長安大學(xué)地球物理學(xué)原理-第8章 地球的電磁場

1、第八章 地球的電磁場p是研究地球本身及其周圍空間電磁場的時(shí)是研究地球本身及其周圍空間電磁場的時(shí)分布規(guī)律、構(gòu)成、起源及應(yīng)用的學(xué)科；分布規(guī)律、構(gòu)成、起源及應(yīng)用的學(xué)科；p是實(shí)驗(yàn)性極強(qiáng)的精密是實(shí)驗(yàn)性極強(qiáng)的精密觀測觀測學(xué)科。學(xué)科。p研究的理論基礎(chǔ)是研究的理論基礎(chǔ)是電磁學(xué)電磁學(xué)。p地磁學(xué)研究的對象：地球本身及其周圍空地磁學(xué)研究的對象：地球本身及其周圍空間的電磁場，即地球的磁場。間的電磁場，即地球的磁場。p地磁觀測是地磁學(xué)科研究與發(fā)展的基礎(chǔ)。地磁觀測是地磁學(xué)科研究與發(fā)展的基礎(chǔ)。 公元前公元前770770221221年春秋戰(zhàn)國時(shí)期，人類發(fā)現(xiàn)年春秋戰(zhàn)國時(shí)期，人類發(fā)現(xiàn)磁石及其相互吸引的現(xiàn)象。屬于一般物理學(xué)的范磁石

2、及其相互吸引的現(xiàn)象。屬于一般物理學(xué)的范疇，但為地磁學(xué)研究奠定了基礎(chǔ)。疇，但為地磁學(xué)研究奠定了基礎(chǔ)。 從有確切的文字記錄算起，地磁學(xué)的發(fā)展大從有確切的文字記錄算起，地磁學(xué)的發(fā)展大致經(jīng)歷了四個(gè)階段：致經(jīng)歷了四個(gè)階段：地磁學(xué)地磁學(xué)(觀測觀測)發(fā)展簡史發(fā)展簡史1. 1. 初期地磁學(xué)初期地磁學(xué) 公元前公元前250年公元年公元1600年，以中國發(fā)明指年，以中國發(fā)明指南針為標(biāo)志。南針為標(biāo)志。指南車的復(fù)原模型：指南車的復(fù)原模型：一種用來辨認(rèn)方向的儀器。車上有一小人，一種用來辨認(rèn)方向的儀器。車上有一小人，其手指的方向即為南方，傳說司南、羅盤都是根據(jù)它而發(fā)明。其手指的方向即為南方，傳說司南、羅盤都是根據(jù)它而發(fā)明。

3、 公元公元83810998381099年，指南針用于航海。年，指南針用于航海。 公元公元1111世紀(jì)，發(fā)現(xiàn)、觀測磁偏角。世紀(jì)，發(fā)現(xiàn)、觀測磁偏角。 公元公元12 1612 16世紀(jì)，發(fā)現(xiàn)磁傾角，磁世紀(jì)，發(fā)現(xiàn)磁傾角，磁偏角、磁傾角隨地點(diǎn)有差異；發(fā)表第一篇偏角、磁傾角隨地點(diǎn)有差異；發(fā)表第一篇論文。論文。 磁偏角、磁傾角的測量與資料積累幾磁偏角、磁傾角的測量與資料積累幾乎是這一階段地磁研究的全部工作。乎是這一階段地磁研究的全部工作。夢溪筆談夢溪筆談（沈括，沈括，10311095）中寫道：）中寫道：“方家方家以磁石磨針鋒，則能指南，然常以磁石磨針鋒，則能指南，然常微偏東微偏東，不全南也，不全南也”；北宋

4、時(shí)已將指南針用于航海（北宋時(shí)已將指南針用于航海（“舟師識地理，夜則觀舟師識地理，夜則觀星，晝則觀日，隱晦則觀指南針星，晝則觀日，隱晦則觀指南針”萍洲可談萍洲可談）。）?！鞍⒎壳暗?，以木蘭為梁，磁石為門，懷刃者止之阿房前殿，以木蘭為梁，磁石為門，懷刃者止之”（三浦皇圖三浦皇圖）；）；2. 2. 早期地磁學(xué)早期地磁學(xué)16001893年，英國皇家醫(yī)生吉爾伯特發(fā)表巨著年，英國皇家醫(yī)生吉爾伯特發(fā)表巨著“地磁學(xué)地磁學(xué)”標(biāo)志此階段的開始。標(biāo)志此階段的開始。公元公元17世紀(jì)，發(fā)現(xiàn)磁偏角、磁傾角隨時(shí)間的變化，世紀(jì)，發(fā)現(xiàn)磁偏角、磁傾角隨時(shí)間的變化，提出地球磁場起源的假說（提出地球磁場起源的假說（吉爾伯特吉爾伯特）

5、。）。1702年編制了第一張全球地磁圖（年編制了第一張全球地磁圖（D D）；認(rèn)識了）；認(rèn)識了地磁場有緩慢的長期變化。地磁場有緩慢的長期變化。17991804年，發(fā)明并開始了磁場強(qiáng)度的測量。年，發(fā)明并開始了磁場強(qiáng)度的測量。3. 3. 近代地磁學(xué)近代地磁學(xué) 18391957年，以德國高斯將球諧分析理論用于地磁年，以德國高斯將球諧分析理論用于地磁研究為標(biāo)志。研究為標(biāo)志。 公元公元19世紀(jì)，建立地磁學(xué)的基本理論世紀(jì)，建立地磁學(xué)的基本理論高斯理論，高斯理論，用數(shù)學(xué)表達(dá)式描述地磁場；制作測量強(qiáng)度的儀器。用數(shù)學(xué)表達(dá)式描述地磁場；制作測量強(qiáng)度的儀器。 1915年，施密特（年，施密特（Adolf Schmidt

6、）制作刃口式磁力）制作刃口式磁力儀，大大提高了磁測精度儀，大大提高了磁測精度 1930s1930s，前蘇聯(lián)羅加喬夫研制成功感應(yīng)式航空磁力儀，前蘇聯(lián)羅加喬夫研制成功感應(yīng)式航空磁力儀 1940年恰普曼、巴特爾合寫的經(jīng)典著作年恰普曼、巴特爾合寫的經(jīng)典著作“地磁學(xué)地磁學(xué)”出出版。版。 這一階段建立了地磁臺、國際合作組織這一階段建立了地磁臺、國際合作組織IUGGIUGG、IAGAIAGA。4. 4. 現(xiàn)代地磁學(xué)現(xiàn)代地磁學(xué) 1957年以后，前蘇聯(lián)第一顆人造地球衛(wèi)星上天開年以后，前蘇聯(lián)第一顆人造地球衛(wèi)星上天開始了空間時(shí)代。始了空間時(shí)代。 人類走進(jìn)太空，站在地球以外認(rèn)識地磁場、迅速人類走進(jìn)太空，站在地球以外認(rèn)

7、識地磁場、迅速全面地觀測地磁場；形成空間物理學(xué)。全面地觀測地磁場；形成空間物理學(xué)。 對巖石磁性的研究建立了古地磁學(xué)。對巖石磁性的研究建立了古地磁學(xué)。 古地磁學(xué)研究為大陸漂移古地磁學(xué)研究為大陸漂移海底擴(kuò)張海底擴(kuò)張板塊構(gòu)造板塊構(gòu)造學(xué)說的建立提供了重要的依據(jù)。學(xué)說的建立提供了重要的依據(jù)。大西洋地磁偏角大西洋地磁偏角圖（圖（ 1701 年，年，哈雷）哈雷）返回中國地磁臺站分布圖（中國地震局）中國地磁臺站分布圖（中國地震局）國家級地磁臺站省級、市縣級地磁臺站返回18周至綜合地震臺周至綜合地震臺第一節(jié)第一節(jié) 地磁場的構(gòu)成與特點(diǎn)地磁場的構(gòu)成與特點(diǎn) 地磁場地磁場: : 地球本身及其周圍空間存在的電磁地球本身及

