佘山地震监测中心站地磁观测百余年资料的跟踪分析.pdf
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1、SEISMOLOGICAL AND GEOMAGNETICOBSERVATION AND RESEARCH第 44 卷 第 2 期2023 年 4 月Vol.44 No.2Apr.2023地 震 地 磁 观 测 与 研 究doi:10.3969/j.issn.1003-3246.2023.02.012第一作者简介:倪友忠,男,高级工程师,主要从事形变、地磁、应变、流体观测等研究工作。E-mail:基金项目:上海佘山地球物理国家野外科学观测研究站重点课题(项目编号:SSKP202101)本文收到日期:2022-07-21佘山地震监测中心站地磁观测 百余年资料的跟踪分析倪友忠 朱佳苗 任 烨 朱培
2、育 方 韬 朱国豪 钟卫星 叶 青(中国上海 201602 佘山地震监测中心站)摘要 选用佘山地震监测中心站 18742005 年地磁七要素 D、H、Z、X、Y、F、I 年均值数据,利用一阶差分方法,计算各地磁要素差分值 D、H、Z、X、Y、F、I,并绘制差分值趋势变化图,统计地磁七要素年均值数据在百余年观测历程中异常台阶出现的年份、变化方向及幅值大小;同时,利用地磁环境变化定量模型,计算地磁异常场模量 T,统计分析佘山台百余年来地磁观测的场地环境指标。研究得出以下结论:磁偏角 D 在长趋势变化中出现 2 次较为明显的台阶下降变化,其中 19081910 年变化-42.47,1965 年变化-
3、41.76,其他时段变化较平稳。磁倾角 I 在 18931895 年呈向下变化,变化量-45.62,其在 1991 年呈反向向上变化,变化量 44.61。佘山地区磁场总强度 F、水平强度 H、垂直强度 Z 具有明显的周期性变化特征,应与太阳活动周期效应有关。F、H、Z 的长期变化趋势较为相同,在 18841887 年均存在一个大幅度台阶,变化幅度均在 600 nT 以上。在地磁环境变化定量计算与分析中,发现 1908 年、1933 年 T 100 nT,显示明显受到观测环境的较大影响。查找史料发现,应为 1908年上海徐家汇有轨电车建设运营和 1933 年沪宁铁路建设台站迁移至佘山,观测环境不
4、稳定所致。关键词 地磁;地球基本磁场;年变率;七要素0 引言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)。IGR
5、F 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。林地震地磁观测与研究44 卷 94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 7
6、0 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
7、,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 T,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: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;陆家
8、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;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。图 1 佘山台地理位置示意图Fig.1 Location map of She
9、shan station南翔镇上海市区白鹤港青浦县松江区佘山地震台天马镇朱家角镇吴松江0 3 6 km95第 2 期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
10、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。表 1 墩差换算表Table 1 Conversion table of pier difference年份站点墩差磁偏角 D/()水平分量 H/nT垂直分量 Z/nT磁场总强度 F/nT19332005佘山地磁台000018741907徐家汇观象台-11.85-6.387.657.919081932陆家浜验磁台10.75-123.013.0-77.0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
11、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 ),2,1,0()()1(=+=xxyxyyx(1)yx称为函数 y(x)在点 x 的一阶差分,通常记作 ),2,1,0(1=+xyyyxxx(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 D、H、Z、X、Y、F、I,结果见表 2。限于篇幅,表 2 中计算结果截止时间设为 1936 年。表 2 佘山台地磁观
12、测七要素数据历年的差分值计算结果(18771936 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)序号时间佘山台地磁场七要素一阶差分计算结果D/()H/nTZ/nTX/nTY/nTF/nTI/()118771886 年-0.08-0.2780.1258.0457.97-2.855.351.31-0.5978.7860.2960.6910.
