長(zhǎng)安大學(xué)地球物理學(xué)原理-第8章 地球的電磁場(chǎng)

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1、 p是 研 究 地 球 本 身 及 其 周 圍 空 間 電 磁 場(chǎng) 的 時(shí)分 布 規(guī) 律 、 構(gòu) 成 、 起 源 及 應(yīng) 用 的 學(xué) 科 ；p是 實(shí) 驗(yàn) 性 極 強(qiáng) 的 精 密 觀(guān) 測(cè) 學(xué) 科 。p研 究 的 理 論 基 礎(chǔ) 是 電 磁 學(xué) 。p地 磁 學(xué) 研 究 的 對(duì) 象 ： 地 球 本 身 及 其 周 圍 空間 的 電 磁 場(chǎng) ， 即 地 球 的 磁 場(chǎng) 。p地 磁 觀(guān) 測(cè) 是 地 磁 學(xué) 科 研 究 與 發(fā) 展 的 基 礎(chǔ) 。 公 元 前 770 221年 春 秋 戰(zhàn) 國(guó) 時(shí) 期 ， 人 類(lèi) 發(fā) 現(xiàn)磁 石 及 其 相 互 吸 引 的 現(xiàn) 象 。 屬 于 一 般 物 理 學(xué) 的 范疇 ，

2、 但 為 地 磁 學(xué) 研 究 奠 定 了 基 礎(chǔ) 。 從 有 確 切 的 文 字 記 錄 算 起 ， 地 磁 學(xué) 的 發(fā) 展 大致 經(jīng) 歷 了 四 個(gè) 階 段 ：地 磁 學(xué) (觀(guān) 測(cè) )發(fā) 展 簡(jiǎn) 史 1. 初 期 地 磁 學(xué) 公 元 前 250年 公 元 1600年 ， 以 中 國(guó) 發(fā) 明 指南 針 為 標(biāo) 志 。 指 南 車(chē) 的 復(fù) 原 模 型 ： 一 種 用 來(lái) 辨 認(rèn) 方 向 的 儀 器 。 車(chē) 上 有 一 小 人 ，其 手 指 的 方 向 即 為 南 方 ， 傳 說(shuō) 司 南 、 羅 盤(pán) 都 是 根 據(jù) 它 而 發(fā) 明 。 公 元 838 1099年 ， 指 南 針 用 于 航 海 。

3、 公 元 11世 紀(jì) ， 發(fā) 現(xiàn) 、 觀(guān) 測(cè) 磁 偏 角 。 公 元 12 16世 紀(jì) ， 發(fā) 現(xiàn) 磁 傾 角 ， 磁偏 角 、 磁 傾 角 隨 地 點(diǎn) 有 差 異 ； 發(fā) 表 第 一 篇論 文 。 磁 偏 角 、 磁 傾 角 的 測(cè) 量 與 資 料 積 累 幾乎 是 這 一 階 段 地 磁 研 究 的 全 部 工 作 。 夢(mèng) 溪 筆 談 （ 沈 括 ， 1031 1095） 中 寫(xiě) 道 ： “ 方 家以 磁 石 磨 針 鋒 ， 則 能 指 南 ， 然 常 微 偏 東 ， 不 全 南 也 ” ；北 宋 時(shí) 已 將 指 南 針 用 于 航 海 （ “ 舟 師 識(shí) 地 理 ， 夜 則 觀(guān)星 ， 晝

4、 則 觀(guān) 日 ， 隱 晦 則 觀(guān) 指 南 針 ” 萍 洲 可 談 ） ?！鞍?房 前 殿 ， 以 木 蘭 為 梁 ， 磁 石 為 門(mén) ， 懷 刃 者 止 之 ”（ 三 浦 皇 圖 ） ； 2. 早 期 地 磁 學(xué)1600 1893年 ， 英 國(guó) 皇 家 醫(yī) 生 吉 爾 伯 特 發(fā) 表 巨 著“ 地 磁 學(xué) ” 標(biāo) 志 此 階 段 的 開(kāi) 始 。公 元 17世 紀(jì) ， 發(fā) 現(xiàn) 磁 偏 角 、 磁 傾 角 隨 時(shí) 間 的 變 化 ，提 出 地 球 磁 場(chǎng) 起 源 的 假 說(shuō) （ 吉 爾 伯 特 ） 。1702年 編 制 了 第 一 張 全 球 地 磁 圖 （ D） ； 認(rèn) 識(shí) 了地 磁 場(chǎng) 有 緩

5、 慢 的 長(zhǎng) 期 變 化 。1799 1804年 ， 發(fā) 明 并 開(kāi) 始 了 磁 場(chǎng) 強(qiáng) 度 的 測(cè) 量 。 3. 近 代 地 磁 學(xué) 1839 1957年 ， 以 德 國(guó) 高 斯 將 球 諧 分 析 理 論 用 于 地 磁研 究 為 標(biāo) 志 。公 元 19世 紀(jì) ， 建 立 地 磁 學(xué) 的 基 本 理 論 高 斯 理 論 ，用 數(shù) 學(xué) 表 達(dá) 式 描 述 地 磁 場(chǎng) ； 制 作 測(cè) 量 強(qiáng) 度 的 儀 器 。1915年 ， 施 密 特 （ Adolf Schmidt） 制 作 刃 口 式 磁 力儀 ， 大 大 提 高 了 磁 測(cè) 精 度1930s， 前 蘇 聯(lián) 羅 加 喬 夫 研 制 成 功

6、 感 應(yīng) 式 航 空 磁 力 儀1940年 恰 普 曼 、 巴 特 爾 合 寫(xiě) 的 經(jīng) 典 著 作 “ 地 磁 學(xué) ” 出版 。這 一 階 段 建 立 了 地 磁 臺(tái) 、 國(guó) 際 合 作 組 織 IUGG、 IAGA。 4. 現(xiàn) 代 地 磁 學(xué)1957年 以 后 ， 前 蘇 聯(lián) 第 一 顆 人 造 地 球 衛(wèi) 星 上 天 開(kāi)始 了 空 間 時(shí) 代 。人 類(lèi) 走 進(jìn) 太 空 ， 站 在 地 球 以 外 認(rèn) 識(shí) 地 磁 場(chǎng) 、 迅 速全 面 地 觀(guān) 測(cè) 地 磁 場(chǎng) ； 形 成 空 間 物 理 學(xué) 。對(duì) 巖 石 磁 性 的 研 究 建 立 了 古 地 磁 學(xué) 。古 地 磁 學(xué) 研 究 為 大 陸 漂

