中国地球物理学研究面临的机遇、发展空间和时代的挑战

在21世纪的今天,中国正处于快速工业化、经济腾飞和科学技术突飞猛进的进程中,地球物理学面临巨大的机遇,展现出多维的发展空间,同时也面临着严峻的挑战.为此,国家战略需求和自主创新已成为中华民族能否独立于世界民族之林的最强音！在这前提下,地球物理学家就必须超越已有的框架,穿过地平线,全方位的研究、探索、揭示、发现地球内部的奥秘.必须清晰地认识到新世纪里地球物理学的发展导向,即地球物理学的前沿领域和深化研究与现代科学技术进步的制约;地球物理学必须牢牢地把握住向高层次的综合研究脉络方能有所发现与突破;地球物理学所面临的机遇、多元发展空间和挑战;地球内部圈层结构与大陆动力学研究的主体内涵和导向.     

地球物理学及地球动力学研究与计算数学

地球物理学是20世纪,特别是在其中叶以后迅速发展起来的一门边缘科学.它以物理学、数学和信息科学为依托,并与地质学、地球化学密切结合;以研究和探索地球内部介质的属性、结构变异和深部物质与能量的交换、深层过程和动力学响应.这在促进社会与经济的发展和科学与技术的进步中占有重要地位,因为大量资源的需求和自然灾害的防范在人类生活和生存空间以及可持续发展中乃核心所在.在研究和探索这一系列的地球科学问题的进程中,首先必须通过地表进行高精度的地球物理探测、观测和高分辨率的数据采集,进而利用不同的数学方法反演计算地球内部介质的精细结构和其物理—力学过程与动力学响应.基于此,本文主要讨论了：1）地球物理学和地球动力学的发展趋势及特点;2）地球物理学的发展对计算数学的需求;3）地球动力学和数值模拟与计算地球物理学.最后对这些问题和基本导向进行了讨论.     

中国地球深部物理学和动力学研究16大重要论点、论据与科学导向

中国地球深部物理学与动力学的研究始于20世纪50年代,半个多世纪以来这一创新性工作取得了重大进展.基于我国大陆陆缘和邻近海域壳、幔结构的分区特征和不均匀性展布,特别是在印度洋板块、太平洋板块和欧亚板块的相互作用下形成了一个破碎镶嵌的块体组合.因为资源、能源、灾害的形成和动力机制均为地球内部物质与能量的交换所致.为此表明:地球内部结构和深层动力过程的研究与探索在成山、成盆、成岩、成矿和成灾过程中有着极为重要的作用.半个多世纪以来我国在该领域中,不论是理论、方法和探测技术诸多方面已有着较丰富的积累,并首先提出了16大论点与论据,它们是重要的科学导向.这不仅促进了我国在20世纪百年里地球科学的发展,而更为重要的是提出了一系列的有待研究和探索的科学问题.在21世纪的进程中,地球物理学必须牢牢地把握国家战略需求和自主创新,方能有所发现和突破.为此我们必须深化对地球本体的认识.     

回顾与展望——21世纪的固体地球物理

回顾了20世纪固体地球物理学的发展历程和对地球科学发展的贡献，阐述了地球物理学在社会发展中的先导作用和地位，并以中国反射地震方法取得巨大成功的实例，说明国民经济建设的巨大需求，是地球物理学发的重要动力。最后，给出了21世纪地球物理学的发展方向和研究重点，强调地球物理学科要与时俱进，改革创新。     

国家安全地球物理学的若干研究方向

世界多极化和经济全球化是一种必然趋势,和平与发展虽然是主流,但我国国家安全形势不容乐观,同样面临严峻的挑战.与国家安全相关的地球物理学研究领域很广,主要涉及空间物理学、大气物理学、军事海洋学、空间遥感物理与监测和固体地球物理学.在这些领域中存在众多需要解决的问题,本文列举了一系列亟需研究的重要问题.在此基础上,笔者归纳出国家安全地球物理学的若干研究方向是：（1）具有明显或潜在国家安全应用价值的地球物理理论、方法技术研究;（2）国家安全地球物理装备（仪器）设施研究;（3）国家安全地球物理学中的数据处理理论、方法和技术研究;（4）重大国家安全地球物理学问题研究.由于国家安全地球物理学的研究任务多种多样、且各有侧重,如海、陆、空和二炮,都有各自的研究重点,不能一概而论.以二炮部队所涉及的军事地球物理学研究而论,研究方向应包括：（1）军事情报侦测保障中的地球物理问题研究（包括侦测与反侦测）;（2）作战运用与保障（测地、气象、空间天气、遥感）中的地球物理问题研究;（3）与战略导弹部队作战相关的地球物理武器和地球物理战研究;（4）国防工程中的地球物理应用研究.     

