1、第四章,第四章 地球磁場(chǎng)與地磁學(xué),地球磁場(chǎng)及其構(gòu)成 巖石磁性 地磁場(chǎng)起源假說 地球的變化磁場(chǎng) 古地磁學(xué)與地磁場(chǎng)變遷,第四章,4.1 地球磁場(chǎng)及其構(gòu)成 早在兩千多年前，中國(guó)人就知道任何利用了天然磁石的吸鐵性和指極性,中國(guó)古代四大發(fā)明之一的指南針傳人歐洲后,被發(fā)展用于航海導(dǎo)航。英國(guó)人威廉吉爾伯特(WilliamGilbert)才開始研究地磁現(xiàn)象的起因，他于1600年通過實(shí)驗(yàn)提出，地球類似一個(gè)大磁鐵。這是人類第一次認(rèn)識(shí)地磁場(chǎng)的全貌。,地球磁場(chǎng)發(fā)現(xiàn),第四章,地球磁場(chǎng)圖片（1）,S N,第四章,地球磁場(chǎng)圖片（2）,第四章,4.1.1 地磁場(chǎng)要素 地磁場(chǎng)磁力線與地面相交的角度隨地磁緯度有規(guī)律地變化。為了刻

2、畫地磁場(chǎng)在地面的特征，通常用一個(gè)直角坐標(biāo)系來描述，即XOY平面與地面相切，原點(diǎn)在地面，z軸指向地心，x軸指向地理北，y軸指向東。地磁場(chǎng)B在各個(gè)軸上的投影分別為Z、X、Y，在XOY平面上的投影為H，B與XOY平面的夾角為I，H與x軸的夾角為D。 B地磁總場(chǎng)(磁感應(yīng)強(qiáng)度) 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,地磁要素,第四章,4.1.2 地磁場(chǎng)的構(gòu)成 磁偶極子場(chǎng) 由于地磁場(chǎng)具有南北極的特點(diǎn)，極其相似于在地球球心處有一個(gè)磁鐵所產(chǎn)生的磁場(chǎng)，而理論上將這種特征表示為位于球心處的磁偶極磁場(chǎng)。 偶極場(chǎng)位函數(shù)球諧模型： 這里這里, , r 分別為緯度、經(jīng)度和

3、半徑, （0，0）為磁軸在地面的坐標(biāo)。,地磁偶極子場(chǎng),第四章,大陸磁場(chǎng) 由于偶極場(chǎng)是一個(gè)簡(jiǎn)單的、變化有規(guī)律的磁場(chǎng)，與實(shí)際地磁場(chǎng)相差太大，故將這種具有全球性的、與大陸有關(guān)的磁場(chǎng)變化稱為大陸磁場(chǎng)。 偶極場(chǎng)和大陸磁場(chǎng)被稱為基本磁場(chǎng)?；敬艌?chǎng)可以理解為地殼（或巖石圈的不同成分和結(jié)構(gòu)，在偶極子場(chǎng)磁化下，產(chǎn)生的疊加磁場(chǎng)。 基本磁場(chǎng)位的函數(shù)球諧模型：,地磁基本磁場(chǎng),第四章,如果把半徑為的球面上球諧系數(shù)寫成復(fù)數(shù)系數(shù)形式，則地磁分量可寫為：,地磁基本磁場(chǎng) （續(xù)）,第四章,地磁異常 由地殼內(nèi)的巖石礦物及地質(zhì)體在基本磁場(chǎng)磁化作用下所產(chǎn)生的磁場(chǎng)，稱之為地殼磁場(chǎng)，又稱為異常場(chǎng)或磁異常。 地磁偶極子場(chǎng)、大陸磁場(chǎng)和磁異常被

4、稱為穩(wěn)定磁場(chǎng)。穩(wěn)定磁場(chǎng)主要源于地球內(nèi)部（占99%），有時(shí)也稱內(nèi)部磁場(chǎng)。 地磁變化場(chǎng) 地磁的變化主要可分為長(zhǎng)期變化和短期變化。長(zhǎng)期變化主要由地球內(nèi)部幔核物質(zhì)運(yùn)動(dòng)所引起的地磁場(chǎng)變化，如磁極漂移、磁極倒轉(zhuǎn)等；短期變化主要由太陽風(fēng)作用與電離層擾動(dòng)所引起的變化。,磁異常與變化磁場(chǎng),第四章,磁學(xué)單位,4.1.3 磁學(xué)單位 目前磁學(xué)單位有兩種體系，一個(gè)是國(guó)際單位制（SI），另一個(gè)是高斯單位制（CGSM）。 SI制： 磁場(chǎng)強(qiáng)度：A/m 安培/米 磁化強(qiáng)度：（1/4）103 A/m 磁化率： 無量綱 SI, 10-5SI 磁感應(yīng)強(qiáng)度：T 特斯拉，10-9 T = 1 nT 納特,第四章,地磁場(chǎng)總場(chǎng)分布圖,第四章