8、其周圍空間存在的電磁場，即地球的場，即地球的磁場磁場。 地磁場是矢量場，地磁場是矢量場，地磁場磁感應(yīng)強(qiáng)地磁場磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量記為度矢量記為 太陽擾日變化太陽擾日變化磁暴磁暴灣擾灣擾鉤擾鉤擾地磁脈動(dòng)地磁脈動(dòng)地地磁磁場場內(nèi)源場內(nèi)源場穩(wěn)定場穩(wěn)定場99%外源場外源場變化場變化場1%主磁場主磁場95%異常場異常場4%電磁感應(yīng)場電磁感應(yīng)場平靜變化平靜變化非非K變化變化干擾變化干擾變化K變化變化偶極子場偶極子場80%非偶極子場非偶極子場平靜太陽日變化平靜太陽日變化太陰日變化太陰日變化穩(wěn)穩(wěn)定定場場內(nèi)源變化場內(nèi)源變化場 變變化化場場通常用直角坐標(biāo)系來描述通常用直角坐標(biāo)系來描述，即，即XOY平面與地面相切平面與地面

9、相切，原點(diǎn)在觀測點(diǎn)地面，原點(diǎn)在觀測點(diǎn)地面，z軸指向地心，軸指向地心，x軸指向地軸指向地理北，理北，y軸指向東。軸指向東。 B地磁總場地磁總場 H地磁水平分量地磁水平分量 Z地磁垂直分量地磁垂直分量 X地磁北向分量地磁北向分量 Y地磁東向分量地磁東向分量 I地磁傾角地磁傾角 D地磁偏角地磁偏角DIOHYXZy (E) (N)xz( (指向地指向地心心) )B地磁七個(gè)要素中只要知道其中地磁七個(gè)要素中只要知道其中三個(gè)獨(dú)立三個(gè)獨(dú)立的要素，的要素，其余四個(gè)就可以計(jì)算，故稱三個(gè)獨(dú)立的要素為地其余四個(gè)就可以計(jì)算，故稱三個(gè)獨(dú)立的要素為地磁三要素。磁三要素。在地磁三要素中，磁偏角在地磁三要素中，磁偏角D是是必須

10、必須測量的，其它測量的，其它兩個(gè)要素可根據(jù)實(shí)際情況任意選測。兩個(gè)要素可根據(jù)實(shí)際情況任意選測。 地磁要素之間有如下關(guān)系：地磁要素之間有如下關(guān)系： HtgIZ,DsinHY,YXHZYXB22222T 地磁場的基本特征地磁場的基本特征u地磁場近似為地心偶極子磁場：地磁場近似為地心偶極子磁場： 地磁場的一級近似為一個(gè)置于地心的偶極子的磁場，這地磁場的一級近似為一個(gè)置于地心的偶極子的磁場，這個(gè)偶極子的磁軸和地軸斜交一個(gè)角度個(gè)偶極子的磁軸和地軸斜交一個(gè)角度(11.5)。 u地磁場是一個(gè)弱磁場地磁場是一個(gè)弱磁場 地磁場的平均值大約為地磁場的平均值大約為50000nT，在兩極附近也不過，在兩極附近也不過70

11、000nT 。u地磁場是一個(gè)穩(wěn)定磁場地磁場是一個(gè)穩(wěn)定磁場 SN冕洞太陽磁場：太陽磁場：局部磁場（主要指黑子場、整體磁場和普遍磁場。局部磁場（主要指黑子場、整體磁場和普遍磁場。太陽普遍磁場（太陽普遍磁場（a）和扇形磁場）和扇形磁場(b)示意圖示意圖1975年年2010年，磁場與太陽的年，磁場與太陽的11年活動(dòng)周期相對應(yīng)。年活動(dòng)周期相對應(yīng)。太陽黑子及產(chǎn)生機(jī)制太陽黑子及產(chǎn)生機(jī)制行星際磁場的扇形結(jié)構(gòu)行星際磁場的扇形結(jié)構(gòu)太陽磁場太陽磁場對地磁場產(chǎn)生很重要影響：（1）耀斑引起地磁暴（2）太陽風(fēng)是形成地球磁層的外因（3）黑子11年（半周期）與地球大氣 變化、地震活動(dòng)相關(guān) 磁層磁層p磁層：從電離層以上直到行星

12、空間的區(qū)域，其中帶電粒子所受到的磁場作用力已大于氣體的壓力，因而帶電粒子的運(yùn)動(dòng)主要由這一區(qū)域中的地磁場控制，稱這區(qū)域?yàn)榇艑?。p 向日面 10RE，背日面 30100RE，p Van Allen belts；極光。磁層磁層范范阿倫輻射帶阿倫輻射帶 木星極光木星極光地磁圖地磁圖地磁圖：地磁圖：某地磁要素在地圖上（同一時(shí)刻）的等值某地磁要素在地圖上（同一時(shí)刻）的等值線圖線圖。由于地磁要素隨時(shí)間變化，一個(gè)地區(qū)的地磁測量時(shí)常由于地磁要素隨時(shí)間變化，一個(gè)地區(qū)的地磁測量時(shí)常不是短時(shí)期能完成的，在制作等值圖時(shí)，必須將不同時(shí)不是短時(shí)期能完成的，在制作等值圖時(shí)，必須將不同時(shí)間的觀測值，按照地磁場隨時(shí)間的變化規(guī)律歸

13、算到同一間的觀測值，按照地磁場隨時(shí)間的變化規(guī)律歸算到同一指定時(shí)間。指定時(shí)間。由于觀測點(diǎn)分布不均勻，通常采用高斯球諧分析的方由于觀測點(diǎn)分布不均勻，通常采用高斯球諧分析的方法，得出高斯系數(shù)后，按一定公式算出磁場分布，然后法，得出高斯系數(shù)后，按一定公式算出磁場分布，然后繪出各種等值圖。繪出各種等值圖。 0BBB觀郯郯廬廬斷斷裂裂帶帶磁磁異異常常地磁場模式地磁場模式1.球諧模式：球諧模式：用球諧級數(shù)表示地磁場分布。用球諧級數(shù)表示地磁場分布。最常用的方法，但不能反映地磁場場源的實(shí)際狀最常用的方法，但不能反映地磁場場源的實(shí)際狀況。況。2.偶極子模式：偶極子模式：是用若干個(gè)偶極子表示地磁場分是用若干個(gè)偶極子

14、表示地磁場分布。布。有助于闡明地磁場及長期變化的起源。有助于闡明地磁場及長期變化的起源。3.電流環(huán)模式：電流環(huán)模式：是用若干電流環(huán)表示地磁場分布。是用若干電流環(huán)表示地磁場分布。有助于闡明地磁場及長期變化的起源，且物理意有助于闡明地磁場及長期變化的起源，且物理意義最為明確，計(jì)算較偶極子模式繁瑣。義最為明確，計(jì)算較偶極子模式繁瑣。高斯球諧分析解決了兩個(gè)問題：高斯球諧分析解決了兩個(gè)問題：能不能找到一個(gè)適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)表達(dá)式把地能不能找到一個(gè)適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)表達(dá)式把地磁要素的地面分布表示成地理坐標(biāo)的函數(shù)；磁要素的地面分布表示成地理坐標(biāo)的函數(shù)；地磁場到底是起源于地球內(nèi)部還是地球地磁場到底是起源于地球內(nèi)部還是地球外部

15、。外部。地磁場滿足地磁場滿足麥克斯韋麥克斯韋方程組：方程組：tDjHB40B= H, 0地球電磁場地球電磁場是緩變場是緩變場0tD 地球表面附地球表面附近，近，空氣可空氣可視為絕緣體視為絕緣體0 H0 EjtDjHB400HUH02 U磁位磁位U的負(fù)梯度即為磁場強(qiáng)度的負(fù)梯度即為磁場強(qiáng)度H ： H = -U在球坐標(biāo)系下解上述拉普拉斯方程，并求在球坐標(biāo)系下解上述拉普拉斯方程，并求出磁場強(qiáng)度表達(dá)式，便可得到描述地磁場出磁場強(qiáng)度表達(dá)式，便可得到描述地磁場的基本理論的基本理論高斯理論高斯理論。 取以球心為原點(diǎn)的球坐標(biāo)系，極軸取為地球自轉(zhuǎn)軸并指向北取以球心為原點(diǎn)的球坐標(biāo)系，極軸取為地球自轉(zhuǎn)軸并指向北極，極

