地磁场日变化的空间差异对流动观测通化结果的影响

尤 伟，王青华，赵育飞，周思远，刘国勇，冯巨滚

(云南省地震局 信息中心，云南 昆明 650224)

地磁台对地磁场要素连续的观测值，对研究地磁场的长期变化具有重要意义.对于流动地磁观测数据的通化处理有着“参考标准”的作用[1].对于流动地磁观测，当期观测结果必须根据邻近地磁台的数据，通化到同一时刻，才具有可比性.因而，地磁台站观测数据的完整、连续显得尤为重要，地磁台日变化数据应能代表地磁台周围广大地区地磁场的特征及其变化规律[2].只有这样，利用地磁台的连续观测数据通化周边的流动测点数据，通化结果才能符合客观事实.在过去的认识中，认为200 km范围内，地磁场的日变化是一样的[3].然而，随着观测数据量的增加和研究工作的深入，发现相邻地磁台的日变幅并不一致.即使在磁静日，地磁静日变化（Geomagnetic Daily Quiet Variation, 符号为Sq）振幅的变化主要是由局部电离层电导率引起的[4]，而电离层电导率与电子密度关系密切, 磁赤道地区电离层 F2 的电子密度本身就有半年变化特征[5]，因而地磁日变化也具有半年周期变化.在中国范围的大空间尺度上，地磁台垂直分量Z值变幅的年均值与地理纬度呈非线性变化，在15°～25°N随纬度的增加而增加，在25° ～50°N随纬度的增加而减小[6].例如1987—1997年，通海地磁台磁偏角（D）、水平分量（H）、垂直分量（Z）日变幅年平均值分别为4.2′～7.6′，45～94 nT，34～57 nT[7].而同一时期，乌鲁木齐地磁台磁偏角（D）、水平分量（H）、垂直分量（Z）日变幅年平均值分别在7.0′～12.4′，41～76 nT，15～28 nT[8].日变幅的差异性还与季节有关，如上海、泰安、南京、北京等地磁偏角的日变幅月均值差异夏季最大，春秋季和冬季较小；而垂直分量的日变幅月均值差异在3—4月份最大，冬季最小[9].

由于调试和标定仪器、仪器故障、环境干扰、人为因素等，地磁台观测数据有时会有缺数现象.在这种情况下，通化野外观测数据时用邻近地磁台的相应时段数据，在去除台阶并考虑趋势变化后代替.但是，如果用作通化的地磁台数据某天缺数超过12 h，就用邻近地磁台全天数据去除台阶后代替，这一做法的前提是假设这两个地磁台的日变幅是一样的，或者差别很小.但实际上，有的相邻地磁台的日变幅差别较大，在这种情况下对同一个野外地磁测点的数据用相邻的地磁台数据进行通化，通化结果是有差异的，这种差异性有时可能影响震情研判.本文利用中国西部的且末地磁台和狮泉河地磁台，东部的大连地磁台和昌黎地磁台，西南部的丽江地磁台、通海地磁台、成都地磁台、楚雄地磁台以及普棚自设日变站的地磁要素连续观测值，通过计算它们的日变化差异，分析利用不同地磁台的观测资料通化野外观测数据，得到通化结果的差异性.本文用几个实例计算了这种差异值，据此提出定点观测的重要性.

地磁场具有时间变化特征，任何一个位置的地磁要素随着时间而变化.地磁台连续观测地磁要素时，采用的时间为世界时，而生活、日常工作中又采用北京时，为便于读者理解，本文所采用的时间一律归算到北京时.本文中“通化到某天00:00—00:59”，指以该天北京时00:00—00:59地磁台记录的地磁要素分钟值的平均值作为“通化零值”，对野外观测数据进行通化处理计算.本文所有数据均出自中国大陆地磁台或自设日变站.

1 通化的意义和基本过程

1.1 通化的意义由于地磁场具有空间分布和时间分布特征[10]，同一个位置的地磁场要素值在不同的时间是不一样的，因而一个区域各测点的地磁场要素观测值只有归算到同一时刻才具有可比性，才能进行相关的数据分析[11].例如进行测点间对比差计算、各测点的相邻差即长期变计算、各种等值线图、等变线图的绘制等.

