董 博，紀春玲，張環(huán)曦，周安聘，茅遠哲，唐存智，張尚清

(1. 河北省地震局，石家莊 050021； 2. 河北地質(zhì)大學， 石家莊 050031)

河北地區(qū)近年地磁場變化特征

董 博1,2，紀春玲1*，張環(huán)曦1，周安聘1，茅遠哲1,2，唐存智2，張尚清2

(1. 河北省地震局，石家莊 050021； 2. 河北地質(zhì)大學， 石家莊 050031)

通過分析河北及周邊10個地磁臺2008—2016年的各分量年均值數(shù)據(jù)和年變率曲線變化形態(tài)，發(fā)現(xiàn)3個分量均呈單調(diào)變化，Z分量和F總場年變率從2008年開始均呈現(xiàn)出上升變化態(tài)勢；利用克里金插值法對所研究區(qū)域地磁場變化特征進行插值計算，分析結(jié)果認為：在該研究區(qū)域內(nèi)隨著時間的遞增，3個分量等值線均逐漸由北向南緩慢的遷移。該研究對于了解近年來河北及附近區(qū)域地磁場變化規(guī)律有積極指導意義。

地磁場；年變率；克里金插值法；河北

0 引言

地磁學是地球物理學的重要組成部分，地球磁場和地球引力場一樣，屬地球物理場。按場源位置劃分，地磁場由外源場和內(nèi)源場2部分組成。外源場起源于地表以上的空間電流體系，內(nèi)源場包括源于地核的基本磁場，源于地殼磁性巖石的地殼場，以及外部變化磁場在地球內(nèi)部的感應場。地磁場的變化和分布具有空間上的相關(guān)性和時間上的延拓性[1]，地磁臺站觀測的是包括占百分之九十幾的內(nèi)源場與百分之幾的外源場在內(nèi)的整個地磁場。通常來說，磁異常場屬于內(nèi)源場的一部分，也稱為巖石圈磁場或地殼磁異常場。而在地磁異常中，有地震引起的地磁異常又占很小的比重，地磁場有各類長期變化和短期變化，只有研究并充分認識他們的規(guī)律，才能正確提取異常場[2-4]。

本文所研究的原始數(shù)據(jù)取自中國地震局地磁臺網(wǎng)數(shù)據(jù)庫，通過分析研究河北及周邊地區(qū)2008—2016年9年間該地區(qū)地磁場變化規(guī)律，認為臺站在所研究區(qū)域內(nèi)分布較合理，臺站記錄的磁場變化特征基本代表了河北省及附近區(qū)域地磁場的時空變化。不僅對了解地磁場變化形態(tài)有意義，還有助于識別地磁異常信號，為提供更有價值的地震地磁異常信息做好準備工作。

1 臺站概況

河北省現(xiàn)有10個地磁FHD觀測臺站，考慮到部分臺站FHD儀器正式觀測時間較晚，且存在大量的數(shù)據(jù)缺測，故只選取省內(nèi)資料連續(xù)性較好的6個臺站數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)研究資料。為了能夠更加真實地反映河北地區(qū)的地磁場變化特征及避免邊界效應的產(chǎn)生，又選取靠近河北邊界的周邊省份4個地磁臺數(shù)據(jù)作為研究資料(表1)。

表1 臺站參數(shù)

圖1 地磁臺站位置分布圖

2 資料收集與處理

從中國地震局地磁臺網(wǎng)數(shù)據(jù)庫中提取了2008—2016年廣平等10個地磁臺站各要素(F、H、Z)的原始數(shù)據(jù)。通過對這10個監(jiān)測臺站9年的地磁資料進行分析，認為數(shù)據(jù)真實性符合我們對該地區(qū)地磁場變化特征分析研究的要求。通過對原始數(shù)據(jù)進行預處理，突出了地磁數(shù)據(jù)的趨勢變化，并計算得到了河北省及周邊地磁臺站各要素的年均值。

