地磁第3章 地磁場的長期變化

1、第三章 地磁場的長期變化研究地磁場長期變化的時空分布規(guī)律，對了解地球內部物質的性質和運動的具有重要意義，這也是固體地球物理的一個重要研究方向全球地表地磁場Y的時間演變3.1 地磁場的長期變化及特征 3.2 地磁場的西向漂移3.3 地磁場的極性倒轉和古地磁3.1 地磁場的長期變化及特征概念：地磁場的長期變化地球基本磁場（主磁場）自身的一種隨時間的緩慢變化。注意： 對象：基本磁場（主磁場） 特征：緩慢變化變化周期幾年到上萬年。主磁場：起源于核幔界面偶極子場+非偶極子場主磁場獲得通常以地磁要素的年均值表示主磁場大小在理論研究中，特別是研究全球時，通常用地磁場模型計算得出，一般用n10（有時取n13

2、）的球諧項表示一、長期變化現(xiàn)象（1）如果對比同一地磁臺在數(shù)年中的年均值， D：呈上升的趨勢I：19101945， 19461952， 19531966， 19671980 可以發(fā)現(xiàn)個地磁要素都在隨年代變化，且在一段時間內，這種變化往往保持一定的趨勢。倫敦的變化：圓圈的四分之三長期變化有某種周期性波士頓和巴爾的摩的變化完全是另外一種樣子地磁場長期變化的地區(qū)差異及其復雜性（2）對比不同年代的地磁圖，發(fā)現(xiàn)：等值線的形狀和位置在緩慢地變化。強度：非偶極子場比偶極子場弱得多，時間變化：非偶極子場比偶極子場要劇烈。對比不同年代的非偶極子場圖，發(fā)現(xiàn)：其變化更為明顯。南大西洋磁異常（SAT）歐亞大陸磁異常（E

3、A）北美磁異常（NAM）大洋洲磁異常（AUS）非洲磁異常（AF）非偶極子場Z的等值線圖 （單位：2000nT) 例如：非洲磁異常中心，在經(jīng)度方向變化就非常明顯： 在1590年至2005年間，向西移動103 V0.25/a92E11S過去400年磁場總強度的長期變化西向漂移(非偶極場的 西漂造成)(3) 長期變化等值圖長期變化率（年變率）：任何一種地磁要素的年均值的年變化 t0年年變率的定義:其中t0=t1+t/2 t以年為單位,Fi 是某要素在i年的年均值,要求t 3-5年仿照地磁圖的畫法，我們可以作出地磁要素年變率的等值線圖，稱之為長期變化等值圖或等變線圖。有了年變率，如，IGRF有效期內任

4、一年的高斯系數(shù)：2006年地磁場垂直分量等變線圖等變線是圍繞幾個中心分布的，在中心處，年變率最大， 這些中心稱為等變焦點。長期變也劃分為正負兩種變化， 規(guī)定垂直分量增長（減少）為正（負）。將不同年代的等變圖進行比較， 發(fā)現(xiàn)長期變化的焦點數(shù)目、位置、年變率大小也在變化。d垂直分量的等變線圖的形象類似于非偶極子場圖。 當前，最強的兩個Z分量等變焦點，一個位于大西洋中， 它在2006年的年變率約-180nT/a,另一個位于南極地區(qū)， 2006年年變率約120 nT/a。二、長期變化的整體特征地球主磁場存在長期變化現(xiàn)象主磁場由偶極子場和非偶極子場組成偶極矩強度的變化地磁極移動非偶極子場的西向漂移磁極倒

5、轉急變特征描述主磁場長期變化的整體特征（1）地磁偶極矩M的變化1587.51900每百年4%19002005每百年5%再過2000年，M=0地磁偶極場消失?!地球磁矩變化具有周期性偶極矩在減小，多極子強度在增加東半球磁場強度增大，西半球減?。?）磁極移動地球磁極的緩慢移動是地磁場長期變化的一個重要特征。地磁北極: 15902005年，經(jīng)度一直減小，總體上向西漂移，共漂移了49.590，漂移速度約為0.120/a；（3）地磁急變 地磁急變是地磁場年變率曲線斜率急劇變化的一種現(xiàn)象。一個臺站的地磁場年變率可以用地磁要素對時間一階導數(shù)表示全球地磁場年變率可以用球諧系數(shù)對時間的一階導數(shù)表示地磁急變表現(xiàn)為

