羅玉芬 陸鏡輝 陳政雷

（中國廣東 510320 廣州地震監(jiān)測(cè)中心站）

0 引言

地磁觀測(cè)技術(shù)是一門傳統(tǒng)的地球物理觀測(cè)技術(shù)，地磁場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)廣泛運(yùn)用于各行各業(yè)，如航空航海、國防軍事、地質(zhì)勘探、地震研究等。中國地磁觀測(cè)始于1874 年，最早由佘山地磁臺(tái)開始正式記錄。發(fā)展至今，我國已建成45 個(gè)國家基準(zhǔn)地磁臺(tái)，140 多個(gè)地磁觀測(cè)站點(diǎn)，地磁觀測(cè)網(wǎng)覆蓋全國，積累了大量連續(xù)穩(wěn)定的高質(zhì)量地磁場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)，為探索認(rèn)知地磁場(chǎng)的時(shí)空變化特征提供了依據(jù)。

地球基本磁場(chǎng)在長時(shí)期內(nèi)發(fā)生的緩慢變化現(xiàn)象稱為地磁場(chǎng)的長期變化。地球磁場(chǎng)分為偶極子磁場(chǎng)和非偶極子磁場(chǎng)，地磁場(chǎng)的長期變化主要為非偶極磁場(chǎng)的變化，主要起源于地球內(nèi)部，且具有區(qū)域性特征。1634 年，英國人吉利布蘭（Gel-librand）在英國倫敦磁偏角變化中發(fā)現(xiàn)了地磁場(chǎng)的長期變化。多年來，眾多學(xué)者，如羅玉芬等（2005）、張小濤等（2008）、孫旭麗（2013）、趙德軍等（2013）、葉向頂?shù)龋?015）對(duì)該變化進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)長期變化不單具有區(qū)域性，且具有周期性。但是，對(duì)20 世紀(jì)地磁長期變化場(chǎng)西向漂移的認(rèn)識(shí)并不一致（王亶文，2004）。通過分析地磁各要素（磁偏角D、磁傾角I、總強(qiáng)度F、水平分量H、北向分量X、垂直分量Z、東向分量Y）空間分布變化及長期變化現(xiàn)象，研究其變化特征和規(guī)律，有助于了解地球內(nèi)部物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)（徐文耀，2001）。在對(duì)地磁場(chǎng)變化進(jìn)行分析時(shí)，多采用IAGA 主磁場(chǎng)模型和IGRF 長期變化場(chǎng)模型，本文從地磁觀測(cè)臺(tái)站的角度，以華南地區(qū)為例，選用實(shí)時(shí)地磁觀測(cè)數(shù)據(jù)，分析地磁各要素的空間分布變化及長期變化特征和規(guī)律。

1 數(shù)據(jù)選取

1.1 地磁觀測(cè)站點(diǎn)及觀測(cè)數(shù)據(jù)選取

考慮到地磁場(chǎng)變化的區(qū)域性，選取華南地區(qū)（108°—118°E，18°—28°N）觀測(cè)質(zhì)量穩(wěn)定、觀測(cè)環(huán)境優(yōu)良的5 個(gè)國家基準(zhǔn)地磁觀測(cè)臺(tái)，即海南瓊中、廣西邕寧、廣東肇慶、福建泉州和湖南邵陽地磁臺(tái)（地理位置見圖1），作為研究臺(tái)站。

圖1 華南地區(qū)5 個(gè)國家基準(zhǔn)地磁臺(tái)地理位置Fig.1 Location of five national geomagnetic observatories in South China

