地磁日变改正是海洋磁力测量过程中最基础的工作之一, 但同时也是海洋磁力成果资料中误差的主要来源, 若不进行准确校正, 会导致虚假的磁异常, 造成解释上的错误^[1-5]。地磁日变主要与太阳辐射对地球电离层的影响有关, 具有极强的时效性, 每时、每日的观测结果都不相同。因此, 如何提高日变改正的精度, 一直是海洋磁力测量中需要优先考虑的问题。从20世纪60年代开始, 国内外众多学者针对海陆日变幅值、时差、基值等问题^[6-11], 以及深远海日变测量技术^[12-17]和地磁日变的校正方法^[18-23]开展了大量工作, 保障了近远海磁力测量工作, 测网精度达到技术规范的标准。

磁扰是地磁日变改正中典型的难点, 对于较大的脉动等磁扰的校正, 通常采用边刚^[3]提出的校正方法: 将磁扰日期间的静日变化和扰动变化分离, 分别对其进行改正。但对于相对较弱的磁钩(钩扰, magnetic crochet)、磁湾(湾扰, magnetic bay)等磁扰还缺乏充分的讨论。在实际工作当中, 对于强度较小、持续时间较短的磁扰, 通常认为是随机噪声的影响, 利用平滑等方法来消除其影响, 但仍可能会残留扰动, 降低地磁日变改正的精度。

大量实测资料经分析显示, 磁湾、磁钩等磁扰现象广泛存在, 校正后的地磁异常值出现了显著的假磁异常。本文以微扰、磁湾和磁钩等磁扰现象为研究对象, 对比分析海洋磁力资料和陆地地磁资料, 评价微扰、磁钩和磁湾等磁扰现象对海洋磁力成果资料的影响。

1 数据来源

数据来源于中国科学院海洋研究所2005—2018年的南黄海、东海和南海北部采集的海洋磁力资料和陆地地磁日变资料。

海洋磁力资料大多数是在油气勘探任务中采集, 作业船只以约9 km/h航速匀速航行, 使用的仪器是Marine Magnetics生产的海洋磁力仪, 仪器精度为±0.2 nT^[24-25]。地磁日变观测在工区同纬度陆地区域进行, 使用的仪器有Sentinel以及WCZ-3S等多种磁力仪, 其中WCZ-3S在平静日测量时的精度约为±0.3 nT, Sentinel基站磁力仪的精度为±0.1 nT, 满足高精度地磁日变观测的需求^[26-27]。

2 数据分析

在海洋磁力测量期间, 严格意义上的地磁平静日天数很少, 一个月内经常少于3 d。而磁扰日相对较多, 这些磁扰有梯度相对平缓、幅值在10 nT以内的微扰, 也有幅值较大的磁钩、磁湾等磁扰, 磁暴则相对较少。

2.1 陆地地磁日变数据处理

陆地地磁日变数据处理主要包括五点平滑和基值处理两部分。地磁基值理论上为台站所在位置的基本地磁场值。本文中确定基值的方法是平均值法: 选择航次期间某几天磁静日24 h地磁日变观测数据的平均值作为该地磁日变站的地磁场总强度值, 以此为地磁日变基值^[28]。用五点平滑后的地磁日变观测数据减去基值即可得到地磁日变值。

2.2 微扰型磁扰特征分析

微扰在本文中特指幅值在10 nT以内、持续时间在几分钟或十几分钟的磁扰以及突然脉动(一种突然的脉冲现象; 水平分量和总场值突增或突降, 幅度为1~ 100 nT; 时间持续1~10 min)。微扰的海陆日变幅值很小, 幅度比值接近1, 可以利用低通滤波方法消除其影响。