3 數(shù)據(jù)分析

3.1 各臺數(shù)據(jù)變化趨勢分析

本文所選各地磁臺9年的觀測資料客觀地記錄和反映了該地區(qū)的地磁場的近期變化特征。對這些臺2008—2016年的地磁總場F，垂直分量Z及水平分量H觀測資料進行統(tǒng)計、計算后，用年均值做圖(圖2～4)，可從F、H、Z各自的變化趨勢看出，形態(tài)變化雖有所不同，但一致性較好；3個分量曲線形態(tài)均呈現(xiàn)單調(diào)變化，比如各臺H分量從2008年開始呈逐年緩慢減小，變化曲線單調(diào)遞減，近似于線性變化，到2016年約下降了309.2 nT，平均每年下降38.7 nT；Z分量和F總場曲線變化形態(tài)則相反，二者均呈現(xiàn)逐年緩慢單調(diào)上升現(xiàn)象，各臺Z分量和F總場從2008—2016年上升的平均幅度分別為449.8 nT和231.1 nT，平均年變化幅度為56.2 nT和28.9 nT。

表2 各地磁臺站水平分量H年均值統(tǒng)計表 nT

圖2 2008—2016年各臺H分量年均值曲線圖

表3 各地磁臺站垂直分量Z年均值統(tǒng)計表 nT

圖3 2008—2016年各臺Z分量年均值曲線圖

nT

圖4 2008—2016年各臺F總場年均值曲線圖

3.2 各臺站年變率分析

地磁數(shù)據(jù)分析研究中，通常用1年的長期變化率來表示這一年地磁要素的變化大小[5]，t0年的長期變化率(年變率)的定義是

(1)

其中：A2與A1是t2與t1年某地磁要素的年均值，t0=t2+1/2Δt。為了便于研究，將Δt的時間間隔取為1年，于是公式簡化為α=ΔA。令t0=t2。所以本文的年變率是指某年的年均值與前一年年均值之差，通過這樣處理，年變率的變化趨勢會顯得更加突出和直觀。圖5～7分別給出了所選各臺記錄的地磁總場F，垂直分量Z和水平分量H的年變率曲線圖。

由圖5可以看出，各臺H分量的年變率從2008年開始整體呈現(xiàn)緩慢下降趨勢，至2012年降至最低，而后發(fā)生轉(zhuǎn)折，2012—2014年開始變化為緩慢上升，而后在2015年年變率又開始變?yōu)橄陆?，之?016年開始轉(zhuǎn)折上升。由于所選資料時間有限，至于近年H分量年變率變化形態(tài)是否具有短周期性，仍需后期長時間數(shù)據(jù)進行分析驗證。由圖6可以看出，各臺Z分量年變率呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢，變化速度逐漸減小，至2014和2015年年變率變化速度趨近于零，2016年開始呈現(xiàn)下降趨勢。由圖7可以看出，總場F的年變率在2008—2011年變化速度較緩慢，但仍然呈現(xiàn)上升態(tài)勢，從2011年之后年變率變化速度開始迅速增加，至2013年左右開始變速減小接近于0，至2016年又開始緩慢上升。從圖6～7可以看出，Z分量和F總場年變率從2008年開始均呈現(xiàn)上升變化態(tài)勢，這與張小濤等[6]在分析前20年河北省內(nèi)的絕對觀測地磁數(shù)據(jù)的年變率時所呈現(xiàn)出的正弦形態(tài)變化相符合。按照其分析結(jié)果來看，2007后年變率變化曲線應該呈現(xiàn)出上升的態(tài)勢，且上升時間大概為7 a左右。從年變率曲線能夠看出一個共同的特點，在研究區(qū)域內(nèi)地磁場年變化速率南部大于北部，東部大于西部，有自東南向西北逐漸減弱的規(guī)律,這與謝用明等[7]的研究成果基本吻合。

