北极地区地磁总强度的测量与分析＊

刘阳深 付碧宏 李 晨 刘玉曼

1）北京五中，北京 100007

2）中国科学院对地观测与数字地球科学中心，北京 100094

（作者电子信箱，刘阳深：xinlong856f＠126．com）

引言

地磁场是重要的地球物理场。地磁场具有一定的空间分布，并且它还随时间的变化而变化。地磁场的研究，不仅对于深入了解地球的起源、探索宇宙奥秘等具有重要的科学意义，而且在诸如能源与矿产资源的探查与开发、飞机与舰船的导航、无线电通信、航空航天、空间天气预测、地震与火山喷发等自然灾害预测等方面都有重要应用［1－2］。

地磁场是由主磁场、变化磁场和岩石圈磁场组成的。主磁场来源于地球的外核（液核），变化磁场来源于电离层、磁层以及太阳活动［3］。岩石圈磁场是由地下介质的磁化强度（感应磁化强度和剩余磁化强度）所产生的磁场构成的。局部地区的地质构造、地壳活动等可引起岩石圈磁异常［4］。

地磁场的测量与研究是地球物理学的重要内容。在地球的许多地方，建立了固定地磁台站，对地磁场进行观测［5－6］。同时，在陆地、海洋、南极等地区还开展了地磁测量［7］。我国已在全国范围内建立了地磁观测台网［8］，还在南极建立了地磁台站；同时，在我国开展了地磁测量与研究［9－10］。但是，我国还未开展北极地区的地磁观测研究。

为探测北极地区的地磁场，我们于2012年7～8月间，采用G856T磁力仪和GPS仪，在北极地区进行了地磁总强度的测量工作，获得了该地区的地磁总强度的宝贵数据。本文描述了这次北极地区进行的地磁总强度测量，处理与分析了这些测量数据，讨论了其分析结果。

1 测量仪器与地磁测点

测量地磁总强度的仪器为G856T磁力仪，其灵敏度为0．1nT，精度为0．5nT［11］。

测量地磁测点的经度、纬度与高程采用GPS－集思宝G310，该GPS的定位精度约为 5m［12］。

在北极地区的斯瓦尔巴德群岛上，布设了3个测区：1号测区有16个测点，2号测区10个测点，3号测区7个测点．在每个测区中，测点呈直线形分布。这些测点的环境都很好，没有电磁干扰，符合地磁测量的要求。在各测区中，相临测点之间的距离为50～300m。1号测区与2号测区的距离为132km，1号测区与3号测区的距离为78km。

为了对比，在北京北六环外布设了一个地磁测点。该测点的环境好，没有电磁干扰，适合于地磁测量。

2 地磁总强度的测量及其结果

2．1 地磁测量

为保证地磁测量数据可靠，磁测人员的身上不带任何磁性的物品。

在测点上，应用上述的GPS测量该测点的经度、纬度与高度。应用上述的G－856T磁力仪，测量地磁总强度，并记录相应的测量时间。记录的测量时间采用北京时。

在北极地区的地磁测量工作分三天进行。2012年7月22日完成了在1号测区的16个测点的测量，7月26日测量了2号测区的10个测点，7月29日测量了3号测区的7个测点。

2．2 测量数据

上述测量结果列于表1。表1中，M1与M2分别表示各测区的起始与终止的测点号，F为地磁总强度；Ma与Mi分别表示各测区的最大地磁总强度Fmax与最小地磁总强度Fmin的测点号。

表1 北极地区各测区的地磁总强度测量结果

2．3 北京测点的测量数据

北京测点位于纬度40°10′09″N，经度116°26′45″E，其海拔高度为32m。2012年8月25日，在这个测点上，进行了地磁总强度测量，得到了19个测值，其测值的均值为54 581．4nT、标准偏差为0．3nT。

