地磁磁場的基本特征及應用

1、地磁磁場的基本特征及應用地球磁場：地球周圍存在的磁場，包括磁層頂以下的固體地球內(nèi)部和外部所 有場源產(chǎn)生的磁場。地球磁場不是孤立的，它受到外界擾動的影響，宇宙飛船就 已經(jīng)探測到太陽風的存在。因為太陽風是一種等離子體，所以它也有磁場，太陽 風磁場對地球磁場施加作用，好像要把地球磁場從地球上吹走似的。盡管這樣， 地球磁場仍有效地阻止了太陽風長驅(qū)直入。在地球磁場的反抗下，太陽風繞過地 球磁場，繼續(xù)向前運動，于是形成了一個被太陽風包圍的、彗星狀的地球磁場區(qū)域，這就是磁層。離伸得很遠，形成一條長長的尾巴，稱為磁尾。在磁赤道附近，有一個特殊的界面， 在界面兩邊，磁力線突然改變方向，此界面稱為中性片。中性片上

2、的磁場強度微 乎其微，厚度大約有1000公里。中性片將磁尾部分成兩部分：北面的磁力線向 著地球，南面的磁力線離開地球。地磁學：是研究地磁場的時間變化、空間分布、起源及其規(guī)律的學科。固 體地球物理學的一個分支。時間范圍：已可追溯到太古代（約35億年前）一一現(xiàn)代空間范圍：從地核至磁層邊界（磁層頂），磁層離地心最近的距離：813個地球半徑組成和變化規(guī)律及應用：磁偶極子：帶等量異號磁量的兩個磁荷，如果觀測點距離遠大于它們之間的距離，那么這兩個磁荷組成的系統(tǒng)稱為磁偶極子。地磁場的構(gòu)成地球磁場近似于一個置于地心的同軸偶極子的磁場。這是地球磁場的基本特征。這個偶極子的磁軸和地軸斜交一個角度6.：二S。如圖1

3、.1所示，N、S分別表示地磁北極和地磁南極。按磁性來說，地磁兩極和磁針兩極正好相反。同 時，磁極的位置并不是固定的，每年會移動數(shù)英里，兩個磁極的移動彼此之間是 獨立的，關(guān)于地磁極的概念有兩種不同的思路和結(jié)果：理論的和實測的。理 論的地磁極是從地球基本磁場中的偶極子磁場出發(fā)的。實測的地磁極是從 全球地磁圖（等偏角地磁圖和等傾角地磁圖）上找出的磁傾角為90的兩個小區(qū)域，這兩個地點不在地球同一直徑的兩端，大約偏離2500千米。由于它們是由磁傾角的實際觀測決定的，故又稱為地磁傾極；理論的地磁極 則稱為偶極子磁極。偶極子磁極與地磁傾極并不互相重合是由于非偶極子磁場的存在。按照地理學的習慣，近地球南極的是

4、地磁北極，近地球北極的是地磁南極。第 二次世界大戰(zhàn)后，隨著古地磁研究的迅速發(fā)展，人們獲得了越來越多的地磁場倒 轉(zhuǎn)證據(jù)。如巖漿在冷卻凝固成巖石時，會受到地磁場的磁化而保留著像磁鐵一樣 的磁性，其磁場方向和成巖時的地磁場方向一致?？茖W家在研究中發(fā)現(xiàn)，有些巖石的磁場方向與現(xiàn)代地磁場方向相同，而有些巖 石的磁場方向與現(xiàn)代地磁場方向正好相反?？茖W 工作者通過陸上巖石和海底沉積物的磁力測定， 及洋底磁異常條帶的分析終于發(fā)現(xiàn)，在過去的 7600萬年間，地球曾發(fā)生過171次磁極倒轉(zhuǎn)。距今最近的一次發(fā)生在70萬年前。地磁場是一個弱磁場，在最強的兩極其強度不到10-4(T),在地面上的平均 磁感應強度約為0.6x

