地球科学概论-地球物理学：地磁学与地球内部物理

1、1,地磁学与地球内部物理 Geomagnetism and Physics of the Earth Interior,2,地磁学与地球内部物理学 地磁学的起源 地磁学的定义和研究意义 地磁场的基本属性 地球基本磁场与变化磁场 地磁场的起源 古地磁 地磁场与地球物理勘探,3,地磁学与地球内部物理学 地磁学的起源 地磁学的定义和研究意义 地磁场的基本属性 地球基本磁场与变化磁场 地磁场的起源 古地磁 地磁场与地球物理勘探,4,地磁学的起源,中国 公元前二十世纪已发现磁石的极性 公元前四世纪已利用磁石指南指南针：中国四大发明之一 838-1099指南针应用于航海 十一世纪中发现磁偏角,5,地磁学的

2、起源,沈括对磁学的贡献有三点：一是给出了人工磁化的方法；二是在历史上第一个指出了地磁场存在磁偏角，三是讨论了指南针的四种装置方法，为航海用指南针的制造奠定了基础。另外，他对大气中的光、电现象也进行了研究。,我国送代科学家沈括（10341094）在公元1086年写的梦溪笔谈中，最早记载了地磁偏角，“方家（术士）以磁石磨针锋，则能指南，然常微偏东，不全南也”。沈括是历史上第一个从理论高度来研究磁偏现象的人。,6,地磁学的起源,欧洲 公元前七世纪发现磁石 十二世纪将罗盘应用于航海(源自中国) 1492年Columbus发现磁偏角及其随地点的差异 1600年Gilbert提出地球是一个巨大的球形磁石，

3、标志着现代地磁学的开端。,提出较系统的原始理论的是英国人吉尔伯特。他在1600年著的磁体一书中，创造性地作了划时代的实验： 把一块天然磁石磨制成一个大磁球，用小铁丝制的小磁针装在枢轴上，放到该磁球附近，在这磁球面上发现小磁针的各种行为与我们在地球上看到指南针的行为完全 一样。吉尔伯特用石笔把小磁针排列的指向标出一条条线，画成许多子午圈，与地球经线相像，也有一条赤道，小磁针在赤道上则平行于球面。因此吉尔伯特提出了 一个理论：认为地球本身就是一块巨大的磁石，磁子午线汇交于地球两个相反的端点即磁极上。,7,1634年：吉利布兰（H. Gillebrand）发现，地磁的磁偏角有随时间、地点变化的现象，

4、即后来所谓的长期磁变。 1839年：高斯（K. Gauss）用数学方法模拟地磁场，发现大部分地磁场可由一个与地球自转轴一致的磁偶极子造成，但是除此之外，另有少量非极性的地磁场可能与局部地区的磁性有关。 1849年，得列西（A. Delesse）发现凝固的火山岩浆（玄武岩）具有磁性，而且方向与地磁方向一致。此后买隆尼（M.Melloni）把玄武岩加热成赤红，冷却后测得其感应的磁化方向与地磁方向一致，证实由岩浆变成的玄武岩含有磁性矿物，它们由熔融状态逐渐冷却结晶过程中，受地磁影响，顺着当时地磁的方向平行排列，这叫做岩石的剩余磁性。,地磁学的起源,8,1895年：居里（P. Curie）知道磁性物质

5、加热超过一定温度（居里点）即失去磁性，当其再冷却时，才受外界磁场诱导出磁性。 关于岩石剩余磁化的研究，对地球物理学以以至整个地学的发展，产生了意外的推动作用，这就是古地磁学。 应用研究： 1640年左右：瑞典人已开始将观测地磁局部异常的方法用于勘探铁矿。 1870年：制造出专用的磁法探矿仪器，随着磁法勘探的发展，促进了演示磁性的研究，极大丰富了地磁学研究内容。,地磁学的起源,9,地磁学与地球内部物理学 地磁学的起源 地磁学的定义和研究意义 地磁场的基本属性 地球基本磁场与变化磁场 地磁场的起源 古地磁 地磁场与地球物理勘探,10,地磁学的定义和研究意义 定义：研究地磁场的时间变化、空间分布、起

