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地磁观测台网发展简史
地磁观测台网发展简史
1.台站和台网建设
佘山地磁台的前身是由法国建成的徐家汇观象台,从1874年便有正式记录。实际上,从1842年起,便有俄国、英国和德国先后在北京炮子河、香港、青岛建立过地磁台,但后来工作都中断了,只有佘山和日本于1919年在我国台湾省伦坪建立的地磁台工作至今。当时这些由外国人在中国建立的地磁台的管理和主要工作当然都由外人承担。
中国人一直希望建立自己的地磁台,于是便有南京紫金山西坡的紫金山地磁台(1936年),广西桂林的雁山地磁台(1941年),福建崇安县(今武夷山市)的临时台(1941年),南京北极阁地磁台(1947年),但这些台站都先后毁于战乱。
新中国建立后,根据经济建设的进展和国际地球物理年联合观测的需要,在陈宗器的规划和领导下,我国先后建成长春(1953),北京(1954),拉萨(1956),广州(1957),武汉(1957),兰州(1958)地磁台,乌鲁木齐地磁台也在1964年建成。这些台站与佘山地磁台一道,称为我国地磁台中的“老八台”。这些台站的建成,为我国地磁观测台网的建设和发展奠定了初步基础。
1966年3月8日邢台地震发生后,为了探索地磁场变化与地震的关系,我国科技工作者在地震现场及其邻近地区开始进行区域性的单分量的地磁测量和日变记录,并进而建立了地磁台,正式开始了中国震磁关系的研究和地震预报探索。地磁观测作为地震前兆的一种手段,在邢台地震之后也随之得到发展,迎来了我国地磁台站建设的第二次高潮,陆续建立各种地磁台站和地磁测点逾百个。它们中的少部分服务于地磁学科的科学研究,大部分服务于地震监测预报。这些台站的建设、资料质量和运行管理等方面也千差万别,一度处于比较混乱的局面。
1981年在广东佛山召开了地磁观测台网的发展规划会议,会议制定了“地磁观测项目全国基本台站布局方案”,首次明确提出了我国地磁观测台网布局的五大原则,将地磁观测划分为Ⅰ类基本台,Ⅱ类基本台,区域台网和流动磁测。规划的Ⅰ类基本台15个,Ⅱ类基本台28个(表1)。

表1 1981年佛山会议规划的地磁基本台站

类别

省市区名

台站名

类别

省市区名

台站名

I

北京

白家疃

II

内蒙

呼和浩特、五原、赤峰

I

广东

广州、琼中(今海南省)

II

天津

静海或表光

I

吉林

长春

II

山东

泰安、临沂、或新沂(江苏)、烟台

I

新疆

乌鲁木齐、喀什

II

江苏

南京

I

云南

通海

II

陕西

乾县

I

内蒙

满洲里

II

四川

西昌、甘孜或道孚、南坪、(松潘或武都(甘肃))

I

青海

格尔木

II

云南

下关、思茅或景洪

I

上海

佘山

II

广西

邕宁

I

甘肃

兰州

II

河南

郑州或凌县

I

湖北

武汉

II

宁夏

银川

I

西藏

拉萨

II

甘肃

嘉峪关、天水

I

四川

成都

II

新疆

和田

I

福建

泉州

II

湖南

邵阳

II

河北

红山、昌黎、张家口

II

黑龙江

德都

II

辽宁

大连

II

山西

临汾或太原

1984年国家地震局组织“地磁学科清理攻关”项目,对地磁观测仪器、地磁观测台网和震磁关系研究的现状进行全面清理。对169个地磁台的观测条件和工作状态的清理结果见表2,同时对台站工作和台网布局提出以下意见:①加强台站的技术管理,特别是资料质量的管理;②培养和提高人员的技术水平,技术骨干必须保持相对稳定。要关注台站工作人员的生活;③观测仪器需要更新和补充;④加强观测环境的保护;⑤区域台的布局重点应放在京、津、张、唐地区,冀、晋、蒙交界地区和晋、冀、豫交界地区以及陕、甘、川、滇、郯庐地区,特别是滇西地区。

表2 全国地磁台站的观测条件评定表(1984年)

符合

基本符合

不符合

迁、停、撤

总计台数

工作状况正常的比例

Ⅰ类台

13

2

 

 

15

87%

Ⅱ类台

8

12

6

 

