基于卫星磁测数据的全球岩石圈磁场建模进展与展望

随着CHAMP卫星与Swarm卫星群等磁测数据的不断积累,开展高精度与高分辨率全球岩石圈磁场建模研究非常迫切.本文主要介绍了地磁测量卫星与全球岩石圈磁场建模的最新发展动态以及等效源方法的研究现状,并且总结了全球岩石圈磁场建模的重点、难点与发展趋势,着重对等效源方法在卫星磁测数据处理、岩石圈磁场建模与地质解释方面的应用前景进行了分析.     

不同卫星轨道高度对地壳磁场反演的影响研究

利用最新的波茨坦地磁场球谐模型(Potsdam Magnetic Model of the Earth,POMME)进行仿真实验,分别模拟出不同卫星轨道高度下的磁测数据.根据仿真的观测数据反演地壳磁场的高斯球谐系数,对反演结果进行对比和分析,总结出卫星轨道高度对反演结果的影响.针对CHAMP卫星实测数据进行地壳磁场反演...     

地磁场模型误差分析中的几个问题

地磁场全球建模和局域建模理论是编绘全球地磁图和区域地磁图(如国家地磁图)的基础.区域磁场是全球磁场的一部分,因此,区域模型系数与全球模型系数之间存在着确定的关系.这些关系既是检验区域建模的分析方法是否合理,结果是否正确的判据,又是估计区域模型误差的出发点.全球建模的标准方法是球谐分析,而局域建模方法很多,大体可分为基于...     

中国及邻近地区CHAMP卫星磁异常的分布特征

本文利用CHAMP卫星磁测资料建立的新一代高阶地磁场模型POMME-4.2S,计算中国及邻区400 km高度的卫星磁异常及其垂直梯度,给出7个磁场分量的分布图,比较了截断水平对磁异常分布的影响,初步分析了磁异常与岩石圈构造的关系.主要结果表明,在四川盆地、塔里木盆地和松辽盆地等主要磁异常区,ΔZ异常中心的南北两边出现ΔX的异常中心,东西两边出现ΔY的异常中心.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.在磁异常较强的地区,磁异常及其垂直梯度同步变化.卫星磁异常与地形变化、断裂带分布、莫霍面深度和岩石圈厚度没有直接的对应关系,而与居里等温面深度、磁性层厚度有明显的相关性.居里等温面深、磁性层较厚的地区显示正磁异常,居里等温面浅、磁性层较薄的地区显示负磁异常.     

地壳磁异常的全球模型

从全球磁场减去地核主磁场和变化磁场及其感应磁场后,就得到岩石圈磁场,又称地壳磁场,或地磁异常.地壳磁场是地磁场的重要组成部分,对导航、通信、地球物理勘探等有重要意义.本文简要综述近年来在地壳磁场基本信息获取方面取得的重大进展,特别是Oersted、CHAMP等卫星磁侧的最新成果,介绍在此基础上建立的全球磁异常模型,展望地壳磁场研究的发展趋势和应用前景.     

利用SWARM卫星高低跟踪探测格陵兰岛时变重力信号

GRACE重力卫星任务即将结束,后续GRACE Follow-On卫星计划于2017年发射,在此期间,迫切需要一个新的卫星计划继续对全球时变重力场进行连续监测,以保证时变重力场信息时间序列的连贯性.SWARM计划包括三颗轨道高为300~500 km的近极轨卫星星座,类似于三颗CHAMP卫星,具有接替时变重力场探测的潜力.本文首先分析SWARM(模拟)、CHAMP、GRACE反演至60阶时变重力场球谐系数的误差特性及不同高斯平滑半径对高频误差的抑制效果,然后分别利用SWARM、CHAMP、GRACE的时变重力场模型恢复全球质量变化,结果表明,SWARM模拟观测数据的高频误差低于CHAMP观测数据,探测时变重力场的整体精度优于CHAMP,略低于GRACE探测精度;其次,对比2003年1月—2009年12月期间CHAMP(hl-SST)和GRACE(ll-SST)时变重力场模型反演格陵兰岛冰盖质量变化趋势,结果显示,CHAMP数据得到格陵兰岛冰盖质量变化趋势为-50.2±2.0 Gt/a,GRACE所得结果为-41.2±1.6 Gt/a,两者相差21.8%;最后,对比2000年1月—2004年12月间SWARM模拟数据和"真实"模型数据反演的格陵兰岛冰盖质量变化趋势,结果表明,两者相差19.2%.本文研究表明,利用SWARM hl-SST数据探测时变重力场可以达到20%相对精度水平,有潜力用于填补GRACE和GRACE Follow-On期间探测地球时变重力场的空白.     

