地球科學(xué)概論 第7講 地磁場RR

第7講地磁場1申文斌鄧洪濤羅佳徐新禹2014.5.16提綱引言地磁要素地磁場的組成地磁場的空間形態(tài)地磁場的特征地磁場成因地磁場的測量地磁場應(yīng)用2地磁場示意圖31.引言地磁場的形式近似一個放在地心的磁棒所產(chǎn)生的磁偶極子磁場。有兩個磁極，地磁場S極位于地理北極附近，地磁場N極位于地理南極附近，但均不重合。兩磁極的連線稱為磁軸，與地球自轉(zhuǎn)軸的夾角約為11.5°。以地磁極和地磁軸作為參考系定出的南北極、赤道及子午線稱為磁南極、磁北極、磁赤道和磁子午線。4地球周圍存在著磁場，稱地磁場（Geomagneticfield）1.引言地磁場的形式長期觀測證實，地磁極圍繞地理極附近作緩慢的遷移，例如1961年磁北極的位置為北緯74.9°，西經(jīng)101.0°；到1975年已漂移到北緯76.1°，西經(jīng)100.00°。磁場的表現(xiàn)形式為起止于地球體的磁力線，磁力線的方向表示磁場的方向，其密集程度表示磁場強度大小。51.引言地磁場的形式長期觀測結(jié)果（）61.引言

磁現(xiàn)象？

地球是一個巨大的電介質(zhì)體，在其自身內(nèi)部和周圍空間產(chǎn)生磁場。

何以產(chǎn)生？【電流+自轉(zhuǎn)】

71.引言極光現(xiàn)象【論證：強烈碰撞，受激輻射；氧：綠】81.引言地磁場研究歷史古代中國（BC約300年）：指南針【四大發(fā)明之一。四大發(fā)明：造紙（公元105）；印刷（約1000）；火藥（約750）；指南針（403-201BC；漢朝202BC-220）。第五發(fā)明：算盤（101個世界發(fā)明之一）】沈括(1090年):指南針的指向并不是正南方，而是和正南方有個向東偏的夾角。Gilbert(1600年)：地磁起源理論奧斯特（Oersted1820）：電流的磁效應(yīng)法拉第(Faraday1821-31):磁力線變化可產(chǎn)生電Gauss(1839年)：地磁場球諧分析方法麥克斯韋(Maxwell1865)：麥克斯韋方程組，預(yù)言光是一種電磁波【建立了完整的電磁理論體系】地磁場研究歷史1.引言1870年，發(fā)明了磁探礦儀1950年，剩余磁化理論和古地磁學(xué)得到了極大發(fā)展磁場探測衛(wèi)星：POGO（1965年－），MAGSET(1979年)，Oersted(1999年)，CHAMP(2000年)，SAC-C(2000年)，SWARM(2013)地磁場研究歷史1.引言2.地磁要素地磁場：地磁力線分布的空間稱作地磁場地磁要素[geomagneticelement]：表示地球磁場方向和大小的物理量，包括三個獨立分量：磁場強度(F/T)、磁偏角(D)、磁傾角(I)。通常有7個可供選擇的分量（磁場強度可以分解為5個分量）地磁測量就是用地磁儀器觀測某一測點獨立的地磁三要素122.地磁要素13定義磁場強度：地表某點的地磁場強度是個矢量，用矢量T表示。矢量T在座標(biāo)系的xoy水平面上及沿各座標(biāo)軸的投影H、X、Y和Z分別稱為水平分量、北分量、東分量和垂直分量。矢量T在水平面的投影H與x軸的夾角(即T的方位角)，稱為偏磁角(D)矢量T的傾角，稱為磁傾角(I)常用組合：(H,D,Z),(X,Y,Z),(T,D,I)【參考系問題？】2.地磁要素磁場強度單位：

1T（特斯拉：teslas）=10000G（高斯）

=109nTuT，mT地磁場強度大約是0.5-0.6高斯142.地磁要素武漢地磁各地磁要素如下：地磁總強度：49316.5nT;磁偏角：-3.73°;磁傾角：45.98°;北向分量：34200.2nT;東向分量：2227.9nT;垂直分量：35461.3nT;水平分量34272.7nT。153.地磁場的組成地球空間磁場由兩部分構(gòu)成，包括源于地球內(nèi)部的內(nèi)源場和源于地球上空電流體系的外源場。（徐文耀，地磁學(xué)）內(nèi)源場是地球空間磁場的主要部分，占地磁場99%以上，這部分磁場很穩(wěn)定，只有緩慢的長期變化，進一步分為地核場和地殼場。地核場又稱為主磁場，占95%以上，目前認(rèn)為主要由地球內(nèi)部熔化了的金屬核流動引起。地殼場又稱為局部磁異常場，由地殼磁性巖石產(chǎn)生，約占4%。內(nèi)源場還應(yīng)包括外部變化磁場在地球內(nèi)部的感應(yīng)場。163.地磁場的組成17