7、 移 海 底 擴(kuò) 張 板 塊 構(gòu) 造學(xué) 說(shuō) 的 建 立 提 供 了 重 要 的 依 據(jù) 。 大 西 洋 地 磁 偏 角圖 （ 1701 年 ，哈 雷 ） 返 回 中 國(guó) 地 磁 臺(tái) 站 分 布 圖 （ 中 國(guó) 地 震 局 ） 國(guó) 家 級(jí) 地 磁 臺(tái) 站省 級(jí) 、 市 縣 級(jí) 地 磁 臺(tái) 站 返 回 18 周 至 綜 合 地 震 臺(tái) 地 磁 場(chǎng) : 地 球 本 身 及 其 周 圍 空 間 存 在 的 電 磁場(chǎng) ， 即 地 球 的 磁 場(chǎng) 。 地 磁 場(chǎng) 是 矢 量 場(chǎng) ， 地 磁 場(chǎng) 磁 感 應(yīng) 強(qiáng)度 矢 量 記 為 太 陽(yáng) 擾 日 變 化 磁 暴灣 擾鉤 擾地 磁 脈 動(dòng)地磁場(chǎng) 內(nèi) 源 場(chǎng)穩(wěn)

8、定 場(chǎng)99%外 源 場(chǎng)變 化 場(chǎng)1% 主 磁 場(chǎng) 95%異 常 場(chǎng) 4%電 磁 感 應(yīng) 場(chǎng)平 靜 變 化非 K變 化干 擾 變 化K變 化 偶 極 子 場(chǎng) 80%非 偶 極 子 場(chǎng) 平 靜 太 陽(yáng) 日 變 化太 陰 日 變 化 穩(wěn)定場(chǎng)內(nèi) 源 變 化 場(chǎng) 變化場(chǎng) 通 常 用 直 角 坐 標(biāo) 系 來(lái) 描 述， 即 XOY平 面 與 地 面 相 切， 原 點(diǎn) 在 觀(guān) 測(cè) 點(diǎn) 地 面 ， z軸 指 向 地 心 ， x軸 指 向 地理 北 ， y軸 指 向 東 。 B地 磁 總 場(chǎng) 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

9、D地 磁 偏 角 D IO HYXZ y (E) (N)x z(指 向 地心 ) B 地 磁 七 個(gè) 要 素 中 只 要 知 道 其 中 三 個(gè) 獨(dú) 立 的 要 素 ，其 余 四 個(gè) 就 可 以 計(jì) 算 ， 故 稱(chēng) 三 個(gè) 獨(dú) 立 的 要 素 為 地磁 三 要 素 。 在 地 磁 三 要 素 中 ， 磁 偏 角 D是 必 須 測(cè) 量 的 ， 其 它兩 個(gè) 要 素 可 根 據(jù) 實(shí) 際 情 況 任 意 選 測(cè) 。 地 磁 要 素 之 間 有 如 下 關(guān) 系 ： HtgIZ,DsinHY,YXH ZYXB 22 222T 地 磁 場(chǎng) 的 基 本 特 征u地 磁 場(chǎng) 近 似 為 地 心 偶 極 子 磁

10、 場(chǎng) ： 地 磁 場(chǎng) 的 一 級(jí) 近 似 為 一 個(gè) 置 于 地 心 的 偶 極 子 的 磁 場(chǎng) ， 這個(gè) 偶 極 子 的 磁 軸 和 地 軸 斜 交 一 個(gè) 角 度 (11.5)。 u地 磁 場(chǎng) 是 一 個(gè) 弱 磁 場(chǎng) 地 磁 場(chǎng) 的 平 均 值 大 約 為 50000nT， 在 兩 極 附 近 也 不 過(guò)70000nT 。u地 磁 場(chǎng) 是 一 個(gè) 穩(wěn) 定 磁 場(chǎng) SN 冕 洞太 陽(yáng) 磁 場(chǎng) ：局 部 磁 場(chǎng) （ 主 要 指 黑 子 場(chǎng) 、 整 體 磁 場(chǎng) 和 普 遍 磁 場(chǎng) 。太 陽(yáng) 普 遍 磁 場(chǎng) （ a） 和 扇 形 磁 場(chǎng) (b)示 意 圖 1975年 2010年 ， 磁 場(chǎng) 與 太

11、 陽(yáng) 的 11年 活 動(dòng) 周 期 相 對(duì) 應(yīng) 。 太 陽(yáng) 黑 子 及 產(chǎn) 生 機(jī) 制 行 星 際 磁 場(chǎng) 的 扇 形 結(jié) 構(gòu) 太 陽(yáng) 磁 場(chǎng) 對(duì) 地 磁 場(chǎng) 產(chǎn) 生 很 重 要 影 響 ：（ 1） 耀 斑 引 起 地 磁 暴（ 2） 太 陽(yáng) 風(fēng) 是 形 成 地 球 磁 層 的 外 因（ 3） 黑 子 11年 （ 半 周 期 ） 與 地 球 大 氣 變 化 、 地 震 活 動(dòng) 相 關(guān) 磁 層p磁 層 ： 從 電 離 層 以 上 直 到 行 星 空 間 的 區(qū)域 ， 其 中 帶 電 粒 子 所 受 到 的 磁 場(chǎng) 作 用 力已 大 于 氣 體 的 壓 力 ， 因 而 帶 電 粒 子 的 運(yùn)動(dòng) 主

12、要 由 這 一 區(qū) 域 中 的 地 磁 場(chǎng) 控 制 ， 稱(chēng)這 區(qū) 域 為 磁 層 。p 向 日 面 10RE， 背 日 面 30100RE，p Van Allen belts； 極 光 。 磁 層 范 阿 倫 輻 射 帶 木 星 極 光 地 磁 圖地 磁 圖 ： 某 地 磁 要 素 在 地 圖 上 （ 同 一 時(shí) 刻 ） 的 等 值線(xiàn) 圖 。由 于 地 磁 要 素 隨 時(shí) 間 變 化 ， 一 個(gè) 地 區(qū) 的 地 磁 測(cè) 量 時(shí) 常不 是 短 時(shí) 期 能 完 成 的 ， 在 制 作 等 值 圖 時(shí) ， 必 須 將 不 同 時(shí)間 的 觀(guān) 測(cè) 值 ， 按 照 地 磁 場(chǎng) 隨 時(shí) 間 的 變 化 規(guī)