国际参考地磁场模型中高阶球谐项对地磁场长期变化的影响

在国际参考地磁场（IGRF）模型中，高阶球谐系数比低阶系数小得多，所以高阶项对主磁场的贡献常被忽略不计. 但是，高阶项对主磁场的长期变化却有重大影响. 本文根据第八代IGRF模型，分析了IGRF 1945～1955中高阶球谐系数的异常特征对长期变化的影响，然后用修正IGRF模型估计并改正了这些影响. IGRF高阶项随深度增加而迅速增大，所以高阶系数的误差对深部磁场位形和磁场能量的计算有不可忽视的影响，对核幔界面流动状态的推断和地核半径的地磁估计有更为重大的影响.     

基于张衡一号卫星数据的中国区域岩石圈磁场球冠谐分析

张衡一号卫星于2018年2月成功发射升空,卫星上搭载有测量地磁场的高精度磁强计,包括标量和矢量磁力仪.本文基于张衡一号卫星2018年3月—2022年5月的标量磁测数据,利用球冠谐分析进行中国区域的岩石圈磁场建模工作.首先选取地磁活动平静时期(Kp≤2o)的夜侧数据,来减少外源场的影响;然后,利用CHAOS-7模型计算值去除主磁场和外源场,得到岩石圈磁异常值,再利用球冠谐分析进行中国区域的地磁场建模,得到最大阶数为53.17(对应地表波长为752 km)的球冠谐模型.该模型可以明显揭示出中国及邻区的主要岩石圈磁异常,包括位于我国塔里木盆地、四川盆地、松辽盆地和境外的贝加尔湖、孟加拉盆地附近的高值磁异常,以及位于青藏高原南部的东西向低值磁异常.为了对模型结果进行进一步分析,将其与Swarm-A卫星数据球冠谐建模结果和CHAOS-7球谐模型结果在不同高度上进行了对比,主要磁异常的分布基本一致,而且在向下延拓到100 km高度时,本文的模型也能够提供比较稳定的结果,但是在幅值和磁异常形态细节上存在一定差异.     