6、上述一階導數(shù)斜率的突變比較確認的地磁場急變發(fā)生在1912 / 13、1970 、1978、1992等年份。歐洲40個臺站的dY/dt的時間變化高斯系數(shù)年變率反映出的急變10年左右周期，與太陽有關么？地磁急變的物理機制目前還不太清楚，但根據(jù)全球資料分析，可以確定急變起源于地球內部。很可能，它是地球外核磁流體發(fā)電機過程的一種急速變化。（4）非偶極子場的西向漂移非偶極子場的西向漂移：比較不同年代的非偶極子場地磁場圖，可以覺察出整個圖形有一種向西作緩慢移動的跡象。非偶極子場的西向漂移特征：1. 西漂的平均速度約為0.2/a；2. 非偶極子場的西漂是全球性的， 但是并非世界各地的漂移速度都一樣。3. 每

7、年以10nT量級的速度增減Fig 非偶極磁場Z分量的全球分布(5）長期變化譜（周期）根據(jù)對現(xiàn)代地磁資料及考古地磁資料所作的頻譜分析表明，地磁場的長期變化顯示出某些優(yōu)勢周期，在時間譜上表現(xiàn)為若干個峰值，其周期大約為 58年 450年 600年 1800年 8000年 10000年 等確定方法：頻譜分析由實際資料看出由高斯系數(shù)的年變率求出但350年以上的周期由考古地磁學定出磁矩的長期變化譜磁矩存在約48年82年的周期總結： 地磁場長期變特征（1）時間特征 存在變化周期,周期有58年、450年、600年、 1800年、8000年、10000年 等。（2）空間特征 存在西漂：磁極、異常中心等 西漂速度

8、約0.2/a 。（2）空間特征存在西漂：磁極、異常中心等西漂速度約0.2/a 。（3）整體特征地心偶極子的強度和方向的緩慢變化;地磁偶極矩以每百年5%的速度減小 ;磁極位置緩慢移動，即偶極矩方向緩慢變化 。非偶極子磁場的西向漂移3.2 地磁場的西向漂移西向漂移比較系統(tǒng)的研究卻是在二十世紀五十年代。 早在1693年，哈雷最早注意到地磁場的西漂一、地磁場的西向漂移從總體上看，地磁場長期變化焦點及世界異常中心向西遷移的現(xiàn)象稱為地磁場的西向漂移?，F(xiàn)代地磁圖（D）與哈雷地磁圖（D）比較,可以清楚地看出西漂地磁場西向漂移的主要特征(1) 全球平均西漂速度約為0.2/a。 西漂速率因地而異： 大西洋、歐洲和

9、美國西漂明顯， 東太平洋、西亞、加拿大、澳洲和南極洲西漂 很慢。西漂的速率隨時間而變化： 不同地區(qū)西漂速率的變化沒有明顯的相關性。西漂主要發(fā)生在地磁場非偶極子部分。 正是幾塊大尺度磁異常的西漂構成了地磁場西 漂的宏觀表象。(5) 西漂也發(fā)生在主磁場的長期變化中。二、向西漂移的速度及其計算1地磁圖直接比較法對比不同年代的地磁圖，發(fā)現(xiàn)等變線焦點、零偏線、零變線等特殊等值線在隨時間緩慢西漂。西漂速率=漂移量/時間差 直觀、簡便。 這種西漂現(xiàn)象在偏角圖中最為清楚(為什么？)。 西漂速率=漂移量/時間差。 地磁場等偏線變化反映出的西漂西漂現(xiàn)象在偏角圖中最為清楚:一方面因為等偏線大致沿南北方向，與之垂直的

10、東西向移動最易顯示出來，而其他分量圖的等值線基本沿東西方向，不易識別西向漂移；另一方面， 系數(shù)所表示的磁場對稱部分在X，Z分量圖中很強，掩蓋了任何可能的西漂跡象，而Y分量圖中這部分對稱場不存在。布拉德等用地磁圖直接比較方法分析了1907-1945年地磁圖，得到的西漂速率為0.2660/a.令 是磁位或某一地磁要素在時刻t沿固定緯度圈 的分布 由 兩條C曲線的差可以求出經(jīng)度漂移量和平均 漂移速度。令 求出使X取取極小值的 ，即是所要求的漂移量，進而求出漂移速率（東漂為正）t=t22. 緯度剖面移動法布拉德等用這種方法計算了各緯度圈的漂移速度，得到地磁場西漂速度為0.1800/a 詳細一點，緯度剖

11、面曲線可以分解為傅立葉諧波 這種方法稱為緯度剖面諧波分量的漂移.日本的行武毅利用這方法分析了1829-1955年資料 ，得到 =-0.080/a， =-0.4440/a， =-0.0910/a。 3.諧波分量中不同球諧分量的漂移計算組成緯度剖面的每一個諧波分量又是由許多球諧分量合成的，因此，可以計算各球諧分量的漂移特征。地表主磁場磁標式的表達式為：(3-4-2)式中相位角隨時間的變化率 即為相應各階高斯系數(shù)的西向漂移速度 。（3-4-2）式可以研究全球不同點（不同經(jīng)緯度）上的漂移速度 。4.全場速度法求西漂速率這種方法不講,干興趣的同學可以參看徐文耀的 P113-117三西向漂移的理論解釋 對