地球表面地磁總強度等值線圖(1995年)。等值線單位：nT。圖中左上角和右下角的兩個極大代表南北半球地磁極所在區(qū)域。南美洲東海岸及其附近海域的極小，通常稱作南大西洋磁異常；東西伯利亞的極大曾經(jīng)被認(rèn)為是另一個磁極，實際上是大陸磁異常。3.地磁場的組成基本地磁場在世界范圍內(nèi)選擇多個地磁觀測站，測量該處的地磁要素數(shù)據(jù)，然后推算出世界各地的基本磁場，并以此作為地磁場的正常理論值?！痉椒?？】磁異常實際工作中發(fā)現(xiàn)某地去實測地磁場要素的數(shù)據(jù)與正常值有顯著的差別，這種現(xiàn)象稱為地磁異常。正異常和負(fù)異常184.地磁場的空間形態(tài)19主磁場近等效于一個偶極磁場。在幾個地球半徑的高空由于受太陽風(fēng)的作用，形成特殊形態(tài)。4.地磁場的空間形態(tài)20近地表面，地磁場等效于一個中心偶極子磁場。4.地磁場的空間形態(tài)21地球磁場不是孤立的，它受到外界擾動的影響。在地球磁場的反抗下，太陽風(fēng)繞過地球磁場，繼續(xù)向前運動，于是形成了一個被太陽風(fēng)包圍的、慧星狀的地球磁場區(qū)域，這就是磁層。4.地磁場的空間形態(tài)地球磁層位于地面600～1000公里高處，磁層的外邊界叫磁層頂，離地面5～7萬公里。在太陽風(fēng)的壓縮下，地球磁力線向背著太陽一面的空間延伸得很遠(yuǎn)，形成一條長長的尾巴，稱為磁尾。224.地磁場的空間形態(tài)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。234.地磁場的空間形態(tài)由于太陽風(fēng)以高速接近地球磁場的邊緣，便形成了一個無碰撞的地球弓形激波的波陣面。波陣面與磁層頂之間的過渡區(qū)叫做磁鞘，厚度為3～4個地球半徑。245.地磁場的特征主磁場主要來自于一個等效的中心偶極子磁場來源于地球內(nèi)部，基本上穩(wěn)定，只隨時間非常緩慢變化的成分，是地磁場的主要部分，也稱為地球的基本磁場。25n=1的項，占全部磁場的80-85%，代表了地磁場空間分布的主要特征。它相當(dāng)于一個在地心按一定方位放置、磁矩為M的偶極子所產(chǎn)生的磁場，稱該偶極子為“中心偶極子”。n>1的項，稱為非偶極子部分5.地磁場的特征磁極倒轉(zhuǎn)磁極倒轉(zhuǎn)的發(fā)現(xiàn)：磁石磁性的測定發(fā)現(xiàn)許多巖石有與現(xiàn)今地磁場相反方向的磁化?！舅伎碱}：巖石磁化的原因？】磁極倒轉(zhuǎn)的過程：【思考題：磁極倒轉(zhuǎn)過程是瞬時完成的嗎？】磁極倒轉(zhuǎn)的原因：【思考題：世界性難題】265.地磁場的特征磁極倒轉(zhuǎn)通常把保持一定的地磁極性的大階段(大約相隔100萬年以上)稱為極性期，把每個極性期內(nèi)的短期轉(zhuǎn)向時間稱為極性事件。如果根據(jù)不同時期巖石磁化的方向排列出地磁場轉(zhuǎn)向的先后順序，并利用巖石同位素年齡測定方法測出各個極性期和極性事件的延續(xù)時間，就可以建立古地磁場轉(zhuǎn)向年代表。27286.地磁場的成因29地磁極倒轉(zhuǎn)問題討論：（1）為何會倒轉(zhuǎn)？【推理？】極性逐漸消失，另一個方向逐漸增長；將對動物（人類）產(chǎn)生不可估量的影響；；b)磁極緩慢遷移，直至倒轉(zhuǎn)6.地磁場的成因30地磁極倒轉(zhuǎn)問題討論：（2）恐龍滅絕與磁極倒轉(zhuǎn)有關(guān)？【否】恐龍出現(xiàn)在2億3500萬年前（三疊紀(jì)中晚期）,滅絕于6500萬年前5.地磁場的特征地磁場的變化（1）主磁場的長期變化

