陳志強(qiáng)先生對(duì)中國地磁臺(tái)網(wǎng)建設(shè)的卓越貢獻(xiàn)＊

周錦屏

（中國地震局地球物理研究所，北京100081）

（作者電子信箱，周錦屏：jpz＿bj＠163.com）

陳志強(qiáng)先生（1904～1989）是地磁學(xué)家，中國現(xiàn)代地磁科學(xué)的開創(chuàng)者和奠基人之一。曾任中國科學(xué)院地球物理研究所副研究員、地磁研究室主任，國家地震局地球物理研究所副研究員、研究員。20世紀(jì)三、四十年代，他參與的幾處地磁臺(tái)站觀測(cè)記錄以及多處野外地磁測(cè)量，為編制首幅中國地磁圖提供了有價(jià)值的地磁數(shù)據(jù)。新中國成立之后，他參與制定了中國地磁臺(tái)網(wǎng)建設(shè)和野外測(cè)量的遠(yuǎn)景規(guī)劃，主持、參與了6個(gè)地磁基準(zhǔn)臺(tái)的建設(shè)。他以深厚的數(shù)理功底和對(duì)地磁學(xué)的深刻了解，提出了一套適合中國實(shí)際的、系統(tǒng)的地磁臺(tái)建設(shè)理論、原則和方法，對(duì)中國地磁臺(tái)網(wǎng)的建設(shè)和發(fā)展做出了卓越的貢獻(xiàn)［1］。

1 參與制定中國地磁臺(tái)站建設(shè)的遠(yuǎn)景規(guī)劃

地磁學(xué)是一門實(shí)驗(yàn)性很強(qiáng)的科學(xué)，它如同天文學(xué)一樣具有對(duì)觀測(cè)方法的依賴性。自從19世紀(jì)30年代發(fā)明了能定量測(cè)定地磁3要素的觀測(cè)儀，人們獲取地球內(nèi)部和廣闊外層空間環(huán)境活動(dòng)及地磁時(shí)空分布信息成為可能。因此，在地球表面進(jìn)行地磁測(cè)量和建立永久性地磁臺(tái)是進(jìn)行地磁研究不可替代的方法。新中國成立之前，陳志強(qiáng)先生參與了南京紫金山、桂林良豐雁山和福建崇安等永久性與臨時(shí)性地磁臺(tái)的建設(shè)及觀測(cè)工作［2］。特別是，新中國成立之后，以中國地磁學(xué)奠基人陳宗器為首的老一輩地磁學(xué)家，為研究中國廣大地區(qū)地磁場(chǎng)的變化規(guī)律，著手規(guī)劃中國地磁臺(tái)網(wǎng)建設(shè)。陳志強(qiáng)先生參與了制定中國地磁臺(tái)網(wǎng)的遠(yuǎn)景發(fā)展規(guī)劃，并親自主持、參與北京、廣州、拉薩、武漢、蘭州、烏魯木齊等地磁臺(tái)的方案論證、臺(tái)址堪選、基本建設(shè)、裝臺(tái)等部分工作。陳志強(qiáng)先生以深厚的數(shù)理功底，提出了一套比較系統(tǒng)、完整的地磁臺(tái)建設(shè)理論、原則與方法，其系統(tǒng)性、完整性前所未有，具有獨(dú)創(chuàng)性。它對(duì)后來全國地磁臺(tái)站的建設(shè)與發(fā)展，提供了理論指導(dǎo)和技術(shù)支持，對(duì)地磁臺(tái)的建設(shè)發(fā)揮了重要的作用。

2 建立地磁臺(tái)的理論依據(jù)

（1）中國最早發(fā)現(xiàn)磁鐵和發(fā)明指南針。指南針最早叫司南，大約出現(xiàn)在戰(zhàn)國時(shí)期。據(jù)歷史記載，約在北宋后期，指南針已用于航海，在當(dāng)時(shí)大大地促進(jìn)了航海事業(yè)的發(fā)展。陳志強(qiáng)先生指出，如果沒有磁鐵的發(fā)現(xiàn)，便沒有磁之作用的物理知識(shí)，更不會(huì)深入研究地磁場(chǎng)的知識(shí)；若沒有后來交通的發(fā)達(dá)、航行的需要，地磁研究也不會(huì)發(fā)展。