1.2 通化的方法通化的根据认为在一定区域内地磁场的变化是一致的，即地磁测点的日变化和地磁台的日变化相同.在这一前提下，将测区内各个测点在不同日期、不同时间的观测值归算到同一时刻.流动地磁测量通化的基本公式为：

其中，D、H、Z、F分别为磁偏角、水平分量、垂直分量、总强度的通化值.D0、H0、Z0、F0分别为通化日00:00～02:59地磁台磁偏角、水平分量、垂直分量、总强度的分钟值的平均值，D1、H1、Z1、F1分别为磁偏角、水平分量、垂直分量、总强度在野外观测时段地磁台的分钟值的平均值，D野、H野、Z野、F野分别为磁偏角、水平分量、垂直分量、总强度的野外观测值.

如果用ΔD、ΔH、ΔZ、ΔF分别代替（D0-D1）、（H0-H1）、（Z0-Z1）、（F0-F1）的数值，则上式变为：

我们把ΔD、ΔH、ΔZ、ΔF分别叫做D、H、Z、F的通化改正数.由式（1）、（2）可知，通化处理的根据为流动地磁测点的日变化和地磁台的日变化一致，这是流动地磁测量数据归算到同一时刻的依据.然而，随着观测数据的增加和工作的深入，发现日变幅并非完全一样，虽然趋势一致但程度并不相同[12]，甚至有时差别会很大.

1.3 H野 、Z野的数据获取地磁野外三分量观测是指在野外测点上进行地磁场总强度（F）、磁偏角（D）、磁倾角（I）的测量，获得F野、D野、I野的数据.地磁台是对D、H、Z、F进行连续观测，在公式（1）和（2）中，H野和Z野实际上是由式（3）得到：

2 地磁台日变幅不一致的例子

2.1 中国用于通化的地磁台站分布本文所选取的几组地磁台站分别是：①中国西南部，丽江台和通海台；②中国西部，且末台和狮泉河台；③云南中部最近的两个连续观测站，普棚自设日变站和楚雄台；④中国东部，昌黎台和大连台（图1）.这几组地磁台在中国大陆的分布，对于本文的研究已经具有代表性.其中，第③组的2个连续观测站的资料用于研究距离很近的地磁台地磁要素变化的空间差异，第④组的2个台站的地磁要素观测值用于研究空间差异的季节性特征.

2.2 2020年4月30日丽江台和通海台日变幅的不一致丽江台在云南滇西北，通海台在云南滇中，经度相差2°34′，纬度相差2°53′，直线距离400 km.例如邓川118号测点，观测日期为2020年4月30日，分别用丽江台和通海台通化到00:00—00:59，以总强度（F）为例，通化改正数ΔF和观测时间的关系见图2.

图1 中国地磁台网用于通化的地磁台站分布图Fig.1 Distribution map of geomagnetic stations that used for generalizing of Chinese geomagnetic network

图2 2020年4月30日丽江台和通海台通化当天总强度（F ）的改正数Fig.2 Correction of geomagnetic total intensity （F）when it is normalized in the same day by Lijiang and Tonghai station on April 30, 2020

将以上2个图像的数值相减，即为2个地磁台通化同一个野外测点时改正数的差异，即通化结果的差异.这种差异性在一天当中是根据野外测点观测时间的不同而变化的，如图3（d）.不仅地磁总强度（F）如此，磁偏角（D）、水平分量（H）、重直分量（Z）也是这种情况.图3反应了2020年4月30日用丽江台和通海台通化野外测点数据，各地磁要素通化结果的差异随着观测时间而变化的情况.“通海-丽江”，表示用通海台通化的结果减去用丽江台通化的结果（下文同）.图3中纵坐标DD表示通化D的差异，DH表示通化H的差异，DZ表示通化Z的差异，DF表示通化F的差异（下文同）.

分析以上图像，通化结果的差异在白天较为突出，尤其在10:00—12:00通化值差异达到最大值（表1）.毫无疑问，在北京时20:00以后，通化值的差异已趋于零，但不可能在晩上进行野外作业.16:00后通化值的差异逐步减少，如果时间和条件允许，建议野外作业时间在16:00以后（指测量6组D、I、F时间）.

2.3 2014年9月1日且末台和狮泉河台日变幅的不一致且末台在新疆南部，狮泉河台在西藏最西部，经度相差5°21′，纬度相差5°37′，直线距离 800 km.且末台和狮泉河台是配对台（配对台表示在通化时，当一个台有缺数现象时，就用邻近地磁台的相应时段数据，在去除台阶并考虑趋势变化后代替），这两个台的日变形态也不一样.例如那曲B11测点，在2014年9月1日观测，分别用且末台和狮泉河台对这个野外测点的数据进行通化，均通化到00:00—00:59，其通化结果有差异，在一天当中这种差异性随着野外观测时间而变化.图4反映了2014年9月1日利用且末台和狮泉河台通化野外测点数据，各地磁要素通化结果的差异随着观测时间的变化而变化.