偶極子磁矩的衰減

非偶極子磁場的西向漂移

主地磁場的jerk（2）變化磁場（短期變化）315.地磁場的特征（1）主磁場的長期變化

偶極子磁矩的衰減

近百余年來地磁偶極矩在單調(diào)衰減，衰減速率100年可達5%衰減速度在變化，2000年前是上升的?！舅伎碱}：衰減的原因？難題】325.地磁場的特征（1）主磁場的長期變化

非偶極子磁場的西向漂移

E.Halley在17世紀(jì)分析地磁偏角發(fā)現(xiàn)，地磁場分布圖，有緩慢向西移動現(xiàn)象。n>1以上的部分每年向西漂移0.2度。

有的地方在向西漂移，有的地方?jīng)]有漂移?！舅伎碱}：非偶極子磁場的西向漂移是否具有全球特征？】335.地磁場的特征（1）主磁場的長期變化

主地磁場的jerk

地磁場的長期變化的突然變化34圖形上，地磁場的長期變化被jerk“分成幾段”，而在每一段內(nèi)地磁場長期變化成線性變化趨勢。5.地磁場的特征（2）變化磁場（短期變化）

除穩(wěn)定的基本磁場及其緩慢的長期變化，地磁場還存在各種類型的短期變化，叫做變化磁場。

變化磁場來源于地球外部（太陽），占地磁場的百分之幾到萬分之幾。356.地磁場的成因所有的地磁成因理論都必須要一、能解釋前述的地磁場特征才能認(rèn)為是成功的二、與地面觀測一致地磁場起源的成因假說鐵磁體假說熱電假說雙圓盤發(fā)電機假說366.地磁場的成因鐵磁體假說（解釋偶極性）由于地核基本上是由鐵磁體（鐵和鎳）所組成的，基本依據(jù)就是地核的這種特有成分及其球狀對稱的形態(tài)。按照此假說，地核因其組成而自然成為一個磁化體，由此也就決定了地球具有偶極特征的磁場。地核內(nèi)的平均溫度很高，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了任一種鐵磁性物體的居里點，所有的鐵磁性體都將在這一溫度下轉(zhuǎn)變成順磁性體，從而喪失其磁性。376.地磁場的成因熱電假說（解釋長期變化）熱電假說提出地磁場具有電性。并通過計算得出，要形成今天的地磁場，需要約109A的電流強度。而要在地核中形成電流，必須借助于外核物質(zhì)的熱對流而在邊界處產(chǎn)生電流，并進而因此產(chǎn)生磁場，也就是“熱電效應(yīng)”。熱電假說克服了居里點造成的困難，卻產(chǎn)生了新的問題，那就是這種機制難以形成具有偶極特征的磁場，并且這種機制是否能產(chǎn)生足夠強大的電流以形成地磁場，也沒有得到確切的證實。386.地磁場的成因雙圓盤發(fā)電機假說發(fā)電機模式的基本構(gòu)思：初步估計，要產(chǎn)生地球主磁場需要維持109A的電流。自激發(fā)電機學(xué)說(Larmor1919;Elsasser1946;Bulard1949;Parker1955;……;Glatzmaier1995)：地核液態(tài)物質(zhì)是鐵磁性物質(zhì)，具有很高的電導(dǎo)率，在初始磁場中運動，會產(chǎn)生感應(yīng)電流；感應(yīng)電流反過來又產(chǎn)生磁場，疊加在原來的磁場上；如此循環(huán)反復(fù)，可達到某種強度的磁場。396.地磁場的成因雙圓盤發(fā)電機假說單盤發(fā)電盤模型。406.地磁場的成因雙圓盤發(fā)電機假說416.地磁場的成因42Glatzmaiers(1995)黃線：向外，藍(lán)線：向內(nèi)。a模擬結(jié)束之前9000年；b模擬結(jié)束前4000年，從地球表面看上去的地磁極倒轉(zhuǎn)中間過程；c倒轉(zhuǎn)后7.地磁場的測量地磁測量：應(yīng)用地磁儀器觀測某一測點獨立的地磁三要素地磁臺：在測點能連續(xù)記錄地磁場隨時間變化野外測磁點：間斷進行地磁要素測量。衛(wèi)星或者航空測量：CHAMP（2000）、SAC-C（2000）、SWARM（2013年）43SWARM:三顆衛(wèi)星，2顆在460KM，1顆在530KM7.地磁場的測量儀器地磁臺站（兩套）：磁變儀，磁強計或磁力儀磁變儀，記錄地磁場隨時間的相對變化，測量(H,D,Z)三要素磁強計或磁力儀，測量地磁要素絕對值的儀器，其中用來測定偏角和傾角的又叫地磁經(jīng)緯儀447.地磁場的測量45磁力儀磁變儀地磁經(jīng)緯儀8.地磁應(yīng)用導(dǎo)航【信鴿】保護層【人類】地磁勘探【探礦】地球內(nèi)部