長安大學地球物理學原理-第8章 地球電磁場

第八章地球的電磁場地磁場的構(gòu)成與特點地磁場的高斯理論地球主磁場與國際地磁參考場地心偶極子場地球主磁場的變化與成因古地磁學簡介地球地磁場及電性分析是研究地球本身及其周圍空間電磁場的時分布規(guī)律、構(gòu)成、起源及應用的學科；是實驗性極強的精密觀測學科。研究的理論基礎(chǔ)是電磁學。地磁學研究的對象：地球本身及其周圍空間的電磁場，即地球的磁場。地磁觀測是地磁學科研究與發(fā)展的基礎(chǔ)。地磁學

公元前770～221年春秋戰(zhàn)國時期，人類發(fā)現(xiàn)磁石及其相互吸引的現(xiàn)象。屬于一般物理學的范疇，但為地磁學研究奠定了基礎(chǔ)。從有確切的文字記錄算起，地磁學的發(fā)展大致經(jīng)歷了四個階段：地磁學(觀測)發(fā)展簡史1.初期地磁學公元前250年～公元1600年，以中國發(fā)明指南針為標志。指南車的復原模型：一種用來辨認方向的儀器。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。

公元838—1099年，指南針用于航海。公元11世紀，發(fā)現(xiàn)、觀測磁偏角。公元12—16世紀，發(fā)現(xiàn)磁傾角，磁偏角、磁傾角隨地點有差異；發(fā)表第一篇論文。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。《夢溪筆談》（沈括，1031－1095）中寫道：“方家以磁石磨針鋒，則能指南，然常微偏東，不全南也”；北宋時已將指南針用于航海（“舟師識地理，夜則觀星，晝則觀日，隱晦則觀指南針”－《萍洲可談》）?！鞍⒎壳暗睿阅咎m為梁，磁石為門，懷刃者止之”（《三浦皇圖》）；2.早期地磁學1600～1893年，英國皇家醫(yī)生吉爾伯特發(fā)表巨著“地磁學”標志此階段的開始。公元17世紀，發(fā)現(xiàn)磁偏角、磁傾角隨時間的變化，提出地球磁場起源的假說（吉爾伯特）。1702年編制了第一張全球地磁圖（D）；認識了地磁場有緩慢的長期變化。1799～1804年，發(fā)明并開始了磁場強度的測量。3.近代地磁學

1839～1957年，以德國高斯將球諧分析理論用于地磁研究為標志。公元19世紀，建立地磁學的基本理論——高斯理論，用數(shù)學表達式描述地磁場；制作測量強度的儀器。1915年，施密特（AdolfSchmidt）制作刃口式磁力儀，大大提高了磁測精度1930s，前蘇聯(lián)羅加喬夫研制成功感應式航空磁力儀1940年恰普曼、巴特爾合寫的經(jīng)典著作“地磁學”出版。這一階段建立了地磁臺、國際合作組織IUGG、IAGA。4.現(xiàn)代地磁學1957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代。人類走進太空，站在地球以外認識地磁場、迅速全面地觀測地磁場；形成空間物理學。對巖石磁性的研究建立了古地磁學。古地磁學研究為大陸漂移—海底擴張—板塊構(gòu)造學說的建立提供了重要的依據(jù)。世界第一張地磁圖大西洋地磁偏角圖（1701年，哈雷）全球地磁臺站分布圖返回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

第一節(jié)地磁場的構(gòu)成與特點地磁場的構(gòu)成地磁要素地磁場的基本性質(zhì)地磁圖地磁場模式

地磁場:

地球本身及其周圍空間存在的電磁場，即地球的磁場。

地磁場是矢量場，地磁場磁感應強度矢量記為B第一節(jié)地磁場的構(gòu)成與特點太陽擾日變化◆磁暴灣擾鉤擾地磁脈動地磁場內(nèi)源場穩(wěn)定場99%外源場變化場1%主磁場95%異常場4%電磁感應場平靜變化非K變化干擾變化K變化偶極子場＞80%非偶極子場◆平靜太陽日變化太陰日變化穩(wěn)定場內(nèi)源變化場

變化場通常用直角坐標系來描述，即XOY平面與地面相切，原點在觀測點地面，z軸指向地心，x軸指向地理北，y軸指向東。

B——地磁總場

H——地磁水平分量

Z——地磁垂直分量

X——地磁北向分量

Y——地磁東向分量

I——地磁傾角

D——地磁偏角DIOHYXZy(E)

(N)xz(指向地心)B地磁要素地磁要素間的關(guān)系與地磁三要素地磁七個要素中只要知道其中三個獨立的要素，其余四個就可以計算，故稱三個獨立的要素為地磁三要素。在地磁三要素中，磁偏角D是必須測量的，其它兩個要素可根據(jù)實際情況任意選測。地磁要素之間有如下關(guān)系：

地磁場的基本特征地磁場近似為地心偶極子磁場：

地磁場的一級近似為一個置于地心的偶極子的磁場，這個偶極子的磁軸和地軸斜交一個角度(11.5o)。

地磁場是一個弱磁場地磁場的平均值大約為50000nT，在兩極附近也不過70000nT

。地磁場是一個穩(wěn)定磁場

穩(wěn)定磁場是地磁場的主要部分。SN太陽磁場冕洞太陽磁場：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（a）和扇形磁場(b)示意圖太陽磁場活動1975年—2010年，磁場與太陽的11年活動周期相對應。太陽黑子及產(chǎn)生機制行星際空間行星際磁場行星際磁場的扇形結(jié)構(gòu)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、地震活動相關(guān)

……

磁層磁層：從電離層以上直到行星空間的區(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，因而帶電粒子的運動主要由這一區(qū)域中的地磁場控制，稱這區(qū)域為磁層。向日面～10RE，背日面～30—100RE，

