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  • CN 62-1091/P
  • ISSN 1001-8166
  • 月刊 创刊于1986年
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地球科学进展, 2019, 34(3): 288-294 doi: 10.11867/j.issn.1001-8166.2019.03.0288

地球磁异常(EMAG2)数据中海域资料质量评估

以北极地区Kolbeinsey脊南段为例

张春灌,, 李想, 袁炳强, 宋立军

1. 西安石油大学 地球科学与工程学院,陕西 西安 710065

Quality Evaluation of Offshore Data in the Earth Magnetic Anomaly Grid(2-arc-Minute Resolution)Taking the Southern Section of the Kolbeinsey Ridge in the Arctic Region as an Example

Zhang Chunguan,, Li Xiang, Yuan Bingqiang, Song Lijun

1. School of Earth Sciences and Engineering, Xi’an Shiyou University, Xi’an 710065, China

收稿日期: 2018-09-25   修回日期: 2019-02-15   网络出版日期: 2019-04-25

基金资助: 陕西省自然科学基础研究计划资助项目“新疆东北部盆地基底构造属性的地球物理约束”.  编号:2017JM4007
中国地质调查局项目“21世纪海上丝绸之路区域地质构造特征研究”.  编号:DD20160227

Received: 2018-09-25   Revised: 2019-02-15   Online: 2019-04-25

作者简介 About authors

张春灌(1981-),男,江西于都人,副教授,主要从事综合地球物理勘探及构造地球物理的教学和科研工作.E-mail:chunguan-zhang@163.com , E-mail:chunguan-zhang@163.com

摘要

为了评估地球磁异常(EMAG2)数据中海域资料的质量问题,选择Kolbeinsey脊南段地区约193 500 km2的1∶500 000及1∶1 000 000的航磁数据进行对比分析。基于地球磁异常(EMAG2)数据,利用解析延拓方法获得了EMAG2(向下延拓4 km)及航磁异常(向上延拓4 km)。利用相关分析法对EMAG2与航磁异常(向上延拓4 km)、EMAG2(向下延拓4 km)与航磁异常进行相关分析,得到了相应的相关系数。通过对这些数据之间相关系数及差值特征的综合分析,评估了EMAG2数据中Kolbeinsey脊南段地区磁力数据的质量。研究结果表明,EMAG2数据融合了大量海域航空磁测及海洋磁测资料,在测线较密的海域,其数据质量相对较高。然而若将4 km高度的EMAG2数据换算到海平面高度的异常数据,其数据质量较低。

关键词: 质量评估 ; 海域数据 ; 地球磁异常(EMAG2) ; Kolbeinsey脊南段 ; 北极地区

Abstract

In order to evaluate the quality of the offshore magnetic data in the Earth Magnetic Anomaly Grid (2-arc-minute resolution)(EMAG2), the authors chose the aeromagnetic data at 1∶500 000 and 1∶1 000 000 scales of the southern section of the Kolbeinsey Ridge with a total area of 193 500 km2 to compare and analyze. Based on the EMAG2 data, the authors obtained the EMAG2 (downward continuation 4 km) and the aeromagnetic anomaly (upward continuation 4 km) using the analytical continuation method. Then, the correlation coefficients between the aeromagnetic anomaly (upward continuation 4 km) and the EMAG2, and the aeromagnetic anomaly and the EMAG2 (downward continuation 4 km) were calculated by the correlation analysis method. Finally, through comprehensive analysis of the features of these correlation coefficients and differences, the quality of the magnetic data of the southern section of the Kolbeinsey Ridge was evaluated in the database EMAG2. The results showed that the EMAG2 integrated a large number of the airborne or offshore magnetic data. The quality of the offshore magnetic data is relatively high in the offshore areas with dense lines. However, the quality of the offshore magnetic data is relatively low if the EMAG2 data at 4 km altitude is converted to the anomaly data at sea level.

Keywords: Quality evaluation ; Offshore data ; Earth Magnetic Anomaly Grid (2-arc-minute resolution) ; Southern section of the Kolbeinsey Ridge ; Arctic region.

