華南地區地磁場長期變化特征

羅玉芬 陸鏡輝 陳政雷

（中國廣東 510320 廣州地震監測中心站）

0 引言

地磁觀測技術是一門傳統的地球物理觀測技術，地磁場觀測數據廣泛運用于各行各業，如航空航海、國防軍事、地質勘探、地震研究等。中國地磁觀測始于1874 年，最早由佘山地磁臺開始正式記錄。發展至今，我國已建成45 個國家基準地磁臺，140 多個地磁觀測站點，地磁觀測網覆蓋全國，積累了大量連續穩定的高質量地磁場觀測數據，為探索認知地磁場的時空變化特征提供了依據。

地球基本磁場在長時期內發生的緩慢變化現象稱為地磁場的長期變化。地球磁場分為偶極子磁場和非偶極子磁場，地磁場的長期變化主要為非偶極磁場的變化，主要起源于地球內部，且具有區域性特征。1634 年，英國人吉利布蘭（Gel-librand）在英國倫敦磁偏角變化中發現了地磁場的長期變化。多年來，眾多學者，如羅玉芬等（2005）、張小濤等（2008）、孫旭麗（2013）、趙德軍等（2013）、葉向頂等（2015）對該變化進行了研究，發現長期變化不單具有區域性，且具有周期性。但是，對20 世紀地磁長期變化場西向漂移的認識并不一致（王亶文，2004）。通過分析地磁各要素（磁偏角D、磁傾角I、總強度F、水平分量H、北向分量X、垂直分量Z、東向分量Y）空間分布變化及長期變化現象，研究其變化特征和規律，有助于了解地球內部物質的運動狀態（徐文耀，2001）。在對地磁場變化進行分析時，多采用IAGA 主磁場模型和IGRF 長期變化場模型，本文從地磁觀測臺站的角度，以華南地區為例，選用實時地磁觀測數據，分析地磁各要素的空間分布變化及長期變化特征和規律。

1 數據選取

1.1 地磁觀測站點及觀測數據選取

考慮到地磁場變化的區域性，選取華南地區（108°—118°E，18°—28°N）觀測質量穩定、觀測環境優良的5 個國家基準地磁觀測臺，即海南瓊中、廣西邕寧、廣東肇慶、福建泉州和湖南邵陽地磁臺（地理位置見圖1），作為研究臺站。

圖1 華南地區5 個國家基準地磁臺地理位置Fig.1 Location of five national geomagnetic observatories in South China

海南瓊中地磁臺位于海南省瓊中縣營根鎮東南部，臺基為海西—印支期花崗巖，于1976 年籌建，1981 年正式觀測。廣西邕寧地磁臺位于南寧市邕寧區龍崗村，臺基為石炭系白云質灰巖，始建于1972 年，1984 年1 月1 日正式觀測。廣東肇慶地磁臺位于肇慶市蓮塘鎮，臺基為石炭系石灰巖。其前身為廣州地磁臺，始建于1957 年，1998 年因受廣州地鐵干擾而停測，1996—2001 年選址肇慶重建，于2001 年12 月18 日重新投入觀測。福建泉州地磁臺位于福建省泉州南安市洪瀨鎮厝斗村，臺基為燕山期花崗巖，始建于1976 年，2001 年因原白水營舊址觀測環境受到破壞，故選址重建，新臺于2007 年重新投入觀測。邵陽地磁臺始建于1976 年，原址位于湖南邵陽市城南柑橘研究所旁，因修建洛湛鐵路和火車南站而搬遷，新址位于湖南省邵陽市大祥區檀江鄉清風村排樓山，臺基為第四紀黃土，下為上碳系白云質灰巖，2007 年新臺投入觀測至今。

以上資料顯示，5 個地磁臺均有幾十年觀測史，經搬遷重整及數字化改造，2008 年以來觀測數據更為連續穩定。因此，選取2008—2018 年地磁觀測資料，分析華南地區地磁場長期變化特征。

1.2 觀測儀器概況

國家標準地磁臺均需配備絕對觀測儀和相對觀測儀各一套，有條件的臺站配備2套以上，以防儀器故障造成數據缺測。按照地磁觀測技術規范（中國地震局，2001）的要求，各地磁臺站于每周一、四進行2 次絕對觀測，測定D、I、F絕對值，使用H=F× cosI和Z=F× sinI關系式，計算得到H和Z絕對值，進而計算相對觀測儀D、H、Z的基線值。相對觀測儀是對被測地磁場要素相對于某一基值變化量的連續觀測。目前，各地磁臺使用GM4、FGM-01 及FHDZ-M15 進行相對觀測，采樣率均達1 次/s。隨著觀測儀器采樣率、分辨力和觀測精度的不斷提高，利用大量實時數字化觀測數據，可精確反映地磁場隨時間和空間分布的長期變化。華南地區5 個地磁臺目前使用的觀測儀器及基本參數見表1。