区域地磁场谐和样条模型研究

地震过程是岩石圈能量积累、聚集和释放的过程。伴随此过程,岩石圈磁场会出现异常变化。近年来,我国的地震预报研究实践证明,岩石圈磁场异常变化与地震发生地点有很好的对应关系,并取得了良好效果。准确提取地震引起的岩石圈磁场变化的主要途径是建立高分辨率的岩石圈磁场模型。由于针对地震预报的观测都是区域性的,因此,模型计算方法应同时具备3个方面的优点:一是适合区域分析;二是能准确剔除或剥离地磁主磁场;三是能精细刻画岩石圈磁场细微变化。可能的话,模型还应能采用卫星数据与地面数据联合运算,以弥补我国西部无人区地面观测数据稀疏的不足及控制边界畸变,即模型应能径向延拓。但在实际工作中,许多模型很难三者兼顾,更别说兼具径向延拓。该论文从模型比较开始,精心选择模型,经过模型设计和程序实现、模型调优和模型验证等,初步获得了能四者兼顾的中国地区区域地磁场"谐和样条"模型及其计算方法。论文最后将中国地区区域地磁场"谐和样条"模型与其他模型进行了对比分析,发现该模型初步达到了设计目标。(1)模型选择:论文调研和对比分析了球谐分析、矩谐分析、球冠谐模型、修正球冠模型、等效源、多项式拟合、样条函数拟合、双调和拟合、谐和样条拟合。论文分析认为,调和样条拟合具备前述的4个方面优点。(2)模型设计和程序实现:论文完成了对"谐和样条"方法的数学公式推导、代数公式构建以及matlab程序编写等工作。(3)模型调优:论文完成了"谐和样条"模型定解过程中的"本征值截断"以及球谐阶数问题分析讨论,发现"谐和样条"方法定解线性方程组本征值可能对应"谐和样条"模型所描述场分布的空间特征尺度。因此,通过本征值截断阶数的选择,能够实现对不同空间特征尺度磁场成分的剥离。(4)模型验证:论文基于大量的计算实验,选择了球谐截断阶数L=90阶,并分别利用地面测量数据以及卫星数据的组合分别定解,计算对比分析了"中国及周边区域谐和样条模型"。结果表明:与球谐方法相比,"谐和样条"模型具有更高的"效率",引入卫星数据确能改善计算结果。此外,当"谐和样条"方法用于全球模型和区域模型计算时,发现球谐截断阶数的确定是影响模型计算正确性的关键因素之一。(5)与其他模型对比分析:论文分别以1~15阶EMM2010模型和"2010.0中国及周边区域谐和样条模型"20阶本征值模型作为中国区域地磁正常场,从90阶"2010.0中国及周边区域谐和样条模型"中分别剔除两种算法得到的中国区域地磁正常场,获得2个中国区域地磁异常场模型,对比分析了其差异性和优劣性,论文最后采用"2010.0中国及周边区域谐和样条模型"地磁异常场、EMM2010模型、MF6模型和CGRF模型的岩石圈磁场Z分量,与中国区域地质构造进行了联合对比分析,达到了论文初期目标。     

基于CHAMP卫星与地面矢量数据联合建立中国地磁模型

首先对地面台站以及CHAMP卫星的矢量磁测数据进行预处理,结合12个子午工程台站最新的磁测数据,并利用第十二代国际地磁参考场模型(IGRF12)对不同数据归算至统一时间点,再结合第四代地磁场综合模型(CM4)计算并移除主磁场、磁层磁场、电离层磁场、感应磁场及较为微弱的环形场,最后通过球冠谐(SCH)模型联合建立了中国地区岩石圈磁场(地磁要素X、Y、Z和总强度F)的球冠谐模型(SCH2000),结合IGRF12得到了中国地磁模型(CGRF2000).建模同时考虑了测点数据海拔高度的影响,并讨论了截断阶数的选取以及边界效应的控制问题.通过比较均方偏差(RMS),认为8阶SCH2000模型可较好地反映中国地区岩石圈磁场,其分布与SCH1936、CM4以及Taylor多项式模型具有一定的相似性.从位置和强度来看,SCH2000模型所反映的岩石圈磁场更为准确,而与CM4存在一定差异,除了测点不同,截断阶数也是原因之一.通过验证,SCH2000模型各要素随高度的变化与CM4模型较为一致,所建立的CGRF2000与IGRF12模型的分布也较为相似.     

中国及邻区卫星岩石圈磁场与近10年地震活动性

利用NGDC—720全球卫星岩石圈磁场模型给出的球谐系数,计算得到中国及邻区的岩石圈磁场分布;并与该地区活动块体及近10年(2003—2012年)M_S5.0以上地震活动性进行对比,发现岩石圈磁场同活动块体分布及地震活动性存在较为密切的对应关系。该相关性有望在未来地震研究和监测中发挥作用。     

中国及邻区卫星岩石圈磁场与近10年地震活动性

利用NGDC-720全球卫星岩石圈磁场模型给出的球谐系数,计算得到中国及邻区的岩石圈磁场分布;并与该地区活动块体及近10年（2003-2012年）MS 5．0以上地震活动性进行对比,发现岩石圈磁场同活动块体分布及地震活动性存在较为密切的对应关系。该相关性有望在未来地震研究和监测中发挥作用。     