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本文引用格式

张春灌, 李想, 袁炳强, 宋立军. 地球磁异常(EMAG2)数据中海域资料质量评估. 地球科学进展[J], 2019, 34(3): 288-294 doi:10.11867/j.issn.1001-8166.2019.03.0288

Zhang Chunguan. Quality Evaluation of Offshore Data in the Earth Magnetic Anomaly Grid(2-arc-Minute Resolution)Taking the Southern Section of the Kolbeinsey Ridge in the Arctic Region as an Example. Advances in Earth Science[J], 2019, 34(3): 288-294 doi:10.11867/j.issn.1001-8166.2019.03.0288

1 引 言

2009年3月,美国国家地理数据中心(National Geographic Data Center, NGDC)发布了地球磁异常[Earth Magnetic Anomaly Grid (2-arc-minute resolution),EMAG2]数据。EMAG2是由美国、德国、新西兰、加拿大、英国、挪威、俄罗斯、澳大利亚、沙特阿拉伯、法国、意大利共11个国家、23位科学家共同完成,数据融合了卫星磁测、海洋磁测以及航空磁测数据,换算高度为4 km,空间分辨率为2弧分(约3.7 km)[1]。自发布以来,EMAG2受到了广泛关注[2,3,4,5,6]。研究人员多利用EMAG2数据开展地质领域的研究,主要包括大陆边缘及大洋中脊的地质背景研究[7,8]、全球板块系统的地球动力学重建[9]、全球居里点深度模型估算[10]、大陆磁性层底界深度反演及深部结构研究[11]、盆地地壳磁性结构及居里面深度反演[12,13]、海底扩张历史重建[14,15]、海域新航空磁测工作开展的图件参考[16]。另外,EMAG2数据还被用于地磁场辅助水下潜艇导航的可行性及效果研究[17,18,19]。然而,在具有大量海洋磁测及航空磁测资料覆盖的海域,换算高度为4 km的EMAG2数据的质量高低显然对于利用EMAG2数据解决海域相关问题时存在制约。

为了评估EMAG2数据中海域资料质量,系统收集了美国海军海洋学办公室(US Naval Oceanographic Office)于1973年在Kolbeinsey脊南段地区完成的1∶500 000及1∶1 000 000航磁测量数据。本文拟基于EMAG2数据及航磁数据利用解析延拓方法计算EMAG2(向下延拓4 km)及航磁异常(向上延拓4 km),并对EMAG2与航磁异常(向上延拓4 km)、EMAG2(向下延拓4 km)与航磁异常进行对比分析,进而对北极地区Kolbeinsey脊南段EMAG2数据质量进行评估。

2 方法与技术

2.1 解析延拓

根据某观测面上的实测磁异常,换算场源以外其他空间位置的磁异常称为磁异常的解析延拓。当换算平面位于实测平面之上,称为向上延拓;反之,当换算平面位于实测平面之下,称为向下延拓。磁异常解析延拓的频谱表达式为[20]

T(x,y,z)=--ST(u,v,0)e2πu2+v2ze2πi(ux+vy)dudv

式中:uv分别为xy方向上的圆频率,z为延拓高度,iST(u,v,0)的异常频谱。公式(1)表明,由z=0平面上的磁场值,求出它的傅里叶变换ST(u,v,0),由它乘以延拓因子e2πu2+v2z(-∞<z<Hz>0时为向下延拓,z<0时为向上延拓),然后通过反傅里叶变换,即可求出z<H空间磁场的表达式。

2.2 相关分析

为了详细分析EMAG2与航磁异常之间的关系,本文利用了相关分析方法[21,22]

现象之间的相互联系,常表现为一定的关系,其中一个或若干个起着影响作用的变量用X表示,与之相关的另一现象变量用Y表示。通常用相关系数r来表征这2个量的相互关联程度。

r=x-x¯y-y¯nx-x¯2ny-y¯2n=x-x¯y-y¯x-x¯2y-y¯2

式中:n是变量X的个数,x¯是变量X的平均值,y¯是变量Y的平均值。

相关系数r的取值范围:-1≤r≤1。r>0为正相关,r<0为负相关;|r|=0表示不存在相关关系;|r|=1表示完全线性相关;0<|r|<1表示存在不同程度线性相关;|r|≤0.3为不存在线性相关;0.3<|r|≤0.5为低程度线性相关;0.5<|r|≤0.8为显著线性相关;|r|>0.8为高度线性相关。

