地磁与重力教材

第九章地磁与重力一地磁场二古地磁三地磁场的成因四地球的重力五重力均衡原理六重力在地球演化中的作用一地磁场1.1地磁三要素：磁场强度（磁感应强度）、磁偏角、磁倾角1.2地磁场的组成：基本磁场、变化磁场、磁异常

1.3地球磁层

1.1地磁三要素磁场强度：地球上某一点磁场强度大小的矢量，用磁力线表示。地磁北极在地理北极附近，地磁南极在地理南极附近。由于地理两极跟地磁两极并不重合，所以磁针所指的南北方向不是地理的正南正北方向。子午线：地球表面想象有无数通过两地理极的大圆，每一个这样的大圆叫子午线。地磁子午线：地磁场也有无数磁力线在地球表面上通过两地磁极，每一条这样的磁力线叫地磁子午线。磁偏角：是磁力线在水平面上的投影与地理正北方向之间形成的夹角，即磁子午线与地理子午线之间的夹角。磁偏角：地球上各处大小不同磁倾角：地球表面任一点的地磁场总强度的矢量方向与水平面的夹角。通常以磁针北端向下为正值，向上为负值。磁倾角由地磁赤道到地磁北极，磁倾角由0°逐渐变为+90°；由地磁赤道到地磁南极，磁倾角由0°变成-90°。1.2地磁场的组成基本磁场：由地磁偶极子产生的磁场，占场强的95%以上。变化磁场：太阳活动产生的叠加在基本磁场上的非偶极子场。磁异常：地壳内部由磁性岩石叠加在基本磁场上的局部磁场。地磁场变化的原因：主要由于来自地球外部的带电粒子的作用（非偶极磁场，叠加在基本磁场上）。太阳是这些带电粒子流的主要来源，而当它的表面出现黑子、耀斑并正对着地球时，便会把大量带电的粒子抛向地球，使叠加在基本磁场上的变化磁场突然增强，使地磁场发生大混乱，出现磁暴。地球两极常在随后出现奇异的极光，是太阳抛射来的带电粒子流为地磁极吸引。磁暴磁异常：地壳浅部具有磁性的岩石或矿石所引起的局部磁场，叠加在基本磁场之上。

一个地点的磁异常可以首先通过对实测磁场强度进行变化磁场的校正，然后再减去基本磁场的正常值来求得。如所得值为正值称正异常，为负值称负异常。

地壳内含铁较多的岩石和富含铁族元素(Fe、Ti、Cr等)的矿体常可引起正磁异常。而膏盐矿床，石油、天然气储层，富水地层或富水的岩石破碎带则常引起负磁异常。1.3地球磁层地球磁层：仪器探测证实了地磁场形成一个在高层大气之外、形状类似慧星的磁性包层，这就是地球磁层。

太阳风与地磁场相持不下所形成的曲面是磁层的边界，叫做磁层顶。在朝太阳的一侧，磁层顶离地心约有5万多到7万多千米远；背着太阳的一侧，可能是这些数字的100倍以上。

磁层的形成，使地球磁场拦截了太阳辐射来的带电粒子，还有来自宇宙的射线，使它们未能冲到地面，而是留在高空，环绕地球流动，这对于生物的生存与繁衍具有重要的作用。居里点：磁性材料失去磁性的温度临界点。当磁性材料的温度达到居里点后，材料失去磁性，但温度降低后磁性又出现。地壳岩石的居里点温度一般为500～600℃。地壳内达到此温度的深度一般在20～30km（近代火山活动或喷泉地区，达到居里点的深度仅为５km左右）。在居里点深度之下，地内温度越来越高，因而岩石磁性消失。第二节古地磁在地质时期中，地表附近的岩石（处在居里点温度之下）都被当时的古地磁场所永久磁化。岩石中的这种磁性就称为剩余磁性。借助于各地质时期的岩石剩余磁性，就可能恢复不同时期的古地磁场。利用岩石在形成时期所产生的剩余磁化方向就可以用来大致确定古经线方向，用古磁倾角就可确定当时所处的古纬度。

热剩磁：火山岩和熔岩常常保留有热剩磁。当熔岩温度在500℃以上时，熔岩中的矿物没有磁化；温度降低到450℃时，某些磁性矿物按照地磁场方向磁化；该熔岩冷却以后，保留了当时地磁场的方向。这种剩磁叫热剩磁。