（2）陳志強(qiáng)先生認(rèn)為，如果地磁場(chǎng)的方向、大小不變化，則只要進(jìn)行地磁測(cè)量就行了，用不著到處設(shè)臺(tái)觀測(cè)；可是根據(jù)觀測(cè)研究發(fā)現(xiàn)，地磁場(chǎng)具有隨地而變、隨時(shí)而異的特征，因此要在一個(gè)固定的地點(diǎn)來觀測(cè)它是怎樣變化的，求出變化的規(guī)律來，以資航行之方便和其他方面的應(yīng)用。

（3）陳志強(qiáng)先生還認(rèn)為，野外巡回測(cè)量，在一處停留時(shí)間短，測(cè)次少，所得數(shù)值準(zhǔn)確度低；而固定一處，測(cè)量日子長，測(cè)次多，準(zhǔn)確度高。所以，為代表某一區(qū)域地磁場(chǎng)準(zhǔn)確數(shù)值起見，就必須有固定地點(diǎn)的長期觀測(cè)。所以要想知道基本磁場(chǎng)和變化磁場(chǎng)準(zhǔn)確數(shù)值，就非建臺(tái)站不可。

（4）陳志強(qiáng)先生明確回答了變化磁場(chǎng)主要記錄什么的問題。首先是記錄規(guī)則日變化，日、季、年長期變化等，這是正常記錄儀的任務(wù)（滿足了一般應(yīng)用的需求）。他進(jìn)一步指出，電離層和高空應(yīng)用顯得不夠，必須進(jìn)行短周期變化和特殊變化（如脈動(dòng)、磁暴等方面）的記錄。在這一方面，當(dāng)時(shí)格式的臺(tái)站不論在建臺(tái)布局還是建筑結(jié)構(gòu)上，尤其在記錄儀本身上（當(dāng)時(shí)還沒有快速記錄和脈動(dòng)儀等），都遠(yuǎn)不能滿足要求，是有待努力的一個(gè)方面。

由此可見，建立地磁臺(tái)的科學(xué)意義在于，能夠獲得所代表地區(qū)的地磁場(chǎng)絕對(duì)值和正常變化值，同時(shí)也要做好預(yù)備，為取得特殊變化值開辟園地。

3 地磁臺(tái)的布局及其原則

隨著航行的發(fā)展，逐步設(shè)立地磁臺(tái)成為必要。不過在19世紀(jì)和20世紀(jì)初，國外尚無詳細(xì)的設(shè)臺(tái)計(jì)劃，更無設(shè)臺(tái)的布局問題。其時(shí)，即使英國在印度有計(jì)劃做大地測(cè)量和地磁普測(cè)，并與美國海洋大地測(cè)量局一起設(shè)立5個(gè)地磁臺(tái)，日本中央氣象局設(shè)立5個(gè)地磁臺(tái)，恐怕未必有統(tǒng)一領(lǐng)導(dǎo)的全盤考慮的布局問題。1930～1933年的國際極年，尤其是1957～1958年的國際地球物理年，就全球而言，有計(jì)劃進(jìn)行布局，但在一國之內(nèi)尚沒有計(jì)劃布局設(shè)臺(tái)的國家。19世紀(jì)及20世紀(jì)初，外國人在我國各地紛紛設(shè)臺(tái)觀測(cè)，我國學(xué)者也曾在南京、桂林等地設(shè)臺(tái)觀測(cè)，但是也是無計(jì)劃無布局原則的設(shè)臺(tái)觀測(cè)。直至20 世紀(jì)50年代初，我國著手有計(jì)劃、有步驟地進(jìn)行地磁臺(tái)網(wǎng)的建設(shè)，陳志強(qiáng)先生在深入調(diào)查研究國內(nèi)外地磁臺(tái)站發(fā)展現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，首次提出了我國地磁臺(tái)網(wǎng)的布局原則。他認(rèn)為，從整體而言，中國地區(qū)地磁基本場(chǎng)的分布比較均勻，一般變化率不大；中國地處中低緯度，地磁場(chǎng)正常變化隨地磁緯度的變化而變化，亦隨地理緯度的變化而變化，經(jīng)度的情況也是這樣；一般而言，在500km 范圍內(nèi)地磁場(chǎng)正常變化大致相同，因此臺(tái)站布局原則應(yīng)遵循同緯度、同經(jīng)度，兩臺(tái)相隔1000km進(jìn)行網(wǎng)格狀布局［1］。這是我國基本地磁臺(tái)網(wǎng)建設(shè)與發(fā)展的極其重要的布局原則，并且一直沿用至今。