海南瓊中地磁臺(tái)位于海南省瓊中縣營根鎮(zhèn)東南部，臺(tái)基為海西—印支期花崗巖，于1976 年籌建，1981 年正式觀測(cè)。廣西邕寧地磁臺(tái)位于南寧市邕寧區(qū)龍崗村，臺(tái)基為石炭系白云質(zhì)灰?guī)r，始建于1972 年，1984 年1 月1 日正式觀測(cè)。廣東肇慶地磁臺(tái)位于肇慶市蓮塘鎮(zhèn)，臺(tái)基為石炭系石灰?guī)r。其前身為廣州地磁臺(tái)，始建于1957 年，1998 年因受廣州地鐵干擾而停測(cè)，1996—2001 年選址肇慶重建，于2001 年12 月18 日重新投入觀測(cè)。福建泉州地磁臺(tái)位于福建省泉州南安市洪瀨鎮(zhèn)厝斗村，臺(tái)基為燕山期花崗巖，始建于1976 年，2001 年因原白水營舊址觀測(cè)環(huán)境受到破壞，故選址重建，新臺(tái)于2007 年重新投入觀測(cè)。邵陽地磁臺(tái)始建于1976 年，原址位于湖南邵陽市城南柑橘研究所旁，因修建洛湛鐵路和火車南站而搬遷，新址位于湖南省邵陽市大祥區(qū)檀江鄉(xiāng)清風(fēng)村排樓山，臺(tái)基為第四紀(jì)黃土，下為上碳系白云質(zhì)灰?guī)r，2007 年新臺(tái)投入觀測(cè)至今。

以上資料顯示，5 個(gè)地磁臺(tái)均有幾十年觀測(cè)史，經(jīng)搬遷重整及數(shù)字化改造，2008 年以來觀測(cè)數(shù)據(jù)更為連續(xù)穩(wěn)定。因此，選取2008—2018 年地磁觀測(cè)資料，分析華南地區(qū)地磁場(chǎng)長期變化特征。

1.2 觀測(cè)儀器概況

國家標(biāo)準(zhǔn)地磁臺(tái)均需配備絕對(duì)觀測(cè)儀和相對(duì)觀測(cè)儀各一套，有條件的臺(tái)站配備2套以上，以防儀器故障造成數(shù)據(jù)缺測(cè)。按照地磁觀測(cè)技術(shù)規(guī)范（中國地震局，2001）的要求，各地磁臺(tái)站于每周一、四進(jìn)行2 次絕對(duì)觀測(cè)，測(cè)定D、I、F絕對(duì)值，使用H=F× cosI和Z=F× sinI關(guān)系式，計(jì)算得到H和Z絕對(duì)值，進(jìn)而計(jì)算相對(duì)觀測(cè)儀D、H、Z的基線值。相對(duì)觀測(cè)儀是對(duì)被測(cè)地磁場(chǎng)要素相對(duì)于某一基值變化量的連續(xù)觀測(cè)。目前，各地磁臺(tái)使用GM4、FGM-01 及FHDZ-M15 進(jìn)行相對(duì)觀測(cè)，采樣率均達(dá)1 次/s。隨著觀測(cè)儀器采樣率、分辨力和觀測(cè)精度的不斷提高，利用大量實(shí)時(shí)數(shù)字化觀測(cè)數(shù)據(jù)，可精確反映地磁場(chǎng)隨時(shí)間和空間分布的長期變化。華南地區(qū)5 個(gè)地磁臺(tái)目前使用的觀測(cè)儀器及基本參數(shù)見表1。

表1 華南地區(qū)5 個(gè)國家基準(zhǔn)地磁臺(tái)觀測(cè)儀器使用及基本參數(shù)Table 1 Usage and basic parameters of geomagnetic instruments in five national geomagnetic observatories in South China

續(xù)表1

2 地磁場(chǎng)長期變化特征

選用邵陽、邕寧、肇慶、瓊中、泉州等5 個(gè)國家基準(zhǔn)地磁臺(tái)2008—2018 年數(shù)字化觀測(cè)資料，繪制華南地區(qū)地磁場(chǎng)磁偏角D、磁傾角I、總強(qiáng)度F、水平分量H、北向分量X、垂直分量Z、東向分量Y的月均值變化曲線（圖2），分析該區(qū)地磁場(chǎng)的長期變化趨勢(shì)與特征。

2.1 磁偏角D

由CGRF 中國參考地磁場(chǎng)模型可知，磁偏角D的零變線大致沿100°子午線南北延伸，將中國分為東西兩部分，東部為負(fù)（西偏），西部為正（東偏）（徐文耀等，2005）。華南地區(qū)位于100°子午線偏東，磁偏角D為負(fù)。