12、地磁場西向漂移的解釋，至今也沒有一個定論。有的認為起因于與核幔邊界有某種耦合的下地幔的不均勻性，也有的認為與核幔邊界地形起伏有關，或者核幔邊界溫度的變化等有關。 付承義教授認為：“向西漂移也許是近代地磁場的一個統(tǒng)計特征，再過幾千年，也許漂移方向改變，所以不一定有更深刻的物理意義?！?.3地磁場的極性倒轉和古地磁地磁場的極性倒轉:指磁北極和磁南極的方向發(fā)生1800的改變。這種現(xiàn)象只有通過古地磁和近代的海洋磁測才發(fā)現(xiàn)。地磁場極性倒轉是地磁場長期變化的重要特征地磁學的這一重大發(fā)現(xiàn)極大地推動了地球科學的革命它是全球構造理論（板塊學說）的重要觀測基礎之一 地磁場極性倒轉是古地磁學的重要研究成果，古地磁學

13、是以地磁學和巖石磁學為基礎，通過測定巖石和古代文物的天然剩余磁性，分析它們的磁化歷史，研究導致它們磁化的歷史時期的地磁場環(huán)境。介紹幾個巖石磁學的概念：1、 鐵磁性：指的是一種材料的磁性狀態(tài)，具有自發(fā)性磁化現(xiàn)象。 鐵磁性材料在外部磁場的作用下得而磁化后，即使外部磁場消失，依然能保持其磁化的狀態(tài)而具有磁性。2、順磁性 物質原子的不同電子殼層中，含有非成對的電子，其自旋磁矩未被抵消；在外磁場作用下，電子自旋的磁矩方向轉為與外磁場平行，這種特性叫順磁性。 在撤去外磁場的作用下，順磁性物質的磁矩方向雜亂無章，宏觀磁性消失。 3、居里溫度物質的鐵磁性只能保持在某一臨界溫度之下，超過這個溫度，自發(fā)磁化強度不

14、復存在，鐵磁性就轉變?yōu)轫槾判?，此臨界溫度稱為居里溫度或居里點。例如：居里點溫度： 鐵為 7700C 磁鐵礦為 6730C鐵磁性的特點在外磁場作用下磁化強度較易達到磁飽和,此時磁化強度不再隨外磁場的增加而增加,而一般順磁體則很難達到磁飽和。 存在一個臨界溫度T,當溫度高于T時鐵磁性消失, 鐵磁性物體轉變成順磁性物體,此時的T稱為居里溫 度或居里點。 當撤去外磁場時,鐵磁性物體仍保留部分磁性,磁化 強度不為零,稱為剩磁。而順磁體在撤去外磁場時, 磁化強度立即變?yōu)榱?。原生剩磁：在巖石形成時獲得的剩磁。次生剩磁：在巖石形成后長時間獲得的剩磁一、古地磁學的基本原理的兩個基本假設：1、巖石的原生剩磁方向與

15、巖石形成時的地磁場方向一致， 所以研究巖石的原生剩磁就能推測巖石形成時的地磁場方 向。這個假說的依據(jù)是巖石原生剩磁具有高度的穩(wěn)定性。2、古地磁場是軸向地心偶極場。在地面任意點測定I后，可由上式計算磁余緯度，再根據(jù)該點的磁偏角D，可定出地磁極的位置。這樣確定出的地磁極稱為虛地磁極（VGP）。按偶極子公式，磁傾角I與磁緯度，磁余緯度的關系為：虛地磁極的地理經(jīng)緯度的計算如圖：觀測點S的地理經(jīng)緯度 虛地磁極P點的地理經(jīng)緯度G點為地理北極在球面三角形GPS中，運用球面三 角形邊的余弦定理和正弦定理得：古地磁學的工作方法：1. 標本采集（標明樣本的東西南北方向）2. 資料整理（加工，測定）3. 統(tǒng)計處理；4. 剩磁穩(wěn)定性檢驗。 （原生剩磁還是次生剩磁）參考書：古地磁學導論 劉椿著，科學出版社古地磁學基礎、原理、方法、成果 與應用， 朱崗崑編著 測定不同地質年代形成的火山熔巖、海底和湖底沉積、黃土樣品的剩余磁性發(fā)現(xiàn)，在漫長的地質時期，地磁場曾經(jīng)發(fā)生過多次極性倒轉。地磁極性表白色：反向期黑色：正向期測定同一地區(qū)不同時期巖石形成時的古地磁極，可以得到古地磁極漂移軌跡。由于地磁極性倒轉造成的海底條帶狀磁異常，與地震、地層、古生