3 测量数据的处理结果

北极地区的1号测区，16个测点的平均海拔高度为112±40m，地磁总强度的均值为54 598．3±49．5nT。

北极地区2号测区，10个测点的平均海拔高度为70±37m，地磁总强度的均值为54 966．7±7．4nT。

北极地区的3号测区，7个测点的平均海拔高度为19±16m，地磁总强度的均值为54 686．2±101．1nT。

表2列出了北极地区各测区与北京测点的地磁总强度的测量结果，表中Fmax与Fmin分别表示地磁总强度的最大值与最小值，而ΔF＝Fmax－Fmin，F0与σ分别为平均值与标准偏差，在北极地区N为各测区的测点个数，而在北京地区N为北京测点地磁总强度的数据个数。

表2 北极地区各测区与北京测点的地磁总强度测量结果

从表2可见，在北极地区，2号测区的地磁总强度较高，F0＝54 966．7nT；而1号测区的地磁总强度较低，F0＝54 598．3nT。在北极地区的测点中，2号测区的测点10的地磁总强度最高，Fmax＝54 978．1nT；而1号测区的测点3的地磁总强度最低，Fmin＝54 515．8nT。表2显示，与北极地区的地磁总强度相比，北京地区的地磁总强度较低，F0＝54 581．4nT。

4 讨论

4．1 北极地区的地磁总强度

在北极地区的斯瓦尔巴德群岛上，布设了3个测区，共有33个地磁测点。在这些测点上，测量地磁总强度，获得了宝贵的北极地区地磁数据。这些数据显示，在北极地区，2号测区的地磁总强度较高，其平均值F0＝54 966．7nT；2号测区的测点10的地磁总强度最高，Fmax＝54 978．1nT。而1号测区的地磁总强度较低，F0＝54 598．3nT；1号测区的测点3的地磁总强度最低，Fmin＝54 515．8nT。地磁总强度的这种分布状况，是与该测区的地理位置、地质构造、地下介质的电磁性质等因素有关。

4．2 北京地区地磁总强度及其变化

在北京测点有地磁总强度19个测量值，其中最大值Fmax＝54 581．9nT，最小值Fmin＝54 580．9nT，它们的差值ΔF＝1．0nT；平均值F0＝54581．4nT，标准偏差σ＝0．3nT。这表明，在该测量时间段中，地磁总强度的变化很小。与北极地区的地磁总强度相比（表2），该北京测点的地磁总强度较低。分析研究的结果表明，北京地区地磁总强度及其变化的特征，是与该地区的地质构造、地震与构造活动、地下应力变化与地下介质电磁性质等因素密切相关的［13－14］。

4．3 与国际地磁参考场的比较

国际地磁参考场（IGRF）是描述全球地磁场及其长期变化的，而且是国际上通用的全球地磁标准模型［15］。国际地磁学与高空物理学联合会（IAGA）给出了每5年的IGRF，迄今已经发布了11代IGRF模型［16］。

在国际地磁参考场（IGRF）中，地磁场的标量位用球谐级数表示：

其中a＝6 371．2km为地球的平均半径，r为某一点到地心的距离（km），n是球谐级数的阶，m是球谐级数的次，gnm与hnm为球谐系数，θ为余纬（90°－纬度），φ为经度。

第11代国际地磁参考场（IGRF－11）是最新的也比较精确的IGRF，其球谐级数的截断阶数n＝13，IGRF－11是比较精确的［16］。

从图1可见，北极地区斯瓦尔巴德群岛的地磁总强度位于54 000～55 000nT的分布区域内；而实测的数据在54650～55000nT之间。由此可见，它们的数值比较吻合，但有差异。

北京测点位于40°10′09″N，116°26′45″E。该测点的测量平均值为54 581nT。从图2可见，该测量值与图中数值比较接近，但有差异。

图1 北极斯瓦尔巴特群岛的局部地磁图（IGRF）［17］

图2 北京地区的局部地磁图（IGRF）［17］

为了定量分析地磁总强度的测量结果与IGRF的异同，根据IGRF－11模型，计算了北极地区各测区与北京测点的IGRF－11地磁总强度的数值Fm，结果列于表3。表3中，F0表示北极地区各测区与北京测点的地磁总强度平均值，Fm表示相应的IGRF－11计算值，它们的差值为ΔF。