16、，r為球心為球心O至測點(diǎn)至測點(diǎn)P的距離，的距離， 為余緯度為余緯度， 為經(jīng)度。則為經(jīng)度。則 ：0Usinr1Usinsinr1rUrrr12222222其其解解為：為： )(cosP)msindmcosc (r)msinbmcosa (r ), r (Umnmnmnn0nn0mmnmn)1n(采用采用施密特形式施密特形式的締合勒讓德函數(shù)的締合勒讓德函數(shù) )(cosP)!mn()!mn(2)(cosPmn21mmn) 1( , 1)0( , 2mmm其中其其解解可可表示表示為：為： )(cosP)msinDmcosC(r)msinBmcosA(r ), r (Umnmnmnn0nn0mmnmn)

17、1n(021mmn0mn)!mn()!mn(2aA具有具有類似類似的表達(dá)式。的表達(dá)式。mnBmnCmnD其其中中： 通解包含兩個(gè)部分：通解包含兩個(gè)部分：第一部分：第一部分： 項(xiàng)，其磁勢表示為項(xiàng)，其磁勢表示為Ui；第二部分：第二部分： 項(xiàng)項(xiàng),相應(yīng)的磁勢表示為相應(yīng)的磁勢表示為Ue。Ui隨隨r增大而減小，當(dāng)增大而減小，當(dāng)r 時(shí)，時(shí)，Ui0；Ue隨隨r減小減小而減小，當(dāng)而減小，當(dāng)r 0時(shí)，時(shí)，Ue0。因?yàn)槔绽狗匠探獾倪m用范圍應(yīng)是無源的，所以因?yàn)槔绽狗匠探獾倪m用范圍應(yīng)是無源的，所以Ui為地球內(nèi)部場源的磁勢，為地球內(nèi)部場源的磁勢，Ue為地球外部場源的磁勢。為地球外部場源的磁勢。即：即： 項(xiàng)代表內(nèi)源

18、場部分項(xiàng)代表內(nèi)源場部分, 項(xiàng)代表外源場部分。項(xiàng)代表外源場部分。)1( nrnrnr)1( nr)(cos)sincos()sincos(),(00)1(0mnmnmnnnnmmnmnnPmDmCrmBmArrUrAUi/000000A000C當(dāng)n0時(shí)，m=0，此時(shí)，Ue是一個(gè)同是一個(gè)同r無關(guān)的常數(shù)，這個(gè)常數(shù)只能為無關(guān)的常數(shù)，這個(gè)常數(shù)只能為0，故，故000CUe顯然顯然Ui是磁單極的磁勢，而磁單極是不存在的是磁單極的磁勢，而磁單極是不存在的,故應(yīng)有故應(yīng)有)(cosP)msinkmcosj (Rr)msinhmcosg(rRR), r (Umnmnmnn1nn0mmnmn1n0)2n(mnmnRA

19、g)2n(mnmnRBh1nmnmnRCj1nmnmnRDk近地空間任一點(diǎn)的磁位表達(dá)式近地空間任一點(diǎn)的磁位表達(dá)式：其中其中：地表任一點(diǎn)的磁位表達(dá)式地表任一點(diǎn)的磁位表達(dá)式)(cosP)msinkmcosj ()msinhmcosg(R),R(Umnmnmn1nn0mmnmn0球球心心坐坐標(biāo)標(biāo)與與地地面面直直角角坐坐標(biāo)標(biāo)地表任一點(diǎn)磁場的磁位表達(dá)式地表任一點(diǎn)磁場的磁位表達(dá)式100)(cossin)(cos)(),(nnmmnmnmnmnmnRrddPmkhmjgUrBX100)(cossincos)(sin)(sin),(nnmmnmnmnmnmnRrPmmkhmjgUrBY1nn0mmnmnmnm

20、nmnRr0)(cosPmsinnkh) 1n(mcosnjg) 1n(rU),(Z地表任一點(diǎn)磁場的磁位表達(dá)式地表任一點(diǎn)磁場的磁位表達(dá)式顯然，地磁場已表示為顯然，地磁場已表示為地面各點(diǎn)坐標(biāo)地面各點(diǎn)坐標(biāo)( , )的函數(shù)的函數(shù) 。高斯系數(shù)的確定高斯系數(shù)的確定將各測點(diǎn)、分量觀測值，代入地表各分量高斯將各測點(diǎn)、分量觀測值，代入地表各分量高斯級數(shù)表達(dá)式，建立方程組，解方程組得高斯系級數(shù)表達(dá)式，建立方程組，解方程組得高斯系數(shù)。數(shù)。只能求取有限階高斯系數(shù)。只能求取有限階高斯系數(shù)。若取若取nN階，至少要階，至少要N（N+2）個(gè)三分量測）個(gè)三分量測點(diǎn)；點(diǎn)；測點(diǎn)足夠多，且在全球的分布比較均勻合理，測點(diǎn)足夠多，且在

21、全球的分布比較均勻合理，以近似滿足球諧函數(shù)的正交性。以近似滿足球諧函數(shù)的正交性。一般采用最小二乘法解方程組。一般采用最小二乘法解方程組。g10 = -3062.50 nT h11 = 578.47 nT j10 = -4.82 nT k11 = -1.13 nT地磁場的主體是內(nèi)源場地磁場的主體是內(nèi)源場地球主磁場地球主磁場: :v起源起源于地球于地球內(nèi)部內(nèi)部并構(gòu)成磁場并構(gòu)成磁場主體主體的的穩(wěn)定穩(wěn)定場稱作地場稱作地球主磁場（基本磁場）。球主磁場（基本磁場）。)(cosP)msinhmcosg(rRR), r (Umn1nn0mmnmn1n0v地球主磁場地球主磁場可以直接反映各種深度、甚至地核可以直

22、接反映各種深度、甚至地核的物理過程，包括深部的溫度、壓力、物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的物理過程，包括深部的溫度、壓力、物質(zhì)運(yùn)動(dòng)等變化過程。等變化過程。v對主磁場的觀測與研究是地磁學(xué)中的重要內(nèi)容。對主磁場的觀測與研究是地磁學(xué)中的重要內(nèi)容。v地球主磁場起源于地球內(nèi)部，則：地球主磁場起源于地球內(nèi)部，則：地表上任意點(diǎn)地球主磁場的數(shù)學(xué)表達(dá)地表上任意點(diǎn)地球主磁場的數(shù)學(xué)表達(dá)1nn0mmnmnmnd)(cosdP)msinhmcosg(),(X1nn0mmnmnmn)(cosPsinm)mcoshmsing(),(Y1nn0mmnmnmn)(cosP)msinhmcosg)(1n(),(Z地球主磁場的高斯球諧分析地球主磁場的高

23、斯球諧分析v在實(shí)際工作中，對地球表面有磁場的強(qiáng)度和方向在實(shí)際工作中，對地球表面有磁場的強(qiáng)度和方向的的測量值測量值，進(jìn)行，進(jìn)行長期變化長期變化和和短期變化短期變化的的改正改正，統(tǒng)一，統(tǒng)一校正到校正到，這些校正后的測量值便是該，這些校正后的測量值便是該時(shí)刻的主磁場。時(shí)刻的主磁場。v將校正后的各測點(diǎn)、分量觀測值，代入將校正后的各測點(diǎn)、分量觀測值，代入地球主磁地球主磁場場地表各分量高斯級數(shù)表達(dá)式，建立方程組，解方地表各分量高斯級數(shù)表達(dá)式，建立方程組，解方程組得高斯系數(shù)。程組得高斯系數(shù)。01g11g11h02g12g22g12h22hv高斯系數(shù)是理論值；高斯系數(shù)是理論值；v不同年代數(shù)值不同，即地球主磁場

