西沙海域磁測數(shù)據(jù)日變改正方法的研究

西沙海域磁測數(shù)據(jù)日變改正方法的研究

1海洋磁測中的地磁日變現(xiàn)象測量模在磁體測量中，地磁日變化變化是操作過程中的一個(gè)重要組成部分，直接影響磁體測量結(jié)果的精度。近年來,海洋磁測技術(shù)和方法不斷更新提高,提高海洋磁測的精度問題越來越被人們關(guān)注。以海底觀測錨系的方式,將地磁日變觀測站設(shè)到海洋調(diào)查工區(qū)附近海底的方法,在南海北部和中部等海域海洋磁測過程中得到了多次成功的應(yīng)用,解決了遠(yuǎn)海區(qū)無法采集到地磁日變觀測記錄資料的問題,在海洋調(diào)查中發(fā)揮了積極的作用。與航空磁測一樣,海洋磁測與地面磁測相比具有動(dòng)態(tài)連續(xù)作業(yè)、調(diào)查工區(qū)范圍大等特點(diǎn)。要提高海洋磁測的精度,解決大范圍的、遠(yuǎn)程磁測的地磁日變改正需要在技術(shù)方法上進(jìn)行深入研究,探討解決問題的有效途徑。我國的多臺(tái)站地磁觀測數(shù)據(jù)應(yīng)用研究開展得比較廣泛,主要應(yīng)用于在華北的地震中長期預(yù)報(bào)、區(qū)域性的地磁場變化特征分析和航磁調(diào)查中日變改正(吳有國,1997;郭建華,2002;林德綏,1993;解用明,2004)。特別是在青藏高原地區(qū)航磁調(diào)查中有效地消除了在航磁調(diào)查中的磁日變影響,較好地提高了調(diào)查資料的質(zhì)量。本文旨在研究海洋磁測中的地磁日變改正的資料處理方法。通過分析不同距離臺(tái)站對(duì)測區(qū)磁測資料日變改正的精度影響程度,嘗試多臺(tái)站的地磁日變觀測數(shù)據(jù)對(duì)海洋磁測數(shù)據(jù)日變改正的方法;探討提高遠(yuǎn)海區(qū)海洋磁測精度的有效途徑。2海洋磁測測量設(shè)備及測線本文研究的地磁日變觀測數(shù)據(jù)包括:兩個(gè)地磁觀測基準(zhǔn)臺(tái)站、廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局自設(shè)的海底地磁日變觀測站和物探調(diào)查船采集得到的海洋磁測數(shù)據(jù)。調(diào)查船磁測工區(qū)的位置為:113-115°E;16°-18°N海域。海洋磁力測線布設(shè)按照1∶50萬比例尺進(jìn)行,主測線10km間距,聯(lián)絡(luò)測線50km間距。主測線方向采用145°,聯(lián)絡(luò)測線方向?yàn)?35°。區(qū)內(nèi)海洋磁測測量的主測線為27條、聯(lián)絡(luò)測線6條、測線交點(diǎn)共91個(gè)。三個(gè)地磁地磁日變觀測站中兩個(gè)地磁觀測基準(zhǔn)臺(tái)站分別位于廣東省肇慶市、海南省瓊中縣,另外一個(gè)海底日變觀測站布設(shè)在我國南海的西沙群島石島東南的海底(下文簡稱西沙海底站),水深900m。三個(gè)測站距離工區(qū)的最大和最小距離見表1。數(shù)據(jù)采集時(shí)間為2005年4月23日～5月9日,共15個(gè)工作日。調(diào)查船的數(shù)據(jù)在前14天完成。本文中的三個(gè)臺(tái)站和調(diào)查船采用的測量設(shè)備的儀器名稱和相關(guān)的主要指標(biāo)(精度和分辨率)見表2。觀測設(shè)備分別為質(zhì)子旋進(jìn)磁力儀、增強(qiáng)型的Overhauser質(zhì)子旋進(jìn)磁力儀和銫光泵磁力儀,這些均屬于高精度的磁測設(shè)備,其分辨率和靈敏度非常高。此外,測量船的導(dǎo)航定位采用了星站差分GPS接收技術(shù),動(dòng)態(tài)定位的小于1.0m。