2021, Vol. 42
地磁观测技术是一门传统的地球物理观测技术，地磁场观测数据广泛运用于各行各业，如航空航海、国防军事、地质勘探、地震研究等。中国地磁观测始于1874年，最早由佘山地磁台开始正式记录。发展至今，我国已建成45个国家基准地磁台，140多个地磁观测站点，地磁观测网覆盖全国，积累了大量连续稳定的高质量地磁场观测数据，为探索认知地磁场的时空变化特征提供了依据。
地球基本磁场在长时期内发生的缓慢变化现象称为地磁场的长期变化。地球磁场分为偶极子磁场和非偶极子磁场，地磁场的长期变化主要为非偶极磁场的变化，主要起源于地球内部，且具有区域性特征。1634年，英国人吉利布兰（Gel-librand）在英国伦敦磁偏角变化中发现了地磁场的长期变化。多年来，众多学者，如罗玉芬等（2005）、张小涛等（2008）、孙旭丽（2013）、赵德军等（2013）、叶向顶等（2015）对该变化进行了研究，发现长期变化不单具有区域性，且具有周期性。但是，对20世纪地磁长期变化场西向漂移的认识并不一致（王亶文，2004）。通过分析地磁各要素（磁偏角D、磁倾角I、总强度F、水平分量H、北向分量X、垂直分量Z、东向分量Y）空间分布变化及长期变化现象，研究其变化特征和规律，有助于了解地球内部物质的运动状态（徐文耀，2001）。在对地磁场变化进行分析时，多采用IAGA主磁场模型和IGRF长期变化场模型，本文从地磁观测台站的角度，以华南地区为例，选用实时地磁观测数据，分析地磁各要素的空间分布变化及长期变化特征和规律。
1 数据选取 1.1 地磁观测站点及观测数据选取考虑到地磁场变化的区域性，选取华南地区（108°-118°E，18°-28°N）观测质量稳定、观测环境优良的5个国家基准地磁观测台，即海南琼中、广西邕宁、广东肇庆、福建泉州和湖南邵阳地磁台（地理位置见图 1），作为研究台站。
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图 1 华南地区5个国家基准地磁台地理位置 Fig.1 Location of five national geomagnetic observatories in South China |
海南琼中地磁台位于海南省琼中县营根镇东南部，台基为海西-印支期花岗岩，于1976年筹建，1981年正式观测。广西邕宁地磁台位于南宁市邕宁区龙岗村，台基为石炭系白云质灰岩，始建于1972年，1984年1月1日正式观测。广东肇庆地磁台位于肇庆市莲塘镇，台基为石炭系石灰岩。其前身为广州地磁台，始建于1957年，1998年因受广州地铁干扰而停测，1996-2001年选址肇庆重建，于2001年12月18日重新投入观测。福建泉州地磁台位于福建省泉州南安市洪濑镇厝斗村，台基为燕山期花岗岩，始建于1976年，2001年因原白水营旧址观测环境受到破坏，故选址重建，新台于2007年重新投入观测。邵阳地磁台始建于1976年，原址位于湖南邵阳市城南柑橘研究所旁，因修建洛湛铁路和火车南站而搬迁，新址位于湖南省邵阳市大祥区檀江乡清风村排楼山，台基为第四纪黄土，下为上碳系白云质灰岩，2007年新台投入观测至今。
以上资料显示，5个地磁台均有几十年观测史，经搬迁重整及数字化改造，2008年以来观测数据更为连续稳定。因此，选取2008-2018年地磁观测资料，分析华南地区地磁场长期变化特征。
1.2 观测仪器概况国家标准地磁台均需配备绝对观测仪和相对观测仪各一套，有条件的台站配备2套以上，以防仪器故障造成数据缺测。按照地磁观测技术规范（中国地震局，2001）的要求，各地磁台站于每周一、四进行2次绝对观测，测定D、I、F绝对值，使用H = F × cosI和Z = F × sinI关系式，计算得到H和Z绝对值，进而计算相对观测仪D、H、Z的基线值。相对观测仪是对被测地磁场要素相对于某一基值变化量的连续观测。目前，各地磁台使用GM4、FGM-01及FHDZ-M15进行相对观测，采样率均达1次/s。随着观测仪器采样率、分辨力和观测精度的不断提高，利用大量实时数字化观测数据，可精确反映地磁场随时间和空间分布的长期变化。华南地区5个地磁台目前使用的观测仪器及基本参数见表 1。
