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探究建设南海海洋地磁固定观测站

2020-02-21 184 上传者：管理员

摘要： 南海建设岛礁和海底地磁固定观测站的建立，能够为科学研究、防灾减灾、海洋资源开发提供更好的支持，使国家的海洋权益得到更好的维护，强化我国在南海海域负有的国际责任。文章基于对国外海洋地磁观测站案例以及南海岛礁基础设施现状的分析，同时对海底观测网计划实施情况进行探究，认为观测站的基础条件比较完善。提出了因地制宜，节约资源以及合理空间布局等一系列建议。

关键词：
南海
地磁观测
岛礁
海底
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在地球本体及其周边空间范围内分布着变化的地磁场，而地磁场也是地球最重要的行星级别地球物理基本场之一。地球上的各种地磁现象与地球深部圈层物质运动、地表圈层的物质组成与能量交换、地球外部至太阳等行星空间内的各种物理过程密切相关[1]。地磁场的台站观测和监测是研究地磁场空间分布、时间变化和组成构成的重要设施，记录着连续、长时间序列、全面可靠的地磁观测数据[2]。地磁观测台站可分为地磁固定观测站和地磁流动观测站；地磁固定观测站按其功能分为3个级别（一级、二级和三级），观测内容主要包括总强度F、水平强度H、垂直强度Z、磁偏角D和磁倾角I的绝对观测，总强度F连续观测、磁偏角D、水平强度H、垂直强度Z的相对记录[3-4]。

1834年，在德国哥廷根，建立了第一个地磁三分量连续观测台站[2]。随着技术的进步和研究的深入，为了开展全球性的、实时的、永久性的地磁观测，地磁研究领域的主要强国倡议并成立了国际地磁台网（Intermagnet）。国际地磁台网在全球拥有150个陆地岛礁观测台站和5个数据中心（GIN，分别位于英国、法国、美国、加拿大）[4]。我国的长春、北京、肇庆、兰州、乌鲁木齐5个地磁台站也已加入了国际地磁台网。另外，日本在西太平洋海域5580m和5690m水深处设置了2个海底地磁观测站。上述地磁观测台站的具体位置分布见图1。

图1国际地磁台网陆地岛礁地磁台和日本海底地磁台分布

新中国成立后便着手规划我国地磁台网的建设[5]，经过多年的发展，按照反映我国地磁场的主要特征、为震磁关系的研究提供背景场、尽可能考虑已有台站的基础等布局原则，在中国大陆建设了陆地数字台站40座（见图2），并组建了国家地磁台网中心，实施了地磁观测，同时开展了技术管理和服务。从国内外地磁观测台站建设情况来看，整体呈现“北半球多于南半球、陆地多于海洋、海底地磁观测已经起步”的特征。尤其是在与我国纬度接近的海域内，已经建成并运行10个岛礁观测站和2个海底观测站。与之相比，我国的海洋地磁固定观测站尚属空白，无法满足相关领域的基础数据需求。

图2我国大陆陆地地磁台分布图

我国南海海域广阔，北接北回归线、南临赤道，面积超过渤海、黄海和东海总和，区内岛礁众多，陆架、陆坡、深海盆及海沟等海底地貌类型齐全，是我国开展海洋地磁固定观测的优选海域。为进一步完善我国地磁台网的空间布局，满足我国地球科学研究、海洋资源探测、海洋防灾减灾、海洋环境保护以及空间天气预测预报的需求，急需在南海海域开展包括岛礁台站和海底台站在内的海洋地磁固定观测站建设工作。

1、海洋地磁固定观测站建设必要性

1.1 满足地球科学研究的需要

南海海域地磁场环境复杂多变，在近赤道地区地磁场变化剧烈，磁暴产生的环电流、大气潮汐引起的Sq外源电流体系、中低纬度地磁场脉动等自然现象频发，这些电磁现象具有很高的强度，存在明显的空间特征、地方时、季节效应，必须借助长时间的连续观测资料来对其描述、分析和研究。南海海洋固定地磁台站的设立，可为南海海域海洋调查提供长期性地磁参考基准，替代近海面地磁日变站，可大幅度提高我国深远海海洋地磁调查研究的精度，并可与大陆的地磁台站配合，开展不同纬度地磁扰动传播现象、不同高空电流能量耦合过程以及空间电流涡的南北向移动等方面的研究，还可用于研究主磁场整体的西向漂移现象、主磁场大陆异常区的移动过程、地球核幔耦合过程引起的主磁场周期振荡，此外对于地磁参考模型的建立也有重要意义。固定连续长期且近海底的地磁观测资料包含着关于洋壳扩张历史和板块运动、岩石圈演化与岩浆相互作用的丰富信息，对理解地球气候变化、大洋潮汐、地幔蛇纹岩化及流体作用、地球内部温度场特征等地球动力学过程有重要作用，可在南海地球动力学研究中扮演关键角色。

