海洋磁力测量多站日变改正时地磁日变基值归算

海洋磁力测量多站日变改正时地磁日变基值归算

1多站地磁日变模式的确定在我国的地磁磁调整体计算中，地磁日变引入的误差是主要误差的来源。为了消除或减弱瞬时磁力测量值中地磁日变的影响,获得与时间无关的“稳态”磁场,需要进行地磁日变改正。测区的地磁日变改正信息通常由测区附近的地磁日变站观测信息内插或推估提供。当测区范围较大或远海区测量时,在一定磁测精度要求下,单个地磁日变站往往难以对整个测区进行控制,特别是在远离地磁日变站的测区,地磁日变改正精度较低。因此,当测区范围较大时,建立多个地磁日变站进行多站地磁日变改正是必要的。单站日变基值的选择具有一定的灵活性,只要满足时间不变性要求,其不会影响测区内磁场的相对异常。多站地磁日变改正时,为了使整个测区磁场水平统一,需要对各站地磁日变基值进行归算。《海洋调查规范·海洋地质地球物理调查》(以下称《规范》)中规定,同一测区使用两个以上地磁日变站资料时,应选取靠近测区的地磁日变站作为主站,其他地磁日变站的地磁日变基值向主站归算。然而,《规范》没有给出具体的归算方法,国内外也无相关的公开研究成果。基于地磁日变化的时空分布特点,本文以两站采用线性内插法为例,研究了多站地磁日变基值对磁测的影响,提出了地磁日变基值的归算方法。2多站地磁日变站有效控制范围的确定海洋磁力测量中,单站地磁日变改正模式的前提条件是地磁日变站点与测区的地磁日变化在空间上是强相关的,即在一定空间范围内,地磁日变站的地磁日变化能够代表测区的地磁日变化。《规范》中指出:地磁日变站的有效控制半径为300～500km,即在此范围内的测区的地磁日变化都可由地磁日变站的地磁日变化代替。然而,根据地磁学知识可知,地磁日变沿经线方向和纬线方向的变化存在显著差异,地磁日变化在经度方向上大致相同,在纬度方向上存在较大差异。所以,地磁日变站应该区分纬度方向和经度方向有效控制范围概念,在经度上可以控制较大范围,而在纬度上控制范围相对较小。同时,不同等级海洋磁力测量对地磁日变改正精度的要求是不同的,地磁日变站的有效控制范围也应有所不同,地磁日变改正精度要求越高,地磁日变站的有效控制范围越小。总之,地磁日变站有效控制范围的确定应取决于地磁日变改正精度要求和地磁日变空间差异。祁贵仲分析了中国地区地磁日变化的纬度效应和经度效应,发现在一定的空间范围内,地磁日变化的经度效应较纬度效应要小一个量级;Benkova研究也认为,通常情况下纬度效应引起的地磁日变化差异超过百分之八十;Auld比较了纬度相同、经度差相差7°的沿岸地磁日变站与海底地磁日变站同步地磁日变观测数据发现,地磁日变化差异不超过3nT;Riddihough也发现纬度相近的两地磁日变站虽然经度差为4°,地磁日变化差异不超过1nT。以上事实都反映出:在一定空间范围内,地磁日变化的空间差异主要取决于纬度效应。本文对经差和纬差分别为3°14′52″与38′21″的同步试验数据进行了计算,得到的地磁日变改正值差值中误差仅为0.56nT,其中包含纬度效应和经度效应两部分的影响,表明经度差为3°14′52″时经度效应的影响要小于0.56nT,与文献结论较为一致。而经差和纬差为30′10″与45′50″的同步试验数据计算出的地磁日变改正值差值中误差却超过0.70nT。可以看出,在经度差减小为1/6,纬度差略有增大的情况下,地磁日变改正值差值中误差却有所增大,验证了地磁日变化的空间差异主要取决于纬度效应的结论。尽管这与地磁日变化受制于观测点相对太阳的位置及其变化的常识不相符合,但理论分析和工程应用中还是具有重要的参考价值。同时,利用大量实测数据统计发现,随着纬差的增大,地磁日变化差异也逐渐加大,相同纬差情况下,中国高纬海区的地磁日变化差异略小于低纬海区。根据上述地磁日变时空变化特点,高精度的海洋磁力测量中,为了将地磁日变改正误差控制在一定指标范围内,应尽可能将地磁日变站布设在测区中心,使地磁日变站的有效控制范围覆盖整个测区。当无法在测区内布设地磁日变站时,应在与测区中心同纬度的地区布设地磁日变站。当测区超出地磁日变站有效控制范围时,利用单站进行地磁日变改正无法满足地磁日变改正精度需求,应考虑联合多站地磁日变改正数据,进行多站地磁日变改正。多站所包含的变化磁场信息比单站多得多,两站变化相同或相似的部分,其场源要么远离台站,要么场源尺度远大于台站距离;两站变化不同的部分可能起源于靠近一个台站的局部场源。