摘要：地面高精度磁測的精度要求已經(jīng)達(dá)到1～5nT，傳統(tǒng)的日變改正、經(jīng)緯度改正、高度改正、總基點(diǎn)改正方法速度慢、精度低，已經(jīng)無法滿足生產(chǎn)需要。作者在實際工作中總結(jié)出了一套高效高精度的解析改正方法并編制了相應(yīng)的軟件。

　　關(guān)鍵詞：地面高精度磁測,高度改正,經(jīng)緯度改正,誤差

　　1.引言

　　眾所周知，磁法測量數(shù)據(jù)需要進(jìn)行多項改正：日變改正，消除日變影響;有多個基站時，需要進(jìn)行總基點(diǎn)改正。測區(qū)范圍較大時，需要進(jìn)行經(jīng)緯度改正;測區(qū)高差較大時，需要進(jìn)行高度改正。各項改正后得到的結(jié)果，才能得到真實反映地下磁性體引起的磁異常△T。

　　上世紀(jì)六十年代前后，磁法工作以尋找地表或埋藏較淺的磁鐵礦為主，對磁測數(shù)據(jù)的精度要求不高(一般20nT左右)。二十世紀(jì)末，逐步進(jìn)入第二找礦空間，礦體埋深較大，在地表能夠觀測到的磁異常微弱，這就要求磁測數(shù)據(jù)有更高的精度，精細(xì)反映弱磁異常。

　　表1是地面高精度磁測技術(shù)規(guī)程要求的磁測總精度及誤差分配表。有諸多因素影響著磁測總精度，要提高磁測總精度，需要降低每一項的精度。

　　隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，質(zhì)子磁力儀、光泵磁力儀等先進(jìn)的儀器已經(jīng)廣泛應(yīng)用。質(zhì)子磁力儀的靈敏度可達(dá)0.01nT，精度可達(dá)0.1nT，是目前野外生產(chǎn)的主要機(jī)型。儀器一致性誤差和噪聲誤差方面完全可以達(dá)到規(guī)范要求;操作及點(diǎn)位誤差具有較大的隨機(jī)性，主要依靠外業(yè)工作質(zhì)量保障體系保證;各項改正的精度成為影響磁測總精度的重要因素。傳統(tǒng)的改正方法已經(jīng)不適應(yīng)高精度磁測工作。

　　2.日變改正和總基點(diǎn)改正

　　在地球的變化磁場中，除大家熟悉的長期變化和靜日變化 外，還有源于空間磁場的擾動變化，包括周期從0.2～1000s的快速振動，其幅度—般在0～20nT。磁法測量必需對地磁場的這種短周期變化進(jìn)行改正，消除其影響。因此需要進(jìn)行日變觀測和日變改正。

　　地磁場短周期變化受地磁感應(yīng)場的影響特別明顯(各種電流系統(tǒng)形成的地球空間磁場中，約包含30%的感應(yīng)場)。而且周期愈短，所受影響愈大。因此必須充分重視地電結(jié)構(gòu)不同對地磁短周期變化的巨大影響，這關(guān)系到日變站的控制范圍。根據(jù)對地電結(jié)構(gòu)相同與不同地區(qū)所作一系列日變對比試驗結(jié)果可知，當(dāng)磁測均方誤差為2～5nT時，日變站的控制范圍不應(yīng)超過50km，當(dāng)要求磁測精度優(yōu)于2nT時，在地電結(jié)構(gòu)基本相同的情況下，日變站的控制范圍不應(yīng)超過30km。因此當(dāng)測區(qū)范圍較大、地電結(jié)構(gòu)復(fù)雜時，需要設(shè)立多個日變觀測站，并進(jìn)行總基點(diǎn)改正。

　　2.1 傳統(tǒng)的日變改正和總基點(diǎn)改正方法

　　需要求出每個日變觀測站的T0值。根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求，日變觀測站T0值的求取方法為：

　　做較長時間的日變觀測，讀數(shù)間隔不大于20s。選擇地磁場變化平穩(wěn)段，即2h內(nèi)地磁場平均值變比不超過2nT的時間段，求取Ti的平均值 ， 即為該處的T0值。

　　………………………(1)

　　式中：n——參與統(tǒng)計的地磁場Ti值總數(shù)，n>100。

　　日變改正方法：

　　用日變站的T0值減去日變觀測值等于日變改正值：

　　△Tr=T0 -Tr………………………(2)

　　測點(diǎn)觀測值加日變改正值等于日改后測點(diǎn)觀測值：

　　Tcr=Tc+△Tr………………………(3)