13、1351.33-0.932.164.6-17.95-18.25-8.0723.56-1.140.9840.4218.3717.99-11.3138.37-1.11.1925.736.175.79-10.529.71-1.22.0857.3819.218.79-11.9261.01-0.93-0.5463.6649.2748.92-10.540.97-2.440.25916.2630.36629.08-46.3664.89-1.07-1.3634.3237.3536.94-11.6211.79-1.62-0.93.811.6311.04-15.94-5.87倪友忠等:佘山地震监测中心站地磁观测百
14、余年资料的跟踪分析地震地磁观测与研究44 卷 96序号时间佘山台地磁场七要素一阶差分计算结果D/()H/nTZ/nTX/nTY/nTF/nTI/()218871896 年-0.26-0.67-935-639.66-639.2921.83-682.01-0.06-2.155.6359.1259.05-2.8120.42-0.641.1855.0226.4426.19-7.0350.85-0.67-2.1171.570.2569.96-931.72-0.71-4.6329.3565.9265.61-9.24-22.57-1.42-6.63-101.06-5.03-5.54-13.22-135.44
15、-1.32-42.2290.6184.6484.08-15.8144.23-0.9541.0454.5427.7327.35-10.149.040.94-45.6216.7466.8367.136.28-41.33-2.5-2.41-38.68-3.32-4.26-23.61-50.65318971906 年-0.390.37181.73122.91122.66-8.66133.96-0.55-4.33-90.52-20.54-20.73-4.41-106.22-1.27-1.1251.5246.9846.44-14.0226.17-1.9-2.0918.5933.4632.69-19.51-
16、6.62-2.68-3.96-6.0434.5833.48-27.05-42.15-0.35-1.543.7645.2945.11-5.2516.93-2.06-1.298.1818.3517.49-20.51-6.49-0.9-0.4233.9427.8527.46-9.8220.23-2.15-1.2316.5423.6822.76-21.65-0.02-1.73-1.7420.7631.5930.83-17.99-1.88419071916 年-1.541.2840.515.7615.08-15.4941.26-23.59-1.25175.55135.17124.09-233.53113
17、.33-2.43-0.5442.4434.9433.67-25.2525.19-42.47-0.497.7810.329.05-24.390.78-1.46-0.444.677.616.85-14.5-0.93-1.04-1.21-38.94-15.38-15.89-9.22-39.45-2.61-0.076.25.083.7-25.463.69-2.33-0.98-23.33-6.66-7.88-22.13-26.15-3.640.48-13.72-14.36-16.29-34.32-5.13-2.83-0.24-20.19-11.83-13.36-26.62-16.67519171926
18、年-1.76-0.35-5.58-0.4-1.37-16.95-7.43-1-0.489.511.2910.71-10.292.23-1.28-0.12-36.31-24.2-24.87-10.94-27.13-1.31-0.24-20.44-11.99-12.71-11.92-16.88-2.64-0.1516.9813.411.87-26.2310.65-1.12-0.0621.9215.9515.28-11.7515.05-0.8-1.17-15.750.480.02-7.74-22.55-2.56-0.26-6.44-2.01-3.5-24.56-7.06-2.07-0.81-73.3
19、2-43.41-44.54-17.3-60.14-2.10.568.4443.0341.7-22.8753.68619271936 年-1.38-1.5965.2961.4760.52-17.1331.11-1.27-2.28-76.8-31.59-32.29-10.29-76.68-0.550.5759.7336.4136-7.5947.980.05-0.13-12.45-7.47-7.420.95-10.120.48-2.0833.4843.9344.131.893.70.411.0932.6712.2612.493.233.810.137.09-11.8-78.03-71.9102.64
20、60.210.12-0.4913.2414.1114.150.314.70.350.5325.6412.7112.892.6323.46-0.070.3621.4911.4911.43-1.3618.84均值-2.358 50.138 2 16.125 39.726 58.890 6-13.845 312.999 43 佘山台地磁 D、I、F、H、Z 一阶差分年变化趋势分析基于表2所给出的数据,绘制佘山台18742005年磁偏角D、磁倾角I、磁场总强度F、续表 297第 2 期水平强度 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
21、时间、变化形态及幅值,结果见表 3。磁偏角长期变化磁偏角差分值年份年份188019001920194019601980200018801900192019401960198020001933年1965年1908年、1910年200-20-40-60-200-300-400-500-600D/D/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磁倾角长期趋势变化年份年份188019001920194
22、019601980200018801900192019401960198020001933年1991年18931895年4650460045504500500-50I/I/磁倾角差分值图 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 geomagneticinclination(I)at Sheshan station倪友忠等:佘山地震监测中心站地磁观测百余年资料的跟踪分析地震地磁观测与研究44 卷 98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-t
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