地球的电磁性质要点

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1、地球的电磁性质地球的电磁性质地震科学系武晔 基本概念基本概念 地球磁场的高斯球谐分析地球磁场的高斯球谐分析 地球磁偶极场地球磁偶极场 地球磁场的长期变化地球磁场的长期变化 地球磁场的成因解释地球磁场的成因解释 地磁测深地磁测深 电磁测深电磁测深内容提要内容提要基本概念基本概念1.1.地球电性地球电性2.2.地球电导率和视电阻率地球电导率和视电阻率3.3.地球内部电流地球内部电流4.4.地球磁矩地球磁矩5.5.地球磁场强度地球磁场强度6.6.地磁场正常与异常地磁场正常与异常7.7.地磁要素与地磁场模式地磁要素与地磁场模式2006.9.82006.9.8WUYeWUYe基本概念基本概念- -地球电

2、性地球电性2006.9.82006.9.8WUYeWUYe 地电，或做为地下电流、或做为地球电性的简称。地球电性分布，一般指电导率或电阻率随深度的分布。基本概念基本概念- -地球电导率地球电导率 电阻率的倒数是电导率。电阻率的单位是电阻率的倒数是电导率。电阻率的单位是m(m(欧姆欧姆米米) )。电导率的单位是。电导率的单位是S/m(S/m(西门子西门子/ /米米) )。 基本概念基本概念- -视电阻率视电阻率1 1、计算表达式、计算表达式 在直流方法中，由供电电极在直流方法中，由供电电极A A、B B输入地下电流，并测量其电流大小输入地下电流，并测量其电流大小( (I)I)，又测量又测量A A

3、，B B之间的两个电极的电位差之间的两个电极的电位差( (V)V)，则可由下式计算电阻率则可由下式计算电阻率在电磁测深中，视电阻率由电性阻抗在电磁测深中，视电阻率由电性阻抗Z Z决定，决定，Z Z又由互相正交的电场又由互相正交的电场E E和磁场和磁场H H算出，如某个分量算出，如某个分量p pijij，可由下式表示可由下式表示i i、j j表示互相垂直的两个方向。式中表示互相垂直的两个方向。式中T T为为为为周期。周期。 2 2、规律及定义、规律及定义 在直流方法中，供电电极间隔越大，电流分布越深；在电磁测深方法中，周期越在直流方法中，供电电极间隔越大，电流分布越深；在电磁测深方法中，周期越大

4、，电磁场的穿透也深。大，电磁场的穿透也深。由于岩石电阻率是不均匀的，所得结果既不是浅层岩石由于岩石电阻率是不均匀的，所得结果既不是浅层岩石的电阻率，也不是深层岩石的电阻率，而是它们的综合反映。为了与真电阻率相的电阻率，也不是深层岩石的电阻率，而是它们的综合反映。为了与真电阻率相区别，称之为视电阻率。区别，称之为视电阻率。视电阻率不应理解为各介质层电阻率的平均值，因为它视电阻率不应理解为各介质层电阻率的平均值，因为它可以大于最高的介质电阻率。可以大于最高的介质电阻率。基本概念基本概念- -地球内部电流地球内部电流 地下电流受太阳活动、极光和地磁场等因素影响，地下电流受太阳活动、极光和地磁场等因素

5、影响，其大小和方向是变化的。不存在稳定的、单向的电流。其大小和方向是变化的。不存在稳定的、单向的电流。本章还要讲到与地磁场成因有关的地核内的本章还要讲到与地磁场成因有关的地核内的“感应电流感应电流”，虽然称为电流，实际并未观测到，只是一种假说。，虽然称为电流，实际并未观测到，只是一种假说。 基本概念基本概念- -地球磁矩地球磁矩 如一根磁针，它的磁性集中在两端如一根磁针，它的磁性集中在两端( (磁极磁极) )，两极的强度，两极的强度m m与两与两极的距离极的距离2 2l l之乘积为磁矩：之乘积为磁矩：在国际单位制中，磁极强度的单位为在国际单位制中，磁极强度的单位为Am(Am(安培安培米米) )

6、，相应，相应的磁矩单位为的磁矩单位为AmAm2 2( (安培安培米米2 2) )。其中，磁距曾用绝对电磁单。其中，磁距曾用绝对电磁单位位( (emuemu) )，它与国际制单位的关系是：它与国际制单位的关系是：1 1AmAm2 2=10=103 3emu.emu.基本概念基本概念- -地球磁场强度地球磁场强度 磁场强度磁场强度 在磁矩的周围产生磁场，它可以用单位磁极所受在磁矩的周围产生磁场，它可以用单位磁极所受的力来表示磁场的大小，即的力来表示磁场的大小，即 因磁极强度因磁极强度mm的单位为的单位为A Amm，故磁场故磁场B B的单位为的单位为N N/(/(A Amm) )。磁场也可以用电流周