5、,地磁場(chǎng)垂直分量分布圖,第四章,地磁偏角分布圖,第四章,地磁傾角分布圖,第四章,衛(wèi)星地磁異常圖,第四章,4.2 巖石磁性 任何物質(zhì)的磁性都是帶電粒子運(yùn)動(dòng)的結(jié)果。原子是組成物質(zhì)的基本單元，它由帶正電的原子核及其核外電子殼屏組成。電子繞核沿軌道運(yùn)動(dòng)，具有軌道磁矩。電子還有自旋運(yùn)動(dòng)，具有自旋磁矩。這些磁矩的大小，與各自的動(dòng)量矩成正比。原子核為帶正電粒子組成，呈自旋轉(zhuǎn)動(dòng)，亦具有磁矩，但數(shù)值很小。因此，原子總磁矩是電子軌道磁矩、自旋磁矩、及原子核自旋磁矩三者的矢量和。各類物質(zhì)由于原子結(jié)構(gòu)不同，它們?cè)谕獯艌?chǎng)作用下，呈現(xiàn)不同的宏觀磁性。,物質(zhì)及巖石磁性,第四章,4.2.1 物質(zhì)的宏觀磁性 抗磁性 在外磁場(chǎng)作

6、用下，物質(zhì)的磁化率為負(fù)值，且數(shù)值很小。抗磁性物質(zhì)沒有固有原子磁矩，受外磁場(chǎng)作用后，電子受到洛倫茲力作用，其運(yùn)動(dòng)軌道繞外磁場(chǎng)作旋進(jìn)(拉奠爾旋進(jìn))，產(chǎn)生附加磁矩，其方向與外磁場(chǎng)相反，形成抗磁性。實(shí)際上它是物質(zhì)的一種普遍性質(zhì)，當(dāng)外磁場(chǎng)去掉時(shí)，附加磁矩隨即消失，并與溫度無關(guān)?？勾判源呕室话慵s為10-5SI數(shù)量級(jí)。 順磁性 順磁性物質(zhì)受外磁場(chǎng)作用，其磁化率為不大的正值，這類物質(zhì)中原子具有固有磁矩，當(dāng)無外磁場(chǎng)作用時(shí)，熱騷動(dòng)使原子磁矩取向混亂。有外磁場(chǎng)作用，原子磁矩順著外磁場(chǎng)方向排列，顯示順磁性。順磁性磁化率與抗磁性磁化率一樣，數(shù)值比較小，屬同一量級(jí)。,抗磁質(zhì)與順磁質(zhì),第四章,鐵磁性 在弱外磁場(chǎng)作用下，鐵

7、磁性物質(zhì)即可達(dá)到磁化飽和，磁化率很大，可達(dá)102104 10-5SI ，且具有下述磁性特征： 磁化強(qiáng)度與磁化場(chǎng)呈非線性關(guān)系; 鐵磁性物質(zhì)的磁化強(qiáng)度隨磁化場(chǎng)變化，呈不可逆性。不同鐵磁性物質(zhì)磁滯回線不同; 磁化率與溫度的關(guān)系，服從居里魏斯定律。 C是居里常數(shù)，當(dāng)TTc，鐵磁性消失，轉(zhuǎn)變?yōu)轫槾刨|(zhì)。一般鐵磁體的Tc很高，例如硅(1043K)，鈷(1388K)。,鐵磁質(zhì),第四章,4.2.1 三大類巖石磁性 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)

8、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 鐵磁性礦物含量 鐵磁性礦物結(jié)構(gòu)與顆粒大小 溫度-壓力,影響巖石磁性的主要因素,第四章,三大類巖石磁性特征 巖漿巖 巖漿巖是富含鐵磁性礦物的巖石，因此，巖漿巖的磁性一般具有較高的磁性。但由于各種巖漿巖成份不同，礦物結(jié)晶程度不同，形成過程不同，其磁性也有很大的差異。 一般而言，在巖漿巖的磁性在成份方面有以下規(guī)律： 超基性巖基性巖中性巖 酸性巖 在形成過程方面有以下規(guī)律： 深成巖淺成巖火山巖體現(xiàn)了礦物結(jié)晶程度與巖石磁性的關(guān)系,三大類巖石磁性特征,第四章,沉積巖 沉積巖是原巖物質(zhì)經(jīng)過了風(fēng)化、剝蝕、搬運(yùn)、沉積

9、過程形成的巖石，原巖物質(zhì)的物理化學(xué)性質(zhì)在這些過程會(huì)發(fā)生不同程度的改變。以致原有的磁性基本“喪失殆盡”。所以，沉積巖的磁性較低，磁化率屬順磁質(zhì)范圍，一般被稱為“無磁性”巖石。 變質(zhì)巖 變質(zhì)巖的磁性取決于原巖磁性和變質(zhì)過程。一般而言，變質(zhì)程度越高，其磁性越高，尤其是在高溫高壓條件下原巖物質(zhì)發(fā)生重結(jié)晶，會(huì)使原巖磁性增高。對(duì)于沉積巖，變質(zhì)后磁性多會(huì)有所增高；但對(duì)于巖漿巖來說，經(jīng)過低溫變質(zhì)或熱液變質(zhì)巖變質(zhì)，會(huì)使鐵磁性礦物磁疇被破壞，磁性反而變低。,三大類巖石磁性特征（續(xù)）,第四章,基本磁場(chǎng)的成因,4.3 基本磁場(chǎng)的成因 在歷史上曾經(jīng)有過兩種盛行的地磁成因說。其一是“鐵磁成因說”,即認(rèn)為地球本身好是一個(gè)均