5、10-4(T)(特斯拉)。在地磁學中，通常采用nT作為單位， 1nT二二一七地磁場T是由各種不同來源的磁場疊加起來構(gòu)成的。按其來源和變化規(guī)律不 同，可將磁場分為兩部分：一是來源于固體地球內(nèi)部的穩(wěn)定磁場Ts；二是主要起 因于固體地球外部的變化磁場&T。因而，地磁場可以表示為T = 口 + S T具體如下內(nèi)源場主磁場地球外核 5000070000nT 偶極子場為主局部場居里點以上地殼 10010000nT 不規(guī)則感應場 地殼、上地幔和海洋下述四種變化場的1/2 一般具全球性規(guī)則磁暴場磁層150500nT近似均勻的外場，持續(xù)4-10h,恢復2-3天外源場不規(guī)則磁暴場和亞暴場電離層和磁層100-200

6、nT全球場，極光帶最強，5-100min日變化 電離層50-200nT，全球場，24、12、8h周期脈動磁層10-100nT，準全球場，1300s （準周期）1885年由A施密特利用總磁場的球諧分析方法和面積方法，把穩(wěn)定磁場和 變化磁場分解為起源于地球內(nèi)、外的兩部分，故有：Ts = Tsj -F T3C ? 5t= 5T+ STC其中，二是起因于地球內(nèi)部的穩(wěn)定磁場，占穩(wěn)定磁場總量的注l以上；T二是起因于地球外部的穩(wěn)定磁場，僅占I： :以下；&二是變化磁場的外源場，約占變化磁場總量的2/3，實際上是有外部電流感應而引起的；8二為內(nèi)源場約占其總量的1/3；通常所指的地球穩(wěn)定磁場主要是內(nèi)源穩(wěn)定場，它

7、由以下三個部分組成：T前=孔+玲+馬其中圣為中心偶極子磁場；圣,為非偶極子磁場，也稱為大地磁場或世界異 常；這兩部分的磁場之和又稱為地球基本磁場。二是地殼內(nèi)的巖石礦物及地質(zhì)體 在基本磁場磁化作用下所產(chǎn)生的磁場，稱為地殼磁場，又稱為異常場或磁異常。 其分布范圍一般子在數(shù)千米或數(shù)十千米者，稱為局部異常（T），達到數(shù)百或數(shù)綜上所述，地球磁的構(gòu)成可用下式表示：T =圣-W 二+_二 +&T式中的外源穩(wěn)定磁場二”因數(shù)量級極小，通?？杀缓雎?。地磁要素角，以D表示。磁北自地理北向東偏D為正，西偏則為正。T、X、Y、Z、H、D及I的各個分量都是表示該點地磁場大小和方向特征的物理量，稱為地磁要素。如圖不難看出他

8、們的幾何關(guān)系：H = Teo si: X = HcosD, Y HsinD, Z Tsinl = HtanI,T2 = Hj 砂=X2 +Y2 +Z2IZYtanl = , tanD =地磁要素是隨時空變化的，要了解其分布特征，必須把不同時刻所觀測的數(shù) 值都歸算到某一特定日期，國際上將此日期一般選在1月1日零點零分，這個步 驟稱之為通化。將通化后的某一地磁要素值按各個測點的經(jīng)緯度坐標標在地圖 上，再把數(shù)值相等的各點用光滑的曲線連接起來，編繪程某個地磁要素的等值線 圖，便成為地磁圖。地磁場的分布世界地磁圖分布世界地磁圖基本上反映了來自地球核部場源的各地磁要素隨地理分布的基本特征。從等偏線圖中可見

9、，在南北半球上磁偏角共有四個匯聚點，全圖有兩條 零偏線。從等傾線圖可見，等傾線大致和緯度線平行分布。零傾線在地理赤道附 近，稱為磁赤道，但不是一條直線。由磁赤道向北，磁傾角為正；磁赤道向南，磁傾角為負。世界地磁場水平強度（H）等值線大致是沿緯度線排列的曲線簇，在磁赤 道附近最大約為40000nT，隨緯度向兩極增高，H值逐漸減小趨于零；在磁南、 北兩極處H=0。除了兩磁極區(qū)外，全球個點的H都指向北。世界地磁場垂直強度（Z）等值線大致與等傾線分布相似，近似與緯度線平 行。在磁赤道上Z=0,由此向兩極其絕對值逐漸增大，在磁極處最大。2）中國地磁圖分布我國地磁圖表明地磁要素有以下分布特征：磁偏角的零偏