表1 華南地區5 個國家基準地磁臺觀測儀器使用及基本參數Table 1 Usage and basic parameters of geomagnetic instruments in five national geomagnetic observatories in South China

續表1

2 地磁場長期變化特征

選用邵陽、邕寧、肇慶、瓊中、泉州等5 個國家基準地磁臺2008—2018 年數字化觀測資料，繪制華南地區地磁場磁偏角D、磁傾角I、總強度F、水平分量H、北向分量X、垂直分量Z、東向分量Y的月均值變化曲線（圖2），分析該區地磁場的長期變化趨勢與特征。

2.1 磁偏角D

由CGRF 中國參考地磁場模型可知，磁偏角D的零變線大致沿100°子午線南北延伸，將中國分為東西兩部分，東部為負（西偏），西部為正（東偏）（徐文耀等，2005）。華南地區位于100°子午線偏東，磁偏角D為負。

由圖2(a)可見：①瓊中臺磁偏角2008 年偏西1.34°，2018 年偏西1.82°，10 年間增大0.48°，平均年變率為0.048(°)/a；②邕寧臺磁偏角2008 年偏西1.66°，2018 年偏西2.14°，10 年間增大0.48°，平均年變率為0.048(°)/a；③肇慶臺磁偏角2008 年偏西2.08°，2018年偏西2.68°，10 年間增大0.61°，平均年變率為0.061(°)/a；④邵陽臺磁偏角2008 年偏西2.71°，2018 年偏西3.31°，10 年間增大0.60°，平均年變率為0.06(°)/a；⑤泉州臺磁偏角2008 年偏西3.37°，2018 年偏西4.13°，10 年間增大0.76°，平均年變率為0.076(°)/a。

由圖2(a)可知，華南地區地磁臺磁偏角的長期變化具有隨時間和臺站經度增加呈逐年緩慢偏西增大趨勢，且5 個地磁臺2008—2018 年磁偏角變化形態基本一致，變化量在0.48°— 0.76°。

2.2 磁傾角I

由圖2(b)可見：①瓊中臺2008年磁傾角為25.64°，2018年為27.03°，10年間增加1.39°，平均年變率為0.139(°)/a；②邕寧臺2008 年磁傾角為33.20°，2018 年為34.50°，10 年間增加1.30°，平均年變率為0.13(°)/a；③肇慶臺2008 年磁傾角為33.50°，2018 年為34.73°，10 年間增加1.23°，平均年變率為0.123(°)/a；④邵陽臺2008 年磁傾角為41.05°，2018 年為42.13°，10 年間增加1.08°，平均年變率為0.108(°)/a；⑤泉州臺2008 年磁傾角I為36.71°，2018 年為37.68°，10 年間增加0.97°，平均年變率為0.097(°)/a。

圖2 華南地區5 個國家基準地磁臺地磁場七要素月均值曲線（a）磁偏角D；（b）磁傾角I；（c）總強度F；（d）水平分量H；（e）北向分量X；（f）垂直分量Z；（g）東向分量YFig.2 Curves of monthly mean values of seven elements of the geomagnetic field at five national geomagnetic observatories in South China

由圖2(b)可知，華南地區地磁臺磁傾角I的長期變化具有隨時間和臺站緯度增加呈逐年緩慢增大趨勢，且5個地磁臺2008—2018年磁傾角變化形態基本一致，變化量在0.97°—1.39°。

2.3 磁場總強度F

由圖2(c)可見：①瓊中臺2008—2018年地磁場總強度從43 678.3 nT增大至 44 123.1 nT，10 年間增大444.8 nT，平均年變率為44.5 nT/a；②邕寧臺2008—2018 年地磁場總強度從45 607.0 nT 增大至46 122.2 nT，10 年間增大515.2 nT，平均年變率為51.5 nT/a；③肇慶臺2008—2018 年地磁場總強度從45 375.2 nT 增大至45 847.7 nT，10 年間增大472.5 nT，平均年變率為47.3 nT/a；④邵陽臺2008—2018 年地磁場總強度從47 745.7 nT增大至48 251.8 nT，10 年間增大506.1 nT，平均年變率為50.6 nT/a；⑤泉州臺2008—2018 年地磁場總強度從45 536.1 nT 增大至45 974.6 nT，10 年間增大438.5 nT，平均年變率為43.9 nT/a。

由圖2(c)可知，華南地區地磁臺地磁場總強度的長期變化具有隨時間和臺站緯度增加呈逐年緩慢增大趨勢，且5 個地磁臺2008—2018 年地磁場總強度變化趨勢基本一致，變化量在438.5 —515.2 nT。