10、勻磁化的大磁鐵。當(dāng)?shù)厍蛭锢韺W(xué)家提出地核是由鐵鎳合金組成的時(shí)候，這種學(xué)說似乎得到支持?？墒牵厍騼?nèi)部溫度太高，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過鐵的居里點(diǎn)。即使考慮居里點(diǎn)隨壓力的增加而增高也無濟(jì)于事。故鐵磁成因說不能成立。其二是“轉(zhuǎn)動(dòng)成因說”。認(rèn)為地磁場(chǎng)起因于地球的轉(zhuǎn)動(dòng)，因?yàn)檗D(zhuǎn)動(dòng)可以產(chǎn)生磁場(chǎng)。但由轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的磁場(chǎng)太弱，無法與實(shí)測(cè)值相比，而且按轉(zhuǎn)動(dòng)理論，距地心越近，磁場(chǎng)越強(qiáng)，這與實(shí)際情況不符。轉(zhuǎn)動(dòng)成因說也不能成立。 任何一種合理的地磁成因論都必須從地球內(nèi)部的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)出發(fā)解釋地磁場(chǎng)本身的特征。這些特征包括：第一，象高斯證明的那樣，地磁場(chǎng)起因于地球內(nèi)部；第二，地磁場(chǎng)存在著長(zhǎng)周期的變化；第三，地磁場(chǎng)存在延伸數(shù)千公里的大陸磁場(chǎng)。,

11、第四章,地磁“自激發(fā)電機(jī)”假說,4.3.1 自激發(fā)電機(jī)假說 隨著人們對(duì)地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)和物質(zhì)組成的認(rèn)識(shí)的深化，為新的地磁成因論的產(chǎn)生提供了可靠的事實(shí)基礎(chǔ)。 首先，地核的主要成分是鐵鎳質(zhì)物質(zhì)良導(dǎo)體；其次，外核提液態(tài)物質(zhì)，而且存在對(duì)流；第三，地球在不停地地轉(zhuǎn)動(dòng)。這些事實(shí)為發(fā)電機(jī)理論創(chuàng)造了前提。地磁極的漂移現(xiàn)象，也為研究地核物質(zhì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和能級(jí)提供了可能。 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？而這樣產(chǎn)生的磁場(chǎng)是否具有地磁場(chǎng)的上述特性呢？,第四章,地磁“自激發(fā)電機(jī)”假說 （續(xù)一）,為了回答這些問題，首先讓我們來分析一下法拉弟的圓盤發(fā)電

12、機(jī)原理。金屬圓盤在沿著與盤面垂直的軸線旋轉(zhuǎn)，當(dāng)此圓盤處于一個(gè)磁場(chǎng)中，盤內(nèi)將產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。若把圓盤中的感應(yīng)電流回輸?shù)骄€路里，就形成自激發(fā)電，只要圓盤繼續(xù)旅轉(zhuǎn)，就會(huì)繼續(xù)產(chǎn)生電流。這就從原理上解決了地磁場(chǎng)的成因和維持問題。,第四章,地磁“自激發(fā)電機(jī)”假說 （續(xù)二）,然而實(shí)際地球磁場(chǎng)模型與上述這種均勻發(fā)電盤的“模式”并不一樣。但是它卻形象直觀地給出了電流作功以維持磁場(chǎng)的過程。在地磁發(fā)電機(jī)的理論中、首先假定在核內(nèi)存在著一個(gè)所謂初始A型磁場(chǎng),電荷在初始磁場(chǎng)中發(fā)生X型運(yùn)動(dòng)，X型運(yùn)動(dòng)感應(yīng)出B型磁場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)，由于這個(gè)運(yùn)動(dòng)將感應(yīng)出B型磁場(chǎng)。進(jìn)而電荷在這個(gè)B型磁場(chǎng)中產(chǎn)生Y型運(yùn)動(dòng)，如此下去，就形成了地磁場(chǎng)。,第四章,

