2. 中国科学院地质与地球物理研究所, 北京空间环境国家野外科学观测研究站, 北京 100029;
3. 中国科学院地质与地球物理研究所, 北京 100029
2. Beijing National Observatory of Space Environment, Institute of Geology and Geophysics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029, China;
3. Institute of Geology and Geophysics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029, China
新中国成立后,从1950年开始在全国范围内,有计划、系统地进行了全国地磁测量、编制地磁图和建立地磁模型等工作.在此前,自1683年开始,在中国就开始零散进行过地磁测量.而中国近代地磁测量则始于19世纪下半叶,地磁图编制工作则要晚到20世纪30年代,建立地磁模型的工作则更迟到20世纪40年代.我国学者对解放以后中国的地磁测量研究进行过深入系统的总结(朱岗崑,1979;徐文耀, 1994,1997;安振昌, 1999,2002),对相应的地磁图编制和地磁模型研究也获得了很多研究进展(安振昌,1995;徐文耀等,2011),但对解放以前中国的地磁测量研究几乎无人问津.
2010年,中国地球物理学会承担了中国科学技术协会“中国地球物理学学科史研究”项目,2012年完成.继而又获得中国科学院的支持,对 “中国地球物理学学科史”进行补充、修改和完善工作.其间,课题组和地磁学家合作,对1949年以前中国地磁学史进行了深入研究:在广泛收集历史资料基础上,对资料进行了整理、研判;对研究文献进行了梳理;对解放以前的中国地磁测量、地磁图和地磁模型进行了全面系统的评述.
陈宗器先生对1943年以前的中国地磁测量进行了经典的权威的总结(陈宗器,1944;桂质廷,1986),本文将这种总结延伸至1949年.文章首次全面考察评述了解放以前中国的地磁图和地磁模型,并计算研究了1936.0年地磁场的球冠谐模型和曲面样条模型.文章还介绍了1900.0—1940.0年5个 年代的中国地磁数据集、地磁模型和地磁图,为研究 我国20世纪上半叶地磁场时空变化创造了条件.文章最后对我国今后的地磁测量研究工作给出了几点建议.
回顾中国地磁学的发展历程,陈宗器等老一辈地磁学家的学术思想对于当今中国地磁学发展仍有重要指导意义. 2 地磁测量 2.1 初期地磁测量
中国境内现代科学意义上最早的地磁测量是1683年(清康熙二十二年)在北京测量地磁偏角.初期地磁测量,测量要素不完全.最初只测量磁偏角,后来除测量磁偏角外还测量磁倾角.这些地磁测量均为外国人所做的零星工作(陈宗器,1944).1683—1782年近一百年间,只是在北京、南京、广州等十余点测量单一地磁要素磁偏角;1780—1892年一百多年间,在香港和上海徐家汇两地进行磁偏角和磁倾角两个地磁要素的重复地磁测量,其中在香港测量磁偏角12次,测量磁倾角18次;在上海徐家汇先后4次测量磁偏角和磁倾角.2.2 近代地磁测量
近代地磁测量是指地磁三个独立要素的绝对测量,例如测量磁偏角(D)、磁倾角(I)和水平强度(H),或测量磁偏角、磁倾角和总强度(F). 2.2.1 外国人进行的地磁测量
中国境内最早的地磁三分量绝对测量是1867年俄国人H.Fritsche在库伦测量磁偏角、磁倾角和水平强度.19世纪下半叶至20世纪初,俄国、法国、日本、美国和德国先后在我国进行地磁三分量绝对测量. 按年代先后,简单列举如下(陈宗器,1944;Burgaud和鲁如曾,1937):
1867—1913年,俄国人在我国共测263点.
1897—1937年上海徐家汇地磁台法国人和中国人在长江流域、东南沿海及两广云南等地共测123点,其中包括17个地磁复测点( Observatoire deZi-Ka-Wei,1909).
1903年日本人在香港、徐家汇等地测量4点.