3 对比与分析

研究区位于冰岛北部、格陵兰岛东南部海域,地理坐标为66.5º~70.0ºN,10º~22ºW,面积约193 500 km2。Kolbeinsey脊南段位于研究区中部,在海底地形上有明显的特征(图1)。研究区西部及北部航磁测线间距约为5.5 km,测线上的点距约为0.4 km,磁测比例尺为1∶500 000;研究区东南部航磁测线间距约为11.1 km,测线上的点距约为0.4 km,磁测比例尺为 1∶1 000 000,航磁测线如图1所示。尽管EMAG2数据融合了大量航磁数据,然而美国国家地理数据中心并未发布数据源的具体信息,因此不能确定研究区范围内的EMAG2数据是否包含了本次研究所用的航磁数据。为了便于数据的对比分析,本文首先基于EMAG2数据及航磁数据利用解析延拓方法计算EMAG2(向下延拓 4 km)及航磁异常(向上延拓4 km),使得EMAG2与航磁异常(向上延拓4 km)、EMAG2(向下延拓4 km)与航磁异常分别处于同一高度。然后利用相关分析方法对EMAG2与航磁异常(向上延拓4 km)、EMAG2(向下延拓4 km)与航磁异常进行相关分析,获得相应的相关系数,结果如图2和图3所示。

图1

图1   Kolbeinsey脊南段海底地形及航磁测线分布图

Fig. 1   The map of seafloor topography and distribution of aeromagnetic survey lines in the southern section of the Kolbeinsey Ridge


图2

图2   Kolbeinsey脊南段磁力异常(4 km高度)及数据对比图

Fig. 2   The map of magnetic anomaly (4 km altitude) and data comparison in the southern section of the Kolbeinsey Ridge

(a)EMAG2;(b)航磁异常(向上延拓4 km);(c)航磁异常(向上延拓4 km)与EMAG2的相关系数;(d)航磁异常(向上延拓4 km)与EMAG2的差值;(e)M测线磁异常及差值;(f)N测线磁异常及差值

(a) Earth Magnetic Anomaly Grid (2-arc-minute resolution)(EMAG2); (b) Aeromagnetic anomaly (upward continuation 4 km); (c) The correlation coefficient between the aeromagnetic anomaly (upward continuation 4 km) and the Earth Magnetic Anomaly Grid (2-arc-minute resolution(EMAG2); (d) The difference between the aeromagnetic anomaly (upward continuation 4 km) and the Earth Magnetic Anomaly Grid(2-arc-minute resolution)(EMAG2); (e) The magnetic anomaly and difference of the M line; (f) The magnetic anomaly and difference of the N line


图3

图3   Kolbeinsey脊南段磁力异常(海平面)及数据对比图

Fig. 3   The map of magnetic anomaly (sea level) and data comparison in the southern section of the Kolbeinsey Ridge

(a)EMAG2(向下延拓4 km);(b)航磁异常;(c)航磁异常与EMAG2(向下延拓4 km)的相关系数;(d)航磁异常与EMAG2(向下延拓4 km)的差值; (e)M测线磁异常及差值;(f)N测线磁异常及差值

(a) Earth Magnetic Anomaly Grid (2-arc-minute resolution)(EMAG2) (downward continuation 4 km); (b) Aeromagnetic anomaly; (c) The correlation coefficient between the aeromagnetic anomaly and the Earth Magnetic Anomaly Grid (2-arc-minute resolution)(EMAG2)(downward continuation 4 km); (d) The difference between the aeromagnetic anomaly and the Earth Magnetic Anomaly Grid (2-arc-minute resolution)(EMAG2) (downward continuation 4 km); (e) The magnetic anomaly and difference of the M line; (f) The magnetic anomaly and difference of the N line


