应用地磁学课1

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1、1 第一章 地球的磁场 ?地磁场：地球周 围存在的磁场。 ?宏观上看，地球 磁场与位于球心 的磁偶极子磁场 相似； 11.5 第一章 地球的磁场 ?地磁场有两个磁极，其S极位于地理北 极附近，N极位于地理南极附近，但不 重合，磁轴与地球自转轴的夹角现在约 为11.5度，1980年实测的磁北极位于 北纬78.2度、西经102.9度（加拿大北 部），磁南极位于南纬65.5度，东京 139.4度（南极洲）。 ?长期观测证实，地磁极围绕地理极附近 进行着缓慢的迁移。 ?受 地 磁 场 作 用 ， 磁 针 的 变 化 第一章 地球的磁场 ?地磁场： ?在任意点, 地磁场有大小和方向，它们 都是可测量的.

2、 ?描述地磁场大小和方向的物理量，称作 地磁要素地磁要素 2 1、地磁要素及其分布 （一）地磁要素 在直角坐标系下，地磁要素有(7个)： ?磁偏角D、 ?磁倾角I、 ?总磁场强度T、 ?垂直磁场强度Z、 ?水平磁场强度H 、 ?H?水平X分量(北向分量)、 ?H?水平Y分量(东向分量) 直角坐标系的定义： ?以测点为坐标原点 ?X轴指向地理北 ?Y轴指向地理东 ?Z轴垂直指向地心 各地磁要素的定义： ?T ?H ?X ?Y ?Z ?I ?D 地磁要素互换关系 cosHTI= cosXHD= sinZTI= sinYHD= 22222 THZXYZ=+=+ tan Z I H =tan Y D

3、X = ()TXiYjZk=+ ? （二）地磁场的组成 ?地磁场:基本磁场、变化磁场 和磁异常三个部分组成 3 （二）地磁场的组成 ?基本磁场?中心偶极子磁场 和大陆磁场组成 ?基本磁场?来源地球内部， 占地磁场主要部分(98%以上) （二）地磁场的组成 ?变化磁场?主要指短期变化磁 场，来源地球外部，占地磁场 1%以下 ?磁异常?主要指地壳浅部具有磁 性的岩石或矿石所引起的局部磁 场，它叠加在基本磁场之上。 （二）地磁场的组成 ?正常场和异常场的概念 ?测量地磁场中，研究对象所产生的 磁场称作磁异常，其他部分称作正 常场，或称背景场，也称基准场。 ?正常场和异常场是相对的概念 （三）地磁图

4、?地磁场是空间和时间的函数 ?需要实际测量 （三）地磁图 ?实际测量方式： ?（1）固定点上连续测量?地磁 台 ?（2）野外测点间断测量 （三）地磁图 ?地磁要素随时间变化?所以，将不 同时刻观测数据归算到某一特定日期 （1月1日0时0分），称作通化通化。 ?所成的地磁要素等值线图?地磁图地磁图 4 （三）地磁图 ?首先是天文学家哈雷于1701 年编成 了大西洋地磁偏角图； ?一百多年后，地磁场水平分量和总强 度的等值线图于1827 年问世. 基本磁场总强度T 基本磁场水平强度H基本磁场垂直强度Z 基本磁场磁倾角I基本磁场磁偏角D 5 地磁场是空间和时间的函数 ?地磁场各要素随空间变化情况 （

5、体现出偶极子场特点） 地磁场是空间和时间的函数 ?地磁场各要素随时间变化情况 变化磁场 （四）变化磁场 ?分两类： ?长期变化:由内部场源引起的缓慢的变 化，如磁极倒转、磁极漂移； ?短期变化:来源于地球外部场源引起的 变化，如地磁日变、磁暴。 地磁场的长期变化 ?通过世界各地地磁台长期连续观 测进行研究 ?通过古地磁研究 6 400年来磁倾角的变化地磁场的长期变化 ?近几百年数据的统计分析： ?（1）地球磁矩的衰减变化 ?（2）地球磁场向西漂移 地磁场的长期变化 ?1、地球磁矩的衰减变化 ?近1000 年来，地磁场偶极矩大约 减小了25 % ?其中，17 %是近400 年来减小的. 地磁场的

