十一五项目.pptx

固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论第四章第四章第四章第四章第四章第四章 地球磁场与地磁学地球磁场与地磁学地球磁场与地磁学地球磁场与地磁学pp地球磁地球磁地球磁地球磁场场及其构成及其构成及其构成及其构成pp岩石磁性岩石磁性岩石磁性岩石磁性 pp地磁地磁地磁地磁场场起源假起源假起源假起源假说说pp地球的地球的地球的地球的变变化磁化磁化磁化磁场场pp古地磁学与地磁古地磁学与地磁古地磁学与地磁古地磁学与地磁场变场变迁迁迁迁固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论第四章第四章4.1 4.1 地球磁场及其构成地球磁场及其构成地球磁场及其构成地球磁场及其构成 早早在在两两千千多多年年前前，中中国国人人就就知知道道任任何何利利用用了了天天然然磁磁石石的的吸吸铁铁性性和和指指极极性性,中中国国古古代代四四大大发发明明之之一一的的指指南南针针传传人人欧欧洲洲后后,被被发发展展用用于于航航海海导导航航。英英国国人人威威廉廉吉吉尔尔伯伯特特(William(WilliamGilbert)Gilbert)才才开开始始研研究究地地磁磁现现象象的的起起因因，他他于于16001600年年通通过过实实验验提提出出，地地球球类类似似一一个个大大磁磁铁铁。这这是是人人类类第第一一次次认认识识地地磁磁场的全貌。场的全貌。地球磁场发现地球磁场发现地球磁场发现地球磁场发现固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论第四章第四章地球磁场图片（地球磁场图片（地球磁场图片（地球磁场图片（1 1）SN固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论第四章第四章地球磁场图片（地球磁场图片（地球磁场图片（地球磁场图片（2 2）固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论第四章第四章 4.1.1 4.1.1 地磁场要素地磁场要素 地磁场磁力线与地面相交的角度随地磁地磁场磁力线与地面相交的角度随地磁纬度有规律地变化。为了刻画地磁场在地面纬度有规律地变化。为了刻画地磁场在地面的特征，通常用一个直角坐标系来描述，即的特征，通常用一个直角坐标系来描述，即XOY平面与地面相切，原点在地面，平面与地面相切，原点在地面，z轴指轴指向地心，向地心，x轴指向地理北，轴指向地理北，y轴指向东。地磁轴指向东。地磁场场B在各个轴上的投影分别为在各个轴上的投影分别为Z、X、Y，在，在XOY平面上的投影为平面上的投影为H，B与与XOY平面的夹平面的夹角为角为I，H与与x轴的夹角为轴的夹角为D。B地磁总场地磁总场(磁感应强度磁感应强度)H地磁水平分量地磁水平分量 Z地磁垂直分量地磁垂直分量 X地磁北向分量地磁北向分量 Y地磁地磁东向分量东向分量 I地磁倾角地磁倾角 D地磁偏角地磁偏角地磁要素地磁要素地磁要素地磁要素DOHYXZy (E)(N)xz(指向地心指向地心)BI固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论第四章第四章 4.1.2 4.1.2 地磁场的构成地磁场的构成 磁偶极子场磁偶极子场 由于地磁场具有南北极的特点，极其相似于在地球球心处有一个磁铁由于地磁场具有南北极的特点，极其相似于在地球球心处有一个磁铁所产生的磁场，而理论上将这种特征表示为位于球心处的磁偶极磁场。所产生的磁场，而理论上将这种特征表示为位于球心处的磁偶极磁场。偶极场位函数球谐模型：偶极场位函数球谐模型：这里这里这里这里,r 分别为纬度、经度和半径分别为纬度、经度和半径,（0，0）为磁轴在地面的坐标。为磁轴在地面的坐标。地磁偶极子场地磁偶极子场地磁偶极子场地磁偶极子场固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论第四章第四章 大陆磁场大陆磁场 由于偶极场是一个简单的、变化有规律的磁场，与实际地磁场相差太由于偶极场是一个简单的、变化有规律的磁场，与实际地磁场相差太大，故将这种具有全球性的、与大陆有关的磁场变化称为大陆磁场。大，故将这种具有全球性的、与大陆有关的磁场变化称为大陆磁场。偶极场和大陆磁场被称为基本磁场。基本磁场可以理解为地壳（或岩偶极场和大陆磁场被称为基本磁场。基本磁场可以理解为地壳（或岩石圈的不同成分和结构，在偶极子场磁化下，产生的叠加磁场。石圈的不同成分和结构，在偶极子场磁化下，产生的叠加磁场。