由圖2(a)可見：①瓊中臺(tái)磁偏角2008 年偏西1.34°，2018 年偏西1.82°，10 年間增大0.48°，平均年變率為0.048(°)/a；②邕寧臺(tái)磁偏角2008 年偏西1.66°，2018 年偏西2.14°，10 年間增大0.48°，平均年變率為0.048(°)/a；③肇慶臺(tái)磁偏角2008 年偏西2.08°，2018年偏西2.68°，10 年間增大0.61°，平均年變率為0.061(°)/a；④邵陽臺(tái)磁偏角2008 年偏西2.71°，2018 年偏西3.31°，10 年間增大0.60°，平均年變率為0.06(°)/a；⑤泉州臺(tái)磁偏角2008 年偏西3.37°，2018 年偏西4.13°，10 年間增大0.76°，平均年變率為0.076(°)/a。

由圖2(a)可知，華南地區(qū)地磁臺(tái)磁偏角的長期變化具有隨時(shí)間和臺(tái)站經(jīng)度增加呈逐年緩慢偏西增大趨勢(shì)，且5 個(gè)地磁臺(tái)2008—2018 年磁偏角變化形態(tài)基本一致，變化量在0.48°— 0.76°。

2.2 磁傾角I

由圖2(b)可見：①瓊中臺(tái)2008年磁傾角為25.64°，2018年為27.03°，10年間增加1.39°，平均年變率為0.139(°)/a；②邕寧臺(tái)2008 年磁傾角為33.20°，2018 年為34.50°，10 年間增加1.30°，平均年變率為0.13(°)/a；③肇慶臺(tái)2008 年磁傾角為33.50°，2018 年為34.73°，10 年間增加1.23°，平均年變率為0.123(°)/a；④邵陽臺(tái)2008 年磁傾角為41.05°，2018 年為42.13°，10 年間增加1.08°，平均年變率為0.108(°)/a；⑤泉州臺(tái)2008 年磁傾角I為36.71°，2018 年為37.68°，10 年間增加0.97°，平均年變率為0.097(°)/a。

圖2 華南地區(qū)5 個(gè)國家基準(zhǔn)地磁臺(tái)地磁場(chǎng)七要素月均值曲線（a）磁偏角D；（b）磁傾角I；（c）總強(qiáng)度F；（d）水平分量H；（e）北向分量X；（f）垂直分量Z；（g）東向分量YFig.2 Curves of monthly mean values of seven elements of the geomagnetic field at five national geomagnetic observatories in South China

由圖2(b)可知，華南地區(qū)地磁臺(tái)磁傾角I的長期變化具有隨時(shí)間和臺(tái)站緯度增加呈逐年緩慢增大趨勢(shì)，且5個(gè)地磁臺(tái)2008—2018年磁傾角變化形態(tài)基本一致，變化量在0.97°—1.39°。

2.3 磁場(chǎng)總強(qiáng)度F

由圖2(c)可見：①瓊中臺(tái)2008—2018年地磁場(chǎng)總強(qiáng)度從43 678.3 nT增大至 44 123.1 nT，10 年間增大444.8 nT，平均年變率為44.5 nT/a；②邕寧臺(tái)2008—2018 年地磁場(chǎng)總強(qiáng)度從45 607.0 nT 增大至46 122.2 nT，10 年間增大515.2 nT，平均年變率為51.5 nT/a；③肇慶臺(tái)2008—2018 年地磁場(chǎng)總強(qiáng)度從45 375.2 nT 增大至45 847.7 nT，10 年間增大472.5 nT，平均年變率為47.3 nT/a；④邵陽臺(tái)2008—2018 年地磁場(chǎng)總強(qiáng)度從47 745.7 nT增大至48 251.8 nT，10 年間增大506.1 nT，平均年變率為50.6 nT/a；⑤泉州臺(tái)2008—2018 年地磁場(chǎng)總強(qiáng)度從45 536.1 nT 增大至45 974.6 nT，10 年間增大438.5 nT，平均年變率為43.9 nT/a。