　　基點(diǎn)改正方法：

　　以上已經(jīng)計算出了測點(diǎn)的日改后磁場值Tcr，這個數(shù)據(jù)已經(jīng)消除了日變影響，用這個值減去總基點(diǎn)的T0值即為測點(diǎn)的磁異常值：

　　△Tzj=Tcr-Tzj0………………………(4)

　　公式中Tzj0為為總基點(diǎn)的T0值。

　　由公式(2)和(4)可見，改正時用到了兩個T0值：日變站T0和總基點(diǎn)TO。當(dāng)測區(qū)只有一個日變站時，兩個T0值相同;當(dāng)有兩個以上日變站時，如果T0值求的不準(zhǔn)，就會產(chǎn)生系統(tǒng)誤差。事實上，準(zhǔn)確求取T0值是很困難的，不同日期、不同時間求取的T0值存在一定的誤差。

　　下面是某地日變站不同日期求取的T0值：

　　不同日期求取的T0值誤差可達(dá)4.13nT。

　　可見，傳統(tǒng)的改正方法需要求取T0值，改正速度低，當(dāng)分基點(diǎn)較多時，這種改正方法必然產(chǎn)生較大的改正誤差。

　　2.2精確改正方法

　　為了消除基點(diǎn)T0值求取不準(zhǔn)產(chǎn)生的誤差，改正分兩步進(jìn)行。

　　第一步：日變改正和分基點(diǎn)改正一次性完成。根據(jù)(2)、(3)式，可知：

　　△TFj=Tcr-T0

　　=Tc+△Tr-T0=Tc+T0-Tr-T0=Tc-Tr………(5)

　　式中Tc是觀測點(diǎn)磁場值，Tr是測點(diǎn)觀測時刻的日變站磁場值，根據(jù)日變曲線用內(nèi)插法求取，這個工作可由專門軟件完成，同步時間可精確到秒，高精度質(zhì)子磁力儀的日變觀測時間間隔最小5s，因此，改正精度很高。

　　第二步：進(jìn)行總基點(diǎn)改正

　　改正公式為：△TZJ=△TFj+△T0…………………………………(6)

　　式中△T0總基點(diǎn)和分基點(diǎn)之間的基本磁場的差值。

　　改正精度取決于總基點(diǎn)和分基點(diǎn)之間的基本磁場的差值。事實證明，總基點(diǎn)與各個分基點(diǎn)進(jìn)行同步日變觀測，求取總基點(diǎn)與分基點(diǎn)之間的基本磁場差值，精度非常高。為避免兩臺儀器可能存在系統(tǒng)誤差帶來的影響，聯(lián)測時兩臺磁力儀還要互換進(jìn)行觀測，取兩次的平均值作為分基點(diǎn)和總基點(diǎn)之間的基本磁場的差值，可以有效消除儀器系統(tǒng)誤差帶來的影響。

　　表中1～4列由加拿大GSM-19T質(zhì)子磁力儀觀測求取;5～6列由捷克MPG-1質(zhì)子磁力儀觀測求取,為同一基點(diǎn)不同日期聯(lián)測成果。可見，聯(lián)測精度非常高，標(biāo)準(zhǔn)離差最高達(dá)0.05nT。

　　在某礦調(diào)項目，磁測工作區(qū)面積較大，總共有5個分基點(diǎn)，表4列出了T0值法和基點(diǎn)聯(lián)測法求取的總基點(diǎn)和分基點(diǎn)差值成果。

　　可見，傳統(tǒng)基點(diǎn)改正的誤差最高達(dá)4.615nT。

　　3.經(jīng)緯度改正和高度改正

　　3.1傳統(tǒng)經(jīng)緯度改正方法：

　　最傳統(tǒng)的方法是：從地磁圖查出測區(qū)地磁場值，以1nT的間距繪制T0等值線圖，從總基點(diǎn)算起，向南改正值為正，向北改正值為負(fù)。

　　線性分析法：為了提高改正精度，地球物理工作者又采用了線性分析法，用國際地磁參考場IGRF模型提供的高斯系數(shù)，用電子計算機(jī)算出測區(qū)內(nèi)1km×1km節(jié)點(diǎn)地磁場T0值。而后以1nT的間距繪制T0等值線圖。用此圖作經(jīng)緯度改正，其作法是以通過總基點(diǎn)的等恒線為零線，向北每過一條等值線減少1nT，向南每過一條等值線增加1nT，依此類推。