基本磁场位的函数球谐模型：基本磁场位的函数球谐模型：地磁基本磁场地磁基本磁场地磁基本磁场地磁基本磁场固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论第四章第四章 如如果果把把半半径径为为的的球球面面上上球球谐谐系系数数写写成成复复数数系系数数形形式式，则则地地磁磁分分量量可可写写为：为：地磁基本磁场地磁基本磁场地磁基本磁场地磁基本磁场 （续）固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论第四章第四章 地磁异常地磁异常 由地壳内的岩石矿物及地质体在基本磁场磁化作用下所产生的磁场，由地壳内的岩石矿物及地质体在基本磁场磁化作用下所产生的磁场，称之为地壳磁场，又称为异常场或磁异常。称之为地壳磁场，又称为异常场或磁异常。地磁偶极子场、大陆磁场和磁异常被称为稳定磁场。稳定磁场主要地磁偶极子场、大陆磁场和磁异常被称为稳定磁场。稳定磁场主要源于地球内部（占源于地球内部（占99%99%），有时也称内部磁场。），有时也称内部磁场。地磁变化场地磁变化场 地磁的变化主要可分为长期变化和短期变化。长期变化主要由地球地磁的变化主要可分为长期变化和短期变化。长期变化主要由地球内部幔核物质运动所引起的地磁场变化，如磁极漂移、磁极倒转等；短内部幔核物质运动所引起的地磁场变化，如磁极漂移、磁极倒转等；短期变化主要由太阳风作用与电离层扰动所引起的变化。期变化主要由太阳风作用与电离层扰动所引起的变化。磁异常与变化磁场磁异常与变化磁场磁异常与变化磁场磁异常与变化磁场固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论第四章第四章磁学单位磁学单位磁学单位磁学单位 4.1.3 4.1.3 磁学单位磁学单位 目目前前磁磁学学单单位位有有两两种种体体系系，一一个个是是国国际际单单位位制制（SISI），另另一一个个是是高高斯单位制（斯单位制（CGSMCGSM）。）。SISI制：制：磁场强度：磁场强度：A/m A/m 安培安培/米米 磁化强度：（磁化强度：（1/41/4）10103 3 A/mA/m磁化率：磁化率：无量纲无量纲 SI,10SI,10-5-5SISI磁感应强度：磁感应强度：T T 特斯拉，特斯拉，1010-9-9 T=1 nT T=1 nT 纳特纳特 固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论第四章第四章地磁场总场分布图地磁场总场分布图地磁场总场分布图地磁场总场分布图固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论第四章第四章地磁场垂直分量分布图地磁场垂直分量分布图地磁场垂直分量分布图地磁场垂直分量分布图固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论第四章第四章地磁偏角分布图地磁偏角分布图地磁偏角分布图地磁偏角分布图固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论第四章第四章地磁倾角分布图地磁倾角分布图地磁倾角分布图地磁倾角分布图固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论第四章第四章卫星地磁异常图卫星地磁异常图卫星地磁异常图卫星地磁异常图固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论第四章第四章4.2 4.2 岩石磁性岩石磁性岩石磁性岩石磁性 任任何何物物质质的的磁磁性性都都是是带带电电粒粒子子运运动动的的结结果果。原原子子是是组组成成物物质质的的基基本本单单元元，它它由由带带正正电电的的原原子子核核及及其其核核外外电电子子壳壳屏屏组组成成。电电子子绕绕核核沿沿轨轨道道运运动动，具具有有轨轨道道磁磁矩矩。电电子子还还有有自自旋旋运运动动，具具有有自自旋旋磁磁矩矩。这这些些磁磁矩矩的的大大小小，与与各各自自的的动动量量矩矩成成正正比比。原原子子核核为为带带正正电电粒粒子子组组成成，呈呈自自旋旋转转动动，亦亦具具有有磁磁矩矩，但但数数值值很很小小。因因此此，原原子子总总磁磁矩矩是是电电子子轨轨道道磁磁矩矩、自自旋旋磁磁矩矩、及及原原子子核核自自旋旋磁磁矩矩三三者者的的矢矢量量和和。各各类类物物质质由由于于原原子子结结构构不不同同，它它们在外磁场作用下，呈现不同的宏观磁性。们在外磁场作用下，呈现不同的宏观磁性。