10、線由我國內(nèi) 蒙古穿過我國中部偏西的甘肅省和西藏自治區(qū)延伸到尼迫爾、印度。零偏線以東偏角為負， 其變化由0度至-11度；零偏線以西為正，變化范圍由0度到5度。磁傾角由 南向北，I值由-10度增至70度。地磁場水平強度H從南至北，H值由40000nT 降至21000nT。垂直強度自南至北由-1000nT增到56000nT。總強度由南至 北，變化值為41000nT至60000nT。地磁場的基本理論假設地球是均勻磁化球體，半徑為R，若采 用球坐標系，如圖所示。坐標原點為球心，球外 任一點P的地心距為Y，余緯度為。，經(jīng)度為入。 則在地磁源區(qū)外空間坐標系（y，。，入）中， 磁位U的拉普拉斯方程可以寫做：1

11、 d （ 2du 18 f .場、 1目七 cr2 dr dr） r1 sin & d&38） r2 sm2 3采用分離變量法解得：w =4T cos（泓）+玲泗（泓）町（cose）M-l M-0 對上式對軸向微商，得到三個軸向磁場強度的三分量：簍x=-登偉忌*網(wǎng)+羅泗即;I】土如* 9)I=ZZ f-T 乞試對伽)F cos 即)京 * 9)M-l M-0r?3111邱h ( d y+2z=Z2+i)三宓 cos (沸立)+就1 sin (歐日)可3)r)且有：標重總強度、磁偏角D=tg1(YIX)水平強度H = Xr+Y 、磴傾角I=tgZ/H)地磁測量在各個測點上進行地磁要素的關(guān)系的測量

12、稱為地磁測量，簡稱磁測。磁測 分為地面測量、海洋測量、航空測量和衛(wèi)星測量。地磁要素的測量方法分為絕 對測量和相對測量。地磁要素絕對值的測量稱為絕對測量，地磁要素相對值的 測量稱為相對測量。地磁場的變化長期變化場地球場長期變化的時空規(guī)律是探索地球內(nèi)部物質(zhì)運動的重要線索，也是固體 地球物理的一個重要的課題。地球基本磁場隨時間的緩慢變化叫做地磁場的長期 變化，亦稱世紀變化。地球磁場長期變化總的特征是隨時間變化緩慢，周期長。 一般變化周期為年、幾十年，有的更長。對對地磁場的長期變化，主要是通過世界各地的地磁臺長期、連續(xù)的觀測數(shù)據(jù)取其平均值來進行研究的。2）地磁場的短期變化地磁場的短期變化主要起因于固體

13、地球外部的各種電流體系。按其變化規(guī)律 也可以分為兩類：一類是按一定的周期連續(xù)出現(xiàn)，變化平緩而有規(guī)律，稱為平靜 變化；另一類是偶然發(fā)生、持續(xù)一定時間后消失，是短暫而復雜的變化，變化幅 度可以很強烈，也有很小，稱之為擾動變化。（一）平靜變化根據(jù)其變化周期和幅度等特征平靜變化分為太陽靜日變化和太陰日變化。太陰 日是地球相對于月球自轉(zhuǎn)一周的時間，由于其變化幅度僅在1-2nT，又重疊在太陽日 變化中，對磁力勘探影響甚微，故不單獨考慮。太陽靜日變化十一一個太陽日24h 為周期，稱為地磁日變。它的變化依賴于地方太陽時。（二）擾動變化地磁場的擾動變化是疊加在平靜變化場水平上的地磁擾動，變化幅度可小于1nT 或

