地磁日變改正中磁灣磁鉤等磁擾對海洋磁力資料的影響

任相宇, 付永濤, 周章國

地磁日變改正中磁灣磁鉤等磁擾對海洋磁力資料的影響

任相宇1, 2, 3, 付永濤1, 2, 4, 周章國1, 2

(1. 中國科學院海洋研究所, 山東 青島 266071; 2. 中國科學院海洋地質與環境重點實驗室, 山東 青島 266071; 3. 中國科學院大學, 北京 100049; 4. 海洋油氣勘探國家工程研究中心, 北京 100028)

在海洋磁力測量過程中, 磁擾形態變化復雜的特性致使地磁日變的改正仍存在著許多困難。本文根據黃海、東海和南海北部十余年采集的超過104km的海洋和陸地地磁資料, 利用對比分析的方法, 總結了3種磁擾現象對海洋磁力資料的影響規律: 1) 微擾的海陸日變值持續時間短, 幅度比值接近1∶1, 對海洋磁力資料影響很小, 利用低通濾波可以完全消除其影響; 2) 磁鉤海陸日變幅值比為1～2, 持續時間在1 h以內, 校正后的地磁異常值仍有較大的誤差, 利用最小曲率法可以基本消除其影響; 3)磁灣的持續時間長, 海陸日變幅值變化大, 無法準確消除其影響, 采用最小曲率法等插值方法處理后, 仍殘留假異常, 需要額外關注。

磁灣; 磁鉤; 日變改正; 海洋磁力測量

地磁日變改正是海洋磁力測量過程中最基礎的工作之一, 但同時也是海洋磁力成果資料中誤差的主要來源, 若不進行準確校正, 會導致虛假的磁異常, 造成解釋上的錯誤[1-5]。地磁日變主要與太陽輻射對地球電離層的影響有關, 具有極強的時效性, 每時、每日的觀測結果都不相同。因此, 如何提高日變改正的精度, 一直是海洋磁力測量中需要優先考慮的問題。從20世紀60年代開始, 國內外眾多學者針對海陸日變幅值、時差、基值等問題[6-11], 以及深遠海日變測量技術[12-17]和地磁日變的校正方法[18-23]開展了大量工作, 保障了近遠海磁力測量工作, 測網精度達到技術規范的標準。

磁擾是地磁日變改正中典型的難點, 對于較大的脈動等磁擾的校正, 通常采用邊剛[3]提出的校正方法: 將磁擾日期間的靜日變化和擾動變化分離, 分別對其進行改正。但對于相對較弱的磁鉤(鉤擾, magnetic crochet)、磁灣(灣擾, magnetic bay)等磁擾還缺乏充分的討論。在實際工作當中, 對于強度較小、持續時間較短的磁擾, 通常認為是隨機噪聲的影響, 利用平滑等方法來消除其影響, 但仍可能會殘留擾動, 降低地磁日變改正的精度。

大量實測資料經分析顯示, 磁灣、磁鉤等磁擾現象廣泛存在, 校正后的地磁異常值出現了顯著的假磁異常。本文以微擾、磁灣和磁鉤等磁擾現象為研究對象, 對比分析海洋磁力資料和陸地地磁資料, 評價微擾、磁鉤和磁灣等磁擾現象對海洋磁力成果資料的影響。

1 數據來源

數據來源于中國科學院海洋研究所2005—2018年的南黃海、東海和南海北部采集的海洋磁力資料和陸地地磁日變資料。

海洋磁力資料大多數是在油氣勘探任務中采集, 作業船只以約9 km/h航速勻速航行, 使用的儀器是Marine Magnetics生產的海洋磁力儀, 儀器精度為±0.2 nT[24-25]。地磁日變觀測在工區同緯度陸地區域進行, 使用的儀器有Sentinel以及WCZ-3S等多種磁力儀, 其中WCZ-3S在平靜日測量時的精度約為±0.3 nT, Sentinel 基站磁力儀的精度為±0.1 nT, 滿足高精度地磁日變觀測的需求[26-27]。