VanAllenbelts；極光。磁層范·阿倫輻射帶

木星極光地磁圖地磁圖：某地磁要素在地圖上（同一時刻）的等值線圖。由于地磁要素隨時間變化，一個地區(qū)的地磁測量時常不是短時期能完成的，在制作等值圖時，必須將不同時間的觀測值，按照地磁場隨時間的變化規(guī)律歸算到同一指定時間。由于觀測點分布不均勻，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，然后繪出各種等值圖。磁異常（Ba）——消除了各種短期變化的磁場后，實測地磁場與基本磁場之差值，稱為磁異常。即：Ba=B觀—B0場源：地殼中被地磁場磁化了的巖石、巖體、礦體或地質(zhì)構(gòu)造。異常區(qū)域異常局部異常場源：范圍較大的深部磁性巖、礦體及地質(zhì)構(gòu)造；特征：異常分布范圍較大、幅值小、變化平緩；場源：范圍較小的淺部磁性巖、礦體及地質(zhì)構(gòu)造；特征：異常分布范圍較小、強度大、變化陡；按觀測要素的不同，磁異常有不同的名稱，即：★垂直磁異常（測定垂直分量的相對變化）：★總磁場強度異常（測定總磁場強度的相對變化）：Za=Z觀—Z0或

△Z=Z觀—Z0

郯廬斷裂帶磁異常地磁場模式1.球諧模式：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際狀況。2.偶極子模式：是用若干個偶極子表示地磁場分布。有助于闡明地磁場及長期變化的起源。3.電流環(huán)模式：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，且物理意義最為明確，計算較偶極子模式繁瑣。第二節(jié)地磁場的高斯理論高斯球諧分析解決了兩個問題：能不能找到一個適當?shù)臄?shù)學表達式把地磁要素的地面分布表示成地理坐標的函數(shù)；地磁場到底是起源于地球內(nèi)部還是地球外部。地磁場滿足麥克斯韋方程組：B=H,＝0地球電磁場是緩變場

地球表面附近，空氣可視為絕緣體存在標量磁位標量磁位滿足拉普拉斯方程磁位U的負梯度即為磁場強度H：

H=-▽U在球坐標系下解上述拉普拉斯方程，并求出磁場強度表達式，便可得到描述地磁場的基本理論——高斯理論。

取以球心為原點的球坐標系，極軸取為地球自轉(zhuǎn)軸并指向北極，r為球心O至測點P的距離，為余緯度，為經(jīng)度。則：其解為：

采用施密特形式的締合勒讓德函數(shù)

其解可表示為：

具有類似的表達式。其中：

通解包含兩個部分：第一部分：項，其磁勢表示為Ui；第二部分：項,相應的磁勢表示為Ue。Ui隨r增大而減小，當r→∞時，Ui→0；Ue隨r減小而減小，當r→0時，Ue→0。因為拉普拉斯方程解的適用范圍應是無源的，所以Ui為地球內(nèi)部場源的磁勢，Ue為地球外部場源的磁勢。即：項代表內(nèi)源場部分,項代表外源場部分。當n＝0時，m=0，此時，Ue是一個同r無關(guān)的常數(shù)，這個常數(shù)只能為0，故顯然Ui是磁單極的磁勢，而磁單極是不存在的,故應有近地空間任一點的磁位表達式：其中：地表任一點的磁位表達式球心坐標與地面直角坐標地表任一點磁場的磁位表達式地表任一點磁場的磁位表達式顯然，地磁場已表示為地面各點坐標(,)的函數(shù)。高斯系數(shù)的確定將各測點、分量觀測值，代入地表各分量高斯級數(shù)表達式，建立方程組，解方程組得高斯系數(shù)。只能求取有限階高斯系數(shù)。若取n＝N階，至少要N（N+2）個三分量測點；測點足夠多，且在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。一般采用最小二乘法解方程組。g10=-3062.50nTh11=578.47nTj10=-4.82nTk11=-1.13nT地磁場的主體是內(nèi)源場第三節(jié)地球主磁場與國際地磁參考場地球主磁場:起源于地球內(nèi)部并構(gòu)成磁場主體的穩(wěn)定場稱作地球主磁場（基本磁場）。地球主磁場可以直接反映各種深度、甚至地核的物理過程，包括深部的溫度、壓力、物質(zhì)運動等變化過程。對主磁場的觀測與研究是地磁學中的重要內(nèi)容。地球主磁場起源于地球內(nèi)部，則：地表上任意點地球主磁場的數(shù)學表達地球主磁場的高斯球諧分析在實際工作中，對地球表面有磁場的強度和方向的測量值，進行長期變化和短期變化的改正，統(tǒng)一校正到一個初始時刻，這些校正后的測量值便是該時刻的主磁場。將校正后的各測點、分量觀測值，代入地球主磁場地表各分量高斯級數(shù)表達式，建立方程組，解方程組得高斯系數(shù)。不同年代內(nèi)源場高斯系數(shù)高斯系數(shù)是理論值；不同年代數(shù)值不同，即地球主磁場是變化的。選擇的測點不同，計算數(shù)值不同。高斯系數(shù)是客觀的，如何統(tǒng)一？地球主磁場的高斯（球諧）系數(shù)國際地磁參考場1968年通過了1965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準，使用期為1965年—1975年；1975年接受了1975年的國際地磁參考場；1981年通過了1980年國際地磁參考場；同時還通過了修正的1965年、1970年及1975年的國際參考場高斯系數(shù)(DGRF)。高斯公式的物理意義：

