長(zhǎng)安大學(xué)地球物理學(xué)原理-第8章 地球的電磁場(chǎng)

第八章地球的電磁場(chǎng)地磁場(chǎng)的構(gòu)成與特點(diǎn)地磁場(chǎng)的高斯理論地球主磁場(chǎng)與國(guó)際地磁參考場(chǎng)地心偶極子場(chǎng)地球主磁場(chǎng)的變化與成因古地磁學(xué)簡(jiǎn)介地球地磁場(chǎng)及電性分析是研究地球本身及其周?chē)臻g電磁場(chǎng)的時(shí)分布規(guī)律、構(gòu)成、起源及應(yīng)用的學(xué)科；是實(shí)驗(yàn)性極強(qiáng)的精密觀測(cè)學(xué)科。研究的理論基礎(chǔ)是電磁學(xué)。地磁學(xué)研究的對(duì)象：地球本身及其周?chē)臻g的電磁場(chǎng)，即地球的磁場(chǎng)。地磁觀測(cè)是地磁學(xué)科研究與發(fā)展的基礎(chǔ)。地磁學(xué)

公元前770～221年春秋戰(zhàn)國(guó)時(shí)期，人類(lèi)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)展大致經(jīng)歷了四個(gè)階段：地磁學(xué)(觀測(cè))發(fā)展簡(jiǎn)史1.初期地磁學(xué)公元前250年～公元1600年，以中國(guó)發(fā)明指南針為標(biāo)志。指南車(chē)的復(fù)原模型：一種用來(lái)辨認(rèn)方向的儀器。車(chē)上有一小人，其手指的方向即為南方，傳說(shuō)司南、羅盤(pán)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(jì)，發(fā)現(xiàn)、觀測(cè)磁偏角。公元12—16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)表第一篇論文。磁偏角、磁傾角的測(cè)量與資料積累幾乎是這一階段地磁研究的全部工作。《夢(mèng)溪筆談》（沈括，1031－1095）中寫(xiě)道：“方家以磁石磨針?shù)h，則能指南，然常微偏東，不全南也”；北宋時(shí)已將指南針用于航海（“舟師識(shí)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?，以木蘭為梁，磁石為門(mén)，懷刃者止之”（《三浦皇圖》）；2.早期地磁學(xué)1600～1893年，英國(guó)皇家醫(yī)生吉爾伯特發(fā)表巨著“地磁學(xué)”標(biāo)志此階段的開(kāi)始。公元17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(chǎng)起源的假說(shuō)（吉爾伯特）。1702年編制了第一張全球地磁圖（D）；認(rèn)識(shí)了地磁場(chǎng)有緩慢的長(zhǎng)期變化。1799～1804年，發(fā)明并開(kāi)始了磁場(chǎng)強(qiáng)度的測(cè)量。3.近代地磁學(xué)

1839～1957年，以德國(guó)高斯將球諧分析理論用于地磁研究為標(biāo)志。公元19世紀(jì)，建立地磁學(xué)的基本理論——高斯理論，用數(shù)學(xué)表達(dá)式描述地磁場(chǎng)；制作測(cè)量強(qiáng)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(cè)精度1930s，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(xiě)的經(jīng)典著作“地磁學(xué)”出版。這一階段建立了地磁臺(tái)、國(guó)際合作組織IUGG、IAGA。4.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(kāi)始了空間時(shí)代。人類(lèi)走進(jìn)太空，站在地球以外認(rèn)識(shí)地磁場(chǎng)、迅速全面地觀測(cè)地磁場(chǎng)；形成空間物理學(xué)。對(duì)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—海底擴(kuò)張—板塊構(gòu)造學(xué)說(shuō)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(tái)站分布圖返回中國(guó)地磁臺(tái)站分布圖（中國(guó)地震局）國(guó)家級(jí)地磁臺(tái)站省級(jí)、市縣級(jí)地磁臺(tái)站返回18周至綜合地震臺(tái)

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

地磁場(chǎng):

地球本身及其周?chē)臻g存在的電磁場(chǎng)，即地球的磁場(chǎng)。

地磁場(chǎng)是矢量場(chǎng)，地磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量記為B第一節(jié)地磁場(chǎng)的構(gòu)成與特點(diǎn)太陽(yáng)擾日變化◆磁暴灣擾鉤擾地磁脈動(dòng)地磁場(chǎng)內(nèi)源場(chǎng)穩(wěn)定場(chǎng)99%外源場(chǎng)變化場(chǎng)1%主磁場(chǎng)95%異常場(chǎng)4%電磁感應(yīng)場(chǎng)平靜變化非K變化干擾變化K變化偶極子場(chǎng)＞80%非偶極子場(chǎng)◆平靜太陽(yáng)日變化太陰日變化穩(wěn)定場(chǎng)內(nèi)源變化場(chǎng)

變化場(chǎng)通常用直角坐標(biāo)系來(lái)描述，即XOY平面與地面相切，原點(diǎn)在觀測(cè)點(diǎn)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(chǎng)

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(gè)要素中只要知道其中三個(gè)獨(dú)立的要素，其余四個(gè)就可以計(jì)算，故稱(chēng)三個(gè)獨(dú)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(cè)量的，其它兩個(gè)要素可根據(jù)實(shí)際情況任意選測(cè)。地磁要素之間有如下關(guān)系：

地磁場(chǎng)的基本特征地磁場(chǎng)近似為地心偶極子磁場(chǎng)：

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

地磁場(chǎng)是一個(gè)弱磁場(chǎng)地磁場(chǎng)的平均值大約為50000nT，在兩極附近也不過(guò)70000nT

。地磁場(chǎng)是一個(gè)穩(wěn)定磁場(chǎng)

