磁暴期间航磁测量数据的对比分析

房江奇， 杨金政， 蔡文军， 祝亚荔， 倪卫冲

(1.核工业航测遥感中心， 石家庄 050002；2.中核集团铀资源地球物理勘查技术中心(重点实验室)， 石家庄 050002)

0 引言

航空磁法测量是将磁法探测仪器安装在固定翼飞机、直升机或其他飞行器上，按一定高度沿测线飞行并记录磁场变化，以解决地质、地球物理问题为目的的测量工作。该方法具有测量速度快、效率高，成本低，不受地域限制等优势，广泛应用于矿产勘查、油气勘探、基础地质研究等领域(铁、锰等矿产，能够引起局部强磁异常，在磁法测量中可以被快速圈出勘查靶区[1-4])。另外，航空磁测按地表一定高度飞行测量，大大减弱了浅地表地质体及地表磁性不均的干扰，能更清晰地反映深处的地质情况，因而广泛应用于地球深部研究。

地球的磁场分为稳定磁场和变化磁场。变化磁场起源于地球的外部，是叠加在地球基本磁场之上的各种短期变化磁场。按照起源的不同，变化磁场表现为两大基本类型：①平静变化；②干扰变化(磁扰)。平静变化的主要成分是磁静日变化，在中低纬度地区，日变幅平均在30 nT ～40 nT左右，在赤道地区，日变幅可达200 nT。以一天的变化来讲，在不同的地区其形态变化特征均为白天变化大，而夜间比较平静。地磁日变场是一个矢量场，在高精度航磁测量中，需对航空磁测数据进行磁日变校正。

地磁场除了每天连续出现的周日变化外，还会发生无规律的突然变化。采用地磁观测设备在地面对大地磁场进行连续观测中，短时间内测量仪器观测到的数nT无规律的变化称磁扰。突然出现的磁扰，变化剧烈，形态复杂。十分强烈的磁扰现象称为磁暴，一般在全球同时发生。通常小磁暴较多，而大磁暴较少，有相当数量的磁暴具有27天重复出现的特征。

依据中华人民共和国地质矿产行业标准—航空磁测技术规范( DZ /T 0142-2010)(简称“规范”)[5]，磁暴期间不得进行航空磁测。当进行高精度航磁测量时，磁日变记录连续出现梯度变化大于1 nT/min时，应密切注意其变化；当连续出现梯度大于5 nT/3min的非线性变化时，应停止飞行或事后补飞。

磁暴的发生对于任何一项磁法测量势必会有影响，如何确定影响大小，能否用数据处理手段减小影响，引起了广大学者的重视。徐东礼等[6]对线性和非线性磁扰情况下的航空磁测数据进行了影响分析和评价，认为在严重磁扰情况下的航空磁测数据，经过磁日变校正和其他各项修正后，可获得与磁静日重复观测结果基本一致的航磁△T数据。

近几年来，核工业航测遥感中心在黑龙江省和内蒙古自治区开展了大量的高精度航磁测量工作，并且在测量时，遇到磁暴事件发生。之后，依据“规范”要求，在磁静日进行了重新测量。笔者利用磁暴时航磁测量的数据和非磁暴日的重复测量数据，对比分析了这些磁暴时测量的历史航磁数据质量，对磁暴期间航测数据的利用具有指导意义。

1 航磁数据的比较

1.1 数据的获取

总计选取了不同作业区、不同年度6条受磁暴影响的测线(图1)，通过对磁日变数据每3min磁场强度最大变化统计分析，发现当日有磁暴发生。对连续出现地磁场梯度大于5 nT/3 min的非线性变化时间段的测线数据，选择磁静日进行了重新测量，第二次测量时的航磁数据和磁日变数据均符合“规范”的要求。

1.2 磁暴事件下的航磁数据分析

评价航磁数据质量需要考虑以下几个方面：

①航磁数据的动态噪声；②磁日变数据的噪声；③航磁ΔT数据第一次测量和第二次测量的重现性。针对磁暴时间段测量的航磁数据，质量采用两种方法进行评价分析：①内符合精度法;②航磁数据四阶差分法计算的动态噪声。