6、源及其规律的学科。 固体地球物理学的一个分支。 研究意义： 1、资源、能源勘探 2、地质构造运动、地球内部结构与地球动力学 3、预防和减轻灾害（地震、火山、滑坡、环境电磁污染等） 4、考古 5、军事、航空与航天、航海、通讯等：行军、航海利用地磁场对指南针的作用来定向。地磁场的变化能影响无线电波的传播。当地磁场受到太阳黑子活动而发生强烈扰动时，远距离通讯将受到严重影响，甚至中断。 假如没有地磁场，从太阳发出的强大的带电粒子流（通常叫太阳风），就不会受到地磁场的作用发生偏转而直射地球。在这种高能粒子的轰击下，地球的大气成份可能不是现在的样子，生命将无法存在。所以地磁场这顶“保护伞” 对我们来说至关

7、重要。,11,地磁学与地球内部物理学 地磁学的起源 地磁学的定义和研究意义 地磁场的基本属性 地球基本磁场与变化磁场 地磁场的起源 古地磁 地磁场与地球物理勘探,12,地磁场的基本属性 1、磁场的基本参数是介质磁化率。 2、磁场是一个矢量场。 3、地磁场比较复杂，因为： 磁场向量通常不是垂直方向 磁场随时间变化快,13,地磁场的基本属性 近似于一个置于地心的偶极子磁场，偶极子的磁轴与地球的自转轴之间的夹角约为11.5度。,14,地磁场的基本属性 近地空间的地磁场，像一个均匀磁化球体的磁场，其强度在地面两极附近还不到1高斯，所以地磁场是非常弱的磁场。 地磁场强度的单位过去通常采用伽马（）， 即1

8、0高斯。1960年 决定采用特斯拉作为国际测磁单 位，1高斯10-4特斯拉（T）， 1伽马10-9特斯拉1纳特斯拉 （nT），简称纳特。,15,地磁场的基本属性,地球磁场的基本要素：,X,Y,Z,H,D,I,F 任意三个独立的要素称为地磁三要素: (X,Y,Z), (H,D,Z) , (F,I,D) F：总磁场强度 H：水平磁场分量，北半球向北为正，南半球向南为正 Z：铅直磁场分量，向下为正 磁偏角D：为水平强度矢量偏离地理北方向的角度，向东为正。 磁倾角I：为总磁感应强度矢量F偏离水平面的角度，向下为正。 X = H cosD,Y = H sinD, tgI = Z/H,tg D = Y/X

9、, H 2 =X 2 + Y 2, F 2 = H 2 + Z 2, H = F cosI,Z = F sinI,X ：地表磁场的南北分量，向北为正 Y ：地表磁场的东西分量，向东为正 Z：地表磁场的垂直分量，向下为正,16,地磁场的基本属性,地球磁场的地磁极与磁极：,地磁极(geomagnetic poles)：地磁轴与地球表面的交点,其连线一定通过地心 磁极(magnetic poles, 磁倾极dip poles)：由实测结果得到,即地磁图中倾角为90而等偏线汇聚的两个点,其连线不一定通过地心,地磁极(2001) (79.3N, 71.5W),(79.3S, 108.5E) 磁极(200

10、1) (81.3N, 110.8W),(64.7S, 138.0E) 实际上测得的磁极单点，而是由许多磁极形成的一个区,17,地磁场的基本属性,描述地球磁场空间变化的形式：,1、数据表 测点坐标、测量时间、地磁要素的数值、通化值 2、地磁图： 特定时刻各个地磁要素在地面上的分布图 3、2000.0年地磁图： 将各个地磁要素通化为2000年1月1日0时0分的数值 4、2000年地磁图： 将各个地磁要素通化为2000年7月1日0时0分的数值 5、在现代的地磁场观测中，地磁台一般只记录H，D，Z或X，Y，Z,18,等偏线（D）图：,两条D=0线分成正负两区，汇聚于四点 （地极、磁极：-180180）