图3 2020年4月30日丽江台和通海台通化野外测点数据的结果差异（通海-丽江）Fig.3 The difference of the results when the field observation date is normalized by Lijiang station and Tonghai station on April 30, 2020 ( Tonghai - Lijiang )

表1 2020年4月30日利用丽江和通海地磁台数据通化当天野外测点数据的差异最大时段及差异值Tab.1 The maximum difference period and difference value of field measurement point data on the day was normalized as the data of Lijiang and Tonghai geomagnetic stations On April 30, 2020

2.4 普棚自设日变站和楚雄台总强度日变幅的不一致普棚自设日变站（下文简称普棚站）为滇西流动地磁观测通化处理而建造的固定站点，作为滇西流动地磁2009年第1期至2013年第1期共9期的通化台站，该位置也是滇西流动地磁观测点之一.普棚站观测环境好、梯度好、无干扰，只记录地磁总强度（F）分钟值，几期的日变化值圴由笔者观测获取，所取得的数据非常可靠.楚雄台与普棚站的经度相差0.54′，纬度相差0.23′，直线距离约为70 km，是连续记录最近的2个站点.由于流动地磁观测点和通化台站的日变化不一致，同一个流动地磁测点在一天当中的不同时间观测，即使通化到同一地磁台的同一时刻，通化结果也不一样.

图5是2009年9月17日、2011年9月23日普棚站和楚雄台总强度（F）分钟值，以及它们的点位差随时间变化图像，图5（b）和（d）反映出普棚站和楚雄台总强度（F）的点位差δF是随时间而变化的，波动范围分别为3.6 nT和5.4 nT.假如把普棚站作为野外流动地磁测点，而把楚雄台作为通化台，则通化结果会随着观测时间的不同而改变，在2009年9月17日波动范围为3.6 nT，在2011年9月23日波动范围为5.4 nT.

在图5（a）和（b）中，14:00普棚站测值为A，楚雄台测值为B，2个台的点位差为M，16:00普棚站测值为C，楚雄台测值为E，2个台的点位差为N.假设把普棚站作为野外测点，把楚雄台作为日变通化台，这两个时刻通化值之差为N-M.随着观测时间的不同，通化值有0～3.6 nT的变动.同样，在图5（c）、图5（d）中，假设把普棚站作为野外测点，把楚雄台作为日变化通化台，通化值有0～5.4 nT的波动.

再计算2009年9月14日及9月18日、2011年2月14日，普棚站地磁总强度（F）和楚雄台地磁总强度（F）的点位差分别有0～3.4 nT、0～3.7 nT和0～1.7 nT的波动.粗略地分析2个台的地磁总强度（F）分钟值曲线，由于比例尺太小，一些细部特征不明显，笔者将2个台曲线相减，只看其差值的变化，在上述几天变化幅度最大值在1.7～5.4 nT.因此，同一个流动地磁测点的野外观测数据，通化值会随着观测时间的不同而改变.

2.5 同一个野外地磁测点利用不同的地磁台通化，通化结果有差异的例子在南北地震带上，随机选取了几个野外三分量测点，利用周围成都、丽江、通海地磁台通化其野外观测值，通化到2019年7月26日00:00—02:00，通化结果的差异见表2.在表2的测点中，磁偏角（D）、水平分量（H）、垂直分量（Z）、磁倾角（I）、总强度（F）的通化值差异一般会达到0.5′、6 nT、4 nT、0.4′、6 nT.在角度方面的差异，包括磁偏角（D）、磁倾角（I）略小一些.在强度方面的差异，包括水平分量（H）、垂直分量（Z）、总强度（F）略大一些.这样的差异值有可能影响震情研判[13-15].其中，梨园测点利用成都、通海、丽江3个地磁台通化，通化结果均有很大差异.南北地震带上的其他测点是否有那么大的差异值？将在后续工作中进行检验.