实际测量作业中,地磁日变站点数目和分布的选择需要考虑人力和经济等诸多因素,地磁日变站的数目往往不宜布设过多。故本文以两个地磁日变站为例,分析采用线性内插法时地磁日变基值对磁测的影响。3多站线性内插法所含之地磁日变基如图1所示,设磁测点位于地磁日变站A和B的连线上,测点M和N在t时刻的磁异常值ΔTM和ΔTN分别为:ΔΤΜ=ΤΜ(t)-ΔΤΜ0(t)-RBΜΔΤA(t)+RAΜΔΤB(t)RAB(1)ΔΤΝ=ΤΝ(t)-ΔΤΝ0(t)-RBΝΔΤA(t)+RAΝΔΤB(t)RAB(2)ΔTM=TM(t)−ΔTM0(t)−RBMΔTA(t)+RAMΔTB(t)RAB(1)ΔTN=TN(t)−ΔTN0(t)−RBNΔTA(t)+RANΔTB(t)RAB(2)式中,ΔΤA(t)=ΤA(t)-ΤA和ΔΤB(t)=ΤB(t)-ΤB分别为A站和B站的地磁日变改正值;ΤA(t)与ΤB(t)为地磁日变站观测值;TA和TB为各站的地磁日变基值;TM0(t)和TN0(t)分别为测点M与N的主磁场强度值;RAM和RBM分别是测点M距A站和B站的距离;RAN和RBN分别是测点N距A站和B站的距离;RAB为地磁日变站A和B之间距离。由地磁日变化时空分布特点可知,当测点M和N距离较近时,可认为两测点处的地磁日变化基本相同,测点M和N之间的相对磁异常可表示为:δΤΜΝ=ΔΤΜ-ΔΤΝ=(ΤΜ(t)-ΔΤΜ0(t))-(ΤΝ(t)-ΔΤΝ0(t))(3)考虑更为一般的情况,当测点M和N距离较远时,两测点处地磁日变化便会存在一定的差异,根据地磁日变化具有日周期变化的特点,视地磁日变为时间的单值连续函数,此时,可将测点M和N之间的相对磁异常表示为:δΤΜΝ=ΔΤΜ-ΔΤΝ=1τ∫τ0(ΤΜ(t)-ΔΤΜ0(t))-(ΤΝ(t)-ΔΤΝ0(t))dt(4)式中,τ通常取一天的整数倍。将式(1)与式(2)积分后相减,并代入式(4)得:ΤB=ΤA+1τ∫τ0(ΤB(t)-ΤA(t))dt(5)将式(5)离散化得:ΤB=ΤA-1nn∑i=1ΤA(ti)+1nn∑i=1ΤB(ti)(6)式(6)就是多站线性内插法时地磁日变基值归算公式。在海洋磁力测量中,如果采用分带地磁日变改正作业模式,也可以利用式(6)进行地磁日变基值归算。4同步观测期间地磁日变逐步完善同步地磁日变观测数据来源于某次海洋磁力测量实践,同步地磁日变站点分布如图2所示,其中A站和B站间距离98km。同步地磁日变观测时段为7天,地磁日变仪器采用HC-90D型高精度氦光泵地面日变磁力仪,磁测灵敏度0.01nT,同步观测时间以北京时间为基准,数据采样间隔为1min。剔除地磁日变观测数据中粗差和其他干扰因素的影响,得到的两站观测时段内所有地磁日变数据零均值化地磁日变改正曲线和地磁日变改正值差值曲线如图3所示。由图3(a),同步观测期间内地磁日变幅度均小于100nT,根据《规范》规定,该同步观测时段内地磁日变化属于磁静日变化。虽然A站和B站距离98km,但两站地磁日变改正曲线仍然保持较好的一致性,表明在一定空间范围内采用单站地磁日变改正是可行的。从图3(b)可以看出,A站和B站地磁日变改正曲线差异在白天较大,晚间较小,特别是在地磁日变变化较为剧烈的时段,两站地磁日变改正曲线差异更为明显。因此,当地磁日变改正精度要求较高时,还应考虑进行多站地磁日变改正模式或分带地磁日变改正模式,此时,需要进行多站地磁日变基值归算。设A站为主站,地磁日变基值为47000.00nT,采用本文所提基值归算方法对B站地磁日变基值进行归算,归算出的B站地磁日变基值结果如表1。从表1可以看出,A站和B站地磁日变数据日平均值变化幅度分别为19.78nT和20.89nT,但两站地磁日变数据日平均值基本上是呈同步变化的,计算得到的B站地磁日变基值也较为稳定,最大值47144.36nT,最小值47143.25nT,平均值47143.84nT,均方差为±0.36nT,表明本文提出的地磁日变基值归算方法是适用的。本文基值归算时采用的同步观测时段仅为1天,如果采用更长的时段,B站归算得到的地磁日变基值将更加稳定。5多站地磁日变基海洋磁力测量中采用多站函数内插或分带地磁日变改正时,可以选择各站数天的同步观测时段内地磁日变数据,求取平均值作为各站地磁日变基值,此时无须