1906—1935年美国华盛顿卡耐基研究所在中国境内共测553点(复测点累积计算).开始阶段完全由美国人进行测量,20世纪30年代以后出现了 中国人的身影( Carnegie Institution ofWashington, 1911,1914,1921,1927;Brown and Kwei, 1933).
1926—1928年和1936—1938年德国人W.Filchner曾先后两次在新疆、甘肃、西藏、青海等地共测510点. 2.2.2 中国人进行的地磁测量
20世纪20年代初开始,越来越多的中国人进行地磁三分量绝对测量.按时间先后,分述如下(陈宗器,1944;Burgaud和鲁如曾,1937):
1922年5月—1923年2月,鲁如曾测量厦门、福州、杭州、南京、济南、天津等16点.这是首次由中国人完成的地磁三分量绝对测量( Observatoire deZi-Ka-Wei,1923).
1932年5—7月教育部中央气象台青岛观象台吕蓬仙、徐汇阔在山东半岛高密、淮县、蓬莱等11点进行地磁野外三分量绝对测量(吕蓬仙,1933).
1932年7—9月,美国人F.C.Brown和桂质廷复测西安、郑州、太原、北平等8点,并新测狭州及定县两点(Brown and Kwei, 1933).
1933年7月桂质廷测量宜昌、重庆、万县等5点.
1934年12月至1935年1月法国人比尔格(S. J. Burgaud)与龚惠人测量北海、昆明、龙州等6点.
1935年7—8月桂质廷复测广州、南宁、桂林等6点.
1936年3—6月,中央研究院物理研究所陈宗器负责,鲁如曾协助,共测广州、汕头、厦门、福州、温州、普陀等14点.
1939年4—6月,陈志强、林树棠等测量广西宜山、河池、柳州等8点.
1940年12月陈宗器、陈志强等测量广西桂林良丰雁山1点.
1940—1943年经济部中央地质调查所刘庆龄、李善邦在我国西南地区四川、云南、贵州、湖南共完成66个测点的地磁三分量绝对测量(Liu and Lee, 1948).
1941年12月至1942年7月,中央研究院物理研究所与福建气象局合作测量福建省地磁场,陈志强与舒盘铭、陈宗器与吴乾章、吴乾章与舒盘铭先后共测13点.
1945年12月至1946年5月陈宗器在重庆北碚地区进行了详细的地磁三分量绝对测量,共完成15个测点(Chen,1948).
1946—1947年陈宗器主持下,刘庆龄、胡岳仁和周绳祖在中国各地共测47个三分量地磁测点(包括32个复测点),其中刘庆龄和胡岳仁在四川测量16点,在长江流域测量21点;刘庆龄和周绳祖在东南沿海和南海海域共测10点.其中1947年4月25—28日在西沙永兴岛的测量以及1947年5月22—23日在南沙太平岛的测量,这是中国学者首次完成我国南海诸岛地磁三分量绝对测量(Chen and Liu, 1948).