图4 2014年9月1日利用且末台和狮泉河台通化当天野外观测数据的结果差异Fig.4 The difference results between the field observation the same original data of Qiemo station and Shiquanhe station on the day was normalized on September 1, 2014

图5 2009年9月17日和2011年9月23日普棚站和楚雄台的地磁总强度和点位差Fig.5 Geomagnetic total intensity of Pupeng station and Chuxiong station and the difference on September 17, 2009 and September 23, 2011

表2 几个野外地磁三分量测点数据利用不同的地磁台在2019年7月26日通化时的结果差异Tab.2 The differences of the results, when the date obtained from several field measuring point are normalized by different geomagnetic station on July 26, 2019

综上所述，任何一个野外地磁测点，包括地磁总强度测点和三分量测点，其日变化与相邻地磁台均不完全一样.在本文的例子中，丽江台和通海台的距离约为400 km，丽江台和成都台的距离约为570 km，成都台和通海台的距离约为760 km，且未台和师泉河台的距离约为800 km，而普棚站和楚雄台的距离较短，约为70 km.在表2中，由于通化台站不同，各地磁要素通化值差异很大，应该引起地震工作者的高度重视.

2.6 空间差异性归纳综上所述，在不同的地理位置，地磁要素日变幅的不一致性导致通化结果的差异有以下两方面的特征：① 同一个野外观测点的原始数据，利用不同地磁台的数据通化，通化结果存在差异，这种差异随野外观测时间而改变.② 在不同的时间观测同一个野外观测点，利用同一个地磁台的数据通化，通化结果也因野外观测时间的不同而不同.

3 日变幅差异的季节性特征

因各地磁台所在的地磁纬度不同，各地磁台的地磁要素的日变幅也不一样，并且具有区域性特征和明显的以1 a为周期的季节变化特征[16].现以2014年昌黎台（CHL）和大连台（DLG）全年的水平分量（H）、磁偏角（D）、垂直分量（Z）的数据，分析日变幅差异的季节性特征.在2.2中叙述过，10:00—12:00日变幅差异最大，16 h后逐渐减小，而00:00—03:00时，即子夜地磁场是最平稳的.

以图6（a）为例，描述计算和绘图过程：① 计算每天10:00—10:59昌黎台和大连台D分钟值的平均值，分别获得365个平均值数据；② 分别用昌黎台和大连台的通化零值减去每天10:00—10:59各自台站的平均值，分别获得365个差值；③ 对应日期的差值相减（昌黎-大连），并按日期作图，即为日变幅差异全年趋势图像.分别利用昌黎台和大连台通化，通化时间为2014年7月2日00:00—00:59，在各个时段地磁要素D、H、Z，通化结果的差异（昌黎-大连）随季节的变化趋势（图6）.由图6分析可知，昌黎台和大连台磁偏角（D）、水平分量（H）、垂直分量（Z）日变幅差异有以下特征.

3.1 趋势无论DD、DH、DZ在10:00 、16:00、00:00的日变化差异的季节性特征趋势均一致.其中，磁偏角（D）日变化差异性（DD）从1月中旬到10月下旬，先呈现下降趋势，后呈现上升趋势.水平分量（H）日变差异性（DH），全年来看呈上升趋势，但在2014年12月8日—14日期间激烈下降，然后又呈现上升趋势.10:00的日变化差异性略不同于16:00和00:00，表现为2014年9月下旬至11月中旬，日变化差异性基本围绕着零值波动.垂直分量（Z）日变化差异性DZ自2014年2月份以来，总体呈现下降趋势.

图6 2014年昌黎台和大连台磁偏角（D）、水平分量（H）、垂直分量（Z）日变幅差异的季节性变化Fig.6 Seasonal variation of diurnal amplitude difference of magnetic declination、horizontal magnetic field vector and vertical magnetic component between Changli station and Dalian station in 2014

3.2 幅值无论DD、DH、DZ，日变化差异的季节性幅值范围，10:00幅值最大，16:00较10:00幅值明显减小，00:00较16:00幅值减小不明显（表3）.根据表3数据，野外测点将观测值通化到2014年7月2日00:00—00:59，分别用昌黎台和大连台通化，在2014年全年中，根据观测日期的不同，D通化值差异最大可达1.9′，H通化值差异最大可达11 nT，Z通化值差异最大可达9 nT.若野外测量时间能够控制在16:00后，D通化值差异最大可达1.5′，H通化值差异最大可达8 nT，Z通化值差异最大可达7 nT.当然，图6中因每天各时段的数据经过了平均，实际通化值的差异有可能会更大.