n=1,代表磁偶極子,三個磁偶極子相互垂直；

n=2,代表4極子；

n=3,代表8極子，等等。總的磁標勢是各個簡單多極子疊加而成的。國際地磁參考場(IGRF),n=10特征：等值線與緯度線近似平行，在磁赤道約30000～40000nT，向兩極增大，在兩極約為60000～70000nT?？偞艌鰪姸龋˙）等值線圖特征：與緯度線大致平行，在磁赤道Z=0，向兩極絕對增大，約為磁赤道水平強度的兩倍，磁赤道以北Z﹥0，以南Z﹤0。垂直強度（Z）等值線圖特征：沿緯度線排列，在磁赤道附近最大，向兩極減小趨于零，全球各點除兩磁極區(qū)外都指向北。水平強度（H）等值線圖特征：與緯度大致平行，零傾線在地理赤道附近，稱為磁赤道，它不是一條直線，磁赤道向北傾角為正，向南為負。等傾（I）圖特征：從一點出發(fā)匯聚于另一點的曲線簇，兩條零偏線將全球分為正負兩個部分，等偏線在南北兩半球上匯聚于四個點，兩個是磁極，兩個是地理極。等偏（D）線圖等偏（D）線圖中國地磁場總強度等偏圖磁偏角D的零偏線由蒙古穿過我國西部延伯至尼泊爾、印度。零偏線以東，偏角變化由0°到11°(西)；零偏線以西，腦角變化從0°到5°(東)。中國地磁場等偏圖磁傾角I從南到北由-10°增至+70°中國地磁場等傾圖非偶極子磁場（大陸磁場或世界磁異常）幾個中心：東亞正異常，南大西洋和南印度洋正異常，非洲負異常，澳洲負異常。非偶極子磁場的成因還不很清楚，一般認為起源于核、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）：第四節(jié)地心偶極子場磁位μ0—真空中磁導率μ0—（亨利/米）第四節(jié)地心偶極子場磁位磁場強度的定義：單位正磁荷所受的力。真空中，磁感應強度B定義為：B和H：描述磁場性質(zhì)的兩個不同的物理量。第四節(jié)地心偶極子場磁位穩(wěn)定磁場F也是保守場，故也可以引入磁位U★對于磁單極，磁位：第四節(jié)地心偶極子場★磁偶極子磁場P點磁位U第四節(jié)地心偶極子場★磁偶極子磁位其中M為偶極子磁矩。第四節(jié)地心偶極子場假定地心偶極子的磁矩為M，M與地球自轉(zhuǎn)軸夾角為(-0)，經(jīng)度角為0；0亦稱極角，0即方位角；偶極子的軸即地磁軸。

第四節(jié)地心偶極子場地表任意點P點磁位：地球主磁場高斯級數(shù)的一階項（n=1）為：

第四節(jié)地心偶極子場令：

得：

地球主磁場的一階項（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主要特征。第四節(jié)地心偶極子場偶極子磁矩（地球磁矩）為：只要知道一階高斯系數(shù)，就可算出地球磁矩。高斯系數(shù)是隨時間變化的，不同年代的地球磁矩也是不同的。地球磁矩的大小直接反映了地磁場的強弱。＊經(jīng)計算，1980年的地球磁矩為M=7.911022A·m2。

第四節(jié)地心偶極子場由于可得地心偶極子的極角0與方位角0：

第四節(jié)地心偶極子場M可以分解成互相垂直的三個分量Mz、Mx、My。Mz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。Mx與My都位于赤道平面內(nèi)，稱之為赤道偶極子。比與大得多，所以在地心偶極子場中，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)

第四節(jié)地心偶極子場地磁軸與地球表面的兩個交點稱為地磁北極與地磁南極。地磁極(geomagneticpoles)與磁極(magneticpoles)不同。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。磁極由實測結(jié)果確定，是地磁圖上傾角為90o而等偏線匯聚的兩個點(實際上可由各年代高斯系數(shù)計算出)。兩個磁極的連線不一定通過地心。1980年國際地磁參考場資料計算得的地磁北極位置為：地磁北極：78.8oN，70.8oW；而1980年實測的南北磁極位置為：北磁極：78.2oN，102.9oW，南磁極：65.6oS，139.4oE第四節(jié)地心偶極子場地磁軸與地球表面的兩個交點稱為地磁北極與地磁南極。地磁極(geomagneticpoles)與磁極(magneticpoles)不同。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。磁極由實測結(jié)果確定，是地磁圖上傾角為90o而等偏線匯聚的兩個點(實際上可由各年代高斯系數(shù)計算出)。兩個磁極的連線不一定通過地心。1980年國際地磁參考場資料計算得的地磁北極位置為：地磁北極：78.8oN，70.8oW；而1980年實測的南北磁極位置為：北磁極：78.2oN，102.9oW，南磁極：65.6oS，139.4oE第四節(jié)地心偶極子場★地磁坐標地磁坐標：以地磁軸作為極軸的坐標系。地面一點的該點的矢徑與地磁軸的夾角稱為該點的地磁余緯度；過這一點與地磁極的子午面，同過地磁極與地理極的子午面的夾角稱為該點的地磁經(jīng)度。第四節(jié)地心偶極子場★測點地磁坐標由地磁北極的地理坐標(0,0)與測點的地理坐標(,)，求測點的地磁坐標(,)1980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：★地磁坐標北京臺：余山臺：在地磁坐標中，地心偶極子的磁勢為：★地磁坐標下地表任一點的地磁要素則地表一點的磁場強度為：

★地磁坐標下地表任一點的地磁要素磁場總強度（磁感應強度）為：由磁場水平分量與垂直分量的比值，得磁場傾角公式：此公式把磁傾角與地磁緯度聯(lián)系起來，是表示偶極子磁場中各參量關(guān)系的一個重要公式，它在古地磁學中有重要的作用。

偶極子場梯度水平梯度（沿磁子午線方向的梯度)偶極子場梯度垂直梯度（沿高度方向的梯度)偶極子場梯度例如，沒北京臺的Z：46194nT，H：29884nT，則北京地區(qū)的地磁場梯度為第五節(jié)地球主磁場的變化與成因

地磁場的長期變化地球的主磁場不是恒定的，而隨時間作緩慢變化，這種變化稱為主磁場的長期變化。研究這種變化的時空分布規(guī)律對于了解地球內(nèi)部物質(zhì)的性質(zhì)和運動具有重要意義。地磁場的長期變化可能具有下列各種周期：即22年，50～70年，120年，180年，500～600年，1000年以及7000～8000年等。通常用某一年的長期變化率來表示這一年地磁要素的變化大小。通過世界各地地磁臺長期連續(xù)觀測和古地磁進行研究地磁場的長期變化地球磁矩的長期變化在最近一百年內(nèi)，地球磁矩衰減了5﹪；近1000年來，地球磁矩大約減小了25%；400年來減小17%；1835年為8.5x1022Am21900年為8.32x1022Am21980年為7.91x1022Am22000年為7.78x1022Am2兩千年后，接近0！磁極倒轉(zhuǎn)(?)