综上所述,1922—1949年中国学者共完成218个测点的地磁三分量绝对测量,其中刘庆龄先后完成113个测点的地磁测量,包括永兴岛和太平岛的测量.这些地磁数据为编绘我国首幅1950.0年中国地磁图奠定了坚实基础.该地磁图于1955年在上海正式出版并通过审查审评,中国科学院副院长竺可桢指出:“《1950.0中国地磁图》代表了中国科学水平,你们完成了一件有意义的工作,更希望你们做出更多首创的成绩.” 3 地磁图 3.1 1932年山东半岛地磁图
青岛观象台吕蓬仙、徐汇阔2人根据1932年在山东半岛获得的11个野外地磁测点和青岛地磁台共12个地点的三分量地磁数据,于1933年编绘出版1932年山东半岛地磁图,包括磁偏角、水平强度和磁倾角共3幅彩色地磁图(吕蓬仙,1933).根据地磁图出版时间的先后,1932年山东半岛地磁图是中国学者绘制的中国第一幅区域地磁图.3.2 1915.0年和1936.0年中国(部分地区)地磁图
上海徐家汇地磁台Burgaud和鲁如曾(1937)共同编绘1915.0年和1936.0年中国地磁图.虽然称作“中国地磁图”,但图幅范围仅为18°N—44°N,98°E—125°E.远没有涵盖整个中国地区,故我们称作“中国(部分地区)地磁图”.该地磁图是根据1906—1936年期间的415个地磁测点数据编绘的,其中1906—1917年主要是美国华盛顿卡耐基研究所在中国进行地磁测量,1922—1936年除卡耐基研究所的地磁测量外,还有中国人进行的地磁测量.1915.0年地磁图只有磁偏角地磁图,1936.0年地磁图包括三个地磁要素的地磁图:磁偏角、水平强度和垂直强度.该地磁图不仅有等值线图,而且还有等变线图,分别为:1915.0年和1936.0年两幅磁偏 角等值线图,1909—1915,1915—1920,1920—1930,1930—1936 四幅磁偏角等变线图(或称长期变化图);1936.0年水平强度等值线图,以及1908—1917,1917—1922,1922—1936三幅水平强度等变线图(或称长期变化图);1936.0年垂直强度等值线图,以及1908—1922,1922—1936年两幅垂直强度等变线图(或称长期变化图).3.3 1945.0 年东亚地磁图
朱岗崑(1950)在《中国科学》上发表了“1945.0年东亚地磁图”,包括磁偏角图、水平强度图、垂直强度图和磁倾角图共四幅地磁图.每幅地磁图上只有等值线,而无等变线.
朱岗崑根据Vestine等(1947)书中表 47、48、49和52给出的1945.0年地磁场网格点(5°×5°或10°×10°)数据以及刘庆龄和李善邦于1940—1943年在中国西南地区的地磁测量数据(Liu and Lee, 1948)和陈宗器、刘庆龄于1946—1947年所获得的地磁数据(Chen and Liu, 1948),编绘了1945.0年东亚地磁图.
1945.0年东亚地磁图的范围为10°N—60°N,80°E—150°E,包括了中国绝大部分地区,但没有包括新疆、西藏的西部地区,故严格地讲朱岗崑编绘的1945.0年东亚地磁图并非是第一套涵盖中国全境的地磁图.3.4 1946.1年四川北碚地区地磁图
陈宗器等于1945年12月25日至1946年5月5日在四川北碚地区进行了详细的地磁测量,使用Askania便携式地磁经纬仪测量磁偏角、磁倾角和水平强度;在进行野外测量的时候,还用Smith磁力仪和Askania小型地磁感应仪在测区基点上进行了磁偏角、水平强度和磁倾角的日变观测.
野外测量共15个测点,测量开始和结束以及测量中间,野外测量仪器均在基点(日变站)进行仪器比测,最后还与上海佘山地磁台的仪器进行了比测,以达到国际地磁标准(IMS).每个测点的测量值均进行日变改正,然后归算至1946年2月5日,即1946.1年.陈宗器根据这些地磁数据,编绘1946.1年四川北碚地区地磁图,包括磁偏角、磁倾角和水平强度三幅地磁图,并分析了地磁场的空间变化特征(Chen,1948;Chapman and Bartels, 1940).
