不同水深海底的变化地磁场特征

陆镜辉,冯昭懿,徐 行,邱 杰

（1.广东省地震局,广州 510070；2.广州海洋地质调查局,广州 510070）

0 引言

基本地球磁场是地球固有的属性,主要源于地球外核磁流体发电机的动力学过程,它具有复杂的空间分布特征和时间变化尺度；而变化地磁场主要源于外部电离层及以上磁层电流体系的变化[1]。海洋的总面积占地球表面积的70.8%,平均深度-3729 m。由于受海洋地磁观测技术发展的研制,海域的地磁场观测能力及其相应研究程度远不如陆域,这不仅改善了人们对于海洋水体中的地磁场特征的认识水平,而且也影响了人们利用地磁场特性去研究探索和开发海洋。

现代海洋地磁场的连续观测实践要追溯到1962年英国海域的地磁浮标观测[2],安装在浮标中的地磁总场观测磁力仪受水面波浪运动影响,记录中叠加了较强感应电磁场成分。在20世纪七、八十年代,澳大利亚和日本学者先后就开展海底地磁观测科学实践[3-4]。我国海底地磁观测起步比较晚,直至2004年,我国学者首次用Overhauser磁力仪在南海北部陆坡890 m的海底连续记录了19 d的地磁场总场变化。初期的海底地磁观测成果主要应用到海洋地磁测量,去解决在深远海区磁测中的地磁日变改正问题[5]。随着该技术方法在海洋调查中的推广,一些特殊现象得以发现,利用调查工区附近的深海底地磁观测数据去做海洋磁测的日变改正处理,发现其效果不如采用远处陆地地磁台的观测记录[6]。通过对南海海盆的400 m 超长潜标的地磁观测实践,发现了当磁静时段,同一地点不同深度的地磁观测结果比较相近；而在磁扰严重时段,两者之间存在较大的差异[6]。显然,在海洋水体中的变化地磁场观测记录中,除外源场产生的变化地磁场信息,还有受内源场中的地球感应地磁场的影响。不同水深的海流不仅会对变化地磁场的高频信息产生抑制作用,而且变化地磁场活动性也影响着相应的感应地磁场变化特征；因此,在海洋水体中的变化地磁场特征比陆地观测所得更为复杂。

为探讨不同水深环境下的地磁观测成果与陆地台站之间的差异及规律,研究导致这些差异的主控因素,本文将通过选取在南海海域中4个不同水深的海底地磁台观测数据,与相近纬度的海南琼中地磁台记录对比,分析对比不同磁情环境下的观测记录,为深入开展海洋对变化地磁场和地磁活动性也有一定程度的影响提供科学依据。

1 数据来源

本文选用数据来源分三部分：①海洋台站数据选自广州海洋地质调查局的历史调查数据,分别来自2008年南海北部陆坡中1829 m（T2台）和中沙北海隆附近3798 m（T4台）水深的数据,2013年南海中沙北海隆附近2800 m（T3台）和2015年南海北部陆坡中740 m水深（T1台）的观测记录四个台站的数据；②陆地台站数据选自海南省地震局琼中地磁台（19.000°N,109.800°E）；③）广东省地震局肇庆地磁台（22.970°N, 112.45°E）的磁情指数。海陆地磁观测台站位置见图1所示,采集数据时间信息见表1所列。

图1 研究区内的海—陆地磁台站分布图Fig.1 Distribution map of sea-land magnetic stations in the study area

表1 陆地和海洋地磁观测台站的信息表Table 1 Information table of land and ocean geomagnetic observation stations