圖5 各臺H分量年均值年變率曲線圖

圖6 各臺Z分量年均值年變率曲線圖

圖7 各臺F總場年均值年變率曲線圖

3.3 利用插值法分析區(qū)域地磁場變化特征

地磁數(shù)據(jù)的觀測和采樣往往在不規(guī)則且離散的測網(wǎng)(或測線)進行。為合理并正確解釋地球物理異常，在保持原有場的特征前提下，有必要進行均勻且較密集規(guī)則網(wǎng)格的數(shù)據(jù)插值，形成直觀的二維等值線，為進一步異常分析提供依據(jù)。

常用格網(wǎng)化插值方法包括徑向基函數(shù)法，克里金法，最小曲率法，三角網(wǎng)線性內(nèi)插法等。局部地磁場中的地球主磁場，地磁異常場及擾動磁場與克里金法的3種成分假設(shè)具有一一對應關(guān)系，因此克里金法能較為準確地反映局部地磁場的分布空間相關(guān)特性規(guī)律，可用于局部磁場空間插值[8]。

在插值進行前，由于所選10個地磁臺站海拔高程相差較大，因此需對地磁觀測數(shù)據(jù)進行高度改正。具體思路為，選定一個高度作為標準高度，選擇相應經(jīng)緯度作為計算點得出該地正常場，計算不同高度修正值。若臺站海拔高于標準點，則實測值需要加上改正值，反之，減去改正值[9]。應用克里金法對研究區(qū)域2008—2016年地磁資料進行插值計算，插值間隔為0.075×0.075,使得x分成96個網(wǎng)格，而y分為100個網(wǎng)格，得到地磁場各分量的二維等值線和三維等值線。因2008—2016年各分量變化趨勢差別不大，在此各分量三維等值線圖只給出中間年份2011年的圖作為參考。

圖8(1)～(9)：2008—2016年H分量二維等值線圖；圖8(10)～(18)：2008—2016年Z分量二維等值線圖；圖8(19)～(27)：2008—2016年F分量二維等值線圖 圖8 2008—2016年河北及周邊H、Z、F分量二維等值線圖

圖9 2011年河北及周邊H、Z、F分量三維等值線圖

由圖8(1)～(9)和圖9a可以看出，隨著緯度的的增大，H值逐漸減小。在(113.5°～118°E，37°～40°N)和(118.5°～120.5°E，40°～40.8°N)范圍內(nèi)變化率較大，其他區(qū)域H值變化率較??；(114.5°E，35.7°N)處的H值較周圍區(qū)域都大，為該研究區(qū)域的極大值。2008—2016年該研究區(qū)域H分量變化趨勢較平穩(wěn)，如果動態(tài)地觀察這9 a的等值線圖，可以形象地看出在該研究區(qū)域內(nèi)，H分量等值線隨著時間的遞增，逐漸由北向南緩慢地遷移。

由圖8(10)～(18)和圖9b可知，隨著緯度的增大，Z值逐漸增大。在(113.5°～118°E，36.5°～40.1°N)和(118.2°～120.5°E，40°～40.8°N)范圍內(nèi)變化率較大，其他區(qū)域Z值變化率較小；(115.5°E，35.7°N)處的Z值較周圍區(qū)域都小，為該研究區(qū)域的極小值。2008—2016年該研究區(qū)域Z分量變化趨勢較平穩(wěn)，如果動態(tài)地觀察這9年的等值線圖，亦可以看出在該研究區(qū)域內(nèi)，Z分量等值線隨著時間的遞增，逐漸由北向南緩慢地遷移。

由圖8(19)～(27)和圖9c可知，隨著緯度的增大，F(xiàn)值逐漸增大。在(113.5°～118°E，37°～40°N)和(117.5°～120.5°E，40.1°～40.7°N)范圍內(nèi)變化率較大，其他區(qū)域F值變化率較?。?116.5°E，35.6°N)處的F值較周圍區(qū)域都小，為該研究區(qū)域的極小值。2008—2016年該研究區(qū)域F總場變化趨勢較平穩(wěn)，且與Z分量的變化趨勢相一致?？傮w來看，F(xiàn)總場等值線也是隨時間逐漸由北向南緩慢地遷移。