500年左右的周期

——準周期變化或韻律性變化中國古代（上圖）、日本磁偏角長期變化（下圖）地磁等偏線反映的向西漂移

非偶極場的西向漂移多數(shù)研究者認為是由于地核相對于地幔以固定速度旋轉(zhuǎn)而引起的。地磁場長期變特征

（1）時間特征存在變化周期,周期有22年,50～70年,120年,180年,500～600年,1000年以及7000～8000年等。地磁場長期變特征

（2）空間特征

存在西漂：磁極西漂速度約5°/ha。異常中心西漂速度約18°/ha。地磁場長期變特征

（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。極性倒轉(zhuǎn)的長期變化在測定巖石的剩余磁性時，發(fā)現(xiàn)相當一批巖石的磁化方向與現(xiàn)在的地磁場方向相反，于是就推測地磁場發(fā)生了180°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。這種現(xiàn)象被稱為地磁極倒轉(zhuǎn)或地磁場翻轉(zhuǎn)。事實證明，在地球歷史上確實發(fā)生過這種變化，而且還一再地發(fā)生。從1940s開始，由于軍事上的需要對海底磁場進行了系統(tǒng)的觀測，發(fā)現(xiàn)以大洋脊為中心，兩側(cè)對稱地交替分布著正磁極性(磁極與現(xiàn)代的一致)與反磁極性(磁極與現(xiàn)代相反)的兩類巖石；離擴張中心越遠，巖石年齡越老。為地球科學中的板塊構(gòu)造理論的出現(xiàn)，提供了重要的依據(jù)。隨著取得的資料增多，逐步建立了以不同時期地磁極翻轉(zhuǎn)為主要特征的地磁年代表。一種地磁極性期平均可持續(xù)22萬年(短的僅持續(xù)3萬年，長的可達500萬年)。每次磁極倒轉(zhuǎn)過程僅持續(xù)數(shù)百年到上千年，此時表現(xiàn)為磁場強度大幅度減弱，磁極緩慢轉(zhuǎn)動，直到完全翻轉(zhuǎn)，才達到穩(wěn)定。磁極倒轉(zhuǎn)地磁場極性倒轉(zhuǎn)的發(fā)現(xiàn)極大地推動了古地磁學的發(fā)展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.（黃土沉積的古地磁研究帶著我國獨有的特色）由此產(chǎn)生的“地磁極性年表”，為地質(zhì)學提供了一個獨立的時間標尺。磁極倒轉(zhuǎn)第五節(jié)地球主磁場的變化與成因地球磁場起源地球磁場起源問題一直是一個沒有解決的重大地球物理難題。大量的地磁資料，豐富的地磁現(xiàn)象強烈地吸引著擅長理性思維，愛好尋根問底的數(shù)學家、物理學家地球磁場：令科學家著迷地球磁場起源地磁場起源理論需回答的基本問題：為什么地球會有磁場？為什么地磁場會長期存在（至少為地球年齡的70%）？為什么地磁場中偶極子場占優(yōu)勢？為什么地磁場長期緩慢變化，而變化又不大？為什么平均地磁軸與地球自轉(zhuǎn)軸相吻合？為什么地磁場極性會倒轉(zhuǎn)而且地磁場倒轉(zhuǎn)頻率很大？為什么沒有占優(yōu)勢極性？不僅解釋過去，還要預言未來地磁場趨勢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)一機制來解釋？地球磁場起源發(fā)電機學說自激發(fā)電機學說均勻發(fā)電盤

2000年BruceA.Buffett在巨型計算機上的模擬結(jié)果：模擬結(jié)果演示能源問題尚難定論；重要參數(shù)（如地核環(huán)流場強度、粘性）難以準確估計；地核流動狀態(tài)眾說紛紜…發(fā)動機理論和數(shù)值模擬需要發(fā)展完善自激發(fā)電機學說地核的運動月球無磁場（現(xiàn)在）第六節(jié)古地磁學簡介古地磁學是地磁學的一個分支，興起于20世紀世紀50年代，從60、70年代迅速發(fā)展。它是通過圈定巖石剩余磁化強度來研究史前地質(zhì)時期地磁場及其演化規(guī)律的一門學科。物理基礎(chǔ)是巖石磁性和地磁場軸向偶極子的假定。主要內(nèi)容巖石的磁性古地磁學的基本原理古地磁學的工作方法古地磁學的研究成果及其應用物質(zhì)磁性帶電粒子運動物質(zhì)磁性原子總磁矩：①電子軌道磁矩；②電子自旋磁矩；③原子核自旋磁矩.結(jié)構(gòu)不同表現(xiàn)不同巖石磁性巖石磁性物質(zhì)磁性結(jié)構(gòu)不同

