2023, Vol. 44
地磁场分布在地心至磁层边界的广袤空间范围内，根据其性质的不同，可将地磁场分为内源场和外源场2部分，其中：内源场起源于地球液态外核，是磁偶极子磁场与非偶极子场的总和，亦称为基本场；外源场是受太阳风作用，由地球外部各种电流体系而产生的变化场（陈军等，2006），又称为变化磁场。变化磁场包括地磁场的各种短期变化，主要起源于地球外部，相对较微弱。地磁场随时间的缓慢变化，称为地磁场的长期变化。1968年国际地磁和高空大气物理学协会（IAGA）给出第一代国际地磁参考场IGRF模型，之后每5年给出一个新模型（杨云存等，2014）。IGRF模型忽略了地磁外源场的变化，可用于描述地球主磁场及其长期变化。
在地磁场的长期变化中，存在年变率的突然变化，国外学者称之为地磁场长期变化脉冲，是Walker等（1952）于1952年为了更准确地绘制地磁等变线图而提出的一个概念。林云芳等（1982）研究指出，华北地区地磁Z分量的逐年变化在1974—1976年呈现由下降到上升的转折，但华北地区南部和北部的转折时间及速率存在局部性差异，而地磁H分量和地磁总场F同样具有类似区域性特征。孙枋友等（1983）选用我国及国外一些地磁台站资料，发现亚洲地区地磁北向分量年变率在20世纪60年代和70年代各发生一次突然变化，认为该变化是地磁场的一种区域性特征，而非全球性特征，其来源于地球的内部，而非地球外部。陈斌等（2010）采用2000—2004年中国地区34个台站地磁日均值数据，计算了通日和静日平均年变率以及静日拟合年变率，发现研究时段中国地区地磁长期变化具有区域特征，即存在地磁长期变化的局部异常。因此，通过对地磁场长期变化的研究，对于分析岩石圈磁异常变化具有重要意义。
佘山地震监测中心站（下文简称佘山台）作为我国最早开展地磁观测的台站，已积累长达130多年的地磁观测数据。文中将截取该台1874—2005年的数据，基于地磁七要素D、H、Z、X、Y、F、I年均值数据，采用一阶差分方法，分析地磁观测数据的长趋势变化特征；同时，利用IGRF模型，计算地磁异常场模量ΔT，并据其大小，分析该台百余年来地磁观测环境的变化。
1 佘山地震监测中心站百年变迁佘山地震监测中心站位于松江区佘山脚下（图 1），是中国地震局Ⅰ类基准地震台，前身为上海徐家汇观象台，是中国最早开展地磁观测的台站（陈军等，2006）。佘山台观测阶段如下：①徐家汇观象台（1874年4月—1908年3月10日）：起初仅白天每小时准点进行人工绝对测量，1877年3月引入照相记录后，台站进入连续观测阶段，受上海市区有轨电车拓展至徐家汇的影响，于1908年年中搬迁至江苏陆家浜验磁台；②陆家浜验磁台（1908年8月22日—1932年12月31日）：1908年接续地磁观测，后因沪宁铁路建设影响，于1933年搬迁至佘山台现台址；③佘山台（1933年1月1日至今）：1933年开展地磁观测至今，其中于1957年—1958年12月参与第一次国际地球物理年联测，1972年5月—1974年5月在地磁临时记录室（受爆破影响于1967年建造）进行地磁垂直强度记录，1979年4月1日观测地磁场21时总强度F，2001年实施数字化改造，2002年步入数字化观测时代。
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图 1 佘山台地理位置示意图 Fig.1 Location map of Sheshan station |
自佘山地磁台建台以来，地磁观测资料已积累长达130余年。文中将充分利用这些历史观测资料，系统分析与总结上海地区地磁场百余年的长期变化特征。
2 资料选取及处理选取上海佘山地震监测中心站1874—2005年地磁观测资料，整理得到地磁偏角（D）、地磁总强（F）、垂直强度（Z）、水平强度（H）年均值。其中，1874—1907年资料为上海徐家汇观象台阶段观测结果，1908—1932年资料为江苏昆山陆家浜验磁台阶段观测结果，1933—2005年资料为佘山地磁台观测结果。为了统一标准，在进行数据计算时，将徐家汇观象台、陆家浜验磁台阶段的地磁观测资料通化至佘山地磁台1#标准墩，见表 1所示佘山台不同阶段D、H、Z、F之间的墩差。
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表 1 墩差换算表 Table 1 Conversion table of pier difference |
采用一阶差分方法，将所选数据进行差分得到差分值。设函数y = f (x)，y只对x在非负整数值上有定义，在自变量x依次取遍非负整数，即x = 0，1，2，...时，相应函数值为f(0)、f(1)、f(2)、...，简记为y0、y1、y2、...。
当自变量从x变成x + 1，函数y = y(x)的改变量为
| $ \Delta y_x=y(x+1)-y(x) \quad(x=0, 1, 2, \cdots) $ | (1) |
Δyx称为函数y(x)在点x的一阶差分，通常记作
