石 科，胡正旺，杜勁松

(1.廣西壯族自治區(qū)地球物理勘察院，廣西 柳州 545005；2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué) 地球物理與空間信息學(xué)院，湖北 武漢 430074；3.中國(guó)地質(zhì)大學(xué) 地球內(nèi)部多尺度成像湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430074；4.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)地質(zhì)過(guò)程與礦產(chǎn)資源國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430074)

1 引 言

隨著地面、航空、近海底、高空與衛(wèi)星磁測(cè)技術(shù)以及數(shù)據(jù)處理與建模技術(shù)的快速發(fā)展，全球巖石圈磁場(chǎng)模型的精度與分辨率也越來(lái)越高[1]。這些模型可以用于全球或區(qū)域尺度的巖石圈磁性結(jié)構(gòu)及其地學(xué)意義研究[2,3]，也可以用于提高地磁導(dǎo)航性能[4]。除此之外，還可以輔助地面與航空磁測(cè)的數(shù)據(jù)處理，原因在于兩個(gè)方面：一是一般基于地面或航空磁測(cè)數(shù)據(jù)編制的磁異常圖，由于種種原因其長(zhǎng)波長(zhǎng)是不可靠的[5]，因而在區(qū)域磁異常圖編制時(shí)往往將其長(zhǎng)波長(zhǎng)成分替換為由衛(wèi)星磁測(cè)數(shù)據(jù)構(gòu)建的長(zhǎng)波長(zhǎng)全球巖石圈磁場(chǎng)模型磁異常[6]；二是實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)常是不規(guī)則分布的，測(cè)點(diǎn)密度可能不相同，測(cè)量區(qū)域的地理邊界也可能是不規(guī)則的，這將會(huì)給傳統(tǒng)的基于規(guī)則測(cè)點(diǎn)分布的數(shù)據(jù)處理帶來(lái)較大誤差[7]，因而這些全球巖石圈磁場(chǎng)模型可以用于實(shí)測(cè)空白區(qū)與測(cè)區(qū)外圍的數(shù)據(jù)補(bǔ)充。但是，往往在應(yīng)用這些時(shí)，忽略了其在研究區(qū)域能夠達(dá)到的真實(shí)分辨率與可靠性。因此，本文選取三個(gè)代表性的高階全球巖石圈磁場(chǎng)模型，將其解算磁異常數(shù)據(jù)與航空磁異常數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，挑選出適用性較高的模型，旨在為廣西及鄰區(qū)航磁異常數(shù)據(jù)的進(jìn)一步處理與解釋以及磁異常場(chǎng)建模等提供參考資料。

圖1 由NGDC720v3p1、WDMAMv2與EMM2017全球巖石圈磁場(chǎng)模型解算的研究區(qū)航磁高度的ΔT磁異常Fig. 1 ΔT magnetic anomaly fields at the altitude of aeromagnetic survey over study areacalculated from global lithospheric magnetic field models, i.e., NGDC720v3p1, WDMAMv2 and EMM2017

2 數(shù)據(jù)及其處理

2.1 全球巖石圈磁場(chǎng)模型及其解算

圖2 研究區(qū)航磁磁異常及其平滑磁異常Fig. 2 Aeromagnetic anomaly field and its smoothed field

本文選取了三個(gè)代表性的全球巖石圈磁場(chǎng)高階球諧展開(kāi)模型，即NGDC720v3.1、SHModel_WDMAMv2.0、EMM2017。基于地面與海洋、航空磁測(cè)等多源數(shù)據(jù)匯編的EMAG2全球磁總場(chǎng)強(qiáng)度異常網(wǎng)格數(shù)據(jù)(空間分辨率為2′×2′，高度為海平面以上4 km)[8]，Maus等采用最小二乘反演方法構(gòu)建了16～719階橢球諧展開(kāi)模型[9]，并將其轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的高斯球諧展開(kāi)模型(16～740階)，即NGDC720v3.0，其16～133階的低階系數(shù)被單純由衛(wèi)星磁測(cè)數(shù)據(jù)構(gòu)建的全球巖石圈磁場(chǎng)模型MF6[10]替換，最早發(fā)布版本為3.0，其扇諧系數(shù)被置為零值，之后發(fā)布了3.1版本，給出了比較可靠的扇諧系數(shù)值；SHModel_WDMAMv2.0是基于第二版的世界磁異常圖(WDMAMv2.0)(空間分辨率為3′×3′，高度為WGS84參考橢球面以上5 km)[11]進(jìn)行高斯球諧展開(kāi)獲得，最高展開(kāi)階次至800，其中16～100階的低階系數(shù)被單純由衛(wèi)星磁測(cè)數(shù)據(jù)構(gòu)建的全球巖石圈磁場(chǎng)模型GRIMM_L120[12]替換；EMM2017是基于最新的EMAG2(v3)全球磁總場(chǎng)強(qiáng)度異常網(wǎng)格數(shù)據(jù)(空間分辨率為2′×2′，高度為海平面以上4 km)[13]進(jìn)行球諧展開(kāi)獲得的，其展開(kāi)最高球諧階次達(dá)790，該模型同時(shí)也包含2 000.0至2 022.0的1～15階主磁場(chǎng)及其長(zhǎng)期變化。