13、地磁“自激發(fā)電機(jī)”假說 （續(xù)三）,可以證明地磁極性的反轉(zhuǎn)是穩(wěn)態(tài)發(fā)電機(jī)中運(yùn)動(dòng)場(chǎng)被擾動(dòng)的結(jié)果。它可能是對(duì)流運(yùn)動(dòng)固有的無規(guī)則屬性的表現(xiàn)，也可能是磁場(chǎng)與運(yùn)動(dòng)兩者非線性耦合、能量不斷交換的結(jié)果。但這種擾動(dòng)的源至今仍不清楚。 建立一個(gè)耦合發(fā)電圓盤方程組：,第四章,地磁“自激發(fā)電機(jī)”假說 （續(xù)四）,設(shè)兩個(gè)圓盤轉(zhuǎn)速為同一個(gè)常數(shù)時(shí)，用數(shù)值方法可求得與電流I1+I2角速度1+2成正比，且隨時(shí)間T的變化。由圖可以看出，由于兩個(gè)盤之間的電磁耦合，以及圓盤角速度被擾動(dòng)。與此相應(yīng)，系統(tǒng)電流也發(fā)生變化。當(dāng)電流擾動(dòng)加大到一定程度時(shí)，系統(tǒng)電流反向，并有可能圍繞新的反向后的平衡位置擺動(dòng)，結(jié)果磁場(chǎng)發(fā)生例轉(zhuǎn)。 耦合圓盤系統(tǒng)中，磁場(chǎng)倒

14、轉(zhuǎn)的事實(shí)，增強(qiáng)了人們對(duì)發(fā)電機(jī)理論的信念。但無論如何，它與地核內(nèi)部可能的真實(shí)過程相差太遠(yuǎn)。與穩(wěn)定發(fā)電機(jī)理論相比，非穩(wěn)定發(fā)電機(jī)則更不完善。,第四章,地磁“自激發(fā)電機(jī)”假說 （續(xù)五）,現(xiàn)代的自激發(fā)電機(jī)效應(yīng)假說認(rèn)為： 液態(tài)地核內(nèi)部由于重力分異、溫差、壓差等原因產(chǎn)生渦旋運(yùn)動(dòng)； 由于地球繞軸自轉(zhuǎn)所引起的回旋磁效應(yīng)就存在一微弱初始磁場(chǎng)，雖比地磁場(chǎng)小10倍，但足以引起再生效應(yīng)； 地核電流體形成，通過感應(yīng)方式電流自身形成的場(chǎng)又可連續(xù)不斷地再生磁場(chǎng)，從而增強(qiáng)了原來的磁場(chǎng)，由于地核電流體持續(xù)運(yùn)動(dòng)而不斷提供能量，因而引起一種自激發(fā)電機(jī)效應(yīng)； 由于能量的不斷消耗和供應(yīng)，磁場(chǎng)增強(qiáng)到一定程度就穩(wěn)定下來，形成現(xiàn)在的地球基本磁

15、場(chǎng)； 由于地核內(nèi)渦流系統(tǒng)的復(fù)雜性，宏觀上表現(xiàn)為一個(gè)不穩(wěn)定的自激發(fā)電系統(tǒng)，外界條件或內(nèi)部因素有一定變化時(shí)，會(huì)出現(xiàn)極性倒轉(zhuǎn)現(xiàn)象。 這種假說不僅能定性地解釋地磁偶極子場(chǎng)和非偶極子場(chǎng)起源，而且解釋了地球磁軸倒轉(zhuǎn)等現(xiàn)象，目前被認(rèn)為是最可取的地磁成因理論。,第四章,地球的變化磁場(chǎng),4.4 地球的變化磁場(chǎng) 如前所說，地磁場(chǎng)由兩部分組成，一部分叫內(nèi)源場(chǎng)，一部分叫外源場(chǎng)。外源場(chǎng)是不斷變化的。變化磁場(chǎng)有的具有周期性，有的沒有，有的形態(tài)規(guī)則，有的又不規(guī)則，有的連續(xù)出現(xiàn)，有的則偶然發(fā)作。 地球的變化磁場(chǎng)有平靜變化和擾動(dòng)兩種類型。前者由電離層中的電流體系引起，其特征是連續(xù)性和周期性，而擾動(dòng)主要由太陽風(fēng)引起，是地磁基本場(chǎng)

16、和平靜變化上迭加的干擾背景。變化磁場(chǎng)在地表比基本磁場(chǎng)要小得多，通常約為萬分之幾到千分之幾，偶爾可達(dá)百分之幾。變化場(chǎng)在地面上的數(shù)量雖小，但由于來源于高空，其空間分布和時(shí)間變化能反 映高空各種電磁過程，對(duì)于研究高空物理現(xiàn)象、高空介質(zhì)的性質(zhì)和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)以及地下的電性結(jié)構(gòu)等是重要的信息。,第四章,周期性變化,4.4.1 地磁場(chǎng)平靜變化 平靜變化又分為太陽日變化和太陽日變化兩大類。前者由日照的變化，即熱變化引起，周期為24小時(shí)；后者由潮汐運(yùn)動(dòng)所引起的周期為12.5小時(shí)(月潮)和12小時(shí)(日潮)。 直接原因：太陽得熱輻射作用，導(dǎo)致高空電離層(100km的E層和200kmF層)在地磁場(chǎng)中以太陰潮和太陽潮為周期