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表 1 华南地区5个国家基准地磁台观测仪器使用及基本参数 Table 1 Usage and basic parameters of geomagnetic instruments in five national geomagnetic observatories in South China |
选用邵阳、邕宁、肇庆、琼中、泉州等5个国家基准地磁台2008-2018年数字化观测资料，绘制华南地区地磁场磁偏角D、磁倾角I、总强度F、水平分量H、北向分量X、垂直分量Z、东向分量Y的月均值变化曲线（图 2），分析该区地磁场的长期变化趋势与特征。
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图 2 华南地区5个国家基准地磁台地磁场七要素月均值曲线 （a）磁偏角D；（b）磁倾角I；（c）总强度F；（d）水平分量H；（e）北向分量X；（f）垂直分量Z；（g）东向分量Y Fig.2 Curves of monthly mean values of seven elements of the geomagnetic field at five national geomagnetic observatories in South China |
由CGRF中国参考地磁场模型可知，磁偏角D的零变线大致沿100°子午线南北延伸，将中国分为东西两部分，东部为负（西偏），西部为正（东偏）（徐文耀等，2005）。华南地区位于100°子午线偏东，磁偏角D为负。
由图 2(a)可见：①琼中台磁偏角2008年偏西1.34°，2018年偏西1.82°，10年间增大0.48°，平均年变率为0.048(°)/a；②邕宁台磁偏角2008年偏西1.66°，2018年偏西2.14°，10年间增大0.48°，平均年变率为0.048(°)/a；③肇庆台磁偏角2008年偏西2.08°，2018年偏西2.68°，10年间增大0.61°，平均年变率为0.061(°)/a；④邵阳台磁偏角2008年偏西2.71°，2018年偏西3.31°，10年间增大0.60°，平均年变率为0.06(°)/a；⑤泉州台磁偏角2008年偏西3.37°，2018年偏西4.13°，10年间增大0.76°，平均年变率为0.076(°)/a。
由图 2(a)可知，华南地区地磁台磁偏角的长期变化具有随时间和台站经度增加呈逐年缓慢偏西增大趋势，且5个地磁台2008-2018年磁偏角变化形态基本一致，变化量在0.48°- 0.76°。
2.2 磁倾角I由图 2(b)可见：①琼中台2008年磁倾角为25.64°，2018年为27.03°，10年间增加1.39°，平均年变率为0.139(°)/a；②邕宁台2008年磁倾角为33.20°，2018年为34.50°，10年间增加1.30°，平均年变率为0.13(°)/a；③肇庆台2008年磁倾角为33.50°，2018年为34.73°，10年间增加1.23°，平均年变率为0.123(°)/a；④邵阳台2008年磁倾角为41.05°，2018年为42.13°，10年间增加1.08°，平均年变率为0.108(°)/a；⑤泉州台2008年磁倾角I为36.71°，2018年为37.68°，10年间增加0.97°，平均年变率为0.097(°)/a。
由图 2(b)可知，华南地区地磁台磁倾角I的长期变化具有随时间和台站纬度增加呈逐年缓慢增大趋势，且5个地磁台2008-2018年磁倾角变化形态基本一致，变化量在0.97°-1.39°。