1.2 填补空白、完善地磁台网空间布局的需要

我国现有地磁台网局限于我国陆域和海南岛等区域，南海岛礁及海底区域尚属空白。虽然海南岛现建有琼中站和三亚站，但受由于距离限制，无法覆盖面积广阔的南海中南部海域。在南海建设海洋地磁固定观测站将填补这一空白，并可将我国陆域的地磁基准延伸到南海接近赤道的海域，进一步完善我国数字地磁台网空间布局。海洋地磁固定观测站可与我国陆地地磁台站配合，实现地磁场及空间电磁环境的快速监测，并为我国“一带一路”倡议提供技术基础支撑。

1.3 支撑防灾减灾和资源开发的需要

地球外空间经常发生爆发性的、剧烈的磁层亚暴、磁暴、磁层粒子暴、电离层暴等自然现象，借助固定地磁的观测，可对这些现象进行监测、诊断与预报，服务航空航天安全保障，这对于避免空间飞行器发生故障甚至坠落、以及避免大量高能质子对宇航员的健康乃至生命造成严重威胁具有重要意义。同时，地震与海啸也与地磁场有着密切关系，南海海洋地磁场的观测可服务于地震海啸的预警预报。在海洋资源开发中，地磁场也有着重要而广泛的应用。例如，在石油、富钴结壳等海洋矿产资源的勘探，以及长距离的输气管道、动力电缆及通讯光缆的安全保障等方面发挥着重要应用。

1.4 维护国家海洋权益的需要

维护海洋权益，始于对管辖海域的全方位的认识和了解。海洋地磁场环境对于海洋舰船、潜艇、飞机等各类维权平台和装备的设计与航行有重要的影响，同时也制约着各种海上维权活动的定位导航、数据通讯、目标识别和监视等过程行为。因此，应积极开展海洋地磁固定观测站，并将观测成果作为必要的环境要素纳入相关活动的辅助决策系统。同时，在南海设立岛礁和海底观测站本身是满足国家战略利益向海洋和边界拓展的重要手段，是一种维护海洋权益的具体举措，是我国控制和利用岛礁的有效模式。

1.5 履行国际责任的需要

我国是一系列国际公约的缔约国，也是众多国际科教组织的积极参与者，负有相应的国际责任和义务，而这些责任和义务的承担和履行需要相应基础设施的保障[6]。对于西沙和南沙等南海岛礁的建设，我国曾多次强调主要侧重民事服务功能。利用我国南海岛礁优越的海洋地理位置，开展岛礁地磁观测工作，提供相关的国际公共服务产品，打造国际海洋科学研究交流基地，有助于我国更好地履行国际责任和义务。

2、海洋地磁固定观测站建设可行性

2.1 国外海洋地磁固定观测站可供参考

国际地磁台网（Intermagnet）位于与我国纬度相近的海域中，已有10个岛礁地磁台站，其中太平洋有美国关岛站（GUA）、美国中途岛站（MID）、美国火奴鲁鲁站（HON）、西萨摩亚阿皮亚站（API）、法属波利尼西亚塔希提岛站（PPT）、智利复活节岛站（IPM），印度洋有澳大利亚科科斯—基林群岛站（CKI）、特里斯坦—达库尼亚群岛七海爱丁堡站（TDC）、印度洋马尔代夫阿杜环礁站（GAN）、英国阿森松岛（ASC）站等。这些海洋岛礁地磁观测站的数据在我国实施的大洋综合调查研究任务中发挥了重要作用。尤其中途岛地磁观测站（MID）建设在珊瑚岛礁环境中，对南海岛礁地磁固定观测站建设更具参考意义（见图3）。

日本分别于2001年8月和2006年6月，在西北太平洋盆地（NWP）水深5580m处和西菲律宾盆地（WPB）5690m处布设了两个海底地磁场非实时在线观测站[7]。日本NWP（图4）和WPB深海地磁观测站的实施，对于我国在南海深海海底建设固定地磁观测站，解决深海海底高压、腐蚀性、强海底底流、海底磁性岩石等环境约束，以及应对观测台站的数据传输、能源供应、检查维护等挑战，具有参考价值。