物质及岩石磁性物质及岩石磁性物质及岩石磁性物质及岩石磁性固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论第四章第四章 4.2.1 4.2.1 物质的宏观磁性物质的宏观磁性 抗磁性抗磁性 在在外外磁磁场场作作用用下下，物物质质的的磁磁化化率率为为负负值值，且且数数值值很很小小。抗抗磁磁性性物物质质没没有有固固有有原原子子磁磁矩矩，受受外外磁磁场场作作用用后后，电电子子受受到到洛洛伦伦兹兹力力作作用用，其其运运动动轨轨道道绕绕外外磁磁场场作作旋旋进进(拉拉奠奠尔尔旋旋进进)，产产生生附附加加磁磁矩矩，其其方方向向与与外外磁磁场场相相反反，形形成成抗抗磁磁性性。实实际际上上它它是是物物质质的的一一种种普普遍遍性性质质，当当外外磁磁场场去去掉掉时时，附附加加磁磁矩矩随即消失，并与温度无关。抗磁性磁化率一般约为随即消失，并与温度无关。抗磁性磁化率一般约为1010-5-5SISI数量级。数量级。顺磁性顺磁性 顺顺磁磁性性物物质质受受外外磁磁场场作作用用，其其磁磁化化率率为为不不大大的的正正值值，这这类类物物质质中中原原子子具具有有固固有有磁磁矩矩，当当无无外外磁磁场场作作用用时时，热热骚骚动动使使原原子子磁磁矩矩取取向向混混乱乱。有有外外磁磁场场作作用用，原原子子磁磁矩矩顺顺着着外外磁磁场场方方向向排排列列，显显示示顺顺磁磁性性。顺顺磁磁性性磁磁化化率率与与抗抗磁性磁化率一样，数值比较小，属同一量级。磁性磁化率一样，数值比较小，属同一量级。抗磁质与顺磁质抗磁质与顺磁质抗磁质与顺磁质抗磁质与顺磁质固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论第四章第四章 铁磁性铁磁性 在弱外磁场作用下，铁磁性物质即可达到磁化饱和，磁化率很大，可在弱外磁场作用下，铁磁性物质即可达到磁化饱和，磁化率很大，可达达10102 210104 4 1010-5-5SI SI，且具有下述磁性特征：，且具有下述磁性特征：磁化强度与磁化场呈非线性关系磁化强度与磁化场呈非线性关系;铁磁性物质的磁化强度随磁化场变化，呈不可逆性。不同铁磁性物质铁磁性物质的磁化强度随磁化场变化，呈不可逆性。不同铁磁性物质磁滞回线不同磁滞回线不同;磁化率与温度的关系，服从居里磁化率与温度的关系，服从居里魏斯定律。魏斯定律。C C是居里常数，当是居里常数，当TTcTTc，铁磁性消失，转变为顺磁质。一般铁磁体的，铁磁性消失，转变为顺磁质。一般铁磁体的TcTc很很高，例如硅高，例如硅(1043K(1043K)，钴，钴(1388K(1388K)。铁磁质铁磁质铁磁质铁磁质固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论第四章第四章 4.2.1 4.2.1 三大类岩石磁性三大类岩石磁性 影响岩石磁性的主要因素影响岩石磁性的主要因素 一般情况下，岩石的磁性是在其形成过程中获得的。由于岩石成份和一般情况下，岩石的磁性是在其形成过程中获得的。由于岩石成份和形成过程的差异，岩石的磁性（磁化率）存在着很大差异。岩石磁性不仅形成过程的差异，岩石的磁性（磁化率）存在着很大差异。岩石磁性不仅与其矿物组成有关，而且与矿物结构构造以及所处的物理环境有关。大量与其矿物组成有关，而且与矿物结构构造以及所处的物理环境有关。大量岩石标本测试和统计以及岩石物理学研究结果表明，影响岩石磁性的主要岩石标本测试和统计以及岩石物理学研究结果表明，影响岩石磁性的主要因素有以下几个方面因素有以下几个方面 铁磁性矿物含量铁磁性矿物含量 铁磁性矿物结构与颗粒大小铁磁性矿物结构与颗粒大小 温度温度-压力压力影响岩石磁性的主要因素影响岩石磁性的主要因素影响岩石磁性的主要因素影响岩石磁性的主要因素固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论第四章第四章 三大类岩石磁性特征三大类岩石磁性特征 岩浆岩岩浆岩 岩岩浆浆岩岩是是富富含含铁铁磁磁性性矿矿物物的的岩岩石石，因因此此，岩岩浆浆岩岩的的磁磁性性一一般般具具有有较较高高的的磁磁性性。但但由由于于各各种种岩岩浆浆岩岩成成份份不不同同，矿矿物物结结晶晶程程度度不不同同，形形成成过程不同，其磁性也有很大的差异。过程不同，其磁性也有很大的差异。