26

31%

区域台

29

79

13

7

128

23%

合计

50

93

19

7

169

30%


对地磁台站在用的各种仪器,则“进行了较为系统的比测和试验,并对过去已取得的资料进行统计分析,考察其准确性和稳定性。”发现的问题有:仪器的个别零部件(甚至是“核心部件”)材料不纯,磁性较大;悬丝式H磁变仪存在非线性系统误差;79.3%的H仪和57.9%的Z仪的温度系数不符合观测规范的要求。对于绝对观测仪器,CJ6仪测D的基线值均方差为±0.2',同时存在着重复性差、系统误差大的毛病。如能严格检验材料磁性,改进加工工艺……它的测D系统可以装备Ⅱ类台和区域台使用。H系统的重复性差,系统误差比较大,故该系统用作测量H是不可取的;国产质子旋进磁力仪用作分量测量时,与经典地磁仪器的观测精度相当,但其分量测值的系统误差大;进口仪器的观测精度高,稳定性好。
1989年按照科学性;突出重点,点面结合,兼顾发展;讲究效益,保证资料质量;以现有台站为基础的原则对地磁台网进行调整,调整的结果是在1981年佛山会议方案的基础上,保留15个Ⅰ类台,将Ⅱ类台的数量由1981年的28个减为21个。后来由于崇明台的工作达到了Ⅱ类台的要求,所以将崇明台也纳入全国地磁台网的管理序列,这样就形成了表3所示的 “十五”前全国地磁基本台网台站分布(图1)。

