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地震科学研究的重要支柱之电磁观测仪器

电磁观测技术的运用,在我国地震预测的研究和实践中发挥了重要的作用,也为我国地震电磁学科的发展奠定了坚实的基础。

电磁观测仪器主要包括地磁仪器、地电仪器、电磁波仪器、大地电磁测深仪器等,这些仪器涵盖了地震电磁学中地电场、地磁场、地电阻率和地震电磁扰动等所有测项。除地磁仪器外,其他仪器都是在1966年邢台地震之后开始应用在地震监测和地震预测研究的。

1966年以后,在国家实行“预防为主”和“多路探索、专群结合”的地震工作方针指引下,电磁观测仪器经历了一个“移植和改造”、“消化和吸收”、“继承和创新”的长期发展历程。

地磁仪器

地磁仪器是传统地磁学观测与研究的重要工具,其开始投入使用的时间,覆盖了我国开展现代地磁观测以来至今的各个时期,长达140余年。

地磁学观测被引入地震预测的研究和实践之中,成为传统地球科学和新兴地震科学一部分的双重属性的反映。在新的探索过程中,地磁观测技术实现了跨越式的发展,地磁仪器实现了从人工肉眼观测向照像自动记录、从模拟观测向数字化观测、从国外引进为主到自主研发为主的转化,逐步迈向了国际先进水平。

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绝对观测仪器

地磁倾角偏角磁力仪,是一种简易的测量地磁倾角、偏角绝对值的观测仪器。在野外地磁测量及徐家汇验磁台迁至陆家浜、佘山选择台址的过程中,均使用过这种仪器。英国设计生产,19世纪中叶投入应用。



Schulze型地磁感应仪,一种测量地磁场倾角绝对值的观测仪器。由德国potsdam Schulze仪器厂设计生产,1897年观测。

Smith型磁力仪,是一种用电流测量地磁水平强度绝对值的观测仪器,经改进后,还可以测量地磁偏角。该仪器由英国combridge公司设计生产,在20世纪30年代至90年代曾在野外地磁测量、佘山地磁台应用,20世纪50年代至80年代在长春、广州地磁台发挥重要作用。

Askania型地磁感应仪,测量地磁倾角绝对值的观测仪器。由(前)西德Askania厂设计生产,20世纪50年代北京、拉萨等地磁台配备使用。

G.S.I型一等磁力仪,是一种观测地磁场偏角和磁倾角的绝对值的观测仪器。由日本测机舍松田工厂生产,20世纪80年代我国有10个地磁台及地球物理研究所配备了这种仪器。

CJ6型地磁经纬仪,是一种用来测量磁偏角和水平强度绝对值的观测仪。由中科院地球物理研究所设计,北京光学仪器厂生产,1980年投入地磁台使用。

DTZ-3型质子矢量磁力仪,可以测量地磁总强度、垂直分量和水平分量的绝对值。由国家地震局地球物理研究所、安徽六安无线电厂设计生产。

CTM-DI型磁力仪,集光机电为一体的地磁绝对观测仪。该仪器既可以观测磁偏角、又可以观测磁倾角的绝对值。适用于地磁台站和野外地磁测量队。由中科院地球物理研究所设计,北京光学仪器厂、北京地质仪器厂生产,20世纪90年度投入观测。

G856型质子旋进式磁力仪,是一种测量地磁总强度绝对值的观测仪器。由美国EG&G Geometrics公司设计,中国深圳华隆地球物理仪器工贸公司生产。1989年全国地磁基本台网技术管理组首次购进1台,用作仪器比测,此后推广至全国各地磁台和野外地磁测量队。

DIM-100型地磁经纬仪,测量地磁场偏角和倾角绝对值的观测仪器。由加拿大EDA公司设计生产,1989年观测。全国地磁基本台网技术管理组和佘山地磁台配备这种仪器。

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相对记录仪器



Toepfer型地磁偏角记录仪,连续记录水平强度(H)单分量时间变化的相对记录仪器。由德国Potsdam Toepfer商行设计生产,1930年投入观测。

Godhavn型地磁垂直强度记录仪,连续记录垂直强度(Z)单分量时间变化的相对记录仪器。由丹麦气象研究所设计生产,1930年投入观测。

57型地磁记录仪,连续记录地磁场偏角(D)、水平强度(H)、垂直强度(Z)时间变化的相对记录仪器。为适应“老八台”建设及配合1957年7月1日国际地球物理年观测的需要,而研制成功并配备地磁台使用。由中科院地球物理所设计,第一机械工业部仪表厂生产。