24、是變不同年代數(shù)值不同，即地球主磁場是變化的。化的。v選擇的測點(diǎn)不同，計(jì)算數(shù)值不同。選擇的測點(diǎn)不同，計(jì)算數(shù)值不同。v高斯系數(shù)是客觀的，如何高斯系數(shù)是客觀的，如何？地球主磁場的高斯（球諧）系數(shù)地球主磁場的高斯（球諧）系數(shù)國際地磁參考場國際地磁參考場v1968年通過了年通過了1965年的國際地磁參考場年的國際地磁參考場（IGRF）作為全世界通用的正常地磁場的標(biāo)）作為全世界通用的正常地磁場的標(biāo)準(zhǔn)，使用期為準(zhǔn)，使用期為1965年年1975年；年；v1975年接受了年接受了1975年的國際地磁參考場；年的國際地磁參考場；v1981年通過了年通過了1980年國際地磁參考場；同年國際地磁參考場；同時(shí)還通過了修

25、正的時(shí)還通過了修正的1965年、年、1970年及年及1975年的國際參考場高斯系數(shù)年的國際參考場高斯系數(shù)(DGRF)。v高斯公式的物理意義高斯公式的物理意義： n=1, 代表磁偶極子代表磁偶極子, 三三個(gè)磁偶極子相互垂直；個(gè)磁偶極子相互垂直； n=2, 代表代表4極子；極子； n=3, 代表代表8極子，等等。極子，等等?？偟拇艠?biāo)勢是各個(gè)簡單多總的磁標(biāo)勢是各個(gè)簡單多極子疊加而成的。極子疊加而成的。國際地磁參考場國際地磁參考場(IGRF), n=10總磁場強(qiáng)度（總磁場強(qiáng)度（B）等值線圖）等值線圖與緯度線大致平行，在磁赤道與緯度線大致平行，在磁赤道Z=0，向兩極絕對增大，向兩極絕對增大，約為磁赤道水

26、平強(qiáng)度的兩倍，磁赤道以北約為磁赤道水平強(qiáng)度的兩倍，磁赤道以北Z0，以南，以南Z0。垂直強(qiáng)度（垂直強(qiáng)度（Z）等值線圖）等值線圖從一點(diǎn)出發(fā)匯聚于另一點(diǎn)的曲線簇，兩條零偏從一點(diǎn)出發(fā)匯聚于另一點(diǎn)的曲線簇，兩條零偏線將全球分為正負(fù)兩個(gè)部分，等偏線在南北兩半球上線將全球分為正負(fù)兩個(gè)部分，等偏線在南北兩半球上匯聚于四個(gè)點(diǎn)，兩個(gè)是磁極，兩個(gè)是地理極。匯聚于四個(gè)點(diǎn)，兩個(gè)是磁極，兩個(gè)是地理極。磁偏角磁偏角D的零偏線由蒙古穿過我國西部延伯至尼泊爾、印度。零的零偏線由蒙古穿過我國西部延伯至尼泊爾、印度。零偏線以東，偏角變化由偏線以東，偏角變化由0到到11 (西西)；零偏線以西，腦角變化；零偏線以西，腦角變化從從0到到

27、5(東東)。磁傾角磁傾角I從南到北由從南到北由-10增至增至+70 幾個(gè)中心：幾個(gè)中心：東亞正異常東亞正異常，南大西洋和南印度洋正異常，南大西洋和南印度洋正異常，非洲負(fù)非洲負(fù)異常，澳洲負(fù)異常異常，澳洲負(fù)異常。非偶極子磁場的成因還不很清楚，一般認(rèn)。非偶極子磁場的成因還不很清楚，一般認(rèn)為起源于核、幔邊界的物質(zhì)對流。為起源于核、幔邊界的物質(zhì)對流。假設(shè)有孤立磁荷，則也有磁力（電磁庫侖定律）：假設(shè)有孤立磁荷，則也有磁力（電磁庫侖定律）：221041rqqFmm磁位磁位0真空中磁導(dǎo)率真空中磁導(dǎo)率0 （亨利（亨利/米）米）7104)/(4120mArqFm磁位磁位磁場強(qiáng)度的磁場強(qiáng)度的定義定義：單位正磁荷所受

28、的力。：單位正磁荷所受的力。真空中，磁感應(yīng)強(qiáng)度真空中，磁感應(yīng)強(qiáng)度B定義為：定義為：)(0TFBB和和H：描述磁場性質(zhì)的兩個(gè)不同的物理量。：描述磁場性質(zhì)的兩個(gè)不同的物理量。UF磁位磁位穩(wěn)定磁場穩(wěn)定磁場F也是保守場，故也可以引入磁位也是保守場，故也可以引入磁位U對于對于磁單極磁單極，磁位：，磁位：)(4120ArqUmmlMmmq2磁極矩磁偶極子磁場磁偶極子磁場P點(diǎn)磁位點(diǎn)磁位U)(41120rqrqUUUmmqqmm30302020001204141cos41cos241)cos1cos1 (41coscos(41)(41rrrMrlqrlrlrqlrqlrqrqrqUmmmmmmmrMrM ）（

29、磁極矩lMmq2）（磁矩0mMM 磁偶極子磁位磁偶極子磁位3041rUrM 其中其中M為偶極子磁矩。為偶極子磁矩。假 定 地 心 偶假 定 地 心 偶極 子 的 磁 矩極 子 的 磁 矩為為M，M與地與地球 自 轉(zhuǎn) 軸 夾球 自 轉(zhuǎn) 軸 夾角為角為( - 0)，經(jīng)度角為經(jīng)度角為 0； 0亦稱極角，亦稱極角， 0即方位角；即方位角；偶 極 子 的 軸偶 極 子 的 軸即地磁軸。即地磁軸。 地表任意點(diǎn)地表任意點(diǎn)P P點(diǎn)磁位：點(diǎn)磁位：sin)(cosPcos)(cosP)(cosP414sinsincossincos44rMU1111013yxz23yxz3yxzMMMrrMMMrYMXMZMr地球

30、主磁場高斯級數(shù)的一階項(xiàng)（n=1）為： sin)(cosPhcos)(cosPg)(cosPgRU1111111101013102r113011300130hR4,gR4,gR4yxzMMM令： 得： 1UU 地球主磁場的一階項(xiàng)（n=1）是地心偶極子場。由地磁場的高斯分析可知，地球主磁場的主要部分是地心偶極子場。這是地球主磁場的一個(gè)主要特征。 偶極子磁矩（地球磁矩）為：偶極子磁矩（地球磁矩）為： 21121120130)h()g()g(R42z2y2xMMMM只要知道一階高斯系數(shù)，就可算出地球磁矩。只要知道一階高斯系數(shù)，就可算出地球磁矩。高斯系數(shù)是隨時(shí)間變化的，不同年代的地球磁高斯系數(shù)是隨時(shí)間變

31、化的，不同年代的地球磁矩也是不同的。矩也是不同的。地球磁矩的大小直接反映了地磁場的強(qiáng)弱。地球磁矩的大小直接反映了地磁場的強(qiáng)弱。經(jīng)計(jì)算，經(jīng)計(jì)算，1980年的地球磁矩為年的地球磁矩為M=7.91 1022Am2。 00000cossinsincossinMMMMMMzyx由于可得地心偶極子的極角0與方位角0： 11110012112110ghtgg)h()g(tgxyz2y2xMMMMM01g11g11hM可以分解成互相垂直的三個(gè)分量可以分解成互相垂直的三個(gè)分量Mz、Mx、My。Mz與地球自轉(zhuǎn)軸重合，方向由地理北極指向與地球自轉(zhuǎn)軸重合，方向由地理北極指向南極，稱為軸向偶極子。南極，稱為軸向偶極子。

32、Mx與與My都位于赤道都位于赤道平面內(nèi)，稱之為赤道偶極子。平面內(nèi)，稱之為赤道偶極子。 比比 與與 大得多，所以在地心偶極子大得多，所以在地心偶極子場中，軸向偶極子場占主要部分。場中，軸向偶極子場占主要部分。1980年國際地磁參考場高斯系數(shù)年國際地磁參考場高斯系數(shù)地磁軸地磁軸與地球表面的兩個(gè)與地球表面的兩個(gè)交點(diǎn)交點(diǎn)稱為地磁北極與地稱為地磁北極與地磁南極。磁南極。地磁極地磁極(geomagnetic poles)與與磁極磁極(magnetic poles) 不同。不同。地磁南北極的連線是地磁軸，即地心偶極地磁南北極的連線是地磁軸，即地心偶極子磁軸，必然通過地心。磁極由實(shí)測結(jié)果確定，是地磁圖上子磁軸