2.3 磁场总强度F由图 2(c)可见：①琼中台2008-2018年地磁场总强度从43 678.3 nT增大至44 123.1 nT，10年间增大444.8 nT，平均年变率为44.5 nT/a；②邕宁台2008-2018年地磁场总强度从45 607.0 nT增大至46 122.2 nT，10年间增大515.2 nT，平均年变率为51.5 nT/a；③肇庆台2008-2018年地磁场总强度从45 375.2 nT增大至45 847.7 nT，10年间增大472.5 nT，平均年变率为47.3 nT/a；④邵阳台2008-2018年地磁场总强度从47 745.7 nT增大至48 251.8 nT，10年间增大506.1 nT，平均年变率为50.6 nT/a；⑤泉州台2008-2018年地磁场总强度从45 536.1 nT增大至45 974.6 nT，10年间增大438.5 nT，平均年变率为43. 9 nT/a。
由图 2(c)可知，华南地区地磁台地磁场总强度的长期变化具有随时间和台站纬度增加呈逐年缓慢增大趋势，且5个地磁台2008-2018年地磁场总强度变化趋势基本一致，变化量在438.5 -515.2 nT。
2.4 水平分量H由图 2(d)可见：①琼中台2008-2018年地磁场水平分量从39 377.6 nT减少到39 302.6 nT，10年间减少75.0 nT，平均年变率为7.5 nT/a；②邕宁台2008-2018年地磁场水平分量从38 161.5 nT减少到38 010.6 nT，10年间减少150.9 nT，平均年变率为15.1 nT/a；③肇庆台2008-2018年地磁场水平分量从37 839.6 nT减少到37 679.5 nT，10年间减少160.1 nT，平均年变率为16.0 nT/a；④邵阳台2008-2018年地磁场水平分量从36 005.7 nT减少到35 784.2 nT，10年间减少221.5 nT，平均年变率为22.2 nT/a；⑤泉州台2008-2018年地磁场水平分量从36 503.2 nT减少到36 383.6 nT，10年间减少119.6 nT，平均年变率为12.0 nT/a。
由图 2(d)可知，华南地区地磁场水平分量长期变化具有随时间和台站纬度增加呈逐年缓慢减少趋势，且5个地磁台2008-2018年地磁场水平分量变化趋势基本一致，其中2008-2014年呈逐年缓慢下降趋势，2015-2018年变化形态平缓，10年间变化量在75.0 -221.5 nT。
2.5 北向分量X由图 2(e)可见，华南地区地磁场北向分量与水平分量变化趋势一致，其中：①琼中台2008-2018年X分量从39 366.8 nT减少到39 282.8 nT，10年间减少84.0 nT，平均年变率为8.4 nT/a；②邕宁台2008-2018年X分量从38 145.4 nT减少到37 984.0 nT，10年间减少161.4 nT，平均年变率为16.1 nT/a；③肇庆台2008-2018年X分量从37 814.8 nT减少到37 638.2 nT，10年间减少176.6 nT，平均年变率为17.7 nT/a；④邵阳台2008-2018年X分量从35 965.3 nT减少到35 724.6 nT，10年间减少240.7 nT，平均年变率为24.1 nT/a；⑤泉州台2008-2018年X分量从36 440.0 nT减少到36 289.1 nT，10年减少150.9 nT，平均年变率为15.1 nT/a。
由图 2(e)可知，华南地区地磁场北向分量X的长期变化具有随时间和台站纬度增加呈逐年缓慢减少趋势，且5个地磁台2008-2018年X分量变化趋势基本一致，其中2008-2014年呈逐年缓慢下降趋势，2015-2018年变化形态平缓，而且10年间变化量在84.0 -240.7 nT。
2.6 垂直分量Z由图 2(f)可见：①琼中台2008-2018年地磁场Z分量从18 899.5 nT增加到20 053.8 nT，10年间增加1 154.3 nT，平均年变率为115.4 nT/a；②邕宁台2008-2018年地磁场Z分量从24 974.0 nT增加到26 123.9 nT，10年间增加1 149.9 nT，平均年变率为115.0 nT/a；③肇庆台2008-2018年地磁场Z分量从25 041.5 nT增加到26 120.2 nT，10年间增加1 078.7 nT，平均年变率为107.9 nT/a；④邵阳台2008-2018年地磁场Z分量从31 347.6 nT增加到32 368.6 nT，10年间增加1 021.0 nT，平均年变率为102.1 nT/a；⑤泉州台2008-2018年地磁场Z分量从27 222.3 nT增加到28 105.1 nT，10年间增加882.8 nT，平均年变率为88.3 nT/a。
