在地球表面进行的地磁场测量中,既有缓慢的长期变化地磁场,也包含因太阳辐射下电离层和磁层的影响——也就是地磁日变。在太阳活动平静时期,在同一纬度上电离层与磁层是在太阳活动平静时期,在同一伟度上电离层与磁层是随着地球不同经度上的地方时差而大致稳定变化,地磁日变在同一纬度不同经度上变现为有时差(即相位变化)和幅值上稳定的变化,但在不同纬度上的则有显著的相位和幅值的变化^[1]。地球地磁场和不同纬度地磁日变的特征是地球物理学和空间物理学研究的一个重要内容^[1⇓-3]。

对于远洋磁力测量而言,由于开阔海域中难以架设有效日变站,地磁日变的观测和改正是一个持续许久的难题。目前,采用卫星磁力测量资料结合理论值和地表实测值的地球(全球)地磁场模型数据(最新的为CM6^[4])可以用于海洋地磁日变改正,例如Sager等^[5]、邢琮琮等^[6]、Huang等^[7]采用CM4数据进行了远海地磁日变改正,可以满足历史资料处理和科研需求,但对于海洋磁力测量而言,其日变改正效果远逊于海底锚系潜标实测的地磁日变资料^[6,8]。但当水深较大时,由于海水的屏蔽效应,海底锚系潜标日变站也难以取得很好的效果,并且还会面临供电难等因素的影响^[9]。因此,利用陆地日变台站数据进行日变校正仍具有重要的作用,但需要考虑诸多因素的影响,既有海陆地磁日变值幅值的差异^[10],又有海岸地磁效应^[11]和陆地与海域时差的影响^[12⇓-14]。

在海洋地磁测量工作中,目前仍然缺乏对台站和海上工区间的相位差(也是时差)和幅值的详细讨论,限于海上作业条件,国内仅有边刚等^[15]、卞光浪等^[16]和徐行等^[9]的研究相关。在舟山和日本鹿儿岛鹿屋台站的地磁日变资料中,作者注意到两地日变的日间和夜间的时差变化以及磁暴的影响,为了避免纬度因素的影响,进而选取更高纬度的3个欧洲台站资料,从多个纬度相近、经度不同地磁台站和一个大洋工区的地磁日变资料,详细地分析了多台站数据资料在不同时段、时期(日间、夜间,强磁扰等)的特征,包括日变曲线的形态特征、相位差、幅值差等,及其对海洋地磁数据日变改正的影响。对于大洋深远海的海洋地磁测量,可以做为如何选取和应用远端陆地台站日变资料的参考。

本文章数据分为两组,第一组为3个欧洲地磁台站(CLF、BFO和FUR)的数据,第二组为舟山花鸟岛布设的临时台站和日本鹿儿岛鹿屋地磁台站的数据。两组地磁台站分别处于相近的纬度,最大程度消除由纬度因素引起的日变曲线差异,并且在进行时差(经度差引起的)校正后,可以明显对比分析日间和夜间日变曲线的特征差异。

在国际地磁台站网站(IAGA)选取了北纬48°线上的3个欧洲台站(CLF、BFO和FUR),其中BFO站、FUR站分别与CLF站相距452 km和672 km(表1和图1),下载了2019年7月30日~9月4日的数据。地磁日变观测数据为三分量XYZ数据,通过对三分量平方和计算算数平方根得到地磁总场强度值。

舟山花鸟岛临时台站位于浙江省舟山市嵊泗县花鸟岛灯塔村(30.85°N,122.68°E)(图2五角星所示),是中国科学院海洋研究所在2019年执行某地磁日变观测项目时设立的。日本鹿儿岛鹿屋地磁台站位于日本鹿儿岛县鹿屋市(31.42°N,130.88°E,图2三角形所示)。该地磁观测台于1958年开始地磁场观测,于1975年被指定为全球10个参与磁暴分类的观测站之一。

舟山花鸟岛台站地磁日变资料由中国科学院海洋研究所在2019年实测获得。该台站使用的地磁日变观测仪器有Sentinel磁力仪、WCZ-3质子磁力仪及WCZ-3S质子磁力仪,Sentinel磁力仪和WCZ-3/WCZ-3S的采样率分别为1/60 Hz和1/30 Hz,测量值为地磁总场值。3种仪器的性能参见邵关等^[17]和贾富昊等^[18]文章。

鹿屋地磁台站地磁日变资料由国际地磁台站网站(www.intermagnet.org)下载获得,该台站使用的地磁日变观测仪器有磁测经纬仪、质子旋进磁力仪及磁通门质子旋进磁力仪,采样率为1 Hz,为三分量值,计算了地磁总场值。