7、围的场来描述。电流在它附近每一点产生磁场也可以用电流周围的场来描述。电流在它附近每一点产生磁化场磁化场H H，它的大小由下式决定，它的大小由下式决定 基本概念基本概念- -地磁场正常场与异常场地磁场正常场与异常场 地磁地磁场场场场的正常的正常场场场场和异常和异常场场场场 与地球重力与地球重力场场场场等其它物理等其它物理场场场场一一样样样样，地磁，地磁场场场场亦可分成正常亦可分成正常场场场场与异常与异常场场场场两部分。例如，地磁两部分。例如，地磁场总场总场总场总 强强度度可以写成：可以写成： 其中其中F F0 0是地磁是地磁场场场场的主要部分，可以用一个均匀磁化球体的磁的主要部分，可以用一个均匀

8、磁化球体的磁场场场场( (或称偶极磁或称偶极磁场场场场) )表示，其中表示，其中F F1 1表示大表示大陆陆陆陆异常，它出异常，它出现现现现在广大在广大区区域内，其分布与大域内，其分布与大陆陆陆陆相关，面相关，面积积积积达几千平方公里，达几千平方公里，F F2 2表示区表示区域域异常，它与构造异常，它与构造单单单单元有关，面元有关，面积为积为积为积为 几十至几百平方公里，几十至几百平方公里，F F3 3表表示局部异常，示局部异常，仅仅仅仅与小构造和与小构造和矿矿矿矿床分布有关，面床分布有关，面积积积积不不过过过过几至几十几至几十平平方公里。方公里。 基本概念基本概念- -地磁要素地磁要素 地磁

9、场地磁场( (习惯上用习惯上用F F表示表示) )是向量场，由三个是向量场，由三个“要素要素”才能确才能确切描述它在地面任一点的方向和大小。有几种办法选定三要素。切描述它在地面任一点的方向和大小。有几种办法选定三要素。一种办法是取一种办法是取垂直分量垂直分量Z Z，水平分量水平分量HH和磁偏角和磁偏角D D。D D是水平分量是水平分量的方向的方向( (即磁北即磁北) )和地理北之间的夹角。另一种办法是取总场强度和地理北之间的夹角。另一种办法是取总场强度 F F，它对水平面的倾角它对水平面的倾角I I和磁偏角和磁偏角D D。第三种办法是取地磁场的第三种办法是取地磁场的北北分量分量X X，东分量东

10、分量Y Y和垂直向下分量和垂直向下分量Z Z。 X X、Y Y、Z Z、D D、I I、HH及及F F，都是地磁要素。它们之间的关系可都是地磁要素。它们之间的关系可以从下图建立起来。利用以下关系式，可以一组三要素换算成另以从下图建立起来。利用以下关系式，可以一组三要素换算成另一组三要素：一组三要素： 在上述七个要素中，只有三个是独在上述七个要素中，只有三个是独立的。如果知道其中任意三个，那立的。如果知道其中任意三个，那么其余四个也可以计算出来。在一么其余四个也可以计算出来。在一般地磁台上，直接由仪器般地磁台上，直接由仪器记录的要素通常是记录的要素通常是H H、Z Z、D D。在航在航空磁测和卫

11、星磁测中，通常是测空磁测和卫星磁测中，通常是测F F。基本概念基本概念- -地磁场模式地磁场模式 表达地磁场的模式有三种，表达地磁场的模式有三种，1 1、球谐模式球谐模式；用球谐级数表示地磁场分布；用球谐级数表示地磁场分布；2 2、偶极子模式偶极子模式；用若干个偶极子表示地磁场分布；用若干个偶极子表示地磁场分布；3 3、电流环模式。电流环模式。 用若干电流环表示地磁场分布。用若干电流环表示地磁场分布。基本概念基本概念- -地磁场模式地磁场模式 三种模式比较：三种模式比较：1 1、球球谐谐谐谐分析是最常用的方法分析是最常用的方法，但，但球球谐谐谐谐模式不能反映地磁模式不能反映地磁场场场场埸源埸源