陈宗器在地磁测量过程中设立地磁日变站和进行地磁仪器比测的作法,对保证地磁数据的精度十分必要,对当今我国地磁测量仍具有重要的指导意义. 4 地磁模型 4.1 1946.1年四川北碚地区地磁场泰勒多项式模型
1948年陈宗器指出四川北碚地区地磁测量数据可以用测点经纬度的二阶泰勒多项式表示(Chen,1948).例如地磁偏角D的表达式为:
陈宗器计算的1946.1年四川北碚地区地磁场泰勒多项式模型,这是中国学者首次计算的地磁模型,陈宗器也是世界首位计算中国国内地磁场模型的学者.4.2 1936.0年中国地区地磁场的球冠谐模型
安振昌(2003a)计算了1936.0中国地区地磁场的球冠谐模型.1936.0年426个三分量地磁测点分布在18°N—44°N和98°E—124.5°E范围内,覆盖中国大部分地区,但并非整个中国.为了计算中国及邻近地区的地磁模型,在周围地区均匀布设66个国际地磁参考场(IGRF)计算点.根据上述地磁数据,计算了1936.0年中国地区地磁场8阶球冠谐模型,绘制各个地磁要素的等值线分布图,并研究地磁场的空间分布特征.4.31936.0年中国(部分地区)地磁场曲面Spline模型
高金田等(2006)根据1936.0年426个测点以及28个IGRF计算点,共计454个点的地磁数据,计算地磁场各个分量的曲面Spline模型(研究区域为18°N—44°N,98°E—125°E),并编绘1936.0年中国(部分地区)地磁图. 5 1900.0—1940.0年中国地区地磁数据集,地磁模型和地磁图 5.1 1900.0—1940.0年中国地磁数据集
为了获取整个中国地区的地磁数据,安振昌、顾左文、高金田等把中国地磁图分成三个区域:(1)实测区:1936.0年426个地磁测点所在的区域(18°N—44°N,98°E—125°E).
(2)归算区:44°N以北,98°E以西的中国境内区域.
(3)IGRF计算区:中国境外的周边地区. 5.1.1 1900.0—1940.0年实测区地磁数据集
为了把实测区426个地磁测点1936.0年的磁偏角、水平强度和垂直强度数据归算至1900.0,1910.0,1920.0,1930.0和1940.0的地磁数据,我们选用曲面Spline方法,分别建立了1909—1936年4幅磁偏角等变线图;1908—1936年3幅水平强度等变线图以及1908—1936年2幅垂直强度等变线图,共计9幅等变线图(或长期变化图)的曲面Spline模型(高金田等,2006),并假设在各个时间段以及外延过程中,各地磁要素的长期变化为线性变化,于是将1936.0年的426个地磁测点的三分量地磁数据归算至1900.0,1910.0,1920.0,1930.0和1940.0共5个年代,为建立1900.0—1940.0年中国地磁数据集和中国地磁场模型奠定基础. 5.1.2 1900.0—1940.0年归算区地磁数据集
假设在几十年时间尺度内地磁场异常值不随时间变化.将我国测点最多的1970年(1882个地磁测点)的中国地磁异常场球冠谐模型所表示的74个均匀分布的磁异常计算值(安振昌,2003b),与相应年代的地磁场全球模型IGRF的计算值(主磁场值)相加,就可获得对应年代的地磁场三分量绝对值,例如:ΔD1970表示1970年磁异常场,DIGRF1900表示IGRF1900计算值,二者相加,DIGRF1900+ΔD1970就表示1900.0年地磁场绝对值.用同样的方法可以获得1910.0,1920.0,1930.0,1940.0年的地磁数据集. 5.1.31900.0—1940.0年IGRF计算区地磁数据集
在中国周边地区均匀选取38个IGRF计算点,根据相应年代的IGRF模型(Finlay et al.,2010),很容易计算对应年代的地磁场值(三分量绝对值),得到IGRF计算区的1900.0,1910.0,1920.0,1930.0和1940.0年5个年代的地磁数据集.
将上述实测区、归算区和IGRF计算区的地磁数据相加,就得到1900.0—1940.0年5个年代的中国地磁数据集.为研究我国20世纪上半叶地磁场时空变化创造了条件.5.2 1900.0—1940.0年中国地磁模型
根据1900.0—1940.0年中国地磁数据集,我们使用以下三种数学方法,建立三种类型的中国地磁模型.