2 數據分析

在海洋磁力測量期間, 嚴格意義上的地磁平靜日天數很少, 一個月內經常少于3 d。而磁擾日相對較多, 這些磁擾有梯度相對平緩、幅值在10 nT以內的微擾, 也有幅值較大的磁鉤、磁灣等磁擾, 磁暴則相對較少。

2.1 陸地地磁日變數據處理

陸地地磁日變數據處理主要包括五點平滑和基值處理兩部分。地磁基值理論上為臺站所在位置的基本地磁場值。本文中確定基值的方法是平均值法: 選擇航次期間某幾天磁靜日24 h地磁日變觀測數據的平均值作為該地磁日變站的地磁場總強度值, 以此為地磁日變基值[28]。用五點平滑后的地磁日變觀測數據減去基值即可得到地磁日變值。

2.2 微擾型磁擾特征分析

微擾在本文中特指幅值在10 nT以內、持續時間在幾分鐘或十幾分鐘的磁擾以及突然脈動(一種突然的脈沖現象; 水平分量和總場值突增或突降, 幅度為1～ 100 nT; 時間持續1～10 min)。微擾的海陸日變幅值很小, 幅度比值接近1, 可以利用低通濾波方法消除其影響。

瓊東南盆地的測線13QDN01微擾型磁擾特征明顯(圖1)。從圖1中可以看到, 測線13QDN01在世界時16時、17時和19時左右的陸地地磁日變值與海測值減去正常場值同時出現有幅值約5 nT、持續時間約15 min的磁擾。兩者之間的幅值基本相等, 因此校正后的地磁異常值(黑色)在對應時間段內表現為相對平緩, 只有一些幅值很低的殘留擾動。本文共統計了25條存在微擾型磁擾的測線, 這些微擾型地磁擾動對地磁日變改正的影響很小, 經校正后的地磁異常值幅值不超過1 nT。

圖1 微擾型磁擾示意圖

注: 為方便進行曲線比對, 將陸地地磁日變值加上30 nT, 海測值-正常場值減去10 nT

2.3 磁鉤型磁擾特征分析

鉤擾是一種持續時間一般在1 h以內, 幅度變化超過10 nT的磁擾, 起始較急, 形狀類似于一個鉤子, 常常伴隨有短波消失[4]。即便測量船只以1.8 km/h航速航行, 也往往會跨越10～20 km, 產生顯著的峰值或谷值(幅度超過10 nT)(圖2)。鉤擾與太陽耀斑同時發生, 是一種由太陽輻射引起的地磁效應, 故又稱太陽耀斑效應。在太陽耀斑發生時, 紫外線輻射會突然增強, 引起電離層的電離濃度突然增高, 從而在電離層中形成一個短暫的電流體系, 這就是鉤擾的成因[29]。因此, 磁鉤只限于日照半球。

注: 為方便進行曲線比對, 將地磁異常值減去10 nT, 低通濾波處理后地磁異常值減去20 nT, 最小曲率法處理后地磁異常值減去30 nT

以瓊東南盆地測線18QDN01為例, 在圖2中世界時約3時出現了第一次鉤擾, 陸地地磁日變值有大約10 nT的幅值變化, 海測值與正常場值的差有大約20 nT的幅值變化。世界時4時至5時之間出現了第二次鉤擾。陸地地磁日變值的變化幅度約20 nT, 海測值減去正常場值的變化幅度約35 nT。兩者變化幅度的差異導致了地磁異常值在第二次鉤擾時間段內出現波動, 幅度約15 nT。三條曲線在鉤擾時間段內同時出現了變化形態相同但幅值不同的波動。這也說明了傳統的地磁日變校正未能從海洋磁測原始數據中完全消除鉤擾的影響, 校正后的地磁異常值仍存在高達15 nT的誤差。

對于這種海陸日變幅值不同的現象, 有兩種可靠的解釋: 一是由于受太陽輻射的影響, 電離層的電離濃度突然增高, 在海水和陸地上激發感生電動勢和電流, 而海洋電導率比陸地電導率高, 這就導致了鉤擾在海洋日變數據中的幅值要比陸地日變數據大; 二是由于地質體引起的真實異常。本文統計了36條存在磁鉤的測線, 結果顯示: 這些測線的海陸地磁日變數據在鉤擾時間段內都出現了幅值比在1～2的波動。大量數據證明這種現象在海洋磁力資料中廣泛存在, 可以排除地質體引起的異常。