17、作周期運(yùn)動(dòng)，從而建立高空電離層中的電流系統(tǒng)。 地磁場(chǎng)的平靜變化正是電離層中這種隨季節(jié)、時(shí)間和地理緯度而不同的電流系統(tǒng)在地殼中產(chǎn)生的磁場(chǎng)之變化，變化磁場(chǎng)幅值為30-40nT。,第四章,電離層電流系統(tǒng)圖,第四章,擾動(dòng)變化與太陽風(fēng),4.4.1 地磁場(chǎng)擾動(dòng)變化 地磁場(chǎng)的諸要素相對(duì)于平靜磁場(chǎng)水平的任何偏離均稱為地成擾動(dòng)。擾動(dòng)的幅度大小不等，從lnT到1000nT，持續(xù)時(shí)間不一，從幾秒到幾天，分布范圍也不同，有全球性也有地方性的。強(qiáng)者稱為磁暴，影響范圍大，弱者稱為磁擾，影響范圍小。 太陽風(fēng)及其對(duì)地磁場(chǎng)的影響 人造衛(wèi)星上天以前，人們一直認(rèn)為地磁場(chǎng)是對(duì)稱的和無限延伸的。根據(jù)空間探測(cè)的資料，發(fā)現(xiàn)地磁場(chǎng)是有邊界的

18、、不對(duì)稱的，其延伸情況與太陽風(fēng)有關(guān)。 所謂太陽風(fēng)是從太陽不斷發(fā)山的高能帶電粒子流，也就是說，太陽風(fēng)具有磁場(chǎng)。這種帶電離子流可以看成是一種附加于地球磁場(chǎng)上的壓力波。壓力波“吹”動(dòng)地球的磁場(chǎng)并形成一個(gè)沖擊“波前”。這就是地磁場(chǎng)的“邊界”。在這個(gè)邊界上，太陽風(fēng)的能流密度和地磁場(chǎng)的能流密度相平衡。,第四章,擾動(dòng)變化與太陽風(fēng) （續(xù)）,很顯然，地磁場(chǎng)之所以有邊界是由于太陽風(fēng)“吹動(dòng)”的結(jié)果。這個(gè)邊界以內(nèi)的地球磁場(chǎng)叫地球磁層，邊界就是磁層頂。磁層隨地球自轉(zhuǎn)順轉(zhuǎn)動(dòng)。地磁層是不對(duì)稱的。 一般情況下，朝陽的一面，地磁層頂?shù)母叨戎挥?-10個(gè)地球半徑，在太陽風(fēng)激烈活動(dòng)的，只有4-6個(gè)地球半徑。反之，在背陽一側(cè)，由于無

19、太陽風(fēng)的正面壓力，地球磁場(chǎng)可以在宇宙空間延伸到幾百個(gè)地球半徑以外。整個(gè)地球的磁層就象一個(gè)拖著尾巴的慧星，它的延伸部分叫磁尾。,第四章,太陽風(fēng)對(duì)磁層的作用示意圖,第四章,磁暴,磁暴 所謂磁暴是指全球性同時(shí)發(fā)生的強(qiáng)烈磁擾，它是太陽活動(dòng)噴發(fā)出來的粒子流與地磁場(chǎng)互相作用的結(jié)果。磁暴場(chǎng)可分為規(guī)則變化與不規(guī)則變化。 磁暴包括暴時(shí)變化、擾日變化和極區(qū)磁亞暴，前兩者屬規(guī)則變化，而極區(qū)磁亞暴是不規(guī)則變化。暴時(shí)變化是磁暴的主要部分，反映了磁暴場(chǎng)的基本形態(tài)。磁暴場(chǎng)一般可分為三個(gè)階段，即起始階段(初相)，發(fā)展階段(主相)和恢復(fù)階段。 磁暴具有27天的周期性。春秋居多，冬夏較少。,第四章,極區(qū)磁亞暴和極光,極區(qū)磁亞暴和

20、極光 極區(qū)磁亞暴是一種區(qū)域性磁暴，一般限于高緯度地帶。共延續(xù)時(shí)間較暴時(shí)發(fā)展階段(數(shù)小時(shí))要短的一種擾亂，在極區(qū)最強(qiáng)。極區(qū)磁亞暴不僅在磁暴過程中出現(xiàn)，有時(shí)也在比較平靜的日子出現(xiàn)。極區(qū)磁亞暴在中低緯度地區(qū)幅度變化不大，形似海灣，又稱磁灣，幅度可達(dá)幾百或上千納特。持續(xù)時(shí)間可從半小時(shí)到數(shù)小時(shí)。 極區(qū)磁暴與電離層中的電流體系有關(guān)。事實(shí)上，極區(qū)磁暴和極光有著密切的聯(lián)系。,第四章,古地磁學(xué),4.5 古地磁學(xué)與地磁場(chǎng)變遷 古地磁學(xué)是近30年發(fā)展起來的，以測(cè)量巖石的剩余磁性來研究古代地磁場(chǎng)的科學(xué)。古地磁學(xué)的出現(xiàn)，標(biāo)志著近代地球科學(xué)的重大進(jìn)展。尤如古生物化石一樣，借助于磁性“化石”。地質(zhì)學(xué)家們不但可以進(jìn)行巖層對(duì)比

