太平洋地区地球主磁场长期变化特征的研究

潘 莹，高国明，王树琴，张站稳，杨 滢

(云南大学 地球科学学院 地球物理系，云南 昆明 650500)

地球主磁场起源于地球核幔边界的磁流体发电机过程，携带地球外核的电磁信息和物质运动特性，是认识无法达到的地球深部的重要地球物理场资料[1].根据球谐级数理论，主磁场由偶极子场和非偶极子场组成[2]，它的长期变化主要表现为偶极矩的变化、磁极移动和倒转、非偶极子场的西向漂移和急变等[3-5].研究主磁场长期变化的规律，对了解地球内部物质的性质和运动具有重要意义.

太平洋地区非偶极子场强度减小，形成“太平洋偶极子窗”[6].然而，关于“太平洋偶极子窗”的形成时间仍然存在争议，对太平洋地区主磁场的时空演变的认识不全面.例如，Bloxham等[7]认为从17世纪开始太平洋地区主磁场长期变化缓慢，非偶极子场较弱.但是，Takesi等[8]的研究认为太平洋地区主磁场的长期变化较快，非偶极子场较强.因此，系统研究太平洋地区主磁场的长期变化是非常有必要的.本文根据最新的国际地磁参考场IGRF13（International Geomagnetic Reference Field 13）模型[9]，计算1900—2020年每隔5 a的太平洋地区地球主磁场，系统分析主磁场、偶极子场和非偶极子场的时间演变，以期对太平洋地区主磁场的长期变化有更全面的认识.

1 计算方法和资料

1.2 计算方法在球坐标系下，主磁场的磁位U的表达式[11]为：

再对磁位坐标分量求偏导，并根据球坐标分量和观测点直角坐标系分量之间的关系，可以得出主磁场的北向分量（X），东向分量（Y）和垂直分量（Z）的表达式：

式中：r、θ、λ分别为地心坐标系下的地心距、地理余纬和地理经度；a为地球的平均半径，取值为6 371.2 km；和为球谐系数，cosθ为n阶m次施密特形式的半标准化缔合勒让德函数；N为最大截断阶数，在本文中N=13.根据各地磁要素之间的关系，其它4个地磁要素的总强度（F）、水平分量（H）、磁偏角（D）和磁倾角（I）分别为

根据球谐分析理论，n=1的球谐项表示磁偶极子场，n≥2的球谐项表示非偶极子场.本文的研究区域为99°E～180°～78°W，85°S～65°N，计算网格为1°×1°.根据公式（2）～（4），以及其余4个磁场要素的总强度（F）、水平分量（H）、磁偏角（D）和磁倾角（I）的表达式，将IGRF13模型的球谐系数代入，得到太平洋地区的主磁场数据.

图1给出了2020年主磁场垂直分量（Z）的分布（a）～（c）以及偶极子场与主磁场的总强度（F）的比值（d）.从图1可以看出，偶极子磁场和主磁场的强度和分布形态相近，说明偶极子磁场占主磁场的绝大部分，其形态决定了主磁场的分布；非偶极子磁场的形态截然不同于主磁场和偶极子磁场.与周边强的磁场相比，太平洋地区的非偶极子磁场整体上较弱，形成“太平洋偶极子窗”.然而，在太平洋的中部（9°N附近）存在较强的非偶极子磁场，不符合“太平洋偶极子窗”.在太平洋地区总强度（F）的偶极子场所占主磁场比例小于1[图1（d）]，表明在该地区存在较强的非偶极子场.尽管太平洋磁场以磁偶极子场成分为主，但是在某些地方，非偶极子场的贡献不可忽略.因此，偶极子窗在太平洋地区存在差异性，有利于系统分析太平洋地区主磁场的长期变化，对深入认识该地区的主磁场的时空演变规律有重要意义.