塔里木盆地高分辨率卫星磁异常特征

本文使用美国国家地球物理数据中心(NGDC)提供的岩石圈磁场球谐模型的球谐系数,计算了塔里木盆地16~720阶、高度为0 km的垂向分量ΔZ,反映了塔里木地区高分辨率的卫星磁异常特征.盆地北部和南部的磁性特征明显不同,分界线大体在北纬40°附近,北部表现为东西向的负异常,南部表现为正异常特征,整体呈北东走向,中部被北西向异常所叠加.结合区域地质背景,对盆地内部的磁异常特征综合分析表明,盆地基底可能并非一个完整块体,而是由多个古老地块拼合而成.     

基于MF6, EMM2010和CGRF2010模型的中国大陆地壳磁异常特征

利用地磁场全球模型MF6, EMM2010和基于地面观测数据建立的2010.0中国地磁参考场(CGRF2010)等3个模型分别计算了中国大陆地区岩石圈磁场, 发现3个模型各有其特点: 基于卫星数据建立的MF6模型分辨率有限, 其磁异常条带呈蠕虫状; EMM2010模型岩石圈磁场概貌与MF6模型相似但细节特征十分突出; CGRF2010模型可信度较高, 其分辨率东西部差异较大, 异常形态以团状为主． 通过分析3个模型得到的中国大陆地区岩石圈磁场垂直分量ΔZ的强度及其分布特征发现: ΔZ分量在准噶尔盆地、 塔里木盆地、 柴达木盆地及四川盆地等地区均为正值, 而在天山、 大巴山等地区为负值; ΔZ分量分布在华北岩石圈地块与华南岩石圈地块吻合程度较高; 在青藏高原南部、 西域岩石圈地块北部以及松辽岩石圈地块, 全球模型与CGRF2010模型存在显著差别．      

基于CHAMP卫星的区域卫星磁异常球冠谐分析（英文）

基于CHAMP卫星的矢量磁测数据,结合最新的IGRF12模型,并假设所有CHAMP卫星的网格测点位于同一高度(307.69km),基于498个测点,建立了2010.0年中国地区要素X、Y、Z和总强度F的卫星磁异常球冠谐(SCH2010)模型,建模前利用CM4模型移除了外源场。模型极点位于36°N和104°E,球冠半角为30°。通过比较△X、△Y、△Z以及X、Y、Z的均方偏差(RMS)的数值变化,确定截断阶数Kmax=9为合适的截断阶数。结合IGRF12所建立的卫星高度的中国地磁参考场(CGRF2010)模型与CM4模型具有较好的一致性,分析比较了基于SCH2010模型与类似磁异常模型的地面磁异常分布,发现各要素磁异常的强度与分布高度一致。通过比较F在不同高度处的磁场分布,发现SCH2010模型在不同高度的估算都符合地磁场的变化规律。比较发现SCH2010与CM4模型的空间变化率一致性较好。所建模型相较于其它区域拟合模型而言,可反映地磁场的更多细节,但球冠谐模型本身及建模过程为两个误差源。     

地磁场的三维巡测和综合建模

在1967~1971年期间,美国POGO系列卫星进行了地磁场总强度测量,接着,1979~1980年MAGSAT地磁卫星进行了真正意义上的三分量测量.自此之后,卫星磁测沉静了20年.近年来,这一领域又重新进入高潮,其标志是1999年2月丹麦发射Orsted磁测卫星,2000年7月德国发射CHAMP磁测卫星,2000年11月阿根廷/美国合作发射SAC-C卫星.这一时期的磁测卫星还有南非和澳大利亚的卫星,而欧空局计划在2009年发射三颗磁测卫星Swarm,,中国的地磁卫星也在积极筹备之中.在这20多年的"沉静"中,各国地磁学家潜心研究的结果把POGO-MAGSAT和Orsted-Champ-SAC两代磁测卫星和地面磁测连接在一起,催生了新型地磁场模型和地磁图———"地磁场综合模型"(comprehensive model of geomagnetic field,简称CM).如果说过去的地磁场模型只是对主磁场的形态描述,那么,新一代模型不仅包括地核主磁场模型,而且包括岩石圈磁场模型、电离层磁场模型、磁层磁场模型、内部感应磁场模型以及空间环型磁场模型,力求在更广的范围内,以更深入的物理内涵和更高的精度表述地球磁场的全貌.本文在评述CM模型的基础上,提出下一代地磁模型的设想,讨论地球磁场三维巡测和综合建模的未来发展趋势和关键问题.     