一般而言，在岩浆岩的磁性在成份方面有以下规律：一般而言，在岩浆岩的磁性在成份方面有以下规律：超基性岩超基性岩 基性岩基性岩 中性岩中性岩 酸性岩酸性岩在形成过程方面有以下规律：在形成过程方面有以下规律：深深成成岩岩 浅浅成成岩岩 火火山山岩岩体体现现了了矿矿物物结结晶晶程程度度与与岩岩石石磁磁性性的的关关系系 三大类岩石磁性特征三大类岩石磁性特征三大类岩石磁性特征三大类岩石磁性特征固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论第四章第四章 沉积岩沉积岩 沉积岩是原岩物质经过了风化、剥蚀、搬运、沉积过程形成的岩石，沉积岩是原岩物质经过了风化、剥蚀、搬运、沉积过程形成的岩石，原岩物质的物理化学性质在这些过程会发生不同程度的改变。以致原有的原岩物质的物理化学性质在这些过程会发生不同程度的改变。以致原有的磁性基本磁性基本“丧失殆尽丧失殆尽”。所以，沉积岩的磁性较低，磁化率属顺磁质范围，。所以，沉积岩的磁性较低，磁化率属顺磁质范围，一般被称为一般被称为“无磁性无磁性”岩石。岩石。变质岩变质岩 变质岩的磁性取决于原岩磁性和变质过程。一般而言，变质程度越高，变质岩的磁性取决于原岩磁性和变质过程。一般而言，变质程度越高，其磁性越高，尤其是在高温高压条件下原岩物质发生重结晶，会使原岩磁其磁性越高，尤其是在高温高压条件下原岩物质发生重结晶，会使原岩磁性增高。对于沉积岩，变质后磁性多会有所增高；但对于岩浆岩来说，经性增高。对于沉积岩，变质后磁性多会有所增高；但对于岩浆岩来说，经过低温变质或热液变质岩变质，会使铁磁性矿物磁畴被破坏，磁性反而变过低温变质或热液变质岩变质，会使铁磁性矿物磁畴被破坏，磁性反而变低。低。三大类岩石磁性特征三大类岩石磁性特征三大类岩石磁性特征三大类岩石磁性特征（续）固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论第四章第四章基本磁场的成因基本磁场的成因基本磁场的成因基本磁场的成因4.3 4.3 基本磁场的成因基本磁场的成因基本磁场的成因基本磁场的成因 在在历历史史上上曾曾经经有有过过两两种种盛盛行行的的地地磁磁成成因因说说。其其一一是是“铁铁磁磁成成因因说说”,即即认认为为地地球球本本身身好好是是一一个个均均匀匀磁磁化化的的大大磁磁铁铁。当当地地球球物物理理学学家家提提出出地地核核是是由由铁铁镍镍合合金金组组成成的的时时候候，这这种种学学说说似似乎乎得得到到支支持持。可可是是，地地球球内内部部温温度度太太高高，远远远远超超过过铁铁的的居居里里点点。即即使使考考虑虑居居里里点点随随压压力力的的增增加加而而增增高高也也无无济济于于事事。故故铁铁磁磁成成因因说说不不能能成成立立。其其二二是是“转转动动成成因因说说”。认认为为地地磁磁场场起起因因于于地地球球的的转转动动，因因为为转转动动可可以以产产生生磁磁场场。但但由由转转动动产产生生的的磁磁场场太太弱弱，无无法法与与实实测测值值相相比比，而而且且按按转转动动理理论论，距距地地心心越越近近，磁磁场场越越强强，这这与实际情况不符。转动成因说也不能成立。与实际情况不符。转动成因说也不能成立。任何一种合理的地磁成因论都必须从地球内部的结构和性质出发解任何一种合理的地磁成因论都必须从地球内部的结构和性质出发解释地磁场本身的特征。这些特征包括：第一，象高斯证明的那样，地磁释地磁场本身的特征。这些特征包括：第一，象高斯证明的那样，地磁场起因于地球内部；第二，地磁场存在着长周期的变化；第三，地磁场场起因于地球内部；第二，地磁场存在着长周期的变化；第三，地磁场存在延伸数千公里的大陆磁场。存在延伸数千公里的大陆磁场。固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论第四章第四章地磁地磁地磁地磁“自激发电机自激发电机自激发电机自激发电机”假说假说假说假说 4.3.1 4.3.1 自激发电机假说自激发电机假说 随着人们对地球内部结构和物质组成的认识的深化，为新的地磁随着人们对地球内部结构和物质组成的认识的深化，为新的地磁成因论的产生提供了可靠的事实基础。成因论的产生提供了可靠的事实基础。首先，地核的主要成分是铁镍质物质首先，地核的主要成分是铁镍质物质良导体；其次，外核提液良导体；其次，外核提液态物质，而且存在对流；第三，地球在不停地地转动。这些事实为发电态物质，而且存在对流；第三，地球在不停地地转动。这些事实为发电机理论创造了前提。地磁极的漂移现象，也为研究地核物质运动状态和机理论创造了前提。地磁极的漂移现象，也为研究地核物质运动状态和能级提供了可能。能级提供了可能。地核内存在电流是肯定的，地核内存在电流是肯定的，电流在导体中流动可以产生磁场，地磁电流在导体中流动可以产生磁场，地磁场会是电流在地核这个运动着的导体中流动所产生的吗？而这样产生的场会是电流在地核这个运动着的导体中流动所产生的吗？而这样产生的磁场是否具有地磁场的上述特性呢？磁场是否具有地磁场的上述特性呢？