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地核磁场模型

时间:2022-01-26 理论教育 版权反馈
【摘要】:与磁法勘探有密切关系的磁场模型是地核磁场(主磁场)模型和岩石圈磁场模型。后者也称为地壳磁场模型,它可以直接用来研究地质构造和资源勘查问题。地球的内源磁场随时间缓慢变化,因此IGRF要不断更新,与时俱进尽可能准确,规定每5年修改一次。US/UK世界地磁场模型WMM2010.0主磁场磁偏角D、磁倾角I及总场强度F等值线见图14图15及图16。
地核磁场模型_重磁与时间域电磁

1.2 地核磁场模型

地球的磁场是由各种不同源的磁场组成的,因而有表示不同成分磁场的模型。除了电离层和磁层电流系的模型外,地磁场模型的类型可分为:主磁场模型、岩石圈磁场模型、岩石圈磁场网格数据(或图件)、综合模型(同时顾及地磁场随时间随空间的变化)及联合模型(主磁场加岩石圈磁场)。与以上分类对应,几个最新的重要模型是:WMM2010,IGRF11;NGDC720,MF1MF7;CM4;EMM2010,POMME6;EMAG2,WDMAM[4]

与磁法勘探有密切关系的磁场模型是地核磁场(主磁场)模型和岩石圈磁场模型。后者也称为地壳磁场模型,它可以直接用来研究地质构造和资源勘查问题。主磁场模型广泛应用于导航和定位,作为GPS的辅助手段,也是构建电离层和磁层磁场模型的基本数据。在磁法勘探工作中,则作为定义磁异常的基准,用于分离磁异常和编图工作中。

地球的圈层基本上是按弹性波特点来划分的,地壳是最上面的一层,与下伏的地幔以莫霍(Moho)面隔开,岩石圈比地壳厚,它包括地壳和地幔最上层。这些定义对于地磁学来说,就嫌不够了。磁性层的厚度是由地下铁磁性(亚铁磁性)矿物居里温度的深度确定的。1979年,美国NASA有学者提出:“莫霍面是一个磁性界面(The Moho is a magnetic boundary)”。实际上,有的地方居里点深度在莫霍面之上,有的地方居里点深度在莫霍面之下。1992年上面提到的学者就修正了他们的提法。大家知道,磁场的短波长成分随高度急剧衰减,我们在近地表观测到的是浅部的小规模磁性源磁场,而在近地轨道卫星上观测到的是深部大规模磁性源磁场。因此,当涉及飞机飞行高度测量的磁场时,我们可以使用地壳磁场这个名词,而在涉及卫星观测结果或作一般讨论时应该采用岩石圈磁场这个名词。

现在广泛使用的有两种主磁场模型,世界磁场模型(World Magnetic Model,WMM)和国际地磁参考场(International Geomagnetic Reference Field,IGRF)。

1.2.1 国际地磁参考场IGRF

科技界倾向于采用IGRF,IGRF是在国际地磁学与大气物理学协会(IAGA)领导下各国众多科学家合作的成果。地球的内源磁场随时间缓慢变化,因此IGRF要不断更新,与时俱进尽可能准确,规定每5年修改一次。每一代模型包括一系列模型(隔5年一个),每个模型标明为确定的或非确定的,一旦一个组成模型标明为确定的,就称为确定的地磁参考场DGRF(Definitive Geomagnetic Reference Field,DGRF),在随后的各代IGRF中,DGRF不再修改。非确定的组成模型称为IGRF模型。只是1945年以后才制作DGRF。

IAGA于2009年12月公布了第11代IGRF(IGRF11)。IGRF的阶次和精度随着磁测精度的提高而提高,从1971年公布IGRF1,到2009年公布IGRF11,共计11代IGRF,覆盖的年代越来越长。IGRF11模型给出主磁场从1900.0到2010.0间隔5年的高斯系数,球谐展开最高的阶数N,在1995年及以前,N=10,在1995年以后,由于ōrsted和CHAMP卫星提供了精确的数据,则取N=13。

IGRF的重要特点是往后回溯,进行调整,可以提供比以往年代更精确的确定模型DGRF。其更注意在实际工作中的应用,在磁测工作中规定采用IGRF作正常场改正,这样就不必作水平梯度改正,也便于拼图、编图。对于不同年代所做的工作,也可统一,例如,如果一项磁测工作是在1983年完成的,作图时减去当时采用的IGRF3。如果要升级,则要先加上IGRF3,即减掉什么就加上什么,然后再减去IGRF11,其中包括所需用的当年的DGRF模型。IGRF11以及过去各个版本的IGRF见[5]及所附文献。表11列出了各代IGRF、适用年限、DGRF及相关文献汇总。表中的参考文献可从[5]查得。这篇文章还列出了IGRF11的施密特半归一化球谐系数,对于IGRF和DGRF,列出了主磁场n=1~13系数,单位为纳特。为了预测长期变化,还列出了n=1~8的变化系数,单位为nT/a。

IGRF2010.0新模型2010年地表磁偏角D、磁倾角I及总场强度等值线图,见图11、图12及图13。

表1-1 各代IGRF、适用年限、DGRF及相关文献汇总

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1.2.2 世界磁场模型WMM

WMM是美国国防部、英国国防部、北大西洋公约组织和国际海道测量组织(International Hydrographic Organization,IHO)使用的标准模型(图14~图16)。目前使用的模型WMM2010是2009年12月公布的,2014年12月31日到期,由于主磁场的长期变化,每5年更新一次,球谐展开截止阶次N=12。WMM由美国国家海洋与大气局地球物理数据中心(NOAA National Geophysical Data Center,NNGDC)和英国地质调查所(British Geological Survey)研制[6]。US/UK世界地磁场模型WMM2010.0主磁场磁偏角D、磁倾角I及总场强度F等值线见图14图15及图16。

