地球磁场偶极子和非偶极子分量变化特征及其相关的地球深部过程

通过分析１９００年以来每５ａ地球磁场各阶球谐系数的相关系数发现,地球磁场偶极子分量的ρ值在１９０５-１９７０年基本保持不变,１９７０-１９８５年下降,１９８５-１９９５年又上升,呈Ｖ字型变化。而非偶极子分量的　值则具有周期性变化,在１９１５年、１９４５年和１９８０年出现峰值,在１９３５年和１９６５年则处于低谷,变化周期约为３０ａ。通过分析地球磁场非偶极子分量　值周期变化与日长周期变化的相关性,得出两点新的认识：１．非偶极子分量的周期性变化与核幔边界耦合过程相关,而偶极子分量的变化对应外核的深部过程;２．外核顶部流体具有周期性的变化,其变化周期与日长及非偶极子分量的变化周期一致。     

地球磁场偶极子和非偶极子分量变化特征及其相关的地球深部过程

通过分析１９００年以来每５ａ地球磁场各阶球谐系数的相关系数发现,地球磁场偶极子分量的ρ值在１９０５-１９７０年基本保持不变,１９７０-１９８５年下降,１９８５-１９９５年又上升,呈Ｖ字型变化。而非偶极子分量的　值则具有周期性变化,在１９１５年、１９４５年和１９８０年出现峰值,在１９３５年和１９６５年则处于低谷,变化周期约为３０ａ。通过分析地球磁场非偶极子分量　值周期变化与日长周期变化的相关性,得出两点新的认识：１．非偶极子分量的周期性变化与核幔边界耦合过程相关,而偶极子分量的变化对应外核的深部过程;２．外核顶部流体具有周期性的变化,其变化周期与日长及非偶极子分量的变化周期一致。     

地球磁场的全球变化特征

本文根据最新修正的第七代国际地磁参考场模型,计算了中心偶极矩,中心偶极位置参量;计算了偏心偶极位置及其参量,给出了近四人世纪中心偶极和偏心偶极的变化图象。发现了偏心偶极漂移速率在１９７０年代出现地磁“ｊｅｒｋ”,这些结果是很有科学价值的。     

1690年以来全球非偶极子磁场的变化特征

根据J Bloxham和A Jackson地磁场模型，计算和分析了1690-1990年期间非偶极子磁异常的变化特片。结构表明，1690年以来一直存在的变化磁异常有7个，在一定时期内出现的磁异常有3个，它们是1830年以后出现的北太平洋负磁异常、1850年以后出现的东南太平洋负磁异常和1690-1900年期间在南太平洋地区出现的负磁异常。各个磁异常的强度和中心位置随时间变化，变化趋势各不相同。与根据IGRF模型计算的20世纪的磁异常变化比较，除非洲负磁异常外，两种模型得出的其它磁异常在同一时段内的变化趋势基本一致。     

1900-2000年非偶极子磁场的全球变化

根据第７代ＩＧＲＦ模型,计算并绘制了１９００-２０００年（时间间隔为５ａ）非偶极子磁场的全球分布,计算和分析了各个磁异常中心位置和强度的变化,东亚正磁异常、大洋洲负磁异常、南大西洋正磁异常、非洲负磁异常和北美洲正磁异常是分布范围广、异常强度大的５个磁异常。南大西洋正磁异常是强度最大的磁异常。在２０世纪９０年代以前,东亚正磁异常的强度位居第２位,９０年代以后,非洲负磁异常的强度（绝对值）超过东亚正磁异常,成为第２大磁异常。磁异常强度增长最快的是非洲负磁异常、南大西洋正磁异常和大洋洲负磁异常。南大西洋正磁异常和非洲负磁异常是磁异常中心位置变化最快的两个磁异常。     

1900-2000年非偶极子磁场的全球变化

根据第７代ＩＧＲＦ模型,计算并绘制了１９００-２０００年（时间间隔为５ａ）非偶极子磁场的全球分布,计算和分析了各个磁异常中心位置和强度的变化,东亚正磁异常、大洋洲负磁异常、南大西洋正磁异常、非洲负磁异常和北美洲正磁异常是分布范围广、异常强度大的５个磁异常。南大西洋正磁异常是强度最大的磁异常。在２０世纪９０年代以前,东亚正磁异常的强度位居第２位,９０年代以后,非洲负磁异常的强度（绝对值）超过东亚正磁异常,成为第２大磁异常。磁异常强度增长最快的是非洲负磁异常、南大西洋正磁异常和大洋洲负磁异常。南大西洋正磁异常和非洲负磁异常是磁异常中心位置变化最快的两个磁异常。     