33、，必然通過地心。磁極由實(shí)測結(jié)果確定，是地磁圖上傾角為傾角為90而等偏線匯聚的兩個(gè)點(diǎn)而等偏線匯聚的兩個(gè)點(diǎn)(實(shí)際上可由各年代高斯系實(shí)際上可由各年代高斯系數(shù)計(jì)算出數(shù)計(jì)算出)。兩個(gè)磁極的連線不一定通過地心。兩個(gè)磁極的連線不一定通過地心。1980年國際地磁參考場資料計(jì)算得的地磁北極位置為：地年國際地磁參考場資料計(jì)算得的地磁北極位置為：地磁北極：磁北極：78.8N，70.8W；而；而1980年實(shí)測的南北磁極位置年實(shí)測的南北磁極位置為：北磁極：為：北磁極：78.2N，102.9W，南磁極：，南磁極：65.6S，139.4E地磁軸地磁軸與地球表面的兩個(gè)與地球表面的兩個(gè)交點(diǎn)交點(diǎn)稱為地磁北極與地稱為地磁北極與地磁

34、南極。磁南極。地磁極地磁極(geomagnetic poles)與與磁極磁極(magnetic poles) 不同。不同。地磁南北極的連線是地磁軸，即地心偶極地磁南北極的連線是地磁軸，即地心偶極子磁軸，必然通過地心。磁極由實(shí)測結(jié)果確定，是地磁圖上子磁軸，必然通過地心。磁極由實(shí)測結(jié)果確定，是地磁圖上傾角為傾角為90而等偏線匯聚的兩個(gè)點(diǎn)而等偏線匯聚的兩個(gè)點(diǎn)(實(shí)際上可由各年代高斯系實(shí)際上可由各年代高斯系數(shù)計(jì)算出數(shù)計(jì)算出)。兩個(gè)磁極的連線不一定通過地心。兩個(gè)磁極的連線不一定通過地心。1980年國際地磁參考場資料計(jì)算得的地磁北極位置為：地年國際地磁參考場資料計(jì)算得的地磁北極位置為：地磁北極：磁北極：78

35、.8N，70.8W；而；而1980年實(shí)測的南北磁極位置年實(shí)測的南北磁極位置為：北磁極：為：北磁極：78.2N，102.9W，南磁極：，南磁極：65.6S，139.4E地磁坐標(biāo)地磁坐標(biāo)v地磁坐標(biāo)：以地磁軸地磁坐標(biāo)：以地磁軸作為極軸的坐標(biāo)系。作為極軸的坐標(biāo)系。v地面一點(diǎn)的該點(diǎn)的矢地面一點(diǎn)的該點(diǎn)的矢徑與地磁軸的夾角稱為徑與地磁軸的夾角稱為該點(diǎn)的該點(diǎn)的地磁余緯度地磁余緯度 ；過這一點(diǎn)與地磁極的子過這一點(diǎn)與地磁極的子午面，同過地磁極與地午面，同過地磁極與地理極的子午面的夾角稱理極的子午面的夾角稱為該點(diǎn)的為該點(diǎn)的地磁經(jīng)度地磁經(jīng)度 。測點(diǎn)地磁坐標(biāo)測點(diǎn)地磁坐標(biāo)sin)sin(sinsin)cos(sinsin

36、coscoscos0000由地磁北極的地理坐標(biāo)由地磁北極的地理坐標(biāo)( 0, 0)與測點(diǎn)的地理坐標(biāo)與測點(diǎn)的地理坐標(biāo)( , )，求測點(diǎn)的地磁坐求測點(diǎn)的地磁坐標(biāo)標(biāo)( , )1980年北京臺與余山臺的地磁經(jīng)緯度與地理經(jīng)年北京臺與余山臺的地磁經(jīng)緯度與地理經(jīng)緯度分別為：緯度分別為：地磁坐標(biāo)地磁坐標(biāo)北京臺：北京臺：余山臺：余山臺：NEEE 9 .282 .1862220400301116NEEE 9 .282 .1862220400301116在地磁坐標(biāo)中，地心偶極子的磁勢為：在地磁坐標(biāo)中，地心偶極子的磁勢為：地磁坐標(biāo)下地表任一點(diǎn)的地磁要素地磁坐標(biāo)下地表任一點(diǎn)的地磁要素MUMMrcosr4Mr423則地表一

37、點(diǎn)的磁場強(qiáng)度為：則地表一點(diǎn)的磁場強(qiáng)度為：cosr2Mr0sinrsinrM4r3000300UBZUBYUBXr地磁坐標(biāo)下地表任一點(diǎn)的地磁要素地磁坐標(biāo)下地表任一點(diǎn)的地磁要素磁場總強(qiáng)度（磁感應(yīng)強(qiáng)度）為：磁場總強(qiáng)度（磁感應(yīng)強(qiáng)度）為：20222Tcos314ZYXB3rM由磁場水平分量與垂直分量的比值，得由磁場水平分量與垂直分量的比值，得磁場傾角磁場傾角公式：公式：ctg2tg2tgI此公式把此公式把磁傾角磁傾角與與地磁緯度地磁緯度聯(lián)系起來，是表示偶聯(lián)系起來，是表示偶極子磁場中各參量關(guān)系的一個(gè)重要公式，它在極子磁場中各參量關(guān)系的一個(gè)重要公式，它在古古地磁學(xué)地磁學(xué)中有重要的作用。中有重要的作用。偶極子

38、場梯度偶極子場梯度水平梯度（沿磁子午線方向的梯度水平梯度（沿磁子午線方向的梯度)/(2cosr2M)/(2sinrM43030radnTHZctgZradnTZHtgH偶極子場梯度偶極子場梯度垂直梯度（沿高度方向的梯度垂直梯度（沿高度方向的梯度)/(3sinr6M4)/(3cosr3M44040kmnTZrrZkmnTHrrH偶極子場梯度偶極子場梯度例如，沒北京臺的例如，沒北京臺的Z：46194nT，H：29884nT，則北京地區(qū)的地磁場梯度為則北京地區(qū)的地磁場梯度為)/(4 . 9)/(1040)/(6 . 3)/(409)/(7 .21)/( 1 .14kmnTnTZkmnTnTHkmnT

39、rZkmnTrHRrRrRrRr地磁場的長期變化v地球的主磁場不是恒定的，而隨時(shí)間作緩慢變化，這地球的主磁場不是恒定的，而隨時(shí)間作緩慢變化，這種變化稱為主磁場的種變化稱為主磁場的長期變化長期變化。v研究這種變化的時(shí)空分布規(guī)律對于了解地球內(nèi)部物質(zhì)研究這種變化的時(shí)空分布規(guī)律對于了解地球內(nèi)部物質(zhì)的性質(zhì)和運(yùn)動(dòng)具有重要意義。的性質(zhì)和運(yùn)動(dòng)具有重要意義。v地磁場的長期變化可能具有下列各種周期：即地磁場的長期變化可能具有下列各種周期：即22年年，5070年年，120年年，180年年，500 600年年，1000年年以及以及7000 8000年年等。等。v通常用某一年的長期變化率來表示這一年地磁要素的通常用某一

40、年的長期變化率來表示這一年地磁要素的變化大小。變化大小。v通過世界各地地磁臺長期連續(xù)觀測和古地磁進(jìn)行研究通過世界各地地磁臺長期連續(xù)觀測和古地磁進(jìn)行研究地磁場的長期變化地磁場的長期變化地球磁矩的長期變化地球磁矩的長期變化 v在最近一百年內(nèi)，地球在最近一百年內(nèi)，地球磁矩衰減了磁矩衰減了5；v近近1000 年來，地球磁年來，地球磁矩大約減小了矩大約減小了25 %；v400 年來減小年來減小17 %；1835年為年為8.5x1022Am21900年為年為8.32x1022Am2 1980年為年為7.91x1022Am22000年為年為7.78x1022Am2兩千年后，接近兩千年后，接近0！ 磁磁極倒轉(zhuǎn)