花鸟岛台站和鹿屋台站的日变观测时长为72 d,从2019年7月25日~10月9日。欧洲台站的资料选择了同一期间的8 d,为2019年7月30日~31日,8月9日~10日,8月17日~8月18日,9月3日~9月4日。

并根据地磁日变的日期在德国地球科学研究中心尼梅克地磁观测站下载了地磁活动指数Kp,该台站可提供1932年1月1日至今的Kp指数值,下载网址https://www-app3.gfz-potsdam.de/kp_index/Kp_ap_Ap_SN_F107_since_1932.tx。地磁活动指数Kp为每3个小时1个数据。

由于地理位置和地质背景不同,各个观测站的地磁总场值差别较大。因此,选取各台站取值期间的地磁平静日计算地磁场基值,由台站地磁测量值扣除地磁场基值,获得地磁日变值。为了突出显示夜晚和白日的地磁日变特征,对每两天地磁日变值做图。并且通过台站之间的经度差计算得到时差,对昼夜的数据进行统一的时差校正,将各台站的时间校正到同一个地方时,方便进行曲线的对比和时差分析。

从欧洲台站的数据看,相距452 km的CLF和BFO两台站的地磁日变值在下午14时或16时~早6时的特征为夜间的平静地磁变化,其相位一致,幅值差很小,多在2 nT之内(图3)。对于相距672 km的CLF和FUR两个台站,也是在下午14时或16时左右开始进入夜间的平静变化,两个相位一致,幅值差普遍小于2 nT(图4)。

从浙江舟山花鸟岛和鹿屋台站的资料看,夜间的变化特征多数是开始于16时左右,这与欧洲3个台站的14时或16时有所不同,表现为日间明显的相位差消失,在17时左右趋于一致的变化。在下午16时~次日早6时期间,幅值差普遍小于5 nT(如图5所示)。

对于相距452 km的CLF和BFO两台站,相距672 km的CLF和FUR两个台站的地磁日变值在夜间磁扰时刻的幅值差稍大,但仍小于4nT。例如,2019年7月30日16时~7月31日0时,Kp指数最大值大于3,日变值表现为高频的正负变化,幅值可达15 nT(图3);2019年9月4日晚19时~22时的Kp值约为3,日变值表现为单峰状,幅值可达15 nT。但在这两段时间内日变幅值在幅值差也小于4 nT(2019年9月4日的幅值差如图6所示)。

浙江舟山花鸟岛和鹿屋台站的地磁资料在磁扰期间(Kp值大于4),例如2019年9月27日~9月28日的磁暴持续从9月27日持续活动到9月30日,即便在夜间,2个台站的幅值差最大达10 nT,个别的峰值超过15 nT(如图7所示)。对于Kp小于3的磁扰,2个台站的幅值差相对较小,例如2019年10月5日16时~2019年10月6日早6时,夜间的地磁活动性仍较强,鹿屋台站的地磁幅值可达15 nT,鹿屋与花鸟岛的幅值差达7 nT左右。

从欧洲3个台站和舟山鹿屋台站的地磁日变可以看出,在早6时~8时期间日变梯度开始逐渐增大,在早8时之后日变幅值明显,到中午12时达到峰值。再之后,梯度变小,在14时或16时之后,两台站间日变值开始在相位和幅值上同步变化。但需要注意的是,各台站之间的相位差则比较复杂,既有上午期间的相位差,又有午时的可以忽略的不明显的相位差,甚至整个日间都没有相位差。这与磁扰有密切的相关,尤其是磁暴期间,相位差为零。

从距离452 km的CLF台站与BFO台站的资料看,早6时~14时或16时的幅值差较小,普遍小于5 nT。但受磁扰影响,地磁幅值差会略大,例如2019年7月30日8时~12时,CLF台站资料的相位发生变化,导致10时左右最大的幅值差达7 nT(图3)。这表明,在内陆区相距452 km的地磁日变仍然可以对磁力资料进行可靠的地磁日变校正。

相距672 km的CLF和FUR两个台站的地磁日变值,在8时~14时或16时期间,幅值差相对较大,在5~10 nT。较大的幅值差,多发生在磁扰期间,或受不明原因的相位变。例如2019年9月4日13时的磁扰(图6),以及7月30日8时~12时的CLF台站相位变化,都导致幅值差相对较大,达10 nT,甚至峰值大于10 nT。