鉤擾對海洋磁力資料造成的誤差雖然可以被大洋中高梯度值(超過100 nT)掩蓋, 但對于重磁震聯合反演、測線網調差等工作的影響是顯著的。在重磁震聯合反演中, 一般認為這種磁鉤引起的假異常由地質體或地層磁性差異引起, 這將導致錯誤的反演結果。

圖2顯示了經過低通濾波和最小曲率法處理后的地磁異常值。由于鉤擾的幅值相對較高, 校正后的地磁異常值仍有較大的誤差, 利用低通濾波也不能消除。因此, 本文利用最小曲率法來消除其影響。從圖2中可以看到, 低通濾波處理后的數據雖然比原始數據更加平滑, 但鉤擾處的地磁異常值仍存在假異常。而經過最小曲率法處理后的地磁異常值在鉤擾處的幅值明顯降低, 基本消除了鉤擾對海洋磁力資料的影響。

圖3是2018年瓊東南盆地兩條相交測線(18QDN02和18QDN03)的交點情況, 從圖3(a)中可以看到有磁鉤假異常的測線段與無磁鉤假異常的測線段的交點差在–14.2 nT, 這會顯著提高測線的平均交點差值, 破壞測線與所有相交測線之間的線性特征, 從而擾亂該測線的平差參數, 降低海洋磁力成果資料的質量。圖3(b)是經過最小曲率法處理后的交點差, 經過最小曲率法處理后的兩條測線的地磁異常值幾乎相等, 交點差明顯降低, 基本消除了鉤擾對測線交點差的影響。表1是測線18QDN02與相交測線的交點差情況, 最小曲率法處理后與測線18QDN03交點差降低為0.08 nT, 測線準確度由±3.55 nT提升為±0.85 nT, 充分證明了該方法的可行性。

圖3 最小曲率法處理前后的測線交點差

表1 測線18QDN02交點差統計

2.4 磁灣型磁擾特征分析

磁灣是亞暴的磁場表現, 持續時間約半小時到幾小時, 幅值可超過10 nT, 隨時間變化形態像海灣, 有正灣和負灣之分。在高緯度地磁臺, 子夜前常記錄正灣, 子夜后為負灣, 表明分別有東向電集流和西向電集流流過頭頂[5, 30]。

以瓊東南盆地2005年的測線05QDN01為例, 在圖4中世界時12時至14時內出現了一次持續時間在1.5 h左右的灣擾。灣擾形態變化復雜, 幅值變化大, 出現多個波峰或波谷。陸地地磁日變值、海測值與正常場值的差、地磁異常值在灣擾時間段內的波動的頻率和相位雖然一致, 但振幅卻有很大的差異。若不對其進行仔細處理, 會導致時間較長的假磁異常。與磁鉤相同, 磁灣對海洋磁力資料的影響也是由于海陸電導率不同而造成的, 但磁灣持續時間長, 海陸日變幅值變化大, 可能會與地質磁異常混淆, 因此在判斷磁灣時需要仔細檢查相鄰測線磁異常、交叉測線在交點處附近的磁異常。

圖4 磁灣型磁擾及低通濾波和最小曲率法處理前后的地磁異常值

注: 為方便進行曲線比對, 將低通濾波處理后地磁異常值減去10 nT, 最小曲率法處理后地磁異常值減去20 nT

圖4顯示了經過低通濾波和最小曲率法處理后的地磁異常值。低通濾波削弱了灣擾時間段內幅值較低的磁異常, 但仍殘留幅值較大的磁異常。經過最小曲率法處理后的地磁異常值在灣擾處的幅值雖然降低了10 nT左右, 但由于時間長達1.5 h, 在測線上跨度長達15 km, 會對真實的地磁異常進行插值, 導致最小曲率法處理后的地磁異常并不準確。