研究区EMAG2与航磁异常(向上延拓4 km)之间存在明显的相关关系(图2a和图2b),这种相关关系在相关系数图(图2c)上亦有较为明显的显示。相关系数大于0.8的区域占总面积的60.02%,相关系数为0.5~0.8的区域占总面积的16.71%,相关系数为0.3~0.5的区域占总面积的5.61%,相关系数为-1.0~0.3的区域占总面积的17.66%,并且相关系数数值变化与异常走向一致,表明EMAG2与航磁异常(向上延拓4 km)的变化特征宏观上较为一致,然而异常的细节上存在较为明显的差异。Kolbeinsey脊轴部的相关系数总体表现为大于0.8,意味着EMAG2与航磁异常(向上延拓4 km)高度正线性相关,表明两者都能很好地反映Kolbeinsey脊轴部的横向分布特征。然而Kolbeinsey脊轴部两侧约75 km的范围内相关系数多小于0.3,意味着EMAG2与航磁异常(向上延拓4 km)正相关性较差,表明两者反映Kolbeinsey脊轴部两侧的横向分布特征并不一致。航磁异常(向上延拓4 km)与EMAG2的差值绝对值小于10 nT的区域占总面积的13.12%,差值绝对值为10~50 nT的区域占总面积的44.55%,差值绝对值为50~100 nT的区域占总面积的26.79%,差值绝对值大于100 nT的区域占总面积的15.54%,表明这2种数据的差异较大(图2d)。测线磁异常及差值剖面(图2e和图2f)显示,EMAG2与航磁异常(向上延拓4 km)在形态特征方面宏观上具有一致性,且EMAG2与航磁异常(向上延拓4 km)经过圆滑后的结果非常一致。虽然差值的总体变化特征跟异常走向基本一致,但是Kolbeinsey脊差值变化尤为显著,意味着地球磁异常(EMAG2)数据在Kolbeinsey脊南段损失了更多的磁异常细节特征,表明航磁异常(向上延拓4 km)比地球磁异常(EMAG2)能更好地反映出Kolbeinsey脊的细节分布特征。

本区EMAG2(向下延拓4 km)与航磁异常之间存在一定的相关关系(图3a和图3b),这种相关关系在相关系数图(图3c)上有相对应的显示。相关系数大于0.8的区域占总面积的34.43%,相关系数为0.5~0.8的区域占总面积的22.31%,相关系数为0.3~0.5的区域占总面积的9.09%,相关系数为 -1.0~0.3的区域占总面积的34.17%,并且相关系数数值变化与异常走向总体一致,表明地EMAG2(向下延拓4 km)与航磁异常的变化特征宏观上具有一致性,然而异常的细节上存在非常明显的差异。Kolbeinsey脊轴部的相关系数总体表现为大于0.8,意味着EMAG2(向下延拓4 km)与航磁异常 依然高度正线性相关,表明两者亦能很好地 反映Kolbeinsey脊轴部的横向分布特征。然而Kolbeinsey脊轴部两侧约110 km的范围内相关系数大多小于0.3,意味着EMAG2(向下延拓4 km)与航磁异常总体上表现为非线性相关或负线性相关,表明两者反映Kolbeinsey脊轴部两侧的横向分布特征很不一致。航磁异常与EMAG2(向下延拓4 km)的差值绝对值小于10 nT的区域占总面积的7.38%,差值绝对值为10~50 nT的区域占总面积的25.67%,差值绝对值为50~100 nT的区域占总面积的23.05%,差值绝对值大于100 nT的区域占总面积的43.90%,表明这2种数据的差异非常大(图3d)。测线磁异常及差值剖面(图3e和图3f)显示,尽管EMAG2(向下延拓4 km)与航磁异常两者在形态特征方面宏观上具有一致性,然而EMAG2(向下延拓4 km)明显与航磁异常经过圆滑后的结果非常一致。Kolbeinsey脊差值绝对值总体上大于100 nT,表明EMAG2(向下延拓4 km)和EMAG2一样仅能宏观反映出Kolbeinsey脊的大致分布特征,而航磁异常则能很好地反映出Kolbeinsey脊的细节分布特征。

EMAG2与航磁异常(向上延拓4 km)之间的相关系数及差值特征表明,在如本区航空磁测测线较密的海域,EMAG2数据与航磁异常(向上延拓4 km)数据差异相对较小,EMAG2数据融合了航空磁测资料,数据总体质量较高。EMAG2(向下延拓 4 km)与航磁异常之间的相关系数及差值特征表明,两者差异较大,尽管EMAG2数据融合了航空磁测资料,但是EMAG2向下延拓至海平面高度之后的数据总体质量很低,远远弱于航磁异常数据质量。

4 结 语

Kolbeinsey脊南段的数据对比与分析表明,美国国家地理数据中心发布的EMAG2数据融合了大量海域航空磁测及海洋磁测资料,在测线较密的海域,其数据质量相对较高。然而若将4 km高度的EMAG2数据换算到海平面高度的异常数据,其数据质量较低。

鉴于海域不同地区航空磁测及海洋磁测的资料分布及质量不同,在利用EMAG2数据中海域资料时,可以先在美国NGDC或在GETECH地球物理公司查询所涉及工作区的磁力资料分布情况,然后再分析该区磁力资料质量的高低。

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