非偶极子磁场西向漂移的频散特征

根据第8代国际参考地磁场的资料,本文采用Briggs方法对1900～2000年期间m=1～10次谐波的磁位的全球平均西向漂移速度进行了计算和分析,得出了与Hide的理论预测完全不同的频散特征,即地磁场西向漂移呈现出负频散特征.本文还就Briggs方法得到的结果与采用Malin纬度剖面法的结果进行了比较和讨论,结果表明,正是由于非偶极子磁场的某些谐波分量及其漂移速度的全球分布存在着纬度依赖性,导致了两种方法计算出的个别谐波的漂移速度存在着较大的差异.     

二维异常体上地磁水平分量变化的一些特征

数值模拟计算显示二维异常体上H分量的周期性变化是不同步的,即在异常区内观测的Pi2脉动可能是非同时性的,本研究设计了一个二维模型,其H分量沿地表南北向可出现“以传播速度约为140km/s”的现象。     

东亚地区地磁非偶极场长期变化的分析

本文利用东亚及其邻近地区50个地磁台站1955—1977年地磁三要素（D、H、Z）的实测年平均值算出的非偶极场值X、Y、Z,选用“按距离加权最小二乘曲面拟合”方法,计算、绘制、分析了东亚地区地磁非偶极场及其长期变化的时空分布特征,并与国际参考场（IGRF）模式进行了粗略的对比。所得的主要结果是:1.1955.0—1965.0年代,东亚地区Z分量的增长速度在迅速减小;1965.0年代以后,Z值在逐年下降。2.从整体上看,东亚地区地磁非偶极场虽然形态与IGRF给出的结果基本吻合,但长期变化有明显差异。1965.0年代的IGRF长期变化模式与实测结果偏差甚大。为了使IGRF模式更好地拟合地磁长期变化处于转折时期的复杂地区的情况,看来时间间隔应更短些,例如5年为好,采用现在通用的方法是不适宜的。     

东亚地区地磁非偶极场长期变化的分析

本文利用东亚及其邻近地区50个地磁台站1955-1977年地磁三要素（D、H、Z）的实测年平均值算出的非偶极场值X、Y、Z,选用“按距离加权最小二乘曲面拟合”方法,计算、绘制、分析了东亚地区地磁非偶极场及其长期变化的时空分布特征,并与国际参考场（IGRF）模式进行了粗略的对比。所得的主要结果是:1.1955.0-1965.0年代,东亚地区Z分量的增长速度在迅速减小;1965.0年代以后,Z值在逐年下降。2.从整体上看,东亚地区地磁非偶极场虽然形态与IGRF给出的结果基本吻合,但长期变化有明显差异。1965.0年代的IGRF长期变化模式与实测结果偏差甚大。为了使IGRF模式更好地拟合地磁长期变化处于转折时期的复杂地区的情况,看来时间间隔应更短些,例如5年为好,采用现在通用的方法是不适宜的。     

基于10ka尺度的区域非偶极子磁场变化的研究

我们利用千年时间尺度的全球地磁模式CLAS10K.1b和CALS3K.4计算和分析了公元前10000年(10000 BC)至公元1900年(1900AD)中国大陆非偶极子(ND)磁场的时空变化,还考察了ND场和ND场Z分量的功率谱.以地磁ND场垂直分量Z为例,结果显示10000 BC—1900 AD期间,ND场有三个主要的变化期.10000 BC—2500 BC期间,正值区几乎占据了整个大陆;在2500 BC—1500 AD期间,正值区域变成负值区域.1500 AD—1900 AD,负向区域变为正值区域.东亚地区ND场的磁异常最早出现在1682 AD,其极值强度在研究期间总共增加了18128.73 nT,自1682年以来,极值位置一直向东南移动.ND场Z分量的平均年变率也可分为3个阶段,随时间共增加了56.45 nT/a.球谐阶数截断至N=3时东亚ND场磁异常区已基本形成,N>5时磁异常极值位置基本固定在44°N和103°E,强度随阶数增加而不断增强.功率谱表明,ND场的功率变化主要受Z分量功率的影响.     