由图 2(f)可知，华南地区地磁场垂直分量Z长期变化具有随时间和台站纬度增加呈逐年缓慢增加趋势，且5个地磁台2008-2018年Z分量的变化均呈单调上升趋势，变化量在882.8 -1154.3 nT。
2.7 东向分量Y由图 2(g)可见：①琼中台2008-2018年地磁场东向分量Y从- 921.1 nT减少到-1 247.3 nT，10年间减少326.2 nT，平均年变率为32.6 nT/a；②邕宁台2008-2018年地磁场Y分量从-1 106.9 nT减少到-1 419.8 nT，10年间减少312.9 nT，平均年变率为31.3 nT/a；③肇庆台2008-2018年地磁场Y分量从-1 370.1 nT减少到-1 762.0nT，10年间减少391.9 nT，平均年变率为39.2 nT/a；④邵阳台2008-2018年地磁场Y分量从-1 705.3 nT减少到-2 063.6 nT，10年间减少358.3 nT，平均年变率为35.8 nT/a；⑤泉州台2008-2018年地磁场Y分量从-2 146.7 nT减少到-2 621.3 nT，10年间减少474.6 nT，平均年变率为47.5 nT/a。
由图 2(g)可知，华南地区地磁场东向分量Y长期变化具有随时间和台站经度增加呈逐年缓慢减小趋势，且5个地磁台2008-2018年地磁场Y分量的变化形态一致，均呈单调下降趋势，而且变化量在312.9 -474.6 nT。
3 年变率变化分析年变率是2个相邻年度的年均值差值，即
| $ Y = {A_{{{\rm{a}}_{\rm{1}}}}} - {A_{{{\rm{a}}_{\rm{2}}}}} $ | (1) |
式中，A为年均值，Y为差值，a1、a2为观测年度，且a2 = a1 -1。
据式（1），选取华南地区2007-2019年地磁观测数据年均值，计算2008-2018年D、I、F、H、Z、X、Y七要素年变率，结果见图 3。由图 3可见：①各地磁台磁偏角D年变率在2008-2012年变化平缓，变化量在2 (′)/a-4 (′)/a，2013-2018年缓慢上升，变化量在2 (′)/a-5 (′)/a；②各地磁台东向分量Y年变率在2008-2012年变化平缓，变化量在20 nT/a-40 nT/a，2013-2018年缓慢上升，变化量在20 nT/a-50 nT/a；③各地磁台磁倾角I年变率在2008-2013年缓慢上升，变化量在3 (′)/a-10 (′)/a，2014-2018年缓慢下降，变化量在10 (′)/a-2 (′)/a；④各地磁台垂直分量Z年变率在2008-2013年缓慢上升，变化量在60 nT/a-130 nT/a，2014-2018年缓慢下降，变化量在130 nT/a-60 nT/a；⑤各地磁台水平分量H与北向分量X的年变率变化趋势基本一致，10年间年变率变化量在0.1 nT/a-40 nT/a，其中2008-2009年变化平缓，2009-2011年逐年上升，2011-2012年变化平缓，2012-2013年缓慢下降，2013-2014年变化平缓，2014-2015年出现上升，2015-2016年呈下降变化，2016-2017年变化平缓，2017-2018年呈上升变化；⑥各地磁台总强度F年变率在2008-2018年表现为曲折上升趋势，变化量约20 nT/a-70 nT/a。
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图 3 华南地区5个国家基准地磁台地磁场2008-2018年七要素年变率 (a) 磁偏角D；(b)磁倾角I；(c)总强度F；(d) 水平分量H；(e) 北向分量X；(f) 东向分量Y；(g)垂直分量Z Fig.3 Annual variation rate of seven elements of the geomagnetic field at five national geomagnetic observatories in South China from 2008 to 2018 |