穩(wěn)定磁場(chǎng)是地磁場(chǎng)的主要部分。SN太陽(yáng)磁場(chǎng)冕洞太陽(yáng)磁場(chǎng)：局部磁場(chǎng)（主要指黑子場(chǎng)、整體磁場(chǎng)和普遍磁場(chǎng)。太陽(yáng)普遍磁場(chǎng)（a）和扇形磁場(chǎng)(b)示意圖太陽(yáng)磁場(chǎng)活動(dòng)1975年—2010年，磁場(chǎng)與太陽(yáng)的11年活動(dòng)周期相對(duì)應(yīng)。太陽(yáng)黑子及產(chǎn)生機(jī)制行星際空間行星際磁場(chǎng)行星際磁場(chǎng)的扇形結(jié)構(gòu)太陽(yáng)磁場(chǎng)對(duì)地磁場(chǎng)產(chǎn)生很重要影響：（1）耀斑引起地磁暴（2）太陽(yáng)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：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(chǎng)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(chǎng)控制，稱(chēng)這區(qū)域?yàn)榇艑?。向日面?0RE，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(shí)刻）的等值線圖。由于地磁要素隨時(shí)間變化，一個(gè)地區(qū)的地磁測(cè)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)間的觀測(cè)值，按照地磁場(chǎng)隨時(shí)間的變化規(guī)律歸算到同一指定時(shí)間。由于觀測(cè)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(chǎng)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(chǎng)后，實(shí)測(cè)地磁場(chǎng)與基本磁場(chǎng)之差值，稱(chēng)為磁異常。即：Ba=B觀—B0場(chǎng)源：地殼中被地磁場(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)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(qiáng)度大、變化陡；按觀測(cè)要素的不同，磁異常有不同的名稱(chēng)，即：★垂直磁異常（測(cè)定垂直分量的相對(duì)變化）：★總磁場(chǎng)強(qiáng)度異常（測(cè)定總磁場(chǎng)強(qiáng)度的相對(duì)變化）：Za=Z觀—Z0或

△Z=Z觀—Z0

郯廬斷裂帶磁異常地磁場(chǎng)模式1.球諧模式：用球諧級(jí)數(shù)表示地磁場(chǎng)分布。最常用的方法，但不能反映地磁場(chǎng)場(chǎng)源的實(shí)際狀況。2.偶極子模式：是用若干個(gè)偶極子表示地磁場(chǎng)分布。有助于闡明地磁場(chǎng)及長(zhǎng)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(chǎng)分布。有助于闡明地磁場(chǎng)及長(zhǎng)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。第二節(jié)地磁場(chǎng)的高斯理論高斯球諧分析解決了兩個(gè)問(wèn)題：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)；地磁場(chǎng)到底是起源于地球內(nèi)部還是地球外部。地磁場(chǎng)滿足麥克斯韋方程組：B=H,＝0地球電磁場(chǎng)是緩變場(chǎng)

地球表面附近，空氣可視為絕緣體存在標(biāo)量磁位標(biāo)量磁位滿足拉普拉斯方程磁位U的負(fù)梯度即為磁場(chǎng)強(qiáng)度H：

H=-▽U在球坐標(biāo)系下解上述拉普拉斯方程，并求出磁場(chǎng)強(qiáng)度表達(dá)式，便可得到描述地磁場(chǎng)的基本理論——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)軸并指向北極，r為球心O至測(cè)點(diǎn)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(lèi)似的表達(dá)式。其中：

通解包含兩個(gè)部分：第一部分：項(xiàng)，其磁勢(shì)表示為Ui；第二部分：項(xiàng),相應(yīng)的磁勢(shì)表示為Ue。Ui隨r增大而減小，當(dāng)r→∞時(shí)，Ui→0；Ue隨r減小而減小，當(dāng)r→0時(shí)，Ue→0。因?yàn)槔绽狗匠探獾倪m用范圍應(yīng)是無(wú)源的，所以Ui為地球內(nèi)部場(chǎng)源的磁勢(shì)，Ue為地球外部場(chǎng)源的磁勢(shì)。即：項(xiàng)代表內(nèi)源場(chǎng)部分,項(xiàng)代表外源場(chǎng)部分。當(dāng)n＝0時(shí)，m=0，此時(shí)，Ue是一個(gè)同r無(wú)關(guān)的常數(shù)，這個(gè)常數(shù)只能為0，故顯然Ui是磁單極的磁勢(shì)，而磁單極是不存在的,故應(yīng)有近地空間任一點(diǎn)的磁位表達(dá)式：其中：地表任一點(diǎn)的磁位表達(dá)式球心坐標(biāo)與地面直角坐標(biāo)地表任一點(diǎn)磁場(chǎng)的磁位表達(dá)式地表任一點(diǎn)磁場(chǎng)的磁位表達(dá)式顯然，地磁場(chǎng)已表示為地面各點(diǎn)坐標(biāo)(,)的函數(shù)。高斯系數(shù)的確定將各測(cè)點(diǎn)、分量觀測(cè)值，代入地表各分量高斯級(jí)數(shù)表達(dá)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(gè)三分量測(cè)點(diǎn)；測(cè)點(diǎn)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=578.47nT