72型地磁记录仪,连续记录地磁场偏角(D)、水平强度(H)、垂直强度(Z)时间变化的相对记录仪器。由中科院地球物理所设计,中科院工程力学研究所工厂、国家地震局北京地震仪器厂生产。目前仍有部分仪器在正常工作。

FHD-2B型质子矢量磁力仪,连续测量和记录地磁场总强度(F)、水平强度(H)和磁偏角(D)时间变化的相对记录仪。由江苏省新沂市经纬电子公司,中国地震应急搜救中心(原中国地震局综合观测中心)生产,现广泛用于全国各地地磁台站。



GM4型磁通门磁力仪,一种连续测量和记录地磁场偏角(D)、水平强度(H)、垂直强度(Z)时间变化的数字化相对记录仪器。由中国地震局地球物理研究所设计,北京天祥地球物理技术开发公司生产,2006年首批产品已运行于我国各类地磁台。

自动化地磁台站系统,一种连续测量和记录地磁场偏角(D)、水平强度(H)、垂直强度(Z)三分量时间变化的相对记录仪器。由英国地质调查局设计生产,2001年投入观测,广东省地震局肇庆地磁台配备此类系统。

磁感应强度检定系统,可以用来对各种地磁测量仪器(包括空间和地面测量仪器)进行标定。由中国地震局地球物理研究所设计生产,2006年投入观测。

地电仪器

地电仪器中,从早期使用的DDC-2电子自动补偿仪,到现在的ZD8系列地电阻率仪,为了适应地震预测定点探测电性参数随时间变化的需求,经历了地球物理电法勘探技术移植、改造、继承、创新的一个发展过程。

一方面,在地震预测研究的初始阶段,采用物探电法仪器开展观测,积累了丰富的观测资料,实现了从无到有的突破,并且在地震预测中发挥了重要的作用。另一方面,毕竟这些仪器的研究对象是地球介质的电性结构空间差异,特别是在浅层构造、矿产资源,地下水探查等方面有广泛的应用。

由于这些领域对仪器观测精度和长期稳定性要求不高,与地震预测研究中定点观测地球介质随时间的微量变化相比,存在着明显的差距,特别是落后的人工肉眼读数的观测方式,使客观地判定观测数据的时间变化受到较大的影响。

研究者们经过了长达15年的努力,于1985年成功地研制出具有高精度、长期稳定性和抗干扰能力强等性能特点的数字地电仪,实现了直接向数字化、智能化的跨越和过渡,成为我国除测震仪器以外,第一个实现数字化观测的地震监测仪器,也是在我国地震系统中第一个实现自主创新研发的高水平观测仪器。

在此基础上研制成功的地电场仪,全面填补了我国地电场观测的空白,为“十五”期间在我国建设世界上最大的地电场观测网提供了基础条件。



DDC-2A/B电子自动补偿仪,为地电阻率观测设计的专用仪器。由重庆地质仪器厂生产。1967年3月,原中国科学院兰州地球物理研究所在河北省河间县里坦用DDC-2A型电子自动补偿仪采用四级对称装置建立了中国第一个地电阻率观测台。

PZ40型数字地电仪,由中国地震局兰州地球物理研究所、上海电表厂协作,于1979年研制生产。20世纪80年代初开始装备到部分地电台,前后共生产了20余台。

C-ATS地电自动测量系统,采用同步测量原理,即对人工电流、人工电位差同一时刻采样和测量的原理,以减少地电阻率的测量误差。由广东省地震局于1986-1992年研制生产。

ZD8数字地电仪,适用于固定台站地电阻率观测,亦可应用于高精度的电法勘探。由中国地震局兰州地震研究所于1983年研制,1986年生产。


ZD8BI地电仪,地电阻率观测仪器。适用于固定地电台和流动地电台的观测,亦可用于高精度电法勘探中。由中国地震局地震预测研究所于2005年研制生产。

ZD9A地电场仪,用于测量地表平面天然电场的专用仪器,该仪器成功记录到了地电日变化、地电暴等各种地电场变化形态和震前扰动信息。由中国地震局地震预测研究所于1996年研制,1998年生产。

