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中国大陆地区的岩石圈磁场模拟研究

冯彦  
【摘要】:岩石圈中的岩石经风化作用形成成土母质,而成土母质的磁性主要来源于岩石圈磁场的剩余磁化部分,进而影响土壤的形成和性质。岩石圈中磁性物质,主要是一些含有铁氧化物的磁铁矿会导致岩石圈的磁化,该磁化分为感应磁化和剩余磁化,两者共同形成了岩石圈磁场(也称为地壳磁场或磁异常)。通过模拟与分析岩石圈磁场,对于研究成土母质磁性、岩石圈磁场分布及地壳结构具有重要的理论意义和使用价值,还可与土壤质地、岩石圈构成等研究架起一座桥梁。 本研究从岩石圈磁场模型出发,以中国大陆(18°N~54°N,73°E~136°E)为研究区域,结合经过筛选的数据以及全球、区域模型,研究了模拟过程中的三个关键问题:模型背景场的选取、截断阶数的确定、边界效应的控制;揭示了高阶模型的不同阶系数对应的功率谱变化和岩石圈磁场分布;结合全球模型和区域模型,模拟并分析了中国大陆地区的岩石圈磁场的时空变化,为成土母质磁性的定量研究等提供参考。 理论上,在没有地质结构变化的情况下,岩石圈磁场应不随时间变化。随着测量仪器不断升级、测量技术不断进步、测点数量不断变化、测点分布不断调整,以及建模技术不断改进,造成了计算得到的中国大陆地区不同年代岩石圈磁场分布的差异,故需从理论上认真研究,以最终获得较为客观真实的岩石圈磁场。本文利用1960、1970、1980、1990和2000年的中国大陆地区实测数据,结合Taylor多项式模型和曲面Spline模型,以及第四代地磁场综合模型——CM4(Comprehensive Model 4),分别得到了对应年代中国大陆地区的岩石圈磁场模型;为了分析40年内中国大陆地区的岩石圈磁场整体分布情况,假设岩石圈磁场值不变,将各年代测点的岩石圈磁场值归算至2000年,从而通过模型模拟并分析。选用了高精度的CM4、MF7(Lithospheric Magnetic Field Model 7)、NGDC-720 (NGDC-720 Lithospheric magnetic model)、EMM2010(Enhanced Magnetic Model 2010)四个全球模型进行验证。 主要研究结果和结论如下: 1、以2000年的实测数据为例,将CM4模型的地核场作为背景场,其模拟的边界分布可与全球模型较好地结合,相较IGRF10和Taylor模型更适合进行大尺度的磁场研究;而以Taylor模型作为背景场所模拟的分布图中正负异常分布较为均匀,较适合进行中小尺度的磁场研究。若综合分析各阶截断阶数的RMS值、相应年代IGRF的RMS以及AIC值,可以较好地确定截断阶数。若综合分析不同数量的补充点,结合等值线分布以及边界异常,能够较好地确定补充点数量以控制边界效应。 2、利用Lowes-Mauersberger功率谱技术展示了常用的14个全球模型的岩石圈磁场功率谱。以高阶模型EMM2010为例,分析表明其岩石圈磁场功率谱(截断阶数16-719)变化趋势可以分为5个主要阶段:16~65阶缓慢增加;66~120阶加速增加;121~220阶为平稳阶段;221~670阶缓慢下降,671~719阶缓慢增加。对上述五个阶段系数模拟并分析了相应的岩石圈磁场分布,结果表明该模型的16-65阶系数可表示岩石圈磁场的主要分布趋势,并可能对成土母质的磁性有较大影响,66~120阶的系数可表示较为浅层的岩石圈所产生的磁场分布,相对而言正负值分布较多,121-719阶系数可进一步表示更为浅层岩石圈产生的磁场分布,其中121-220阶和221-670阶在国内正负值分布较少,而671-719阶所反映的正负分布又有所增加。说明岩石圈不同深度会产生的不同尺度的磁场分布,且分布各异。 3、通过模型模拟了各年代的中国大陆地区岩石圈磁场分布,并进行了对比分析,还对1960-2000年期间的总体分布情况进行分析。结果显示:X分量在中国大陆地区整体为负值,并在青海、四川、西藏等地区的交汇处有强度为-100nT左右的负极值点,强度随经度增加,变幅为-20~-40nT左右;Y分量在中国大陆大部分地区为正值,在西北、东南和东北部分地区为负值,在国内以东经105°附近的零值线为界,西部以正值居多,东部以负值居多,强度随经度增加,变幅为40-0nT左右;Z和F分量在大陆地区皆为负值,分布类似;Z分量在青海、甘肃交界处有强度为-140nT左右的负极值点,F分量在青海省内有强度为-160左右的负极值点,强度随纬度增加,两分量变幅分别为-40~-100nT左右和-60~-100nT左右;H分量无论是极值点还是强度变化都与X分量类似;D分量在中国大陆的分布与Y分量类似,强度随经度增加,变幅为4~0°左右;1分量在大陆地区以负值为主,在东北、西北和西南少数地区存在正值,强度随经度增加,变幅为0.5--0.5°左右。通过模拟和分析不同年代的岩石圈磁场的变化态势和分布特征,为深入研究对应年代的成土母质磁性、土壤质地等提供了参考。 4、利用MF7、NGDC-720、EMM2010及CM4四种全球模型计算并模拟了中国大陆地区的岩石圈磁场,比较后表明整体趋势较为一致。MF7、NGDC-720和EMM2010的正负分布较为复杂,能反映更多的岩石圈磁场分布特征。根据全球模型的分布特点,可结合研究区域的磁性岩石、土壤成分等分布,建立关系模型以研究。将Taylor多项式模型与CM4模型所模拟的岩石圈磁场比较,结果表明两种模型的X、Z、F和H分量差异较大,但是Y、D和1分量的整体分布趋势存在相似之处,差异可能是截断阶数和建模原理不同所致。由于所选用的地面实测数据密度要远远高于四种全球模型,且所使用的区域模型也较为成熟,因此所得到的中国大陆地区岩石圈磁场模型仍然具有相当的参考价值。 5、使用数据与建模原理的不同是造成全球模型和区域模型在模拟岩石圈磁场时产生差异的主要原因;而模型所代表的场源以及建模原理的不同是造成Taylor多项式模型和曲面Spline模型模拟岩石圈磁场差异的主要原因,对造成这些差异的原因进行了深入分析。可根据全球模型较为一致的岩石圈磁场分布特点,结合研究区域的成土母质的磁性、磁化率等数据,进行对比分析。若在地磁测量、数据处理以及模型建立方面有所提高,可进一步提高模拟质量。根据选取模型的特点,也为研究不同地域、不同尺度、不同类型的相关土壤属性研究提供指导。对岩石圈磁场模型的模拟结果和误差通过回归分析、平均绝对误差((MAPE)等方法进行了分析。测点较多年代的Taylor模型拟合效果较好。各年代的平均绝对预测误差都小于110nT和0.10°。 6、通过两个应用实例——应用岩石圈磁场模型开展了863项目“室内水下地磁导航技术研究”和中石油合作的技术攻关项目“石油套管地应力探测技术”研究,验证了模拟结果的可靠性,并证明了岩石圈磁场模型具有广泛的应用价值。


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