j10=-4.82nTk11=-1.13nT地磁場(chǎng)的主體是內(nèi)源場(chǎng)第三節(jié)地球主磁場(chǎng)與國(guó)際地磁參考場(chǎng)地球主磁場(chǎng):起源于地球內(nèi)部并構(gòu)成磁場(chǎng)主體的穩(wěn)定場(chǎng)稱(chēng)作地球主磁場(chǎng)（基本磁場(chǎng)）。地球主磁場(chǎng)可以直接反映各種深度、甚至地核的物理過(guò)程，包括深部的溫度、壓力、物質(zhì)運(yùn)動(dòng)等變化過(guò)程。對(duì)主磁場(chǎng)的觀測(cè)與研究是地磁學(xué)中的重要內(nèi)容。地球主磁場(chǎng)起源于地球內(nèi)部，則：地表上任意點(diǎn)地球主磁場(chǎng)的數(shù)學(xué)表達(dá)地球主磁場(chǎng)的高斯球諧分析在實(shí)際工作中，對(duì)地球表面有磁場(chǎng)的強(qiáng)度和方向的測(cè)量值，進(jìn)行長(zhǎng)期變化和短期變化的改正，統(tǒng)一校正到一個(gè)初始時(shí)刻，這些校正后的測(cè)量值便是該時(shí)刻的主磁場(chǎng)。將校正后的各測(cè)點(diǎn)、分量觀測(cè)值，代入地球主磁場(chǎng)地表各分量高斯級(jí)數(shù)表達(dá)式，建立方程組，解方程組得高斯系數(shù)。年代g10g11h11g20g21g22h21h22作者1829-0.3201-0.02840.0601-0.00080.0257-0.0014-0.00040.0146Erman-Petersen1835-0.3235-0.03110.06250.00510.0292-0.00020.00120.0157Gauss1885-0.3264-0.02410.0591-0.00350.02860.0068-0.00750.0142Fritsche1885-0.3174-0.02360.0598-0.00500.02780.0065-0.00710.0149Schmidt1960-0.30509-0.021810.05841-0.014640.029710.01673-0.019880.00198Fougere1960-0.3046-0.02140.0580-0.01500.02990.0164-0.01940.0027Adam等1960-0.30411-0.021470.05799-0.016020.029590.01545-0.019120.00812Jesen-Cain1965-0.30375-0.020870.05769-0.016480.029540.01579-0.019950.00116Leaton等1965-0.30388-0.021170.05760-0.016400.029830.01583-0.020040.00125Hurwitz等1970-0.30220-0.020680.05737-0.017810.030000.01611-0.020470.00025DGRF1975-0.30100-0.020130.05675-0.019020.030100.01632-0.02067-0.00068DGRF1980-0.29988-0.019570.05606-0.019970.030280.01662-0.02129-0.00199IGRF不同年代內(nèi)源場(chǎng)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(chǎng)是變化的。選擇的測(cè)點(diǎn)不同，計(jì)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(chǎng)的高斯（球諧）系數(shù)國(guó)際地磁參考場(chǎng)1968年通過(guò)了1965年的國(guó)際地磁參考場(chǎng)（IGRF）作為全世界通用的正常地磁場(chǎng)的標(biāo)準(zhǔn)，使用期為1965年—1975年；1975年接受了1975年的國(guó)際地磁參考場(chǎng)；1981年通過(guò)了1980年國(guó)際地磁參考場(chǎng)；同時(shí)還通過(guò)了修正的1965年、1970年及1975年的國(guó)際參考場(chǎng)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(gè)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(biāo)勢(shì)是各個(gè)簡(jiǎn)單多極子疊加而成的。國(guó)際地磁參考場(chǎng)(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。總磁場(chǎng)強(qiáng)度（B）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(duì)增大，約為磁赤道水平強(qiáng)度的兩倍，磁赤道以北Z﹥0，以南Z﹤0。垂直強(qiáng)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(diǎn)除兩磁極區(qū)外都指向北。水平強(qiáng)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(chēng)為磁赤道，它不是一條直線，磁赤道向北傾角為正，向南為負(fù)。等傾（I）圖特征：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匯聚于四個(gè)點(diǎn)，兩個(gè)是磁極，兩個(gè)是地理極。等偏（D）線圖等偏（D）線圖中國(guó)地磁場(chǎng)總強(qiáng)度等偏圖磁偏角D的零偏線由蒙古穿過(guò)我國(guó)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(guó)地磁場(chǎng)等偏圖磁傾角I從南到北由-10°增至+70°中國(guó)地磁場(chǎng)等傾圖非偶極子磁場(chǎng)（大陸磁場(chǎng)或世界磁異常）幾個(gè)中心：東亞正異常，南大西洋和南印度洋正異常，非洲負(fù)異常，澳洲負(fù)異常。非偶極子磁場(chǎng)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(duì)流。假設(shè)有孤立磁荷，則也有磁力（電磁庫(kù)侖定律）：第四節(jié)地心偶極子場(chǎng)磁位μ0—真空中磁導(dǎo)率μ0—（亨利/米）第四節(jié)地心偶極子場(chǎng)磁位磁場(chǎng)強(qiáng)度的定義：?jiǎn)挝徽藕伤艿牧?。真空中，磁感?yīng)強(qiáng)度B定義為：B和H：描述磁場(chǎng)性質(zhì)的兩個(gè)不同的物理量。第四節(jié)地心偶極子場(chǎng)磁位穩(wěn)定磁場(chǎng)F也是保守場(chǎng)，故也可以引入磁位U★對(duì)于磁單極，磁位：第四節(jié)地心偶極子場(chǎng)★磁偶極子磁場(chǎng)P點(diǎn)磁位U第四節(jié)地心偶極子場(chǎng)★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(chǎng)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(chēng)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(chǎng)地表任意點(diǎn)P點(diǎn)磁位：地球主磁場(chǎng)高斯級(jí)數(shù)的一階項(xiàng)（n=1）為：

第四節(jié)地心偶極子場(chǎng)令：

得：

地球主磁場(chǎng)的一階項(xiàng)（n=1）是地心偶極子場(chǎng)。由地磁場(chǎng)的高斯分析可知，地球主磁場(chǎng)的主要部分是地心偶極子場(chǎng)。這是地球主磁場(chǎng)的一個(gè)主要特征。第四節(jié)地心偶極子場(chǎng)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(shí)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(chǎng)的強(qiáng)弱。＊經(jīng)計(jì)算，1980年的地球磁矩為M=7.911022A·m2。

第四節(jié)地心偶極子場(chǎng)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(chǎng)M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南極，稱(chēng)為軸向偶極子。Mx與My都位于赤道平面內(nèi)，稱(chēng)之為赤道偶極子。比與大得多，所以在地心偶極子場(chǎng)中，軸向偶極子場(chǎng)占主要部分。nm基本磁場(chǎng)/nTgnmhnm10-2998811-1957560620-1997213208-2129221662-19930127931-2181-33532125127133833-2521980年國(guó)際地磁參考場(chǎng)高斯系數(shù)

第四節(jié)地心偶極子場(chǎng)地磁軸與地球表面的兩個(gè)交點(diǎn)稱(chēng)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(guò)地心。磁極由實(shí)測(cè)結(jié)果確定，是地磁圖上傾角為90o而等偏線匯聚的兩個(gè)點(diǎn)(實(shí)際上可由各年代高斯系數(shù)計(jì)算出)。兩個(gè)磁極的連線不一定通過(guò)地心。1980年國(guó)際地磁參考場(chǎng)資料計(jì)算得的地磁北極位置為：地磁北極：78.8oN，70.8oW；而1980年實(shí)測(cè)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(chǎng)地磁軸與地球表面的兩個(gè)交點(diǎn)稱(chēng)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(guò)地心。磁極由實(shí)測(cè)結(jié)果確定，是地磁圖上傾角為90o而等偏線匯聚的兩個(gè)點(diǎn)(實(shí)際上可由各年代高斯系數(shù)計(jì)算出)。兩個(gè)磁極的連線不一定通過(guò)地心。1980年國(guó)際地磁參考場(chǎng)資料計(jì)算得的地磁北極位置為：地磁北極：78.8oN，70.8oW；而1980年實(shí)測(cè)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(chǎng)★地磁坐標(biāo)地磁坐標(biāo)：以地磁軸作為極軸的坐標(biāo)系。地面一點(diǎn)的該點(diǎn)的矢徑與地磁軸的夾角稱(chēng)為該點(diǎn)的地磁余緯度；過(guò)這一點(diǎn)與地磁極的子午面，同過(guò)地磁極與地理極的子午面的夾角稱(chēng)為該點(diǎn)的地磁經(jīng)度。第四節(jié)地心偶極子場(chǎng)★測(cè)點(diǎn)地磁坐標(biāo)由地磁北極的地理坐標(biāo)(0,0)與測(cè)點(diǎn)的地理坐標(biāo)(,)，求測(cè)點(diǎn)的地磁坐標(biāo)(,)1980年北京臺(tái)與余山臺(tái)的地磁經(jīng)緯度與地理經(jīng)緯度分別為：★地磁坐標(biāo)北京臺(tái)：余山臺(tái)：在地磁坐標(biāo)中，地心偶極子的磁勢(shì)為：★地磁坐標(biāo)下地表任一點(diǎn)的地磁要素則地表一點(diǎn)的磁場(chǎng)強(qiáng)度為：

