浅析井下地磁场观测长短周期变化特征

2018-09-10王莉森殷金平边鹏飞

四川地震 2018年3期

王莉森，殷金平,边鹏飞，牛露

(1.河北省地震局,河北石家庄 050021; 2.赣州市地震局，江西赣州 341000)

对地球地磁场观测是地球物理观测的重要组成部分之一。随着地磁场模型的精细化应用需求，抑制或减小地磁干扰，提高信噪比，获得更加精准的观测数据成为了地磁场观测研究的重要课题。与地面观测相比较，井下观测能提高观测精度1-2个数量级(徐纪人，2006)。在河北唐山滦县开展的地磁场井下观测时间已累计5年，根据期间仪器运行稳定性、磁静扰日变化形态、数据观测精度(背景噪声)等指标评估结果，认为滦县地磁场井下观测系统运行稳定，其观测数据精度优于国家地磁台网中心发布的精度指标，其观测数据可用于地球物理地磁场信息的研究(王莉森，2017)。但由于该系统未配备绝对观测仪器校准，其相对记录数据受到设备周围岩质磁化以及地下观测环境不确定性的影响，针对深井观测地磁场特征是否与地表观测地磁场长、短周期变化大体一致是值得研究的。继续开展长时期井下观测会遇到哪些问题也是值得研究的。一般认为，小区域内地磁场变化是一致性的，以滦县2013-2018年累计5年的井下地磁场观测数据为研究对象，经过数据处理分析其地磁场变化，将其与邻近昌黎后土桥地磁台、大连地磁台2个站点地磁场的观测数据进行一致性分析，讨论深井观测地磁场观测数据的长、短周期变化之间的一致性。

滦县磁通门观测井位于唐山断裂以西22.4 km，唐山断裂在唐山地震之前就处于缓慢的蠕动状态，为一条发震断裂，它孕育了1976年7月28日唐山7.8级地震。滦县磁通门观测井深300 m，地磁传感器位于井下280 m处，观测量为地磁水平方向的东西X分量、南北Y分量及垂直Z分量。滦县磁通门观测系统使用英国Bartington的MAG-03MC型地磁传感器，采用48 V直流供电电源与24 bits低噪声数据采集器，将其与井下传感器的连接，组成一个井下地磁观测系统。对滦县地磁场井下观测点地磁场长、短周期变化与其周围台站观测地磁场变化的一致性进行分析。

1 变化一致性分析

1.1 长周期变化

对于地球磁场变化的研究表明，在一个不大的空间范围内基本磁场和磁场分布是均匀的，变化也基本同步，即在空间内各处的变化是相关的，至少在 1 000～200 km范围内如此(张秀霞，2008)。以唐山滦县深井观测点同纬度区内相邻的有昌黎后土桥地磁台和大连2个绝对地磁观测站点，将这两个地磁观测台观测数据作为变化一致性分析的地磁观测参考站点，选取2013年5月-2018年3月近似5年地磁绝对观测日均值(磁通门加绝对观测数据)，进行多站点间长周期和短周期趋势变化一致性分析。根据地磁场7要素转换关系，应用下面3个公式:X=H*cos(D);Y=H*sin(D)和H=F*cos(I)来计算2个参考点5年北向分量X、东向分量Y、垂直分量Z的日均值绝对数据，同时计算滦县深井观测相应时段日均值数据，在检验数据预处理完整性后绘制3个站点长周期数据变化曲线研究其变化特征(参见图1)。图1显示，昌黎、大连、滦县3个站点长周期数据动态曲线变化形态一致，其中北向分量X、东向分量Y均呈趋势下降的态势，因为滦县与昌黎台地理位置相近，幅度受地球内部、外太空磁场影响一致性较强，所以观测数据变化一致性较强；3个站点垂直分量Z呈上升的态势，滦县深井观测地磁场变化与昌黎和大连参考站点变化趋势一致。将昌黎后土桥、大连台作为地磁绝对观测站观测数据参考点，经绝对观测校准的地磁场观测数据已消除了仪器零点漂移与量程漂移，深井磁通门观测数据长周期变化趋势与2个参考站点长周期变化趋势一致，可以认为深井观测系统受仪器自身与观测环境的影响较小，未出现漂移的迹象。同时计算3个站点5年观测数据日均值相关性，X、Y、Z分量相关系数分别是0.998、0.995和0.996，可以认为3个站点5年观测数据长周期X、Y、Z分量变化一致性较强，深井观测长周期变化稳定。

1.2 短周期变化

以大连和昌黎后土桥2个观测站点作为地磁观测数据一致性分析的参考站点，将大连和昌黎后土桥2个参考站点的观测数据与滦县深井观测站点短周期地磁场数据绘制出短周期地磁场变化曲线(参考图2)。从图中可以看出，北向分量X、东向分量Y数据为下降趋势，地磁年变化明显；Z分量数据为上升趋势，年变化明显。特别是北向分量X在2014和2015年间的变化规律性较强，2016年年变化幅度小于前2年，2017年上半年出现双峰的态势，后半年恢复原有变化态势，3个地磁观测台的数据变化紧密地重合在一起，难以分辨，说明他们之间的一致性非常好。

图1 长周期变化一致性对比曲线

图2 短周期变化一致性对比

2 滦县台地磁场数据分析

2.1 长周期变化

以滦县2013-2017整年地磁场深井观测资料研究其长期变化特征，绘制该时段时间序列图，图3显示，X、Y分量呈趋势下降态势，Z分量呈趋势性上升。其中X分量年变化特征明显，呈不规则1/2正弦波变化形态。利用公式:ΔX=(X2-X1)/(t2-t1)计算相邻两年的年变率以表示该地区地磁场长期变化，滦县地区2014-2017年的平均年变化幅度如表1所示。

表1 2014-2017年滦县地区平均年变化幅度

2.2 短周期变化

按照地磁场的组成分类，地磁场由地球主磁场、地壳磁场、变化磁场三部分组成，可以去掉主磁场、地壳磁场。地磁变化场表现出与区域有关的特征,场强度变化表现出地磁场季节变化和短期变化(阿里普别科夫，2007)。选取2014-2017年4年滦县深井地磁场观测资料，去除主磁场和地壳磁场后得到该地区深井地磁场的变化磁场。绘制X、Y、Z分量年地磁场变化时间序列图，如图3所示，地磁场X、Y、Z分量区域变化特征明显，均显示为下降或上升态势。其中X分量年变呈下降—缓变—下降/上升的趋势；Y分量年变呈现下降趋势；Z分量年变呈现上升趋势。根据2014-2017年变化特征，X分量在9或10月为年度变化磁场最低值，该分量在2015年的变化幅度最高，达138 nT；Y分量在2015年11和12月为变化磁场最低值，该分量在2017年的年变化幅度最大，达68 nT；Z分量在1月为变化磁场最低值，该分量在2017年的年变化幅度最大，达62 nT。