4 選擇地磁臺(tái)址的技術(shù)要求

一個(gè)永久性地磁臺(tái)產(chǎn)出數(shù)據(jù)的質(zhì)量與臺(tái)址的優(yōu)劣有著極為密切的關(guān)系。因此對(duì)臺(tái)址的選擇有嚴(yán)格的要求。20 世紀(jì)50 年代初，我國逐步建設(shè)地磁臺(tái)站，除上海佘山臺(tái)之外，其他臺(tái)站都要從選址開始建設(shè)，當(dāng)時(shí)尚無一套完整的、系統(tǒng)的臺(tái)站觀測(cè)技術(shù)規(guī)范。此時(shí)的陳志強(qiáng)先生已注意到這個(gè)問題，并提出了一套系統(tǒng)的、實(shí)用的選臺(tái)要求，這些要求成為后來制定中國地磁臺(tái)網(wǎng)《地磁觀測(cè)技術(shù)規(guī)范》的基礎(chǔ)。陳志強(qiáng)先生的選臺(tái)技術(shù)要求可以歸納為以下幾點(diǎn)：

（1）地磁條件。能夠代表一個(gè)區(qū)域的正常磁場(chǎng)及其正常變化規(guī)律的臺(tái)址。具體要求在100km 方圓內(nèi)，磁場(chǎng)變化率不大，且是“單向”的。在100米方圓內(nèi)磁場(chǎng)均勻度不超過0.5 ～1nT/m，變化率小的好，大的不好。如果區(qū)域內(nèi)ΔZ 出現(xiàn)最大值或最小值，即可認(rèn)為不是“單向”的，該區(qū)域不適宜于建臺(tái)。

（2）環(huán)境條件。既要避免天然干擾又要避免人為干擾，要注意到都市大規(guī)模經(jīng)濟(jì)建設(shè)在最近20 年內(nèi)所達(dá)不到的地點(diǎn)。地點(diǎn)最好設(shè)在離大中城市5～10km 方圓之內(nèi)，若離開城市太遠(yuǎn)，似乎失去地區(qū)意義。尤其應(yīng)注意到該測(cè)點(diǎn)應(yīng)遠(yuǎn)離電車、發(fā)電廠、大型機(jī)械廠、一般重工業(yè)生產(chǎn)大工廠、高壓線、公路干線、鋼筋大型建筑物、磚瓦建筑物、拖拉機(jī)等干擾源（具體數(shù)據(jù)略）。陳志強(qiáng)先生根據(jù)理論計(jì)算得出的這些結(jié)果，是確定新臺(tái)址的客觀依據(jù)。

（3）地質(zhì)條件。應(yīng)避開變質(zhì)巖、火成巖、已露頭的巖石（除非確認(rèn)其為石灰?guī)r）地區(qū)選址?？蛇x擇沖積層平地、中平臺(tái)或饅頭型、土墩型的地形。須注意在300m、500m至1 000m方圓內(nèi)是否有高地可豎立標(biāo)志的地方。

（4）氣候條件。選擇空氣暢通而無激流，不是峽谷、山口等風(fēng)力很大和溫度急劇變化之處。臺(tái)址需有水源但水位又不能太高，臺(tái)址應(yīng)是向南朝陽、地表干燥而不潮濕者。

（5）凡屬永久性地磁臺(tái)，均為有人值守的臺(tái)站。為了能夠長期維持正常工作，選址時(shí)必須考慮工作和生活條件，如交通、道路、供電、供水、通信、商店、醫(yī)院、學(xué)校等。