从浙江舟山花鸟岛和鹿屋台站的资料看,日间的地磁日变幅值很大,在地磁平静时期,可达10~15 nT(例如2019年7月26日和27日,以及2019年8月14日)。这主要是相位差的影响,尤其是在午时高峰值期间,两地的时差约33 min,但在地磁日变曲线上的相位差的时间约1.5 h(例如2019年8月14日,图5)。在地磁活动性较强的时期,2台站的幅值差与设想的变大不同,反而相对较小,例如2019年8月27日7时~20时,Kp值约为3,幅值差反而小于10 nT,在下一天8月28日的地磁平静日,10时~14时的幅值差高达15 nT(图8)。在磁暴日9月28日,Kp值约为4~5,两台站的幅值差普遍小于10 nT。

花鸟岛与鹿屋的幅值差相对欧洲CLF-FUR的幅值差显著增大,除了距离增大100 km外,可能与台站所处位置有关。欧洲的均为陆地台站,幅值差较低。而花鸟岛位于东海陆架区,面积很小,仪器设置在岸边海岸。鹿屋为内陆,远离海岸线。因此,花鸟岛与鹿屋的幅值差显著大于欧洲672 km的台站的幅值差,这可能是陆地与海洋海水的导电性的差异而引起的。

由法国CLF台站、德国BFO台站和FUR台站的位置经度,可以计算时差约为24 min和36 min,相应的花鸟岛和鹿屋台站的时差约为34 min。理论上,在地磁日变曲线上日间阶段会有对应时间的相位差。

但从5个台站的地磁日变曲线看,在早6时左右相位差比较明显。从2019年7月30日和31日的地磁日变曲线看,CLF与BFO的相位差对应的时间差约为35 min(图3),CLF与FUR相位差的时间差在早6时约为55 min(图9),花鸟岛与鹿屋的相位差的时间差约为38 min(图10)。

而且在同一天、相邻两天、不同天,时差也有所不同,既可能扩大,也可能减小。例如2019年8月14日,早6时的相位差约为1 h,但在上午峰值的时差扩大为约1.5 h。2019年8月25日,在北京时间8点半和10点,鹿屋和花鸟岛台站分别达到上午的极值,时差约1.5 h,这导致在上午10点左右,2个台站的幅值差达15 nT。在11时~12时之间,由于鹿屋幅值相对增大,导致在此时间段,幅值差高达25 nT。相反,2019年8月9日早6时,CLF与FUR相位差明显,但在8时开始~2019年8月台站10日,日间和夜间的相位差几乎可以忽略。2019年7月31日的地磁日变曲线也显示了同样的特征。而这种午时左右的相位差消失,则意味着两台站之间的幅值差有可能降低,例如上述两天的午时期间的幅值差小于5 nT。

但在磁暴发育期间,从5个台站资料看,各个台站的日间相位基本一致,台站之间的幅值差反而降低,这与磁暴的全球性同一时刻的影响是密切相关的(例如图7~图10所示)。例如8月27日10时~22时发育的小磁暴,花鸟岛和鹿屋台站的相位一致,幅值也趋于接近,期间的幅值差在±10 nT之间(图8)。9月27日14时~9月28日22时的磁暴,Kp值在3~5,花鸟岛和鹿屋的相位一致,幅值接近,幅值差小于10 nT,仅有极少时段的峰值达15 nT(图7)。

但也有磁扰期间,既有相位差,幅值也不同。例如,9月30日的磁扰,Kp值在3~5,花鸟岛和鹿屋之间的相位差在6时左右明显,在12时左右保持大致时差,而且两台站的幅值也有差别。尤其是鹿屋台站在12时~14时之间的数值显著大于花鸟岛,导致30 nT的幅值差。

从上述时差的分析看,沿同一纬度分布的台站,即便在500 km之内,日间的相位差都有可能有所变化,而且其时差与地理经度计算的时差也不同。在地磁活动性较弱的期间,相位差也可能减小到可忽略不计。在地磁活动性较强期间,相位差反而可以忽略,例如在较大磁暴期间,由于是全球事件,相距略小于800 km的花鸟岛和鹿屋台站的相位吻合、幅值接近,幅值差甚至小于未做相位差调整的平静日的幅值差。

海洋地磁测量的精度的影响因素很多,但地磁日变改正目前则是最大的难题,采用在邻近大陆设置陆地地磁日变台站是目前优选的方法,但因为陆地与海洋的导电性不同,也可能带来误差,尤其是表现在磁暴、磁湾和磁钩等磁扰在海陆地磁资料的幅值上是有差别的。从本文分析的资料看,3个欧洲台站均为陆地台站,幅值差相对较低。花鸟岛位于东海陆架区,面积很小。鹿屋为内陆,远离海岸线。因此,花鸟岛与鹿屋相距约800 km,但两者的幅值差显著大于欧洲700 km的台站的幅值差,这可能是陆地与海洋海水的导电性的差异而引起的。当然,也存在两地大地构造背景不同而导致的三分量分量值的不同变化,例如渭河南北两侧的垂直分量相位相反^[19]以及国外一些不同地质背景的短周期磁异常三分量的变化^[1],但对于地磁总场值的日变而言,从大量的实测值看影响并不明显。