固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论第四章第四章地磁地磁地磁地磁“自激发电机自激发电机自激发电机自激发电机”假说假说假说假说 （续一）为了回答这些问题，首先让我为了回答这些问题，首先让我们来分析一下法拉弟的圆盘发电机们来分析一下法拉弟的圆盘发电机原理。金属圆盘在沿着与盘面垂直原理。金属圆盘在沿着与盘面垂直的轴线旋转，当此圆盘处于一个磁的轴线旋转，当此圆盘处于一个磁场中，盘内将产生感应电动势。若场中，盘内将产生感应电动势。若把圆盘中的感应电流回输到线路里，把圆盘中的感应电流回输到线路里，就形成自激发电，只要圆盘继续旅就形成自激发电，只要圆盘继续旅转，就会继续产生电流。这就从原转，就会继续产生电流。这就从原理上解决了地磁场的成因和维持问理上解决了地磁场的成因和维持问题。题。固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论第四章第四章地磁地磁地磁地磁“自激发电机自激发电机自激发电机自激发电机”假说假说假说假说 （续二）然而实际地球磁场模型与上述这种均匀发电然而实际地球磁场模型与上述这种均匀发电盘的盘的“模式模式”并不一样。但是它却形象直观地给并不一样。但是它却形象直观地给出了电流作功以维持磁场的过程。在地磁发电机出了电流作功以维持磁场的过程。在地磁发电机的理论中、首先假定在核内存在着一个所谓初始的理论中、首先假定在核内存在着一个所谓初始A A型磁场型磁场,电荷在初始磁场中发生电荷在初始磁场中发生X X型运动，型运动，X X型运型运动感应出动感应出B B型磁场的运动，由于这个运动将感应型磁场的运动，由于这个运动将感应出出B B型磁场。进而电荷在这个型磁场。进而电荷在这个B B型磁场中产生型磁场中产生Y Y型型运动，运动，如此下去，就形成了地磁场。，如此下去，就形成了地磁场。固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论第四章第四章地磁地磁地磁地磁“自激发电机自激发电机自激发电机自激发电机”假说假说假说假说 （续三）可以证明地磁极性的反转是稳态发电机中运动场被扰动的结果。它可以证明地磁极性的反转是稳态发电机中运动场被扰动的结果。它可能是对流运动固有的无规则属性的表现，也可能是磁场与运动两者非可能是对流运动固有的无规则属性的表现，也可能是磁场与运动两者非线性耦合、能量不断交换的结果。但这种扰动的源至今仍不清楚。线性耦合、能量不断交换的结果。但这种扰动的源至今仍不清楚。建立一个耦合发电圆盘方程组：建立一个耦合发电圆盘方程组：固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论第四章第四章地磁地磁地磁地磁“自激发电机自激发电机自激发电机自激发电机”假说假说假说假说 （续四）设两个圆盘转速为同一个常数时，用数值方法可求得与电流设两个圆盘转速为同一个常数时，用数值方法可求得与电流I I1 1+I+I2 2角角速度速度1 1+2 2成正比，且随时间成正比，且随时间T T的变化。由图可以看出，由于两个盘之间的变化。由图可以看出，由于两个盘之间的电磁耦合，以及圆盘角速度的电磁耦合，以及圆盘角速度被扰动。与此相应，系统电流也发生变被扰动。与此相应，系统电流也发生变化。当电流扰动加大到一定程度时，系统电流反向，并有可能围绕新的化。当电流扰动加大到一定程度时，系统电流反向，并有可能围绕新的反向后的平衡位置摆动，结果磁场发生例转。反向后的平衡位置摆动，结果磁场发生例转。耦合圆盘系统中，磁场倒转的事实，增强了人们对发电机理论的信耦合圆盘系统中，磁场倒转的事实，增强了人们对发电机理论的信念。但无论如何，它与地核内部可能的真实过程相差太远。与稳定发电念。但无论如何，它与地核内部可能的真实过程相差太远。与稳定发电机理论相比，非稳定发电机则更不完善。机理论相比，非稳定发电机则更不完善。