图1 2020年主磁场垂直分量（Z）的分布以及偶极子场与主磁场的总强度（F）的比值Fig.1 Distribution of the vertical component (Z) and ratio between the dipole field and the main magnetic field of the total intensity(F) in 2020

2 1900年和2020年的太平洋地区主磁场的空间分布特征

笔者计算了1900—2020年每隔5 a的主磁场的分布.为节约篇幅，本文只给出1900年和2020年太平洋地区的主磁场分布（图2）.由图2可以看出，太平洋地区主磁场7个要素磁场分布相比其他的强度要素，东向分量（Y）和磁偏角（D）的长期变化较缓慢，水平分量（H）和北向分量（X）、垂直分量（Z）和磁倾角（I）的空间分布形态相近.因此，本文重点分析主磁场总强度（F）、水平分量（H）、垂直分量（Z）3个要素的长期变化.

例5 (新编题)吸收工业尾气SO2和NO可获得Na2S2O4和NH4NO3产品,其中关键的一步是在图5所示装置中完成的(Ce为铈元素),已知电解过程中浓度没有变化。

太平洋地区的磁场分布近似于地心磁偶极子场的分布.F、Z和I在太平洋中部（赤道附近）最小，向两边逐渐增大；H和X在太平洋中部（赤道附近）最大，向两边逐渐减小；Y和D在太平洋地区变化较小，分别大约为6°和10°.

比较1900年和2020年太平洋地区主磁场的分布，发现两者的空间展布存在明显的差异.其中，F、H、X均表现出明显的漂移，H和X的西漂速率分别为0.61°/a和0.66°/a，F分量表现为东漂，东漂速率为0.21°/a.Z分量的零等值线(称磁赤道）在南北方向缓慢漂移，在东西方向上的变化相对较快，在北半球以0.08°/a向东漂移，在南半球以0.16°/a向西漂移.Y分量和D分量在太平洋地区缓慢漂移，Y分量的西漂速率为0.05°/a，在120 a期间D分量在东太平洋向西移动，而在西太平洋向东移动，漂移速率为0.08°/a.因此，太平洋地区主磁场存在明显的长期变化.

图2 1900年和2020年太平洋地区主磁场7要素的分布Fig.2 Distribution of main magnetic field 7 elements in the Pacific region in 1900 and 2020

3 太平洋地区主磁场的长期变化特征

对比不同年代的主磁场图，可以清楚地发现，地磁图的磁异常区的中心、零等值线等存在长期变化.地磁场长期变化的速率，可以由磁异常区的中心或零等值线等特殊等值线的漂移速率确定.由磁异常区中心的漂移确定的速率，代表磁异常区的漂移速率；由特殊等值线确定的速率，代表此等值线所在经纬度磁场的漂移速率.因此，两者确定的速率会出现不一致现象.本文从这两方面给出地磁场长期变化的速率.表1（数据见支撑信息附录）列出了1900—2020年每隔5 a太平洋地区主磁场南太平洋的磁异常中心位置和强度（图3）.这些磁异常区各个年代相对于1900年的强度变化系数K如图3（c）所示，K值大于1表示磁异常中心强度增加，K值小于1表示磁异常中心强度减少.

3.1 总强度（F）的长期变化特征如图2（a）所示，1900年磁场总强度（F）在太平洋地区形成了一个分布在南太平洋的正磁异常和一个分布在中太平洋的负磁异常.磁场总强度（F）强度值随纬度增加而增加，至2020年磁场空间分布形态有明显差异，120 a期间正磁异常向太平洋地区的西北移动，负磁异常向太平洋地区的高纬移动.为了清晰地显示2个磁异常区对太平洋地区主磁场长期变化的影响，图4（a）给出了F的1900—2020年的等值线P值为32 μT随时间的变化，黑色粗线代表1900年等值线，红色粗线代表1905年等值线，蓝色粗线代表2020年等值线，绿色细线代表1905—2015年期间每间隔5 a的等值线（以下相关等值线图均按1900—2020年每间隔5 a画出）.从图4（a）中可以看出，F在南北半球都有分布，在南半球随时间的变化比北半球大.在北半球以0.07°/a向北移动，在南半球以0.16°/a向南移动，1900—2020年期间以0.21°/a向东漂移.1900—1905年期间快速东漂，从111°E漂移到130°E，漂移速率达到3.8°/a.