经“十五”数字化改造，国家基准地磁台观测数据连续性和数据质量得到提高。对邵阳、邕宁、肇庆、琼中、泉州等国家基准地磁台地磁场七要素进行长期变化分析，发现变化趋势基本一致，侧面说明地磁观测台工作状态良好，仪器运行稳定，观测数据连续可靠。
邵阳、邕宁、肇庆、琼中、泉州均位于我国华南地区，地磁场七要素在10年内具有缓慢而明显的逐年变化，总体特征表现为：①磁偏角D均偏西，其长期变化具有随时间变化和台站经度增加呈逐年缓慢偏西增大趋势，也就是说，磁偏角D向东在逐年增大；②磁倾角I逐年增大，与国际参考地磁场长期变化模型IGRF-SV的地磁场长期变化相吻合；③F、X、H、Z分量逐年缓慢上升，磁场强度逐年增加；Y分量为负，呈逐年下降趋势，亦说明磁场强度在反方向逐年递增，且5个台站变化趋势基本一致。
非偶极子磁场磁场强度在逐年增加，但变化尺度并不均匀。从华南地区5个地磁台年变率变化可知，10年尺度的F、H、Z、X、Y分量年变率约0.1 nT/a-130 nT/a，其中Z分量年变率高达130 nT/a，D分量年约2 (′)/a-5 (′)/a，I分量约2 (′)/a-10 (′)/a。
20世纪初，地磁北极尚在加拿大北部海岸附近，2001年已移动至北冰洋中部，并快速向俄罗斯西伯利亚移动，每年位移距离约30-50 km，速度比100年前约提高3倍，大众开始担心磁偏角导航的准确性。对华南地区5个地磁台地磁观测数据分析可知，该区磁偏角D在逐年缓慢增大，但年变率仅2 (′)/a-5 (′)/a，未发生剧烈改变。据此认为，地磁北极的移动速度将对北冰洋等高纬度地区的导航准确性产生影响，对我国华南地区影响不大。
中国科学院空间中心“子午工程”项目提供部分地磁观测数据，在此表示感谢。
罗玉芬, 黎晓之, 陆镜辉. 广州地磁台地磁场长期变化的分析研究[J]. 防灾技术高等专科学校学报, 2005, 7(4): 64-67. DOI:10.3969/j.issn.1673-8047.2005.04.015 |
孙旭丽. 长春地磁台地磁场长期变化特征分析[J]. 防灾减灾学报, 2013, 29(3): 44-48. DOI:10.3969/j.issn.1674-8565.2013.03.010 |
王亶文. 20世纪地磁长期变化场分析[J]. 地球物理学报, 2004, 47(3): 423-427. DOI:10.3321/j.issn:0001-5733.2004.03.009 |
徐文耀. 地磁场能量在地球内部的分布及其长期变化[J]. 地球物理学报, 2001, 44(6): 747-753. DOI:10.3321/j.issn:0001-5733.2001.06.003 |
徐文耀, 魏自刚, 夏国辉. 2000年中国地区地磁场长期变化的区域特征[J]. 地球物理学报, 2005, 48(3): 551-560. DOI:10.3321/j.issn:0001-5733.2005.03.012 |
叶向顶, 张帆, 张慧. 琼中邕宁台地磁场长期变化对比分析[J]. 华南地震, 2015, 35(2): 67-72. |
张小涛, 王莉森, 韩丽萍. 河北省近年内地磁场变化规律的初步分析[J]. 地震地磁观测与研究, 2008, 29(6): 17-21. DOI:10.3969/j.issn.1003-3246.2008.06.003 |
赵德军, 徐新强, 段金梅. 百余年来地球磁场的长期变化[J]. 海洋测绘, 2013, 33(6): 70-72. |
中国地震局. DB/T9-2004地震台站建设规范地磁台站[S]. 北京: 中国标准出版社, 2004.
|
中国地震局. 地震及前兆数字观测技术规范[M]. 北京: 地震出版社, 2001.
|
中国地震局监测预报司. 地震电磁数字观测技术[M]. 北京: 地震出版社, 2002.
|