（6）為今后發(fā)展留有余地，考慮相關(guān)研究和拓展觀測(cè)項(xiàng)目。

5 地磁臺(tái)的建筑問題

地磁臺(tái)的建筑包括絕對(duì)觀測(cè)室、相對(duì)記錄室、實(shí)驗(yàn)室及觀測(cè)亭等土木工程。它是一種特殊建筑，其規(guī)模并不大，但技術(shù)要求很嚴(yán)，施工工藝要求苛刻，材料要求特殊，所有這些對(duì)保證地磁觀測(cè)數(shù)據(jù)的精度至關(guān)重要。陳志強(qiáng)先生根據(jù)國內(nèi)外的建臺(tái)經(jīng)驗(yàn)及當(dāng)時(shí)的實(shí)際情況，提出了具有實(shí)用價(jià)值的有關(guān)土木建筑的若干問題。

（1）相對(duì)記錄室建在地面，易于施工，造價(jià)經(jīng)濟(jì)，保溫性能差；建在地下，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價(jià)高，保溫性能好。前者適用于晝夜溫差較小的南方，后者適用于我國的西部和北方地區(qū)?？傊?，要因地制宜。

（2）絕對(duì)觀測(cè)室與相對(duì)記錄室的布設(shè)可采用分開和相連的兩種形式。分開布設(shè)的優(yōu)點(diǎn)是，觀測(cè)儀與記錄儀之間互不干擾，如北京、拉薩、武漢、烏魯木齊等臺(tái)采用分開布設(shè)。觀測(cè)室與記錄室相連布設(shè)的優(yōu)點(diǎn)是，有利于防潮保溫、便于管理，其缺點(diǎn)是二者距離太近，鐵磁物質(zhì)、大型儀器彼此產(chǎn)生互感，會(huì)有干擾，如佘山、長春、廣州、蘭州等臺(tái)采用相連布設(shè)。

（3）無磁性建筑內(nèi)外墻基礎(chǔ)的穩(wěn)定性、室內(nèi)防潮保溫等環(huán)境條件，與地磁儀器產(chǎn)出的數(shù)據(jù)質(zhì)量息息相關(guān)。例如在保溫問題上，一般只注重墻體的厚薄，而忽略了房頂?shù)谋卮胧?。陳志?qiáng)先生提出的內(nèi)外墻基礎(chǔ)是指墻體基礎(chǔ)應(yīng)與墩子基礎(chǔ)同深，否則會(huì)產(chǎn)生擠壓現(xiàn)象，進(jìn)而會(huì)引起記錄數(shù)據(jù)人為漂移現(xiàn)象。陳志強(qiáng)先生對(duì)此十分重視，并作為一個(gè)問題提出來，用以指導(dǎo)全國地磁臺(tái)的建設(shè)。

（4）陳志強(qiáng)先生進(jìn)一步提出了一系列防潮保溫措施，如設(shè)立多道門、回轉(zhuǎn)走廊、棉簾、棉門、房頂加木屑等，這些看似十分平常的措施，實(shí)踐證明易于操作，行之有效。

6 建筑材料問題

地磁臺(tái)建筑是一種用特殊材料建成的無磁性建筑物。這種建筑物顧名思義，就是用無磁性或弱磁性材料建筑而成。陳志強(qiáng)先生指出：

（1）在設(shè)計(jì)時(shí)避免使用鐵磁性（包括剩余磁性）系數(shù)大的順磁性物體，如鐵條、鋼筋、鐵釘、角鐵等金屬構(gòu)件，必要時(shí)可用銅、鋁等材料代替。一般燒制后的磚、瓦及花崗巖等天然巖石磁性大，應(yīng)避免使用?？捎么罄硎⑹沂?、紅色砂巖等弱磁性天然巖石代之。

（2）門閂、把手、窗戶、風(fēng)鉤、插銷、地板、釘子等小五金材料，盡量改用竹木或其他非金屬材料代替。

（3）離儀器盒靠近的用料應(yīng)充分注意其免磁性，如墩子（木柱、石子、水泥、砂石等），靠近儀器墻體更應(yīng)注意其材料磁性的純潔。室內(nèi)加隔音板以防噪音，加防潮粉、置干燥劑以防潮濕，涂柏油和防蟻粉，是為了防腐。

7 磁性物體對(duì)磁場(chǎng)干擾量的估計(jì)