图1 “十五”前全国地磁基本台站分布图

2.观测技术的进步和提高
1949年以前在中国境内进行的地磁测量中,绝对观测仪器和记录仪器全部由西方国家制造,在中国境内进行的地磁测量基本上掌握在外国人手中。
解放后,在规划和建设“老八台”的同时,中国科学院地球物理研究所从1950年4月就开始筹划地磁仪器的研制工作,到1957年便成功地制出了仿La Cour地磁记录仪(简称57型仪),生产了20余套,装备了地磁台站,首次用国产的仪器记录和测量地磁场D、H、Z三个分量的相对变化。在57型的基础上,为满足野外日蚀观测的需要,该所曾经制成小型轻便的地磁记录仪,於1967年在新疆现场使用。邢台地震以后,新增加的地磁台站需要仪器。根据国家地震局下达的任务,在原有野外仪器的基础上做适当修改,於1972年研制成CB2型(俗称72型)地磁记录仪。1977年又重新设计和研制了CB3型地磁记录仪。这些相对记录仪器前后共生产了200多套满足了装备我国地磁台站的需要。
在仿制和研制经典地磁相对记录仪器所形成的人才培养、材料选用、加工生产等技术积累基础上,我国的科学工作者也开始了地磁绝对观测仪器的研制。中国科学院地球物理研究所於1975年研制成功CJ6型地磁经纬仪,用于地磁场的磁偏角和水平强度测量,但多数台站都仅将其用作磁偏角的绝对测量仪器。
1957年,秦馨菱首先将质子旋进磁力仪介绍到国内。长春地质学院,中国科学院物理研究所,地球物理所等单位开始研制质子旋进磁力仪,这是国内的地磁绝对观测仪器由经典型向电子化转变的开端。北京地质仪器厂根据长春地质学院的科研成果从20世纪70年代初开始研制和生产质子旋进磁力仪。最初的CHD-5型,CHD-6型采用晶体管电路和氖泡指示。到80年代研制成功采用CMOS集成电路和数码显示的CZM-1,CZM-2型。这些仪器除供地质部门使用外,有部分CHD-5,CHD-6仪器用于各类地磁台站的绝对观测和流动地磁测量,但很快就被CZM-2型仪器所代替。
在继国际上1955年提出质子旋进分量磁力仪(PVM)之后,北京大学於1973年在国内率先研制成功直径为400mm的Helmholtz线圈,与当时所能得到的CHD-5型(后为CZM-2型)质子旋进磁力仪配套,进行地磁场总强度F和水平强度H(或垂直强度Z)的绝对测量,使我国地磁台站的地磁强度的绝对观测由经典方法进入一个新的阶段。这也是台站舍弃CJ6仪的水平强度测量功能不用的原因之一。
1974年,根据研究地壳与上地幔电性结构的要求,中国科学院地球物理研究所研制成功三分量磁通门磁力仪,用在“青藏高原综合性科学考察”中,1981年定型为CTM-302型,主要技术指标达到当时国外同类仪器的先进水平。该仪器已在我国南极长城站和中山站长期工作。
国家地震局地球物理研究所为配合地下电性结构的研究,1984年完成DCM-1型数字地磁脉动观测系统的研制,该系统的传感器为GM-1型磁通门磁力仪。随即又将系统小型化,使之适应野外观测的需要,称为DCM-2型。在后来的十几年中,该系统多次参与野外工作,捕捉到大量的地磁脉动和地磁短周期信息,其中包括以地震预报为目的的,在北京地区布设的数字化地磁脉动观测台网。
由于有研制CB3,CJ6,CHS和CTM-302等仪器的基础,中国科学院地球物理研究所与北京光学仪器厂合作,研制成无磁性经纬仪,并将单轴磁通门磁力仪安装在无磁性经纬仪的望远镜上,制成CTM-DI仪,用于地磁台站D、I的绝对测量。该仪器采用数字显示,性能与英国的MAG-01H相近,比加拿大的DIM-100仪的体积小,使用更方便。在地磁台站的D、I的基线测量中,测量精度可达到±0.1’。与质子旋进磁力仪配合,可以实现绝对观测仪器的D、I、F组合,使我国地磁台站的绝对观测仪器装备、观测精度达到一个新的水平。
表5是“九五”前地磁基本台站的在用仪器统计结果,记录仪器全部为经典仪器和模拟记录。在“九五”期间,国家大力推进地磁台站的数字化建设,中国地震局实施了“地震前兆台站(网)技术改造”项目。其中包括对15个地磁台站的数字化改造,装备了GM-3型磁通门磁力仪。GM-3仪包括磁通门磁力仪和数字化主机两大部分,能够将H、Z、D三个方向的地磁场变化以数字形式进行记录和传输。此外,有30个台装备了CTM-DI仪,有4个台增配了G856型质子旋进磁力仪,加上1996年已有31 个台配置了G856仪,使这些台站可以使用CTM-DI仪和G856仪进行组合配套,实现了D、I、F的绝对观测,使我国地磁台站的绝对观测仪器达到了国外同类型台站的水平(表6)。表7 为 “十五”后的地磁台站仪器配置,显现出地磁台站的观测仪器进一步得到更新和提高,观测技术有了明显的提高。
3.台网的运行管理
1978年10月国家地震局决定对全国地磁台网实行两级分类管理,即一、二类基本台由国家地震局实行专业化技术管理,实施台站统一计划安排,统一规范,统一装备,统一评比和统一资料汇编的集中管理;区域性的台网,一般由各省、自治区、直辖市地震部门负责管理,技术措施参照基本台网管理办法执行。全国地磁基本台网率先实施的专业化技术管理主要包括:布局方案的制定;观测规范的统一编制;基本台网的台址选择;台站仪器与辅助设备的统一配置方案;台站正常运转与维护的技术指导;台站技术人员的培训;观测资料的汇编与评比;台站观测技术的交流等。对台网内各台站产出的观测资料引进质量评比竞争机制是一种创新,评比会每年举行一次,在推动地磁台观测工作的正常化、标准化、现代化过程中发挥了重要作用。通过资料质量评比,对推动提高台站人员的工作主动性、积极性,保证台站观测资料质量的提高,取得了明显的效果。
1977年10月28日国家地震局以(77)震发地字第241号文批准颁发执行《地震台站观测规范(试行)》。“地磁观测规范”是该规范的一部分,详细规定了台站任务、选址、建设、仪器安装维护、日常工作和资料处理等内容。这对统一观测技术和观测方法,明确资料质量要求是十分重要的,使地磁台站的技术整顿,对外资料交换有了技术保证。
“地磁观测规范(试行)”经过一段时间的运行之后,在试验和多次讨论的基础上对规范进行修订,1987年10月由国家地震局科技监测司主持召开了《地磁台站观测规范》审定会,通过了新的《地磁台站观测规范》,并于1990年正式颁布实行。
为适应“九五”期间我国地震及前兆监测系统数字化建设发展的需要,中国地震局监测预报司于1999年5月正式启动了数字化地震观测规范(试行本)的编写工作,在地震系统内部多次广泛征求意见的基础上,经过反复讨论、修改和汇总整理,数易其稿,于2001年2月定稿,形成《地震及前兆数字观测技术上,经过反复讨论、修改和汇总整理,数易其稿,于2001年2月定稿,形成《地震及前兆数字观测技术测四部分。
为保证在新技术条件下产出连续、完整、准确、可靠的观测数据,开展了与地磁观测有关的规范或技术标准的编制工作,已经发布和实施的与地磁观测有关的标准有《GB/T19531.2-2004 地震台站观测环境技术要求 第二部分:电磁观测》和《DB/T9-2004 地震台站建设规范 地磁台站》。无论是已经编制完成或正在编制中的规范或标准,在编制过程中,都充分参考了国际地磁学与高空物理协会(IAGA)对建设地磁观测网的推荐意见,并充分吸纳了我国地磁观测网在近半个世纪来的运行和管理经验,力争使编制出的标准既符合我国的基本国情,又在吸收国际先进经验的基础上具有一定的前瞻性。
国家地磁台网中心
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