★地磁坐標(biāo)下地表任一點(diǎn)的地磁要素磁場(chǎng)總強(qiáng)度（磁感應(yīng)強(qiáng)度）為：由磁場(chǎng)水平分量與垂直分量的比值，得磁場(chǎng)傾角公式：此公式把磁傾角與地磁緯度聯(lián)系起來(lái)，是表示偶極子磁場(chǎng)中各參量關(guān)系的一個(gè)重要公式，它在古地磁學(xué)中有重要的作用。

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

地磁場(chǎng)的長(zhǎng)期變化地球的主磁場(chǎng)不是恒定的，而隨時(shí)間作緩慢變化，這種變化稱(chēng)為主磁場(chǎng)的長(zhǎng)期變化。研究這種變化的時(shí)空分布規(guī)律對(duì)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。地磁場(chǎng)的長(zhǎng)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(zhǎng)期變化率來(lái)表示這一年地磁要素的變化大小。通過(guò)世界各地地磁臺(tái)長(zhǎng)期連續(xù)觀測(cè)和古地磁進(jìn)行研究地磁場(chǎng)的長(zhǎng)期變化地球磁矩的長(zhǎng)期變化在最近一百年內(nèi)，地球磁矩衰減了5﹪；近1000年來(lái)，地球磁矩大約減小了25%；400年來(lái)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(zhǔn)周期變化或韻律性變化中國(guó)古代（上圖）、日本磁偏角長(zhǎng)期變化（下圖）地磁等偏線反映的向西漂移

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

（1）時(shí)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(chǎng)長(zhǎng)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(chǎng)長(zhǎng)期變特征

（3）整體特征地心偶極子的強(qiáng)度和方向的緩慢變化;

地磁偶極矩以每年5%的速度減小;

磁極位置緩慢移動(dòng)，即偶極矩方向緩慢變化。極性倒轉(zhuǎn)的長(zhǎng)期變化在測(cè)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(chǎng)方向相反，于是就推測(cè)地磁場(chǎng)發(fā)生了180°的改變，原來(lái)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(chēng)為地磁極倒轉(zhuǎn)或地磁場(chǎng)翻轉(zhuǎn)。事實(shí)證明，在地球歷史上確實(shí)發(fā)生過(guò)這種變化，而且還一再地發(fā)生。從1940s開(kāi)始，由于軍事上的需要對(duì)海底磁場(chǎng)進(jìn)行了系統(tǒng)的觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)以大洋脊為中心，兩側(cè)對(duì)稱(chēng)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(lèi)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)，提供了重要的依據(jù)。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。一種地磁極性期平均可持續(xù)22萬(wàn)年(短的僅持續(xù)3萬(wàn)年，長(zhǎng)的可達(dá)500萬(wàn)年)。每次磁極倒轉(zhuǎn)過(guò)程僅持續(xù)數(shù)百年到上千年，此時(shí)表現(xiàn)為磁場(chǎng)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。磁極倒轉(zhuǎn)地磁場(chǎng)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)展在全球廣泛開(kāi)展了對(duì)火山巖、沉積巖、海底和湖底沉積的古地磁測(cè)量.（黃土沉積的古地磁研究帶著我國(guó)獨(dú)有的特色）由此產(chǎn)生的“地磁極性年表”，為地質(zhì)學(xué)提供了一個(gè)獨(dú)立的時(shí)間標(biāo)尺。磁極倒轉(zhuǎn)第五節(jié)地球主磁場(chǎng)的變化與成因地球磁場(chǎng)起源地球磁場(chǎng)起源問(wèn)題一直是一個(gè)沒(méi)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(qiáng)烈地吸引著擅長(zhǎng)理性思維，愛(ài)好尋根問(wèn)底的數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家地球磁場(chǎng)：令科學(xué)家著迷地球磁場(chǎng)起源地磁場(chǎng)起源理論需回答的基本問(wèn)題：為什么地球會(huì)有磁場(chǎng)？為什么地磁場(chǎng)會(huì)長(zhǎng)期存在（至少為地球年齡的70%）？為什么地磁場(chǎng)中偶極子場(chǎng)占優(yōu)勢(shì)？為什么地磁場(chǎng)長(zhǎng)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(chǎng)極性會(huì)倒轉(zhuǎn)而且地磁場(chǎng)倒轉(zhuǎn)頻率很大？為什么沒(méi)有占優(yōu)勢(shì)極性？不僅解釋過(guò)去，還要預(yù)言未來(lái)地磁場(chǎng)趨勢(shì)地球磁場(chǎng)起源為什么其它一些行星、衛(wèi)星也有磁場(chǎng)？這些磁場(chǎng)是否可以用統(tǒng)一機(jī)制來(lái)解釋?zhuān)康厍虼艌?chǎng)起源提出時(shí)間名稱(chēng)主要思想理論缺陷1600年永磁體學(xué)說(shuō)（Gilbert）地球內(nèi)部存在巨大的永磁體，由永磁體產(chǎn)生地球磁場(chǎng)地球的平均磁化強(qiáng)度應(yīng)為80A/m，（達(dá)到天然巖石的上限）；20km~30km以下地溫達(dá)到居里點(diǎn)（約600度），失去磁性，故要求地殼巖石磁化強(qiáng)度高達(dá)600A/m（不可能！）內(nèi)部電流學(xué)說(shuō)地球內(nèi)部存在巨大的電流，形成巨大電磁體產(chǎn)生地球磁場(chǎng)未觀測(cè)到這種巨大電流，而且巨大電流也會(huì)很快衰減，不會(huì)長(zhǎng)期存在1900年電荷旋轉(zhuǎn)學(xué)說(shuō)地球表面和內(nèi)部分別分布著符號(hào)相反、數(shù)量相等的電荷，由地球自轉(zhuǎn)而形成閉合電流，由此電流產(chǎn)生磁場(chǎng)缺乏理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)1929年壓電效應(yīng)學(xué)說(shuō)物質(zhì)在超高壓力下使物質(zhì)中的電荷分離，電子在這樣的電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生電流和磁場(chǎng)理論計(jì)算出這樣的磁場(chǎng)僅有實(shí)際球地磁場(chǎng)的約