2.4 水平分量H

由圖2(d)可見：①瓊中臺2008—2018 年地磁場水平分量從39 377.6 nT 減少到39 302.6 nT，10年間減少75.0 nT，平均年變率為7.5 nT/a；②邕寧臺2008—2018年地磁場水平分量從38 161.5 nT減少到38 010.6 nT，10年間減少150.9 nT，平均年變率為15.1 nT/a；③肇慶臺2008—2018 年地磁場水平分量從37 839.6 nT 減少到37 679.5 nT，10 年間減少160.1 nT，平均年變率為16.0 nT/a；④邵陽臺2008—2018 年地磁場水平分量從36 005.7 nT 減少到35 784.2 nT，10 年間減少221.5 nT，平均年變率為22.2 nT/a；⑤泉州臺2008—2018 年地磁場水平分量從36 503.2 nT 減少到36 383.6 nT，10 年間減少119.6 nT，平均年變率為12.0 nT/a。

由圖2(d)可知，華南地區地磁場水平分量長期變化具有隨時間和臺站緯度增加呈逐年緩慢減少趨勢，且5 個地磁臺2008—2018 年地磁場水平分量變化趨勢基本一致，其中2008—2014 年呈逐年緩慢下降趨勢，2015—2018 年變化形態平緩，10 年間變化量在75.0 —221.5 nT。

2.5 北向分量X

由圖2(e)可見，華南地區地磁場北向分量與水平分量變化趨勢一致，其中：①瓊中臺2008—2018 年X分量從39 366.8 nT 減少到39 282.8 nT，10 年間減少84.0 nT，平均年變率為8.4 nT/a；②邕寧臺2008—2018 年X分量從38 145.4 nT 減少到37 984.0 nT，10 年間減少161.4 nT，平均年變率為16.1 nT/a；③肇慶臺2008—2018 年X分量從37 814.8 nT減少到37 638.2 nT，10 年間減少176.6 nT，平均年變率為17.7 nT/a；④邵陽臺2008—2018 年X分量從35 965.3 nT 減少到35 724.6 nT，10 年間減少240.7 nT，平均年變率為24.1 nT/a；⑤泉州臺2008—2018 年X分量從36 440.0 nT 減少到36 289.1 nT，10 年減少150.9 nT，平均年變率為15.1 nT/a。

由圖2(e)可知，華南地區地磁場北向分量X的長期變化具有隨時間和臺站緯度增加呈逐年緩慢減少趨勢，且5 個地磁臺2008—2018 年X分量變化趨勢基本一致，其中2008—2014 年呈逐年緩慢下降趨勢，2015—2018 年變化形態平緩，而且10 年間變化量在84.0 —240.7 nT。

2.6 垂直分量Z

由圖2(f) 可見：①瓊中臺2008—2018 年地磁場Z分量從18 899.5 nT 增加到20 053.8 nT，10 年間增加1 154.3 nT，平均年變率為115.4 nT/a；②邕寧臺2008—2018年地磁場Z分量從24 974.0 nT 增加到26 123.9 nT，10 年間增加1 149.9 nT，平均年變率為115.0 nT/a；③肇慶臺2008—2018 年地磁場Z分量從25 041.5 nT 增加到26 120.2 nT，10 年間增加1 078.7 nT，平均年變率為107.9 nT/a；④邵陽臺2008—2018 年地磁場Z分量從31 347.6 nT 增加到32 368.6 nT，10 年間增加1 021.0 nT，平均年變率為102.1 nT/a；⑤泉州臺2008—2018 年地磁場Z分量從27 222.3 nT 增加到28 105.1 nT，10 年間增加882.8 nT，平均年變率為88.3 nT/a。

由圖2(f)可知，華南地區地磁場垂直分量Z長期變化具有隨時間和臺站緯度增加呈逐年緩慢增加趨勢，且5 個地磁臺2008—2018 年Z分量的變化均呈單調上升趨勢，變化量在882.8 —1154.3 nT。

2.7 東向分量Y

由圖2(g)可見：①瓊中臺2008—2018 年地磁場東向分量Y從-921.1 nT 減少到-1 247.3 nT，10 年間減少326.2 nT，平均年變率為32.6 nT/a；②邕寧臺2008—2018 年地磁場Y分量從-1 106.9 nT 減少到-1 419.8 nT，10 年間減少312.9 nT，平均年變率為31.3 nT/a；③肇慶臺2008—2018 年地磁場Y分量從-1 370.1 nT 減少到-1 762.0nT，10 年間減少391.9 nT，平均年變率為39.2 nT/a；④邵陽臺2008—2018 年地磁場Y分量從-1 705.3 nT 減少到-2 063.6 nT，10 年間減少358.3 nT，平均年變率為35.8 nT/a；⑤泉州臺2008—2018 年地磁場Y分量從-2 146.7 nT 減少到-2 621.3 nT，10 年間減少474.6 nT，平均年變率為47.5 nT/a。