41、極倒轉(zhuǎn)(?) 地地磁磁等等偏偏線線反反映映的的向向西西漂漂移移 非偶極場的西向漂移多數(shù)研究者認(rèn)為是由于非偶極場的西向漂移多數(shù)研究者認(rèn)為是由于地核相對于地幔以固定速度旋轉(zhuǎn)而引起的。地核相對于地幔以固定速度旋轉(zhuǎn)而引起的。0.163 /0.202 /0.139 /XYttZt年，年,年 Y分量的漂移速度恰恰是地核相對于地幔的旋轉(zhuǎn)速度。地磁場長期變特征地磁場長期變特征 （1）時(shí)間特征）時(shí)間特征 存在存在變化周期變化周期,周期有周期有22年年, 5070年年, 120年年, 180年年, 500600年年,1000年以及年以及70008000年等。年等。地磁場長期變特征地磁場長期變特征 （2）空間特征）

42、空間特征 存在存在西漂西漂：磁極：磁極西漂速度約西漂速度約5/ha 。異常中心西漂速度約異常中心西漂速度約18/ha 。地磁場長期變特征地磁場長期變特征 （3）整體特征整體特征 地心偶極子的強(qiáng)度和方向的緩慢變化地心偶極子的強(qiáng)度和方向的緩慢變化; 地磁偶極矩以每年地磁偶極矩以每年5%的速度減小的速度減小 ; 磁極位置緩慢移動(dòng)，即偶極矩方向緩磁極位置緩慢移動(dòng)，即偶極矩方向緩慢變化慢變化 。極性倒轉(zhuǎn)的長期變化極性倒轉(zhuǎn)的長期變化v在測定巖石的剩余磁性時(shí)，發(fā)現(xiàn)相當(dāng)一批巖在測定巖石的剩余磁性時(shí)，發(fā)現(xiàn)相當(dāng)一批巖石的磁化方向與現(xiàn)在的地磁場方向相反，于是石的磁化方向與現(xiàn)在的地磁場方向相反，于是就推測就推測地磁場

43、發(fā)生了地磁場發(fā)生了180的改變，原來的磁北的改變，原來的磁北極轉(zhuǎn)變?yōu)榇拍蠘O，磁南極則變成了磁北極。這極轉(zhuǎn)變?yōu)榇拍蠘O，磁南極則變成了磁北極。這種現(xiàn)象被稱為地磁極倒轉(zhuǎn)或地磁場翻轉(zhuǎn)。種現(xiàn)象被稱為地磁極倒轉(zhuǎn)或地磁場翻轉(zhuǎn)。v事實(shí)證明，在地球歷史上確實(shí)發(fā)生過這種變事實(shí)證明，在地球歷史上確實(shí)發(fā)生過這種變化，而且還一再地發(fā)生?；?，而且還一再地發(fā)生。p從從1940s開始，由于軍事上的需要對海底磁場進(jìn)行了開始，由于軍事上的需要對海底磁場進(jìn)行了系統(tǒng)的觀測，發(fā)現(xiàn)以大洋脊為中心，兩側(cè)對稱地交替分系統(tǒng)的觀測，發(fā)現(xiàn)以大洋脊為中心，兩側(cè)對稱地交替分布著正磁極性布著正磁極性(磁極與現(xiàn)代的一致磁極與現(xiàn)代的一致)與反磁極性與反磁極

44、性(磁極與現(xiàn)磁極與現(xiàn)代相反代相反)的兩類巖石；離擴(kuò)張中心越遠(yuǎn)，巖石年齡越老。的兩類巖石；離擴(kuò)張中心越遠(yuǎn)，巖石年齡越老。為地球科學(xué)中的板塊構(gòu)造理論的出現(xiàn)，提供了重要的依為地球科學(xué)中的板塊構(gòu)造理論的出現(xiàn)，提供了重要的依據(jù)。據(jù)。p隨著取得的資料增多，逐步建立了以不同時(shí)期地磁極隨著取得的資料增多，逐步建立了以不同時(shí)期地磁極翻轉(zhuǎn)為主要特征的地磁年代表。翻轉(zhuǎn)為主要特征的地磁年代表。一種地磁極性期平均可一種地磁極性期平均可持續(xù)持續(xù)22萬年萬年(短的僅持續(xù)短的僅持續(xù)3萬年，長的可達(dá)萬年，長的可達(dá)500萬年萬年)。每每次磁極倒轉(zhuǎn)過程僅持續(xù)數(shù)百年到上千年，此時(shí)表現(xiàn)為磁次磁極倒轉(zhuǎn)過程僅持續(xù)數(shù)百年到上千年，此時(shí)表現(xiàn)為

45、磁場強(qiáng)度大幅度減弱，磁極緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)，直到完全翻轉(zhuǎn)，才場強(qiáng)度大幅度減弱，磁極緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)，直到完全翻轉(zhuǎn)，才達(dá)到穩(wěn)定。達(dá)到穩(wěn)定。磁極倒轉(zhuǎn)磁極倒轉(zhuǎn)n地磁場極性倒轉(zhuǎn)的發(fā)現(xiàn)極大地推動(dòng)了古地磁地磁場極性倒轉(zhuǎn)的發(fā)現(xiàn)極大地推動(dòng)了古地磁學(xué)的發(fā)展學(xué)的發(fā)展n在全球廣泛開展了對火山巖、沉積巖、海底在全球廣泛開展了對火山巖、沉積巖、海底和湖底沉積的古地磁測量和湖底沉積的古地磁測量.（黃土沉積的古地（黃土沉積的古地磁研究帶著我國獨(dú)有的特色）磁研究帶著我國獨(dú)有的特色）n由此產(chǎn)生的由此產(chǎn)生的“地磁極性年表地磁極性年表”，為地質(zhì)學(xué)提，為地質(zhì)學(xué)提供了一個(gè)獨(dú)立的時(shí)間標(biāo)尺。供了一個(gè)獨(dú)立的時(shí)間標(biāo)尺。磁極倒轉(zhuǎn)磁極倒轉(zhuǎn)地球磁場起源地球磁場起源v

46、地球磁場起源問題一直是一個(gè)沒有解決的重地球磁場起源問題一直是一個(gè)沒有解決的重大地球物理難題。大地球物理難題。v大量的地磁資料，豐富的地磁現(xiàn)象強(qiáng)烈地吸大量的地磁資料，豐富的地磁現(xiàn)象強(qiáng)烈地吸引著擅長理性思維，愛好尋根問底的數(shù)學(xué)家、引著擅長理性思維，愛好尋根問底的數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家物理學(xué)家v地球磁場：令科學(xué)家著迷地球磁場：令科學(xué)家著迷地球磁場起源地球磁場起源地磁場起源理論需地磁場起源理論需回答回答的基本的基本問題問題：v為什么地球會有磁場？為什么地球會有磁場？v為什么地磁場會長期存在為什么地磁場會長期存在（至少為地球年齡的（至少為地球年齡的70%）？v為什么地磁場中偶極子場占優(yōu)勢？為什么地磁場中偶極子

47、場占優(yōu)勢？v為什么地磁場長期緩慢變化，而變化又不大？為什么地磁場長期緩慢變化，而變化又不大？v為什么平均地磁軸與地球自轉(zhuǎn)軸相吻合？為什么平均地磁軸與地球自轉(zhuǎn)軸相吻合？v為什么地磁場極性會倒轉(zhuǎn)而且地磁場倒轉(zhuǎn)頻率很大？為什么地磁場極性會倒轉(zhuǎn)而且地磁場倒轉(zhuǎn)頻率很大？v為什么沒有占優(yōu)勢極性？為什么沒有占優(yōu)勢極性？v不僅解釋過去，還要不僅解釋過去，還要預(yù)言預(yù)言未來地磁場未來地磁場趨勢趨勢地球磁場起源地球磁場起源為什么其它一些行星、衛(wèi)星也有磁場？這些磁場是否可以用統(tǒng)一機(jī)制來解釋？地球磁場起源地球磁場起源發(fā)電機(jī)學(xué)說發(fā)電機(jī)學(xué)說自激發(fā)電機(jī)學(xué)說自激發(fā)電機(jī)學(xué)說均勻發(fā)電盤均勻發(fā)電盤2000年年Bruce A. Buf