沉积剩磁：含有多种矿物的沉积岩也常有较明显的剩磁。许多矿物颗粒在海水中下沉，其中有一部分系已磁化的颗粒(例如含剩磁的熔岩碎屑)，下沉到海底时，便顺着地磁场方向停积下来，以后为沉积岩也就保留了当时的地磁方向，这种剩磁叫沉积剩磁。

玄武岩中记录的古地磁变化正向期正向期反向期地磁反转正向反向地史中古地磁极性变化地磁极翻转：在测定岩石的剩余磁场时，发现相当一批岩石的磁化方向与现在的地磁场方向相反，于是认为地磁场发生了180°的改变，这种现象被称为地磁极翻转或地磁场翻转。事实证明，这种变化一再地发生。以不同时期地磁极翻转为主要特征建立了地磁年代表。在磁化岩石中具正极性的与反极性的大致各占一半。

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到上千年。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。古地磁年表海底磁条带的成因海底磁条带海底扩张记录的古地磁变化大洋年龄巴黎和伦敦的磁偏角和磁倾角的变化第三节地磁场的成因发电机假说：1945年，美国物理学家埃尔萨塞根据磁流体发电机的原理，认为当液态的外地核在最初的微弱磁场中运动，像磁流体发电机一样产生电流，电流的磁场又使原来的弱磁场增强，这样外地核物质与磁场相互作用，使原来的弱磁场不断加强。由于摩擦生热的消耗，磁场增加到一定程度就稳定下来，形成了现在的地磁场。铁磁质在770℃（居里温度）的高温中磁性会完全消失。在地层深处的高温状态下，铁会达到并超过自身的熔点呈现液态，决不会形成地球磁场。而应用“磁现象的电本质”来做解释，认为按照物理学研究的结果，高温、高压中的物质，其原子的核外电子会被加速而向外逃逸。所以，地核在6000K的高温和360万个大气压的环境中会有大量的电子逃逸出来，地幔间会形成负电层。按照麦克斯韦的电磁理论：电动生磁，磁动生电。所以，要形成地球南北极式的磁场，必然需要形成旋转的电场，而地球自转必然会造成地幔负电层旋转，即旋转的负电场，磁场由此而生。地球固态内核高速运动，而液态的外核在高速运动的内核和低速运动的壳幔之间起着过渡作用。在核幔边界面附近，下地幔与外核的物质成分和运动速度都存在较大的差异，因而在核幔界面处形成一种复杂的，不均匀的过渡带，产生旋涡使磁流体“发电机”获得能量来源。一般认为，内核转速较快的现象，可能是因为内核继承并保持了早期地球转速较快的结果。地磁场发电机原理目前，非稳定磁流体发电机假说被人们广泛接受。近年证实了地核与地幔的差异运动为这一假说提供了新证据。第四节地球的重力重力的概念重力异常自由空气重力异常布格重力异常重力的概念重力是指某处所受地心引力和地球自转离心力的合力。重力与质量成正比与距离成反比。cFGNA：观测点F：地球引力C：地球自转离心力G：观测点的重力据万有引力公式：F=GMm/r2C=1/300F,G约等于F.A地球上不同纬度带重力值不同正常重力若把地球内部物质分布和表面形状理想化，即假设1）地球是一个两极压扁的旋转椭球体且表面光滑；2）地球内部物质密度呈层状均匀（层面共焦点，层内均匀）；3）地球是一个刚性球体，内部各质点位置不变；4）地球的质量、自转角速度不变。利用实际观测结果，可以导出一个近似公式，称为参考椭球面（大地水准面）上正常重力公式。计算出来的重力值为正常重力：gψ=978.0327（1+0.0053024Sin2ψ-0.0000059Sin22ψ）Galψ=纬度；g为重力值1、地球的自然表面并不像大地水准面那样光滑，而是起伏不平的；2、地球内部介质密度分布不均匀。实测重力值与理论重力值的差异称为重力异常。重力异常对某地的实测重力值，通过高程及地形校正后，再减去理论重力值，差值称作重力异常值，如为正值，称为正异常；如为负值，称为负异常。正异常反应该区地下物质密度偏大（地壳薄），负异常反应该区地下物质密度偏小（地壳较厚）。引起重力异常的因素：