图3 1900—2020年主磁场总强度（F）、水平分量（H）的磁异常中心的长期变化Fig.3 The secular variation of magnetic anomaly center of total intensity (F) and horizontal component (H) from 1900 to 2020

1900年F在南太平洋的正磁异常[图3中用SPC（F）表示]跨越了太平洋南部的广大地区[图2（a）].1900—1975年期间，磁异常中心由71.5°S向北漂移到62.9°S；1980—2020年期间，磁异常中心的纬度保持不变，位于60.8°S，纬度上漂移速率为0.09°/a.异常中心的经度由1900年的166.4°E向西漂移到2020年的136.7°E，漂移速率为0.25°/a.其中，1900—1905年期间向西漂移，由1900年的166.4°E变化为1905年的157.9°E，向西漂移了8.5°，漂移速率为1.7°/a.正磁异常中心强度整体上逐年减弱，由1900年的58.69 μT减弱为2020年的56.22 μT，平均年变率为-0.02 μT/a[表1，图3（c）].

3.2 水平分量（H）的长期变化特征1900年水平分量（H）在太平洋地区同样形成了2个磁异常[图2（c）]，正磁异常在太平洋地区的展布范围大，负磁异常的中心位置为149.4°E ，71.5°S.H的磁场强度值在赤道附近最大，随纬度增加而减小，至2020年H的磁场空间展布存在差异，2个磁异常整体上都呈现出西漂特征.为了清晰地显示2个磁异常区对太平洋地区主磁场长期变化的影响，图4（b）给出了H的1900—2020年的等值线P值为27 μT随时间的变化，可以看出H在南北半球均有分布，南半球的时间变化差异比北半球大，分别以0.07°/a和0.02°/a向赤道移动.1900—2020年期间，在西太平洋其形态没有太大变化，但在东太平洋，纬度上的长期变化表现为两边向赤道移动，同时在经度上快速西漂，从东太平洋漂移到了中太平洋，西漂速率达到0.61°/a.

1900年H中的负磁异常区在南太平洋的展布范围较小[图3用SPC（H）表示]，东西角距约150°，南北角距约50°[图2（c）].1900—1975年期间，磁异常中心纬度由71.5°S向北漂移到67.2°S；1980—2020年期间，磁异常中心纬度除了1995—2000年由65.1°S向南移动到65.7°S，其余年代保持不变，磁异常中心纬度均位于65.1°S.1900—2020年期间，其纬度上的漂移速率为0.05°/a.异常中心的经度由1900年的149.4°E大致向西漂移到2020年的139.7°E，向西漂移了9.7°，漂移速率为0.08°/a.1960—1965年和2000—2020年分别出现快速东漂和缓慢东漂，漂移速率分别为0.42°/a和0.15°/a.

图3 （c）中主磁场H的南太平洋负磁异常中心的强度呈现增大和减小交替出现的情况，该异常中心强度从1900年的-0.37 μT变化为2020年的-0.4 μT.120 a期间其异常中心强度呈现正弦函数变化，存在约3.5个波长，暗示了H的南太平洋负磁异常中心强度的长期变化有约30～40 a的周期[表1，图3（c）].

3.3 垂直分量（Z）的长期变化特征主磁场垂直分量（Z）的分布图中[图2（i）～（j）]，1900年和2020年Z的磁场空间形态分布相近且较规则，沿东西走向分布.零等值线在赤道南北移动，磁场强度在太平洋中部（赤道附近）最小，向南北两边逐渐增大.

为了清晰地显示出Z的零等值线随时间的变化，图4（c）给出了其1900—2020年的时间演变图.由图4（c）可以看出，在中太平洋B点（147°W，2°S）以西的AB两点之间，Z在北半球以0.08°/a向东漂移，在纬度上向北移动，速率为0.02°/a；在B点（147°W，2°S）以东BC两点之间，Z在南半球以0.16°/a向西漂移，纬度上向南移动，速率为0.03°/a.