1.2.1 内符合精度

内符合精度法是一种通过第一次测量和第二次测量的数据计算重复测量精度的方法。计算一条测线两次测量数据的内符合精度均方误差公式为[7-10]：

(1)

式中：n是重复线公共线段数据上的对应点数量；δi是重复线公共线段各点测量值ΔTi与该点平均值ΔT的差。

依据航空磁测技术规范，航磁数据经过了航磁数据和磁日变数据合并、飞行方向差校正、飞行海拔高度校正、地磁正常场校正、磁日变校正等处理。航磁测量时，航磁数据和坐标数据采样频率为10 Hz。在基本保持和采样点距一致的情况下，对坐标数据和航磁ΔT数据进行线性内插，实际内插点距在6.5 m～6.8 m之间。之后进行了两次测量公共线段提取及内符合精度计算。

选取的6条测线，从图1可以看出，测线上地磁场强度的变化各不相同。出现磁暴时间段，有时飞机正好位于地磁场平缓区，有时位于地磁场变化复杂区。对6条重飞测线进行统计，研究其变化规律。通过计算(表1)可以看出，测线上非磁暴时间段所有重复测点参与计算时，内符合精度在0.27nT～8.65 nT之间变化，不同地磁场梯度情况下，内符合精度各不相同。剔除磁场梯度大于100 nT/km之后计算得出的内符合精度在0.27 nT～3.53 nT之间(计算时磁暴时间段内的数据没有参加统计)，内符合精度明显改善，可以看出磁场梯度变化大时，影响内符合精度的计算结果。

图1 航磁ΔT剖面图Fig.1 Profile map of aeromagnetic ΔT(a)4971测线航磁ΔT剖面图；(b)4130测线航磁ΔT剖面图；(c)2770测线航磁ΔT剖面图;(d)1720测线航磁ΔT剖面图；(e)7360测线航磁ΔT剖面图；(f)7370测线航磁ΔT剖面图

通过分析磁暴时间段航磁ΔT数据(表2)可以看出，所有重复测点参与计算时内符合精度在0.13 nT～8.08 nT之间变化，不同地磁场梯度情况下，内符合精度也各不相同。剔除磁场梯度大于100 nT/km之后计算得出的内符合精度在0.13 nT～2.78 nT之间，同样可以明显看出磁场梯度变化大距离为磁日变基站点距离测线最远点的距离；ε1为非磁暴时间段所有测点参加计算的内符合精度；ε2为剔除磁场梯度大于100 nT/km之后计算的内符合精度，点数为磁场梯度小于100 nT/km测点数；H1为测线第一次测量的平均离地高度；H2为测线第二次测量平均离地高度；Δ1为两次测量的航磁ΔT平均值差。

表1 测线内符合精度表

表2 磁暴时间段内测线内符合精度结果表

D为磁暴时间段内的测线长度，ε3为磁暴时间段内的所有测点计算得出的内符合精度；ε4为磁暴时间段内的剔除磁场梯度大于100 nT/km之后计算的内符合精度;ε5为磁暴时间段磁场平缓区内测点计算的内符合精度；Δ2为两次测量的航磁ΔT平均值差。

时，影响航磁ΔT数据内符合精度的计算结果。磁暴时间段内磁场平缓区内测点计算的内符合精度在0.13 nT～1.08 nT之间，L1720和L2770均位于磁场变化复杂区，无法进行磁场平缓区内测点统计。

表1和表2均统计了6条测线两次测量ΔT的平均值差，非磁暴时间段和磁暴时间段内两次测量平均值变化分别在-0.85 nT～2.41 nT和-0.48 nT～2.90 nT之间。非磁暴时间段和磁暴时间段平均值差的变化(Δ1-Δ2)在-1.29 nT～0.26 nT变化，二者之间并没有发生显著变化。

内符合精度的变化与磁场强度梯度的变化关系密切。以L4130为例(图2)，内符合精度采用分段计算的方式进行统计，以150个测点为一组进行滑动统计，内符合精度偏大的地方，往往出现在磁场强度梯度变化大的区域。从图2中可以看出，磁场变化平缓区的内符合精度远好于磁场变化复杂区计算的内符合精度。