表3 2014年昌黎台和大连台磁偏角（D）、水平分量（H）、垂直分量（Z）日变幅差异的范围Tab.3 The range of diurnal variation amplitude difference of magnetic declination、horizontal magnetic field vector and vertical magnetic component between Changli station and Dalian station in 2014

3.3 波动无论DD、DH、DZ，在10:00的日变化差异随季节的波动变化最大，16:00波动明显减小，至00:00波动最小，即曲线变得更平稳.其原因是早上磁场变化最大，下午磁场逐渐平稳，夜间磁场值最平稳.

通过对昌黎台和大连台日变幅差异的详细分析，假如把昌黎台看作流动地磁测点，测量日期为2014年某一天，测量结果用大连台数据通化至2014年7月2日00:00—00:59，则通化结果会随着测量日期的不同而不同.其中，D通化值波动范围可能会超过1.9′，H通化值波动范围可能会超过11 nT，Z通化值波动范围可能会超过9 nT.昌黎台和大连台是中国东部距离最近的2个地磁台，经度相差为2°43′，纬度相差为8′，直线距离约为230 km，它们是配对台.因此，其他距离更远的配对台的日变幅差异的季节性变化，也可能更加明显.

4 讨论

4.1 关于测点通化均方误差测点位置和通化台位置在磁静日状态下，地磁要素的变化都是连续的，变化趋势相同而变化幅度不同.野外测量1个测点的时间大约在30～40 min（6组或8组），在这个过程中日变幅的差异不会太大，因而每个测点的通化均方误差都很小[17].地磁测点与地磁台的地磁要素日变化曲线在不同的时间，差值也不同.所以，虽然几组通化值的通化均方误差很小，如地磁总强度的通化均方误差要求小于1.5 nT，磁偏角和磁倾角的通化均方误差要求小于0.5′，通化值与真实值可能有较大差异.

4.2 观测时间的随机性问题通化值随观测时间和选择的地磁台不同而有一定的变化.流动地震地磁监测中，每个测点每期的观测日期具有一定的随机性，在一天中的观测时间也是随机的，这两个因素叠加起来，最终通化结果与实际真实值的差别可能就会更大.

4.3 地磁场空间分布的复杂性各个位置的变化磁场组成十分复杂，实际上在100 km距离的量级上，没有任何两个位置的地磁日变化完全一样.对于地震预测这样非常复杂、十分精细、又极其困难的工作，分析使用的数据更应该准确可靠.所以，在地震地磁监测中，应充分应用地磁台的连续观测数据，增加地磁台站密度，获得并使用更多的定点连续观测数据，把流动地磁观测数据作为一种重要补充.

4.4 地磁台密度稀疏的现状中国现有一类地磁台43个（用于数据通化的约37个），平均间距东部约300 km，西部约1 000 km.全国现有三分量地震地磁监测点1 344个（每年根据观测任务略有增减），平均间距东部约70 km，西部约150 km，测点距最近地磁台的平均距离东部约100 km，西部约250 km.现有地磁台的密度实在太稀疏，测点距离通化台的距离太远.

4.5 改善措施建议综上所述，笔者认为现阶段流动地震地磁监测应从以下几方面改善：①在分析地磁场变化作震情研判时，应充分利用地磁台数据.②野外测点尽可能在北京时间16:00后观测.③每年各期每个测点的观测日期最好相同，或前后控制在1～3 d内.④可能的情况下，在测区加密连续观测站（点），并用连续观测站（点）的数据通化流动测点数据，目前至少总强度可以做到.⑤每个地磁台站，特别是用于通化野外观测数据的台站，应当保证每个分量有2套仪器处于正常工作状态，尽量避免台站有缺数现象.这样，野外测点能够保证每期的观测数据利用固定的台站数据通化.

5 小结

地磁场的组成和变化都十分复杂，地磁场各地磁要素的日变化存在空间上的差异.按现有的地磁台站密度、地磁监测点间距，没有任何两个位置的地磁日变化完全一样，这就导致了流动地磁通化结果因观测时间、日期、季节、以及选择的通化台站不同而有差异，差异的量值会影响震情研判.因此，在地震地磁监测中，首先要保证各地磁台对地磁要素数据的记录连续可靠，作震情分析时充分应用地磁台的观测资料；其次应增加地磁台站密度，获得并使用更多的定点连续观测数据；再把流动地磁观测数据作为一种补充.