北極地區地磁總強度的測量與分析＊

劉陽深 付碧宏 李 晨 劉玉曼

1）北京五中，北京 100007

2）中國科學院對地觀測與數字地球科學中心，北京 100094

（作者電子信箱，劉陽深：xinlong856f＠126．com）

引言

地磁場是重要的地球物理場。地磁場具有一定的空間分布，并且它還隨時間的變化而變化。地磁場的研究，不僅對于深入了解地球的起源、探索宇宙奧秘等具有重要的科學意義，而且在諸如能源與礦產資源的探查與開發、飛機與艦船的導航、無線電通信、航空航天、空間天氣預測、地震與火山噴發等自然災害預測等方面都有重要應用［1－2］。

地磁場是由主磁場、變化磁場和巖石圈磁場組成的。主磁場來源于地球的外核（液核），變化磁場來源于電離層、磁層以及太陽活動［3］。巖石圈磁場是由地下介質的磁化強度（感應磁化強度和剩余磁化強度）所產生的磁場構成的。局部地區的地質構造、地殼活動等可引起巖石圈磁異常［4］。

地磁場的測量與研究是地球物理學的重要內容。在地球的許多地方，建立了固定地磁臺站，對地磁場進行觀測［5－6］。同時，在陸地、海洋、南極等地區還開展了地磁測量［7］。我國已在全國范圍內建立了地磁觀測臺網［8］，還在南極建立了地磁臺站；同時，在我國開展了地磁測量與研究［9－10］。但是，我國還未開展北極地區的地磁觀測研究。

為探測北極地區的地磁場，我們于2012年7～8月間，采用G856T磁力儀和GPS儀，在北極地區進行了地磁總強度的測量工作，獲得了該地區的地磁總強度的寶貴數據。本文描述了這次北極地區進行的地磁總強度測量，處理與分析了這些測量數據，討論了其分析結果。

1 測量儀器與地磁測點

測量地磁總強度的儀器為G856T磁力儀，其靈敏度為0．1nT，精度為0．5nT［11］。

測量地磁測點的經度、緯度與高程采用GPS－集思寶G310，該GPS的定位精度約為 5m［12］。

在北極地區的斯瓦爾巴德群島上，布設了3個測區：1號測區有16個測點，2號測區10個測點，3號測區7個測點．在每個測區中，測點呈直線形分布。這些測點的環境都很好，沒有電磁干擾，符合地磁測量的要求。在各測區中，相臨測點之間的距離為50～300m。1號測區與2號測區的距離為132km，1號測區與3號測區的距離為78km。

為了對比，在北京北六環外布設了一個地磁測點。該測點的環境好，沒有電磁干擾，適合于地磁測量。

2 地磁總強度的測量及其結果

2．1 地磁測量

為保證地磁測量數據可靠，磁測人員的身上不帶任何磁性的物品。

在測點上，應用上述的GPS測量該測點的經度、緯度與高度。應用上述的G－856T磁力儀，測量地磁總強度，并記錄相應的測量時間。記錄的測量時間采用北京時。

在北極地區的地磁測量工作分三天進行。2012年7月22日完成了在1號測區的16個測點的測量，7月26日測量了2號測區的10個測點，7月29日測量了3號測區的7個測點。

2．2 測量數據

上述測量結果列于表1。表1中，M1與M2分別表示各測區的起始與終止的測點號，F為地磁總強度；Ma與Mi分別表示各測區的最大地磁總強度Fmax與最小地磁總強度Fmin的測點號。

表1 北極地區各測區的地磁總強度測量結果

2．3 北京測點的測量數據

北京測點位于緯度40°10′09″N，經度116°26′45″E，其海拔高度為32m。2012年8月25日，在這個測點上，進行了地磁總強度測量，得到了19個測值，其測值的均值為54 581．4nT、標準偏差為0．3nT。

3 測量數據的處理結果

北極地區的1號測區，16個測點的平均海拔高度為112±40m，地磁總強度的均值為54 598．3±49．5nT。

北極地區2號測區，10個測點的平均海拔高度為70±37m，地磁總強度的均值為54 966．7±7．4nT。

北極地區的3號測區，7個測點的平均海拔高度為19±16m，地磁總強度的均值為54 686．2±101．1nT。

表2列出了北極地區各測區與北京測點的地磁總強度的測量結果，表中Fmax與Fmin分別表示地磁總強度的最大值與最小值，而ΔF＝Fmax－Fmin，F0與σ分別為平均值與標準偏差，在北極地區N為各測區的測點個數，而在北京地區N為北京測點地磁總強度的數據個數。

表2 北極地區各測區與北京測點的地磁總強度測量結果

從表2可見，在北極地區，2號測區的地磁總強度較高，F0＝54 966．7nT；而1號測區的地磁總強度較低，F0＝54 598．3nT。在北極地區的測點中，2號測區的測點10的地磁總強度最高，Fmax＝54 978．1nT；而1號測區的測點3的地磁總強度最低，Fmin＝54 515．8nT。表2顯示，與北極地區的地磁總強度相比，北京地區的地磁總強度較低，F0＝54 581．4nT。

