论文专区▏不同方式地磁观测数据对磁测精度的影响分析
一、引言
地磁场是随时间变化的，其中的日变和瞬时变等成分主要受外界场源变化的影响。当进行高精度磁力测量时，必须要用定点的地磁观测记录来消除地磁日变的影响[1-2]。因而，地磁日变校正是海洋磁测过程中的一个重要环节，直接关系到海洋磁测成果的精度。《海洋地质地球物理调查规范》（下文简称《规范》）规定了磁测资料的整理方法，其中“地磁日变校正”和“船磁影响校正”都直接和地磁日变观测数据有关[3]，校正效果取决于准确可靠的日变观测数据。《规范》中还指出“地磁日变观测站的有效控制半径为300～500km”[3]。在远海区开展海洋磁力测量工作中，通常在测区或者临近海域采用布设海底日变观测潜标的技术方法[4]，以此获得地磁日变的观测数据，从而提高远海区磁测成果的精度[5-6]。虽然该方法在一定程度上解决了远海区磁测中地磁日变校正的技术需要，但也暴露出一些新的技术问题[7]。长期的海洋磁测工作实践使笔者一直在思考着几个问题：①《规范》中涉及到的“有效控制半径为300～500km”是否合理？②采用深水海域的海底地磁日变观测站数据做日变校正时，海洋磁测成果精度不如采用浅水的数据，其成因是什么？③针对深海海域海底地磁日变观测潜标如何设计更为合理？
为了解答上述问题，笔者利用广州海洋地质调查局的“海洋四号”船于2015年9月在南海西南次海盆执行调查任务期间，在越南国大叻地磁台相近纬度的海域布放了一个4000m的超长深海地磁场观测潜标。同时，在距离布放点约9km的海域，做了一次SeaSPY海洋磁力仪的测量。本文将重点介绍通过此次在西南次海盆中的超长潜标获得的不同水深的地磁日变观测数据以及水面磁力测量数据、并收集的我国海南省琼中和越南国大叻地磁台的同步观测数据，进行系统的整理和分析，讨论不同方法地磁观测数据对海洋磁测精度的影响程度。
二、潜标试验情况和数据分析
参与潜标试验的设备主要为SENTINEL地磁日变观测仪和SeaSPY海洋磁力仪，均由加拿大Marine Magnetics公司生产。整个地磁场观测潜标的主要构成[8-9]由4000米长的尼龙绳、2台声学释放器、5台SENTINEL观测仪、9个正浮力玻璃浮球和1个重达1吨的混凝土水泥块重锚等组成。从潜标最上端开始往下依次每间隔1000m安装一个SENTINEL观测仪，根据绳子的长度可确定5台观测仪的工作深度分别为：#1:350m、#2:1350m、#3:2350m、#4:3350m、#5:4350m。玻璃浮球按均匀分布方式分别挂在尼龙绳上。根据技术需要，潜标布放点选在与越南国大叻地磁台相近纬度的南海南部海域[10]，该点水深4366m。陆地地磁台、潜标布放点和SeaSPY磁力仪试验区的地理位置见图1。
图1 试验区、日变观测站和地磁台的位置图
该潜标布放35h之后成功回收，经检查，#1仪器下水后无数据记录，#3仪器仅在潜标下沉过程中有数据记录，#4仪器在潜标到底后只有约1h的记录，#2、#5仪器则全程记录到了观测数据。3台有记录的SENTINEL的观测曲线见图2。根据#2、#5以及#4仪器的少量观测数据，在12:20时刻取1min的平均地磁总场值和观测仪相应的沉放深度，作出的地磁总场值和水深的关系曲线见图3。
图2 几台SENTINEL观测曲线
图3 测点地磁场总场和水深的关系曲
三、数据整理对比
为了研究由不同水深、不同距离的地磁台站的观测数据作为日变观测资料对成果精度的影响程度，在海洋磁测资料在处理过程中，我们收集了我国海南省琼中台、越南国大叻台的同步观测数据，以及潜标#2、#5仪器的观测数据，合计4套不同的日变观测数据分别对SeaSPY磁力仪在试验区采集的资料采用同样的方法进行整理。资料整理和校正的方法依据《规范》的要求进行，依次进行电缆长度、地磁正常场、地磁日变和船磁影响等校正[11]，最终计算出地磁异常值ΔT[3]和测量准确度ε[3]：
公式⑴中，ΔT为地磁异常值；T为地磁场总磁场测量值；Td为地磁日变偏差值；Ts为船磁影响偏差值；T0为地磁正常场值，单位均为nT。公式⑵中，δi=ΔT主测线－ΔT联络测线，单位为nT；n为总检查交点数目。
⒈ 地磁日变观测数据对比
图4展示了四台设备的地磁场总场强度观测数据的相对记录曲线（未进行地方时归化，它们的基值分别取统计数据起始一分钟的平均值）。从图中可得知：⑴在整个观测期间，地磁场变化幅度很大。尤其是3:00～9:00期间，地磁场相对记录的正负的变化幅度为170nT,属于中烈磁暴等级记录。4套设备记录的地磁场变化曲线是有区别的。从整体形态上可看出，#5仪器与其它3套设备的记录差异比较大，而其它3套设备的记录相对比较接近。⑵#2仪器与越南国大叻台的观测数据相似。在地磁场变化较小的区间，两条曲线形态比较相近；只是在地磁场变化较大的区间有一定的差别；而#5仪器与大叻台的观测数据相比，其曲线的形态、相位和幅度均有较大的差异。⑶在整个同步观测记录中，#5仪器的曲线相对平滑，峰值和谷值明显受到了压制，这说明了该点测量值中除了高频成分被过滤之外，还叠加了一个明显的感应地磁场。感应地磁场是由外界变化地磁场影响了4000多米的海水介质与地壳地磁场之后所产生的。⑷从图4中分析35h内四套设备的地磁场观测曲线，在UTC时间的9月10日23时到9月11日8时之间，位于北部的海南琼中地磁台的地磁观测曲线与南部三套设备的观测曲线有明显的差异，说明该时刻与磁力仪试验区相距约880km的北部区域存在着一个局部磁扰的影响。