| $ \Delta y_x=y_{x+1}-y_x \quad(x=0, 1, 2, \cdots) $ | (2) |
收集整理佘山台1877—2005年地磁七要素D、H、Z、X、Y、F、I年均值，运用一阶差分，计算历年七要素差分值ΔD、ΔH、ΔZ、ΔX、ΔY、ΔF、ΔI，结果见表 2。限于篇幅，表 2中计算结果截止时间设为1936年。
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表 2 佘山台地磁观测七要素数据历年的差分值计算结果（1877—1936年） Table 2 Calculation results of the difference values of the geomagnetic observation data of seven elements at Sheshan station over the years (1877-1936) |
基于表 2所给出的数据，绘制佘山台1874—2005年磁偏角D、磁倾角I、磁场总强度F、水平强度H、垂直强度Z的趋势变化及差分变化图，结果见图 2、图 3、图 4，并统计得到各地磁要素一阶差分值的异常时间、变化形态及幅值，结果见表 3。
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图 2 佘山台地磁场磁偏角D长期趋势变化曲线及差分值 Fig.2 Long-term trend curve and difference value of geomagnetic declination (D) at Sheshan station |
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图 3 佘山台地磁场磁倾角I长期趋势变化曲线及差分值 Fig.3 Long-term trend curve and difference value of geomagnetic inclination (I) at Sheshan station |
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图 4 佘山台地磁场F、H、Z长期趋势变化曲线及差分值 Fig.4 Long-term trend curve and difference value (F, H, Z) at Sheshan station |
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表 3 D、I、F、H、Z变化一阶差分年变化趋势 Table 3 D, I, F, H, Z annual variation trend of first-order difference |
由图 2可见，佘山台磁偏角D百年来呈长期下降趋势变化，从1876年的-2° 01.28'下降至2005年的-5° 0.5'，129年共下降-2° 59.22'，平均每年下降1.389 3'。在长达百余年的变化过程中，磁偏角D呈非线性下降，在1908年、1910年、1933年、1965年、2005年出现大幅度下降或上升台阶，其中1910年、1965年、2005年的变化幅度较大，最大差值达-42.47'。
由图 3可见，在佘山台129年的观测时段内，磁倾角I在46° 13.84'—45° 15.76'范围内上下变化，呈现周期性特征，震荡幅度约为1°。其中，磁倾角I在1893—1895年、1933年、1991年出现大幅度台阶变化，且1895年、1991年变化幅度更大，分别为-45.62'、44.61'。I大幅变化的2个时段相差近百年，且跳动幅度基本相同，方向相反，可能预示了地球磁场磁倾角存在周期性变化。
图 4反映了1876—2005年佘山台地磁磁场总强度F、水平强度H、垂直强度Z三分量的长期趋势变化及差分值变化。由图 4可见，在佘山台129年的观测时段内，F、H、Z三分量保持震荡盘升的周期走势，其中F年均变化16.959 nT，H年均变化10.17 nT，Z年均变化13.73 nT。三者相关性较强，在变化趋势上基本一致。其中，1884年、1887年、1892年、1897年及1908年同时出现年变幅度较大现象。在1884—1887年，三分量均存在一个大幅度台阶，变化幅度达600 nT以上，F分量变化幅度更大，达900—1 000 nT。
由图 4还可以发现，三分量具有明显的波峰、波谷的周期性特征，变化周期约为43—45年。徐静明（1984）分析指出，佘山台地磁数据的长期变化具有明显的周期性，基于周期频率谱—零交法估计，其水平分量变化周期约为45年，相对变幅约为336 nT，垂直分量变化周期约为43年，相对变幅约为261 nT。也就是说，佘山台地磁数据长期变化的视周期Ta约为45年。