13、律 歸 算 到 同 一指 定 時(shí) 間 。由 于 觀(guān) 測(cè) 點(diǎn) 分 布 不 均 勻 ， 通 常 采 用 高 斯 球 諧 分 析 的 方法 ， 得 出 高 斯 系 數(shù) 后 ， 按 一 定 公 式 算 出 磁 場(chǎng) 分 布 ， 然 后繪 出 各 種 等 值 圖 。 0BBB 觀(guān) 郯廬斷裂帶磁異常 地 磁 場(chǎng) 模 式1.球 諧 模 式 ： 用 球 諧 級(jí) 數(shù) 表 示 地 磁 場(chǎng) 分 布 。最 常 用 的 方 法 ， 但 不 能 反 映 地 磁 場(chǎng) 場(chǎng) 源 的 實(shí) 際 狀況 。2.偶 極 子 模 式 ： 是 用 若 干 個(gè) 偶 極 子 表 示 地 磁 場(chǎng) 分布 。有 助 于 闡 明 地 磁 場(chǎng) 及 長(zhǎng) 期

14、變 化 的 起 源 。3.電 流 環(huán) 模 式 ： 是 用 若 干 電 流 環(huán) 表 示 地 磁 場(chǎng) 分 布 。有 助 于 闡 明 地 磁 場(chǎng) 及 長(zhǎng) 期 變 化 的 起 源 ， 且 物 理 意義 最 為 明 確 ， 計(jì) 算 較 偶 極 子 模 式 繁 瑣 。 高 斯 球 諧 分 析 解 決 了 兩 個(gè) 問(wèn) 題 ：能 不 能 找 到 一 個(gè) 適 當(dāng) 的 數(shù) 學(xué) 表 達(dá) 式 把 地磁 要 素 的 地 面 分 布 表 示 成 地 理 坐 標(biāo) 的 函 數(shù) ；地 磁 場(chǎng) 到 底 是 起 源 于 地 球 內(nèi) 部 還 是 地 球外 部 。 地 磁 場(chǎng) 滿(mǎn) 足 麥 克 斯 韋 方 程 組 ： tDjHB 40B

15、=H, 0地 球 電 磁 場(chǎng)是 緩 變 場(chǎng) 0tD 地 球 表 面 附近 ， 空 氣 可視 為 絕 緣 體 0 H0 Ej tDjHB 40 0 H UH 02 U 磁 位 U的 負(fù) 梯 度 即 為 磁 場(chǎng) 強(qiáng) 度 H ： H = - U在 球 坐 標(biāo) 系 下 解 上 述 拉 普 拉 斯 方 程 ， 并 求出 磁 場(chǎng) 強(qiáng) 度 表 達(dá) 式 ， 便 可 得 到 描 述 地 磁 場(chǎng)的 基 本 理 論 高 斯 理 論 。 取 以 球 心 為 原 點(diǎn) 的 球 坐 標(biāo) 系 ， 極 軸 取 為 地 球 自 轉(zhuǎn) 軸 并 指 向 北極 ， r為 球 心 O至 測(cè) 點(diǎn) P的 距 離 ， 為 余 緯 度 ， 為 經(jīng)

16、 度 。 則 ： 0Usinr 1Usinsinr 1rUrrr1 2222222 其 解 為 ： )(cosP)msindmcosc(r )msinbmcosa(r),r(U mnmnmnn 0n n 0m mnmn)1n( 采 用 施 密 特 形 式 的 締 合 勒 讓 德 函 數(shù) )(cosP)!mn( )!mn(2)(cosP mn21mmn )1(,1 )0(,2 mmm其 中其 解 可 表 示 為 ： )(cosP)msinDmcosC(r )msinBmcosA(r),r(U mnmnmnn 0n n 0m mnmn)1n(0 21mmn0mn )!mn( )!mn(2aA 具

17、有 類(lèi) 似 的 表 達(dá) 式 。mnB mnC mnD其 中 ： 通 解 包 含 兩 個(gè) 部 分 ： 第 一 部 分 ： 項(xiàng) ， 其 磁 勢(shì) 表 示 為 Ui； 第 二 部 分 ： 項(xiàng) ,相 應(yīng) 的 磁 勢(shì) 表 示 為 Ue。 Ui隨 r增 大 而 減 小 ， 當(dāng) r 時(shí) ， Ui0； Ue隨 r減 小而 減 小 ， 當(dāng) r 0時(shí) ， Ue0。 因 為 拉 普 拉 斯 方 程 解 的 適 用 范 圍 應(yīng) 是 無(wú) 源 的 ， 所 以Ui為 地 球 內(nèi) 部 場(chǎng) 源 的 磁 勢(shì) ， Ue為 地 球 外 部 場(chǎng) 源 的 磁 勢(shì) 。即 ： 項(xiàng) 代 表 內(nèi) 源 場(chǎng) 部 分 , 項(xiàng) 代 表 外 源 場(chǎng) 部 分

18、 。 )1( nr nr nr )1( nr )(cos)sincos( )sincos(),( 0 0 )1(0 mnmnmnn n nm mnmnn PmDmCr mBmArrU rAUi /000 000 A 000 C當(dāng) n 0時(shí) ， m=0， 此 時(shí) ，Ue是 一 個(gè) 同 r無(wú) 關(guān) 的 常 數(shù) ， 這 個(gè) 常 數(shù) 只 能 為 0， 故 000 CUe 顯 然 Ui是 磁 單 極 的 磁 勢(shì) ， 而 磁 單 極 是 不 存 在 的 ,故 應(yīng) 有 )(cosP)msinkmcosj(Rr )msinhmcosg(rRR),r(U mnmnmnn 1n n 0m mnmn1n0 )2n(m

19、nmn RAg )2n(mnmn RBh 1nmnmn RCj 1nmnmn RDk 近 地 空 間 任 一 點(diǎn) 的 磁 位 表 達(dá) 式 ：其 中 ： 地 表 任 一 點(diǎn) 的 磁 位 表 達(dá) 式 )(cosP)msinkmcosj( )msinhmcosg(R),R(U mnmnmn 1n n 0m mnmn0 球心坐標(biāo)與地面直角坐標(biāo) 地 表 任 一 點(diǎn) 磁 場(chǎng) 的 磁 位 表 達(dá) 式 1 0 0 )(cossin)(cos)(),( n nm mnmnmnmnmn Rr ddPmkhmjg UrBX 1 0 0 )(cossincos)(sin)( sin),( n nm mnmnmnmnm