10-31933年旋磁效應(yīng)學(xué)說(shuō)地球內(nèi)的強(qiáng)磁物質(zhì)旋轉(zhuǎn)可以產(chǎn)生地球磁場(chǎng)這種旋磁效應(yīng)產(chǎn)生的磁場(chǎng)只有實(shí)際地球磁場(chǎng)的大約

10-111939年溫差電效應(yīng)學(xué)說(shuō)地球內(nèi)部的放射性物質(zhì)產(chǎn)生的熱量，使熔融物質(zhì)發(fā)生連續(xù)的不均勻?qū)α?，這樣產(chǎn)生溫差電動(dòng)勢(shì)和電流，由此電流產(chǎn)生地球磁場(chǎng)理論估計(jì)同樣與地球磁場(chǎng)不符合發(fā)電機(jī)學(xué)說(shuō)觀測(cè)事實(shí)推論地核的主要成分是鐵鎳質(zhì)物質(zhì)——良導(dǎo)體外核是液態(tài)物質(zhì)，而且存在對(duì)流地球在不停地地轉(zhuǎn)動(dòng)地核內(nèi)存在電流是肯定的，電流在導(dǎo)體中流動(dòng)可以產(chǎn)生磁場(chǎng)，地磁場(chǎng)會(huì)是電流在地核這個(gè)運(yùn)動(dòng)著的導(dǎo)體中流動(dòng)所產(chǎn)生的嗎？這樣產(chǎn)生的磁場(chǎng)是否具有地磁場(chǎng)的上述特性呢？自激發(fā)電機(jī)學(xué)說(shuō)圓盤(pán)相當(dāng)于外核導(dǎo)體電流。當(dāng)圓盤(pán)在磁場(chǎng)中旋轉(zhuǎn)時(shí)，將產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。適當(dāng)選擇回路的方向，則感應(yīng)電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)有可能加強(qiáng)原來(lái)磁場(chǎng)，這樣便形成自激發(fā)電機(jī)。圓盤(pán)繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，電流系統(tǒng)持續(xù)工作。若在某一時(shí)刻，外核中存在一個(gè)初始的微弱磁場(chǎng)，稱(chēng)為“種子磁場(chǎng)”，那么，它有可能被自激發(fā)電機(jī)所加強(qiáng)并保持在一個(gè)具有較高強(qiáng)度的穩(wěn)定狀態(tài)，這就是我們觀測(cè)到的地球主磁場(chǎng)。均勻發(fā)電盤(pán)

2000年BruceA.Buffett在巨型計(jì)算機(jī)上的模擬結(jié)果：模擬結(jié)果演示能源問(wèn)題尚難定論；重要參數(shù)（如地核環(huán)流場(chǎng)強(qiáng)度、粘性）難以準(zhǔn)確估計(jì)；地核流動(dòng)狀態(tài)眾說(shuō)紛紜…發(fā)動(dòng)機(jī)理論和數(shù)值模擬需要發(fā)展完善自激發(fā)電機(jī)學(xué)說(shuō)地核的運(yùn)動(dòng)月球無(wú)磁場(chǎng)（現(xiàn)在）第六節(jié)古地磁學(xué)簡(jiǎn)介古地磁學(xué)是地磁學(xué)的一個(gè)分支，興起于20世紀(jì)世紀(jì)50年代，從60、70年代迅速發(fā)展。它是通過(guò)圈定巖石剩余磁化強(qiáng)度來(lái)研究史前地質(zhì)時(shí)期地磁場(chǎng)及其演化規(guī)律的一門(mén)學(xué)科。物理基礎(chǔ)是巖石磁性和地磁場(chǎng)軸向偶極子的假定。主要內(nèi)容巖石的磁性古地磁學(xué)的基本原理古地磁學(xué)的工作方法古地磁學(xué)的研究成果及其應(yīng)用物質(zhì)磁性帶電粒子運(yùn)動(dòng)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(lèi)：抗磁性、順磁性、鐵磁性巖石磁性抗磁性：1、本身沒(méi)有凈剩磁矩(1)各電子層中，電子成對(duì)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(chǎng)作用下，運(yùn)動(dòng)電子（軌道）受到羅倫茨力，繞外磁場(chǎng)旋進(jìn)，角速度ω的方向與H相同，產(chǎn)生的磁場(chǎng)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(wú)關(guān)；去掉外磁場(chǎng)，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(duì)稱(chēng)的電子，其自旋磁矩未被抵消，在作用下，轉(zhuǎn)向平行；2、無(wú)外磁場(chǎng)時(shí)，雜亂排列，不顯示磁性，有外磁場(chǎng)時(shí)，轉(zhuǎn)向，顯示順磁性。巖石磁性順磁性：與（絕對(duì)）溫度成反比（居里定律）發(fā)展了通過(guò)磁化率測(cè)定，確定原子磁矩的重要實(shí)驗(yàn)方法去掉外磁場(chǎng)，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(duì)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(méi)有外磁場(chǎng)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(chēng)為“磁疇”。巖石磁性鐵磁性磁化過(guò)程：（與外磁場(chǎng)關(guān)系，溫度不變）①無(wú)外磁場(chǎng)作用時(shí)，各磁疇的取向混亂，不呈磁性；②施加外磁場(chǎng)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；③當(dāng)外磁場(chǎng)增加時(shí)，磁疇的磁化方向都接近磁場(chǎng)的方向，外磁場(chǎng)繼續(xù)增加時(shí)，磁化方向趨于飽和，磁化強(qiáng)度不再增加；④如果減小外磁場(chǎng)直到零，磁化并不按原過(guò)程返回，而落后于外磁場(chǎng)變化，外磁場(chǎng)為零時(shí)，仍保留部分磁化強(qiáng)度（剩余磁化強(qiáng)度）。巖石磁性鐵磁性：在很弱的外磁場(chǎng)中就可以被磁化到飽和對(duì)已經(jīng)完全退磁的鐵磁樣品，在外磁場(chǎng)為零時(shí)，對(duì)外不顯現(xiàn)宏觀磁性溫度高于居里點(diǎn)時(shí)，鐵磁性順磁性鐵磁性的類(lèi)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(dāng)推鐵-鈦氧化物。地殼中純磁鐵礦少見(jiàn)，大多由不同比例的鐵、鈦、氧組成復(fù)雜的固熔體，它是典型的亞鐵磁性。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。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(wú)、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(qiáng)而增大；2.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；4.火成巖具有明顯的天然剩磁。(三).變質(zhì)巖：其磁性與原來(lái)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(guò)程中獲得的。由于巖石成份和形成過(guò)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(biāo)本測(cè)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