中国大陆重力场非潮汐时空变化特征的初步分析

本文基于Tsoft软件在潮汐数据预处理中的应用,采用Tsoft数据预处理软件和别尔采夫滤波相结合方法,提取了覆盖中国大陆28个重力固体潮台站连续观测数据的非潮汐分量.对各台站2008～2011年的连续数据,进行了缺失数据补接、地震动事件提取和去除非线性漂移等预处理工作,并通过滤波提取固体潮非潮汐分量.结果表明:除在贵阳、勐腊和十堰3个原始数据质量较差的台站外,其它台站观测数据应用本文方法均取得良好的结果.在此基础上,对处理结果采用滑动平均,将非潮汐分量结果的月均值与GRACE卫星和CMAP降水记录的月采样数据进行对比,结果显示了地表降水同重力变化具有一定相关性特征.此外,基于Tsoft软件的分段曲线漂移拟合能有效去除原始数据中的漂移.     

中国境内各阶非偶极子磁场的时空变化

为了研究中国境内各阶非偶极子(ND)磁场,通过最新的地磁场模型CALS10K.1b计算了10000 BC—AD 1990年ND磁场在中国境内的时空及能量变化;2²,2³和2⁴极子磁场零值线主要呈现出从我国中北部向东南部移动,从北部向东部移动,以及从东南部向西北部移动的趋势;除了2⁶极子磁场,其余ND磁场在1500年以后均有“翘尾”现象,其所占主磁场的比值在10000 BC—AD 1500年呈震荡变化,从1500年开始快速上升;除了2²极子磁场,其它各阶ND磁场能量随时间变化的趋势基本一致. 在5650 BC年左右,各阶ND磁场能量值均出现高值并随阶数的增大而衰减,反映了在该时间点通过地核发电机产生的磁场能量随径向距离而近似线性衰减,地磁场能量主要源自地球液态外核. 将CALS10K.1b模型结果与IGRF11模型对比后,得出CALS10K.1b模型所计算的ND磁场及能量值较为可靠,而两者差异主要源于数据和建模方法的不同.     

地球主磁场空间功率谱的变化特征

根据第8代IGRF模型，计算分析了1900－2000年地球磁场和分量X，Y，Z的空间功率谱的变化特征。结果表明1900－2000年主磁场的空间功率谱呈减小趋势，由功率谱随谐波阶次n的变化关系得出的非偶极子场的等效磁源位于核幔边界附近，而且其位置随时间变化，用n=1,2两阶谐波的谱得到的等效磁源位于地球内核边缘，1900年以来离开地心一直向外增大。     

深俯冲和地幔底部P波速度的非球层变化

回顾了与深俯冲和地幔底部结构有关的层析成像的一些新近结果，成像显示出了一些地震波速高于下地幔平均值的狭长结构，它们和上地幔地震板相连续，其地理分布和过去120Ma中板块敛合区出露于地表的位置相关性很强，在大约2000km深处，这些长的线性结构分裂成更小的单元，然而，在一些地区，狭窄的下降体看起来好象是延伸到了地幔底部，在这些地方它们的分散开来形成长波长结构。这样就支持了认为深俯冲和下地幔的复杂结构有关系的预测，上升体似乎没有像下降体那样更普遍地存在，而且所使用的P波数据也成像较差，这些结果证实了很多过去基于残差球谐分析的结果，也和放射性衰减从内部加热而产生的全地幔对流假说一致。尽管有全幔的对流，但对流流动似乎在上地幔过渡带以及在大约1800－2300km深处的过渡带被强烈地扰动，虽然成像未必能反映出因状态变化而引起的深部对流形态的变化，但是P波和S波数据的联合反演表明它和纵波及横波波速之比的变化是一致的，弹性模具的这种表现在其他地方也有报道，这暗示了地幔底部附近广泛存在化学非均匀性，因此地幔底部约800km的区域包含了有助波于我们理解地球构造和演化的信息，不幸的是，我们不能采集到足够多的直达P波数据，但如果使用核震相，则数据覆盖能够得到改善，我们初步的研究认为，虽然本文提出的P波模型解释了大量的已被用于研究核幔边界上部非均匀性的PKP波走时残差，但是却低做了它们的幅度，走时差和直达P波数据的联合反演可望减少波速模型中非均匀性程度的明显偏差，而且它还充分利用了走时残差的优点，而不必假定异常的位置。     