21、，而且可以研究不同范圍約構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，從而為現(xiàn)今的板塊構(gòu)造說提供了極為重要的依據(jù)。為建立和完善板塊學(xué)說起了重要的作用。,第四章,熱剩磁,4.5.1 巖石剩磁 巖石剩余磁化強(qiáng)度是巖石在成巖過程中獲得天然剩余磁化強(qiáng)度，它是巖石磁性的重要組成部分。由于形成剩余磁性的磁化歷史(如磁化場(chǎng)，礦物成分，溫度、及化學(xué)反應(yīng)等)的不同，因而剩余磁性的類型、特點(diǎn)不相同。 巖石剩余磁性的類型及特點(diǎn) 熱剩余磁性(TRM) 在恒定磁場(chǎng)作用下，巖石從居里點(diǎn)以上的溫度，逐漸冷卻到居里點(diǎn)以下，從通過居里溫度開始，受磁化所獲得的剩磁，稱熱剩余磁性(溫度頑磁性，簡(jiǎn)稱熱剩磁)。,第四章,熱剩磁 （續(xù)）,熱剩磁的特點(diǎn)： 它的強(qiáng)度大。在弱磁

22、場(chǎng)中，其熱剩磁強(qiáng)度大致正比于外磁場(chǎng)強(qiáng)度；并與磁場(chǎng)方向一致。因此，火成巖的天然剩余磁化強(qiáng)度方向，一般代表了成巖時(shí)的地磁場(chǎng)方向。 熱剩磁具有很高的穩(wěn)定性。剩磁隨時(shí)間衰減的現(xiàn)象，叫做磁性弛豫。熱剩磁的穩(wěn)定，表現(xiàn)為其弛豫時(shí)間很長(zhǎng)。實(shí)驗(yàn)表明，外磁場(chǎng)的變化，溫度在200300內(nèi)的熱作用，很難影響熱剩磁的變化。,第四章,碎屑剩余磁性,碎屑剩余磁性(DRM) 沉積巖中含有從母巖風(fēng)化剝蝕帶來的許多碎屑顆粒，其中磁性顆粒(磁鐵礦等)在水中沉積時(shí)，受當(dāng)時(shí)的地磁場(chǎng)作用，使其沿地磁場(chǎng)方向定向排列，或者是這些磁性顆粒在沉積物的含水孔隙中轉(zhuǎn)向地磁場(chǎng)方向。沉積物固結(jié)成巖后，按其碎屑的磁化方向保存下來的磁性，稱碎屑剩余磁性(沉

23、積剩余磁性，簡(jiǎn)稱碎屑剩磁)。 碎屑剩磁的特點(diǎn)： 它的強(qiáng)度正比于定向排列的磁性顆粒數(shù)目。其強(qiáng)度比熱剩磁小得多。 形成碎屑剩磁的磁性顆粒大都來自火成巖，這些顆粒的原生磁性來自熱剩磁，因此碎屑剩磁比較穩(wěn)定。 等軸狀顆粒，其碎屑剩磁方向和外磁場(chǎng)(地磁場(chǎng))方向一致。,第四章,化學(xué)剩余磁性,化學(xué)剩余磁性(CRM) 在一定磁場(chǎng)中，某些磁性物質(zhì)在低于居里溫度的條件下，經(jīng)過相變過程(重結(jié)晶)或化學(xué)過程(氧化還原)，所獲得的剩磁，稱化學(xué)剩余磁性(簡(jiǎn)稱化學(xué)剩磁)。 化學(xué)剩磁的特點(diǎn)： 在弱磁場(chǎng)中，其剩磁強(qiáng)度正比于外磁場(chǎng)的強(qiáng)度。 化學(xué)剩磁有較高的穩(wěn)定性。 在相同磁場(chǎng)中，化學(xué)剩磁強(qiáng)度只有熱剩磁強(qiáng)度的幾十分之一但大于碎屑剩

24、磁強(qiáng)度。 上述三種剩余磁性，又稱為原生剩磁。,第四章,粘滯剩余磁性,粘滯剩余磁性(VRM) 巖石生成之后，長(zhǎng)期處在地球磁場(chǎng)作用下，隨著時(shí)間的推移，其中原來定向排列的磁疇，逐漸地弛豫到作用磁場(chǎng)的方向，所形成的剩磁稱粘滯剩余磁性。 粘滯剩余磁性的特點(diǎn)： 它的強(qiáng)度與時(shí)間的對(duì)數(shù)成正比。 隨溫度增高，粘滯剩磁增大。裸露于地表的巖石，受晝夜及季節(jié)的溫差變化的熱騷動(dòng)影響，隨時(shí)間增長(zhǎng)，會(huì)形成較強(qiáng)的粘滯剩磁。具有較大粘滯剩磁的巖石樣品，不宜用于古地磁研究。,第四章,碎屑剩余磁性,等溫剩余磁性(IRM) 在常溫沒有加熱情況下，巖石因受外部磁場(chǎng)的作用(比如閃電作用)，獲得的剩磁稱等溫剩余磁性。 等溫剩磁是不穩(wěn)定的，