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图1-1 IGRF2010.0新模型2010年地表磁偏角D[单位(°)][5]

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图1-2 IGRF2010.0新模型2010年地表磁倾角I[单位(°)][5]

IGRF模型与WMM基本上根据同样的数据组,以及同样的地磁场建模算法构制的,虽然展开的阶次略有差别,两者有同样的优点与局限性。

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图1-3 IGRF2010.0新模型2010年地表总场强度(单位:nT)图[5]

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图1-4 US/UK世界地磁场模型WMM2010.0主磁场磁偏角D[单位(°)][6]

(等值线间距2°,红线为正(偏东),蓝线为负(偏西),绿线是零线(零磁偏线))

1.2.3 综合模型CM4

综合模型是同时顾及地磁场随时间随空间的变化的模型。CHAMP发射后,由美国宇航局戈达德空间飞行中心(NASA/GSFC)和丹麦空间研究院的三位科学家提出综合模型(Fourth Version of the Comprehensive Model,CM4),这个模型根据POGO、MAGSAT、Orsted和CHAMP卫星数据以及地磁台数据制成,覆盖1960~2000.5年,球谐展开到65阶、次,长期变化计算到13阶、次。建立CM4的目的是模拟不同源的时变场以克服将磁场的空间变化和时间变化分离开来考虑的问题。新版WDMAM将采用CM4。美国最近在编制全国磁异常图时,采用CM4将不同年代完成的航磁测区统一起来,Nabighian[7~9]等认为,将来在汇编航磁图时,国际地磁参考场IGRF很可能要被CM4取代。

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图1-5 US/UK世界地磁场模型WMM2010.0主磁场磁倾角I[单位(°)][6]

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图1-6 US/UK世界地磁场模型WMM2010.0主磁场总场强度F(单位:nT)[6]

1.2.4 其他模型

国际地磁参考场IGRF是由许多候选模型经过评估后形成的,只表示内源地磁场的长波长部分。这些候选模型一般是从内容更广泛的模型中选出的,它们包括内源场的高阶数成分、长期变化的二阶导数、外源磁场的简单参数化表示。这些候选模型是发射磁测卫星国家的科学家团队提出的,如POMME模型(波茨坦地球磁模型的缩写,POtsdam Magnetic Model of the Earth)、CHAOS模型(基于三颗磁测卫星成果构建的模型,CHAMP,Orsted and SACC)、GRIMM模型(GFZ内源参考磁模型的缩写,GFZ Reference Internal Magnetic Model)。这些比较成熟的模型,广泛应用于地磁学的研究工作中,研究地核的动力学[10]

我们仅简单介绍与地球物理勘探有关系的POMME模型。POMME模型可以计算地球的地核场、岩石圈磁场、磁层磁场以及感应磁场。它有一个系列,从POMME1到POMME6,先后问世。2007年6月发布的POMME4是一个联合模型,由CHAMP卫星的MF5模型和NGDC720模型组成,球谐展开截止阶数N=720。POMME4还有几个型号,其中POMME4.2s是取MF5的球谐系数到100阶,取NGDC720的球谐系数到720阶组成的(见http://www.geomag.us/models/pomme4.html)。康国发等利用POMME4.2s计算中国及邻区400km高度的卫星磁异常,他们发现在球谐模型为90阶时,磁异常分布的基本形态已经确定,更高的模型阶数对磁异常只有微小调整。作者觉得,这个现象值得进一步研究[11]

2009年10月发布的POMME6也是一个联合模型,由CHAMP卫星的MF6模型和NGDC720模型组成。对于Pomme6而言,全部可利用的CHAMP数据(从2000年6月到2009年7月)都用上了。POMME6也有几个型号,其中POMME6.2是取MF6的球谐系数到130阶,取NGDC720的球谐系数到740阶组成的(见http://geomag.org/models/pomme6.html)。

增强型地磁场模型(Enhanced Magnetic Model,EMM)根据卫星、海上和航空以及地面磁测的数据建成,相对WMM而言(N=12),EMM扩展到N=720,是一种联合模型,包括地核场和岩石圈磁场。2009年公布的EMM2010有几个型号,其中稳态内源场模型EMM720_V3.0_static的球谐系数组成如下,阶数1~16取自POMME5.0;阶数17~120取自MF6;阶数121~740取自NGDC720_V3.0,表示2010—2015年期间的主磁场与岩石圈磁场(见http://ngdc.noaa.gov/geomag/EMM/index.html)。

NGDC720模型是美国国家地球物理数据中心研制的,它可提供地球表面或上空任意位置上,岩石圈磁场的矢量信息。预期用于岩石圈地质和大地构造研究。NGDC720利用卫星、海上和航空磁测、地面磁测的数据,组合成一个共同的网格数据EMAG2。由椭球谐和展开,阶数16~719,对应的波段为2 500~56km。角波长约30弧分,相当于15弧分的模型分辨力。由于磁场的长波长成分利用卫星磁测结果确定比较可靠,波长比330km长的部分,由CHAMP磁场模型MF6代替,详见:http://www.geomag.us/models/ngdc720.html。王慧琳根据国际上公布的CHAMP、NGDC720与WDMAM的一个候选模型的数据,绘制了中国及毗邻地区的磁异常图,对中国及毗邻地区明显的大地构造,如造山带、盆地等地区的磁异常特征进行了描述和分析[12~13]。

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