為了驗證最小曲率法處理對磁灣型磁擾的有效性, 本文以2005年的測線05QDN01及兩條相交測線為例。從圖5(a)中可以看到, 有磁灣假異常的05QDN01測線與無磁灣假異常的測線05QDN06和測線11QDN04的交點差均在–10 nT左右。圖5(b)為經過最小曲率法處理后, 測線05QDN01與測線05QDN06的交點差為–0.12 nT。但由于磁灣的幅值變化大, 測線05QDN01與測線11QDN04的交點差仍有3 nT左右的誤差。本文統計了15條存在磁灣的測線, 結果表明: 經最小曲率法處理后的大部分交點差仍殘留較大的誤差。因此, 最小曲率法并不能徹底消除磁灣對海洋磁力資料的影響。表2是測線05QDN01與相交測線交點差的交點情況, 最小曲率法處理后的交點差分別降低為–0.12 nT和3.35 nT, 測線準確度由±2.93 nT提升為±1.1 nT, 得到顯著改善。

相較于磁鉤而言, 磁灣對測線之間的線性誤差、平差參數以及校正后的地磁異常值都會產生更嚴重的影響, 給磁力資料處理解釋帶來困惑。因此, 需仔細分析磁灣, 盡可能降低其對海洋磁力資料的影響。

3 討論

如前所述, 地磁日變改正是海洋磁力測量中最主要的誤差來源之一, 而關于磁擾的處理則是地磁日變改正當中最復雜的一部分。因此, 國內外學者開始尋找磁擾日的改正方法, 吳水根等[31]對比當地時法、小時平均法、北京時法共三種方法對典型磁暴日、全區磁力交點均方根誤差計算, 結果表明按照北京時法處理得到的均方根誤差最小, 其實質是對原始數據進行世界時校正。而磁暴、磁擾往往是全球同時發生, 在這種情況下磁暴、磁擾的變幅遠遠超過了磁靜日變幅, 因此取得了較好的效果。李興康等[32]依據大洋實測地磁資料, 注意到530 km大洋島嶼臺站與工區錨系潛標日變站的地磁日變值在磁暴期間的相位和幅值是吻合的, 磁暴期間的一條磁力測線, 經遠端洋島臺站地磁日變資料校正后, 與2 條平靜期測線的交點差分別為–3.20 nT和–0.66 nT, 因此需要適當關注磁暴期間的海洋地磁資料的處理。劉天佑等[33]提出應用維納濾波和三次樣條函數法對磁擾和磁暴日變曲線進行改正。理論模型試驗表明, 該方法優于目前使用的地方時法、小時平均法和北京時法, 可取得較好的效果。邊剛等[3]提出利用擾日法對磁擾日的地磁日變數據進行校正。該方法充分利用磁擾前后的磁靜日變觀測資料, 實現了磁擾日的靜日變化與擾動變化分離, 結合各自的時間特點, 分別對其進行改正, 經實例驗證表明, 該方法可以提高磁擾日地磁日變改正精度, 并且其日變改正精度與時間差(經度差)不存在相關性。

表2 測線05QDN01交點差統計(單位: nT)

傅里葉分析在磁場建模中具有廣泛應用, 可以運用傅里葉級數展開的方法把一天的太陽靜日變化曲線表示成各次諧波的疊加。張連偉等[21]基于傅里葉級數建立了日變數據處理諧波分析模型; 應用于大批量實測日變數據處理, 確定了諧波截斷次數為5, 實現了日變基值、平靜日變改正和磁擾改正的合理分離, 有助于磁擾和磁暴期間的海洋磁力測量數據處理。劉帆等[20]采用最小二乘法確定各次諧波系數建立太陽靜日變化模型, 以此進行地磁觀測數據中太陽靜日變化和磁擾的分離, 并應用于海洋磁力測量的日變數據處理。

《海洋調查規范第8部分: 海洋地質與地球物理調查》[28]中規定: 必須準確記錄初動、持續、消失的時間, 并及時通知測量船, 磁暴或磁擾持續時間較長時, 應進行補測。但在實際工作中, 對于磁灣、磁鉤等持續時間較短的磁擾, 無法做到補測。