2.2 南海岛礁建设提供了基础条件

自三沙市成立以来,在军民的共同努力下，西沙和南沙岛礁建设取得了令人瞩目的成就[8]。2012年8月，三沙市开始大规模建设永兴岛等西沙岛屿的民事基础设施。2015年7月，永兴岛应急物资储备配备中心和永兴码头配套设施主体工程竣工；随后，海水淡化系统、岛礁电力和通讯系统以及导航助航设施建设完成[6]。南沙岛礁建设经过了3个历史阶段。截至2016年12月，在我国驻守的南沙群岛7个岛礁第3个阶段的大规模陆域吹填工程和军民设施建设完成后，七岛礁上道路、灯塔、港口、机场等基础设施齐全,住房、医:、学校、运动场、海水淡化、通信、搜救、观测等服务设施均已投入使用,深水港可停靠大型舰船[9]。为了加强南海资源保护、有效提供海上公共服务，自然资源部积极履行自然资源资产所有者职责，已于2018年完成了南沙群岛永暑礁、渚碧礁、美济礁3个海洋观测中心的建设任务，3个中心已经正式启动运行。西沙群岛和南沙群岛等南海岛礁民事基础设施的建设，使其成为了供应海上民事服务和国际公共产品的基地（见图5），为岛礁地磁观测站的建设奠定了基础条件。

图3中途岛（MID）地磁观测站位置示意图；图4西北太平洋盆地（NWP）站实物图像；图5西沙和南沙主要岛礁建设现状图；

2.3 海底观测网计划实施带来了契机

海底观测网是近年来兴起建设的重要海洋调查观测平台。《全国海洋观测网规划（2014耀2020年）》提出到2020年，我国海洋综合观测网络，覆盖范围由近岸向近海和中、远海拓展，由水面向水下和海底延伸，初步形成海洋环境立体观测能力[10]。2016年，我国国家海底科学观测网已经正式获批复建立，并计划在东海和南海分别建立海底观测系统。观测网建成后，将实现东海和南海从海底向海面的全天候、实时和高分辨率的多界面立体综合观测，服务于科学前沿研究、海洋环境监测、灾害预警、国防安全与国家权益等方面需求[11]。我国海底地磁观测站的研发、设计与建设，可与相关海底观测网计划有机结合，解决共同面临的工程技术难题。

3、建议

鉴于我国南海自然环境条件复杂、各个岛礁现状条件不一及不同海区对地磁观测的具体需求有所区别，因此，在南海海洋固定地磁观测站的建设方面，应统一长远规划，突出重点，找准落脚点，体现合理性和科学性，具体建议如下：

（1）合理空间布局，提高海洋固定地磁观测数据的精度和实效性。应按照“桌面研究—现场踏勘—实地测量”的步骤开展海洋固定地磁观测站的选址论证勘选工作，尽量选择地磁环境条件良好的观测场址，并增强地磁台站组合的空间几何强度。

（2）结合现有的基础设施与技术能力进行统一规划，量力而行，分步实施。先期开展技术较为成熟的岛礁地磁固定观测站建设；对海底地磁观测站，则先开展相关装备技术研究和工程化论证。

（3）因地制宜，节约资源。根据现场实际情况，开展地磁观测站的设计和建设。考虑岛礁实地情况，地磁观测站的建设不宜直接套用陆地相关规范。可在对接现有基础设施的基础上，积极探索“半地下结构、预制模块建设、集约内部空间”的思路，满足“一次建设、长期使用、适应业务化工作”的要求，适应岛礁“高温、高盐、高辐射、强腐蚀”的自然环境特点。同时逐步总结适宜的数据质量考核标准。

（4）增强智能化，降低维护成本。采用多种技术手段，增强地磁观测装备系统的数字化、自动化和智能化，减少设备故障率，降低维护成本，以适应观测点远离大陆、控制维护保障成本的要求。

参考文献：

[1]熊仲华,刘运生.地磁观测技术[D].北京:地震出版社,1997.

[2]周锦屏.中国地磁台网观测与研究进展[J].地震地磁观测与研究,1999,20(5):1-7.

[3]中国地震局地球物理研究所.DB/T37-2010.地震台网设计技术要求———地磁观测网[S]北京:中国地震局,2010.

[4]辛长江,李秋红.Intermagnet地磁台站简介[J].地震地磁观测与研究,2001,22(3):48-52.

[5]周锦屏.国际地球物理年与中国地磁台站建设与发展[C]//中国地球物理学会.辉煌的历程—回顾中国地球物理学会60周年专刊.北京:地震出版社,2007:437-439.

[6]朱昊.南海岛礁民用设施建设问题研究[J].海南大学学报(人文社会科学版),2016(6):40-45.

[7]朱锋.岛礁建设会改变南海局势现状吗?[J].国际问题研究,2015(3):7-20.

[8]周桂银.中国南沙岛礁建设的战略战术博弈[J].世界经济与政治论坛,2017(4):48-63.

魏巍,马媛,汤民强,陈坤,彭聪,王伟平,殷征欣,李正元.南海海洋地磁固定观测站建设初步研究[J].海洋技术学报,2019,38(5):93-97.

基金项目:国家重点研发计划重大科学仪器设备开发重点专项机载高精度磁力仪资助项目(2017YFF0107400)