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(xué)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(chǎng)作用下，巖石從居里點(diǎn)以上溫度逐漸冷卻到居里點(diǎn)以下，在這個(gè)過(guò)程中受磁化所獲得的剩磁。巖石的剩余磁性熱剩磁的特點(diǎn)：強(qiáng)度大（在弱磁場(chǎng)中，熱剩磁比等溫剩磁強(qiáng)幾十至幾百倍）。熱剩磁的方向與外磁場(chǎng)一致。在弱磁場(chǎng)中熱剩磁的強(qiáng)度正比于外磁場(chǎng)感應(yīng)強(qiáng)度。熱剩磁主要在居里點(diǎn)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(shí)間長(zhǎng)）。巖石的剩余磁性化學(xué)剩余磁性：在一定磁場(chǎng)中，某些物質(zhì)在低于居里溫度的條件下，經(jīng)過(guò)相變和化學(xué)過(guò)程所獲得的剩磁。化學(xué)剩磁的特點(diǎn)：在弱磁場(chǎng)下，化學(xué)剩磁的強(qiáng)度正比于外磁場(chǎng)的感應(yīng)強(qiáng)度。在同樣的磁場(chǎng)中，化學(xué)剩磁的強(qiáng)度只有熱剩磁強(qiáng)度的幾十分之一?；瘜W(xué)剩磁有很高的穩(wěn)定性穩(wěn)定（磁性弛豫時(shí)間長(zhǎng)）。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(lái)的磁性。沉積剩磁的特點(diǎn)：對(duì)于球狀顆粒，沉積剩磁與外磁場(chǎng)同向。對(duì)于長(zhǎng)形顆粒，由于顆粒沉積后平躺，沉積剩磁的傾角較地磁場(chǎng)傾角小。沉積剩磁強(qiáng)度的大小與外磁場(chǎng)成正比。沉積巖中磁性物質(zhì)大多來(lái)源于火成巖，其原生磁性來(lái)自熱剩磁，比較穩(wěn)定。其強(qiáng)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(zhǎng)期處于地磁場(chǎng)作用下，原來(lái)定向排列的磁逐漸馳豫到地磁場(chǎng)方向上，所形成的剩磁。粘滯剩磁的特點(diǎn)：強(qiáng)度與時(shí)間的對(duì)數(shù)呈正比。隨溫度增高粘滯剩磁強(qiáng)度增大。巖石的剩余磁性等溫剩余磁性：在常溫沒(méi)有加熱情況下，巖石因受外部磁場(chǎng)的作用（如閃電等作用），獲得的剩磁稱(chēng)等溫剩余磁性。等溫剩磁的特點(diǎn)：不穩(wěn)定，其大小和方向隨外磁場(chǎng)變化。巖石的剩余磁性巖石剩磁的類(lèi)型與特點(diǎn)：原生剩磁:熱剩磁；化學(xué)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(guò)沉積作用和成巖作用兩個(gè)過(guò)程形成的，因而是沉積剩磁和化學(xué)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(xué)剩磁。巖石剩余磁性與古地磁學(xué)

古地磁研究是地磁學(xué)的一個(gè)重要方面。它是通過(guò)測(cè)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(lái)研究地質(zhì)史期和人類(lèi)文明史期的古地磁場(chǎng)方向、強(qiáng)度及其演變規(guī)律。它已發(fā)展成為地學(xué)中重要的一門(mén)分支學(xué)科——古地磁學(xué)。一、古地磁學(xué)的兩個(gè)基本前提穩(wěn)定的原生剩余磁化強(qiáng)度巖石的原生剩磁方向與巖石形成時(shí)的地磁場(chǎng)方向一致，且強(qiáng)度呈正比，所以研究巖石的原生剩磁就能推測(cè)巖石形成時(shí)的地磁場(chǎng)特征。古地磁學(xué)基礎(chǔ)2.軸向地心偶極子場(chǎng)假說(shuō)

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(diǎn)，如果測(cè)得古地磁巖石標(biāo)本原生剩磁的磁傾角I后，可由上式計(jì)算出巖石形成時(shí)的磁緯度，磁余緯度，再根據(jù)該點(diǎn)的剩磁偏角D，可計(jì)算出采樣地點(diǎn)的古地磁極的位置，這樣確定的磁極稱(chēng)為虛地磁極（VGP）。古地磁學(xué)基礎(chǔ)已知觀測(cè)點(diǎn)S地理經(jīng)緯度為(,),

地理北極GP、虛地磁極P和觀測(cè)點(diǎn)S三點(diǎn)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(cè)點(diǎn)測(cè)得標(biāo)本原生剩磁磁傾角I后，可由①式計(jì)算出巖石形成時(shí)的磁余緯度，再根據(jù)該點(diǎn)的剩磁偏角D，由②式計(jì)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(shí)古地磁場(chǎng)方向計(jì)算出的磁極位置。若在計(jì)算使用“足夠長(zhǎng)”時(shí)間地磁場(chǎng)方向的平均值，則計(jì)算出古地磁極。若將某一穩(wěn)定地塊上各地質(zhì)歷史時(shí)期的古地磁極位置繪在地理坐標(biāo)圖上，并連成一條曲線或一個(gè)帶，即為古地磁極移曲線。假定地塊固定，而認(rèn)為極在移動(dòng)，則它不是地磁極的真實(shí)運(yùn)動(dòng)，故稱(chēng)為視極移曲線。在作古地磁研究時(shí)，通常在每一觀測(cè)點(diǎn)采集不同年齡的系列標(biāo)本，且按以萬(wàn)年計(jì)算的間隔大致均勻分布，有時(shí)也可按幾百萬(wàn)年間隔計(jì)算。南美、非洲大陸的視極移曲線