①高度：地面观测点并不在大地水准面上，两者有一定高差，观测点位置越高重力值越小；

②中间层密度：地面观测点与大地水准面之间的剩余物质所产生的附加重力值；

③地球内部物质的密度分布不均匀：不像理想的那样呈密度均匀的同心层状分布。⑴自由空气重力异常：测点位置越高，实测重力值就越比理论重力值小。因此实测的结果需要校正，换算成为大地水准面上的数据。这种校正就称为自由空气校正或高度校正。校正后的重力异常称为自由空气重力异常。⑵布格重力异常：在陆地上测量时，测点与海平面之间并非空气，而是岩石。考虑了测点高度以及与大地水准面之间岩石密度的影响而进行的校正，称为布格校正（由法国大地测量学家布格提出）。经布格校正后的重力异常称为布格重力异常。布格重力异常反映了地球特别是地壳内部物质密度的分布及不均匀性，是研究地壳结构及矿产分布的重要手段。理论与实践表明，布格重力异常与地壳厚度（即莫霍面深度）存在很好的相关性。在大陆地区内部，山脉地区布格重力异常值低或负值较大，反映山脉地区地壳厚，莫霍面下凹深，仿佛存在着“山根”；而盆地或平原地区重力异常值高或负值较小，反映其地壳变薄，莫霍面变浅，形成“反山根”，地形高程常与莫霍面起伏形成一种类似镜像对称的关系。重力异常研究对找矿勘探也具有重要意义。例如，埋藏于地下的一些金属矿体，由于其密度较大，往往会引起局部重力异常值增高；而在一些石油、天然气的埋藏区，由于密度较小，常会导致局部重力异常值降低。如太平洋洋盆为+329mGal、大西洋为+272mGal、印度洋为+267mGal；而陆壳厚，莫霍面下凹，因而布格异常一般为负值，如我国的四川盆地为-150mGal左右、青藏高原为-500mGal左右。重力异常越高，地壳越薄、莫霍界面越浅；反之，重力异常越低，地壳越厚、莫霍面越深。这种现象反映了地表质量的过剩（地形隆起）由地壳深处质量的亏损（莫霍面的下拗）所补偿。这种地壳物质为适应重力的作用，总是力求与其更深部的物质之间达到质量或重量上的平衡状态的现象称为地壳的重力均衡（isostasy）。第五节重力均衡原理重力均衡：地表地形的起伏造成的载荷差异将在地壳深部乃至更深的部位得到充分补偿。在某一补偿深度之下，地球的压力处于流体静平衡状态，因此，在补偿界面以上的单位截面柱体中的重量必须相等，过多的地表负荷会导致在补偿界面之上要有等量的质量亏缺才能达到静态平衡，反之亦然。特别需要指出的，并不是所有地区的地壳均处在一个均衡状态。例如：青藏高原由于印度板块和欧亚板块的挤压一直处于上升过程中，该地区的地壳并不是均衡的。重力均衡补偿的两种模式：普拉特模式认为，补偿面以上单位柱体质量不等，高的质量小，低的质量大，在补偿面上总重量应相等。艾里模式认为，无论地形高低，浮在高密度地幔上面的岩石密度均相等，高山下部存在低密度的反山根。位于补偿面上的总重量相等。重力的不均衡会引起地壳的运动：如果补偿面上部发生质量亏损，表现为重力均衡负异常，地壳将上升。反之为正异常，地壳将向下调整。重力均衡的艾里模式重力均衡负异常地壳向上调整地壳地幔沉积剥蚀下降上升沉积与剥蚀作用引起的重力均衡调整。大陆冰川引起的重力均衡调整冰川陆壳第六节重力在地球演化中的作用控制地球早期内部层圈和外部层圈的形成。影响和控制了地球表层大气圈、水圈的地质作用过程。通过重力均衡调整使地壳发生升降运动。人工设施影响边坡的稳定性山坡的蠕动现象可以在平行于斜坡的陡崖上看到。坡面上的土层由于潜移速度很慢，短时间内难以看到，但是可以见到斜坡上的物体发生变形，如电线杆、墙壁的歪倒，树干向下坡弯曲形成“马刀树”等。修路诱发滑坡广义定义：斜坡岩(土)体顺坡向下滑移的一种现象，统称为滑坡，它包括崩塌和泥石流等。严格定义：在一定的地形地质条件下，由于外界条件的变化，各种自然或人为的因素影响（例如长期受水浸润，削弱山体下部支撑力量等），破坏了岩（土）体的力学平衡，使山坡上的不稳定土体（岩体）在重力作用下，沿着一定的软弱面（带）作整体的、缓慢的、间歇的向下滑动的不良地质现象，称之为滑坡。基本构造特征滑坡示意图1-滑坡体；2-滑动面；3-滑动带；4-滑坡床；5-滑坡后壁；6-滑坡台地；7-滑坡台地陡坎；8-滑坡舌；9-张拉裂缝；10-滑坡鼓丘；