(1)泰勒多项式模型
地磁场分布可以用地理纬度和经度的泰勒多项式表示(Chen and Liu, 1948):
式中F为地磁场的一个分量,X,Y或Z;A为多项式系数,根据测点的实测值用最小二乘法确定.φ0=45°,λ0=105°.(2)球冠谐模型
在球冠坐标系里,磁异常可以表示为(Hains,1985):
式中X为地磁场东西方向强度,Y为地磁场南北方向强度,Z为地磁场垂直强度;Pnk(m)m(cosθ)为非整数阶nk(m)和整数次m的Schmidt缔合Legendre函数;a为地球参考半径,取6371.2 km;r为离开地心的距离;gmk、hmk为冠谐系数,根据地磁场的观测值用最小二乘法确定;θ为余纬,θ=90°-φ.(3)曲面Spline模型
地磁场的分布可以表示为(安振昌等,1982):
W(x,y)为坐标为(x,y)处的地磁场;r2=x2+ y2;ε为控制曲面曲率变化的小量;a0、a1、a2和Fi为待定系数.
1900.0—1940.0年5个年代中国地磁模型的建立,填补了20世纪上半叶中国地磁模型的空白,使我国具有1900.0—2010.0年一百多年完整的中 国地磁模型系列,提高了我国地磁学的整体研究水平. 5.3 1900.0—1940.0年中国地磁图集
根据上述三种不同类型的中国地磁模型,绘制三种数学模型地磁图(或称理论地磁图),分别是:1900.0,1910.0,1920.0,1930.0,1940.0年5个年代的:
(1)泰勒多项式模型中国地磁图;
(2)球冠谐模型中国地磁图;
(3)曲面Spline模型中国地磁图.
1900.0—1940.0年5个年代的中国地磁图填补了20世纪上半叶中国地磁图的空缺,使我国具有1900.0—2010.0年完整的中国地磁图系列,提升了中国地磁图在各个领域的科学研究和应用价值. 6 对今后我国地磁测量研究工作的几点建议6.1 关于地磁测量
陈宗器(1944)关于地磁测量提出了4点建议:(1)测点须增加,(2)分布须均匀,(3)复测点须加多,(4)复测年限须缩短.这些建议对我国当代地磁测量仍具有指导意义,对我国地磁学科的发展具有深远影响.根据陈宗器的统计和我们的补充,1867—1949年中国境内共有958个三分量地磁测点.据我们的统计1950—2010年中国境内共完成三分量地磁测点4948个(复测点累积计算).陈宗器曾建议“全国当有三千余点”.经过60余年的努力,我国地磁测点总数已远远超过三千余点,然而陈宗器指出的“分布须均匀”、“从未测量之地带亟应增加新点”的建议仍具有现实指导意义.陈宗器提出的“复测点须加多”以及“中国的地磁复测点约三百余点”和“每隔五六年(最长十年)必须复测一次”的建议,更应引起我国地磁学界的高度重视.
1950—2010年间,中国科学院地球物理研究所、中国地震局地球物理研究所先后组织8次全国范围地磁测量和1次青藏高原地磁测量(安振昌等,1985;安振昌,1999).中国地磁测量有了迅速的发展,测量范围从大陆扩展到沿海岛屿以及南海海域岛礁.测量技术和使用仪器堪称世界一流.测量周期由10年缩短为5年,可与世界发达国家相比(中国地球物理学会,2012).