高精度的測量技術(shù)可滿足本項(xiàng)目精度分析研究的需要。3數(shù)據(jù)處理流程及結(jié)果分析圖1為廣東肇慶、海南瓊中和西沙三個(gè)臺(tái)站的海底15天的地磁日變觀測數(shù)據(jù)。初步分析這些觀測數(shù)據(jù)可知,其中10天屬于磁靜日,4天屬于磁擾日,5月9日最后一天中的觀測記錄出現(xiàn)了磁爆現(xiàn)象。三個(gè)臺(tái)站記錄基本上反映了普遍規(guī)律,三個(gè)臺(tái)站數(shù)據(jù)的變化相位基本相同,但幅度相差較大。符合在地磁擾動(dòng)同相帶內(nèi)(磁緯45°S～45°N)磁日日變幅隨日變站所處緯度增加而增加,同緯度的日變站磁日變形態(tài)具有相近的規(guī)律。這不僅與高空的大氣電離層分布有關(guān),而且也與臺(tái)站所在地地下構(gòu)造巖體的磁性分布密不可分。物探調(diào)查船磁測數(shù)據(jù)是由G880銫光泵磁力儀所采集到的,數(shù)據(jù)處理采用了常規(guī)的海洋磁力測量數(shù)據(jù)處理流程。首先改正電纜偏移距,把定位中心歸算到磁測傳感器位置上,然后采用國際地磁參考場作正常場改正,計(jì)算時(shí)選用國際橢球體地磁模型,球諧分析的階數(shù)為10階,用公開發(fā)表的2000球諧系統(tǒng)(IGRF)值計(jì)算(安振昌,1998);再對(duì)船磁方位進(jìn)行改正,最后用廣東肇慶、海南瓊中、西沙海底三個(gè)臺(tái)站數(shù)據(jù)分別代入進(jìn)行地磁日變改正后,再求得三組不同臺(tái)站的工區(qū)主測線和聯(lián)絡(luò)測線交點(diǎn)的均方差數(shù)據(jù)。在計(jì)算主測線和聯(lián)絡(luò)測線交點(diǎn)的磁力測量值偏差時(shí),交點(diǎn)的位置水平距離偏差設(shè)置為小于1.0m。磁測數(shù)據(jù)的精度分析均為調(diào)差前的數(shù)據(jù)。經(jīng)過計(jì)算,用西沙海底臺(tái)的數(shù)據(jù)改正調(diào)查船的磁測數(shù)據(jù),得到的交點(diǎn)的均方差為10.9;海南瓊中臺(tái)為11.8,廣東肇慶臺(tái)為15.4。按照海洋地質(zhì)調(diào)查規(guī)范,去掉3%的偏差大的交點(diǎn)之后,用西沙海底臺(tái)的數(shù)據(jù)改正調(diào)查船的磁測數(shù)據(jù),得到交點(diǎn)的均方差為8.2,海南瓊中臺(tái)為9.9,廣東肇慶臺(tái)為14.1。計(jì)算結(jié)果表明:①采用至工區(qū)不同距離臺(tái)站地磁日變觀測數(shù)據(jù)去改正海洋磁力測量數(shù)據(jù),會(huì)產(chǎn)生不同的影響程度;臺(tái)站的距離越近得到的精度越高。②西沙海底臺(tái)與調(diào)查工區(qū)相距不遠(yuǎn),最遠(yuǎn)處也不足300km;但由于工區(qū)范圍廣,用該臺(tái)的數(shù)據(jù)去做日變改正,得到的效果不太理想。作者分析這種影響測量精度的原因是:測量點(diǎn)的位置推算是假設(shè)在磁力測量拖曳的航跡與船只航跡平行,計(jì)算段內(nèi)為直線航行(用設(shè)備自帶的位置歸算軟件來處理,以每10km分段推算傳感器位置的方法),因而傳感器位置的確定存在著一定的誤差;船磁方位改正沒有起到很好的作用,由此帶來的誤差影響依然存在;調(diào)查比例小,測線交點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集時(shí)間相隔較長,綜合影響因素偏大。