20、n Rr Pmmkhmjg UrBY 1n n 0m mnmnmnmnmnRr0 )(cosPmsinnkh)1n(mcosnjg)1n(rU),(Z 地 表 任 一 點(diǎn) 磁 場(chǎng) 的 磁 位 表 達(dá) 式顯 然 ， 地 磁 場(chǎng) 已 表 示 為 地 面 各 點(diǎn) 坐 標(biāo) (,)的 函 數(shù) 。 高 斯 系 數(shù) 的 確 定將 各 測(cè) 點(diǎn) 、 分 量 觀(guān) 測(cè) 值 ， 代 入 地 表 各 分 量 高 斯級(jí) 數(shù) 表 達(dá) 式 ， 建 立 方 程 組 ， 解 方 程 組 得 高 斯 系數(shù) 。只 能 求 取 有 限 階 高 斯 系 數(shù) 。若 取 n N階 ， 至 少 要 N（ N+2） 個(gè) 三 分 量 測(cè)點(diǎn) ；測(cè)

21、點(diǎn) 足 夠 多 ， 且 在 全 球 的 分 布 比 較 均 勻 合 理 ，以 近 似 滿(mǎn) 足 球 諧 函 數(shù) 的 正 交 性 。一 般 采 用 最 小 二 乘 法 解 方 程 組 。 g10 = -3062.50 nT h11 = 578.47 nT j10 = -4.82 nT k11 = -1.13 nT地 磁 場(chǎng) 的 主 體 是 內(nèi) 源 場(chǎng) 地 球 主 磁 場(chǎng) :v起 源 于 地 球 內(nèi) 部 并 構(gòu) 成 磁 場(chǎng) 主 體 的 穩(wěn) 定 場(chǎng) 稱(chēng) 作 地球 主 磁 場(chǎng) （ 基 本 磁 場(chǎng) ） 。 )(cosP)msinhmcosg(rRR),r(U mn1n n 0m mnmn1n0 v地 球

22、主 磁 場(chǎng) 可 以 直 接 反 映 各 種 深 度 、 甚 至 地 核的 物 理 過(guò) 程 ， 包 括 深 部 的 溫 度 、 壓 力 、 物 質(zhì) 運(yùn) 動(dòng)等 變 化 過(guò) 程 。v對(duì) 主 磁 場(chǎng) 的 觀(guān) 測(cè) 與 研 究 是 地 磁 學(xué) 中 的 重 要 內(nèi) 容 。v地 球 主 磁 場(chǎng) 起 源 于 地 球 內(nèi) 部 ， 則 ： 地 表 上 任 意 點(diǎn) 地 球 主 磁 場(chǎng) 的 數(shù) 學(xué) 表 達(dá) 1n n 0m mnmnmn d )(cosdP)msinhmcosg(),(X 1n n 0m mnmnmn )(cosPsinm)mcoshmsing(),(Y 1n n 0m mnmnmn )(cosP)msi

23、nhmcosg)(1n(),(Z 地 球 主 磁 場(chǎng) 的 高 斯 球 諧 分 析v在 實(shí) 際 工 作 中 ， 對(duì) 地 球 表 面 有 磁 場(chǎng) 的 強(qiáng) 度 和 方 向的 測(cè) 量 值 ， 進(jìn) 行 長(zhǎng) 期 變 化 和 短 期 變 化 的 改 正 ， 統(tǒng) 一校 正 到 ， 這 些 校 正 后 的 測(cè) 量 值 便 是 該時(shí) 刻 的 主 磁 場(chǎng) 。v將 校 正 后 的 各 測(cè) 點(diǎn) 、 分 量 觀(guān) 測(cè) 值 ， 代 入 地 球 主 磁場(chǎng) 地 表 各 分 量 高 斯 級(jí) 數(shù) 表 達(dá) 式 ， 建 立 方 程 組 ， 解 方程 組 得 高 斯 系 數(shù) 。 01g1h22年 代 g10 g11 h11 g20 g21

24、 g22 h21 h22 作 者1829 -0.3201 -0.0284 0.0601 -0.0008 0.0257 -0.0014 -0.0004 0.0146 Erman-Petersen1835 -0.3235 -0.0311 0.0625 0.0051 0.0292 -0.0002 0.0012 0.0157 Gauss1885 -0.3264 -0.0241 0.0591 -0.0035 0.0286 0.0068 -0.0075 0.0142 Fritsche1885 -0.3174 -0.0236 0.0598 -0.0050 0.0278 0.0065 -0.0071 0.01

25、49 Schmidt1960 -0.30509 -0.02181 0.05841 -0.01464 0.02971 0.01673 -0.01988 0.00198 Fougere1960 -0.3046 -0.0214 0.0580 -0.0150 0.0299 0.0164 -0.0194 0.0027 Adam等1960 -0.30411 -0.02147 0.05799 -0.01602 0.02959 0.01545 -0.01912 0.00812 Jesen-Cain1965 -0.30375 -0.02087 0.05769 -0.01648 0.02954 0.01579 -

26、0.01995 0.00116 Leaton等1965 -0.30388 -0.02117 0.05760 -0.01640 0.02983 0.01583 -0.02004 0.00125 Hurwitz等1970 -0.30220 -0.02068 0.05737 -0.01781 0.03000 0.01611 -0.02047 0.00025 DGRF1975 -0.30100 -0.02013 0.05675 -0.01902 0.03010 0.01632 -0.02067 -0.00068 DGRF 1980 -0.29988 -0.01957 0.05606 -0.01997

27、0.03028 0.01662 -0.02129 -0.00199 IGRF v高 斯 系 數(shù) 是 理 論 值 ；v不 同 年 代 數(shù) 值 不 同 ， 即 地 球 主 磁 場(chǎng) 是 變化 的 。v選 擇 的 測(cè) 點(diǎn) 不 同 ， 計(jì) 算 數(shù) 值 不 同 。v高 斯 系 數(shù) 是 客 觀(guān) 的 ， 如 何 ？地 球 主 磁 場(chǎng) 的 高 斯 （ 球 諧 ） 系 數(shù) 國(guó) 際 地 磁 參 考 場(chǎng)v1968年 通 過(guò) 了 1965年 的 國(guó) 際 地 磁 參 考 場(chǎng)（ IGRF） 作 為 全 世 界 通 用 的 正 常 地 磁 場(chǎng) 的 標(biāo)準(zhǔn) ， 使 用 期 為 1965年 1975年 ；v1975年 接 受 了