在選臺(tái)過程中或在平時(shí)總會(huì)有人咨詢地磁專家，一個(gè)磁性物體如鐵塔、鐵路、汽車、高壓線、大型建筑物及工礦企業(yè)等的建設(shè)，對(duì)地磁臺(tái)應(yīng)保持多少距離就對(duì)地磁觀測(cè)沒有影響？當(dāng)時(shí)，在教科書或臺(tái)站手冊(cè)中尚無現(xiàn)成答案，這是一個(gè)很難回答的問題。其復(fù)雜性在于構(gòu)成磁性物體的成分復(fù)雜、幾何形狀復(fù)雜，它所產(chǎn)生的磁場(chǎng)很難計(jì)算。陳志強(qiáng)先生根據(jù)磁偶極子磁場(chǎng)的原理進(jìn)行簡化，進(jìn)而給出了一個(gè)實(shí)用化的公式。他定義，1g 的鐵，距1cm 處的磁矩為1/103A·m2，根據(jù)公式H＝2 M/r3計(jì)算1kg的鐵，在1 m 處可能產(chǎn)生的磁場(chǎng)為200nT；在10m 處可能產(chǎn)生的磁場(chǎng)為0.2nT；10t鋼鐵在500m 處可能產(chǎn)生的磁場(chǎng)為0.016nT，如此等等。此法的優(yōu)點(diǎn)是，只需知道磁性物體的重量與地磁測(cè)點(diǎn)的距離，便可以估算出H 的影響值；反之，只要已知磁性物體的重量和影響值，便可以求得距離。其估算結(jié)果與目前《地磁臺(tái)站工作指南》中提供的公式相比較，其誤差約在1～10nT 量級(jí)。須指出，此誤差與磁性物體的體積有關(guān)?？傊?，這是一個(gè)既簡便又實(shí)用的科學(xué)估計(jì)方法。

8 關(guān)于均勻磁場(chǎng)的概念及其判別方法

在地磁臺(tái)址勘測(cè)中，須選擇水平磁場(chǎng)梯度均勻區(qū)作為候選臺(tái)址。但問題是，何謂均勻磁場(chǎng)？判別的標(biāo)準(zhǔn)是什么？對(duì)此陳志強(qiáng)先生給出了明確的定義，并有十分清晰的概念。其基本思想是：

（1）所謂地區(qū)磁場(chǎng)是否“均勻”，含義之一若指“均一”而言，即在所選定地區(qū)范圍內(nèi)，磁場(chǎng)的大小和方向完全一樣，實(shí)際上，這種情形在自然界是不存在的。

（2）含義之二系指“均勻變化”而言，即是說在選定地區(qū)范圍內(nèi)，ΔZ 磁場(chǎng)的變化是“單向”的，自選定測(cè)區(qū)的一端至另一端，ΔZ 逐漸地增大或減小，變化率平均不超過0.5～1nT/m。如果地區(qū)出現(xiàn)或大或小的變化，或出現(xiàn)最大值和最小值，則認(rèn)為這種情況是非“單向”變化，不適宜于建臺(tái)。

（3）上述均勻情況，可用“等值曲線”的形態(tài)方法分析判定。如果曲線簇彼此是平行的，或類似平行的，變化率不超過1nT/m，即每隔10nT 所繪成的“等值曲線”間隔為10m 者，則可以認(rèn)為該地區(qū)的磁場(chǎng)分布是均勻的。如果曲線簇呈現(xiàn)許多圓圈的，則可視為磁場(chǎng)分布是不夠均勻的。

9 中國骨干地磁臺(tái)網(wǎng)建設(shè)成功的意義［3］

（1）在1957～1959年期間，先后建成北京（1957）、長春（1957）、拉薩（1957）、廣州（1958）、蘭州（1959）、武漢（1959）等6個(gè)永久性地磁臺(tái)，充實(shí)完善了上海佘山臺(tái)（1874），加上1965年補(bǔ)建的烏魯木齊臺(tái)，組成了我國骨干地磁臺(tái)網(wǎng)。這是我國較早建立的地磁臺(tái)，通稱“老八臺(tái)”，為日后地磁臺(tái)網(wǎng)的建設(shè)起到了示范作用，為中國地磁科學(xué)的研究與發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

