陈志强先生对中国地磁台网建设的卓越贡献＊

周锦屏

（中国地震局地球物理研究所，北京100081）

（作者电子信箱，周锦屏：jpz＿bj＠163.com）

陈志强先生（1904～1989）是地磁学家，中国现代地磁科学的开创者和奠基人之一。曾任中国科学院地球物理研究所副研究员、地磁研究室主任，国家地震局地球物理研究所副研究员、研究员。20世纪三、四十年代，他参与的几处地磁台站观测记录以及多处野外地磁测量，为编制首幅中国地磁图提供了有价值的地磁数据。新中国成立之后，他参与制定了中国地磁台网建设和野外测量的远景规划，主持、参与了6个地磁基准台的建设。他以深厚的数理功底和对地磁学的深刻了解，提出了一套适合中国实际的、系统的地磁台建设理论、原则和方法，对中国地磁台网的建设和发展做出了卓越的贡献［1］。

1 参与制定中国地磁台站建设的远景规划

地磁学是一门实验性很强的科学，它如同天文学一样具有对观测方法的依赖性。自从19世纪30年代发明了能定量测定地磁3要素的观测仪，人们获取地球内部和广阔外层空间环境活动及地磁时空分布信息成为可能。因此，在地球表面进行地磁测量和建立永久性地磁台是进行地磁研究不可替代的方法。新中国成立之前，陈志强先生参与了南京紫金山、桂林良丰雁山和福建崇安等永久性与临时性地磁台的建设及观测工作［2］。特别是，新中国成立之后，以中国地磁学奠基人陈宗器为首的老一辈地磁学家，为研究中国广大地区地磁场的变化规律，着手规划中国地磁台网建设。陈志强先生参与了制定中国地磁台网的远景发展规划，并亲自主持、参与北京、广州、拉萨、武汉、兰州、乌鲁木齐等地磁台的方案论证、台址堪选、基本建设、装台等部分工作。陈志强先生以深厚的数理功底，提出了一套比较系统、完整的地磁台建设理论、原则与方法，其系统性、完整性前所未有，具有独创性。它对后来全国地磁台站的建设与发展，提供了理论指导和技术支持，对地磁台的建设发挥了重要的作用。

2 建立地磁台的理论依据

（1）中国最早发现磁铁和发明指南针。指南针最早叫司南，大约出现在战国时期。据历史记载，约在北宋后期，指南针已用于航海，在当时大大地促进了航海事业的发展。陈志强先生指出，如果没有磁铁的发现，便没有磁之作用的物理知识，更不会深入研究地磁场的知识；若没有后来交通的发达、航行的需要，地磁研究也不会发展。

（2）陈志强先生认为，如果地磁场的方向、大小不变化，则只要进行地磁测量就行了，用不着到处设台观测；可是根据观测研究发现，地磁场具有随地而变、随时而异的特征，因此要在一个固定的地点来观测它是怎样变化的，求出变化的规律来，以资航行之方便和其他方面的应用。

（3）陈志强先生还认为，野外巡回测量，在一处停留时间短，测次少，所得数值准确度低；而固定一处，测量日子长，测次多，准确度高。所以，为代表某一区域地磁场准确数值起见，就必须有固定地点的长期观测。所以要想知道基本磁场和变化磁场准确数值，就非建台站不可。

（4）陈志强先生明确回答了变化磁场主要记录什么的问题。首先是记录规则日变化，日、季、年长期变化等，这是正常记录仪的任务（满足了一般应用的需求）。他进一步指出，电离层和高空应用显得不够，必须进行短周期变化和特殊变化（如脉动、磁暴等方面）的记录。在这一方面，当时格式的台站不论在建台布局还是建筑结构上，尤其在记录仪本身上（当时还没有快速记录和脉动仪等），都远不能满足要求，是有待努力的一个方面。