28、1975年 的 國(guó) 際 地 磁 參 考 場(chǎng) ；v1981年 通 過(guò) 了 1980年 國(guó) 際 地 磁 參 考 場(chǎng) ； 同時(shí) 還 通 過(guò) 了 修 正 的 1965年 、 1970年 及 1975年 的 國(guó) 際 參 考 場(chǎng) 高 斯 系 數(shù) (DGRF)。 v高 斯 公 式 的 物 理 意 義 ： n=1, 代 表 磁 偶 極 子 , 三個(gè) 磁 偶 極 子 相 互 垂 直 ； n=2, 代 表 4極 子 ； n=3, 代 表 8極 子 ， 等 等 ?？?的 磁 標(biāo) 勢(shì) 是 各 個(gè) 簡(jiǎn) 單 多極 子 疊 加 而 成 的 。國(guó) 際 地 磁 參 考 場(chǎng) (IGRF), n=10 總 磁 場(chǎng) 強(qiáng) 度 （ B）

29、 等 值 線(xiàn) 圖 與 緯 度 線(xiàn) 大 致 平 行 ， 在 磁 赤 道 Z=0， 向 兩 極 絕 對(duì) 增 大 ，約 為 磁 赤 道 水 平 強(qiáng) 度 的 兩 倍 ， 磁 赤 道 以 北 Z 0， 以 南 Z 0。垂 直 強(qiáng) 度 （ Z） 等 值 線(xiàn) 圖 從 一 點(diǎn) 出 發(fā) 匯 聚 于 另 一 點(diǎn) 的 曲 線(xiàn) 簇 ， 兩 條 零 偏線(xiàn) 將 全 球 分 為 正 負(fù) 兩 個(gè) 部 分 ， 等 偏 線(xiàn) 在 南 北 兩 半 球 上匯 聚 于 四 個(gè) 點(diǎn) ， 兩 個(gè) 是 磁 極 ， 兩 個(gè) 是 地 理 極 。 磁 偏 角 D的 零 偏 線(xiàn) 由 蒙 古 穿 過(guò) 我 國(guó) 西 部 延 伯 至 尼 泊 爾 、 印 度

30、。 零偏 線(xiàn) 以 東 ， 偏 角 變 化 由 0 到 11 (西 )； 零 偏 線(xiàn) 以 西 ， 腦 角 變 化從 0 到 5 (東 )。 磁 傾 角 I從 南 到 北 由 -10 增 至 +70 幾 個(gè) 中 心 ： 東 亞 正 異 常 ， 南 大 西 洋 和 南 印 度 洋 正 異 常 ， 非 洲 負(fù)異 常 ， 澳 洲 負(fù) 異 常 。 非 偶 極 子 磁 場(chǎng) 的 成 因 還 不 很 清 楚 ， 一 般 認(rèn)為 起 源 于 核 、 幔 邊 界 的 物 質(zhì) 對(duì) 流 。 假 設(shè) 有 孤 立 磁 荷 ， 則 也 有 磁 力 （ 電 磁 庫(kù) 侖 定 律 ） ：2 2104 1 rqqF mm 磁 位0真

31、空 中 磁 導(dǎo) 率0 （ 亨 利 /米 ） 7104 )/(4 1 20 mArqF m 磁 位磁 場(chǎng) 強(qiáng) 度 的 定 義 ： 單 位 正 磁 荷 所 受 的 力 。真 空 中 ， 磁 感 應(yīng) 強(qiáng) 度 B定 義 為 ：)(0 TFB B和 H： 描 述 磁 場(chǎng) 性 質(zhì) 的 兩 個(gè) 不 同 的 物 理 量 。 UF 磁 位穩(wěn) 定 磁 場(chǎng) F也 是 保 守 場(chǎng) ， 故 也 可 以 引 入 磁 位 U 對(duì) 于 磁 單 極 ， 磁 位 ： )(4 1 20 ArqU mm lM mm q2磁 極 矩 磁 偶 極 子 磁 場(chǎng)P點(diǎn) 磁 位 U )(4 1 120 rqrq UUU mm qq mm 30

32、30 20 2000 1204 14 1 cos4 1 cos24 1 )cos1cos1(4 1 coscos(4 1 )(4 1 rrrMr lq rlrlrq lr qlr q rqrqU mm m mm mm rM rM ）（ 磁 極 矩 lM mq2 ）（ 磁 矩 0 mMM 磁 偶 極 子 磁 位 304 1 rU rM 其 中 M為 偶 極 子 磁 矩 。 假 定 地 心 偶極 子 的 磁 矩為 M， M與 地球 自 轉(zhuǎn) 軸 夾角 為 (-0)，經(jīng) 度 角 為 0；0亦 稱(chēng) 極 角 ，0即 方 位 角 ；偶 極 子 的 軸即 地 磁 軸 。 地 表 任 意 點(diǎn) P點(diǎn) 磁 位 ：

33、sin)(cosPcos)(cosP)(cosP4 1 4 sinsincossincos 44 rMU 1111013 yxz2 3 yxz 3 yxz MMMr r MMM r YMXMZMr地 球 主 磁 場(chǎng) 高 斯 級(jí) 數(shù) 的 一 階 項(xiàng) （ n=1） 為 ： sin)(cosPhcos)(cosPg)(cosPgRU 111111110101310 2r 113011300130 hR4,gR4,gR4 yxz MMM令 ： 得 ： 1UU 地 球 主 磁 場(chǎng) 的 一 階 項(xiàng) （ n=1） 是 地 心 偶 極 子 場(chǎng) 。由 地 磁 場(chǎng) 的 高 斯 分 析 可 知 ， 地 球 主 磁

34、場(chǎng) 的 主 要 部分 是 地 心 偶 極 子 場(chǎng) 。 這 是 地 球 主 磁 場(chǎng) 的 一 個(gè) 主 要特 征 。 偶 極 子 磁 矩 （ 地 球 磁 矩 ） 為 ： 21121120130 )h()g()g(R4 2z2y2x MMMM只 要 知 道 一 階 高 斯 系 數(shù) ， 就 可 算 出 地 球 磁 矩 。高 斯 系 數(shù) 是 隨 時(shí) 間 變 化 的 ， 不 同 年 代 的 地 球 磁矩 也 是 不 同 的 。地 球 磁 矩 的 大 小 直 接 反 映 了 地 磁 場(chǎng) 的 強(qiáng) 弱 。 經(jīng) 計(jì) 算 ， 1980年 的 地 球 磁 矩 為 M=7.9110 22Am2。 0 00 00cos s