6、长期变化 ?1835年地球磁矩（高斯计算） 为8.5x1022Am2 ? 1900年为8.32x1022Am2 ? 1980年为7.91x1022Am2 ? 2000年为7.78x1022Am2 地磁场的长期变化 ?1835年地球磁矩（高斯计算）为 8.5x1022Am2 ? 1900年为8.32x1022Am2 ? 1980年为7.91x1022Am2 ? 2000年为7.78x1022Am2 ?两千年后，接近0！ ? 磁极倒转(?) 磁极倒转 ?古地磁研究已证实地球存在磁极倒转现象。 ?在测定岩石的剩余磁性时，发现相当一批岩 石的磁化方向与现在的地磁场方向相反，于 是就推测地磁场发生了18

7、0的改变，原来 的磁北极转变为磁南极，磁南极则变成了磁 北极。这种现象被称为地磁极倒转或地磁场 翻转。 ?事实证明，在地球历史上确实发生过这种变 化，而且还一再地发生。 7 磁极倒转 ?磁极倒转的有力证据?海洋磁条带异常 ?从1940s开始，由于军事上的需要对海底磁 场进行了系统的观测?发现以大洋脊为中 心，两侧对称地交替分布着正磁极性(磁极与 现代的一致)与反磁极性(磁极与现代相反)的 两类岩石；离扩张中心越远，岩石年龄越老. 为地球科学中的板块构造理论的出现，提供 了重要的依据。 磁极倒转 ?地磁场极性倒转的发现极大地推动了古 地磁学的发展 ?在全球广泛开展了对火山岩、沉积岩、 海底和湖底

8、沉积的古地磁测量. ?黄土沉积的古地磁研究具有我国独有的 特色 ?由此产生的“地磁极性年表地磁极性年表”，为地质 学提供了一个独立的时间标尺时间标尺. 地磁极倒转 地球内部的时钟 磁极倒转 ?随着取得的资料增多，建立的地磁年代表地磁年代表以 不同时期地磁极翻转为主要特征： ?一种地磁极性期平均可持续22万年，短的仅 持续3万年，长的可达500万年。 ?每次磁极倒转过程仅持续数百年数百年到上千年上千年， 此时表现为磁场强度大幅度减弱，磁极缓慢 转动，直到完全翻转，才达到稳定。 地磁场的长期变化 ?2、地球磁场的向西漂移 地磁场的长期变化 ?2、地球磁场的向西漂移 ?Halley 在300 多年前

9、就已经注意到 的地磁场西漂现象；（后来通过对地 磁图的研究，比较容易发现） ?目前,人们普遍承认的西漂速度是每年 约0. 18，周期约600年 ?地磁场除了西漂外,还有更缓慢的北漂. 8 地磁场短期变化地磁场短期变化 ?主要起因： 地球外部各种电流体系 ?两类： （1）平静变化 （2）扰动变化 地磁场短期变化 ?变化特征： ?（1）平静变化，周期性的变化，平缓 有规律； ?（2）扰动变化，偶然发生，短暂而复 杂，变化幅度可以很强烈，也有很小。 （1）平静变化 ?太阳日变化和太阴日变化（很小，忽略） ?太阳日变化24小时为一周期?地磁日变 地磁日变 ?24小时的周 期变化与地 球相对太阳 的自旋

10、有关 ?高空电离层中 的涡旋电离体 系，很可能就 是主要场源。 9 地磁日变 ?平均变化幅度为几纳特至几十纳特 ?特点特点： ?24小时为一周期； ?变化依赖地方时地方时，同一磁纬度，变化形态和 幅值很相似；同一经度不同纬度，变化差异 很大； ?白天变化大，夜晚变化小； ?夏季的变化幅度大，冬季的幅度最小，春秋 居中 （2）扰动变化 ?分磁扰和地磁脉动 ?磁扰（幅度大的称磁暴）：无周期，变化 范围大，（磁暴往往是全球性的）； （2）扰动变化 ?分磁扰和地磁脉动 ?磁扰 ?地磁脉动：地磁场的微扰变化，具有准周期地磁脉动：地磁场的微扰变化，具有准周期 （五）地磁场起源（参考） ?地球磁场起源问题一

11、直是一个没有解决的 重大地球物理难题。 ?大量的地磁资料，丰富的地磁现象强烈地 吸引着长于理性思维，爱好寻根问底的数 学家、物理学家 ?地球磁场：令科学家着迷 10 （五）地磁场起源 ?爱因斯坦说：地球磁场起源是物 理学上最困难的问题之一！ （五）地磁场起源 ?从1600年英国人吉尔伯特（Gilbert）提出 （假说）：地球磁场起源与地球内部，像个永 久磁铁； ?1839年,德国著名数学家Gauss 把位场理论 用于地磁场研究，从而奠定了近代地磁学的数 学基础； ?Gauss 的计算指出,地磁场主要起源于地球内 部. 这一结论看起来与200多年前Gilbert 的 猜想不谋而合,但Gauss