由圖2(c)可知，華南地區(qū)地磁臺(tái)地磁場(chǎng)總強(qiáng)度的長期變化具有隨時(shí)間和臺(tái)站緯度增加呈逐年緩慢增大趨勢(shì)，且5 個(gè)地磁臺(tái)2008—2018 年地磁場(chǎng)總強(qiáng)度變化趨勢(shì)基本一致，變化量在438.5 —515.2 nT。

2.4 水平分量H

由圖2(d)可見：①瓊中臺(tái)2008—2018 年地磁場(chǎng)水平分量從39 377.6 nT 減少到39 302.6 nT，10年間減少75.0 nT，平均年變率為7.5 nT/a；②邕寧臺(tái)2008—2018年地磁場(chǎng)水平分量從38 161.5 nT減少到38 010.6 nT，10年間減少150.9 nT，平均年變率為15.1 nT/a；③肇慶臺(tái)2008—2018 年地磁場(chǎng)水平分量從37 839.6 nT 減少到37 679.5 nT，10 年間減少160.1 nT，平均年變率為16.0 nT/a；④邵陽臺(tái)2008—2018 年地磁場(chǎng)水平分量從36 005.7 nT 減少到35 784.2 nT，10 年間減少221.5 nT，平均年變率為22.2 nT/a；⑤泉州臺(tái)2008—2018 年地磁場(chǎng)水平分量從36 503.2 nT 減少到36 383.6 nT，10 年間減少119.6 nT，平均年變率為12.0 nT/a。

由圖2(d)可知，華南地區(qū)地磁場(chǎng)水平分量長期變化具有隨時(shí)間和臺(tái)站緯度增加呈逐年緩慢減少趨勢(shì)，且5 個(gè)地磁臺(tái)2008—2018 年地磁場(chǎng)水平分量變化趨勢(shì)基本一致，其中2008—2014 年呈逐年緩慢下降趨勢(shì)，2015—2018 年變化形態(tài)平緩，10 年間變化量在75.0 —221.5 nT。

2.5 北向分量X

由圖2(e)可見，華南地區(qū)地磁場(chǎng)北向分量與水平分量變化趨勢(shì)一致，其中：①瓊中臺(tái)2008—2018 年X分量從39 366.8 nT 減少到39 282.8 nT，10 年間減少84.0 nT，平均年變率為8.4 nT/a；②邕寧臺(tái)2008—2018 年X分量從38 145.4 nT 減少到37 984.0 nT，10 年間減少161.4 nT，平均年變率為16.1 nT/a；③肇慶臺(tái)2008—2018 年X分量從37 814.8 nT減少到37 638.2 nT，10 年間減少176.6 nT，平均年變率為17.7 nT/a；④邵陽臺(tái)2008—2018 年X分量從35 965.3 nT 減少到35 724.6 nT，10 年間減少240.7 nT，平均年變率為24.1 nT/a；⑤泉州臺(tái)2008—2018 年X分量從36 440.0 nT 減少到36 289.1 nT，10 年減少150.9 nT，平均年變率為15.1 nT/a。

由圖2(e)可知，華南地區(qū)地磁場(chǎng)北向分量X的長期變化具有隨時(shí)間和臺(tái)站緯度增加呈逐年緩慢減少趨勢(shì)，且5 個(gè)地磁臺(tái)2008—2018 年X分量變化趨勢(shì)基本一致，其中2008—2014 年呈逐年緩慢下降趨勢(shì)，2015—2018 年變化形態(tài)平緩，而且10 年間變化量在84.0 —240.7 nT。