高精度地球物理学是创新未来的必然发展轨迹

地球物理学在整个地球科学研究与探索中占有重要地位,突破该领域以描述、推断为主体的框架,并逐步向量化或半量化前进确为必然.地球物理学逐步向高精度升华乃深化理解各有关科学问题的时代需求.基于物理学概念,从定义出发促使多学科交叉和不断创新,是地球物理学能否抢占地球科学制高点的核心所在.为此,真正意义上的高精度观测、高分辨率的数据采集和精细结构的刻画构成了高精度地球物理学的基石,是深化理解地球科学中有关壳幔形成、演化问题的深层次的内核.本文通过较系统地分析和研究提出,(1)地球科学研究进程中的定性描述和依据于浅表层过程与现象的推断有待突破;(2)夯实与把握基础科学理论是高精度地球物理学捕获真谛的“钥匙”;(3)高精度地球物理学是深化认识地球本体和逼近彼岸的基石.     

21世纪地球物理学的机遇与挑战

21世纪的地球物理学(主要指固体地球物理学)面临着机遇,同时也面临着挑战,其研究的核心领域应为地球深部物质与能量的交换,圈层耦合和其深层动力过程．本文将对以下问题进行探讨：(1)地球物理学的发展和深化与现代科学技术进步的制约．(2)地球物理学必须向高层次的综合研究方向发展．(3)地球物理学面临的机遇与挑战．(4)地球内部圈层结构与大陆动力学研究的思考和内涵．     

推动地球物理方法创新,引领探测仪器技术未来

<正>地球物理学是一门应用物理学原理、方法及仪器研究和认识地球及其近地空间的学科.地球物理研究与国家建设、社会发展和巩固国防有着密切关系.它不仅对能源的勘探与开发、环境的监测与保护、灾害的预测与防治、国防的发展和壮大具有重要作用,而且随着我国大规模的经济建设和党中央"一带一路"倡议的展开,还有相当多的领域有待于运用地球物理方法及探测仪器进行开拓.全球经济一体化发展的广泛需求,向地球物理学提出了挑战,也提供了良     

关于设立“张衡计划”的建议——为中国地球物理仪器研发和产业化

地球物理学在本质上是一门观测科学,高精度、高分辨率的观测和实验仪器、设备是地球物理学发展进程中的“前哨”.为此,本建议对中国的地球物理科学仪器事业的现状和未来发展方向进行了讨论,提出了一些论点、论据和想法与建议.对中国地球物理现代化仪器与设备的研发进程进行了历史回顾和剖析,对发展自主创新的地球物理科学仪器事业的战略地位进行了细致的思考;对依赖国外科学技术的危害性进行了深刻的讨论;对中国地球物理科学仪器事业的现状进行了理智的分析;对中国地球物理仪器和设备研制队伍从有到无的缘由进行了深度剖析;为此,提出了要使中国地球物理事业得到健康迅速发展,必须国家统一规划和统一管理的国家行为的思想,提出了设立“地球物理仪器设备研发工程”——“张衡计划”的建议,并对不同阶段性发展的具体目标、任务和实施给予了框架性的厘定.为此,中国地球物理科学仪器与设备事业,当今必须转变观念,依据国家战略需求和自主创新的理念,创自己的品牌,并逐步产业化,乃是进入世界地球科学强国的根本.     

2001年地球物理学的一些进展

简要回顾了2001年地球物理学的一些进展。指出在用地球系统科学研究整个地球的结构、演化和动力学过程中，地球物理学作为地球科学中主要提供地球内部信息和资料的学科，将成为地球系统科学研究的一个重要内容。讨论了现在的地球和空间科学研究以及环境监到等地球物理技术在反恐怖活动以及在国家军事方面的重要意义及应用。在21世纪能源危机日益严重的情况下，中国急需进行油气资源的二次创业，而天然气水合物研究是能源研究的一个新方向。     

二十世纪的地球偶极子磁场

1900~2000年的IGRF(国际地磁参考场)资料使研究20世纪中地磁场的变化规律成为可能,在20世纪中,即使从19世纪起,地球偶极子磁场发生了较大的变化,偶极矩一直保持衰减的势头,地心轴的所有3个分量都是减小的.地磁南极的位置变化在1930年左右发生大的转折,1960年起向西和向南快速移动,偶极子轴在纬度方面变化只有1°左右,经度变化在3°左右,离磁极倒转的条件差得远.     