表3 北极各测区及北京测点的地磁总强度F0与IGRF－11计算值Fm的比较

上述北极地区地磁总强度与国际地磁参考场IGRF－11定量对比的结果表明，地磁总强度的测量值与IGRF相应的数值比较接近，但有差异。从表3可见，它们的差值ΔF，北极地区1号测区ΔF＝－185．2nT，其差异大；2号测区ΔF＝－58．7nT；3号测区ΔF＝9．4nT，其差异小；北京测点ΔF＝56．8nT。

文献［18］应用中国地区34个台站的地磁资料，分析对比了IGRF－11与这些台站实际观测资料，结果表明，总体比较吻合，但有误差。引起误差的原因为：一方面，IGRF有它的适用性与局限性，IGRF是描述地球主磁场及其长期变化的，而忽略了地磁外源场的变化。IGRF模型有一定的截断阶数，被截去的高阶部分通常代表地壳区域性磁异常。IGRF模型的高斯系数，是由地磁台站与磁测资料来确定的；研究结果表明，全球台站与测点分布的不均匀性将引起高斯系数的误差；而这些地磁资料亦有观测误差。另一方面，中国地区有些台站处于程度不同的磁异常区，而且各台站资料也有观测误差，等。因此，北极地区地磁总强度与IGRF－11的差异是由IGRF－11的局限性、地磁局部异常与地磁观测误差等因素引起的。

4．4 对今后北极地区地磁观测与研究的建议

为了深入观测与研究北极地区的地磁场及其变化，应当在北极地区布局由台站与测点组成的地磁观测网。采用先进的磁力仪，观测地磁场三分量。应用先进的方法，深入分析与研究北极地区的地磁场及其变化。研究北极地区的地磁场及其变化，对进一步了解极光、亚暴等极区特有的地球物理现象及其物理机制有着重要的科学意义，而且对探查与开发诸如能源、矿产资源等方面有重要的应用价值。

5 结论

为探测北极地区的地磁场，2012年7月间，在北极地区的斯瓦尔巴德群岛上，布设了3个测区，共33个地磁测点。在这些测点上，采用G856T磁力仪测量地磁总强度，获得了宝贵的北极地区地磁数据。这些数据显示：在2号测区，地磁总强度较高，其平均值F0＝54 966．7nT；该测区的测点10，地磁总强度最高，Fmax＝54 978．1nT。而1号测区的地磁总强度较低，F0＝54 598．3nT；该测区的测点3的地磁总强度最低，Fmin＝54 515．8nT。地磁总强度的这种分布状况，与该测区的地理位置、地质构造、地下介质的电磁性质等因素有关。在北京测点上，测量了19次地磁总强度，得到19个测量值，其平均值F0＝54 581．4nT±0．3nT；在该测量时间段中，地磁总强度的变化很小．

与国际地磁参考场（IGRF）比较显示，北极地区斯瓦尔巴德群岛的地磁总强度与IGRF比较吻合，但有差异。与最新的、比较精确的国际地磁参考场IGRF－11定量比较的结果表明，地磁总强度的测量值与IGRF－11相应的计算值比较接近，但有差异；它们的差值ΔF，北极地区1号测区ΔF＝－185．2nT，其差异大；2号测区ΔF＝－58．7 nT；3号测区ΔF＝9．4nT，其差异小；北京测点ΔF＝56．8nT。该地磁总强度与IGRF－11的差异是由IGRF－11的局限性、地磁局部异常与地磁观测误差等因素引起的。

为研究北极地区的地磁场及其变化，今后应当在北极地区布设地磁观测网，观测地磁场三分量，深入分析与研究北极地区的地磁场及其变化，这对进一步探讨北极地区特有的地球物理现象及其物理机制有着重要的科学意义，而且对探查与开发北极地区各种宝贵资源具有重要的应用价值。

致谢 感谢北京青少年科技俱乐部组织这次北极科考探险活动。

（作者电子信箱，刘阳深：xinlong856f＠126．com）

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