2.6 垂直分量Z

由圖2(f) 可見：①瓊中臺(tái)2008—2018 年地磁場(chǎng)Z分量從18 899.5 nT 增加到20 053.8 nT，10 年間增加1 154.3 nT，平均年變率為115.4 nT/a；②邕寧臺(tái)2008—2018年地磁場(chǎng)Z分量從24 974.0 nT 增加到26 123.9 nT，10 年間增加1 149.9 nT，平均年變率為115.0 nT/a；③肇慶臺(tái)2008—2018 年地磁場(chǎng)Z分量從25 041.5 nT 增加到26 120.2 nT，10 年間增加1 078.7 nT，平均年變率為107.9 nT/a；④邵陽臺(tái)2008—2018 年地磁場(chǎng)Z分量從31 347.6 nT 增加到32 368.6 nT，10 年間增加1 021.0 nT，平均年變率為102.1 nT/a；⑤泉州臺(tái)2008—2018 年地磁場(chǎng)Z分量從27 222.3 nT 增加到28 105.1 nT，10 年間增加882.8 nT，平均年變率為88.3 nT/a。

由圖2(f)可知，華南地區(qū)地磁場(chǎng)垂直分量Z長期變化具有隨時(shí)間和臺(tái)站緯度增加呈逐年緩慢增加趨勢(shì)，且5 個(gè)地磁臺(tái)2008—2018 年Z分量的變化均呈單調(diào)上升趨勢(shì)，變化量在882.8 —1154.3 nT。

2.7 東向分量Y

由圖2(g)可見：①瓊中臺(tái)2008—2018 年地磁場(chǎng)東向分量Y從-921.1 nT 減少到-1 247.3 nT，10 年間減少326.2 nT，平均年變率為32.6 nT/a；②邕寧臺(tái)2008—2018 年地磁場(chǎng)Y分量從-1 106.9 nT 減少到-1 419.8 nT，10 年間減少312.9 nT，平均年變率為31.3 nT/a；③肇慶臺(tái)2008—2018 年地磁場(chǎng)Y分量從-1 370.1 nT 減少到-1 762.0nT，10 年間減少391.9 nT，平均年變率為39.2 nT/a；④邵陽臺(tái)2008—2018 年地磁場(chǎng)Y分量從-1 705.3 nT 減少到-2 063.6 nT，10 年間減少358.3 nT，平均年變率為35.8 nT/a；⑤泉州臺(tái)2008—2018 年地磁場(chǎng)Y分量從-2 146.7 nT 減少到-2 621.3 nT，10 年間減少474.6 nT，平均年變率為47.5 nT/a。

由圖2(g)可知，華南地區(qū)地磁場(chǎng)東向分量Y長期變化具有隨時(shí)間和臺(tái)站經(jīng)度增加呈逐年緩慢減小趨勢(shì)，且5 個(gè)地磁臺(tái)2008—2018 年地磁場(chǎng)Y分量的變化形態(tài)一致，均呈單調(diào)下降趨勢(shì)，而且變化量在312.9 —474.6 nT。

3年變率變化分析

年變率是2 個(gè)相鄰年度的年均值差值，即

式中，A為年均值，Y為差值，a1、a2為觀測(cè)年度，且a2=a1-1。

據(jù)式（1），選取華南地區(qū)2007—2019年地磁觀測(cè)數(shù)據(jù)年均值，計(jì)算2008—2018年D、I、F、H、Z、X、Y七要素年變率，結(jié)果見圖3。由圖3 可見：①各地磁臺(tái)磁偏角D年變率在2008—2012 年變化平緩，變化量在2 (′)/a—4 (′)/a，2013—2018 年緩慢上升，變化量在2 (′)/a—5 (′)/a；②各地磁臺(tái)東向分量Y年變率在2008—2012 年變化平緩，變化量在20 nT/a—40 nT/a，2013—2018 年緩慢上升，變化量在20 nT/a—50 nT/a；③各地磁臺(tái)磁傾角I年變率在2008—2013 年緩慢上升，變化量在3 (′)/a—10 (′)/a，2014—2018年緩慢下降，變化量在10 (′)/a—2 (′)/a；④各地磁臺(tái)垂直分量Z年變率在2008—2013年緩慢上升，變化量在60 nT/a—130 nT/a，2014—2018 年緩慢下降，變化量在130 nT/a—60 nT/a；⑤各地磁臺(tái)水平分量H與北向分量X的年變率變化趨勢(shì)基本一致，10 年間年變率變化量在0.1 nT/a—40 nT/a，其中2008—2009 年變化平緩，2009—2011 年逐年上升，2011—2012 年變化平緩，2012—2013 年緩慢下降，2013—2014 年變化平緩，2014—2015 年出現(xiàn)上升，2015—2016 年呈下降變化，2016—2017 年變化平緩，2017—2018年呈上升變化；⑥各地磁臺(tái)總強(qiáng)度F年變率在2008—2018 年表現(xiàn)為曲折上升趨勢(shì)，變化量約20 nT/a—70 nT/a。