　　3.2常用的高程改正方法：

　　高度改正值用近似公式計算： 式中R為地球平均半徑，R=6371000m。T0為大地磁場值。

　　高度改正從總基點(diǎn)高程起算，以T0=50000nT為例，約每42m高差改正1nT，比總基點(diǎn)高42m時加1nT，比總基點(diǎn)低42m時減1nT。

　　3.3高度及經(jīng)緯度改正新方法及與傳統(tǒng)方法的對比

　　隨著計算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，利用測點(diǎn)三維坐標(biāo)計算其正常場值可以實現(xiàn)，這就使解析法進(jìn)行精確的正常場改正成為可能。

　　用國際地磁參考場IGRF模型提供的高斯系數(shù)，根據(jù)地磁場計算公示,編寫了計算軟件。輸入每個測點(diǎn)的三維坐標(biāo)，可輕松計算出總基點(diǎn)和每個測點(diǎn)的正常磁場值，則正常場改正值為總基點(diǎn)正常場值減去測點(diǎn)的正常場值：

　　△Tz=T總-T測…………………………………(7)

　　則測點(diǎn)最終磁異常為:

　　△T=△TZJ+△Tz………………………………(8)

　　式中△Tz為正常場改正值(包括了經(jīng)度、緯度和高度三項改正值)

　　△TZJ為經(jīng)過日變改正和總基點(diǎn)改正后的磁異常

　　△T為最終成果。

　　隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，幾萬個測點(diǎn)正常磁場值的計算幾分鐘就可以完成,工作效率很高。很顯然，使用公式計算出來的改正值誤差來源于計算本身，具有很高的精度。筆者對某測區(qū)傳統(tǒng)方法和解析法的經(jīng)緯度改正值和高度改正值進(jìn)行了比較。從經(jīng)緯度改正值與距離的關(guān)系和高度改正值與高程的關(guān)系圖可以看到，經(jīng)緯度改正值與測點(diǎn)到總基點(diǎn)的距離呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，距離越遠(yuǎn)誤差越大;高度改正值與高差呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，高差越大誤差越大。

　　可見，當(dāng)測區(qū)范圍或測區(qū)高差較大時，傳統(tǒng)的改正方法誤差達(dá)到3～4nT，很難滿足高精度磁測的要求，必需采用解析改正法。

　　4.結(jié)論

　　由于新的日變改正方法不再需要求取基點(diǎn)T0值,基點(diǎn)改正需要的分基點(diǎn)和總基點(diǎn)的總場差值則通過聯(lián)測方法求取,聯(lián)測精度與儀器有關(guān)，可達(dá)0.05nT。采用計算機(jī)軟件進(jìn)行改正，計算誤差可以忽略不計，大大提高了改正的速度和精度。

　　用國際地磁參考場IGRF模型提供的高斯系數(shù)，根據(jù)測點(diǎn)的三維坐標(biāo)，用自編軟件計算出總基點(diǎn)和每個測點(diǎn)的磁場值，一次性完成經(jīng)度、緯度和高度三項改正，與傳統(tǒng)的改正方法相比，解析法改正精度高速度快，已逐步成為高精度磁法測量必須采用的改正方法。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1] 長春地質(zhì)學(xué)院.磁法勘探.地質(zhì)出版社 1978

　　[2] 史 謌.地球物理學(xué)基礎(chǔ).北京大學(xué)出版社，2002

　　[3] 劉運(yùn)生.地球物理學(xué)簡明教程.地震出版社.1996

　　[4] 齊文秀，金屬礦物探新方法新技術(shù).地質(zhì)與勘探.2005-11

　　[5] 管志寧. 我國磁法勘探的研究與進(jìn)展. 地質(zhì)與勘探. 2005-6

　　[6] 地質(zhì)礦產(chǎn)部. 地面高精度磁測技術(shù)規(guī)程. DZ/T 0071-93

　　本文選自《電子質(zhì)量》。  《電子質(zhì)量》(國際標(biāo)準(zhǔn)連續(xù)出版物號：ISSN1003-0107，國內(nèi)統(tǒng)一連續(xù)出版物號：CN44-1038/TN)是中國電子行業(yè)質(zhì)量權(quán)威刊物，國家級中央科技期刊。本刊秉承一貫的專業(yè)性和權(quán)威性的辦刊宗旨，堅持前瞻性、技術(shù)性和實用性的編輯方針，為電子業(yè)界的工程師和技術(shù)研發(fā)、質(zhì)量管理人員提供全面、可靠的技術(shù)應(yīng)用信息和最領(lǐng)先的質(zhì)量管理方法。