固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论第四章第四章地磁地磁地磁地磁“自激发电机自激发电机自激发电机自激发电机”假说假说假说假说 （续五）现代的自激发电机效应假说认为：现代的自激发电机效应假说认为：液态地核内部由于重力分异、温差、压差等原因产生涡旋运动；液态地核内部由于重力分异、温差、压差等原因产生涡旋运动；由于地球绕轴自转所引起的回旋磁效应就存在一微弱初始磁场，虽由于地球绕轴自转所引起的回旋磁效应就存在一微弱初始磁场，虽比地磁场小比地磁场小1010倍，但足以引起再生效应；倍，但足以引起再生效应；地核电流体形成，通过感应方式电流自身形成的场又可连续不断地地核电流体形成，通过感应方式电流自身形成的场又可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；能量，因而引起一种自激发电机效应；由于能量的不断消耗和供应，磁场增强到一定程度就稳定下来，形由于能量的不断消耗和供应，磁场增强到一定程度就稳定下来，形成现在的地球基本磁场；成现在的地球基本磁场；由于地核内涡流系统的复杂性，宏观上表现为一个不稳定的自激发由于地核内涡流系统的复杂性，宏观上表现为一个不稳定的自激发电系统，外界条件或内部因素有一定变化时，会出现极性倒转现象。电系统，外界条件或内部因素有一定变化时，会出现极性倒转现象。这种假说不仅能定性地解释地磁偶极子场和非偶极子场起源，而且解这种假说不仅能定性地解释地磁偶极子场和非偶极子场起源，而且解释了地球磁轴倒转等现象，目前被认为是最可取的地磁成因理论。释了地球磁轴倒转等现象，目前被认为是最可取的地磁成因理论。固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论第四章第四章地球的变化磁场地球的变化磁场地球的变化磁场地球的变化磁场4.4 4.4 地球的变化磁场地球的变化磁场地球的变化磁场地球的变化磁场 如前所说，地磁场由两部分组成，一部分叫内源场，一部分叫外源如前所说，地磁场由两部分组成，一部分叫内源场，一部分叫外源场。外源场是不断变化的。变化磁场有的具有周期性，有的没有，有的场。外源场是不断变化的。变化磁场有的具有周期性，有的没有，有的形态规则，有的又不规则，有的连续出现，有的则偶然发作。形态规则，有的又不规则，有的连续出现，有的则偶然发作。地球的变化磁场有平静变化和扰动两种类型。前者由电离层中的电地球的变化磁场有平静变化和扰动两种类型。前者由电离层中的电流体系引起，其特征是连续性和周期性，而扰动主要由太阳风引起，是流体系引起，其特征是连续性和周期性，而扰动主要由太阳风引起，是地磁基本场和平静变化上迭加的干扰背景。变化磁场在地表比基本磁场地磁基本场和平静变化上迭加的干扰背景。变化磁场在地表比基本磁场要小得多，通常约为万分之几到千分之几，偶尔可达百分之几。变化场要小得多，通常约为万分之几到千分之几，偶尔可达百分之几。变化场在地面上的数量虽小，但由于来源于高空，其空间分布和时间变化能反在地面上的数量虽小，但由于来源于高空，其空间分布和时间变化能反映高空各种电磁过程，对于研究高空物理现象、高空介质的性质和运动映高空各种电磁过程，对于研究高空物理现象、高空介质的性质和运动状态以及地下的电性结构等是重要的信息。状态以及地下的电性结构等是重要的信息。固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论第四章第四章周期性变化周期性变化周期性变化周期性变化 4.4.1 4.4.1 地磁场平静变化地磁场平静变化 平静变化又分为太阳日变化和太阳日变平静变化又分为太阳日变化和太阳日变化两大类。前者由日照的变化，即热变化引化两大类。前者由日照的变化，即热变化引起，周期为起，周期为2424小时；后者由潮汐运动所引起小时；后者由潮汐运动所引起的周期为的周期为12.512.5小时小时(月潮月潮)和和1212小时小时(日潮日潮)。直接原因：太阳得热辐射作用，导致高直接原因：太阳得热辐射作用，导致高空电离层空电离层(100km(100km的的E E层和层和200kmF200kmF层层)在地磁场在地磁场中以太阴潮和太阳潮为周期作周期运动，从中以太阴潮和太阳潮为周期作周期运动，从而建立高空电离层中的电流系统。而建立高空电离层中的电流系统。地磁场的平静变化正是电离层中这种随地磁场的平静变化正是电离层中这种随季节、时间和地理纬度而不同的电流系统在季节、时间和地理纬度而不同的电流系统在地壳中产生的磁场之变化，变化磁场幅值为地壳中产生的磁场之变化，变化磁场幅值为30-40nT30-40nT。固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论第四章第四章电离层电流系统图电离层电流系统图电离层电流系统图电离层电流系统图固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论第四章第四章扰动变化与太阳风扰动变化与太阳风扰动变化与太阳风扰动变化与太阳风 4.4.1 4.4.1 地磁场扰动变化地磁场扰动变化 地磁场的诸要素相对于平静磁场水平的任何偏离均称为地成扰动。地磁场的诸要素相对于平静磁场水平的任何偏离均称为地成扰动。