3.4 偶极子磁场和非偶极子磁场的长期变化主磁场的长期变化表现为偶极子磁场和非偶极子磁场的长期变化，虽然偶极子磁场强度占主磁场强度的绝大部分，但在时间变化上，非偶极子磁场部分远远快于偶极子磁场部分.图5给出了偶极子场总强度（F）的1900—2020年的等值线P值为33 μT随时间的变化.由图5可以看出，该条等值线跨越了东、中、西太平洋地区，近似关于磁赤道对称分布.120 a期间，偶极子磁场向高纬移动，在南半球移动的速率为0.08°/a，在北半球移动的速率为0.07°/a.在东西方向上，偶极子磁场表现为缓慢西漂，西漂的平均速率为0.03°/a，远远小于0.2°/a全球西漂的平均速率.

图5 1900—2020年太平洋地区偶极子场总强度（F）的33 μT等值线的长期变化Fig.5 The secular variation of 33 μT contour of the dipole field total intensity (F) in the Pacific region from 1900 to 2020

由于太平洋地区的偶极子磁场的长期变化缓慢，我们重点分析非偶极子磁场的长期变化，分别从北向分量（X）、东向分量（Y）和垂直分量（Z）的零等值线的时间演变（图6）和垂直分量（Z）的各个磁异常中心的漂移和强度变化进行分析（表2数据见支撑信息附录和图7）.由于东向分量（Y）和垂直分量（Z）的零等值线在1900年的分布截然不同于其它年份，而1905—2020年的分布较规则，所以图6（b）～（c）的东向分量（Y）和垂直分量（Z）的零等值线的长期变化从1905年开始.图6（a）给出非偶极子场北向分量（X）的零等值线随时间的变化，可知其跨越了东太平洋的大部分地区和中太平洋、南太平洋和西太平洋的局部地区.X分量在东太平洋的变化最快，而在中、南、西太平洋变化较慢.X分量在东太平洋向西南移动，西漂速率为0.21°/a.图6（b）清晰地显示了东向分量（Y）随时间的变化特点，红色粗线表示1905年Y分量的零等值线，可以看出在中、北、西太平洋地区均有分布，在中太平洋随时间的变化最快，在北太平洋和西太平洋变化较慢.在中太平洋Y分量向西北移动，西漂速率为0.17°/a.Y分量的零等值线在北太平洋D点（156°W，34°N）以北向东北方向扭曲，表现为向东南缓慢移动（图8），以0.06°/a的速率向东漂移.

图6 太平洋地区非偶极子场北向分量（X）、东向分量（Y）、垂直分量（Z）的零等值线的长期变化Fig.6 The secular variation of the zero contours of north component (X), east component (Y) and vertical component (Z) of non-dipole field in the Pacific region

图7 1900—2020年非偶极子场垂直分量（Z）的磁异常中心的长期变化Fig.7 The secular variation of magnetic anomaly center of vertical component (Z) of non-dipole field from 1900 to 2020

从2020年非偶极子垂直分量（Z）的磁场分布[图1（c）]也可以看出，垂直分量（Z）在太平洋地区形成了2个主要的磁异常.其中，一个异常位于南太平洋，为负异常区；另外一个异常位于东亚，为正异常区.为了研究磁异常中心的漂移与强度变化，表2列出了1900—2020年每间隔5 a的非偶极子场垂直分量（Z）的磁异常中心位置和强度（图8）.同样这些磁异常区各个年代相对于1900年的强度变化系数K如图7（c）所示，K值大于1表示磁异常中心强度增加，K值小于1表示磁异常中心强度减少.垂直分量（Z）的零等值线随时间的变化如图6（c）所示，红色粗线表示1905年垂直分量（Z）的零等值线，可以看出Z的零等值线在1905—2020年期间分布较规则，跨越了东太平洋的大部分地区和太平洋北部、中部以及西部的局部地区.Z在东太平洋向西南移动，西漂速率为0.23°/a.