25、其大小和方向隨外磁場(chǎng)變化。 上述兩種剩磁，是在巖石生成之后，因受某些外部因素的作用而獲得的，因此稱它們?yōu)榇紊４拧?第四章,巖石剩余磁性的成因,各類巖石剩余磁性的成因 巖石的天然剩磁，其形成的因素是復(fù)雜的。由成巖至今，經(jīng)歷各種地質(zhì)作用，物理和化學(xué)的變化過程，這些都會(huì)影響剩余磁性。對(duì)巖石的原生剩磁，不同類型的巖石，其形成的原因不同。 巖漿巖剩磁的成因 大量實(shí)際資料與實(shí)驗(yàn)資料表明，熱剩磁是形成巖漿巖原生剩磁的原因。熔融巖漿由高溫冷卻，通常當(dāng)溫度降至1073K時(shí)開始凝固，形成各種固熔體。鐵磁性礦物的居里點(diǎn)一般在973K以下。當(dāng)巖漿巖由高于居里點(diǎn)溫度，下降到鐵磁性組分的居里點(diǎn)以下，受地磁場(chǎng)的磁化作用，

26、磁性礦物磁疇排列到地磁場(chǎng)方向上，而獲得強(qiáng)的磁性。隨著溫度繼續(xù)下降，磁疇熱擾動(dòng)能量減小，不足以使磁疇體積變化和使磁疇轉(zhuǎn)向，從而保留下來剩余磁性，即熱剩磁。,第四章,巖石剩余磁性的成因 （續(xù)一）,沉積巖剩磁的成因 沉積巖的生成與巖漿巖完全不同，沒有高溫冷卻過程。沉積巖的剩余磁性，是通過沉積作用和成巖作用二個(gè)過程形成的。前者形成碎屑剩磁，后者成巖作用經(jīng)受氧化和脫水過程，獲得化學(xué)剩磁。因此，沉積巖的剩磁系碎屑剩磁與化學(xué)剩磁。,第四章,巖石剩余磁性的成因 （續(xù)二）,變質(zhì)巖剩磁的成因 變質(zhì)巖的剩余磁性與其原巖有關(guān)，由巖漿巖變質(zhì)生成的正變質(zhì)巖，它可能有熱剩磁。 由沉積巖變質(zhì)生成的副變質(zhì)巖，它可能有碎屑剩磁與

27、化學(xué)剩磁。,第四章,巖石剩余磁性與古地磁學(xué),4.5.2 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，來研究地質(zhì)史期和人類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)中重要的一門分支學(xué)科古地磁學(xué)。,第四章,極移和大陸漂移,極移和大陸漂移 在巖石的剩余磁性的穩(wěn)定性以及地磁場(chǎng)是軸向偶極場(chǎng)兩個(gè)假定的基礎(chǔ)，讓我們來看看古地磁學(xué)是怎樣確定極移以及它對(duì)大陸漂移的貢獻(xiàn)。 假定通過古地磁標(biāo)本的采集、校驗(yàn)和測(cè)定，求得剩余磁場(chǎng)的數(shù)值和方向等參數(shù)。然而只能在一定情況下，借助于專門的實(shí)驗(yàn)，根據(jù)古地磁的標(biāo)本求得剩余磁場(chǎng)

28、的磁矩及其方位參數(shù)I、D的情況下，求得地磁虛極的地理坐標(biāo)。,第四章,極移和大陸漂移 （續(xù)）,如果承認(rèn)大陸在漂移，就可以根據(jù)古地磁測(cè)量結(jié)果計(jì)算公各大陸的漂移速度。以歐亞大陸為寒武武紀(jì)到觀在(約五億年)，古磁軸移動(dòng)790，平均每年2厘米。與現(xiàn)代大地測(cè)量的結(jié)果完全吻合；古地磁研究表明，古生代時(shí)非洲、南美洲和澳大利亞幾塊大陸在古生代幾億年期間都是這連一起的。 可見，古地磁資料為大陸漂移說提供了充分的依據(jù)。,第四章,大陸漂移演變示意圖,第四章,地磁極倒轉(zhuǎn)與海底擴(kuò)張,地磁極倒轉(zhuǎn)與海底擴(kuò)張 研究巖石剩余磁性的一個(gè)十分重要的發(fā)現(xiàn)是地磁倒向，所謂地磁倒向是指地磁場(chǎng)改變自己方向?yàn)榉捶较虻倪@種地磁觀象。迄今所研究過