扰动的幅度大小不等，从扰动的幅度大小不等，从lnTlnT到到1000nT1000nT，持续时间不一，从几秒到几天，持续时间不一，从几秒到几天，分布范围也不同，有全球性也有地方性的。强者称为磁暴，影响范围大，分布范围也不同，有全球性也有地方性的。强者称为磁暴，影响范围大，弱者称为磁扰，影响范围小。弱者称为磁扰，影响范围小。太阳风及其对地磁场的影响太阳风及其对地磁场的影响 人造卫星上天以前，人们一直认为地磁场是对称的和无限延伸的。人造卫星上天以前，人们一直认为地磁场是对称的和无限延伸的。根据空间探测的资料，发现地磁场是有边界的、不对称的，其延伸情况根据空间探测的资料，发现地磁场是有边界的、不对称的，其延伸情况与太阳风有关。与太阳风有关。所谓太阳风是从太阳不断发山的高能带电粒子流，也就是说，太阳所谓太阳风是从太阳不断发山的高能带电粒子流，也就是说，太阳风具有磁场。这种带电离子流可以看成是一种附加于地球磁场上的压力风具有磁场。这种带电离子流可以看成是一种附加于地球磁场上的压力波。压力波波。压力波“吹吹”动地球的磁场并形成一个冲击动地球的磁场并形成一个冲击“波前波前”。这就是地磁。这就是地磁场的场的“边界边界”。在这个边界上，太阳风的能流密度和地磁场的能流密度。在这个边界上，太阳风的能流密度和地磁场的能流密度相平衡。相平衡。固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论第四章第四章扰动变化与太阳风扰动变化与太阳风扰动变化与太阳风扰动变化与太阳风 （续）很很显显然然，地地磁磁场场之之所所以以有有边边界界是是由由于于太太阳阳风风“吹吹动动”的的结结果果。这这个个边边界界以以内内的的地地球球磁磁场场叫叫地地球球磁磁层层，边边界界就就是是磁磁层层顶顶。磁磁层层随随地地球球自自转转顺顺转动。地磁层是不对称的。转动。地磁层是不对称的。一一般般情情况况下下，朝朝阳阳的的一一面面，地地磁磁层层顶顶的的高高度度只只有有7-107-10个个地地球球半半径径，在在太太阳阳风风激激烈烈活活动动的的，只只有有4-64-6个个地地球球半半径径。反反之之，在在背背阳阳一一侧侧，由由于于无无太太阳阳风风的的正正面面压压力力，地地球球磁磁场场可可以以在在宇宇宙宙空空间间延延伸伸到到几几百百个个地地球球半半径径以以外。整个地球的磁层就象一个拖着尾巴的慧星，它的延伸部分叫外。整个地球的磁层就象一个拖着尾巴的慧星，它的延伸部分叫磁尾磁尾。固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论第四章第四章太阳风对磁层的作用示意图太阳风对磁层的作用示意图太阳风对磁层的作用示意图太阳风对磁层的作用示意图固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论第四章第四章磁暴磁暴磁暴磁暴 磁暴磁暴 所谓磁暴是指全球性同时发生的强烈磁扰，它是太阳活动喷发出来所谓磁暴是指全球性同时发生的强烈磁扰，它是太阳活动喷发出来的粒子流与地磁场互相作用的结果。磁暴场可分为规则变化与不规则变的粒子流与地磁场互相作用的结果。磁暴场可分为规则变化与不规则变化。化。磁暴包括暴时变化、扰日变化和极区磁亚暴，前两者属规则变化，磁暴包括暴时变化、扰日变化和极区磁亚暴，前两者属规则变化，而极区磁亚暴是不规则变化。暴时变化是磁暴的主要部分，反映了磁暴而极区磁亚暴是不规则变化。暴时变化是磁暴的主要部分，反映了磁暴场的基本形态。磁暴场一般可分为三个阶段，即起始阶段场的基本形态。磁暴场一般可分为三个阶段，即起始阶段(初相初相)，发展，发展阶段阶段(主相主相)和恢复阶段。和恢复阶段。磁暴具有磁暴具有2727天的周期性。春秋居多，冬夏较少。天的周期性。春秋居多，冬夏较少。固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论第四章第四章极区磁亚暴和极光极区磁亚暴和极光极区磁亚暴和极光极区磁亚暴和极光 极区磁亚暴和极光极区磁亚暴和极光 极区磁亚暴是一种区域性磁暴，一般限于高纬度地带。共延续时间极区磁亚暴是一种区域性磁暴，一般限于高纬度地带。共延续时间较暴时发展阶段较暴时发展阶段(数小时数小时)要短的一种扰乱，在极区最强。极区磁亚暴不要短的一种扰乱，在极区最强。极区磁亚暴不仅在磁暴过程中出现，有时也在比较平静的日子出现。极区磁亚暴在中仅在磁暴过程中出现，有时也在比较平静的日子出现。极区磁亚暴在中低纬度地区幅度变化不大，形似海湾，又称磁湾，幅度可达几百或上千低纬度地区幅度变化不大，形似海湾，又称磁湾，幅度可达几百或上千纳特。持续时间可从半小时到数小时。