图8 太平洋地区1905—2020年非偶极子场东向分量（Y）的零等值线的长期变化Fig.8 The secular variation of the zero contour of non-dipole field east component (Y) in the Pacific region from 1905 to 2020

我们再对Z分量中的2个磁异常区进行详细分析，2020年Z在太平洋及周边地区形成的正磁异常区位于东亚[图7用EA（Z）表示]，东西角距约140°，南北角距约70°[图1（c）].在1900—2020年期间该正异常中心位置的变化不大，异常中心的强度逐年增加.1900—2020年期间磁异常中心在纬度上除了1945—1950年缓慢向北移动外，整体上表现为缓慢向南移动，由1900年的41.6°N向南移动至2020年的37.3°N，速率为0.04°/a.1900—1905年期间该正磁异常中心在经度上以1.3°/a向东漂移，1905—2020年期间以0.04°/a缓慢向西漂移，经度位置由1905年的104.9°E变为2020年的100.6°E.该磁异常中心的强度以0.04 μT/a的速度快速增长，由1900年的13.52 μT增加为2020年的18.18 μT[表2，图7（c）].

另外一个负磁异常区位于南太平洋[图7用SPC（Z）表示]，角距半径约60°[图1（c）]，异常中心的强度逐年增加.1900—2020年期间该磁异常中心在纬度上向北向南移动交替出现，速率为0.09°/a.其中，1920—1925年期间该异常中心快速向北移动，由1920年的65.1°S变化为1925年的48°S，漂移速率达到3.4°/a.1900—2020年期间该磁异常中心在经度方向上向东向西漂移交替出现，但整体上以西漂为主，异常中心从1900年的166.1°W漂移至2020年的134.6°E，向西漂移了59.3°，西漂速率达到0.49°/a.1900—1905年向东漂移，东漂速率为1.3°/a；1905—1940年向西漂移速率为0.06°/a，其中1920—1925年以10.7°/a快速西漂，而1940—2020年期间该异常中心在经度方向上以0.08°/a向东向西缓慢变化，平均位置为138.8°E.该负磁异常中心的强度变化最快，强度绝对值以0.06 μT/a速度增加，由1900年的-10.29 μT变化为2020年的-16.97 μT[表2，图7（c）].

4 讨论和结论

4.1 讨论太平洋地区磁场表现为强偶极子场和变化较快的非偶极子场，以磁偶极子场成分为主，形成了“太平洋偶极子窗”.1900—2020年期间太平洋地区偶极子场总强度（F）的西漂速率较缓慢，仅为0.03°/a，因此1900—2020年“太平洋偶极子窗”一直存在.非偶极子场北向分量（X）、垂直分量（Z）变化较快，西漂速率分别为0.21°/a和0.23°/a，均接近全球非偶极子西漂的速率0.2°/a，因此非偶极子场对主磁场的长期变化有显著的影响.

太平洋地区主磁场各分量的漂移速率存在明显差异.从图3可以看出，主磁场总强度（F）东西方向的漂移很弱，以南北方向漂移为主；水平分量（H）东西方向和南北方向的漂移均比较明显，西漂的平均速率为0.61°/a；垂直分量（Z）在南北方向的漂移缓慢，而东西方向的漂移相对较快.F、H、Z南北方向的漂移速率在南、北半球分别为0.16°/a和0.07°/a、0.07°/a和0.02°/a、0.03°/a和0.02°/a.这说明主磁场F的南北方向的漂移H的贡献比Z大.主磁场X西漂的平均速率为0.66°/a，所以H东西方向的漂移主要由X决定.偶极子场总强度（F）的漂移速率最小，西漂速率仅为0.03°/a，原因可能是在太平洋地区偶极子场对主磁场的贡献大，偶极子场成分的漂移缓慢导致了主磁场的漂移缓慢.