琼东南盆地的测线13QDN01微扰型磁扰特征明显(图 1)。从图 1中可以看到, 测线13QDN01在世界时16时、17时和19时左右的陆地地磁日变值与海测值减去正常场值同时出现有幅值约5 nT、持续时间约15 min的磁扰。两者之间的幅值基本相等, 因此校正后的地磁异常值(黑色)在对应时间段内表现为相对平缓, 只有一些幅值很低的残留扰动。本文共统计了25条存在微扰型磁扰的测线, 这些微扰型地磁扰动对地磁日变改正的影响很小, 经校正后的地磁异常值幅值不超过1 nT。

2.3 磁钩型磁扰特征分析

钩扰是一种持续时间一般在1 h以内, 幅度变化超过10 nT的磁扰, 起始较急, 形状类似于一个钩子, 常常伴随有短波消失^[4]。即便测量船只以1.8 km/h航速航行, 也往往会跨越10~20 km, 产生显著的峰值或谷值(幅度超过10 nT)(图 2)。钩扰与太阳耀斑同时发生, 是一种由太阳辐射引起的地磁效应, 故又称太阳耀斑效应。在太阳耀斑发生时, 紫外线辐射会突然增强, 引起电离层的电离浓度突然增高, 从而在电离层中形成一个短暂的电流体系, 这就是钩扰的成因^[29]。因此, 磁钩只限于日照半球。

以琼东南盆地测线18QDN01为例, 在图 2中世界时约3时出现了第一次钩扰, 陆地地磁日变值有大约10 nT的幅值变化, 海测值与正常场值的差有大约20 nT的幅值变化。世界时4时至5时之间出现了第二次钩扰。陆地地磁日变值的变化幅度约20 nT, 海测值减去正常场值的变化幅度约35 nT。两者变化幅度的差异导致了地磁异常值在第二次钩扰时间段内出现波动, 幅度约15 nT。三条曲线在钩扰时间段内同时出现了变化形态相同但幅值不同的波动。这也说明了传统的地磁日变校正未能从海洋磁测原始数据中完全消除钩扰的影响, 校正后的地磁异常值仍存在高达15 nT的误差。

对于这种海陆日变幅值不同的现象, 有两种可靠的解释: 一是由于受太阳辐射的影响, 电离层的电离浓度突然增高, 在海水和陆地上激发感生电动势和电流, 而海洋电导率比陆地电导率高, 这就导致了钩扰在海洋日变数据中的幅值要比陆地日变数据大; 二是由于地质体引起的真实异常。本文统计了36条存在磁钩的测线, 结果显示: 这些测线的海陆地磁日变数据在钩扰时间段内都出现了幅值比在1~2的波动。大量数据证明这种现象在海洋磁力资料中广泛存在, 可以排除地质体引起的异常。

钩扰对海洋磁力资料造成的误差虽然可以被大洋中高梯度值(超过100 nT)掩盖, 但对于重磁震联合反演、测线网调差等工作的影响是显著的。在重磁震联合反演中, 一般认为这种磁钩引起的假异常由地质体或地层磁性差异引起, 这将导致错误的反演结果。

图 2显示了经过低通滤波和最小曲率法处理后的地磁异常值。由于钩扰的幅值相对较高, 校正后的地磁异常值仍有较大的误差, 利用低通滤波也不能消除。因此, 本文利用最小曲率法来消除其影响。从图 2中可以看到, 低通滤波处理后的数据虽然比原始数据更加平滑, 但钩扰处的地磁异常值仍存在假异常。而经过最小曲率法处理后的地磁异常值在钩扰处的幅值明显降低, 基本消除了钩扰对海洋磁力资料的影响。

图 3是2018年琼东南盆地两条相交测线(18QDN02和18QDN03)的交点情况, 从图 3(a)中可以看到有磁钩假异常的测线段与无磁钩假异常的测线段的交点差在–14.2 nT, 这会显著提高测线的平均交点差值, 破坏测线与所有相交测线之间的线性特征, 从而扰乱该测线的平差参数, 降低海洋磁力成果资料的质量。图 3(b)是经过最小曲率法处理后的交点差, 经过最小曲率法处理后的两条测线的地磁异常值几乎相等, 交点差明显降低, 基本消除了钩扰对测线交点差的影响。表 1是测线18QDN02与相交测线的交点差情况, 最小曲率法处理后与测线18QDN03交点差降低为0.08 nT, 测线准确度由±3.55 nT提升为±0.85 nT, 充分证明了该方法的可行性。