11、,19,等倾线（I）图：,大致沿纬度分布的平行曲线，赤道附近I=0，从赤道至两极I由090,20,H等值线图：,大致沿纬度排列的平行曲线，两极附近为0，赤道附近最大,21,Z等值线图：,大致沿纬度排列的平行曲线，赤道附近为0，两极附近最大,22,等偏线(D)图动画：,23,等倾线(I)图动画：,24,H等值线图动画：,25,Z等值线图动画：,26,地磁学与地球内部物理学 地磁学的起源 地磁学的定义和研究意义 地磁场的基本属性 地球基本磁场与变化磁场 地磁场的起源 古地磁 地磁场与地球物理勘探,27,地磁场的基本磁场,地球基本磁场： 地磁场包括基本磁场和变化磁场两个部分，它们在成因上完全不同。,

12、28,地磁场的基本磁场,地球基本磁场： 基本磁场是地磁场的主要部分，起源于地球内部，比较稳定，变化非常缓慢。地球的基本磁场可分为偶极子磁场、非偶极子磁场和地磁异常几个组成部分。偶极子磁场是地磁场的基本成分，其强度约占地磁场总强度的90，非偶极子磁场主要分布在亚洲东部、非洲西部、南大西洋和南印度洋等几个地域，平均强度约占地磁场的10。地磁异常又分为区域异常和局部异常，与岩石和矿体的分布有关。 偶极子磁极与地磁倾极并不互相重合是由于非偶极子磁场的存在。,29,地磁场的变化磁场,地球变化磁场： 地球变化磁场可分为平静变化和干扰变化两大类型。平静变化主要是以一个太阳日为周期的太阳静日变化，其场源分布在

13、电离层中。干扰变化包括磁暴、地磁亚暴、太阳扰日变化和地磁脉动等，场源是太阳粒子辐射同地磁场相互作用在磁层和电离层中产生的各种短暂的电流体系。磁暴是全球同时发生的强烈磁扰，持续时间约为 13天，幅度可达10纳特。其他几种干扰变化主要分布在地球的极光区内。除外源场外，变化磁场还有内源场。内源场是由外源场在地球内部感应出来的电流所产生的。 根据变化磁场的内、外场相互关系，可以得出地球内部电导率的分布。这已成为地磁学的一个重要领域，叫做地球电磁感应。 地球变化磁场既和磁层、电离层的电磁过程相联系，又和地壳上地幔的电性结构有关，所以在空间物理学和固体地球物理学的研究中都具有重要意义。,30,地球变化磁场

14、： 短期变化：外源引起,31,地球变化磁场： 长期变化：主要由内源引起，地球主磁场的变化极缓慢地磁场长期变化；偶极子磁矩衰减（现在约以每世纪5%的速度衰减）；非偶极子场的西向漂移,32,地磁学与地球内部物理学 地磁学的起源 地磁学的定义和研究意义 地磁场的基本属性 地球基本磁场与变化磁场 地磁场的起源 古地磁 地磁场与地球物理勘探,33,地磁场的起源 地球磁场的起源问题至今仍是物理学和地球科学研究的重要问题之一。Einstein称地磁场起源为未解决的重要物理学问题之一。人们曾经提出过有关地球磁场起源的各种假设，试图来解释地球基本磁场的起源。但是都不能得到满意的解释。 永磁理论： Gilbert