考慮到磁總場(chǎng)強(qiáng)度異常(ΔT)的非線(xiàn)性效應(yīng)[14]，先采用主磁場(chǎng)與巖石圈磁場(chǎng)模型計(jì)算磁場(chǎng)總強(qiáng)度，再減去由主磁場(chǎng)模型計(jì)算的主磁場(chǎng)強(qiáng)度，最后得到用于對(duì)比分析的ΔT磁異常。其中，計(jì)算點(diǎn)坐標(biāo)與航磁數(shù)據(jù)的坐標(biāo)一致，解算方法采用無(wú)奇異性球諧表達(dá)式[15]。如圖1所示，由三個(gè)全球巖石圈磁場(chǎng)模型解算的廣西地區(qū)航磁高度的ΔT磁異常，無(wú)論是空間分布還是幅值，三者相互之間均存在較大的差異。

2.2 廣西及鄰區(qū)航磁異常數(shù)據(jù)及其平滑

廣西及鄰區(qū)航磁測(cè)量工作開(kāi)始于1958年，先后進(jìn)行過(guò)1∶100萬(wàn)、1∶20萬(wàn)、1∶10萬(wàn)、1∶5萬(wàn)及1∶2.5萬(wàn)比例尺的測(cè)量工作?；谑占母鱾€(gè)時(shí)期不同比例尺的航磁測(cè)量數(shù)據(jù)，廣西壯族自治區(qū)地球物理勘察院匯編了1∶50萬(wàn)的廣西地區(qū)航空ΔT磁異常圖，如圖2(a)所示。

為了與全球巖石圈磁場(chǎng)模型解算數(shù)據(jù)對(duì)比，首先對(duì)航空ΔT磁異常進(jìn)行了降尺度處理?？紤]到全球巖石圈磁場(chǎng)模型的空間分辨率約為0.225°～0.243°、航空ΔT磁異常數(shù)據(jù)點(diǎn)距為0.01°×0.01°，因此對(duì)航空ΔT磁異常數(shù)據(jù)進(jìn)行了25點(diǎn)×25點(diǎn)的移動(dòng)窗口平滑處理，結(jié)果如圖2(b)所示。

3 對(duì)比分析與討論

為了挑選全球巖石圈磁場(chǎng)模型與評(píng)價(jià)其在廣西及鄰區(qū)的適用性，首先基于全球巖石圈磁場(chǎng)模型解算與航空磁測(cè)同點(diǎn)位的磁異常，然后將兩套同點(diǎn)位的磁異常數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。分析方法主要采用差值統(tǒng)計(jì)分析法和相關(guān)性分析法。前者主要計(jì)算兩套數(shù)據(jù)差值的最小值、最大值、算數(shù)平均值和標(biāo)準(zhǔn)差，后者計(jì)算兩套數(shù)據(jù)空間分布之間的相關(guān)性系數(shù)。

表1 ΔT磁異常統(tǒng)計(jì)

表2 全球巖石圈磁場(chǎng)模型解算的研究區(qū)航磁高度的ΔT磁異常與航空磁異常之間的差異統(tǒng)計(jì)

表1為全球巖石圈磁場(chǎng)模型解算的廣西及鄰區(qū)航磁高度的ΔT磁異常與航空ΔT磁異常的統(tǒng)計(jì)參數(shù)表。表2與表3分別為全球巖石圈磁場(chǎng)模型解算的廣西及鄰區(qū)航磁高度的ΔT磁異常與未平滑和平滑航空ΔT磁異常之間的差異統(tǒng)計(jì)參數(shù)表?？梢?jiàn)，在航空ΔT磁異常平滑處理之后，其與全球巖石圈磁場(chǎng)模型解算的廣西及鄰區(qū)航磁高度的ΔT磁異常之間的差異得到較大程度的降低，但是，差異相對(duì)于磁異常本身幅度(表1)而言依然較大，而且表2與表3顯示，全球巖石圈磁場(chǎng)模型解算的廣西及鄰區(qū)航磁高度的ΔT磁異常與航空ΔT磁異常之間存在系統(tǒng)偏差，且此系統(tǒng)偏差與航空ΔT磁異常均值的幅度相當(dāng)。