12、的结论是依据严格的 位场理论的,是对Gilbert假说的物理证明. （五）地磁场起源 物理学家不满足于“地磁场起源于地球内部”这 一简单论断,他们更感兴趣的是: ?“地球内部”究竟是什么地方? ?那里的物质处于怎样的物理状态? ?发生着怎样的物理过程? ?人类怎样认知发生在这些不可到达地区的 过程? ?类似的过程是否在其他天体内部也存在? （五）地磁场起源 ?从1600年英国人吉尔伯特提出永久磁化 理论400多年来，至少有10多种地磁起 源假说或理论问世，但大多数假说还没来 得及发展就被放弃。 ?目前，只有地核发动机理论地核发动机理论得到普遍承认 和深入研究。 （五）地磁场起源 ?对地磁场起源

13、理论的基本要求?物理上合理： 符合电磁学、力学、热力学等基本规律； ?回答地磁场基本问题? （五）地磁场起源 ?地磁场基本问题 （1）为什么地球会有磁场？ （2）为什么地磁场会长期存在（至少为地球年 龄的70%）？ （3）为什么地磁场中偶极子场占优势？ （4）为什么地磁场长期缓慢变化，而变化又不 大？ （5）为什么平均地磁轴与地球自转轴相吻合？ 11 （五）地磁场起源 ?地磁场基本问题 （6）为什么地磁场极性会倒转？ （7）为什么地磁场倒转频率很大？ （8）为什么没有占优势极性？ 等等 ?一个成功的地磁场起源理论 ?回答这些问题； ?不仅解释过去，还要预言未来地磁场趋势 （五）地磁场起源 ?为

14、什么其它一些行星、卫星也有磁 场？这些磁场是否可以用统一机制来 解释？ ?为什么太阳有磁场、月球无磁场？ （五）地磁场起源 ?主要地磁起源理论： 磁化理论；感应理论；电流理论； 波动理论； 发动机理论 （五）地磁场起源 ?永久磁化理论（吉尔伯特，吉尔伯特，1600）： 根据地球表面磁场类似一个地心磁偶 极子产生的磁场?永久磁化理论 因为：均匀磁化球体=中心磁偶极子 （五）地磁场起源 ?永久磁化理论（吉尔伯特，吉尔伯特，1600） 问题：?地球的平均磁化强度应为 80A/m，达到天然岩石的上限 ?20km30km以下地温达到居里点 （约600度），失去磁性，所以?地壳 岩石磁化强度高达600A/

15、m （完全不可能！）（完全不可能！） （五）地磁场起源 ?巨体旋转理论（布莱克特，1947） ?他注意到，地球、太阳和室女星座 78号星的磁矩与转矩之比很接近 12 （五）地磁场起源 ?巨体旋转理论（布莱克特，1947） ?存在未知的物理定律： ?巨大天体具有机械转矩与磁矩成正比。 依次说明地磁场的起源。 ?为此，他专门设计了无定向磁力仪，测 量随地球转动的纯金球的微弱磁场，实 验结果否定。 （五）地磁场起源 ?磁暴感应理论（查特里，1956） ?磁暴经常发生，起源于磁层环电流。 ?他认为：磁暴的反复发生，形成了地 磁场。 ?问题：磁层环电流是由于地磁偶极子场 存在产生的； ?即使不考虑它，要

16、形成今天这样的地磁 偶极子场，需要100亿年以上（地球只 有50多亿年）。 （五）地磁场起源 ?旋转电荷理论（1900） ?漂移电流理论（1955） ?残余电流自由衰减理论（1883） ?热电效应理论（1939） ?电池效应（1958，1990） ?地核发动机理论（1919，1946，1949） ?太阳磁场 ?1919年拉 莫尔提出天 体磁场起源 的发动机假 说，像太 阳这样的旋 转天体怎样 成为磁性 体？ ?地 核 的 运 动 （五）地磁场起源 ?地 核 发 动 机 理 论 13 ?2000年Bruce A. Buffett在巨型计 算机上花了2000 多小时（复杂的 偏微分方程组， 在给定边界条件 和初始条件下， 求解地核内地磁 场、速度场、密 度场、温度场等 的变化），得到 模拟结果： （五）地磁场起源 ?存在的问题： ?能源问题尚难定论； ?重要参数（如地核环流场强度、粘性）难 以准确估计； ?地核流动状态众说纷纭，等等 ?发动机理论和数值模拟需要发