15、于1600年前后提出，他认为地球本身是一个很大的永久磁铁，并产生了基本磁场。19世纪时占统治地位，盛行了约300多年。这种观点并不成立。 转动理论： 布拉克特（P.M.S. Blaikett）于1947年提出，他认为物体的转动可以产生足够大的磁场。,34,地磁场的起源 任何一种合理的成因解释，均必须符合地球内部的结构和属性，并能够客观地解释地球磁场本身的特征。 自激发电机模型： 在近2030年期间，建立在地球内部构造的现有知识基础上，提出了自激发电机效应的假说。这种假说认为： 1.液态地核内部由于温度梯度、或温差、压力差等原因产生涡旋运动，结果使地核成为良导电体； 2.由于地球绕轴自转所引起的

16、回旋磁效应就存在一微弱初始磁场，虽然比地磁场小10倍，但对于引起再生效应来说已经足够了；,35,地磁场的起源 3.地核电流体形成，通过 感应方式电流自身形成的 场又可以连续不断地再生 磁场，从而增强了原来的 磁场，由于地核电流体持 续运动而不断提供能量， 因而引起一种自激发电机 效应，从而增强了原来的 磁场。由于能量的不断消 耗和供应，磁场增强到一定程度就会稳定下来，形成现在的地球基 本磁场。这种假说不仅能满意地定性解释地磁偶极子场和非偶极子 场的起源，而且也能解释地球磁轴倒转等现象，所以，目前认为它 是最可取的地磁场成因理论之一。但也存在一定问题，尚待进一步 研究。,36,地磁场的起源 动态

17、发电机模拟： 同时求解旋转的粘性流体的 运动方程和电磁方程，并进 行真正的动态发电机的模拟 计算工作直到1990年代后才 在美国和日本首次完成 Glatzmaier & Roberts, 1995 Kuang & Bloxham, 1997 Kageyama & Sato, 1997,MHD-SIMULATION OF GEOMAGNETIC DYNAMO PROCESS,巨型计算机Cray C90 2000多小时计算 模拟4万年变化,37,地磁学与地球内部物理学 地磁学的起源 地磁学的定义和研究意义 地磁场的基本属性 地球基本磁场与变化磁场 地磁场的起源 古地磁 地磁场与地球物理勘探,38,

18、古地磁 利用岩石磁性来研究古地磁场，在20世纪50年代就已发展成为地磁学中的一个重要分支古地磁学。古地磁学是20世纪6070年代地磁学中最活跃的领域。各个大陆所测得的古地磁极移，是板块大地构造学说的重要支柱。因此有人说，20世纪地学最重要的成就是在地磁学领域取得的。 居里温度（居里点）：当铁磁物质加热到一定温度时，原来的磁性就会消失，把这个温度叫居里温度或居里点。 热剩磁：当熔岩的温度大于居里点时，熔岩中的矿物没有磁化；在冷却过程中，当温度降低到居里点以下时，某些磁性矿物按照当时的地磁场磁化；当熔岩完全冷却固结后，该岩石保留了当时地磁场方向和磁化强度，称为热剩磁。,39,古地磁 居里面：地壳中

19、包括熔岩温度梯度约为30C/km，因此，在25km深处，温度可达750C，即相当于铁的居里温度。将此相同温度的等温面称为居里面。也是磁力测量所能达到的最大等深面。居里面以下的物质包括熔岩，是没有磁性的，在居里面与地核之间应该没有明显的磁源。 地壳中的居里等温面，是一个特殊的温度界面，它不仅能表征地下温度场的分布特征，也可提供地壳深部热应力场和其它地球物理资料，因此，居里等温面实质上是地壳上部的一个地球物理特征界面，它对地热场及地震的成因研究具有十分重要的意义。,40,古地磁 中国 大陆 居里 等温 面深 度,41,古地磁 地磁极性倒转：不同地质年代岩石的剩磁方向正负几乎各占一半，而且这种方向的