4 討論

4．1 北極地區的地磁總強度

在北極地區的斯瓦爾巴德群島上，布設了3個測區，共有33個地磁測點。在這些測點上，測量地磁總強度，獲得了寶貴的北極地區地磁數據。這些數據顯示，在北極地區，2號測區的地磁總強度較高，其平均值F0＝54 966．7nT；2號測區的測點10的地磁總強度最高，Fmax＝54 978．1nT。而1號測區的地磁總強度較低，F0＝54 598．3nT；1號測區的測點3的地磁總強度最低，Fmin＝54 515．8nT。地磁總強度的這種分布狀況，是與該測區的地理位置、地質構造、地下介質的電磁性質等因素有關。

4．2 北京地區地磁總強度及其變化

在北京測點有地磁總強度19個測量值，其中最大值Fmax＝54 581．9nT，最小值Fmin＝54 580．9nT，它們的差值ΔF＝1．0nT；平均值F0＝54581．4nT，標準偏差σ＝0．3nT。這表明，在該測量時間段中，地磁總強度的變化很小。與北極地區的地磁總強度相比（表2），該北京測點的地磁總強度較低。分析研究的結果表明，北京地區地磁總強度及其變化的特征，是與該地區的地質構造、地震與構造活動、地下應力變化與地下介質電磁性質等因素密切相關的［13－14］。

4．3 與國際地磁參考場的比較

國際地磁參考場（IGRF）是描述全球地磁場及其長期變化的，而且是國際上通用的全球地磁標準模型［15］。國際地磁學與高空物理學聯合會（IAGA）給出了每5年的IGRF，迄今已經發布了11代IGRF模型［16］。

在國際地磁參考場（IGRF）中，地磁場的標量位用球諧級數表示：

其中a＝6 371．2km為地球的平均半徑，r為某一點到地心的距離（km），n是球諧級數的階，m是球諧級數的次，gnm與hnm為球諧系數，θ為余緯（90°－緯度），φ為經度。

第11代國際地磁參考場（IGRF－11）是最新的也比較精確的IGRF，其球諧級數的截斷階數n＝13，IGRF－11是比較精確的［16］。

從圖1可見，北極地區斯瓦爾巴德群島的地磁總強度位于54 000～55 000nT的分布區域內；而實測的數據在54650～55000nT之間。由此可見，它們的數值比較吻合，但有差異。

北京測點位于40°10′09″N，116°26′45″E。該測點的測量平均值為54 581nT。從圖2可見，該測量值與圖中數值比較接近，但有差異。

圖1 北極斯瓦爾巴特群島的局部地磁圖（IGRF）［17］

圖2 北京地區的局部地磁圖（IGRF）［17］

為了定量分析地磁總強度的測量結果與IGRF的異同，根據IGRF－11模型，計算了北極地區各測區與北京測點的IGRF－11地磁總強度的數值Fm，結果列于表3。表3中，F0表示北極地區各測區與北京測點的地磁總強度平均值，Fm表示相應的IGRF－11計算值，它們的差值為ΔF。

表3 北極各測區及北京測點的地磁總強度F0與IGRF－11計算值Fm的比較

上述北極地區地磁總強度與國際地磁參考場IGRF－11定量對比的結果表明，地磁總強度的測量值與IGRF相應的數值比較接近，但有差異。從表3可見，它們的差值ΔF，北極地區1號測區ΔF＝－185．2nT，其差異大；2號測區ΔF＝－58．7nT；3號測區ΔF＝9．4nT，其差異小；北京測點ΔF＝56．8nT。

文獻［18］應用中國地區34個臺站的地磁資料，分析對比了IGRF－11與這些臺站實際觀測資料，結果表明，總體比較吻合，但有誤差。引起誤差的原因為：一方面，IGRF有它的適用性與局限性，IGRF是描述地球主磁場及其長期變化的，而忽略了地磁外源場的變化。IGRF模型有一定的截斷階數，被截去的高階部分通常代表地殼區域性磁異常。IGRF模型的高斯系數，是由地磁臺站與磁測資料來確定的；研究結果表明，全球臺站與測點分布的不均勻性將引起高斯系數的誤差；而這些地磁資料亦有觀測誤差。另一方面，中國地區有些臺站處于程度不同的磁異常區，而且各臺站資料也有觀測誤差，等。因此，北極地區地磁總強度與IGRF－11的差異是由IGRF－11的局限性、地磁局部異常與地磁觀測誤差等因素引起的。