48、fett在巨型計(jì)算機(jī)上的模擬結(jié)果：在巨型計(jì)算機(jī)上的模擬結(jié)果：模擬結(jié)果演示模擬結(jié)果演示能源問題尚難定論；能源問題尚難定論；重要參數(shù)（如地核環(huán)流場強(qiáng)度、重要參數(shù)（如地核環(huán)流場強(qiáng)度、粘性）難以準(zhǔn)確估計(jì)；粘性）難以準(zhǔn)確估計(jì)；地核流動(dòng)狀態(tài)眾說紛紜地核流動(dòng)狀態(tài)眾說紛紜發(fā)動(dòng)機(jī)理論和數(shù)值模擬需要發(fā)展發(fā)動(dòng)機(jī)理論和數(shù)值模擬需要發(fā)展完善完善自激發(fā)電機(jī)學(xué)說自激發(fā)電機(jī)學(xué)說v地核的運(yùn)動(dòng)地核的運(yùn)動(dòng)v月球無磁場月球無磁場（現(xiàn)在）（現(xiàn)在）v古地磁學(xué)古地磁學(xué)是是地磁學(xué)地磁學(xué)的一個(gè)分支，興起于的一個(gè)分支，興起于20世紀(jì)世紀(jì)世紀(jì)世紀(jì)50年代，從年代，從60、70年代迅速年代迅速發(fā)展。發(fā)展。v它是通過圈定它是通過圈定巖石剩余磁化強(qiáng)度巖

49、石剩余磁化強(qiáng)度來研究來研究史前地質(zhì)時(shí)期地磁場及其演化規(guī)律的一門史前地質(zhì)時(shí)期地磁場及其演化規(guī)律的一門學(xué)科。學(xué)科。v物理基礎(chǔ)是物理基礎(chǔ)是巖石磁性巖石磁性和和地磁場軸向偶極地磁場軸向偶極子子的假定。的假定。n巖石的磁性巖石的磁性n古地磁學(xué)的基本原理古地磁學(xué)的基本原理n古地磁學(xué)的工作方法古地磁學(xué)的工作方法n古地磁學(xué)的研究成果及其應(yīng)用古地磁學(xué)的研究成果及其應(yīng)用物質(zhì)磁性物質(zhì)磁性帶電粒子運(yùn)動(dòng)帶電粒子運(yùn)動(dòng) 物質(zhì)磁性物質(zhì)磁性原子總磁矩：原子總磁矩： 電子軌道磁矩；電子軌道磁矩； 電子自旋磁矩；電子自旋磁矩； 原子核自旋磁矩原子核自旋磁矩.結(jié)構(gòu)不同結(jié)構(gòu)不同 表現(xiàn)不同表現(xiàn)不同物質(zhì)磁性物質(zhì)磁性結(jié)構(gòu)不同結(jié)構(gòu)不同 表現(xiàn)不

50、同表現(xiàn)不同分三類：分三類：抗磁性、順磁性、鐵磁性抗磁性、順磁性、鐵磁性抗磁性：抗磁性：1、本身沒有凈剩磁矩、本身沒有凈剩磁矩(1)各電子層中，電子成對出現(xiàn)，自旋方向各電子層中，電子成對出現(xiàn)，自旋方向相反，自旋磁矩抵消相反，自旋磁矩抵消;(2)相鄰軌道相互作用，抵消軌道磁矩。相鄰軌道相互作用，抵消軌道磁矩。2、外磁場作用下，運(yùn)動(dòng)電子（軌道）受到、外磁場作用下，運(yùn)動(dòng)電子（軌道）受到羅倫茨力，繞外磁場旋進(jìn)，角速度羅倫茨力，繞外磁場旋進(jìn)，角速度的方向的方向與與H相同，產(chǎn)生的磁場方向相反抗磁性。相同，產(chǎn)生的磁場方向相反抗磁性?？勾判裕嚎勾判裕嚎勾判允瞧毡榈目勾判允瞧毡榈呐c溫度無關(guān)；與溫度無關(guān)；去掉外磁場

51、，附加磁矩消失，即磁性消失去掉外磁場，附加磁矩消失，即磁性消失順磁性：順磁性：1、電子層中，有非對稱的電子，其自旋磁、電子層中，有非對稱的電子，其自旋磁矩未被抵消，在作用下，轉(zhuǎn)向平行；矩未被抵消，在作用下，轉(zhuǎn)向平行；2、無外磁場時(shí)，雜亂排列，不顯示磁性，、無外磁場時(shí)，雜亂排列，不顯示磁性，有外磁場時(shí)，轉(zhuǎn)向，顯示順磁性。有外磁場時(shí)，轉(zhuǎn)向，顯示順磁性。順磁性：順磁性：與（絕對）溫度成反比（居里定律）與（絕對）溫度成反比（居里定律）發(fā)展了通過磁化率測定，確定原子磁矩的發(fā)展了通過磁化率測定，確定原子磁矩的重要實(shí)驗(yàn)方法重要實(shí)驗(yàn)方法去掉外磁場，附加磁矩消失，即磁性消失去掉外磁場，附加磁矩消失，即磁性消失鐵

52、磁性：鐵磁性：某些物質(zhì)（某些物質(zhì)（Fe,Co,Ni）含有非成對電子，）含有非成對電子，電子自旋磁矩構(gòu)成原子磁矩，由于相鄰原子電子自旋磁矩構(gòu)成原子磁矩，由于相鄰原子彼此相互發(fā)生交換力的作用，迫使這些電子彼此相互發(fā)生交換力的作用，迫使這些電子保持自旋平行，即使沒有外磁場作用，也在保持自旋平行，即使沒有外磁場作用，也在局部局部“區(qū)域區(qū)域”內(nèi)產(chǎn)生平行排列，這種磁化叫內(nèi)產(chǎn)生平行排列，這種磁化叫自發(fā)磁化自發(fā)磁化，小區(qū)域稱為，小區(qū)域稱為“磁疇磁疇”。鐵磁性磁化過程：（與外磁場關(guān)系，溫度不變）鐵磁性磁化過程：（與外磁場關(guān)系，溫度不變） 無外磁場作用時(shí)，各磁疇的取向混亂，不呈磁性；無外磁場作用時(shí)，各磁疇的取向混

53、亂，不呈磁性； 施加外磁場時(shí)，磁疇結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，疇壁移動(dòng)，磁施加外磁場時(shí)，磁疇結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，疇壁移動(dòng)，磁疇轉(zhuǎn)動(dòng)，顯示出宏觀磁性；疇轉(zhuǎn)動(dòng)，顯示出宏觀磁性； 當(dāng)外磁場增加時(shí)，磁疇的磁化方向都接近磁場的方當(dāng)外磁場增加時(shí)，磁疇的磁化方向都接近磁場的方向，外磁場繼續(xù)增加時(shí)，磁化方向趨于飽和，磁化強(qiáng)向，外磁場繼續(xù)增加時(shí)，磁化方向趨于飽和，磁化強(qiáng)度不再增加；度不再增加； 如果減小外磁場直到零，磁化并不按原過程返回，如果減小外磁場直到零，磁化并不按原過程返回，而落后于外磁場變化，外磁場為零時(shí)，仍保留部分磁而落后于外磁場變化，外磁場為零時(shí)，仍保留部分磁化強(qiáng)度（剩余磁化強(qiáng)度）?；瘡?qiáng)度（剩余磁化強(qiáng)度）。鐵磁性：鐵磁