4 佘山台地磁环境变化定量分析基于此，为科学应用佘山台地磁观测数据，不仅需对该台1874—2005年的地磁数据及一阶差分值进行长期趋势分析，还需要对地磁环境变化进行定量计算与分析，排除是受环境变化干扰而造成的趋势异常变化。文中利用国际地磁场参考模型IGRF12，计算地磁异常场模量ΔT，统计分析佘山台百余年来地磁观测的场地环境指标。地磁台磁场环境异常场模量ΔT计算公式如下
| $ \Delta T=\sqrt{(\Delta X)^2+(\Delta Y)^2+(\Delta Z)^2} $ | (3) |
式中，ΔX、ΔY和ΔZ为地磁场北向分量X、东向分量Y和垂直分量Z的年均值差分值。ΔT为地磁台地磁异常场的模量，可据其大小判定地磁台地磁观测环境状况。若ΔT＜100 nT，则佘山台为正常磁场区；若100 nT＜ΔT＜300 nT，则佘山台为弱磁异常区；当ΔT＞300 nT时，则佘山台为强磁异常区。
由于1884—1886年地磁观测资料存在明显的台阶跳动，故在分析佘山台地磁场环境异常场模量ΔT时，取1888—2005年观测数据进行计算，绘制ΔT长期趋势变化图，结果见图 5。
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图 5 佘山台地磁场环境异常场模量ΔT长期趋势变化 Fig.5 Long-term trend change of geomagnetic environmental anomaly field modulus ΔT at Sheshan Geomagnetic Station |
由图 5可见，在1892年、1897年、1898年、1908年及1933年，佘山台地磁场环境异常场模量ΔT在100—300 nT范围内变化，表明佘山台为弱磁异常区。其中，1908年ΔT接近300 nT，应为上海徐家汇有轨电车建设运营影响观测环境所致，后地磁观测迁至江苏昆山县，建立陆家浜验磁台；1933年ΔT超过100 nT，应为受沪宁铁路建设影响所致，后将地磁台迁移至目前台址，即为现在的佘山地磁台；1934年至今，ΔT＜100 nT，表明佘山台为正常磁场区，说明台站观测环境明显稳定。1888年至今，佘山台各个阶段均未出现ΔT＞300 nT的现象，表明该台地磁场观测环境相对优越，未处在强磁异常区。
表 4列出佘山台地磁场环境异常场模量ΔT的异常时间段，即1884年、1887年、1892年、1897年、1898年、1908年和1933年，对应的脉冲变化及ΔT数值，可见环境干扰对F、H、Z的影响较大。
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表 4 佘山地磁台地磁场环境异常场模量ΔT的异常时间段统计 Table 4 Statistics of abnormal time periods of geomagnetic environment abnormal field modulus at Sheshan Geomagnetic Station |
排除环境干扰影响，统计发现佘山台磁偏角D及磁倾角I在某些年份变化幅度较大。由表 2可知，1874—2005年，佘山台磁偏角D年均值为-2.358 5'，磁倾角I年均值为0.138 2'。对比表 3可知，1893年I、1894年I、1895年I、1910年D、1965年D、1991年I、2005年D值变化幅度多在40'—45'上下震荡，其异常变化年均值达40'以上，变化幅度远大于平均值。由于历史地震事件记录不够详实，无法准确查证予以对比，故本文未列举震例进行对比分析。
5 结论综上所述，可得出以下结论：
（1）基于地磁场模型IGRF12计算佘山台1874—2005年地磁异常场模量ΔT，发现ΔT＞100 nT的年份集中在1884年、1887年、1892年、1897—1898年、1908年及1933年。基于历史考证日志，1908年ΔT接近300 nT，由上海徐家汇有轨电车建设运营影响观测环境所致；1933年ΔT超过100 nT，由沪宁铁路建设影响所致。
（2）排除环境干扰影响后，统计发现磁偏角及磁倾角分量异常幅度变化较大，其中1893年I、1894年I、1895年I、1910年D、1965年D、1991年I、2005年D值变化幅度约在40'—45'。
（3）在长趋势分析中，发现地磁场观测要素均存在明显的周期性变化，其中水平强度F、H变化周期约为45年，垂直强度Z变化周期约为43年，磁场总强度F变化周期约为42年，应与太阳活动周期效应有关。
（4）佘山台磁偏角D不断向西偏离磁场北极，年变率约为1.389 3'；磁倾角I呈周期性变化，周期为90—100年。
（5）在地磁环境变化定量计算与分析中，发现1892年、1897年、1898年、1908年及1933年的ΔT＞100 nT。自1933年台址迁移至现佘山地磁台所在地以来，ΔT变化幅度减小，逐渐趋向稳定，且ΔT＜100 nT，表明1933年以后，该台地磁观测环境处于正常磁场区。
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