12、的的实际实际实际实际 状况，状况，这这这这是球是球谐谐谐谐分析方法的不足之分析方法的不足之处处处处。 2 2、偶极子模式和偶极子模式和电电电电流流环环环环模式有助于模式有助于阐阐阐阐明地磁明地磁场场场场及其及其长长长长期期变变变变化的化的起源。起源。 3 3、目前，偶极子模式不仅可以表示全球范围的地磁场及长期变、目前，偶极子模式不仅可以表示全球范围的地磁场及长期变化，而且也可以表示地球上某一局部地区的相应分布。化，而且也可以表示地球上某一局部地区的相应分布。地球磁场的球谐分析地球磁场的球谐分析1.1.高斯球谐分析高斯球谐分析2.2.国际地磁参考场国际地磁参考场及相及相应应应应的球的球谐谐谐谐系

13、数分析系数分析 3.3.磁偏图和磁倾图磁偏图和磁倾图地球磁场的球谐分析地球磁场的球谐分析- -高斯球谐分析高斯球谐分析1 1、磁位概念及一阶项的物理意义、磁位概念及一阶项的物理意义假定地面附近不存在磁性物质，则地磁场可由满足拉普拉斯方程的磁位假定地面附近不存在磁性物质，则地磁场可由满足拉普拉斯方程的磁位函数函数V V，导出，即导出，即在地心球极坐在地心球极坐标标标标系中，上式的解系中，上式的解为为为为： . 在地磁学中，使用在地磁学中，使用 和和 很方便，因为它们具有磁场量纲，很方便，因为它们具有磁场量纲，且是介于且是介于0 0和和1 1之间的数。式中没有之间的数。式中没有n n=0=0那一项

14、，这是因为地球内部没有磁单那一项，这是因为地球内部没有磁单极子。极子。a a为平均地球半径，为平均地球半径，r r为球心至观测点距离，为球心至观测点距离，和和分别为观测点的分别为观测点的余纬和经度。余纬和经度。 和和 对应球外源，对应球外源，(1(1 ) )和和(1 (1 ) )对应球内源，对应球内源，通常，取通常，取地球磁场的球谐分析地球磁场的球谐分析- -高斯球谐分析高斯球谐分析这里这里的的g g和和h h称为高斯系数或球谐系数称为高斯系数或球谐系数。当忽略球外源，即取。当忽略球外源，即取 = = =0=0时时，(6-11)(6-11)式变成如下简单形式：式变成如下简单形式：（6 6121

15、2）（6 61313） 取地面取地面 r r= =a a ，并取磁位，并取磁位V V的的一阶项一阶项，即即n n=1=1，mm=0=0，1 1，则上式写成则上式写成（6 61414）地球磁场的球谐分析地球磁场的球谐分析- -高斯球谐分析高斯球谐分析则则（6 61515）这里这里HH0 0为磁偶极场，为磁偶极场， 0 0为磁偶极余纬，为磁偶极余纬， 0 0为磁偶极经度，为磁偶极经度， 0 0通常称为极角通常称为极角， 0 0通常称为极方位角。将上述关系代入通常称为极方位角。将上述关系代入(6-14)(6-14)式，则得式，则得（6 61616）地球磁场的球谐分析地球磁场的球谐分析- -高斯球谐分

16、析高斯球谐分析式中式中是观测点是观测点( (，) )与偶极点与偶极点( (0 0，0 0) )之间的夹角，它不难从球之间的夹角，它不难从球面三角公式得到。若取偶极方向为坐标极轴，面三角公式得到。若取偶极方向为坐标极轴，0 0=0=0，则则显然，显然，H H0 0是偶极赤道是偶极赤道( (= =/2)/2)的磁场强度。从均匀球化磁位公式的磁场强度。从均匀球化磁位公式( (当当= =a a时时) )可知，式可知，式(6-15)(6-15)中的中的HH0 0可由磁矩可由磁矩MM和磁化球半径和磁化球半径a a表示成表示成（6 61717） 因此，球因此，球谐谐谐谐分析的一分析的一阶项对应阶项对应阶项对应阶项对应 于一个均匀磁化球的磁位。于一个均匀磁化球的磁位。这这这这便是便是该项该项该项该项 的物理含的物理含义义义义。 0 0和和 0 0为为为为均匀磁化球的磁化方向。均匀磁化球的磁化方向。 地球磁场的球谐分析地球磁场的球谐分析- -高斯球谐分析高斯球谐分析2 2、高斯系数的确定高斯系数的确定 所所谓谓谓谓高斯分析，其任高斯分析，其任务务务务就是由磁就是由磁场场场场的的观测值观测值观测值观测值