相对于较远的陆地台站,在大洋工区采用海底锚系潜标挂载的地磁日变站可以获得较好的地磁日变改正效果。因为相对于远端台站资料,海底锚系潜标在较浅水深挂载的日变站的资料不存在相位差的缺陷,进而能获得较高精度的海洋地磁测网,测网交点差RMS甚至小于3 nT,优于大洋地磁测量的技术指标,显著优于地磁场模型的计算结果^[6,8]。但在海洋工区设立海底地磁日变观测站或海底锚系潜标观测站,水深较大时会面临海水的屏蔽效应,导致测量的相位和幅值与海面测量值不符^[9];在水下300 m以浅的深度布设日变站,在恶劣海况下磁力仪可能无法正常测量,会丢失数据;同时,也会面临磁力仪供电不足,无法长期测量的难题,因此自然资源部第一海洋研究所的专家对电池包做了改造以适应2~3个月的测量周期。

从前人及实测台站的资料看,陆地地磁日变站可以提供400 km以上的可靠的地磁日变改正结果,目前海洋地磁调查规范^[20]中也规定了300~500 km的地磁日变台站的控制范围。理论上,越靠近海上工区的陆地台站可以获得更高精度的海洋磁力测网,甚至工区内海底OBM也应该有更好的改正效果,但Auld等^[12]的工作显示:由于海岸效应,更远端的陆地台站比海岸附近台站有更好的地磁日变改正效果;由于海水屏蔽,工区内海底OBM的资料也存在相位和幅值的变化,徐行等^[9]也验证了这个现象。

从大量的海洋地磁测量的结果看,可以在我国近海和远洋获得交点差RMS优于2 nT和4 nT的高精度海洋地磁测网。在我国近海实测中,考虑到渔业海底拖网的威胁,往往不考虑在工区投放海底日变站,而是选择在海岸附近设置陆地日变站。在大洋,往往缺乏陆地台站资料,而是投放海底OBM或锚系潜标台站,从锚系潜标资料看,可以获得精度优于3 nT的海洋磁力测网^[6]。限于作业条件,目前还没有更详细的不同距离台站资料是如何影响海洋磁力测网精度的实例,但在有条件的情况下,可以做这项验证工作。然而,对于海洋磁力测量而言,陆地地磁日变站和深海海底OBM的相位差和幅值差也是一个难题。同时,若调查跨越时间太长,还可能需要考虑地磁场的长期变化^[21]。

从本文的几个台站资料来看,无论是相距452 km,还是700 km左右,地磁日变曲线的相位差(也相当于是时差)是不断变化的,在当地时6时或8时开始,到16时左右(欧洲台站有14时左右的),2个台站的相位差既可以增加或减少,在同一日期、不同日期,相位差也是不同的。而且,经度差计算的理论时差与实测的时差(由相位差确定的)也是显著的不同,差值甚至可达1 h。

由于日间的相位差,进而导致台站之间的幅值差。日出后尤其是中午左右时间段,相距452 km的陆地台站资料显示,地磁日变差值可达5~10 nT。在磁静日期间,即便是采用全球地磁场模型计算的外源场数据,相对于工区实测的地磁日变资料,在午时也有较大的误差,可达10~20 nT^[7]。因此,有必要对午时期间的地磁资料进行关注,因为在8时~12时期间,尤其是12时左右的一两个小时内,海洋磁力测量的航迹长度可达36 km,这些磁力数据的日变改正可能会存在高达10 nT左右的误差。

因此若采用数百千米外的台站资料,有专家认为可以对日间的地磁日变资料做适当的时差校正^[13-14],但从本文资料看,时差也是不断变化的,在计算时差是需要更多的考虑。但对于海洋磁力测量而言,往往缺乏可靠的台站资料来做参考,因此是很难做出哪些是需要做时差校正,哪些是不需要做时差校正的。根据本文所示资料中16时~早8时左右的平静的地磁变化特征,作者建议可以考虑将当地时上午8时左右~下午16时左右之间的日变值做时差校正,而夜间的校正时间保持不变。