20、颠倒在时间上具有很好的全球一致性。这种现象的唯一合理解释是地磁场曾多次发生过极性倒转。 与现代地磁场方向相同的叫正常极性，相反的叫倒转极性。这种观点由达维德和布容首先提出。1926年梅康通 (P.L.Mercanton)又指出，如果地磁场确实发生过倒转，那么这种现象应在世界各地都能被发现。他研究了格陵兰、冰岛、北欧以及澳大利亚等地不 同地质年代的岩石，进一步证实了地磁场倒转的事实。1929年松山研究了日本和中国东北的第四纪熔岩，也发现同样现象，并且发现反向磁化的熔岩总比正向磁 化的熔岩年代要老。他由此推断,第四纪早期地磁场方向与现代地磁场方向相反,到了第四纪后期二者方向才相同。60年代以后，随

21、着深海钻探和海洋磁测的发 展，发现大洋中脊两侧对称地排列着正、反极性相间的磁异常条带，这正是地磁场极性频繁倒转的证据。从此地磁场倒转的学说为人们普遍接受。,42,古地磁 地磁极性年表：把地磁场极性倒转按照地层的时序配以同位素年龄 数据,构成地磁极性的年代序列,叫做地磁极性年表。利用这种极性 年表，不仅可以推算出地层的形成年代和地层所经历的某些地质事 件的年代，而且在解决地层的划分和地层的远距离对比方面也卓有 成效。在不同时期，地磁场倒转的时间间隔相差很大，从3000年到 30000000年，在过去数百万年中，地磁场倒转的平均时间间隔为 （2-3）x105年。,43,古地磁 地磁极性年表：,44

22、,古地磁 地磁极性倒转与板块构造：,45,古地磁 地磁极性倒转的原因： 地磁场的倒转属于非稳态发电机的内容，至今还没有如稳态发电机 那样全过程的描述。若液核中的对流涡旋运动受到扰动将有可能使 磁场极性反转。例如帕克曾证明，若液核中南北纬度25之间的涡 旋运动普遍消失，则地磁场将倒转。也有人主张地磁场倒转是非线 性发电机过程的固有性质，即磁场和运动相互耦合，到一定程度线 性发电机不再维持，非线性作用将有可能使地磁场倒转。 无论稳态和非稳态发电机过程学说，目前都很不完善。关于地磁场 起源问题仍处于研究阶段。,46,地磁学与地球内部物理学 地磁学的起源 地磁学的定义和研究意义 地磁场的基本属性 地球

23、基本磁场与变化磁场 地磁场的起源 古地磁 地磁场与地球物理勘探,47,磁法勘探（magnetic prospecting）： 地球物理勘探方法之一。是仅次于地震方法的研究地球内部物理性质的方法。 自然界的岩石和矿石具有不同 磁性，可以产生各不相同的磁 场，它使地球磁场在局部地区 发生变化，出现地磁异常。利 用仪器发现和研究这些磁异常 ，进而寻找磁性矿体和研究地 质构造的方法称为磁法勘探。,地磁异常：T=T-T0 T：观测到的总磁场强度 T0：正常磁场（如国际参考） 磁场强度,48,磁法勘探（magnetic prospecting）： 地球物理勘探方法之一。是仅次于地震方法的研究地球内部物理性

24、质的方法。 磁法勘探是常用的地球物理勘探方法之一。它包括地面、航空、海洋磁法勘探及井中磁测等。磁法勘探主要用来寻找和勘探有关矿产(如铁矿、铅锌矿、铜镍矿等)；进行地质填图；研究与油气有关的地质构造及大地构造等问题。我国建国以来大多数铁矿区、多金属矿区及油气田等都进行了大量的磁法勘探工作，取得了良好的地质效果，尤其是在探明铁矿资源方面地质效果显著。,49,磁法勘探（magnetic prospecting）： 地磁数据反演(University of British Columbia, Geophysical Inversion Facility, 1999) 数据： 空中地磁观测数据 结果： 地下3D相对磁化系数分布 airborne magnetics survey over the Raglan deposit in northern Quebec,50,磁法勘探（magnetic