圖3 華南地區(qū)5 個(gè)國家基準(zhǔn)地磁臺(tái)地磁場(chǎng)2008—2018 年七要素年變率(a) 磁偏角D；(b)磁傾角I；(c)總強(qiáng)度F；(d) 水平分量H；(e) 北向分量X；(f) 東向分量Y；(g)垂直分量ZFig.3 Annual variation rate of seven elements of the geomagnetic field at five national geomagnetic observatories in South China from 2008 to 2018

4 結(jié)論與討論

經(jīng)“十五”數(shù)字化改造，國家基準(zhǔn)地磁臺(tái)觀測(cè)數(shù)據(jù)連續(xù)性和數(shù)據(jù)質(zhì)量得到提高。對(duì)邵陽、邕寧、肇慶、瓊中、泉州等國家基準(zhǔn)地磁臺(tái)地磁場(chǎng)七要素進(jìn)行長期變化分析，發(fā)現(xiàn)變化趨勢(shì)基本一致，側(cè)面說明地磁觀測(cè)臺(tái)工作狀態(tài)良好，儀器運(yùn)行穩(wěn)定，觀測(cè)數(shù)據(jù)連續(xù)可靠。

邵陽、邕寧、肇慶、瓊中、泉州均位于我國華南地區(qū)，地磁場(chǎng)七要素在10 年內(nèi)具有緩慢而明顯的逐年變化，總體特征表現(xiàn)為：①磁偏角D均偏西，其長期變化具有隨時(shí)間變化和臺(tái)站經(jīng)度增加呈逐年緩慢偏西增大趨勢(shì)，也就是說，磁偏角D向東在逐年增大；②磁傾角I逐年增大，與國際參考地磁場(chǎng)長期變化模型IGRF-SV 的地磁場(chǎng)長期變化相吻合；③F、X、H、Z分量逐年緩慢上升，磁場(chǎng)強(qiáng)度逐年增加；Y分量為負(fù)，呈逐年下降趨勢(shì)，亦說明磁場(chǎng)強(qiáng)度在反方向逐年遞增，且5 個(gè)臺(tái)站變化趨勢(shì)基本一致。

非偶極子磁場(chǎng)磁場(chǎng)強(qiáng)度在逐年增加，但變化尺度并不均勻。從華南地區(qū)5 個(gè)地磁臺(tái)年變率變化可知，10 年尺度的F、H、Z、X、Y分量年變率約0.1 nT/a—130 nT/a，其中Z分量年變率高達(dá)130 nT/a，D分量年約2 (′)/a—5 (′)/a，I分量約2 (′)/a—10 (′)/a。

20 世紀(jì)初，地磁北極尚在加拿大北部海岸附近，2001 年已移動(dòng)至北冰洋中部，并快速向俄羅斯西伯利亞移動(dòng)，每年位移距離約30—50 km，速度比100 年前約提高3 倍，大眾開始擔(dān)心磁偏角導(dǎo)航的準(zhǔn)確性。對(duì)華南地區(qū)5 個(gè)地磁臺(tái)地磁觀測(cè)數(shù)據(jù)分析可知，該區(qū)磁偏角D在逐年緩慢增大，但年變率僅2 (′)/a—5 (′)/a，未發(fā)生劇烈改變。據(jù)此認(rèn)為，地磁北極的移動(dòng)速度將對(duì)北冰洋等高緯度地區(qū)的導(dǎo)航準(zhǔn)確性產(chǎn)生影響，對(duì)我國華南地區(qū)影響不大。

中國科學(xué)院空間中心“子午工程”項(xiàng)目提供部分地磁觀測(cè)數(shù)據(jù)，在此表示感謝。