表現(xiàn)不同分三類：抗磁性、順磁性、鐵磁性巖石磁性抗磁性：1、本身沒有凈剩磁矩(1)各電子層中，電子成對出現(xiàn)，自旋方向相反，自旋磁矩抵消;(2)相鄰軌道相互作用，抵消軌道磁矩。2、外磁場作用下，運動電子（軌道）受到羅倫茨力，繞外磁場旋進，角速度ω的方向與H相同，產(chǎn)生的磁場方向相反抗磁性。巖石磁性抗磁性：抗磁性是普遍的與溫度無關(guān)；去掉外磁場，附加磁矩消失，即磁性消失巖石磁性順磁性：1、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；2、無外磁場時，雜亂排列，不顯示磁性，有外磁場時，轉(zhuǎn)向，顯示順磁性。巖石磁性順磁性：與（絕對）溫度成反比（居里定律）發(fā)展了通過磁化率測定，確定原子磁矩的重要實驗方法去掉外磁場，附加磁矩消失，即磁性消失巖石磁性鐵磁性：某些物質(zhì)（Fe,Co,Ni）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，也在局部“區(qū)域”內(nèi)產(chǎn)生平行排列，這種磁化叫自發(fā)磁化，小區(qū)域稱為“磁疇”。巖石磁性鐵磁性磁化過程：（與外磁場關(guān)系，溫度不變）①無外磁場作用時，各磁疇的取向混亂，不呈磁性；②施加外磁場時，磁疇結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，疇壁移動，磁疇轉(zhuǎn)動，顯示出宏觀磁性；③當外磁場增加時，磁疇的磁化方向都接近磁場的方向，外磁場繼續(xù)增加時，磁化方向趨于飽和，磁化強度不再增加；④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，仍保留部分磁化強度（剩余磁化強度）。巖石磁性鐵磁性：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，在外磁場為零時，對外不顯現(xiàn)宏觀磁性溫度高于居里點時，鐵磁性順磁性鐵磁性的類型：三種：①鐵磁性;②反鐵磁性;③亞鐵磁性.巖石磁性礦物的磁性：抗磁性、順磁性、鐵磁性巖石磁性鐵磁性礦物：自然界中不存在純鐵磁性礦物。最重要的磁性礦物當推鐵-鈦氧化物。地殼中純磁鐵礦少見，大多由不同比例的鐵、鈦、氧組成復雜的固熔體，它是典型的亞鐵磁性。磁鐵礦不僅有較強的磁化率，且有較強的剩余磁性，其變化范圍較大。巖石磁性巖石磁性巖石的磁性巖石的磁性與巖石中鐵磁性礦物的有無、含量的多少，顆粒的大小及其分布情況直接有關(guān)。(一).沉積巖：磁性較弱。沉積巖的磁化率主要決定于副礦物(磁鐵礦、磁赤鐵礦、赤鐵礦等）的含量及成分.(二).火成巖：1.侵入巖的磁化率隨巖石的基性增強而增大；2.超基性巖磁性最強，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；4.火成巖具有明顯的天然剩磁。(三).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).巖石磁性影響巖石磁性的主要因素

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，巖石的磁性（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)境有關(guān)。大量巖石標本測試和統(tǒng)計以及巖石物理學研究結(jié)果表明，影響巖石磁性的主要因素有以下幾個方面

①鐵磁性礦物含量

②鐵磁性礦物結(jié)構(gòu)與顆粒大小

③溫度、壓力巖石的剩余磁性熱剩余磁性化學剩余磁性沉積剩余磁性粘滯剩余磁性巖石的剩余磁性熱剩余磁性：在恒定磁場作用下，巖石從居里點以上溫度逐漸冷卻到居里點以下，在這個過程中受磁化所獲得的剩磁。巖石的剩余磁性熱剩磁的特點：強度大（在弱磁場中，熱剩磁比等溫剩磁強幾十至幾百倍）。熱剩磁的方向與外磁場一致。在弱磁場中熱剩磁的強度正比于外磁場感應強度。熱剩磁主要在居里點附近獲得，且總熱剩磁是各部分熱剩磁之和；熱退磁也服從疊加定律.有很高的穩(wěn)定性穩(wěn)定（磁性弛豫時間長）。巖石的剩余磁性化學剩余磁性：在一定磁場中，某些物質(zhì)在低于居里溫度的條件下，經(jīng)過相變和化學過程所獲得的剩磁?；瘜W剩磁的特點：在弱磁場下，化學剩磁的強度正比于外磁場的感應強度。在同樣的磁場中，化學剩磁的強度只有熱剩磁強度的幾十分之一?；瘜W剩磁有很高的穩(wěn)定性穩(wěn)定（磁性弛豫時間長）。巖石的剩余磁性沉積剩余磁性（碎屑剩磁）：沉積物固積成巖后，按其碎屑的磁化方向保留下來的磁性。沉積剩磁的特點：對于球狀顆粒，沉積剩磁與外磁場同向。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。沉積剩磁強度的大小與外磁場成正比。沉積巖中磁性物質(zhì)大多來源于火成巖，其原生磁性來自熱剩磁，比較穩(wěn)定。其強度比熱剩磁小得多。巖石的剩余磁性粘滯剩余磁性：巖石生成之后，長期處于地磁場作用下，原來定向排列的磁逐漸馳豫到地磁場方向上，所形成的剩磁。粘滯剩磁的特點：強度與時間的對數(shù)呈正比。隨溫度增高粘滯剩磁強度增大。巖石的剩余磁性等溫剩余磁性：在常溫沒有加熱情況下，巖石因受外部磁場的作用（如閃電等作用），獲得的剩磁稱等溫剩余磁性。等溫剩磁的特點：不穩(wěn)定，其大小和方向隨外磁場變化。巖石的剩余磁性巖石剩磁的類型與特點：原生剩磁:熱剩磁；化學剩磁；沉積剩磁；次生剩磁:粘滯剩磁；等溫剩磁巖石的剩余磁性巖石剩磁的成因：火成巖剩磁成因：熱剩磁。沉積巖剩磁成因：沉積巖剩磁是通過沉積作用和成巖作用兩個過程形成的，因而是沉積剩磁和化學剩磁。變質(zhì)巖剩磁成因：變質(zhì)巖的剩磁與其原巖有關(guān)，由火成巖變質(zhì)生成的正變質(zhì)巖，它可能有熱剩磁；由沉積巖變質(zhì)生成的副正變質(zhì)巖，它可能有沉積剩磁和化學剩磁。巖石剩余磁性與古地磁學