海南地震局琼中地磁台数据是采用GSM-19F型Overhauser质子增强型磁力仪记录所得。广州海洋地质调查局海底地磁台的地磁场总场的连续观测数据是有SENTINEL Overhauser质子增强型磁力仪自动采集得到的。海底地磁观测采用潜标观测方式,投放方式和详细结构与早期方式[5,7]一致。GSM-19F型磁力仪与SENTINEL磁力仪的仪器技术指标一致,分别属于位于加拿大多伦多市的GEM公司生产的陆地磁力仪和海洋磁力仪。其主要技术指标如下：直接测程：18 000～120 000 nT,灵敏度：0.015 nT,分辨率：0.001 nT,绝对精度：0.2 nT,梯度容限制>10 000 nT；该设备的工作温度范围在-25℃～+60℃之间。GM4磁通门磁力仪的技术指标：测量范围：0～±6500 nT,动态范围：0～±2500 nT,分辨率：0.1 nT。MAG-01H磁通门经纬仪的技术指标：观测精密度：δD≤1"、δI≤1",分 辨 率：0.1nT,零 场 漂 移：±1～±5 nT。海陆地磁观测设备的技术指标相同,符合数据对比分析的要求。

2 研究方法

2.1 数据选取

在地磁学中,为描述地磁场活动引入了许多指数,K指数,也称磁情指数,是单个地磁台用来描述每日每个3 h内的地磁扰动强度的指数。每个时段确定一个K值,K值大小由各个时段的纯干扰变化的幅度而定；其中的纯干扰变化的幅度就是消除太阳静日变化和太阴日变化之后的纯属地磁扰动的幅度[8]。本文笔者通过广东肇庆台的K指数判断外部空间引起的变化磁场的磁扰强度,抽取陆地台中的K总和的最大值和最小值时间段内的24 h的4个不同水深台站海洋中地磁观测记录,和琼中台作为典型的资料进行系统分析,共8 d记录。又因海洋地磁观测资料仅为地磁场总场观测值,难以精细地描绘海洋中变化地磁场的时空变化特征,故又参考陆地基准台站中D、H和Z同步观测记录信息。

本文选取世界时为时间制。根据地磁活动情况,将这8 d的海陆台站数据分三类情况进行分析。分别是：①在磁静日中,四个水深不同的海底地磁台与陆地台的同步观测数据对比；②在磁扰和③在磁暴期间,两个水深不同的海陆地磁台的同步观测数据对比。

2.2 磁静日的地磁特征对比

根据表2所列的四个海洋台在典型磁静日K指数,T1台选2015-04-25、T2台选2008-06-23、T3台 选2013-03-26、T8台 选2008-04-02。这4天的海陆地磁台的ΔF对比曲线见下图2所列。

图2 琼中台与四个海洋台在磁静日期间的观测曲线对比图Fig.2 Comparison of observation curves between Qiongzhong station and four ocean stations during magnetostatic period

表2 四个海洋台在典型磁静日K指数Table 2 K index of four ocean stations on typical magnetostatic days

2.3 磁扰日的地磁特征对比

参照表3,选用T2台的2008-06-26和T3台的2013-03-27作为磁扰日典型曲线,这二天海陆地磁台的ΔF对比曲线见下图3所示。

表3 四个海洋台在典型磁扰日K指数Table 3 K index of four ocean stations on typical magnetic disturbance days

图3 琼中台与T2和T3台磁暴期间的观测曲线对比图Fig.3 Comparison of observation curves between the Qiongzhong station and T2 and T3 stations during magnetic storms

2.4 磁暴期间的地磁特征对比

磁暴是一种剧烈的全球性磁扰现象,是日地能量耦合链中的一个重要环节。具有变化幅度大,形态复杂,持续时间长,全球同步性好等特点。在磁暴的发生和发展过程中,地磁要素都发生了剧烈变化,尤其是在中低纬度地区的H分量变化特征影响了磁暴的形态学和统计学特征。图5 琼中台与T1和T4台磁暴期间的观测曲线对比图。根据T1和T4台的ΔF典型曲线形态分析,参考肇庆地磁台的K指数,选用的观测记录达到了中常磁暴水平。