35、insin cossinMM MM MM zyx由 于可 得 地 心 偶 極 子 的 極 角 0與 方 位 角 0： 11110 01 2112110 ghtg g )h()g(tg xy z 2y2xMM M MM 01g 11g 11hM可 以 分 解 成 互 相 垂 直 的 三 個(gè) 分 量 Mz、 Mx、My。Mz與 地 球 自 轉(zhuǎn) 軸 重 合 ， 方 向 由 地 理 北 極 指 向南 極 ， 稱(chēng) 為 軸 向 偶 極 子 。 Mx與 My都 位 于 赤 道平 面 內(nèi) ， 稱(chēng) 之 為 赤 道 偶 極 子 。 比 與 大 得 多 ， 所 以 在 地 心 偶 極 子場(chǎng) 中 ， 軸 向 偶 極

36、子 場(chǎng) 占 主 要 部 分 。 n m 基 本 磁 場(chǎng) /nTgnm hnm1 0 -299881 1 -1957 56062 0 -19972 1 3208 -21292 2 1662 -1993 0 12793 1 -2181 -3353 2 1251 2713 3 833 -2521980年 國(guó) 際 地 磁 參 考 場(chǎng) 高 斯 系 數(shù) 地 磁 軸 與 地 球 表 面 的 兩 個(gè) 交 點(diǎn) 稱(chēng) 為 地 磁 北 極 與 地磁 南 極 。地 磁 極 (geomagnetic poles)與 磁 極 (magnetic poles) 不 同 。 地 磁 南 北 極 的 連 線(xiàn) 是 地 磁 軸 ，

37、即 地 心 偶 極子 磁 軸 ， 必 然 通 過(guò) 地 心 。 磁 極 由 實(shí) 測(cè) 結(jié) 果 確 定 ， 是 地 磁 圖 上傾 角 為 90而 等 偏 線(xiàn) 匯 聚 的 兩 個(gè) 點(diǎn) (實(shí) 際 上 可 由 各 年 代 高 斯 系數(shù) 計(jì) 算 出 )。 兩 個(gè) 磁 極 的 連 線(xiàn) 不 一 定 通 過(guò) 地 心 。 1980年 國(guó) 際 地 磁 參 考 場(chǎng) 資 料 計(jì) 算 得 的 地 磁 北 極 位 置 為 ： 地磁 北 極 ： 78.8N， 70.8W； 而 1980年 實(shí) 測(cè) 的 南 北 磁 極 位 置為 ： 北 磁 極 ： 78.2N， 102.9W， 南 磁 極 ： 65.6S，139.4E 地 磁 軸

38、 與 地 球 表 面 的 兩 個(gè) 交 點(diǎn) 稱(chēng) 為 地 磁 北 極 與 地磁 南 極 。地 磁 極 (geomagnetic poles)與 磁 極 (magnetic poles) 不 同 。 地 磁 南 北 極 的 連 線(xiàn) 是 地 磁 軸 ， 即 地 心 偶 極子 磁 軸 ， 必 然 通 過(guò) 地 心 。 磁 極 由 實(shí) 測(cè) 結(jié) 果 確 定 ， 是 地 磁 圖 上傾 角 為 90而 等 偏 線(xiàn) 匯 聚 的 兩 個(gè) 點(diǎn) (實(shí) 際 上 可 由 各 年 代 高 斯 系數(shù) 計(jì) 算 出 )。 兩 個(gè) 磁 極 的 連 線(xiàn) 不 一 定 通 過(guò) 地 心 。 1980年 國(guó) 際 地 磁 參 考 場(chǎng) 資 料 計(jì)

39、算 得 的 地 磁 北 極 位 置 為 ： 地磁 北 極 ： 78.8N， 70.8W； 而 1980年 實(shí) 測(cè) 的 南 北 磁 極 位 置為 ： 北 磁 極 ： 78.2N， 102.9W， 南 磁 極 ： 65.6S，139.4E 地 磁 坐 標(biāo)v地 磁 坐 標(biāo) ： 以 地 磁 軸作 為 極 軸 的 坐 標(biāo) 系 。v地 面 一 點(diǎn) 的 該 點(diǎn) 的 矢徑 與 地 磁 軸 的 夾 角 稱(chēng) 為該 點(diǎn) 的 地 磁 余 緯 度 ；過(guò) 這 一 點(diǎn) 與 地 磁 極 的 子午 面 ， 同 過(guò) 地 磁 極 與 地理 極 的 子 午 面 的 夾 角 稱(chēng)為 該 點(diǎn) 的 地 磁 經(jīng) 度 。 測(cè) 點(diǎn) 地 磁 坐 標(biāo)

40、 sin )sin(sinsin )cos(sinsincoscoscos 0 000 由 地 磁 北 極 的 地 理 坐 標(biāo)(0,0)與 測(cè) 點(diǎn) 的 地 理 坐 標(biāo)(,)， 求 測(cè) 點(diǎn) 的 地 磁 坐標(biāo) (,) 1980年 北 京 臺(tái) 與 余 山 臺(tái) 的 地 磁 經(jīng) 緯 度 與 地 理 經(jīng)緯 度 分 別 為 ： 地 磁 坐 標(biāo)北 京 臺(tái) ：余 山 臺(tái) ： NE EE 9.282.186 2220400301116 NE EE 9.282.186 2220400301116 在 地 磁 坐 標(biāo) 中 ， 地 心 偶 極 子 的 磁 勢(shì) 為 ： 地 磁 坐 標(biāo) 下 地 表 任 一 點(diǎn) 的 地 磁

41、要 素 MU MMr cosr4Mr4 23 則 地 表 一 點(diǎn) 的 磁 場(chǎng) 強(qiáng) 度 為 ： cosr2 Mr 0sinr sinrM4r 300 0 300 UBZ UBY UBX r 地 磁 坐 標(biāo) 下 地 表 任 一 點(diǎn) 的 地 磁 要 素磁 場(chǎng) 總 強(qiáng) 度 （ 磁 感 應(yīng) 強(qiáng) 度 ） 為 ： 20222T cos314ZYXB 3rM由 磁 場(chǎng) 水 平 分 量 與 垂 直 分 量 的 比 值 ， 得 磁 場(chǎng) 傾 角 公 式 ： ctg2tg2tgI此 公 式 把 磁 傾 角 與 地 磁 緯 度 聯(lián) 系 起 來(lái) ， 是 表 示 偶極 子 磁 場(chǎng) 中 各 參 量 關(guān) 系 的 一 個(gè) 重 要