14、到1n】手nT；持續(xù)時間可小于1s或幾天不等。下面介紹其中的三種：1、磁暴（由太陽耀斑引起的地球高層大氣的擾動，全球范圍內(nèi)的地磁場的急 驟無規(guī)則擾動。此現(xiàn)象發(fā)生突然，在1小時或更短時間內(nèi)磁場經(jīng)歷顯著變化，然后 可能要歷時幾天才回到正常狀態(tài)。）2、地磁亞暴；3、地磁脈動（ 指地磁場的各種短周期變化。其周期范圍一般為0.21000 秒，振幅一般為百分之幾到幾十個納特。地磁脈動可分為兩大類：連續(xù)脈動，形 狀為正弦型或近似正弦型，振幅較穩(wěn)定，持續(xù)時間可達數(shù)小時；不規(guī)則脈動，其 振幅逐漸衰減，類似于阻尼振蕩，可持續(xù)幾分鐘到幾十分鐘。地磁脈動的周期很短， 只能在地殼上層產(chǎn)生感應電流，因此研究地磁脈動可以幫

15、助了解地殼上層的電導率 分布。4、電磁感應地磁場的起源地磁場的起源曾提出很多假設，現(xiàn)在公認的是建立在地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)認識基礎上 的自激發(fā)電機效應假說。該假設是從以下前提出發(fā)的：地核是個導電的流體； 地核中原來存在微弱的磁場；在地核流體中，持續(xù)發(fā)生著差異運動和對流。按照 磁流體力學的規(guī)律形成的地核電流體和原有弱磁場的相互作用，通過感應方式電流 自身形成的場又可以持續(xù)不斷的再生磁場，從而增加后來的磁場。由于地核電流體 持續(xù)運動而不斷提供能量，因而引起一種自激發(fā)電機效應。由于能量的不斷的不斷 消耗和供應，磁場增強到一定程度就穩(wěn)定下來，形成現(xiàn)在的地球基本磁場。巖石磁性地殼中的巖石及礦體處在地球磁場中，從他

16、們形成時起，就受其磁化而具有不 同程度的磁性，其磁性差異在地表引起磁異常。研究巖石磁性的目的在于掌握巖石 和礦物受磁化的原理，了解礦物與巖石的磁性特征及其影響因素，以便正確確定磁 力勘探能夠解決的地質(zhì)任務，以及對磁異常做出正確的解釋。主要研究的內(nèi)容有：1）巖石的物質(zhì)磁性2）巖石的磁性特征3）巖石的剩余磁性4）巖石圈的磁性5）月球和隕石的磁性。古地磁場通過研究地質(zhì)時期古地磁場的特征，對了解地球的發(fā)展演化具有重要意義。古 地磁學研究的對象是巖石的的剩余磁性。巖石磁性記錄了巖石形成和以后的磁場變 化特征，它可以用來研究地質(zhì)時期磁場。古磁場研究的內(nèi)容有：1）地磁場的起源2）地磁場的長期變化3）極性倒轉(zhuǎn)

17、4）古地磁應用地磁異常:又稱“磁力異?！保喎Q“磁異?！?。地磁場的理論分布是有變 化的。而實際上測得的地球磁場強度和理論磁場強度是有區(qū)別的，這種區(qū)別稱 地磁異常。一般把地磁異常按面積大小分為大陸性異常、區(qū)域性異常、局部異 常。而大陸異常常作為正常磁場。在磁法勘探中，把與地質(zhì)構(gòu)造和礦產(chǎn)有關(guān)的 局部磁場稱為局部異常。正常磁場和磁異常是相對的。研究局部礦產(chǎn)的磁異常 時，疊加在正常場上的區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造的磁場也可以看作是正常磁場。而研究區(qū) 域地質(zhì)構(gòu)造時，區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造的磁場則成為有意義的異常。一般將高于理論地 磁場的地區(qū)叫正異常，反之為負異常。極光：極光出現(xiàn)于星球的高磁緯地區(qū)上空，是一種絢麗多彩的發(fā)光現(xiàn)象。