由此可见，建立地磁台的科学意义在于，能够获得所代表地区的地磁场绝对值和正常变化值，同时也要做好预备，为取得特殊变化值开辟园地。

3 地磁台的布局及其原则

随着航行的发展，逐步设立地磁台成为必要。不过在19世纪和20世纪初，国外尚无详细的设台计划，更无设台的布局问题。其时，即使英国在印度有计划做大地测量和地磁普测，并与美国海洋大地测量局一起设立5个地磁台，日本中央气象局设立5个地磁台，恐怕未必有统一领导的全盘考虑的布局问题。1930～1933年的国际极年，尤其是1957～1958年的国际地球物理年，就全球而言，有计划进行布局，但在一国之内尚没有计划布局设台的国家。19世纪及20世纪初，外国人在我国各地纷纷设台观测，我国学者也曾在南京、桂林等地设台观测，但是也是无计划无布局原则的设台观测。直至20 世纪50年代初，我国着手有计划、有步骤地进行地磁台网的建设，陈志强先生在深入调查研究国内外地磁台站发展现状的基础上，首次提出了我国地磁台网的布局原则。他认为，从整体而言，中国地区地磁基本场的分布比较均匀，一般变化率不大；中国地处中低纬度，地磁场正常变化随地磁纬度的变化而变化，亦随地理纬度的变化而变化，经度的情况也是这样；一般而言，在500km 范围内地磁场正常变化大致相同，因此台站布局原则应遵循同纬度、同经度，两台相隔1000km进行网格状布局［1］。这是我国基本地磁台网建设与发展的极其重要的布局原则，并且一直沿用至今。

4 选择地磁台址的技术要求

一个永久性地磁台产出数据的质量与台址的优劣有着极为密切的关系。因此对台址的选择有严格的要求。20 世纪50 年代初，我国逐步建设地磁台站，除上海佘山台之外，其他台站都要从选址开始建设，当时尚无一套完整的、系统的台站观测技术规范。此时的陈志强先生已注意到这个问题，并提出了一套系统的、实用的选台要求，这些要求成为后来制定中国地磁台网《地磁观测技术规范》的基础。陈志强先生的选台技术要求可以归纳为以下几点：

（1）地磁条件。能够代表一个区域的正常磁场及其正常变化规律的台址。具体要求在100km 方圆内，磁场变化率不大，且是“单向”的。在100米方圆内磁场均匀度不超过0.5 ～1nT/m，变化率小的好，大的不好。如果区域内ΔZ 出现最大值或最小值，即可认为不是“单向”的，该区域不适宜于建台。

（2）环境条件。既要避免天然干扰又要避免人为干扰，要注意到都市大规模经济建设在最近20 年内所达不到的地点。地点最好设在离大中城市5～10km 方圆之内，若离开城市太远，似乎失去地区意义。尤其应注意到该测点应远离电车、发电厂、大型机械厂、一般重工业生产大工厂、高压线、公路干线、钢筋大型建筑物、砖瓦建筑物、拖拉机等干扰源（具体数据略）。陈志强先生根据理论计算得出的这些结果，是确定新台址的客观依据。

（3）地质条件。应避开变质岩、火成岩、已露头的岩石（除非确认其为石灰岩）地区选址。可选择冲积层平地、中平台或馒头型、土墩型的地形。须注意在300m、500m至1 000m方圆内是否有高地可竖立标志的地方。

（4）气候条件。选择空气畅通而无激流，不是峡谷、山口等风力很大和温度急剧变化之处。台址需有水源但水位又不能太高，台址应是向南朝阳、地表干燥而不潮湿者。

（5）凡属永久性地磁台，均为有人值守的台站。为了能够长期维持正常工作，选址时必须考虑工作和生活条件，如交通、道路、供电、供水、通信、商店、医院、学校等。

（6）为今后发展留有余地，考虑相关研究和拓展观测项目。

5 地磁台的建筑问题

地磁台的建筑包括绝对观测室、相对记录室、实验室及观测亭等土木工程。它是一种特殊建筑，其规模并不大，但技术要求很严，施工工艺要求苛刻，材料要求特殊，所有这些对保证地磁观测数据的精度至关重要。陈志强先生根据国内外的建台经验及当时的实际情况，提出了具有实用价值的有关土木建筑的若干问题。