纳特。持续时间可从半小时到数小时。极区磁暴与电离层中的电流体系有关。事实上，极区磁暴和极光有极区磁暴与电离层中的电流体系有关。事实上，极区磁暴和极光有着密切的联系。着密切的联系。固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论第四章第四章古地磁学古地磁学古地磁学古地磁学4.5 4.5 古地磁学与地磁场变迁古地磁学与地磁场变迁古地磁学与地磁场变迁古地磁学与地磁场变迁 古地磁学是近古地磁学是近3030年发展起来的，以测量岩石的剩余磁性来研究古代年发展起来的，以测量岩石的剩余磁性来研究古代地磁场的科学。古地磁学的出现，标志着近代地球科学的重大进展。尤地磁场的科学。古地磁学的出现，标志着近代地球科学的重大进展。尤如古生物化石一样，借助于磁性如古生物化石一样，借助于磁性“化石化石”。地质学家们不但可以进行岩。地质学家们不但可以进行岩层对比，而且可以研究不同范围约构造运动，从而为现今的板块构造说层对比，而且可以研究不同范围约构造运动，从而为现今的板块构造说提供了极为重要的依据。为建立和完善板块学说起了重要的作用。提供了极为重要的依据。为建立和完善板块学说起了重要的作用。固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论第四章第四章热剩磁热剩磁热剩磁热剩磁 4.5.1 4.5.1 岩石剩磁岩石剩磁 岩石剩余磁化强度是岩石在成岩过程中获得天然剩余磁化强度，它岩石剩余磁化强度是岩石在成岩过程中获得天然剩余磁化强度，它是岩石磁性的重要组成部分。由于形成剩余磁性的磁化历史是岩石磁性的重要组成部分。由于形成剩余磁性的磁化历史(如磁化场，如磁化场，矿物成分，温度、及化学反应等矿物成分，温度、及化学反应等)的不同，因而剩余磁性的类型、特点不的不同，因而剩余磁性的类型、特点不相同。相同。岩石剩余磁性的类型及特点岩石剩余磁性的类型及特点 热剩余磁性热剩余磁性(TRM)(TRM)在恒定磁场作用下，岩石从居里点以上的温度，逐渐冷却到居里点在恒定磁场作用下，岩石从居里点以上的温度，逐渐冷却到居里点以下，从通过居里温度开始，受磁化所获得的剩磁，称热剩余磁性以下，从通过居里温度开始，受磁化所获得的剩磁，称热剩余磁性(温度温度顽磁性，简称热剩磁顽磁性，简称热剩磁)。固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论第四章第四章热剩磁热剩磁热剩磁热剩磁 （续）热剩磁的特点：热剩磁的特点：它的强度大。在弱磁场中，其热剩磁强度大致正比于外磁场强度；它的强度大。在弱磁场中，其热剩磁强度大致正比于外磁场强度；并与磁场方向一致。因此，火成岩的天然剩余磁化强度方向，一般代表并与磁场方向一致。因此，火成岩的天然剩余磁化强度方向，一般代表了成岩时的地磁场方向。了成岩时的地磁场方向。热剩磁具有很高的稳定性。剩磁随时间衰减的现象，叫做磁性弛热剩磁具有很高的稳定性。剩磁随时间衰减的现象，叫做磁性弛豫。热剩磁的稳定，表现为其弛豫时间很长。实验表明，外磁场的变化，豫。热剩磁的稳定，表现为其弛豫时间很长。实验表明，外磁场的变化，温度在温度在200200300300内的热作用，很难影响热剩磁的变化。内的热作用，很难影响热剩磁的变化。固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论固体地球物理学概论第四章第四章碎屑剩余磁性碎屑剩余磁性碎屑剩余磁性碎屑剩余磁性 碎屑剩余磁性碎屑剩余磁性(DRM)(DRM)沉积岩中含有从母岩风化剥蚀带来的许多碎屑颗粒，其中磁性颗沉积岩中含有从母岩风化剥蚀带来的许多碎屑颗粒，其中磁性颗粒粒(磁铁矿等磁铁矿等)在水中沉积时，受当时的地磁场作用，使其沿地磁场方在水中沉积时，受当时的地磁场作用，使其沿地磁场方向定向排列，或者是这些磁性颗粒在沉积物的含水孔隙中转向地磁场向定向排列，或者是这些磁性颗粒在沉积物的含水孔隙中转向地磁场方向。沉积物固结成岩后，按其碎屑的磁化方向保存下来的磁性，称方向。沉积物固结成岩后，按其碎屑的磁化方向保存下来的磁性，称碎屑剩余磁性碎屑剩余磁性(沉积剩余磁性，简称碎屑剩磁沉积剩余磁性，简称碎屑剩磁)。碎屑剩磁的特点：碎屑剩磁的特点：它的强度正比于定向排列的磁性颗粒数目。其强度比热剩磁小它的强度正比于定向排列的磁性颗粒数目。其强度比热剩磁小得多。得多。形成碎屑剩磁的磁性颗粒大都来自火成岩，这些颗粒的原生磁形成碎屑剩磁的磁性颗粒大都来自火成岩，这些颗粒的原生磁性来自热剩磁，因此碎屑剩磁比较稳定。性来自热剩磁，因此碎屑剩磁比较稳定。等轴状颗粒，其碎屑剩磁方向和外磁场