18、 而地球的極光，由來自地球磁層或太陽的高能帶電粒子流（太陽風）使高層大 氣分子或原子激發(fā)（或電離）而產(chǎn)生。極光產(chǎn)生的條件有三個：大氣、磁場、 太陽風。這三者缺一不可。地磁場的地理分布特征：等偏線是從一點出發(fā)會聚于另一點的曲線族，明 顯的分別會聚在南北兩磁極區(qū)，在這兩點上磁北方向可以從0度變化到360度， 即沒有固定的磁偏角。在南北半球上磁偏角共有四個會聚點。等傾線大致和緯 度平行分布。零傾線在地理赤道附近，稱為磁赤道，但不是一條直線。由磁赤 道向北，磁傾角為正，以南為負。世界地磁場水平強度等值線大致是沿緯度線 排列的曲線族，在磁赤道附近最大，隨著緯度向兩極增高，H值逐漸減小趨于零。世界地磁場垂

19、直強度等值線分布大致與等傾線相似，近乎與緯度平行，在 磁赤道上等于零，向兩極絕對值逐漸增大。國際地磁參考場:為了對基本磁場的高斯系數(shù)給出一個全世界通用的標準，從1968年開始，國際地磁和高空大氣物理協(xié)會相繼討論和通過了幾個不同年代 的基本磁場模型，它們被稱為某某年代國際地磁參考場（IG-RV）。這是由于地 磁場具有長期變化的特點，所以在一個模型提出來以后，每經(jīng)過五年又要根據(jù) 新的資料對它進行一定的修正，以提高這些參考資料的精確度。地球磁場研究的主要內(nèi)容1、地磁場的構(gòu)成與起源在地面上觀測到的地磁場T是各種不同成分的磁場總和。它們的場源分布 有的在地球內(nèi)部，有的在地面之上的大氣層中。按其來源和變化

20、規(guī)律不同，可 將地磁場分為兩部分：一是主要來源于固體地球內(nèi)部的穩(wěn)定磁場；二是主要起 因于固體地球外部的。按研究地磁場目的的不同，可將地磁場分為正常場和異 常場兩部分。通常情況下，正常場和異常場是相對的概念，正常磁場可以認為 是磁異常的背景場或基準場。2、變化磁場疊加在地球基本磁場上的變化場，指的是隨時間變化而變化的磁場。從它 們的特征和成因來說，總體可以分為兩大兩類：一類是由地球內(nèi)部場源緩慢變 化而致的長期變化場；另一類是主要起因于地球外部場源的短期變化場。短期 變化場又可以分為平靜變化和擾動變化。而平靜變化又可以分為國際擾日變化和 靜日變化以及一般日變化。擾動變化又可以分為磁暴和地磁脈動。3

21、、地磁要素分布特征地磁要素隨時間而不斷發(fā)生變化。確定某一點的磁場情況，需要三個要素，常 用的是磁傾角、磁偏角和水平分量。等偏線是從一點出發(fā)會聚于另一點的曲線族，明顯的分別會聚在南北兩磁 極區(qū)，在這兩點上磁北方向可以從0度變化到360度，即沒有固定的磁偏角。 在南北半球上磁偏角共有四個會聚點。等傾線大致和緯度平行分布。零傾線在地理赤道附近，稱為磁赤道，但不是一條直線。由磁赤道向北，磁傾角為正，以南為負。世界地磁場水平強度等值線大致是沿緯度線排列的曲線族，在磁赤道附近最大，隨著緯度向兩極增高，H值逐漸減小趨于零。世界地磁場垂直強度等值線分布大致與等傾線相似，近乎與緯度平行，在磁赤道上等于零，向兩 極絕對值逐漸增大。地磁的應用1、空間物理學一一變化的磁場（外源場）與太陽活動有關(guān)，是研究日地關(guān)系的一種手段；2、地球物理勘探一一局部磁異常是找礦等勘探的理論基礎；3、構(gòu)造學根據(jù)高空電磁波引起的地球內(nèi)部的感應電磁場，可探測地球內(nèi)部的電性構(gòu)造；魏格納剛提出