L2770磁暴时间段内两次测量ΔT的内符合精度为2.70 nT(测线长12.3 km)，主要是由于测线位于磁场变化剧烈区、两次测量位置最大偏离30 m造成的。内符合精度采用分段计算的方法，在一定范围之内最差为4.50 nT，位于磁场变化复杂区；最好为0.92 nT，位于磁场变化相对平缓区(测线长6.4 km)。这说明L2770测线磁暴时间段ΔT的内符合精度变差，并不是由于磁暴引起。

1.2.2 航磁动态噪声

两次测量的航磁数据进行了动态噪声分析，采用动态噪声水平Si值来评价每条测线航磁测量数据质量。选取采样间隔为0.5 s的航磁数据，并且舍掉水平梯度大于600 nT/km异常上的测点值，按式(2)计算Si值：

(2)

图2 4130测线航磁测量结果曲线图(资料来源：核工业航测遥感中心实测)Fig.2 Aeromagnetic survey curve of Line 4130(a)4130测线两次测量航磁ΔT剖面图；(b)4130测线两次测量航磁ΔT内符合精度曲线图;(c)4130测线两次测量飞行航迹偏差曲线图；(d)4130测线两次测量离地高度差值曲线图;(e)4130测线两次测量时磁日变变化曲线图

表3列出了不同年度6条测线磁暴条件下和非磁暴条件下的航磁数据的动态噪声水平。从表3结果可以看出，非磁暴时间段两次测量测线统计动态噪声最大差值为-0.105 7 nT；当第一次测量为磁暴时间段测量，第二次测量为非磁暴时间段测量时两次测量测线统计动态噪声最大差值为0.112 47 nT。有3条测线(L1720、L2770、L7360)在有磁暴期间飞行时动态噪声相对偏大，但也出现两条测线(L4971、L7370)动态噪声略微偏小的情况。这6条测线两次测量航磁数据动态噪声水平没有明显变化。

影响航磁数据动态噪声的因素包括：①仪器性能；②飞行离地高度；③地下磁性体的分布特征；④磁日变特征。因此第一次测量和第二次测量的结果不会完全一致，每条测线的航磁数据动态噪声也不相同。

2 非磁暴条件下测量的数据的比较

为了和磁暴时间段内测量的数据精度进行对比，同样对均为非磁暴日的两次测量进行了内符合精度分析和计算。抽选了2011年-2015年不同作业区的6条测线进行分析(表4)，由表4可以看出，所有重复测点参加计算时，内符合精度可在1.17 nT～8.48 nT之间变化，剔除磁场梯度大于100 nT/km之后的测点计算得出的内符合精度在0.87 nT～2.83 nT之间，磁场梯度变化大时，影响内符合精度的计算结果。采用磁场变化平缓区测点参加计算得出的两次测量ΔT内符合精度变化在0.41 nT～0.99 nT之间。采用平缓区测点进行数据质量评价，反映了设备的仪器状态、性能指标和当时的地磁环境。

表3 重复线测量航磁数据动态噪声统计表

Si1、Si3为第一次测量原始航磁数据动态噪声；Si2、Si4第二次测量原始航磁数据动态噪声；Si1-Si2和Si3-Si4均为两次测量动态噪声的差值

表4 非磁暴条件下重复线测量航磁ΔT内符合精度表

D指磁日变基站点距离测线最远点的距离；ε1为所有测点计算得出的内符合精度；ε2为剔除磁场梯度大于100 nT/km之后计算得出的内符合精度；ε3为磁场变化平缓区测点参加计算得出的内符合精度；H1为第一次测量时的平均离地高度；H2为第二次测量时的平均离地高度

3 磁日变数据对比分析

牡丹江和佳木斯磁日变基站相距258 km，2011年6月10日至10月8日期间，在牡丹江和佳木斯两地开展了多次磁日变测量，磁日变数据变化规律基本一致。但随着测量时间的变化，二者之间的变化量略有差异。