由于匯編的廣西及鄰區(qū)航空ΔT磁異常圖來(lái)源于多個(gè)時(shí)期、不同比例尺的航空磁測(cè)數(shù)據(jù)，不同數(shù)據(jù)所采用的測(cè)量?jī)x器與平臺(tái)、地磁場(chǎng)測(cè)量與定位精度、改正方法與相關(guān)模型等均存在差異，因此其長(zhǎng)波長(zhǎng)成分存在較大的不可靠性。而全球巖石圈磁場(chǎng)模型的長(zhǎng)波長(zhǎng)成分采用單純由衛(wèi)星磁測(cè)數(shù)據(jù)構(gòu)建的磁場(chǎng)模型替代，因?yàn)樾l(wèi)星飛行高度較高以及測(cè)量精度在全球比較一致等原因，據(jù)其恢復(fù)的低階全球巖石圈磁場(chǎng)模型具有較高的可靠性。

目前，單純由衛(wèi)星磁測(cè)數(shù)據(jù)構(gòu)建的全球巖石圈磁場(chǎng)模型為L(zhǎng)CS-1模型[16]，主要采用了CHAMP衛(wèi)星與Swarm衛(wèi)星群磁測(cè)數(shù)據(jù)，最高球諧展開(kāi)階次達(dá)185，對(duì)應(yīng)空間分辨率約為1°×1°。而NGDC720v3p1、WDMAMv2與EMM2017全球巖石圈磁場(chǎng)模型的低階磁場(chǎng)分別由MF6[10]、GRIMM_L120[12]和MF7(http://geomag.colorado.ed u/)模型替代。圖3為由各個(gè)全球巖石圈磁場(chǎng)模型(16～185階)解算的廣西航磁高度的ΔT磁異常分布，可見(jiàn)四個(gè)模型所得磁場(chǎng)在空間分布形態(tài)上存在較大差異。表4顯示，這些長(zhǎng)波長(zhǎng)磁場(chǎng)與航空ΔT磁異常之間依然存在系統(tǒng)偏差。從理論上而言，單純由衛(wèi)星磁測(cè)數(shù)據(jù)構(gòu)建的長(zhǎng)波長(zhǎng)巖石圈磁場(chǎng)更可靠，但是模型相互之間又存在較大差異，到底哪個(gè)模型在廣西地區(qū)的適應(yīng)性更高呢？為此，將全球巖石圈磁場(chǎng)模型解算的航磁高度ΔT磁異常與航空ΔT磁異常進(jìn)行空間分布上的相關(guān)性分析，結(jié)果如表3所示。

表3 依據(jù)全球巖石圈磁場(chǎng)模型解算的航磁高度ΔT磁異常與平滑航空磁異常之間的差異統(tǒng)計(jì)

圖3 由NGDC720v3p1、WDMAMv2、EMM2017與LCS-1全球巖石圈磁場(chǎng)模型(16～185階)解算的研究區(qū)航磁高度的ΔT磁異常Fig.3 ΔT magnetic anomaly fields at the altitude of aeromagnetic survey over study area calculated from degrees 16～185 of global lithospheric magnetic field models, i.e., NGDC720v3p1, WDMAMv2, EMM2017 and LCS-1

由表5可以發(fā)現(xiàn)，EMM2017模型所得磁場(chǎng)與航空ΔT磁異常之間的相關(guān)性最高，尤其是低階部分(16～185階)。EMM2017模型的低階部分采用了MF7模型，研究顯示該模型是CHAMP衛(wèi)星時(shí)代最好的一個(gè)全球巖石圈磁場(chǎng)模型[17]。這些實(shí)際上也得到了廣西大地構(gòu)造分區(qū)方面的支持。根據(jù)《中國(guó)區(qū)域地質(zhì)概論》[18]對(duì)華南地區(qū)構(gòu)造單元的劃分方案，結(jié)合廣西區(qū)域構(gòu)造特征，可將廣西地殼劃分為3個(gè)二級(jí)構(gòu)造單元、6個(gè)3級(jí)構(gòu)造單元和17個(gè)4級(jí)構(gòu)造單元，如圖4所示。對(duì)比圖3與圖4，可以看出EMM2017模型解算磁異常與廣西區(qū)域大地構(gòu)造劃分比較一致。廣西境內(nèi)華夏陸塊構(gòu)造走向呈北東-南西走向，受濱太平洋構(gòu)造活動(dòng)影響，WDMAMv2和EMM2017模型解算磁異常分布均顯示出了此特征；而對(duì)于右江褶皺系或者桂西地塊，EMM2017模型解算磁異常在該區(qū)為呈北西-南東走向的正磁異常，可能與特提斯構(gòu)造活動(dòng)有關(guān)[19]。

