地磁观测技术的原理与应用

刘迪仁 北京信息职业技术学院 100015

【文章摘要】

本文对地磁观测技术的原理进行了概述，分析总结了我国地磁观测技术的应用情况，对关键的观测技术进行探讨，为我国地磁观测技术提供科学指南。

【关键词】

地磁场；地磁观测；磁偏角；磁倾角； 磁力仪

1 地磁观测技术原理概述

地磁场是重要的地球物理场。通过地磁观测，可以监测地球地磁环境。地磁观测所产出的地磁基本数据、地磁图及地磁场数学模型，在环境保护、资源探测、通信导航、航空航天、地质构造、地震预测、地球深部研究、空间天气与空间电磁环境研究等领域都具有广泛而重要的应用。

地磁场是随时间和空间而变化的矢量场。地磁场可分为内源场、外源场和感应场。内源场占地磁场的主要能量成分；外源场能量较弱，变化剧烈。地磁图和地磁模型是描述地磁场的。国际地磁学与高空物理学协会(IAGA) 研究出了全球地磁场模型（IGRF），以五年为间隔发布IGRF。

为了描述地磁场的空间分布特性，科学界习惯上采用图1 所示的观测点直角坐标系，

即以观测点为坐标系的原点，分别取地理北向、地理东向和垂直向下为x、y 和z 轴的正向。在这个坐标系中，地磁场矢量的分量分别称为北向分量、东向分量和垂直分量，并记做x、y 和z。在地磁场测量和研究中常用到其他四个要素，即水平强度H、磁偏角（地理北向与磁场水平分量H 的夹角，用D 表示，地磁场东偏为正）、磁倾角（地磁场与水平面的夹角，记做I， 磁场向下为正）和总强度（F）。地磁场的这七个要素中只有三个（F、D、I）是独立的， 其余要素可求出。

地磁场同时也随时间变化，变化特征有全球性，同一观测点的磁场随太阳的活动而变化，即日变。相对地磁记录仪是观测记录地磁场随时间变化规律的磁力仪。

观测地磁场的仪器称为磁力仪，其观测分为绝对测量和相对测量。根据测量精度分为低精度磁力仪、中精度磁力仪、高精度磁力仪；根据测量原理分为质子磁力仪、光泵磁力仪、磁通门磁力仪、质子电子双共振磁力仪、原子磁力仪、DI 磁力仪。

地磁场根据观测的空间分为陆地磁测、海洋磁测、航空磁测和卫星磁测，陆地磁测一般使用磁偏角仪测量地磁偏角，质子磁力仪测量地磁场总场，海洋磁测主要携带测量总场仪器进行地磁测量；根据测量范围的不同，地磁测量又可分为全球性、区域性和地方性观测。

2 地磁观测的关键技术

地磁观测技术与所有测量技术一样， 其核心是观测仪器的技术。仪器的分辨力、精度、准确度、稳定性、智能化程度是最关键的技术。对于不同的测量原理来说，仪器的技术指标和特性也不一样。地磁观测中，地磁场的总场值（F）、磁偏角（D）、磁倾角（I）、水平分量H、垂直分量Z、地磁相对变化基线值等指标的观测是地磁观测的关键技术。

地磁观测要素中，对总场值、磁偏角和磁倾角三要素的测量为主。陆地、海洋、太空一般使用质子磁力仪或光泵磁力仪测量地磁总强度；用磁通门无磁经纬仪测量磁偏角和磁倾角。北京市京核鑫隆科技中心的JHC-168T 是最先进的高精度质子磁力仪，其分辨力为0.01nT, 精度达到0.21nT ；JHC-01DI 磁力仪是最先进的磁偏角和磁倾角测量仪。

3 我国地磁观测技术的应用情况

我国的地磁测量起源于17 世纪。1950 年开始全国范围的陆地磁测，并完成了全国地磁普测。1953 年开始航空磁测，出版了中国航空磁力异常图，主要用磁通门磁力仪和质子磁力仪，也使用光泵磁力仪测量。我国的海洋磁测主要是利用拖曳式质子磁力仪测量。

处理观测资料，从地磁测量资料中进行仪器差改正，把各个测点的观测值归一化为同一时刻和同一标准的数值的过程叫地磁测量资料的通化。

我国在全国有上百个地磁台站，测点位置分布均匀，磁场环境好，研究地磁场及其长期变化，观测通常使用G856T 高精度磁力仪。

海洋磁测从二十世纪五十年代开始， 用拖曳式质子磁力仪测量，海洋磁测对编制海磁图、研究海洋地质和海底资源都有重要的作用。

航空磁测用飞机携带磁力仪在空中进行地磁测量。我国采用磁通门磁力仪、质子磁力仪和光泵磁力仪测量地磁场总强度，飞行高度低，线间距离为几百米。

地磁测量，包含基本磁场和变化磁场。为了得到某一测点的基本磁场，就必须把变化磁场从观测值中减去，利用地磁台的日变记录，按观测的时间，进行日变改正。由于纬度的变化，每个地磁台的控制半径约为500 公里。不同磁力仪的观测结果应归算到共同标准，进行仪器比测， 并确定仪器差。

我国陆地和海洋的磁偏角测量中，一般采用京核鑫隆科技中心的CTM-DI(A) 磁力仪、JHC-01DI 磁力仪，该仪器也是我国地磁图编制和台站日常地磁观测的主要仪器。磁偏角各地不同，随地球磁场不断变化，我国每五年开展一次全国普测。

4 结论

综上所述，地磁场观测技术是研究地球的最重要的基础技术，其在环境、采矿、能源、通信导航、航空航天、地质构造、地震预测、地球深部研究、空间天气与空间电磁环境研究等领域都有广泛而重要的应用。观测仪器的高、精、尖对观测技术起着重大的推动作用。我国最新研制的JHC- 01DI 磁力仪、JHC-168T 磁力仪及高精度的地磁日变化站仪器使我国的地磁观测技术处于世界先进水平。

【参考文献】

[1] 刘迪仁. 周勋. 高精度智能质子磁力仪的原理及应用. 电子制作 2012 年11 月

[2] 刘迪仁. 高精度智能质子磁力仪的最新发展. 电子制作.2013 年8 月（上）

[3] 宋臣田等 地震监测仪器大全. 北京 地震出版社 2008 年6 月

[4] 周锦屏. 高玉芳等译. 地磁测量与地磁台站工作指南. 北京. 地震出版社 1999.6

[5] 管志宁. 地磁场与磁力勘探. 北京. 地质出版社.2005

【作者简介】

刘迪仁 硕士 高级工程师 副教授、中国仪器仪表学会地质仪器分会理事、中国地球物理学会会员、北京电子学会会员，研究方向为智能仪器

图1 地磁场观测点坐标系及地磁场038