4．4 對今后北極地區地磁觀測與研究的建議

為了深入觀測與研究北極地區的地磁場及其變化，應當在北極地區布局由臺站與測點組成的地磁觀測網。采用先進的磁力儀，觀測地磁場三分量。應用先進的方法，深入分析與研究北極地區的地磁場及其變化。研究北極地區的地磁場及其變化，對進一步了解極光、亞暴等極區特有的地球物理現象及其物理機制有著重要的科學意義，而且對探查與開發諸如能源、礦產資源等方面有重要的應用價值。

5 結論

為探測北極地區的地磁場，2012年7月間，在北極地區的斯瓦爾巴德群島上，布設了3個測區，共33個地磁測點。在這些測點上，采用G856T磁力儀測量地磁總強度，獲得了寶貴的北極地區地磁數據。這些數據顯示：在2號測區，地磁總強度較高，其平均值F0＝54 966．7nT；該測區的測點10，地磁總強度最高，Fmax＝54 978．1nT。而1號測區的地磁總強度較低，F0＝54 598．3nT；該測區的測點3的地磁總強度最低，Fmin＝54 515．8nT。地磁總強度的這種分布狀況，與該測區的地理位置、地質構造、地下介質的電磁性質等因素有關。在北京測點上，測量了19次地磁總強度，得到19個測量值，其平均值F0＝54 581．4nT±0．3nT；在該測量時間段中，地磁總強度的變化很小．

與國際地磁參考場（IGRF）比較顯示，北極地區斯瓦爾巴德群島的地磁總強度與IGRF比較吻合，但有差異。與最新的、比較精確的國際地磁參考場IGRF－11定量比較的結果表明，地磁總強度的測量值與IGRF－11相應的計算值比較接近，但有差異；它們的差值ΔF，北極地區1號測區ΔF＝－185．2nT，其差異大；2號測區ΔF＝－58．7 nT；3號測區ΔF＝9．4nT，其差異小；北京測點ΔF＝56．8nT。該地磁總強度與IGRF－11的差異是由IGRF－11的局限性、地磁局部異常與地磁觀測誤差等因素引起的。

為研究北極地區的地磁場及其變化，今后應當在北極地區布設地磁觀測網，觀測地磁場三分量，深入分析與研究北極地區的地磁場及其變化，這對進一步探討北極地區特有的地球物理現象及其物理機制有著重要的科學意義，而且對探查與開發北極地區各種寶貴資源具有重要的應用價值。

致謝 感謝北京青少年科技俱樂部組織這次北極科考探險活動。

（作者電子信箱，劉陽深：xinlong856f＠126．com）

［1］Campbell W H．Introduction to Geomagnetic Field．New York：Cambridge University Press，2003

［2］管志寧．地磁場與磁力勘探．北京：地質出版社，2005

［3］徐文耀．地磁學．北京：地震出版社，2003

［4］Thebault E，Purucker M，Whaler A，et al．The magnetic field of the Earth’s lithosphere．Space Science Reviews，2010，155：95－127

［5］Jankowski和Sucksdorff著．地磁測量與地磁臺站工作指南．周錦屏、高玉芬等譯校．北京：地震出版社，1998

［6］張崇陽．世界地磁臺站概況．見：宋守全，張洪由，毛桐恩，詹志佳編．國際震磁研究．北京：科學技術文獻出版社，1986：101－104

［7］Newitt，Barton和Bitterly著．地磁復測點測量指南．李琪，宋彥云，韓德勝，余書明譯，詹志佳，周勛，任熙憲，周錦屏校．北京：地震出版社，2001

［8］張崇陽，顧子明．地磁臺站概況．國家地震局科技監測司編．地磁地電分冊．北京：地震出版社，1988：30－41

［9］詹志佳，張洪利，趙從利，等．全國地磁測量與地震預測研究．地震地磁觀測與研究，1999，20（6）：22－28

［10］安振昌．中國地磁測量與地磁圖和地磁場模型的回顧．地球物理學報，2002，45（增刊）：189－196

［11］北京市京核鑫隆科技中心．G856T高精度智能質子磁力儀操作說明書．2008

［12］北京合眾思壯科技股份有限公司．集思寶G3系列GIS數據采集器用戶手冊．2009

［13］趙從利，高金田，沈文志．2001～2007年北京地區地磁變化分析與地震預測研究．地震地磁觀測與研究，2008，29（5）：11－17

［14］詹志佳，高金田，趙從利，等．構造磁學及其預測地震研究．地震，2000，20（增刊）：126－135

［15］徐文耀．地球電磁現象物理學．合肥：中國科學技術大學出版社，2009

［16］陳斌，顧左文，狄傳芝，等．第11代國際地磁參考場．國際地震動態，2012（2）：20－29

［17］U S Geological Survey Information Services．Total intensity chart，The International Geomagnetic Reference Field for 2000（BY Kenneth S．Rukstales and John M．Quinn）．2001

［18］陳斌，顧左文，高金田，等．IGRF－11描述的2005～2010年中國地區地磁場長期變化及其誤差分析．地球物理學進展，2012，27（2）：512－521