参照表3,选用T1台的20150415和T4台的20080423作为磁扰日典型曲线,这二天海陆地磁台的ΔF对比曲线见下图4所示。为了便于分析对比,还添加了琼中地磁台的D-H-Z三要素的信息。

图4 琼中台与T1和T4台磁暴期间的观测曲线对比图Fig.4 Comparison of observation curves between the Qiongzhong station and T1 and T4 stations during magnetic storms

图5 典型台站的地磁场总场差值曲线Fig.5 The difference curve of total geomagnetic field of typical stations the

3 分析和讨论

3.1 海陆台的ΔF曲线形态变化特征

本文从不同水深环境和不同地磁活动情形的角度来探讨海陆地磁台ΔF曲线形态变化特征。图2描述在磁静日四个海洋台与琼中台ΔF曲线形态的对比结果。在磁静日中,四个台的共性是海陆台的ΔF日变曲线比较接近,具有一定的规律性平缓变化,也存在有微小的地磁变化；其源于电离层中较为稳定的电流体系。他们之间差异是水深较浅的台高频成分丰富,随着水深加大,高频成分缺失程度越来越大。

图4是在磁扰日中2个海洋台与琼中台的ΔF曲线形态的对比曲线,而图5是在磁暴日中的对比曲线。从这四个海洋台站与琼中台的ΔF日变对比曲线中,形态相似程度比磁静日的要差一些。ΔF起伏变化既无规则性,又无周期性；出现的干扰变化主要源于太阳粒子流在磁层和电离层中形成的各种短暂的电流体系,导致了各种短暂的、复杂的干扰变化。随着水深加大,四个不同水深海洋台和陆地台对比出现了以下几个特征：①高频成分越来越少,水深较大的两个海洋台的曲线比较光滑；②海陆台之间形态受外源场活动性的影响,当磁扰加剧时,相似性越来越差。

3.2 海陆台的ΔF曲线幅度变化特征

在幅度变化方面,在磁静日,4个海陆台的ΔF变化曲线是有周期和规律的。在地方时的正午时刻前后,两者差异比较明显,而在子夜时刻前后两者差异较小。T1和T2的ΔF总体上要比琼中地磁台的要小一些, T3和T4台的ΔF总体上要比琼中地磁台的要大一些。各个海陆台的对比,均遵循了平静日变化（Sq）随纬度变化的规律,说明记录时段的变化地磁场与赤道环电流影响有一定的联系[10]。如图3所示,T2台与琼中台的差值曲线和T3台与琼中台的差值曲线规律近似,幅度差在±3～4 nT之间,正负差异是有海洋台与琼中台在纬度上相对位置关系所致。

在磁扰日和磁暴期间,4个海陆台对比的ΔF变化曲线在幅度变化方面不再具有规律。在强磁扰情况下,T2与T3台两者ΔF的极大值和极小值差异均在80～90 nT之间,幅度相差较大。在磁暴期间,T1和T4台的ΔF的极大值和极小值相差约130 nT,幅度相差更大；其中,两个磁暴均属于急始磁暴,规模不大,T1的持续时间比T4更长。海陆台的ΔF幅度差明显。T1台与琼中台的幅度差最大将近±8 nT；T2台为10 nT,T3台为20 nT,T4台的最大±20 nT左右。显然,在磁扰期间,海陆台的幅度差随着水深不断扩大。

D的变化主要与ΔF幅度变化趋势相关。ΔZ分量只是在正午时刻有变小趋势,其它时刻变化不明显。而H分量的形态和幅度变化曲线与ΔF的比较近似；值得注意的是,它的过程变化全面反映了磁扰的发生发展过程,也揭示了在低纬度地区的H分量是磁日变的主要贡献者。

3.3 海陆台的ΔF曲线相位变化特征

在相位变化上,相对于琼中台,T1和T2的ΔF在上升过程中往往滞后,而在下降过程中反而是超前的；而T3和T4台出现的现象则相反。无论是幅度还是相位,T1、T2、T3和T4台与海南琼中地磁台的差异主要是来自海陆地磁台的在纬度上相互关系。T1和T2台位于地磁台以北,而T3和T4台的纬度要低于琼中台。海陆台站的相位和幅度差异的主要原因是在纬度上的差异。