29、的巖石約50是和現(xiàn)代地磁場(chǎng)方向相反或近似相反方向上被磁化的。這絕不是一個(gè)偶然現(xiàn)象。地磁倒向不僅在陸地，而且在海洋；不僅在沉積巖而且在巖漿巖等中都廣泛發(fā)現(xiàn)。而且同時(shí)期的巖石剩磁倒向是世界范圍的現(xiàn)象，有些巖石序列中還可測(cè)到極性倒向的過渡。記錄表明，在過去8000萬年中，大約平均每40萬年倒向一次，第四紀(jì)以前一段時(shí)間內(nèi)地磁的方向就與現(xiàn)在相反。,第四章,地磁極倒轉(zhuǎn)與海底擴(kuò)張 （續(xù)）,第五章,第五章 地球的電磁感應(yīng)和電性結(jié)構(gòu),如何研究地球內(nèi)部電性特征？ 地球電磁感應(yīng)的物理基礎(chǔ) 電磁感應(yīng)與地球內(nèi)部的電導(dǎo)率 中國(guó)地區(qū)深部電性結(jié)構(gòu)研究,第五章,5.1 如何研究地球內(nèi)部電性特征？ 1.地球內(nèi)部物質(zhì)電性特征的表象

30、 地磁場(chǎng)的產(chǎn)生 雷電 大地回路接地 自然電場(chǎng) 兩個(gè)概念： 地下巖石電性存在差異性 在外界地磁場(chǎng)作用下，會(huì)產(chǎn)生電磁感應(yīng),地球內(nèi)部電性的表象,第五章,2.研究地球內(nèi)部電性特征的基礎(chǔ)手段觀測(cè) 電場(chǎng)觀測(cè) 磁場(chǎng)觀測(cè) 變化電場(chǎng)觀測(cè) 電磁場(chǎng)觀測(cè) 變化磁場(chǎng)觀測(cè),地球內(nèi)部電性的觀測(cè),第五章,3.大地電場(chǎng)與局部電場(chǎng) 根據(jù)研究目的的不同，我們可以把地球電磁場(chǎng)的觀測(cè)分為大地電(磁)場(chǎng)觀測(cè)和局部電(磁)場(chǎng)觀測(cè)。 大地電場(chǎng)指的是大范圍內(nèi)的區(qū)域電場(chǎng)，與地球內(nèi)部圈層電性結(jié)構(gòu)有關(guān)。局部電場(chǎng)則是由于局部地質(zhì)造地帶物理化學(xué)背景差異形成的，如地形的差異，物質(zhì)成分的差異，局部電化學(xué)作用以及地下水或破碎帶等均可形成局部電場(chǎng)。局部電場(chǎng)在地

31、球物理勘探中可以直接應(yīng)用，如利用電法勘探尋找金屬與非金屬礦藏，地下水及工程建設(shè)中的基礎(chǔ)穩(wěn)定性等。 地電場(chǎng)本身存在著長(zhǎng)周期變化和短周期的變化。前者難于準(zhǔn)確進(jìn)行記錄，而后者(周期一般為一天以內(nèi))則與太陽活動(dòng)有關(guān)，它也包括太陽日變化、地電暴、地電脈動(dòng)等多種類型的變化。這種短周期變化的電場(chǎng)絕大部分是外源地磁場(chǎng)變化感應(yīng)的產(chǎn)物。,大地電場(chǎng)與局部電場(chǎng),第五章,5.2 地球電磁感應(yīng)的物理基礎(chǔ) 地球的變化磁場(chǎng)來源于外空電流體系，內(nèi)源電磁場(chǎng)是外源場(chǎng)感應(yīng)的結(jié)果。內(nèi)源場(chǎng)的變化不僅與外源場(chǎng)的強(qiáng)度和分布有關(guān)而且還取決于地球內(nèi)部電導(dǎo)率的分布。 球體問題與平面問題 地球的變化磁場(chǎng)是全球范圍大尺度的變化，這類變化場(chǎng)的電磁感應(yīng)，

32、須把整個(gè)地球作為研究對(duì)象，稱為球體問題(電磁感應(yīng))；還有許多電磁場(chǎng)的異常變化只局限于局部地區(qū)，這時(shí)往往可以把局部地區(qū)視為無窮大平面，這類局部異常的電磁感應(yīng)稱為平面問題。,地球電磁感應(yīng)的物理基礎(chǔ)問題,第五章,周期性與源場(chǎng)效應(yīng) 不論是全球性的還是局部性的地球電磁場(chǎng)的變化都還有周期與非周期變化之分，與此相應(yīng)的電磁感應(yīng)的理論方法也不相同。除了源場(chǎng)的時(shí)間特性外，它的空間尺度對(duì)感應(yīng)場(chǎng)的影響也是電磁感應(yīng)理論必須特殊考慮的重要問題，通常稱為源場(chǎng)效應(yīng)。球體電磁感應(yīng)、平面電磁感應(yīng)、以及源場(chǎng)效應(yīng)等四個(gè)問題構(gòu)成了電磁感應(yīng)理論方法的基礎(chǔ)，其他更復(fù)雜問題的處理方法多由此派生而來。,地球電磁感應(yīng)的物理基礎(chǔ)問題 （續(xù)）,第五章,5.2.1 基本方程 (1)麥克斯韋方程組,麥克斯韋方程組,第五章,假設(shè) 有,地球電磁感應(yīng)的物理基礎(chǔ),第五章,由 得,亥姆赫茲方