古地磁研究是地磁學的一個重要方面。它是通過測定巖石或古代文物(磚瓦、陶器和古冶煉爐等熔燒粘土制品)的原生剩磁，來研究地質(zhì)史期和人類文明史期的古地磁場方向、強度及其演變規(guī)律。它已發(fā)展成為地學中重要的一門分支學科——古地磁學。一、古地磁學的兩個基本前提穩(wěn)定的原生剩余磁化強度巖石的原生剩磁方向與巖石形成時的地磁場方向一致，且強度呈正比，所以研究巖石的原生剩磁就能推測巖石形成時的地磁場特征。古地磁學基礎(chǔ)2.軸向地心偶極子場假說

按偶極子公式，磁傾角I與磁緯度，磁余緯度

的關(guān)系為：在地面任意點，如果測得古地磁巖石標本原生剩磁的磁傾角I后，可由上式計算出巖石形成時的磁緯度，磁余緯度，再根據(jù)該點的剩磁偏角D，可計算出采樣地點的古地磁極的位置，這樣確定的磁極稱為虛地磁極（VGP）。古地磁學基礎(chǔ)已知觀測點S地理經(jīng)緯度為(,),

地理北極GP、虛地磁極P和觀測點S三點組成球面三角形，根據(jù)余弦定理和正弦定理，虛地磁極P的地理經(jīng)緯度由下列方程組決定：

由觀測點測得標本原生剩磁磁傾角I后，可由①式計算出巖石形成時的磁余緯度，再根據(jù)該點的剩磁偏角D，由②式計算出虛地磁極P的地理經(jīng)緯度。

古地磁極古地磁極虛地磁極VGP是任一瞬時古地磁場方向計算出的磁極位置。若在計算使用“足夠長”時間地磁場方向的平均值，則計算出古地磁極。若將某一穩(wěn)定地塊上各地質(zhì)歷史時期的古地磁極位置繪在地理坐標圖上，并連成一條曲線或一個帶，即為古地磁極移曲線。假定地塊固定，而認為極在移動，則它不是地磁極的真實運動，故稱為視極移曲線。在作古地磁研究時，通常在每一觀測點采集不同年齡的系列標本，且按以萬年計算的間隔大致均勻分布，有時也可按幾百萬年間隔計算。南美、非洲大陸的視極移曲線

通過測定巖石中的剩磁來確定古地磁場的強度。測量巖石剩磁最常用的儀器是旋轉(zhuǎn)磁力儀和超導磁力儀。古地磁場強度的測定在弱磁場中（與地磁場相當）所產(chǎn)生的任何類型剩磁強度與該磁化場成正比。設(shè)古地磁場強度為BP，天然剩磁的強度為Jn，在實驗室里，將標本在已知弱磁場BT中加熱后冷卻，獲得總熱剩磁JT。若自巖石形成以來其磁性沒有改變，利用正比規(guī)律，有：古地磁場強度的測定實際測量推算古地磁場強度的過程遠比這復雜得多，通常需要采用逐步加熱法，即逐步加熱退去樣品在各個溫度區(qū)間的部分天然剩余磁性樣品（NRM），并產(chǎn)生各溫度區(qū)間的部分熱剩余磁性（TRM），根據(jù)NRM/TRM的比值確定古地磁場強度值，俗稱特利埃法。古地磁場強度的測定古地磁研究最基本的工作是確定巖石的剩磁方向和強度，包括下列幾項工作：采集古地磁標本剩余磁性測定剩余磁性穩(wěn)定性的檢驗及原生剩磁的判定數(shù)據(jù)的統(tǒng)計整理等工作古地磁學的工作方法一、標本的采集古地磁研究的基礎(chǔ)工作是要從被研究的巖石單元采集一套空間定向的標本。對于天然剩磁不太強的巖石露頭可用一般羅盤定向。而對于那些天然剩磁比較強的巖石露頭，需要用太陽羅盤定向。如果收集的巖石標本是經(jīng)過變形的（如傾斜層如傾斜層），則還要標出由層理指示的原始水平面。一個采樣單元應有一定數(shù)量的采樣點，這些采樣點的位置應盡可能均勻分布于該單元巖層所代表的整段時代。每一個采樣點要采集幾個標本,每塊標本又要加工成幾個標準尺寸的樣品。這樣測得的樣品天然剩磁盡可能減小由層面產(chǎn)狀定向、標本定向、標本各向異性及樣品加工過程中產(chǎn)生的誤差。二、剩余磁性的測定測量巖石剩磁最常用的儀器是旋轉(zhuǎn)磁力儀和超導磁力儀。熱退磁、交變退磁。三、剩余磁性穩(wěn)定性的檢驗及原生剩磁的判定