The Integrated Global Geodetic Observing System (IGGOS) viewed from the perspective of history

Towards the end of the 19th century, geodetic observation techniques allowed it to create geodetic networks of continental size. The insight that big networks can only be set up through international collaboration led to the establishment of an international collaboration called “Central European Arc Measurement”, the predecessor of the International Association of Geodesy (IAG), in 1864. The scope of IAG activities was extended already in the 19th century to include gravity.At the same time, astrometric observations could be made with an accuracy of a few tenths of an arcsecond. The accuracy stayed roughly on this level, till the space age opened the door for milliarcsecond (mas) astrometry. Astrometric observations allowed it at the end of the 19th century to prove the existence of polar motion. The insight that polar motion is almost unpredictable led to the establishment of the International Latitude Service (ILS) in 1899.The IAG and the ILS were the tools (a) to establish and maintain the terrestrial and the celestial reference systems, including the transformation parameters between the two systems, and (b) to determine the Earth's gravity field.Satellite-geodetic techniques and astrometric radio-interferometric techniques revolutionized geodesy in the second half of the 20th century. Satellite Laser Ranging (SLR) and methods based on the interferometric exploitation of microwave signals (stemming from Quasars and/or from satellites) allow it to realize the celestial reference frame with (sub-)mas accuracy, the global terrestrial reference frame with (sub-)cm accuracy, and to monitor the transformation between the systems with a high time resolution and (sub-)mas accuracy. This development led to the replacement of the ILS through the IERS, the International Earth Rotation Service in 1989.In the pre-space era, the Earth's gravity field could “only” be established by terrestrial methods. The determination of the Earth's gravitational field was revolutionized twice in the space era, first by observing geodetic satellites with optical, Laser, and Doppler techniques, secondly by implementing a continuous tracking with spaceborne GPS receivers in connection with satellite gradiometry. The sequence of the satellite gravity missions CHAMP, GRACE, and GOCE allow it to name the first decade of the 21st century the “decade of gravity field determination”.The techniques to establish and monitor the geometric and gravimetric reference frames are about to reach a mature state and will be the prevailing geodetic tools of the following decades. It is our duty to work in the spirit of our forefathers by creating similarly stable organizations within IAG with the declared goal to produce the geometric and gravimetric reference frames (including their time evolution) with the best available techniques and to make accurate and consistent products available to wider Earth sciences community as a basis for meaningful research in global change. IGGOS, the Integrated Global Geodetic Observing System, is IAG's attempt to achieve these goals. It is based on the well-functioning and well-established network of IAG services.     

The cause of superchrons

Superchrons – long periods in the geomagnetic record when the Earth's magnetic field did not reverse its polarity – are a challenge to observers and theorists. Jack Jacobs outlines the problems and some possible solutions.
Reversals of polarity are a feature of the geomagnetic record for all the time it has been documented. Although not regular, reversals are sufficiently frequent for their absence to be noticeable. When the Earth's magnetic field retains the same polarity for over 20 million years, a superchron is established. Superchrons demand the attention of geophysicists concerned with the generation of the Earth's field: either they must result from an intrinsic feature of the geodynamo, or they reflect the influence of some external force. Here I discuss internal and external mechanisms for the formation of superchrons, including the role of the inner core, true polar wander, Earth's orbital variations and tides.     

20世纪地震预报科学的回顾与展望

在新世纪的到来,对２０世纪的地震研究作一些回顾,对中国几十年的地震预报的道路进行反思,可能是很有意义的,这对我们编制“十五”规划也有借鉴。     

地球磁层的磁场模型

1958年卫星探测发现了磁层,至今已有半个世纪,对磁层电场、电流体系、磁场、粒子分布和等离子体波的探测研究构成了空间物理的重要内容,其结果是各种磁层模型的出现.本文简要综述磁层磁场建模的基本原理、方法和发展历史,对十几种重要的磁层模型的特点、局限性和适用范围进行了对比分析,以Tyganenko模型为例,讨论了磁层模型发展的趋势.     

The stability of isothermal and natural remanent magnetic polarization under elastic deformation of rocks

Summary With the decreasing magnitude of the initial remanent condition of rocks, their pressure demagnetization gradually changes to pressure remanent magnetic polarization under elastic deformation. In both cases the physical cause of these changes are the irreversible changes of the domain structure of ferrimagnetic minerals. Under directional pressure the natural remanent magnetic polarization is affected namely by the generation of a relatively little stable pressure remanent magnetic polarization. With regard to paleomagnetic research, the essential thing is that secondary magnetization combined with possible elastic deformations of rocks in the Earth's crust can be eliminated relatively easily by magnetic cleaning.     

地磁活动对气候要素影响的研究进展

地磁活动是太阳爆发现象引起地球近地空间磁场扰动的重要空间天气过程之一.地球磁场的变化具有多种时间尺度,其中从数十年到数世纪的长时间地磁场变化主要是由地核磁场引起的,而从数秒到数年的短时间地磁变化与太阳活动有关.近年来,越来越多的统计研究表明,地磁活动与太阳活动和地球气候变化之间存在着显著的相关性.地球磁场和地球大气系统的耦合现象驱动着人们探索地磁活动对地球天气和气候系统影响的研究.本文的目的就是综述国内外地磁变化对气候影响的研究进展,介绍我们最新的研究成果,探索地磁活动对气候要素的影响特征和可能机理过程,为深入研究地磁活动对地球天气和气候的影响提供基础和依据,以期对地磁活动和气候要素关系有进一步的认识.