众所周知,地磁日变主要是由太阳辐射引起的,引起夜间的地磁变化是相对平静的。从本文分析的5个台站资料看,欧洲北纬48°的3个台站在下午14时或16时左右开始进入相对平静的夜晚状态,而舟山和鹿儿岛的台站则是在16时开始进入平静状态的,而且这种状态是在十几分钟内快速达到的。

从400~800 km左右的台站资料看,夜间的地磁变化是平缓的,即便是间隔800 km左右的台站,地磁观测值在相位和幅值上也是吻合的,幅值差多小于2 nT,少数的也小于4 nT。因此,对于夜间测量的海洋磁力数据,需要的话可以采用间隔800 km的台站资料来进行地磁日变改正。

针对夜间和日间的幅值差和相位差的不同特点,可以在大洋磁力测网中对夜间和日间的地磁数据分别计算,通过交点差来检验。

在本文作者近期完成的某区域大洋磁力测网(内部资料),既有工区内投放的锚系潜标日变站(位于水深300 m,恶劣海况期间无数据),又有纬度相差较大的国际地磁台站资料(距离工区中心点530 km),两套台站资料分别计算的交点差可以说明夜间地磁日变改正的有效性。

首先,工区地磁日变站获得的测网交点差,无论在日间还是夜间,交叉差值是吻合的,交点差绝对值的平均值在2.18~3.39 nT。夜间—夜间的平均值为2.40 nT,10时~14时与其他时刻的交点差绝对值的平均值为3.39 nT。这表明,锚系潜标日变站的资料与海面测量磁力资料是吻合的。

其次,530 km远端的陆地台站资料,夜间—夜间的交点差绝对值的平均值为4.12 nT,日间—日间的为4.93 nT,10时~14时与其他时刻的为3.92 nT。两者的差距并不显著,这与设想中的有明显差距,有待于后续的细致分析。

在5个台站资料的磁扰日期内,日间的相位差反而不明显,甚至是消失的。例如,2019年7月30日、8月27日、9月28日等磁暴期间(图7~图10),相邻数百千米台站地磁变化的相位是同步的,虽然海陆的幅值有所不同。例如舟山花鸟岛和鹿屋鹿儿岛在磁暴期间的相位一致、幅值大致吻合,计算的幅值差反而小于后续的平静日的幅值差。

从近期完成的大洋地磁资料看,530 km外的陆地台站资料与工区锚系潜标资料在磁暴期间的相位和幅值是吻合的。在磁暴期间测量的一条磁力测线,经远端台站地磁日变资料校正后,磁力异常值与2条平静期测线的异常值的交点差分别为-3.20 nT和-0.66 nT,从地磁异常曲线上也可以看出这3条磁力测线的趋势是连续的。

由于磁暴的活动具有一个27 d的周期^[1],因此在长达一两个甚至更长时段内,磁暴的干扰是一个严重的问题^[22]。在国家规范^[20]以及相关部门调查规范中,对于磁暴以及强磁扰现象,往往要求停止测量或补充测量。但对于作业时间紧张的调查,如果没有陆地地磁日变观测资料,是难以及时获取磁暴发生的时间段,也难以停止作业而等待磁暴活动的结束。因此,在长时间的海洋地磁调查资料中必然存在磁暴的干扰,因此有相关部门的调查规范要求删除幅值大于100 nT的磁暴活动期间的资料,对于小型磁暴则认可期间测量的资料。从上述台站和大洋磁暴的特点看,若有工区附近的可靠地磁台站资料,磁暴期间的地磁日变是可以得到准确改正的。

从欧洲3个台站和东亚2个台站的资料,以及少量的大洋实测资料,可以得到如下结论:

1)在日间,多台站资料的日变曲线的相位差是明显且变化的,与经度差计算的时差是不相符的。因此若采用远端台站地磁日变资料,对于午时测量的海洋地磁资料,应适当关注其可能含有的较高的地磁日变改正误差。

2)在夜间,台站资料在相位上和幅值上是吻合的,相位差基本为零。因此,对于夜间测量的海洋地磁资料,可以考虑采用远端800 km的地磁资料来做地磁日变改正。

3)大洋实测的地磁资料表明:采用工区日变台站时,夜间地磁数据的交点差要略微小于日间地磁数据的交点差;若采用远端台站资料,夜间地磁数据的交点差明显小于日间地磁数据的交点差。

4)强磁扰(如磁暴)等全球性地磁活动,相位是一致的,幅值差反而要小于平静日的幅值差。大洋实测资料表明,磁暴期间与平静期的测线交点差很小。因此,需要适当关注磁暴期间的海洋地磁资料的处理。