由圖2(g)可知，華南地區地磁場東向分量Y長期變化具有隨時間和臺站經度增加呈逐年緩慢減小趨勢，且5 個地磁臺2008—2018 年地磁場Y分量的變化形態一致，均呈單調下降趨勢，而且變化量在312.9 —474.6 nT。

3年變率變化分析

年變率是2 個相鄰年度的年均值差值，即

式中，A為年均值，Y為差值，a1、a2為觀測年度，且a2=a1-1。

據式（1），選取華南地區2007—2019年地磁觀測數據年均值，計算2008—2018年D、I、F、H、Z、X、Y七要素年變率，結果見圖3。由圖3 可見：①各地磁臺磁偏角D年變率在2008—2012 年變化平緩，變化量在2 (′)/a—4 (′)/a，2013—2018 年緩慢上升，變化量在2 (′)/a—5 (′)/a；②各地磁臺東向分量Y年變率在2008—2012 年變化平緩，變化量在20 nT/a—40 nT/a，2013—2018 年緩慢上升，變化量在20 nT/a—50 nT/a；③各地磁臺磁傾角I年變率在2008—2013 年緩慢上升，變化量在3 (′)/a—10 (′)/a，2014—2018年緩慢下降，變化量在10 (′)/a—2 (′)/a；④各地磁臺垂直分量Z年變率在2008—2013年緩慢上升，變化量在60 nT/a—130 nT/a，2014—2018 年緩慢下降，變化量在130 nT/a—60 nT/a；⑤各地磁臺水平分量H與北向分量X的年變率變化趨勢基本一致，10 年間年變率變化量在0.1 nT/a—40 nT/a，其中2008—2009 年變化平緩，2009—2011 年逐年上升，2011—2012 年變化平緩，2012—2013 年緩慢下降，2013—2014 年變化平緩，2014—2015 年出現上升，2015—2016 年呈下降變化，2016—2017 年變化平緩，2017—2018年呈上升變化；⑥各地磁臺總強度F年變率在2008—2018 年表現為曲折上升趨勢，變化量約20 nT/a—70 nT/a。

圖3 華南地區5 個國家基準地磁臺地磁場2008—2018 年七要素年變率(a) 磁偏角D；(b)磁傾角I；(c)總強度F；(d) 水平分量H；(e) 北向分量X；(f) 東向分量Y；(g)垂直分量ZFig.3 Annual variation rate of seven elements of the geomagnetic field at five national geomagnetic observatories in South China from 2008 to 2018

4 結論與討論

經“十五”數字化改造，國家基準地磁臺觀測數據連續性和數據質量得到提高。對邵陽、邕寧、肇慶、瓊中、泉州等國家基準地磁臺地磁場七要素進行長期變化分析，發現變化趨勢基本一致，側面說明地磁觀測臺工作狀態良好，儀器運行穩定，觀測數據連續可靠。

邵陽、邕寧、肇慶、瓊中、泉州均位于我國華南地區，地磁場七要素在10 年內具有緩慢而明顯的逐年變化，總體特征表現為：①磁偏角D均偏西，其長期變化具有隨時間變化和臺站經度增加呈逐年緩慢偏西增大趨勢，也就是說，磁偏角D向東在逐年增大；②磁傾角I逐年增大，與國際參考地磁場長期變化模型IGRF-SV 的地磁場長期變化相吻合；③F、X、H、Z分量逐年緩慢上升，磁場強度逐年增加；Y分量為負，呈逐年下降趨勢，亦說明磁場強度在反方向逐年遞增，且5 個臺站變化趨勢基本一致。

非偶極子磁場磁場強度在逐年增加，但變化尺度并不均勻。從華南地區5 個地磁臺年變率變化可知，10 年尺度的F、H、Z、X、Y分量年變率約0.1 nT/a—130 nT/a，其中Z分量年變率高達130 nT/a，D分量年約2 (′)/a—5 (′)/a，I分量約2 (′)/a—10 (′)/a。

20 世紀初，地磁北極尚在加拿大北部海岸附近，2001 年已移動至北冰洋中部，并快速向俄羅斯西伯利亞移動，每年位移距離約30—50 km，速度比100 年前約提高3 倍，大眾開始擔心磁偏角導航的準確性。對華南地區5 個地磁臺地磁觀測數據分析可知，該區磁偏角D在逐年緩慢增大，但年變率僅2 (′)/a—5 (′)/a，未發生劇烈改變。據此認為，地磁北極的移動速度將對北冰洋等高緯度地區的導航準確性產生影響，對我國華南地區影響不大。

中國科學院空間中心“子午工程”項目提供部分地磁觀測數據，在此表示感謝。