通過(guò)測(cè)定巖石中的剩磁來(lái)確定古地磁場(chǎng)的強(qiáng)度。測(cè)量巖石剩磁最常用的儀器是旋轉(zhuǎn)磁力儀和超導(dǎo)磁力儀。古地磁場(chǎng)強(qiáng)度的測(cè)定在弱磁場(chǎng)中（與地磁場(chǎng)相當(dāng)）所產(chǎn)生的任何類(lèi)型剩磁強(qiáng)度與該磁化場(chǎng)成正比。設(shè)古地磁場(chǎng)強(qiáng)度為BP，天然剩磁的強(qiáng)度為Jn，在實(shí)驗(yàn)室里，將標(biāo)本在已知弱磁場(chǎng)BT中加熱后冷卻，獲得總熱剩磁JT。若自巖石形成以來(lái)其磁性沒(méi)有改變，利用正比規(guī)律，有：古地磁場(chǎng)強(qiáng)度的測(cè)定實(shí)際測(cè)量推算古地磁場(chǎng)強(qiáng)度的過(guò)程遠(yuǎn)比這復(fù)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(gè)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(chǎng)強(qiáng)度值，俗稱(chēng)特利埃法。古地磁場(chǎng)強(qiáng)度的測(cè)定古地磁研究最基本的工作是確定巖石的剩磁方向和強(qiáng)度，包括下列幾項(xiàng)工作：采集古地磁標(biāo)本剩余磁性測(cè)定剩余磁性穩(wěn)定性的檢驗(yàn)及原生剩磁的判定數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)整理等工作古地磁學(xué)的工作方法一、標(biāo)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(biāo)本。對(duì)于天然剩磁不太強(qiáng)的巖石露頭可用一般羅盤(pán)定向。而對(duì)于那些天然剩磁比較強(qiáng)的巖石露頭，需要用太陽(yáng)羅盤(pán)定向。如果收集的巖石標(biāo)本是經(jīng)過(guò)變形的（如傾斜層如傾斜層），則還要標(biāo)出由層理指示的原始水平面。一個(gè)采樣單元應(yīng)有一定數(shù)量的采樣點(diǎn)，這些采樣點(diǎn)的位置應(yīng)盡可能均勻分布于該單元巖層所代表的整段時(shí)代。每一個(gè)采樣點(diǎn)要采集幾個(gè)標(biāo)本,每塊標(biāo)本又要加工成幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)尺寸的樣品。這樣測(cè)得的樣品天然剩磁盡可能減小由層面產(chǎn)狀定向、標(biāo)本定向、標(biāo)本各向異性及樣品加工過(guò)程中產(chǎn)生的誤差。二、剩余磁性的測(cè)定測(cè)量巖石剩磁最常用的儀器是旋轉(zhuǎn)磁力儀和超導(dǎo)磁力儀。熱退磁、交變退磁。三、剩余磁性穩(wěn)定性的檢驗(yàn)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(qiáng)的穩(wěn)定性。穩(wěn)定的剩余磁性也可能是后來(lái)獲得的。剩磁穩(wěn)定性檢驗(yàn)包括野外檢驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)室檢驗(yàn)。野外檢驗(yàn)可通過(guò)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(lái)進(jìn)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(dòng)相應(yīng)的角度，使巖層恢復(fù)水平位置）后，天然剩磁的方向變?yōu)橐恢?，說(shuō)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(shí)驗(yàn)室熱退磁法是將巖樣放在無(wú)磁空間通過(guò)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(wú)磁空間將巖樣放在交變磁場(chǎng)中，選擇一個(gè)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(lái)的剩磁是由矯頑，樣品中保留下來(lái)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?yàn)榛鸪蓭r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(qiáng)的交變磁場(chǎng)。沉積巖中常見(jiàn)的赤鐵礦的矯頑力有時(shí)高，產(chǎn)生強(qiáng)的交變磁場(chǎng)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(xué)剩磁，但獲得的時(shí)間可能不同。熱退磁和交變退磁無(wú)法將它們分離開(kāi)來(lái)，這時(shí)可用化學(xué)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(lái)。四、數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)整理

首先求出統(tǒng)計(jì)單元的剩磁平均方向。剩余磁化強(qiáng)度矢量可以使用標(biāo)準(zhǔn)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(chǎng)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(diǎn)的古緯度及其古地磁極位置。古地磁強(qiáng)度的研究古地磁學(xué)的研究成果及其應(yīng)用近萬(wàn)年來(lái)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(qiáng)度的研究古地磁學(xué)的研究成果及其應(yīng)用在二十五億年前地核就已形成，且有足夠大小古地磁場(chǎng)的平均性質(zhì)古地磁學(xué)的研究成果及其應(yīng)用現(xiàn)代地磁場(chǎng)的基本場(chǎng)是地心偶極子場(chǎng)，地磁軸與地理軸相交11.5度，即現(xiàn)代地磁場(chǎng)不是軸向場(chǎng)。古地磁場(chǎng)是軸向地心偶極子場(chǎng)。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(shí)地磁場(chǎng)的方向，深海沉積的速度極為緩慢，約1-10毫米／千年。所以長(zhǎng)10m的海底沉積物記錄著幾百萬(wàn)年的地磁場(chǎng)歷史。由于從巖芯上取下來(lái)的測(cè)試樣品幾毫米的長(zhǎng)度，就代表了幾千年的沉積過(guò)程，它的剩磁方向是幾千年的平均方向，就是說(shuō)地磁場(chǎng)的長(zhǎng)期變化被平均掉了。上圖是測(cè)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(jì)算的理論傾角吻合很好，說(shuō)明2Ma年以來(lái)地磁場(chǎng)仍具軸向偶極子場(chǎng)的特征。對(duì)世界兩千萬(wàn)年（第三紀(jì)中新世以來(lái)）來(lái)火山巖的觀測(cè)結(jié)果，求得一千多個(gè)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(wàn)年來(lái)古地磁場(chǎng)是軸向地心偶極子場(chǎng)。同一時(shí)間地球就只有一個(gè)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(guò)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(dòng)和移動(dòng)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(shí)代。古地磁場(chǎng)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(huà)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(shì)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(dòng)，按照大陸架的形態(tài)，將美洲大陸向東移動(dòng)，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(yáng)鑣了。這一古地磁研究成果證明，南美大陸在古生代時(shí)是連在一起的，當(dāng)時(shí)并不存在大西洋。中生代（侏羅紀(jì)）開(kāi)始分裂，南美大陸向西漂移，并兼有順時(shí)針?lè)较虻男D(zhuǎn)，形成了現(xiàn)今兩大陸的分布狀態(tài)。

地球磁場(chǎng)極性反轉(zhuǎn)