綜上, 國內外學者關于磁擾日的改正主要著重于如何分離靜日變化和擾動變化, 結合各自的時間特點, 然后分別對其進行校正。此類方法雖然方便快速, 但無法徹底分離所有磁擾, 也無法確定其改正的精度。而本文通過分析大量實測資料, 總結了微擾、磁鉤和磁灣型磁擾的海陸日變幅值變化規律, 以此為基礎, 通過觀察各條測線人工分離了這些磁擾。但在海洋磁力數據處理中, 數據量通常較大, 為了減輕磁擾校正工作導致的負擔, 需要提出合理的算法去分離微擾、磁灣和磁鉤等磁擾現象, 然后分別對其校正。此外, 本文根據微擾和磁鉤型磁擾對海洋磁力成果資料的影響規律提出了利用低通濾波和最小曲率方法。結果顯示: 經低通濾波和最小曲率法處理后的測線交點差顯著降低, 基本消除了微擾和磁鉤型磁擾對海洋磁力資料的影響, 更準確地反映了工區內地磁異常值的實際變化。但對于磁灣而言, 這兩類方法雖然能明顯降低測線的交點差, 但處理后的地磁異常值與相交測線相比仍有較大的差值。因此, 需要提出合理的方法去處理此類磁擾。

4 結論

本文通過對陸地地磁日變觀測數據與海洋磁測數據的對比分析中得到了以下認識:

1) 微擾: 這類磁擾在海洋磁力資料和陸地地磁日變資料的幅值比接近于1, 可通過低通濾波等消除, 不會產生明顯的假磁異常。

2) 鉤擾: 磁鉤的特征明顯, 持續時間短, 在陸地地磁日變曲線和海洋磁力曲線上很容易識別, 海陸日變幅值比在1～2, 可通過最小曲率法等方法消除其影響。

3) 灣擾: 磁灣持續時間長, 形態變化復雜, 海陸日變幅值變化大, 無法利用低通濾波和最小曲率等方法來徹底其消除。目前尚無可靠的校正方案, 需要采用其他研究者[3, 31]的建議予以刪除或重新測量。

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Influence of magnetic crochet and magnetic bay on ocean magnetic data

REN Xiang-yu1, 2, 3, FU Yong-tao1, 2, 4, ZHOU Zhang-guo1, 2

(1. Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071, China; 2. Key Laboratory of Marine Geology and Environmental, Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071, China; 3. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China; 4. National Engineering Research Center of Offshore Oil and Gas Explonition, Beijing 100028, China)

In the process of ocean magnetic measurement, many difficulties remain in correcting the magnetic diurnal variation because of the complex characteristics of magnetic disturbances. In this paper, the comparative analysis method is applied to the ocean and land geomagnetic data collected for more than ten years over 100,000 kilometers in the Yellow Sea, East China Sea, and the northern part of the South China Sea, and the influence of three types of magnetic disturbance phenomena on ocean magnetic data is summarized: (1) The daily variation in the land and sea is brief, and its amplitude ratio is near 1:1, which has little impact on ocean magnetic data. Low-pass filtering can eliminate its impact. (2) The magnetic crochet sea–land–day variation amplitude ratio is 1–2, and the duration is less than one hour. The corrected geomagnetic anomaly still has a large error, and the minimum curvature method can essentially eliminate its influence. (3) The magnetic bay is long-lasting, and the daily variation amplitude of the land and sea changes greatly, and its influence cannot be eliminated accurately. After interpolation methods such as the minimum curvature method, false anomalies still remain, which requires additional attention.

magnetic crochet; magnetic bay; magnetic diurnal variation; marine magnetic survey

Apr. 28, 2021

P631.2+24

A

1000-3096(2023)6-0012-08

10.11759/hykx20210428002

2021-04-28;

2022-06-26

中國科學院海洋地質與環境重點實驗室開放基金項目(MGE2022KG11)

[Open Fund of Key Laboratory of Marine Geology and Environment, Chinese Academy of Sciences, No. MGE2022KG11]

任相宇(1996—), 男, 山東濰坊人, 碩士研究生, 地質工程專業, 現從事海洋重磁測量研究工作, E-mail: 17854254018@163.com;付永濤(1970—),通信作者, 男, 湖南綏寧人, 副研究員, 從事海洋重磁測量研究工作, E-mail: ytfu@qdio.ac.cn

(本文編輯: 叢培秀)