以2011年牡丹江和佳木斯两地磁日变基站测量结果为例(图3)，7月19日06时19分03秒开始测量，15时50分00秒结束测量，从测量结果来看，磁日变数据每3 min的最大变化小于3 nT，两地磁日变数据的变化量在-4.25 nT～4.67 nT之间。对这个时间段内两地的磁场强度进行相关性分析，相关系数为0.982 8。

9月13日07时45分34秒开始测量，12时21分58秒结束测量，从测量结果来看，两地磁日变数据的变化量在-2.02nT～3.82 nT之间，最大变化达5.84 nT。对这个时间段内两地的磁场强度进行相关性分析，相关系数为0.985 6。磁日变数据在11时39分44秒～11时42分42秒、12时05分16秒～12时06分08秒、12时07分51秒～12时09分36秒时间段每3 min磁场强度的最大变化大于5 nT，分别为7.27 nT、5.27 nT、5.91 nT，出现磁暴事件，但两地观测的磁日变数据的变化量并不大，分别为1.12 nT、1.43 nT、2.02 nT，均在正常变化范围内。对磁暴时间段内两地的磁场强度进行相关性分析，相关系数为0.997 9。由图3(b)可以看出，当日发生磁暴时，两地磁日变数据(磁场强度)的变化量并没有增大。

因此，在一定距离范围内，磁日变基站选择合适，两地磁日变数据具有相同的变化规律，这也说明当磁暴发生时，通过磁日变校正可以消除由于磁场日变化对测量结果造成的影响。

图3 佳木斯和牡丹江磁日变观测站测量的磁日变数据对比图(资料来源：核工业航测遥感中心实测)Fig.3 Magnetic diurnal data comparison diagram of Jiamusi and Mudanjang base station(a)2011年7月19日测量的磁日变曲线及差值图;(b)2011年9月13日测量的磁日变曲线及差值图

4 重复线测量结果影响因素分析

影响因素主要包括以下几个方面：

1)地形影响。兼顾航空放射性测量的航磁测量，采取沿地形起伏飞行，飞行离地高度通常在120 m左右。起伏飞行对磁异常测量结果影响明显，其影响程度和起伏高差有很强的相关性[11]。

2)磁场变化剧烈程度。磁场梯度变化大的区域重复性相对较差，在此区域开展重复性对比，会低估仪器的重复测量精度。

3)磁日变数据。选择合适的磁日变观测基站，并且基站到测区的距离尽可能近。詹志佳等[12]认为,地磁总强度日变化的日变辐、形态与频谱，在100 km～200 km的局部范围内基本相同，但在500 km大范围内则不同，在25°～40°纬度范围内，地磁总强度日变幅的纬度因子约1 nT/°～2 nT/°。虽然磁暴的产生是全球性的，具有同步性，受经度差影响小，但受纬度差影响较大。地磁日变幅随磁日变基站所处纬度的增加而增加，同纬度的磁日变站记录的磁日变数据形态具有相近的变化规律[13-15]。牡丹江和佳木斯磁日变基站实测数据表明，在基站相距258 km时，磁日变数据变化规律是基本一致的。

4)离地飞行高度不同产生的影响。两次测量结果对比时,宜选取离地飞行高度接近的测线。

5)飞行航迹不一致产生的影响。两次测量结果对比宜选取飞行航迹接近的测线。

6)仪器性能。

7)磁补偿参数。

在实际工作中，磁场变化剧烈程度、离地飞行高度和飞行航迹是影响两次测量的数据存在差异的主要原因。在排出上述影响后，两次测量ΔT内符合精度较大时，应查明由什么原因引起。

5 结论

同一台设备，在磁暴事件下测量的航磁数据，经过磁日变校正、正常场校正、飞行高度校正等各项修正后，可获得与在非磁暴日重复观测基本一致的结果，平缓磁场区两次测量结果对比好于磁场变化复杂地区，这与非磁暴条件下两次测量的数据变化规律相同。

磁场变化复杂地区，测线两次测量ΔT内符合计算精度变化较大，不能真实反映数据的测量质量和仪器性能。平缓磁场区磁暴时间段内测点计算的内符合精度在1 nT左右。

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