基于航空磁测数据和全球模型的适用于中国地区的岩石圈磁场模型初步研究

基于最新的全球模型LCS-1的近地面模拟值,结合中国地区1970—2011年测量的航磁数据,通过三维曲面Spline(3DSS）模型建立了适用于中国地区的全球三维岩石圈磁场模型,重点考察中国地区的岩石圈磁场分布及几个磁异常极值点随高度的变化情况,并将所得结果与LCS-1进行分布特征的比验分析．结果显示两种模型的磁场分布基本一致,尤其是俄罗斯的库尔斯克磁异常和中非的Bangui磁异常等区域,但在局部地区存在差异,在高空0.5 km处能明显地展示中国地区的岩石圈磁场分布情况,并在1 km处展示处更多的分布细节．模型最大的特点是可以反映研究区域的大、中、小尺度的岩石圈磁场分布,几个显著的正负极值点随着高度而出现近似线性下降和上升的趋势．3DSS模型不仅能够兼顾全球磁场的大尺度变化,还能突出显示研究区域磁异常的复杂分布形态．     

区域航磁异常汇编数据的长波成分提取、评价与替换技术

各个国家与地区的航磁异常数据一般均采用多期磁测数据汇编而成,但是由于测量时间跨度较大、各期测量精度与校正参数不一致、以及磁力异常本身的时变性等原因,各期磁力异常数据之间具有系统差异,致使航磁异常汇编数据的长波成分可能存在不可靠性.本文基于二维修正球冠谐分析建模方法与单纯采用卫星磁测数据构建的全球岩石圈磁场模型可靠波段,提出区域航磁异常汇编数据的长波成分提取、评价与替换技术.通过仿真数据测试了本文所提方法的有效性之后,将其应用于澳大利亚第七版航磁异常网格数据,进而采用CM6模型的16～90阶球谐系数解算数据对提取的航磁异常长波成分进行了评价与替换,并通过空区补值与扩边处理,得到了澳大利亚及邻区完整的磁力异常网格数据.最后,采用替换了和未替换长波成分的航磁异常汇编数据,与CHAMP卫星磁测三分量数据联合进行修正球冠谐建模,结果显示,替换了长波成分的航磁异常汇编数据与卫星磁测数据融合效果更好,而由航磁异常汇编数据提取的长波成分与卫星磁测数据存在不相容性或非一致性.仿真测试与实际应用均表明本文所提方法具有可靠性和实用性,值得在区域航磁异常数据汇编中推广应用.     

梯度法在球谐综合中的适用性分析

针对地球表面球谐综合过程中要求考虑高程信息的问题,在球谐综合过程中,基于地形模型DTM2006.0和超高阶的重力场模型EGM2008,分别在椭球坐标系与球坐标系下,利用梯度法对球谐综合过程中的重力场泛函进行一定阶次扩展,分析梯度法在椭球坐标系与球坐标系下的适用性.在实验区域,计算结果表明,在球谐综合过程中,利用梯度法计算重力场泛函,它能够将高程信息带来的近似误差减少到对实际应用无关紧要的程度,可计算任意密集网格点上的表面重力场泛函.     

云南地区岩石圈磁场特征及震磁特性

利用NGDC-720模型计算云南地区岩石圈磁场X,Y,Z分量,分析岩石圈磁场分布特征,并从空间分布及强度统计两方面研究1970—2019年云南省内31次M_S≥6.0地震与岩石圈磁场分布之间的关系。结果表明:云南地区主要断裂的展布与岩石圈磁场分布有着较好的对应关系,且研究区内M_S≥6.0地震大多分布在负值异常区或正负异常区的分界处。