磁扰期间,在磁扰的主相和磁暴的初相与主相阶段中,海陆地磁台ΔF曲线相位变化特征是在ΔF曲线上升过程中海洋台相位滞后,其相位于下降过程中表现为超前为主。在磁暴的恢复相阶段或磁扰的次级磁扰过程中,海陆台的相位变化特征比较复杂。这些现象除磁层受赤道环电流以外,场向电流、越尾电流等对地海洋中的变化地磁场都会有重要影响。

4 讨论

随着水深的增大,海洋台的ΔF曲线显得越来越光滑。水深较大的海洋台的ΔF的高频成分与水深较浅的台对比,缺失程度要大一些,说明了流动的海水并具有良好的液态导电介质,较厚的海水层屏蔽掉了10～20 CPH以上的外源高频电磁场变化。归咎于海水切割地磁场运动产生动生电动势的发电机过程和产生感生电动势的电磁感应过程两种表现方式的体现[9]。磁扰强弱程度直接影响到了地磁日变曲线形态、幅度和相位变化特征。当磁扰程度加大和水深加大时,海陆台之间形态的相似性差别也加大；海陆台之间幅度差不断增大；相位变化规律变得愈加复杂。海洋水介质中的变化地磁场除对应着外源场变化之外,叠加了环境中的感应地磁场。这种情况与深井中的地磁观测情况相似[11]。外源场活动加剧导致在海水介质中的环境感应地磁场变化激烈和复杂；此外,海水中温度、压力、电导率和磁导率等物理特性是随水深的深度变化的函数也是主要的影响因素。例如,深海的底部处于恒温状态,电导率约为3 S/m；温暖海面的电导率可以达到或者超过6 S/m。在这种多源电磁场的共同作用,使得了不同深度海底地磁场变化特征显得比较复杂[11-14]。

在分析琼中台的DHZ和海洋台的总场变化之间的关系时,H分量变化和海洋台的总场变化对应一致,说明了本文研究区所在的中低纬度地区的H分量变化磁日变的主要贡献者。

5 结语

本文通过选取在南海海域中4个不同水深的海底地磁台观测数据,与相近纬度的海南琼中地磁台观测记录进行对比分析,得到以下几点认识：

（1）磁扰大小影响了海洋台地磁观测曲线在形态上的规律性。在磁静日时,形态变化具有规律性；而在磁扰或者磁暴阶段,与陆地台相比的形态差异越来越大。

（2）磁扰强弱程度影响了海陆台对比曲线的幅度差异程度。在磁静日中,两者的幅度差在很小,而在磁扰或磁暴阶段,幅度差随深度不断增加。

（3）磁扰强弱程度影响了海陆台对比曲线的相位变化规律。磁静日时,两者之间是具有规律的,而在磁扰或磁暴阶段,对比曲线相位变化相位对比显得规律性不强,很复杂。

综上,海洋台地磁观测记录的高频成分随水深增加而变得缺失越来越严重的情况是受海水层的滤波效应所致；而在强磁扰阶段,海陆台地磁观测记录在形态、幅度和相位对比中突显出的规律性差,差异随深度而加大等现象是受多源外源场的共同作用而产生的。

致谢：本文成果受中国地震局监测、预测、科研三结合课题（编号：CEA-JC/3JH-161901）和国家重大仪器研发专项（2014YQ100817）联合资助,使用国家重大科技基础设施子午工程科学数据。特别感谢匿名审稿人和编辑部老师对本文提出的意见和建议。广东省地震局王建格和柴剑勇两位高级工程师提供了建设性的意见；广州海洋地质调查局涂君、邢琮琮和徐东海等提供了技术支持；谨此一并衷心致谢！