42、 公 式 ， 它 在 古地 磁 學(xué) 中 有 重 要 的 作 用 。 水 平 梯 度 （ 沿 磁 子 午 線(xiàn) 方 向 的 梯 度 ) )/(2cosr2 M )/(2sinrM4 30 30 radnTHZctgZ radnTZHtgH 垂 直 梯 度 （ 沿 高 度 方 向 的 梯 度 ) )/(3sinr6M4 )/(3cosr3M4 40 40 kmnTZrrZ kmnTHrrH 例 如 ， 沒(méi) 北 京 臺(tái) 的 Z： 46194nT， H： 29884nT，則 北 京 地 區(qū) 的 地 磁 場(chǎng) 梯 度 為 )/(4.9)/(1040 )/(6.3)/(409 )/(7.21 )/(1.14

43、kmnTnTZ kmnTnTH kmnTrZ kmnTrH Rr Rr Rr Rr 地 磁 場(chǎng) 的 長(zhǎng) 期 變 化v地 球 的 主 磁 場(chǎng) 不 是 恒 定 的 ， 而 隨 時(shí) 間 作 緩 慢 變 化 ， 這種 變 化 稱(chēng) 為 主 磁 場(chǎng) 的 長(zhǎng) 期 變 化 。v研 究 這 種 變 化 的 時(shí) 空 分 布 規(guī) 律 對(duì) 于 了 解 地 球 內(nèi) 部 物 質(zhì)的 性 質(zhì) 和 運(yùn) 動(dòng) 具 有 重 要 意 義 。v地 磁 場(chǎng) 的 長(zhǎng) 期 變 化 可 能 具 有 下 列 各 種 周 期 ： 即 22年 ，50 70年 ， 120年 ， 180年 ， 500 600年 ， 1000年 以 及7000 8000年

44、 等 。v通 常 用 某 一 年 的 長(zhǎng) 期 變 化 率 來(lái) 表 示 這 一 年 地 磁 要 素 的變 化 大 小 。v通 過(guò) 世 界 各 地 地 磁 臺(tái) 長(zhǎng) 期 連 續(xù) 觀(guān) 測(cè) 和 古 地 磁 進(jìn) 行 研 究 地 磁 場(chǎng) 的 長(zhǎng) 期 變 化地 球 磁 矩 的 長(zhǎng) 期 變 化 v在 最 近 一 百 年 內(nèi) ， 地 球磁 矩 衰 減 了 5 ；v近 1000 年 來(lái) ， 地 球 磁矩 大 約 減 小 了 25 %；v400 年 來(lái) 減 小 17 %；1835年 為 8.5x1022Am21900年 為 8.32x1022Am2 1980年 為 7.91x1022Am22000年 為 7.78x1

45、022Am2兩 千 年 后 ， 接 近 0！ 磁極 倒 轉(zhuǎn) (?) 地磁等偏線(xiàn)反映的向西漂移 0.163 / 0.202 /0.139 /X Yt tZt 年 ， 年 ,年 Y分 量 的 漂 移 速 度 恰 恰 是 地 核相 對(duì) 于 地 幔 的 旋 轉(zhuǎn) 速 度 。 地 磁 場(chǎng) 長(zhǎng) 期 變 特 征 （ 1） 時(shí) 間 特 征 存 在 變 化 周 期 ,周 期 有 22年 , 50 70年 , 120年 , 180年 , 500 600年 ,1000年 以 及 7000 8000年 等 。 地 磁 場(chǎng) 長(zhǎng) 期 變 特 征 （ 2） 空 間 特 征 存 在 西 漂 ： 磁 極 西 漂 速 度 約5 /

46、ha 。 異 常 中 心 西 漂 速 度 約18 /ha 。 地 磁 場(chǎng) 長(zhǎng) 期 變 特 征 （ 3） 整 體 特 征 地 心 偶 極 子 的 強(qiáng) 度 和 方 向 的 緩 慢 變 化 ; 地 磁 偶 極 矩 以 每 年 5%的 速 度 減 小 ; 磁 極 位 置 緩 慢 移 動(dòng) ， 即 偶 極 矩 方 向 緩慢 變 化 。 極 性 倒 轉(zhuǎn) 的 長(zhǎng) 期 變 化v在 測(cè) 定 巖 石 的 剩 余 磁 性 時(shí) ， 發(fā) 現(xiàn) 相 當(dāng) 一 批 巖石 的 磁 化 方 向 與 現(xiàn) 在 的 地 磁 場(chǎng) 方 向 相 反 ， 于 是就 推 測(cè) 地 磁 場(chǎng) 發(fā) 生 了 180 的 改 變 ， 原 來(lái) 的 磁 北極 轉(zhuǎn)

47、變 為 磁 南 極 ， 磁 南 極 則 變 成 了 磁 北 極 。 這種 現(xiàn) 象 被 稱(chēng) 為 地 磁 極 倒 轉(zhuǎn) 或 地 磁 場(chǎng) 翻 轉(zhuǎn) 。v事 實(shí) 證 明 ， 在 地 球 歷 史 上 確 實(shí) 發(fā) 生 過(guò) 這 種 變化 ， 而 且 還 一 再 地 發(fā) 生 。 p從 1940s開(kāi) 始 ， 由 于 軍 事 上 的 需 要 對(duì) 海 底 磁 場(chǎng) 進(jìn) 行 了系 統(tǒng) 的 觀(guān) 測(cè) ， 發(fā) 現(xiàn) 以 大 洋 脊 為 中 心 ， 兩 側(cè) 對(duì) 稱(chēng) 地 交 替 分布 著 正 磁 極 性 (磁 極 與 現(xiàn) 代 的 一 致 )與 反 磁 極 性 (磁 極 與 現(xiàn)代 相 反 )的 兩 類(lèi) 巖 石 ； 離 擴(kuò) 張 中 心 越

