广西及邻区航磁异常与全球岩石圈磁场模型解算数据之间的对比分析

石 科，胡正旺，杜劲松

(1.广西壮族自治区地球物理勘察院，广西 柳州 545005；2.中国地质大学 地球物理与空间信息学院，湖北 武汉 430074；3.中国地质大学 地球内部多尺度成像湖北省重点实验室，湖北 武汉 430074；4.中国地质大学地质过程与矿产资源国家重点实验室，湖北 武汉 430074)

1 引 言

随着地面、航空、近海底、高空与卫星磁测技术以及数据处理与建模技术的快速发展，全球岩石圈磁场模型的精度与分辨率也越来越高[1]。这些模型可以用于全球或区域尺度的岩石圈磁性结构及其地学意义研究[2,3]，也可以用于提高地磁导航性能[4]。除此之外，还可以辅助地面与航空磁测的数据处理，原因在于两个方面：一是一般基于地面或航空磁测数据编制的磁异常图，由于种种原因其长波长是不可靠的[5]，因而在区域磁异常图编制时往往将其长波长成分替换为由卫星磁测数据构建的长波长全球岩石圈磁场模型磁异常[6]；二是实测数据经常是不规则分布的，测点密度可能不相同，测量区域的地理边界也可能是不规则的，这将会给传统的基于规则测点分布的数据处理带来较大误差[7]，因而这些全球岩石圈磁场模型可以用于实测空白区与测区外围的数据补充。但是，往往在应用这些时，忽略了其在研究区域能够达到的真实分辨率与可靠性。因此，本文选取三个代表性的高阶全球岩石圈磁场模型，将其解算磁异常数据与航空磁异常数据进行对比分析，挑选出适用性较高的模型，旨在为广西及邻区航磁异常数据的进一步处理与解释以及磁异常场建模等提供参考资料。

图1 由NGDC720v3p1、WDMAMv2与EMM2017全球岩石圈磁场模型解算的研究区航磁高度的ΔT磁异常Fig. 1 ΔT magnetic anomaly fields at the altitude of aeromagnetic survey over study areacalculated from global lithospheric magnetic field models, i.e., NGDC720v3p1, WDMAMv2 and EMM2017

2 数据及其处理

2.1 全球岩石圈磁场模型及其解算

图2 研究区航磁磁异常及其平滑磁异常Fig. 2 Aeromagnetic anomaly field and its smoothed field

本文选取了三个代表性的全球岩石圈磁场高阶球谐展开模型，即NGDC720v3.1、SHModel_WDMAMv2.0、EMM2017。基于地面与海洋、航空磁测等多源数据汇编的EMAG2全球磁总场强度异常网格数据(空间分辨率为2′×2′，高度为海平面以上4 km)[8]，Maus等采用最小二乘反演方法构建了16～719阶椭球谐展开模型[9]，并将其转换成标准的高斯球谐展开模型(16～740阶)，即NGDC720v3.0，其16～133阶的低阶系数被单纯由卫星磁测数据构建的全球岩石圈磁场模型MF6[10]替换，最早发布版本为3.0，其扇谐系数被置为零值，之后发布了3.1版本，给出了比较可靠的扇谐系数值；SHModel_WDMAMv2.0是基于第二版的世界磁异常图(WDMAMv2.0)(空间分辨率为3′×3′，高度为WGS84参考椭球面以上5 km)[11]进行高斯球谐展开获得，最高展开阶次至800，其中16～100阶的低阶系数被单纯由卫星磁测数据构建的全球岩石圈磁场模型GRIMM_L120[12]替换；EMM2017是基于最新的EMAG2(v3)全球磁总场强度异常网格数据(空间分辨率为2′×2′，高度为海平面以上4 km)[13]进行球谐展开获得的，其展开最高球谐阶次达790，该模型同时也包含2 000.0至2 022.0的1～15阶主磁场及其长期变化。

考虑到磁总场强度异常(ΔT)的非线性效应[14]，先采用主磁场与岩石圈磁场模型计算磁场总强度，再减去由主磁场模型计算的主磁场强度，最后得到用于对比分析的ΔT磁异常。其中，计算点坐标与航磁数据的坐标一致，解算方法采用无奇异性球谐表达式[15]。如图1所示，由三个全球岩石圈磁场模型解算的广西地区航磁高度的ΔT磁异常，无论是空间分布还是幅值，三者相互之间均存在较大的差异。