54、性：在很弱的外磁場中就可以被磁化到飽和在很弱的外磁場中就可以被磁化到飽和對已經(jīng)完全退磁的鐵磁樣品，在外磁場為對已經(jīng)完全退磁的鐵磁樣品，在外磁場為零時(shí)，對外不顯現(xiàn)宏觀磁性零時(shí)，對外不顯現(xiàn)宏觀磁性溫度高于居里點(diǎn)時(shí)，溫度高于居里點(diǎn)時(shí)，鐵磁性鐵磁性順磁性順磁性鐵磁性的類型：鐵磁性的類型：三種：三種：鐵磁性鐵磁性; 反鐵磁性反鐵磁性; 亞鐵磁性亞鐵磁性.礦物的磁性：礦物的磁性：v抗磁性、順磁性、鐵磁性抗磁性、順磁性、鐵磁性鐵磁性礦物：鐵磁性礦物：自然界中不存在純鐵磁性礦物。自然界中不存在純鐵磁性礦物。最重要的磁性礦物當(dāng)推鐵最重要的磁性礦物當(dāng)推鐵-鈦氧化物。鈦氧化物。地殼中純磁鐵礦少見，大多由不同比例的地

55、殼中純磁鐵礦少見，大多由不同比例的鐵、鈦、氧組成復(fù)雜的固熔體，它是典型的鐵、鈦、氧組成復(fù)雜的固熔體，它是典型的亞鐵磁性。亞鐵磁性。磁鐵礦不僅有較強(qiáng)的磁化率，且有較強(qiáng)的磁鐵礦不僅有較強(qiáng)的磁化率，且有較強(qiáng)的剩余磁性，其變化范圍較大。剩余磁性，其變化范圍較大。巖石的磁性巖石的磁性 巖石的磁性與巖石中鐵磁性礦物的有無、含量的巖石的磁性與巖石中鐵磁性礦物的有無、含量的多少，顆粒的大小及其分布情況直接有關(guān)。多少，顆粒的大小及其分布情況直接有關(guān)。(一一).沉積巖：沉積巖：磁性較弱。沉積巖的磁化率主要決定于副礦物磁性較弱。沉積巖的磁化率主要決定于副礦物(磁鐵礦、磁赤鐵磁鐵礦、磁赤鐵礦、赤鐵礦等）的含量及成分礦

56、、赤鐵礦等）的含量及成分.(二二).火成巖：火成巖：1.侵入巖的磁化率隨巖石的基性增強(qiáng)而增大；侵入巖的磁化率隨巖石的基性增強(qiáng)而增大；2.超基性巖磁性最強(qiáng)，基性、中性巖次之；超基性巖磁性最強(qiáng)，基性、中性巖次之；3.花崗巖建造的侵入巖，磁化率不高，噴發(fā)巖磁化率變化大；花崗巖建造的侵入巖，磁化率不高，噴發(fā)巖磁化率變化大；4.火成巖具有明顯的天然剩磁?；鸪蓭r具有明顯的天然剩磁。(三三).變質(zhì)巖：變質(zhì)巖：其磁性與原來基質(zhì)有關(guān)，也與生成條件有關(guān)其磁性與原來基質(zhì)有關(guān)，也與生成條件有關(guān). 一般情況下，巖石的磁性是在其形成過程中獲得一般情況下，巖石的磁性是在其形成過程中獲得的。由于巖石成份和形成過程的差異，巖石

57、的磁性的。由于巖石成份和形成過程的差異，巖石的磁性（磁化率）存在著很大差異。巖石磁性不僅與其礦物（磁化率）存在著很大差異。巖石磁性不僅與其礦物組成有關(guān)，而且與礦物結(jié)構(gòu)構(gòu)造以及所處的物理環(huán)境組成有關(guān)，而且與礦物結(jié)構(gòu)構(gòu)造以及所處的物理環(huán)境有關(guān)。大量巖石標(biāo)本測試和統(tǒng)計(jì)以及巖石物理學(xué)研究有關(guān)。大量巖石標(biāo)本測試和統(tǒng)計(jì)以及巖石物理學(xué)研究結(jié)果表明，影響巖石磁性的主要因素有以下幾個(gè)方面結(jié)果表明，影響巖石磁性的主要因素有以下幾個(gè)方面 鐵磁性礦物含量鐵磁性礦物含量 鐵磁性礦物結(jié)構(gòu)與顆粒大小鐵磁性礦物結(jié)構(gòu)與顆粒大小 溫度、壓力溫度、壓力p熱剩余磁性熱剩余磁性p化學(xué)剩余磁性化學(xué)剩余磁性p沉積剩余磁性沉積剩余磁性p粘滯

58、剩余磁性粘滯剩余磁性熱剩余磁性：熱剩余磁性：在恒定磁場作用下，巖石從在恒定磁場作用下，巖石從居里點(diǎn)以上溫度居里點(diǎn)以上溫度逐漸冷卻到居里點(diǎn)以下，逐漸冷卻到居里點(diǎn)以下，在這個(gè)過程中受磁化所獲得的剩磁。在這個(gè)過程中受磁化所獲得的剩磁。熱剩磁的特點(diǎn)：熱剩磁的特點(diǎn)：v強(qiáng)度大（強(qiáng)度大（在弱磁場中，熱剩磁比等溫剩磁強(qiáng)幾十至在弱磁場中，熱剩磁比等溫剩磁強(qiáng)幾十至幾百倍）。幾百倍）。v熱剩磁的方向與外磁場一致。熱剩磁的方向與外磁場一致。v在弱磁場中熱剩磁的強(qiáng)度正比于外磁場感應(yīng)強(qiáng)度。在弱磁場中熱剩磁的強(qiáng)度正比于外磁場感應(yīng)強(qiáng)度。v熱剩磁主要在居里點(diǎn)附近獲得熱剩磁主要在居里點(diǎn)附近獲得，且總熱剩磁是各，且總熱剩磁是各部分

59、熱剩磁之和；熱退磁也服從疊加定律部分熱剩磁之和；熱退磁也服從疊加定律.v有很高的穩(wěn)定性穩(wěn)定（磁性弛豫時(shí)間長）。有很高的穩(wěn)定性穩(wěn)定（磁性弛豫時(shí)間長）?；瘜W(xué)剩余磁性：化學(xué)剩余磁性：在一定磁場中，某些物質(zhì)在在一定磁場中，某些物質(zhì)在低于居里溫度低于居里溫度的條件下，經(jīng)過相變和化學(xué)過程的條件下，經(jīng)過相變和化學(xué)過程所獲得的剩磁。所獲得的剩磁?；瘜W(xué)剩磁的特點(diǎn)：化學(xué)剩磁的特點(diǎn)：v在弱磁場下，化學(xué)剩磁的強(qiáng)度正比于外磁場的在弱磁場下，化學(xué)剩磁的強(qiáng)度正比于外磁場的感應(yīng)強(qiáng)度。感應(yīng)強(qiáng)度。v在同樣的磁場中，化學(xué)剩磁的強(qiáng)度只有熱剩磁在同樣的磁場中，化學(xué)剩磁的強(qiáng)度只有熱剩磁強(qiáng)度的幾十分之一。強(qiáng)度的幾十分之一。v化學(xué)化學(xué)剩磁剩

60、磁有很高的穩(wěn)定性穩(wěn)定（磁性弛豫時(shí)間有很高的穩(wěn)定性穩(wěn)定（磁性弛豫時(shí)間長）。長）。沉積剩余磁性（碎屑剩磁）：沉積剩余磁性（碎屑剩磁）：沉積物固積成沉積物固積成巖后，按其碎屑的磁化方向保留下來的磁性。巖后，按其碎屑的磁化方向保留下來的磁性。沉積剩磁的特點(diǎn)：沉積剩磁的特點(diǎn)：v對于球狀顆粒，沉積剩磁與外磁場同向。對于球狀顆粒，沉積剩磁與外磁場同向。v對于長形顆粒，由于顆粒沉積后平躺，沉積剩對于長形顆粒，由于顆粒沉積后平躺，沉積剩磁的傾角較地磁場傾角小。磁的傾角較地磁場傾角小。v沉積剩磁強(qiáng)度的大小與外磁場成正比。沉積剩磁強(qiáng)度的大小與外磁場成正比。v沉積巖中磁性物質(zhì)大多來源于火成巖，其原生沉積巖中磁性物質(zhì)大