如果我们能建立起复测点数量合理,分布均匀,数据可靠的地磁复测点网,这将大大提高研究我国地磁场时空分布规律的水平.地磁复测点可以视为地磁台站空间分布不均匀的合理而有效的补充(Newitt et al., 2002;Jankowski and Sucksdoff, 1999).地磁台数据和地磁复测点数据结合在一起使用,才能建立起高精度的地磁长期变化模型,只使用三十几个地磁台数据很难控制中国地区地磁场的时空变化.我国应尽快建立地磁复测点网.6.2 关于地磁模型
建立区域地磁模型的数学方法多种多样.常用的有以下几种:泰勒多项式方法(安振昌等,1991;徐元芳等,1994;安振昌,2001)、球冠谐分析方法、矩谐分析方法(徐文耀和朱岗崑,1984;朱岗崑和徐文耀,1985;王月华等,1999)、自然正交分量方法(徐文耀,2002;王月华,2002;顾左文等,2009)和曲面Spline方法.我们认为球冠谐分析方法和曲面Spline方法在中国地磁模型建立中是很好的方法,其成功使用也标志着我国地磁建模工作水平达到了世界先进水平.曲面Spline方法是一种插值方法,我们用曲面Spline方法代替人工手绘地磁图的方法,取得满意的效果(安振昌等,2004;高金田等,2006;陈斌等,2010).球冠谐分析方法是一种拟合方法,有严格的数理依据,是表示区域地磁场及其长期变化时空分布的一种好方法(安振昌,1993;顾左文等, 2004,2006).
在建立地磁场球冠谐模型时,为了进一步提高模型的精度,以下两点尚须注意:一是要考虑各个测点的海拔高度(不能简单地都取作零海拔高度);二是在计算周边地区地磁场值时,不要使用只表示地球主磁场分布的IGRF模型,而要使用不仅能表示主磁场而且能表示岩石圈磁场分布的全球地磁模型.6.3 关于地磁图
编绘地磁图有两个途径:一是根据地磁测量数据,直接编绘地磁图;二是根据地磁测量数据先建立地磁模型,再根据地磁模型绘制地磁图.20世纪90年代以前,我国都是基于地磁测量数据,直接编绘地磁图(中国科学院地球物理研究所, 1955,1964,1969,1973,1982).20世纪90年代以后,我国是先建立地磁模型,再编绘地磁图.1993年,夏国辉等人首次根据地磁场泰勒多项式模型编绘出版1990年中国模型地磁图(中国科学院地球物理研究所,1993;夏国辉等,1988).2000年中国模型地磁图也是根据地磁场泰勒多项式模型编绘的(中国科学院地质与地球物理研究所,2004;Xu et al., 2003).2005年顾左文、高玉芬、安振昌等首次使用球冠谐分析方法和曲面Spline方法编绘2005年中国地磁图,这两种地磁图的等变线都是根据球冠谐长期变化模型绘制的(中国地震局地球物理研究所,2005;陈斌等,2011).中国地震局地球物理研究所于2011年1月编印出版2010.0年中国地磁图,包括两种数学模型地磁图.一种是球冠谐模型地磁图,一种是曲面Spline模型地磁图,上述两种模型图均根据泰勒多项式长期变化模型绘制等变线(中国地震局地球物理研究所,2010).
不管用什么方法编绘地磁图,每一幅正式出版的中国地磁图均包括等值线和等变线两种曲线.等值线表示地磁场的空间分布,等变线表示地磁场长期变化的空间分布.需要注意的是绘制地磁场等值线的地磁模型,与绘制地磁场长期变化等变线的数学模型应当源于同一种数学方法,而不是两种不同的数学方法,以保证在同一幅地磁图上两种建模方法(地磁场内源磁场模型和长期变化模型)的一致性.如果使用球冠谐分析方法编绘中国地磁图(模型图),不仅要使用球冠谐模型绘制等值线,而且也要使用球冠谐长期变化模型绘制等变线.同样,如果使用曲面Spline方法绘制中国地磁图(模型图),则应该使用地磁内源场和长期变化的曲面Spline模型分别绘制等值线和等变线.地磁场全球模型IGRF均使用球谐分析方法表示主磁场及其长期变化的时空分布(Finlay et al., 2010).
致谢 衷心感谢中国地球物理学会秘书长郭建及原秘书长曲克信的建议与支持.衷心感谢中国地球物理学会办公室董静与中国地球物理数据中心及中国科学院空间科学数据库项目组杨京凤的具体帮助.[1] | "An Z C. 1993. Spherical cap harmonic analysis geomagnetic field for China. Chinese J. Geophys. (Acta Geophysica Sinica) (in Chinese), 36(6): 753-764. |
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