地球非偶极磁场对虚地磁极计算的影响

古地磁学使用的虚地磁极（VGP）是在地心偶极磁场假设下计算的,由于地球非偶极磁场的存在,VGP一般不同于真地磁极（RGP）.为了定量检验非偶极磁场对VGP的影响,本文利用国际参考地磁场模型IGRF 1900～2000,在全球5°×5°的“虚拟测点”网格上计算了VGP和RGP的位置,并求出两种磁极的经纬度偏差和二者的角距离.结果表明,南极地区VGP与GP的角距离最大,可达26°,南大西洋和欧亚大陆北部最大达到24°和18°,其余地区一般小于15°.VGP对RGP的偏差与地磁场分布有关：在非偶极磁场较弱的地区（如太平洋半球）,纬度偏差一般不大（≤10°）,但是在主要地磁异常区（如南大西洋和南极地区）,VGP对RGP的纬度偏差可达25°.VGP对RGP的经度偏差要比纬度偏差大得多,例如在欧亚大陆北部地区,经度偏差分布在-180°到180°的大范围内.     

地球变化磁场的分形和混沌特征

将北京地区地球变化磁场的水平分量作为一无规时间序列,利用谱分析方法求出了１９５９,１９６５,１９７０和１９７６年时间段的分数维布朗运动（ＦＢＭ）的维数Ｄｂ。结果表明Ｄｂ值与太阳活动性呈负相关。进而利用时间延迟方法来重建该序列在相空间的吸引子,计算得到吸引子的维数Ｄ＝４．２±０．４,最大Ｌｙａｐｕｎｏｖ指数总是正值。这表明地球变化磁场可能是混沌的。还利用一简单模型说明太阳活动性对地球变化磁场Ｄｂ值的影响。     

地球变化磁场的分形和混沌特征

将北京地区地球变化磁场的水平分量作为一无规时间序列，利用谱分析方法求出了１９５９，１９６５，１９７０和１９７６年时间段的分数维布朗运动（ＦＢＭ）的维数Ｄｂ。结果表明Ｄｂ值与太阳活动性呈负相关。进而利用时间延迟方法来重建该序列在相空间的吸引子，计算得到吸引子的维数Ｄ＝４．２±０．４，最大Ｌｙａｐｕｎｏｖ指数总是正值。这表明地球变化磁场可能是混沌的。还利用一简单模型说明太阳活动性对地球变化磁场Ｄｂ值的影响。     

1690～2000年地磁场能量的三维分布及其长期变化

利用Bloxham & Jackson 地磁场模型和国际参考地磁场模型(IGRF),研究了1690～2000年地磁总能量及其北向、东向和垂直向分量的能量以及非偶极子磁场的能量在地球内部的分布及长期变化.结果表明,地表和地核以外地磁场总能量及其北向和垂直向的能量是持续衰减的,垂直向的磁场能量占总能量的64％以上,对总能量的贡献起主要作用;东向分量的能量随时间的变化以增加为主.地磁场的能量变化率存在56年的周期,主要是由偶极子磁场产生的.地表以外的非偶极子磁能从减小到增大转折出现在1770年,比地核以外滞后40年.地球内部磁能随时间的变化显示,偶极子磁能逐渐减小,非偶极子磁能增加,越靠近核幔边界增加越快;偶极子和非偶极子磁能的变化量相等的分界面在距地心3780km处.从核幔边界到地表,磁能变化的衰减非偶极子比偶极子快,表明偶极子磁场比非偶极子磁场有更深的场源.     

汶川震中区震后波速变化——基于三分量噪声互相关的结果

利用地震背景噪声互相关研究地下介质波速随时间变化是目前地震学的研究热点之一.对于2008年汶川地震引起的地下介质变化多个研究组也用噪声互相关进行了研究,观测到发震断层附近的龙门山地区和四川盆地出现明显的同震波速降低.