（1）相对记录室建在地面，易于施工，造价经济，保温性能差；建在地下，结构复杂，造价高，保温性能好。前者适用于昼夜温差较小的南方，后者适用于我国的西部和北方地区。总之，要因地制宜。

（2）绝对观测室与相对记录室的布设可采用分开和相连的两种形式。分开布设的优点是，观测仪与记录仪之间互不干扰，如北京、拉萨、武汉、乌鲁木齐等台采用分开布设。观测室与记录室相连布设的优点是，有利于防潮保温、便于管理，其缺点是二者距离太近，铁磁物质、大型仪器彼此产生互感，会有干扰，如佘山、长春、广州、兰州等台采用相连布设。

（3）无磁性建筑内外墙基础的稳定性、室内防潮保温等环境条件，与地磁仪器产出的数据质量息息相关。例如在保温问题上，一般只注重墙体的厚薄，而忽略了房顶的保温措施。陈志强先生提出的内外墙基础是指墙体基础应与墩子基础同深，否则会产生挤压现象，进而会引起记录数据人为漂移现象。陈志强先生对此十分重视，并作为一个问题提出来，用以指导全国地磁台的建设。

（4）陈志强先生进一步提出了一系列防潮保温措施，如设立多道门、回转走廊、棉帘、棉门、房顶加木屑等，这些看似十分平常的措施，实践证明易于操作，行之有效。

6 建筑材料问题

地磁台建筑是一种用特殊材料建成的无磁性建筑物。这种建筑物顾名思义，就是用无磁性或弱磁性材料建筑而成。陈志强先生指出：

（1）在设计时避免使用铁磁性（包括剩余磁性）系数大的顺磁性物体，如铁条、钢筋、铁钉、角铁等金属构件，必要时可用铜、铝等材料代替。一般烧制后的砖、瓦及花岗岩等天然岩石磁性大，应避免使用。可用大理石、石灰石、红色砂岩等弱磁性天然岩石代之。

（2）门闩、把手、窗户、风钩、插销、地板、钉子等小五金材料，尽量改用竹木或其他非金属材料代替。

（3）离仪器盒靠近的用料应充分注意其免磁性，如墩子（木柱、石子、水泥、砂石等），靠近仪器墙体更应注意其材料磁性的纯洁。室内加隔音板以防噪音，加防潮粉、置干燥剂以防潮湿，涂柏油和防蚁粉，是为了防腐。

7 磁性物体对磁场干扰量的估计

在选台过程中或在平时总会有人咨询地磁专家，一个磁性物体如铁塔、铁路、汽车、高压线、大型建筑物及工矿企业等的建设，对地磁台应保持多少距离就对地磁观测没有影响？当时，在教科书或台站手册中尚无现成答案，这是一个很难回答的问题。其复杂性在于构成磁性物体的成分复杂、几何形状复杂，它所产生的磁场很难计算。陈志强先生根据磁偶极子磁场的原理进行简化，进而给出了一个实用化的公式。他定义，1g 的铁，距1cm 处的磁矩为1/103A·m2，根据公式H＝2 M/r3计算1kg的铁，在1 m 处可能产生的磁场为200nT；在10m 处可能产生的磁场为0.2nT；10t钢铁在500m 处可能产生的磁场为0.016nT，如此等等。此法的优点是，只需知道磁性物体的重量与地磁测点的距离，便可以估算出H 的影响值；反之，只要已知磁性物体的重量和影响值，便可以求得距离。其估算结果与目前《地磁台站工作指南》中提供的公式相比较，其误差约在1～10nT 量级。须指出，此误差与磁性物体的体积有关。总之，这是一个既简便又实用的科学估计方法。

8 关于均匀磁场的概念及其判别方法

在地磁台址勘测中，须选择水平磁场梯度均匀区作为候选台址。但问题是，何谓均匀磁场？判别的标准是什么？对此陈志强先生给出了明确的定义，并有十分清晰的概念。其基本思想是：