图4 ΔF数据对比图
⒉ 船磁影响校正对比
在深海地磁日变观测潜标进行观测期间，UTC时间9月10日的12:20～18:45时间段，我们用另一套SeaSPY海洋磁力仪在海洋四号船上进行了船磁方位的测量（试验的位置见图1）。从图2的日变观测曲线可知，该时间段属于日变平静时段。用4套日变校正数据对常规八方位船磁测量值分别进行日变校正后，获得了4条船磁方位校正曲线，并取方位0°方向平均值作为零线，作出的曲线见图5。
图5 船磁影响校正曲线对比图
从图5中可得知：⑴#2仪器、大叻台和琼中台3个台站的日变数据获得的船磁校正曲线和传统船磁模型较为符合，即正南方向（180°）有个最大值，正北方向（0°或者360°）次之，东西方向最小；此次船磁校正曲线与高金耀[12]、任来平[13]等推导的船磁模型基本一致。⑵从船磁影响校正曲线的对称性上来分析，用#2仪器和大叻台数据校正后的船磁测量校正曲线的对称性最好，海南琼中台的次之，#5仪器获得的曲线最差。由此可以看出：①把#2仪器、大叻台和琼中台观测到的日变观测数据用于船磁影响校正获得了比较好的校正曲线；②把#5仪器的用于船磁影响校正出现了曲线不对称性现象；③用琼中台的数据做改正的效果要比#2仪器和大叻台的要差一些。
⒊ 测量精确度对比
本次磁力仪试验过程中，共获得了55个交点。按照《规范》的技术要求，分别用4套设备的观测资料对SeaSPY试验的数据进行地磁日变校正之后，最终计算出测量准确度ε[3]，结果（未进行综合调差）见表1。
表1 数据整理后测量准确度对比表
台站名称 | 投放水深 （米） | 相对磁力仪试验区距离（千米） | 准确度ε (nT) | 最大交点差 (nT) |
#2仪器 | 1350 | 9.1 | ±1.672 | -4.965 |
#5仪器 | 4350 | 9.1 | ±3.801 | -18.673 |
DLT台 | - | 634.8 | ±1.789 | -6.154 |
琼中台 | - | 880.6 | ±2.007 | -8.396 |
根据表1的计算结果可知，用不同地磁台站的日变观测数据对试验数据进行整理后，得出准确度最高的为#2仪器，依次为越南DLT地磁台、琼中地磁台和#5仪器。由此可见，深水海域获得的地磁日变观测数据用于地磁日变校正的处理精度远不如使用陆地地磁台的观测数据。
四、讨论和结果
通过用不同方法地磁日变观测台站的观测数据，采用同样的方法分别对同一个海区的磁测数据进行整理和分析后，得出以下几点结论。
⑴在深海区同一位置上，靠近海底的地磁场总场要比远距海底的大一些，在水体中总场强度呈非线性的衰减。当外界磁场变化剧烈时，深水的地磁场记录曲线的形态、相位和幅度与浅水的或者陆域地磁台记录曲线对比出现很大的差异，这是深水海域的地磁场记录中叠加了一个较强的感应地磁场的影响，而在相对平静时间，这个感应地磁场影响会小一些。
⑵从使用不同水深的地磁日变观测记录处理海洋磁测资料的实际情况分析，不宜使用水深较大的海底地磁日变观测潜标的观测数据。从使用越南国大叻台和我国海南省琼中台的地磁观测资料用于海洋磁测处理的精度上来分析，提出“地磁日变观测站的有效控制距离” 或者是明确距离“300～500km”不太符合野外实际工作。通常，由于全球性和区域性的磁扰均会被固定和流动的地磁观测设备所记录，而局部性磁扰由于其影响范围、时间尺度均较小，容易漏测，因此建议把海底地磁日变观测站布设在测区附近。
⑶地磁日变观测数据选取会直接影响到船磁校正曲线在不同方位的对称性。选取合适的日变观测数据，会提高船磁校正曲线对称性；此外，船磁校正曲线是否对称也是检验所选取地磁日变观测数据是否合理的依据之一。
⑷从本文的西南海盆中的地磁观测和海洋磁测试验结果表明，选用1350m深度的地磁日变观测记录对海洋磁测精度的影响不大；在深海海域中开展磁测时，设计和布放潜标过程中不宜沉放到太深的海底，尽量将观测设备放到与海面的距离小、受波浪和海流影响较小的水体中。
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【作者简介】第一作者廖开训，1971出生，男，广东梅县人，工程师，主要从事海洋重力、海洋磁力的数据采集、设备维护和技术方法研究；本文为基金项目，包括国家重大科学仪器开发专项项目（2014YQ100817）和国家自然科学基金重点项目（91028007）；本文来自《海洋测绘》（2017年第5期），若其他公众平台转载，请备注论文作者，并说明文章来源，版权归《海洋测绘》所有。
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