巖石剩余磁性穩(wěn)定性是指巖石保持所獲得的某種剩余磁性的能力。大多數(shù)巖石的天然剩余磁性包含穩(wěn)定的和不穩(wěn)定的兩種成分。一般情況下原生剩磁比次生剩磁具有較強的穩(wěn)定性。穩(wěn)定的剩余磁性也可能是后來獲得的。剩磁穩(wěn)定性檢驗包括野外檢驗和實驗室檢驗。野外檢驗可通過剩磁方向的一致性法、褶皺法、烘烤接觸法、礫巖法、倒轉(zhuǎn)法等幾種方法來進行。褶皺法的原理為：如果在褶皺巖層的不同部位上，所采樣品的天然剩磁方向彼此不同，并做了傾角校正（將NRM方向隨巖層傾斜而轉(zhuǎn)動相應的角度，使巖層恢復水平位置）后，天然剩磁的方向變?yōu)橐恢拢f明天然剩磁是在巖層褶皺前獲得的。否則，表明剩磁是次生的。實驗室熱退磁法是將巖樣放在無磁空間通過逐步加熱和冷卻的辦法逐步退掉不同阻擋溫度磁疇的磁性。熱退磁一般多用于沉積巖的退磁，含大量赤鐵礦的巖石，如紅色砂巖。在無磁空間將巖樣放在交變磁場中，選擇一個Bmax值，然后平緩地減小到零。巖樣中矯頑力小于于Bmax的剩磁都被退掉了樣品中保留下來的剩磁是由矯頑，樣品中保留下來的剩磁是由矯頑力大于Bmax的磁疇組成。交變退磁比較適于火成巖。因為火成巖的磁性礦物主要是磁鐵礦，它的矯頑力較低，目前的儀器能夠產(chǎn)生這樣強的交變磁場。沉積巖中常見的赤鐵礦的矯頑力有時高，產(chǎn)生強的交變磁場目前還比較困難，所以常用熱退磁。在紅色沉積巖中，碎屑顆粒和膠結(jié)物中的赤鐵礦都可能獲得化學剩磁，但獲得的時間可能不同。熱退磁和交變退磁無法將它們分離開來，這時可用化學退磁的方法。該方法是將巖樣放在酸中浸泡，清除了膠結(jié)物，碎屑顆粒的剩磁便可分離出來。四、數(shù)據(jù)的統(tǒng)計整理

首先求出統(tǒng)計單元的剩磁平均方向。剩余磁化強度矢量可以使用標準的矢量代數(shù)方法求平均方向。即求出平均的剩磁偏角和傾角。然后，依據(jù)軸向地心偶極子場的假設(shè)前提下，將剩磁偏角和傾角代入相關(guān)的公式求出采樣點的古緯度及其古地磁極位置。古地磁強度的研究古地磁學的研究成果及其應用近萬年來地球地球磁矩的變化偶極矩變化似乎有8000年的周期古地磁強度的研究古地磁學的研究成果及其應用在二十五億年前地核就已形成，且有足夠大小古地磁場的平均性質(zhì)古地磁學的研究成果及其應用現(xiàn)代地磁場的基本場是地心偶極子場，地磁軸與地理軸相交11.5度，即現(xiàn)代地磁場不是軸向場。古地磁場是軸向地心偶極子場。深海沉積物也有剩余磁性，剩磁的方向記錄著形成這些沉積物時地磁場的方向，深海沉積的速度極為緩慢，約1-10毫米／千年。所以長10m的海底沉積物記錄著幾百萬年的地磁場歷史。由于從巖芯上取下來的測試樣品幾毫米的長度，就代表了幾千年的沉積過程，它的剩磁方向是幾千年的平均方向，就是說地磁場的長期變化被平均掉了。上圖是測定2Ma深海沉積巖芯的磁傾角結(jié)果，其與按軸向地心偶極子計算的理論傾角吻合很好，說明2Ma年以來地磁場仍具軸向偶極子場的特征。對世界兩千萬年（第三紀中新世以來）來火山巖的觀測結(jié)果，求得一千多個古地磁極。圖中古地磁極是以地理極為中心分布的。就平均而言兩千萬年來古地磁場是軸向地心偶極子場。同一時間地球就只有一個地磁極或地理極，就像由各大陸近代熔巖所求出的地磁極坐落在地理極附近一樣，反之，各大陸之間地磁極的明顯不整合，表明大陸之間發(fā)生過平移或旋轉(zhuǎn)。視極移路線是研究大陸漂移的重要證據(jù)，從視極移曲線不僅可以了解大陸的移動和移動的方向，還可以從各大陸的視極移路線了解它們之間原生的相互關(guān)系以及分離漂移的時代。古地磁場的極移

南美、非洲大陸的視極移路線

將南美和非洲兩大陸的視極移線（南磁極）畫在同一張圖上，兩條視極移路線明顯地不重合，但是兩條路線的趨勢十分相似，都是從赤道附近隨著年代由老到新漸漸靠攏，最終相交于南磁極。南美視極移路線始終是在非洲的西部，正像南美大陸位于非洲大陸之西一樣。如果將非洲大陸固定不動，按照大陸架的形態(tài)，將美洲大陸向東移動，與非洲大陸擬合，它的視極移路線也隨之東移，中生代以前兩大陸的視極移路線基本吻合，中生代以后的視極移路線卻分道揚鑣了。這一古地磁研究成果證明，南美大陸在古生代時是連在一起的，當時并不存在大西洋。中生代（侏羅紀）開始分裂，南美大陸向西漂移，并兼有順時針方向的旋轉(zhuǎn)，形成了現(xiàn)今兩大陸的分布狀態(tài)。

地球磁場極性反轉(zhuǎn)

地磁場的反轉(zhuǎn)是古地磁研究取得的重要成果之一。1906年布容在法國首次發(fā)現(xiàn)了反向磁化反向磁化（與現(xiàn)代地磁場方向相反的巖石）。三十年代，松山發(fā)現(xiàn)日本第三紀以后的巖石約50％是反向磁化。這是由于地磁場在地質(zhì)時期內(nèi)發(fā)生了多次的極性反轉(zhuǎn)造成的。正常和反轉(zhuǎn)磁化巖石各占50％左右，說明地磁場具有任一極性的幾率是相等的。地質(zhì)學上的應用古緯度的應用古地磁學的研究成果及其應用各時代油田的古緯度和現(xiàn)緯度對各時代的油田來說，當古緯度大于40o時，發(fā)現(xiàn)的機會很小，古緯度超過60o時，幾乎沒有希望。研究地質(zhì)構(gòu)造變動古地磁學的研究成果及其應用巖石形成時獲得原生剩磁以后，如果發(fā)生構(gòu)造運動，致使處于構(gòu)造不同部位的巖石之間改變了它們生成時期的相對位置。這樣，保存在巖石中和穩(wěn)定的原生剩磁也隨著巖石載體一起改變其空間位置。如果我們測定現(xiàn)代處于構(gòu)造各個不同部位的巖石中的穩(wěn)定剩磁方向，找出它們之間方向相對變化的規(guī)律，就可以反過來推斷和驗證該構(gòu)造運動發(fā)生的方式和方向。郯城—廬江深大斷裂，多數(shù)學者認為它是左旋平移斷層。但是，對平移的時間和距離，卻有不同的看法。對斷裂帶東西兩側(cè)的寒武紀、侏羅紀地層進行的古地磁測量。斷裂帶東側(cè)，復縣早寒武世磁偏角338°