地磁場(chǎng)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(guó)首次發(fā)現(xiàn)了反向磁化反向磁化（與現(xiàn)代地磁場(chǎng)方向相反的巖石）。三十年代，松山發(fā)現(xiàn)日本第三紀(jì)以后的巖石約50％是反向磁化。這是由于地磁場(chǎng)在地質(zhì)時(shí)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(shuō)明地磁場(chǎng)具有任一極性的幾率是相等的。地質(zhì)學(xué)上的應(yīng)用古緯度的應(yīng)用古地磁學(xué)的研究成果及其應(yīng)用各時(shí)代油田的古緯度和現(xiàn)緯度對(duì)各時(shí)代的油田來(lái)說(shuō)，當(dāng)古緯度大于40o時(shí)，發(fā)現(xiàn)的機(jī)會(huì)很小，古緯度超過(guò)60o時(shí)，幾乎沒(méi)有希望。研究地質(zhì)構(gòu)造變動(dòng)古地磁學(xué)的研究成果及其應(yīng)用巖石形成時(shí)獲得原生剩磁以后，如果發(fā)生構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，致使處于構(gòu)造不同部位的巖石之間改變了它們生成時(shí)期的相對(duì)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(cè)定現(xiàn)代處于構(gòu)造各個(gè)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(duì)變化的規(guī)律，就可以反過(guò)來(lái)推斷和驗(yàn)證該構(gòu)造運(yùn)動(dòng)發(fā)生的方式和方向。郯城—廬江深大斷裂，多數(shù)學(xué)者認(rèn)為它是左旋平移斷層。但是，對(duì)平移的時(shí)間和距離，卻有不同的看法。對(duì)斷裂帶東西兩側(cè)的寒武紀(jì)、侏羅紀(jì)地層進(jìn)行的古地磁測(cè)量。斷裂帶東側(cè)，復(fù)縣早寒武世磁偏角338°

，五蓮?fù)碣_世磁偏角7°，說(shuō)明后者相對(duì)者順時(shí)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(shí)針旋轉(zhuǎn)25°。上述表明，斷裂帶兩側(cè)地殼各自有獨(dú)立的運(yùn)動(dòng)方式，至少在侏羅紀(jì)前，兩側(cè)地層已發(fā)生過(guò)相對(duì)運(yùn)動(dòng)。研究巖石年代如果掌握了地磁場(chǎng)隨時(shí)間的變化規(guī)律，就能用它提供巖石年齡的資料。但由于長(zhǎng)期變化、次生磁化、構(gòu)造變動(dòng)等因素對(duì)剩磁測(cè)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(cè)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(cè)定，這時(shí)古地磁方法起一定作用。目前用古地磁確定巖石時(shí)代的方法有以下幾種：①利用長(zhǎng)期變化對(duì)比巖層的時(shí)代。②利用剩磁平均方向?qū)Ρ葞r層時(shí)代。③利用視極移路線對(duì)比巖層的時(shí)代。④利用極性倒轉(zhuǎn)對(duì)比巖層時(shí)代。地球的變化磁場(chǎng)（地磁場(chǎng)的短期變化）是指地磁場(chǎng)中隨時(shí)間變化較快的那部分磁場(chǎng)。主要起因：地球外部各種電流體系分類(lèi)：①平靜變化②擾動(dòng)變化地磁場(chǎng)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(dòng)變化，偶然發(fā)生，短暫而復(fù)雜，變化幅度可以很強(qiáng)烈，也有很小。變化磁場(chǎng)的獲得地球變化磁場(chǎng)大小可定義為地磁場(chǎng)強(qiáng)度的實(shí)測(cè)值和它的月均值或年均值的差值。地磁場(chǎng)短期變化（1）平靜變化太陽(yáng)日變化和太陰日變化（很小，忽略）太陽(yáng)日變化24小時(shí)為一周期地磁日變地磁場(chǎng)短期變化太陽(yáng)日變化平均變化幅度為幾納特至幾十納特24小時(shí)為一周期；變化依賴(lài)地方時(shí)，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(lài)于地方太陰時(shí)；半個(gè)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(shí)刻在一個(gè)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(chēng)磁暴）：無(wú)周期，變化范圍大，（磁暴往往是全球性的，持續(xù)時(shí)間為幾小時(shí)～幾天

）。地磁脈動(dòng)：地磁場(chǎng)的微擾變化，具有準(zhǔn)周期擾動(dòng)變化地磁脈動(dòng)地電場(chǎng)大地電場(chǎng)：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(yīng)電場(chǎng)

自然電場(chǎng)：是地殼中的某些物理、化學(xué)作用引起的電場(chǎng)

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

R<<接地電阻矢量觀測(cè)：xyz

由于MN見(jiàn)的電場(chǎng)信號(hào)微弱，一般取MN較大，為了減少干擾信號(hào)，要求R很大大地電磁場(chǎng)的極化現(xiàn)象

大地電場(chǎng)的變化可分為兩大類(lèi)：一類(lèi)是地電場(chǎng)的平靜變化，另一類(lèi)是地電場(chǎng)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(chǎng)不僅幅度隨時(shí)間變化，方向也是不斷改變的。在某段時(shí)間內(nèi)，如果將在南北和東西兩個(gè)方向測(cè)得的電場(chǎng)之合成矢量端點(diǎn)連成一條曲線，當(dāng)該曲線近似成一條直線時(shí)，則稱(chēng)為線性極化；不規(guī)則時(shí)稱(chēng)為非線性極化。大地電場(chǎng)的分類(lèi)大地電場(chǎng)平靜變化電場(chǎng)干擾變化電場(chǎng)靜日地電日變化場(chǎng)（周期為1天）高頻地電變化（周期為0.0001—1秒）地電脈動(dòng)（周期為0.2—1000秒）地電灣擾（沒(méi)有周期性，變化時(shí)間1—3小時(shí)擾日地電變化（周期為1天）地電暴（獨(dú)特形式，變化時(shí)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(dòng)大地電場(chǎng)的起源地電變化

引起場(chǎng)源地電日變化：1、靜日地電日變化2、擾日地電日變化地電日變化的場(chǎng)源是分布在電離層中的電流系。靜日地電日變化的電流系主要分布在中、低緯度區(qū)的上空，高度為100km。擾日地電日變化的場(chǎng)源主要分布在高緯度地區(qū)的上空，高度為300公里高頻地電變化對(duì)流層中的雷電產(chǎn)生，主要分布在赤道上空8公里地電脈動(dòng)太陽(yáng)輻射的帶電粒子一方面繞著地磁場(chǎng)的磁力線運(yùn)動(dòng)，另一方面還沿著磁力線的方向在兩極之間往返振蕩，帶電粒子的這種運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的電磁效應(yīng)是電磁脈動(dòng)的場(chǎng)源地電灣擾地電暴由太陽(yáng)輻射產(chǎn)生的高速帶電粒子流，在電磁場(chǎng)作用下，在高度約為300km的極區(qū)電離層形成電流系，并在距離地心約5～7個(gè)地球半徑的遠(yuǎn)處形成一個(gè)赤道電流環(huán)，它們分別是地電灣擾和地電暴的場(chǎng)源1、形態(tài)特性

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