ZD9A-Ⅱ地电场仪,用于测量地表平面天然电场的专用仪器。由中国地震局地震预测研究所于2001年研制,2005年生产。

电磁波仪器

用于地震电磁扰动的观测仪器,是贯彻我国地震工作“专群结合”方针的集中体现。它受唐山大地震后总结发现的震前存在多种异常电磁扰动宏观现象的启发,充分发挥各行各业对电磁扰动观测的技术优势,通过现场实践得到逐步发展。

这些仪器特别着眼于在地震的短临预报中发挥作用,不仅受到地震专业队伍的重视,而且更广泛地得到地方政府主管地震工作部门的青睐。这类仪器在早期也有过简单移植的过程,采用一些邮电通讯行业现成的仪器,随着时间的推移,这些仪器逐渐为一些专用的仪器或专门改造过的仪器所取代。

在群众测报中的电磁扰动仪器,由于其来源十分广泛、数十年来几经更新,其试验运行的数量可能多达数十种。我们选择的是使用面较广、在实践中被证明更有效益的仪器进行展示。



EMAOS-L地震电磁辐射仪,测量的频率范围基本上可记录地下震源层位(十余千米)的电磁场变化。由中国地震局分析预报中心(现中国地震局地震预测研究所)研制生产。

DPJ-Ⅲ型地震电磁辐射观测仪,工作频带在35-100kHz之间的低频频段,以捕捉临震电磁波前兆异常信号。由江苏省地震局(地震监测中心)设计生产。

ULF-Ⅲ型超低频地震电磁信息观测仪,一种接收超低频地震电磁辐射信息的专用地震前兆监测仪器。由江苏省地震局(地震监测中心)设计生产。

JSD-Ⅲ型地震电磁信息监测仪,采用ARM为主控系统,映震性好,抗干扰性能强,可靠性高。由江苏省地震局(地震监测中心)设计生产。

DJY-2000B(A)型电磁脉冲记录仪,观测数据可远程传输和存储,实现了真正意义上的“数字化”、“智能化”和“网络化”。由山西晋震科技有限公司生产。

HBEM-Ⅲ超低频电磁辐射记录仪,为超低频电场记录,电极深埋,抗干扰能力强。由河北省地震局、廊坊市地震局研制生产。

VS型地震前兆电磁波监测仪,分为数字化数据记录仪器和信号接收探头两部分。由广东省佛山市地震局研制生产。

地震电磁扰动监测系统,主要用于监测电磁扰动现象,用于记录电磁辐射的异常变化,进行临震预测。由郑州晶微电子科技公司研制。

大地电磁测深仪器

电磁测深仪器的观测对象与地电阻率仪器相同,是地球介质的电阻率,在传统上也是以介质电性结构的空间差异为主要研究内容。

基于大地电磁测深方法在深部电性结构探测空间差异方面的能力,在地震孕育环境背景监测中被广泛使用。

20世纪80年代起,这类仪器在沿特定构造剖面的定点重复流动观测中使用,在地震的中长期预测中开始发挥作用。



MMS03E大地电磁测深仪,主要用于深部电性结构探测,解释地下介质电导率分布特征、判别介质电性结构随时间变化与地震关系的跟踪监测与研究。由德国梅特罗尼克斯(Metronix)公司生产。

GMS-05大地电磁测深仪,一种多用途的电磁勘探仪器,适合复杂的野外环境下工作。由德国梅特罗尼克斯(Metronix)公司生产。

GMS-07综合电磁观测系统,主要由三部分组成:主机ADU-07、各种感应式磁场传感器、分别用于噪声严重地区的浅层探测或中深层矿产及地下水勘探的高频或中低频发射装置。由德国梅特罗尼克斯(Metronix)公司生产。

以上汇集了我国地震监测中曾经使用和正在使用的大部分电磁类观测仪器,从一个侧面展示了我国地震监测工作和观测技术的发展历史,揭示了地震电磁学观测迈向现代化的道路上所发生的巨大飞跃。

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参考文献:

宋臣田等主编,《地震监测仪器大全》,地震出版社,2008年


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