2.2 广西及邻区航磁异常数据及其平滑

广西及邻区航磁测量工作开始于1958年，先后进行过1∶100万、1∶20万、1∶10万、1∶5万及1∶2.5万比例尺的测量工作。基于收集的各个时期不同比例尺的航磁测量数据，广西壮族自治区地球物理勘察院汇编了1∶50万的广西地区航空ΔT磁异常图，如图2(a)所示。

为了与全球岩石圈磁场模型解算数据对比，首先对航空ΔT磁异常进行了降尺度处理。考虑到全球岩石圈磁场模型的空间分辨率约为0.225°～0.243°、航空ΔT磁异常数据点距为0.01°×0.01°，因此对航空ΔT磁异常数据进行了25点×25点的移动窗口平滑处理，结果如图2(b)所示。

3 对比分析与讨论

为了挑选全球岩石圈磁场模型与评价其在广西及邻区的适用性，首先基于全球岩石圈磁场模型解算与航空磁测同点位的磁异常，然后将两套同点位的磁异常数据进行对比分析。分析方法主要采用差值统计分析法和相关性分析法。前者主要计算两套数据差值的最小值、最大值、算数平均值和标准差，后者计算两套数据空间分布之间的相关性系数。

表1 ΔT磁异常统计

表2 全球岩石圈磁场模型解算的研究区航磁高度的ΔT磁异常与航空磁异常之间的差异统计

表1为全球岩石圈磁场模型解算的广西及邻区航磁高度的ΔT磁异常与航空ΔT磁异常的统计参数表。表2与表3分别为全球岩石圈磁场模型解算的广西及邻区航磁高度的ΔT磁异常与未平滑和平滑航空ΔT磁异常之间的差异统计参数表。可见，在航空ΔT磁异常平滑处理之后，其与全球岩石圈磁场模型解算的广西及邻区航磁高度的ΔT磁异常之间的差异得到较大程度的降低，但是，差异相对于磁异常本身幅度(表1)而言依然较大，而且表2与表3显示，全球岩石圈磁场模型解算的广西及邻区航磁高度的ΔT磁异常与航空ΔT磁异常之间存在系统偏差，且此系统偏差与航空ΔT磁异常均值的幅度相当。

由于汇编的广西及邻区航空ΔT磁异常图来源于多个时期、不同比例尺的航空磁测数据，不同数据所采用的测量仪器与平台、地磁场测量与定位精度、改正方法与相关模型等均存在差异，因此其长波长成分存在较大的不可靠性。而全球岩石圈磁场模型的长波长成分采用单纯由卫星磁测数据构建的磁场模型替代，因为卫星飞行高度较高以及测量精度在全球比较一致等原因，据其恢复的低阶全球岩石圈磁场模型具有较高的可靠性。

目前，单纯由卫星磁测数据构建的全球岩石圈磁场模型为LCS-1模型[16]，主要采用了CHAMP卫星与Swarm卫星群磁测数据，最高球谐展开阶次达185，对应空间分辨率约为1°×1°。而NGDC720v3p1、WDMAMv2与EMM2017全球岩石圈磁场模型的低阶磁场分别由MF6[10]、GRIMM_L120[12]和MF7(http://geomag.colorado.ed u/)模型替代。图3为由各个全球岩石圈磁场模型(16～185阶)解算的广西航磁高度的ΔT磁异常分布，可见四个模型所得磁场在空间分布形态上存在较大差异。表4显示，这些长波长磁场与航空ΔT磁异常之间依然存在系统偏差。从理论上而言，单纯由卫星磁测数据构建的长波长岩石圈磁场更可靠，但是模型相互之间又存在较大差异，到底哪个模型在广西地区的适应性更高呢？为此，将全球岩石圈磁场模型解算的航磁高度ΔT磁异常与航空ΔT磁异常进行空间分布上的相关性分析，结果如表3所示。

表3 依据全球岩石圈磁场模型解算的航磁高度ΔT磁异常与平滑航空磁异常之间的差异统计

图3 由NGDC720v3p1、WDMAMv2、EMM2017与LCS-1全球岩石圈磁场模型(16～185阶)解算的研究区航磁高度的ΔT磁异常Fig.3 ΔT magnetic anomaly fields at the altitude of aeromagnetic survey over study area calculated from degrees 16～185 of global lithospheric magnetic field models, i.e., NGDC720v3p1, WDMAMv2, EMM2017 and LCS-1