因此，無(wú)論是與航空ΔT磁異常直接目視地對(duì)比還是進(jìn)行空間分布上的相關(guān)性分析，亦或與大地構(gòu)造單元?jiǎng)澐謱?duì)比，均顯示在廣西地區(qū)，EMM2017模型在所有全球巖石圈磁場(chǎng)模型中的適應(yīng)性最高。

表4 由全球巖石圈磁場(chǎng)模型16～185階次系數(shù)解算的航磁高度ΔT磁異常與平滑航空ΔT磁異常之間的差異統(tǒng)計(jì)參數(shù)

圖4 研究區(qū)構(gòu)造單元?jiǎng)澐质疽鈭DFig. 4 Sketch map of tectonic unit distribution of study area二級(jí)構(gòu)造單元：Ⅰ(揚(yáng)子陸塊)、Ⅱ(南華活動(dòng)帶)、Ⅲ(華夏陸塊)；三級(jí)構(gòu)造單元：Ⅰ1(桂北地塊)、Ⅱ1(桂中-桂東北褶皺系)、Ⅱ2(右江褶皺系)、Ⅲ1(欽州褶皺系)、Ⅲ2(云開(kāi)地塊)、Ⅲ3(桂東褶皺系)

表5 全球巖石圈磁場(chǎng)模型解算的研究區(qū)航磁高度的ΔT磁異常與平滑航空ΔT磁異常之間的相關(guān)性系數(shù)

為了進(jìn)一步對(duì)廣西及鄰區(qū)航空ΔT磁異常進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與定量解釋?zhuān)紫刃枰獙?duì)該數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)格化處理。但是，研究區(qū)邊界不規(guī)則，區(qū)外沒(méi)有數(shù)據(jù)測(cè)點(diǎn)，直接進(jìn)行網(wǎng)格化會(huì)對(duì)后續(xù)數(shù)據(jù)處理與定量解釋引入較大的誤差。因此，本文嘗試采用EMM2017模型對(duì)廣西周邊區(qū)域進(jìn)行補(bǔ)點(diǎn)，進(jìn)而與廣西航磁數(shù)據(jù)融合得到測(cè)點(diǎn)規(guī)則分布的航空ΔT磁異常圖，如圖5所示。在數(shù)據(jù)融合處理時(shí)，理應(yīng)將廣西航空ΔT磁異常的長(zhǎng)波長(zhǎng)磁場(chǎng)采用EMM2017模型解算低階磁場(chǎng)進(jìn)行替換，但是本文為了便于計(jì)算，僅從航空ΔT磁異常中消除了表3所示的系統(tǒng)偏差，即17.3 nT。由圖5可見(jiàn)，簡(jiǎn)單調(diào)平效果并不理想，需要進(jìn)一步深入研究航磁與衛(wèi)星磁測(cè)數(shù)據(jù)的融合與匯編方法，例如等效源方法、矩諧分析、球冠諧分析與Slepian局部球諧譜方法等。

圖5 由EMM2017與航磁數(shù)據(jù)初步融合的研究區(qū)航磁高度的ΔT磁異常Fig. 5 ΔT magnetic anomaly field at the altitude of aeromagnetic survey over study area and its surroundings preliminarily integrated by EMM2017 and aeromagnetic data

4 結(jié) 論

1)NGDC720v3p1、WDMAMv2與EMM2017三個(gè)全球巖石圈磁場(chǎng)模型在廣西的適用性均較差，相比而言,EMM2017模型較優(yōu)；全球巖石圈磁場(chǎng)模型可以輔助航磁與地面磁測(cè)數(shù)據(jù)的處理與解釋?zhuān)窃趹?yīng)用這些模型時(shí)，需要慎重考慮其在研究區(qū)域的誤差水平。

2)航磁匯編數(shù)據(jù)往往由于多個(gè)時(shí)期、不同比例尺的磁測(cè)數(shù)據(jù)所采用的測(cè)量?jī)x器與平臺(tái)、地磁場(chǎng)測(cè)量與定位精度、改正方法與相關(guān)模型等均存在差異，因此其長(zhǎng)波長(zhǎng)成分存在較大的不可靠性，而采用單純由衛(wèi)星磁測(cè)數(shù)據(jù)構(gòu)建的磁場(chǎng)模型的長(zhǎng)波長(zhǎng)成分更加可靠。因此，需要深入研究航磁與衛(wèi)星磁測(cè)數(shù)據(jù)的融合與匯編方法，例如等效源方法、矩諧分析、球冠諧分析與Slepian局部球諧譜方法等。

3)單純由衛(wèi)星磁測(cè)數(shù)據(jù)構(gòu)建的全球巖石圈磁場(chǎng)模型之間也存在較大差異，因此需要進(jìn)一步開(kāi)展這些模型的質(zhì)量評(píng)價(jià)方面的研究工作。