主磁场和非偶极子场的磁异常中心在东西方向上的漂移分为2类，第1类是向西漂移，第2类是有时东漂，有时西漂，各个异常中心的位置变化表现为不规则的现象.主磁场总强度（F）的南太平洋磁异常区SPC（F）表现为第1类磁异常，异常中心从1900年位置（166.4°E，71.5°S）漂移至2020年位置（136.7°E，60.8°S）处，向西漂移了29.7°，西漂速率为0.25°/a；第2类磁异常包括主磁场水平分量（H）的南太平洋磁异常区SPC（H）、非偶极子磁场垂直分量（Z）的东亚磁异常区EA（Z）和南太平洋磁异常区SPC（Z）.这3个磁异常整体上以西漂为主，西漂速率分别为0.08、0.04、0.49°/a.主磁场水平分量（H）的南太平洋磁异常区SPC（H）在1960—1965年和2000—2020年期间分别快速东漂和缓慢东漂，漂移速率分别为0.42°/a和0.15°/a；非偶极子磁场垂直分量（Z）的东亚磁异常区EA（Z）在1900—1905年期间以1.3°/a向东漂移，南太平洋的磁异常区SPC（Z）在1900—1905年同样以1.3°/a向东漂移，1905—1940年以0.06°/a向西漂移.其中，1920—1925年以10.7°/a快速西漂，1940—2020年期间以0.08°/a交替向东向西缓慢变化.

太平洋地区主磁场总强度（F）、水平分量（H）和垂直分量（Z）的纬度漂移速率在南北半球存在差异，北半球漂移比南半球缓慢，F、H和Z的漂移速率在北半球分别为0.07、0.02°/a和0.02°/a，而在南半球则为0.16、0.07°和0.03°/a，这3个地磁要素的南半球漂移速率均大于北半球.偶极子场的总强度（F）在南、北半球的纬度漂移速度分别为0.08°/a和0.07°/a.非偶极子场垂直分量（Z）的东亚磁异常区，纬度上的漂移速率仅为0.04°/a，而在南太平洋的磁异常区在纬度上的漂移则较快，漂移速率为0.09°/a.不难看出，主磁场的漂移在北半球变化缓慢，南半球变化较快，反映主磁场在南北半球的非对称性[12].1832年Gubbins等[13]开始有对于地磁场强度分量的系统观测，认为各个磁异常的强度在不断变化.主磁场总强度（F）的南太平洋磁异常SPC（F）强度呈现逐年减弱（平均年变率为-0.02 μT/a）.其它3个磁异常强度大致呈现增强趋势，磁异常强度增加最快的是非偶极子场垂直分量（Z）的南太平洋磁异常SPC（Z）（平均年变率为0.06 μT/a），其次是非偶极子场垂直分量（Z）的东亚磁异常EA（Z）（平均年变率为0.04 μT/a），主磁场水平分量（H）的南太平洋磁异常增加最慢SPC（H）（平均年变率为0.000 3 μT/a）.

对于非偶极子场东向分量（Y），1905—2020年期间，其零等值线在北太平洋约34°N以北向东北方向扭曲，在中太平洋的变化比在北太平洋变化快.在中太平洋向西北移，西漂速率为0.17°/a，在北太平洋向东南移，东漂速率仅为0.06°/a.Ma等[14]研究发现，在核幔边界附近，北太平洋的30°N和45°N之间存在着古代俯冲板块物质的残余，东向分量（Y）的零等值线在北太平洋34°N发生扭曲，原因可能与太平洋北部在核幔边界处存在的古板块的俯冲过程有关.

4.2 结 论本 文 利 用 最 新 的 国 际 地 磁 参 考 场IGRF13模型，分析了1900—2020年太平洋地区地球主磁场的长期变化，得出以下结论.

（1）1900—2020年太平洋地区主磁场以磁偶极子场成分为主，其空间展布符合“太平洋偶极子窗”的分布特征.120 a期间偶极子场长期变化缓慢，使得太平洋地区主磁场的长期变化缓慢.

（2）西向漂移是地磁场长期变化最重要的特点之一，而在太平洋地区非偶极子场垂直分量（Z）、北向分量（X）的西向漂移较快.主磁场的漂移在北半球变化缓慢，南半球变化较快，表现出了南北半球的非对称性.120 a期间主磁场水平分量（H）的南太平洋负磁异常中心强度的变化轨迹呈现正弦函数变化，暗示了该磁异常中心强度的长期变化有约30～40 a的周期.

（3）太平洋地区主磁场的长期变化显示地磁场的长期变化是复杂的，尤其表现在非偶极子场东向分量（Y）上.Y分量的零等值线在北太平洋约34°N以北向东北方向扭曲，原因可能与太平洋北部的30°N和45°N之间在核幔边界处存在古板块的俯冲过程有关.