4多航站樓的計(jì)算方法參照航磁測量中多臺(tái)站日變改正方法研究成果,本文在計(jì)算方法上作了部分改進(jìn)。用三個(gè)臺(tái)站的數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)合演算,計(jì)算出作業(yè)工區(qū)中心點(diǎn)的日變數(shù)據(jù),將這個(gè)中心點(diǎn)作為一個(gè)虛擬的日變觀測站。用這個(gè)虛擬站推導(dǎo)出來的數(shù)據(jù)對(duì)磁測數(shù)據(jù)進(jìn)行日變改正,計(jì)算均方誤差,并與距離作業(yè)工區(qū)最近的海底臺(tái)站數(shù)據(jù)進(jìn)行日變校正后的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。設(shè)已知3個(gè)臺(tái)站數(shù),(Xi,Yi)為各站坐標(biāo),(x0,y0)為工區(qū)中心點(diǎn)計(jì)算坐標(biāo),Ti為各站日變值,各臺(tái)站與中心點(diǎn)之間距離為:di=(x?xi)2?(y?yi)2????????????????√(1)計(jì)算點(diǎn)(x0,y0)處的日變值T(x0,y0)采用加權(quán)平均法可由下式求出:T(x0,y0)=∑i=1mf(di)Ti/di(2)式中,f(di)=1/(d2i+ε)4;ε是一個(gè)極小量,以防止分母為零。用多臺(tái)站記錄值計(jì)算出來的中心點(diǎn)的數(shù)據(jù)對(duì)工區(qū)的磁測資料進(jìn)行日變改正,得到均方差值為11.7,剔除3%的偏差大的交點(diǎn)后計(jì)算得到的交點(diǎn)均方誤差為9.2。這個(gè)數(shù)據(jù)高于西沙海底站日變觀測數(shù)據(jù)的日變改正后的結(jié)果。計(jì)算結(jié)果表明,多臺(tái)站的計(jì)算方法不但沒有提高磁測的精度,反而下降了。這與航磁中的多臺(tái)站應(yīng)用效果相違背。究其原因,計(jì)算所需設(shè)置的工區(qū)中心點(diǎn)在西沙海底臺(tái)、海南瓊中臺(tái)和廣東肇慶臺(tái)構(gòu)成網(wǎng)的外面,屬于計(jì)算模型中外延的推算結(jié)果。假如設(shè)置的中心點(diǎn)在多臺(tái)站網(wǎng)的內(nèi)部,屬于計(jì)算模型中內(nèi)插的推算結(jié)果。因此,本文中外延推算的結(jié)果精度不如西沙海底臺(tái)數(shù)據(jù)的高,可認(rèn)為只有在內(nèi)插的計(jì)算結(jié)果會(huì)得到相應(yīng)的提高。另外,遠(yuǎn)距離的地磁臺(tái)站的日變觀測數(shù)據(jù)在一定程度上也降低了多臺(tái)站日變改正計(jì)算的精度。5完善遠(yuǎn)沿海地區(qū)地磁日變觀測系統(tǒng)的布設(shè)通過用多個(gè)臺(tái)站的地磁日變觀測數(shù)據(jù)對(duì)遠(yuǎn)海磁測資料改正,分析其相應(yīng)的成果精度,對(duì)遠(yuǎn)海區(qū)磁測資料的日變改正方法取得如下幾點(diǎn)認(rèn)識(shí):(1)用不同距離的日變觀測站數(shù)據(jù)去改正遠(yuǎn)海工區(qū)的磁測,會(huì)得到不同調(diào)查精度。日變站距工區(qū)越近,相應(yīng)的精度也越高;因此,要提高遠(yuǎn)海區(qū)的磁測精度,必需將地磁日變觀測站設(shè)立在靠近調(diào)查工區(qū)的海域。(2)對(duì)于大范圍的海洋磁測工區(qū)布設(shè)多臺(tái)站網(wǎng)時(shí),首先考慮每個(gè)臺(tái)站的距離盡可能要靠近工區(qū)