2.4 磁湾型磁扰特征分析

磁湾是亚暴的磁场表现, 持续时间约半小时到几小时, 幅值可超过10 nT, 随时间变化形态像海湾, 有正湾和负湾之分。在高纬度地磁台, 子夜前常记录正湾, 子夜后为负湾, 表明分别有东向电集流和西向电集流流过头顶^{[5, 30]}。

以琼东南盆地2005年的测线05QDN01为例, 在图 4中世界时12时至14时内出现了一次持续时间在1.5 h左右的湾扰。湾扰形态变化复杂, 幅值变化大, 出现多个波峰或波谷。陆地地磁日变值、海测值与正常场值的差、地磁异常值在湾扰时间段内的波动的频率和相位虽然一致, 但振幅却有很大的差异。若不对其进行仔细处理, 会导致时间较长的假磁异常。与磁钩相同, 磁湾对海洋磁力资料的影响也是由于海陆电导率不同而造成的, 但磁湾持续时间长, 海陆日变幅值变化大, 可能会与地质磁异常混淆, 因此在判断磁湾时需要仔细检查相邻测线磁异常、交叉测线在交点处附近的磁异常。

图 4显示了经过低通滤波和最小曲率法处理后的地磁异常值。低通滤波削弱了湾扰时间段内幅值较低的磁异常, 但仍残留幅值较大的磁异常。经过最小曲率法处理后的地磁异常值在湾扰处的幅值虽然降低了10 nT左右, 但由于时间长达1.5 h, 在测线上跨度长达15 km, 会对真实的地磁异常进行插值, 导致最小曲率法处理后的地磁异常并不准确。

为了验证最小曲率法处理对磁湾型磁扰的有效性, 本文以2005年的测线05QDN01及两条相交测线为例。从图 5(a)中可以看到, 有磁湾假异常的05QDN01测线与无磁湾假异常的测线05QDN06和测线11QDN04的交点差均在–10 nT左右。图 5(b)为经过最小曲率法处理后, 测线05QDN01与测线05QDN06的交点差为–0.12 nT。但由于磁湾的幅值变化大, 测线05QDN01与测线11QDN04的交点差仍有3 nT左右的误差。本文统计了15条存在磁湾的测线, 结果表明: 经最小曲率法处理后的大部分交点差仍残留较大的误差。因此, 最小曲率法并不能彻底消除磁湾对海洋磁力资料的影响。表 2是测线05QDN01与相交测线交点差的交点情况, 最小曲率法处理后的交点差分别降低为–0.12 nT和3.35 nT, 测线准确度由±2.93 nT提升为±1.1 nT, 得到显著改善。

相较于磁钩而言, 磁湾对测线之间的线性误差、平差参数以及校正后的地磁异常值都会产生更严重的影响, 给磁力资料处理解释带来困惑。因此, 需仔细分析磁湾, 尽可能降低其对海洋磁力资料的影响。