，五蓮晚侏羅世磁偏角7°，說明后者相對者順時針旋轉(zhuǎn)29°。斷裂帶西側(cè)宿縣早寒武世磁偏角42°，霍山晚侏羅世偏角17°，則后者較前者逆時針旋轉(zhuǎn)25°。上述表明，斷裂帶兩側(cè)地殼各自有獨立的運動方式，至少在侏羅紀前，兩側(cè)地層已發(fā)生過相對運動。研究巖石年代如果掌握了地磁場隨時間的變化規(guī)律，就能用它提供巖石年齡的資料。但由于長期變化、次生磁化、構(gòu)造變動等因素對剩磁測定精度的限制，用古地磁方法確定巖石年齡要比古生物、放射性測定等方法差。但象火成巖、紅層等由于缺少化石，或不能利用放射性測定，這時古地磁方法起一定作用。目前用古地磁確定巖石時代的方法有以下幾種：①利用長期變化對比巖層的時代。②利用剩磁平均方向?qū)Ρ葞r層時代。③利用視極移路線對比巖層的時代。④利用極性倒轉(zhuǎn)對比巖層時代。地球的變化磁場（地磁場的短期變化）是指地磁場中隨時間變化較快的那部分磁場。主要起因：地球外部各種電流體系分類：①平靜變化②擾動變化地磁場短期變化變化特征：（1）平靜變化，周期性的變化，平緩有規(guī)律；（2）擾動變化，偶然發(fā)生，短暫而復雜，變化幅度可以很強烈，也有很小。變化磁場的獲得地球變化磁場大小可定義為地磁場強度的實測值和它的月均值或年均值的差值。地磁場短期變化（1）平靜變化太陽日變化和太陰日變化（很小，忽略）太陽日變化24小時為一周期地磁日變地磁場短期變化太陽日變化平均變化幅度為幾納特至幾十納特24小時為一周期；變化依賴地方時，同一磁緯度，變化形態(tài)和幅值很相似；同一經(jīng)度不同緯度，變化差異很大；白天變化大，夜晚變化??；夏季的變化幅度大，冬季的幅度最小，春秋居中。變化依賴于地方太陰時；半個太陰日為變化的周期；變化非常微弱,H或Z分量的最大振幅只有1～2nT。變化的極值出現(xiàn)時刻在一個朔望月中是逐日變化的；變化幅度是隨緯度而改變的。太陰日變化磁擾（幅度大的稱磁暴）：無周期，變化范圍大，（磁暴往往是全球性的，持續(xù)時間為幾小時～幾天

）。地磁脈動：地磁場的微擾變化，具有準周期擾動變化地磁脈動地電場大地電場：是大氣層中的各種電流體系在地球內(nèi)部所產(chǎn)生的感應電場

自然電場：是地殼中的某些物理、化學作用引起的電場

場的分布特點：大地電場：分布范圍大，變化梯度小自然電場：分布范圍小，變化梯度大第七節(jié)地球電場及電性分布大地電場的測量方法MNR單位：毫伏/公里記錄點：MN中點

R<<接地電阻矢量觀測：xyz

由于MN見的電場信號微弱，一般取MN較大，為了減少干擾信號，要求R很大大地電磁場的極化現(xiàn)象

大地電場的變化可分為兩大類：一類是地電場的平靜變化，另一類是地電場的干擾變化。平靜變化是連續(xù)出現(xiàn)的，具有確定的周期性。大地電場不僅幅度隨時間變化，方向也是不斷改變的。在某段時間內(nèi)，如果將在南北和東西兩個方向測得的電場之合成矢量端點連成一條曲線，當該曲線近似成一條直線時，則稱為線性極化；不規(guī)則時稱為非線性極化。大地電場的分類大地電場平靜變化電場干擾變化電場靜日地電日變化場（周期為1天）高頻地電變化（周期為0.0001—1秒）地電脈動（周期為0.2—1000秒）地電灣擾（沒有周期性，變化時間1—3小時擾日地電變化（周期為1天）地電暴（獨特形式，變化時間1—3天）地電日變化靜日地電日變化擾日地電日變化地電微變化（短周期，幅度?。└哳l地電變化地電脈動大地電場的起源1、形態(tài)特性

E與H間存在相位差形態(tài)不是簡諧波（含有多種諧波）地電日變化半日波強，全日波弱地磁日變化半日波弱，全日波強地電日變化2、時間特性年變化、季節(jié)變化（周期1年）

特點：夏季幅度大、冬季幅度小太陽周變化（11年變化）

特點：與太陽活動密切相關(guān)與太陽黑子數(shù)有關(guān)，黑字數(shù)多強度大3、地面分布特性1、南半球和北半球各有8個渦旋電流（南半球只畫出4個），地球赤道是這些渦旋電流的近似對稱面。2、赤道兩側(cè)的8個渦旋電流與靜日地電變化相對應，白天電流強，夜間電流弱。3、高緯度處的渦旋電流與擾日地電變化相對應。4、地電日變化的整個過程有兩次起伏，變化平均幅度約為10