（1）所谓地区磁场是否“均匀”，含义之一若指“均一”而言，即在所选定地区范围内，磁场的大小和方向完全一样，实际上，这种情形在自然界是不存在的。

（2）含义之二系指“均匀变化”而言，即是说在选定地区范围内，ΔZ 磁场的变化是“单向”的，自选定测区的一端至另一端，ΔZ 逐渐地增大或减小，变化率平均不超过0.5～1nT/m。如果地区出现或大或小的变化，或出现最大值和最小值，则认为这种情况是非“单向”变化，不适宜于建台。

（3）上述均匀情况，可用“等值曲线”的形态方法分析判定。如果曲线簇彼此是平行的，或类似平行的，变化率不超过1nT/m，即每隔10nT 所绘成的“等值曲线”间隔为10m 者，则可以认为该地区的磁场分布是均匀的。如果曲线簇呈现许多圆圈的，则可视为磁场分布是不够均匀的。

9 中国骨干地磁台网建设成功的意义［3］

（1）在1957～1959年期间，先后建成北京（1957）、长春（1957）、拉萨（1957）、广州（1958）、兰州（1959）、武汉（1959）等6个永久性地磁台，充实完善了上海佘山台（1874），加上1965年补建的乌鲁木齐台，组成了我国骨干地磁台网。这是我国较早建立的地磁台，通称“老八台”，为日后地磁台网的建设起到了示范作用，为中国地磁科学的研究与发展奠定了基础。

（2）在IGY（国际地球物理年）的推动下，在当时国家外汇十分紧缺的情况下，我国地磁台站配备齐全世界一流的先进地磁绝对观测仪器和相对记录设备。尤其是我国自行设计、研制成功的57地磁记录仪，填补了自行研制地磁记录仪的空白。

（3）1957～1958年，正是人类有太阳黑子记录以来，最为强烈的第19 个太阳活动峰年，太阳活动十分频繁，引起了一系列日地扰动事件。在此期间，我国地磁台网记录到磁暴、弯扰、钩扰等各种形态的地磁场变化，例如，各台站都完整地记录到Dst＜－100nT 的大磁暴50 个强烈的地磁扰动。正因为这样，IGY 联合观测活动延长到1959年，称为国际地球物理合作（IGC）。

（4）地磁数据是地球物理资料中最为重要的基础资料之一，“老八台”长期坚持连续观测记录，积累了十分丰富和宝贵的地磁资料。这些珍贵资料，为地震监测部门提供了可靠数据，应用于震磁关系的探索和研究，为各地区监测地震活动服务。在野外地磁测量，编制区域地磁图、中国地磁图，矿产资源调查等应用领域，在地磁学和空间科学等领域，乃至全球地磁学研究及国际地磁参考场模型的建立方面，都提供了大量可靠资料，发挥了至关重要的作用。

（5）经国务院批准，1978年开始进行国际地磁资料交换，我国有17 个地磁台被国际专门机构编入重要台站之列。“老八台”中的兰州、肇庆（前身是广州台）地磁台，于2003年先后参加INTERMAGNET 国际地磁实时观测网，成为全球92 个标准数字化地磁观测台站的一部分。据不完全统计，与30多个国家、近50 家单位进行资料交换，交换回近70 种资料，对发展我国地球科学起到了难以估量的作用。

（6）1984 年4 月 日 本 地 球 百 年 观 测（1882～1983）纪念事务委员会，赠送我国具有百年以上台龄的佘山地磁台金质奖章、“老八台”中的长春、北京、武汉、广州、兰州、拉萨、乌鲁木齐等7个地磁台银质奖章。1994年，IAGA（国际地磁学与高空物理协会）授予笔者“长期服务奖”，是获该荣誉的第一位中国人。由此可见，陈志强先生等老一辈地磁学家为我国骨干地磁台网的建设功不可没。

致谢：本文在写作过程中承蒙原《红旗》、《求是》杂志陈展超编审的大力支持和热忱帮助，在此深表感谢！

［1］孙鸿烈.20世纪中国知名科学家学术成就概览·地学卷·地球物理学分册.北京：科学出版社，2010：68－78

［2］陈申华.奠基铺路 贡献一生//陈展超，等.尘封六十载.北京：红旗出版社，2007：18－29

［3］陈斯文，陈雅丹.摘下绽放的北极星.北京：中国科学技术出版社，2009：330－338