3 讨论

如前所述, 地磁日变改正是海洋磁力测量中最主要的误差来源之一, 而关于磁扰的处理则是地磁日变改正当中最复杂的一部分。因此, 国内外学者开始寻找磁扰日的改正方法, 吴水根等^[31]对比当地时法、小时平均法、北京时法共三种方法对典型磁暴日、全区磁力交点均方根误差计算, 结果表明按照北京时法处理得到的均方根误差最小, 其实质是对原始数据进行世界时校正。而磁暴、磁扰往往是全球同时发生, 在这种情况下磁暴、磁扰的变幅远远超过了磁静日变幅, 因此取得了较好的效果。李兴康等^[32]依据大洋实测地磁资料, 注意到530 km大洋岛屿台站与工区锚系潜标日变站的地磁日变值在磁暴期间的相位和幅值是吻合的, 磁暴期间的一条磁力测线, 经远端洋岛台站地磁日变资料校正后, 与2条平静期测线的交点差分别为–3.20 nT和–0.66 nT, 因此需要适当关注磁暴期间的海洋地磁资料的处理。刘天佑等^[33]提出应用维纳滤波和三次样条函数法对磁扰和磁暴日变曲线进行改正。理论模型试验表明, 该方法优于目前使用的地方时法、小时平均法和北京时法, 可取得较好的效果。边刚等^[3]提出利用扰日法对磁扰日的地磁日变数据进行校正。该方法充分利用磁扰前后的磁静日变观测资料, 实现了磁扰日的静日变化与扰动变化分离, 结合各自的时间特点, 分别对其进行改正, 经实例验证表明, 该方法可以提高磁扰日地磁日变改正精度, 并且其日变改正精度与时间差(经度差)不存在相关性。

傅里叶分析在磁场建模中具有广泛应用, 可以运用傅里叶级数展开的方法把一天的太阳静日变化曲线表示成各次谐波的叠加。张连伟等^[21]基于傅里叶级数建立了日变数据处理谐波分析模型; 应用于大批量实测日变数据处理, 确定了谐波截断次数为5, 实现了日变基值、平静日变改正和磁扰改正的合理分离, 有助于磁扰和磁暴期间的海洋磁力测量数据处理。刘帆等^[20]采用最小二乘法确定各次谐波系数建立太阳静日变化模型, 以此进行地磁观测数据中太阳静日变化和磁扰的分离, 并应用于海洋磁力测量的日变数据处理。

《海洋调查规范第8部分: 海洋地质与地球物理调查》^[28]中规定: 必须准确记录初动、持续、消失的时间, 并及时通知测量船, 磁暴或磁扰持续时间较长时, 应进行补测。但在实际工作中, 对于磁湾、磁钩等持续时间较短的磁扰, 无法做到补测。

综上, 国内外学者关于磁扰日的改正主要着重于如何分离静日变化和扰动变化, 结合各自的时间特点, 然后分别对其进行校正。此类方法虽然方便快速, 但无法彻底分离所有磁扰, 也无法确定其改正的精度。而本文通过分析大量实测资料, 总结了微扰、磁钩和磁湾型磁扰的海陆日变幅值变化规律, 以此为基础, 通过观察各条测线人工分离了这些磁扰。但在海洋磁力数据处理中, 数据量通常较大, 为了减轻磁扰校正工作导致的负担, 需要提出合理的算法去分离微扰、磁湾和磁钩等磁扰现象, 然后分别对其校正。此外, 本文根据微扰和磁钩型磁扰对海洋磁力成果资料的影响规律提出了利用低通滤波和最小曲率方法。结果显示: 经低通滤波和最小曲率法处理后的测线交点差显著降低, 基本消除了微扰和磁钩型磁扰对海洋磁力资料的影响, 更准确地反映了工区内地磁异常值的实际变化。但对于磁湾而言, 这两类方法虽然能明显降低测线的交点差, 但处理后的地磁异常值与相交测线相比仍有较大的差值。因此, 需要提出合理的方法去处理此类磁扰。

4 结论

本文通过对陆地地磁日变观测数据与海洋磁测数据的对比分析中得到了以下认识:

1) 微扰: 这类磁扰在海洋磁力资料和陆地地磁日变资料的幅值比接近于1, 可通过低通滤波等消除, 不会产生明显的假磁异常。

2) 钩扰: 磁钩的特征明显, 持续时间短, 在陆地地磁日变曲线和海洋磁力曲线上很容易识别, 海陆日变幅值比在1~2, 可通过最小曲率法等方法消除其影响。

3) 湾扰: 磁湾持续时间长, 形态变化复杂, 海陆日变幅值变化大, 无法利用低通滤波和最小曲率等方法来彻底其消除。目前尚无可靠的校正方案, 需要采用其他研究者^{[3, 31]}的建议予以删除或重新测量。