（2）在IGY（國際地球物理年）的推動(dòng)下，在當(dāng)時(shí)國家外匯十分緊缺的情況下，我國地磁臺(tái)站配備齊全世界一流的先進(jìn)地磁絕對(duì)觀測(cè)儀器和相對(duì)記錄設(shè)備。尤其是我國自行設(shè)計(jì)、研制成功的57地磁記錄儀，填補(bǔ)了自行研制地磁記錄儀的空白。

（3）1957～1958年，正是人類有太陽黑子記錄以來，最為強(qiáng)烈的第19 個(gè)太陽活動(dòng)峰年，太陽活動(dòng)十分頻繁，引起了一系列日地?cái)_動(dòng)事件。在此期間，我國地磁臺(tái)網(wǎng)記錄到磁暴、彎擾、鉤擾等各種形態(tài)的地磁場(chǎng)變化，例如，各臺(tái)站都完整地記錄到Dst＜－100nT 的大磁暴50 個(gè)強(qiáng)烈的地磁擾動(dòng)。正因?yàn)檫@樣，IGY 聯(lián)合觀測(cè)活動(dòng)延長到1959年，稱為國際地球物理合作（IGC）。

（4）地磁數(shù)據(jù)是地球物理資料中最為重要的基礎(chǔ)資料之一，“老八臺(tái)”長期堅(jiān)持連續(xù)觀測(cè)記錄，積累了十分豐富和寶貴的地磁資料。這些珍貴資料，為地震監(jiān)測(cè)部門提供了可靠數(shù)據(jù)，應(yīng)用于震磁關(guān)系的探索和研究，為各地區(qū)監(jiān)測(cè)地震活動(dòng)服務(wù)。在野外地磁測(cè)量，編制區(qū)域地磁圖、中國地磁圖，礦產(chǎn)資源調(diào)查等應(yīng)用領(lǐng)域，在地磁學(xué)和空間科學(xué)等領(lǐng)域，乃至全球地磁學(xué)研究及國際地磁參考場(chǎng)模型的建立方面，都提供了大量可靠資料，發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。

（5）經(jīng)國務(wù)院批準(zhǔn)，1978年開始進(jìn)行國際地磁資料交換，我國有17 個(gè)地磁臺(tái)被國際專門機(jī)構(gòu)編入重要臺(tái)站之列。“老八臺(tái)”中的蘭州、肇慶（前身是廣州臺(tái)）地磁臺(tái)，于2003年先后參加INTERMAGNET 國際地磁實(shí)時(shí)觀測(cè)網(wǎng)，成為全球92 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字化地磁觀測(cè)臺(tái)站的一部分。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，與30多個(gè)國家、近50 家單位進(jìn)行資料交換，交換回近70 種資料，對(duì)發(fā)展我國地球科學(xué)起到了難以估量的作用。

（6）1984 年4 月 日 本 地 球 百 年 觀 測(cè)（1882～1983）紀(jì)念事務(wù)委員會(huì)，贈(zèng)送我國具有百年以上臺(tái)齡的佘山地磁臺(tái)金質(zhì)獎(jiǎng)?wù)?、“老八臺(tái)”中的長春、北京、武漢、廣州、蘭州、拉薩、烏魯木齊等7個(gè)地磁臺(tái)銀質(zhì)獎(jiǎng)?wù)隆?994年，IAGA（國際地磁學(xué)與高空物理協(xié)會(huì)）授予筆者“長期服務(wù)獎(jiǎng)”，是獲該榮譽(yù)的第一位中國人。由此可見，陳志強(qiáng)先生等老一輩地磁學(xué)家為我國骨干地磁臺(tái)網(wǎng)的建設(shè)功不可沒。

致謝：本文在寫作過程中承蒙原《紅旗》、《求是》雜志陳展超編審的大力支持和熱忱幫助，在此深表感謝！

［1］孫鴻烈.20世紀(jì)中國知名科學(xué)家學(xué)術(shù)成就概覽·地學(xué)卷·地球物理學(xué)分冊(cè).北京：科學(xué)出版社，2010：68－78

［2］陳申華.奠基鋪路 貢獻(xiàn)一生//陳展超，等.塵封六十載.北京：紅旗出版社，2007：18－29

［3］陳斯文，陳雅丹.摘下綻放的北極星.北京：中國科學(xué)技術(shù)出版社，2009：330－338