剖面圖（校磁日變前）

11、圖3 兩次觀測(cè)的T磁異常剖面圖（校磁日變后）再繪制經(jīng)磁日變校正后的T磁異常剖面圖（圖3），可見(jiàn)，經(jīng)過(guò)磁日變校正，在磁擾日測(cè)量獲得的T磁異常與磁靜日重復(fù)觀測(cè)的結(jié)果重合度非常好，其內(nèi)符合精度后為1.620nT，遠(yuǎn)小于前的結(jié)果。根據(jù)公式，計(jì)算改善率R為3.221，說(shuō)明經(jīng)過(guò)磁日變校正，兩次觀測(cè)的T磁異常一致性提高3倍以上。本例中的磁擾，使磁日變產(chǎn)生了22nT/5分鐘的線性梯度變化，但通過(guò)磁日變校正獲得的T磁異常，取得了與磁靜日重復(fù)觀測(cè)幾乎同樣的結(jié)果，說(shuō)明此類規(guī)模、呈線性梯度變化的磁擾，能夠通過(guò)磁日變校正而有效消除。那么，當(dāng)磁日變出現(xiàn)非線性的擾動(dòng)變化時(shí)，對(duì)磁測(cè)結(jié)果的影響程度如何？再看下面的實(shí)例。例二：非

12、線性擾動(dòng)變化的磁擾對(duì)磁測(cè)結(jié)果的影響2008年12月31日出現(xiàn)磁擾，影響到山西某工區(qū)的一條測(cè)線，磁日變記錄顯示在14:5515:15之間，磁日變出現(xiàn)連續(xù)擾動(dòng)變化，磁擾的最大變化率為7.5nT/3min（圖4），超過(guò)規(guī)范要求，事后對(duì)該測(cè)線進(jìn)行了重飛。圖4 山西某工區(qū)磁日變記錄繪制該測(cè)線在磁擾日和磁靜日兩次觀測(cè)的、經(jīng)正常場(chǎng)校正后的T磁異常剖面（圖5），可見(jiàn)，兩者的重合度不好，尤其是在磁擾最大變化率出現(xiàn)的位置兩者偏離更為明顯，計(jì)算顯示此時(shí)的內(nèi)符合精度前為2.253nT。圖5 兩次觀測(cè)的T磁異常剖面圖（校磁日變前）圖6 兩次觀測(cè)的T磁異常剖面圖（校磁日變后）再繪制經(jīng)磁日變校正后的T磁異常剖面圖（圖6），

13、可見(jiàn)，經(jīng)過(guò)磁日變校正，磁擾日獲得的T磁異常與磁靜日的結(jié)果重合度大為改善，在磁擾最大變化率位置兩者已基本重合，計(jì)算顯示此時(shí)的內(nèi)符合精度后為1.581nT。根據(jù)公式，計(jì)算改善率R為1.425，說(shuō)明經(jīng)過(guò)磁日變校正，兩次觀測(cè)的T磁異常一致性提高了近1.5倍。通過(guò)磁日變校正，取得了與磁靜日幾乎同樣的觀測(cè)結(jié)果，說(shuō)明此類規(guī)模、呈非線性擾動(dòng)變化的磁擾，也能夠通過(guò)磁日變校正而有效消除。3 結(jié)論本文通過(guò)對(duì)多個(gè)不同工區(qū)的大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算、分析，初步得出以下結(jié)論：航空磁測(cè)生產(chǎn)中常見(jiàn)的、呈線性梯度變化和非線性擾動(dòng)變化的兩種典型磁擾，對(duì)航空磁測(cè)結(jié)果仍會(huì)產(chǎn)生較為明顯的影響，但是經(jīng)過(guò)有效的磁日變校正，這種影響能夠被降低甚

14、至消除，獲得的最終T磁異常與在磁靜日重復(fù)觀測(cè)的結(jié)果基本一致。這充分說(shuō)明了磁日變觀測(cè)的重要性，也證明了嚴(yán)格按照規(guī)范進(jìn)行磁日變站選址、空地儀器校時(shí)，對(duì)提高磁日變觀測(cè)質(zhì)量，進(jìn)而提高整個(gè)工區(qū)的航磁測(cè)量質(zhì)量的必要性。參考文獻(xiàn):1 管志寧.地磁場(chǎng)與磁力勘探.北京:地質(zhì)出版社,2005.2 譚承澤,郭紹雍.磁法勘探教程M.北京:地質(zhì)出版社,1984.3 李興才,曹惠馨,任克新,等.一種頻率較低的磁擾是地震前兆嗎J.地震學(xué)報(bào),第18(1).4 楊少峰.急始磁暴期間的地磁脈動(dòng).地球物理學(xué)報(bào),1992,35(2):133141.5 楊少峰,孫煒,徐寶連.與磁暴急始有關(guān)的瞬態(tài)地磁脈動(dòng).地球物理學(xué)報(bào),1987,30(

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