4 結(jié)論與討論

綜上資料分析結(jié)果，河北地區(qū)近年地磁場變化具有如下特征：

1)從F，H，Z各自的變化趨勢來看，形態(tài)變化雖有所不同，但一致性較好，且3個分量曲線形態(tài)均呈現(xiàn)單調(diào)變化，各臺H分量逐年單調(diào)遞減，近似于線性變化；Z分量和F總場曲線變化形態(tài)則相反，二者均呈現(xiàn)逐年單調(diào)上升現(xiàn)象；F、H、Z3個分量各臺逐年平均變化量分別為27.6 nT、39.8 nT和56.2 nT，總體變化速度Flt;Hlt;Z。

2)Z分量和F總場年變率從2008年開始均呈現(xiàn)出上升變化態(tài)勢，這與張小濤等[5]在分析前20 a河北省內(nèi)的地磁數(shù)據(jù)的年變率時所呈現(xiàn)出的正弦形態(tài)變化相符合。按照其分析結(jié)果來看，2007年后，年變率變化曲線應該呈現(xiàn)出上升的態(tài)勢，且上升時間大概為7 a左右。H分量年變率是否存在短周期變化需后期積累大量的測量數(shù)據(jù)進行驗證。

3)隨著緯度的增大，H值逐漸減小，F(xiàn)和Z值逐漸增大。3個分量在(113.3°～117°E，36.5°～39.7°N)和(118.5°～120.5°E，40°～40.8°N)范圍內(nèi)變化率均較大，其他區(qū)域變化率相對較??；(114.5°～116.5°E，35.6°～35.7°N)小區(qū)域范圍內(nèi)均為F、H、Z極值所在之處，H為極大值，F(xiàn)、Z為極小值。動態(tài)地觀察這9 a的等值線圖，可以形象地看出，在該研究區(qū)域內(nèi)，3個分量等值線均逐漸由北向南緩慢地遷移。

4)F、H、Z等值線分布或許與該區(qū)內(nèi)臺站分布情況有關(guān)，由于研究區(qū)內(nèi)分布臺站較少等原因，分析精度和深度有待加強，積累更多資料后進一步分析和研究。

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GeomagneticFieldVarivationCharacteristicsinHebeiAreainRecentYears

DONG Bo1,2, JI Chun-ling1*, ZHANG Huan-xi1, ZHOU An-pin1,MAO Yuan-zhe1,2,TANG Cun-zhi2, ZHANG Shang-qing2

(1. Hebei Earthquake Agency, Shijiazhuang 050021, China; 2. Hebei GEO University, Shijiazhuang 050031, China)

In the paper, the annual mean data and the annual variation curve of the 10 geomagnetic stations in Hebei and the surrounding areas from 2008 to 2016 are analyzed. The analysis shows that: the three components show monotonic change; the total annual change rate of the Z component and F component from the beginning of 2008 show an upward trend. Then, the characteristics of magnetic field are studied using Kriging interpolation and the results indicated that: in the study area, the three components of the isoline are slowly moving from north to south as time goes on. The study has great significance to understand the geomagnetic field variation in Hebei and its adjacent areas in recent years.

Hebei; geomagnetic field; annual variation rate; Kriging

董博，紀春玲，張環(huán)曦，等. 河北地區(qū)近年地磁場變化特征[J]．華北地震科學，2017，35(4):22-28.

2017-03-10

2017年河北省地震局地震科技星火計劃項目(DZ20170510065)

董 博(1986—)，男，河北鹿泉人，工程師，主要從事地震監(jiān)測與分析預報工作.E-mail：dongbo0002@126.com

*

紀春玲(1987—)，女，河北晉州人，助理工程師，主要從事地震監(jiān)測與分析預報工作.E-mail：279694644@qq.com

P315.7

A

1003-1375(2017)04-0022-07

10.3969/j.issn.1003-1375.2017.04.004