由表5可以发现，EMM2017模型所得磁场与航空ΔT磁异常之间的相关性最高，尤其是低阶部分(16～185阶)。EMM2017模型的低阶部分采用了MF7模型，研究显示该模型是CHAMP卫星时代最好的一个全球岩石圈磁场模型[17]。这些实际上也得到了广西大地构造分区方面的支持。根据《中国区域地质概论》[18]对华南地区构造单元的划分方案，结合广西区域构造特征，可将广西地壳划分为3个二级构造单元、6个3级构造单元和17个4级构造单元，如图4所示。对比图3与图4，可以看出EMM2017模型解算磁异常与广西区域大地构造划分比较一致。广西境内华夏陆块构造走向呈北东-南西走向，受滨太平洋构造活动影响，WDMAMv2和EMM2017模型解算磁异常分布均显示出了此特征；而对于右江褶皱系或者桂西地块，EMM2017模型解算磁异常在该区为呈北西-南东走向的正磁异常，可能与特提斯构造活动有关[19]。

因此，无论是与航空ΔT磁异常直接目视地对比还是进行空间分布上的相关性分析，亦或与大地构造单元划分对比，均显示在广西地区，EMM2017模型在所有全球岩石圈磁场模型中的适应性最高。

表4 由全球岩石圈磁场模型16～185阶次系数解算的航磁高度ΔT磁异常与平滑航空ΔT磁异常之间的差异统计参数

图4 研究区构造单元划分示意图Fig. 4 Sketch map of tectonic unit distribution of study area二级构造单元：Ⅰ(扬子陆块)、Ⅱ(南华活动带)、Ⅲ(华夏陆块)；三级构造单元：Ⅰ1(桂北地块)、Ⅱ1(桂中-桂东北褶皱系)、Ⅱ2(右江褶皱系)、Ⅲ1(钦州褶皱系)、Ⅲ2(云开地块)、Ⅲ3(桂东褶皱系)

表5 全球岩石圈磁场模型解算的研究区航磁高度的ΔT磁异常与平滑航空ΔT磁异常之间的相关性系数

为了进一步对广西及邻区航空ΔT磁异常进行数据处理与定量解释，首先需要对该数据进行网格化处理。但是，研究区边界不规则，区外没有数据测点，直接进行网格化会对后续数据处理与定量解释引入较大的误差。因此，本文尝试采用EMM2017模型对广西周边区域进行补点，进而与广西航磁数据融合得到测点规则分布的航空ΔT磁异常图，如图5所示。在数据融合处理时，理应将广西航空ΔT磁异常的长波长磁场采用EMM2017模型解算低阶磁场进行替换，但是本文为了便于计算，仅从航空ΔT磁异常中消除了表3所示的系统偏差，即17.3 nT。由图5可见，简单调平效果并不理想，需要进一步深入研究航磁与卫星磁测数据的融合与汇编方法，例如等效源方法、矩谐分析、球冠谐分析与Slepian局部球谐谱方法等。

图5 由EMM2017与航磁数据初步融合的研究区航磁高度的ΔT磁异常Fig. 5 ΔT magnetic anomaly field at the altitude of aeromagnetic survey over study area and its surroundings preliminarily integrated by EMM2017 and aeromagnetic data

4 结 论

1)NGDC720v3p1、WDMAMv2与EMM2017三个全球岩石圈磁场模型在广西的适用性均较差，相比而言,EMM2017模型较优；全球岩石圈磁场模型可以辅助航磁与地面磁测数据的处理与解释，但是在应用这些模型时，需要慎重考虑其在研究区域的误差水平。

2)航磁汇编数据往往由于多个时期、不同比例尺的磁测数据所采用的测量仪器与平台、地磁场测量与定位精度、改正方法与相关模型等均存在差异，因此其长波长成分存在较大的不可靠性，而采用单纯由卫星磁测数据构建的磁场模型的长波长成分更加可靠。因此，需要深入研究航磁与卫星磁测数据的融合与汇编方法，例如等效源方法、矩谐分析、球冠谐分析与Slepian局部球谐谱方法等。

3)单纯由卫星磁测数据构建的全球岩石圈磁场模型之间也存在较大差异，因此需要进一步开展这些模型的质量评价方面的研究工作。