48、 遠(yuǎn) ， 巖 石 年 齡 越 老 。為 地 球 科 學(xué) 中 的 板 塊 構(gòu) 造 理 論 的 出 現(xiàn) ， 提 供 了 重 要 的 依據(jù) 。p隨 著 取 得 的 資 料 增 多 ， 逐 步 建 立 了 以 不 同 時(shí) 期 地 磁 極翻 轉(zhuǎn) 為 主 要 特 征 的 地 磁 年 代 表 。 一 種 地 磁 極 性 期 平 均 可持 續(xù) 22萬(wàn) 年 (短 的 僅 持 續(xù) 3萬(wàn) 年 ， 長(zhǎng) 的 可 達(dá) 500萬(wàn) 年 )。 每次 磁 極 倒 轉(zhuǎn) 過(guò) 程 僅 持 續(xù) 數(shù) 百 年 到 上 千 年 ， 此 時(shí) 表 現(xiàn) 為 磁場(chǎng) 強(qiáng) 度 大 幅 度 減 弱 ， 磁 極 緩 慢 轉(zhuǎn) 動(dòng) ， 直 到 完 全 翻 轉(zhuǎn) ，

49、 才達(dá) 到 穩(wěn) 定 。 磁 極 倒 轉(zhuǎn) n地 磁 場(chǎng) 極 性 倒 轉(zhuǎn) 的 發(fā) 現(xiàn) 極 大 地 推 動(dòng) 了 古 地 磁學(xué) 的 發(fā) 展n在 全 球 廣 泛 開(kāi) 展 了 對(duì) 火 山 巖 、 沉 積 巖 、 海 底和 湖 底 沉 積 的 古 地 磁 測(cè) 量 .（ 黃 土 沉 積 的 古 地磁 研 究 帶 著 我 國(guó) 獨(dú) 有 的 特 色 ）n由 此 產(chǎn) 生 的 “ 地 磁 極 性 年 表 ” ， 為 地 質(zhì) 學(xué) 提供 了 一 個(gè) 獨(dú) 立 的 時(shí) 間 標(biāo) 尺 。磁 極 倒 轉(zhuǎn) 地 球 磁 場(chǎng) 起 源v地 球 磁 場(chǎng) 起 源 問(wèn) 題 一 直 是 一 個(gè) 沒(méi) 有 解 決 的 重大 地 球 物 理 難 題 。v

50、大 量 的 地 磁 資 料 ， 豐 富 的 地 磁 現(xiàn) 象 強(qiáng) 烈 地 吸引 著 擅 長(zhǎng) 理 性 思 維 ， 愛(ài) 好 尋 根 問(wèn) 底 的 數(shù) 學(xué) 家 、物 理 學(xué) 家v地 球 磁 場(chǎng) ： 令 科 學(xué) 家 著 迷 地 球 磁 場(chǎng) 起 源地 磁 場(chǎng) 起 源 理 論 需 回 答 的 基 本 問(wèn) 題 ：v為 什 么 地 球 會(huì) 有 磁 場(chǎng) ？v為 什 么 地 磁 場(chǎng) 會(huì) 長(zhǎng) 期 存 在 （ 至 少 為 地 球 年 齡 的 70%） ？v為 什 么 地 磁 場(chǎng) 中 偶 極 子 場(chǎng) 占 優(yōu) 勢(shì) ？v為 什 么 地 磁 場(chǎng) 長(zhǎng) 期 緩 慢 變 化 ， 而 變 化 又 不 大 ？v為 什 么 平 均 地 磁

51、軸 與 地 球 自 轉(zhuǎn) 軸 相 吻 合 ？v為 什 么 地 磁 場(chǎng) 極 性 會(huì) 倒 轉(zhuǎn) 而 且 地 磁 場(chǎng) 倒 轉(zhuǎn) 頻 率 很 大 ？v為 什 么 沒(méi) 有 占 優(yōu) 勢(shì) 極 性 ？v不 僅 解 釋 過(guò) 去 ， 還 要 預(yù) 言 未 來(lái) 地 磁 場(chǎng) 趨 勢(shì) 地 球 磁 場(chǎng) 起 源為 什 么 其 它 一 些 行 星 、 衛(wèi) 星 也 有 磁 場(chǎng) ？這 些 磁 場(chǎng) 是 否 可 以 用 統(tǒng) 一 機(jī) 制 來(lái) 解 釋 ？ 地 球 磁 場(chǎng) 起 源提 出時(shí) 間 名 稱(chēng) 主 要 思 想 理 論 缺 陷1600年 永 磁 體學(xué) 說(shuō)（ Gilbert） 地 球 內(nèi) 部 存在 巨 大 的 永磁 體 ， 由 永磁 體 產(chǎn) 生

52、 地球 磁 場(chǎng) 地 球 的 平 均 磁 化 強(qiáng) 度 應(yīng) 為80A/m， （ 達(dá) 到 天 然 巖 石 的 上限 ） ；20km30km以 下 地 溫 達(dá) 到 居里 點(diǎn) （ 約 600度 ） ， 失 去 磁 性 ，故 要 求 地 殼 巖 石 磁 化 強(qiáng) 度 高 達(dá)600A/m（ 不 可 能 ！ ）內(nèi) 部 電流 學(xué) 說(shuō) 地 球 內(nèi) 部 存在 巨 大 的 電流 ， 形 成 巨大 電 磁 體 產(chǎn) 生 地 球 磁 場(chǎng) 未 觀(guān) 測(cè) 到 這 種 巨 大 電 流 ， 而 且 巨大 電 流 也 會(huì) 很 快 衰 減 ， 不 會(huì) 長(zhǎng) 期存 在 電 荷 旋轉(zhuǎn) 學(xué) 說(shuō)壓 電 效應(yīng) 學(xué) 說(shuō)旋 磁 效應(yīng) 學(xué) 說(shuō)溫 差 電效

53、應(yīng) 學(xué)說(shuō) 發(fā) 電 機(jī) 學(xué) 說(shuō)觀(guān) 測(cè) 事 實(shí) 推 論v地 核 的 主 要 成 分 是 鐵 鎳質(zhì) 物 質(zhì) 良 導(dǎo) 體v外 核 是 液 態(tài) 物 質(zhì) ， 而 且存 在 對(duì) 流v地 球 在 不 停 地 地 轉(zhuǎn) 動(dòng) 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 ？這 樣 產(chǎn) 生 的 磁 場(chǎng) 是 否 具有 地 磁 場(chǎng) 的 上 述 特 性 呢 ？ 自 激 發(fā) 電 機(jī) 學(xué) 說(shuō)v圓 盤(pán) 相 當(dāng) 于 外 核 導(dǎo) 體 電 流 。v當(dāng) 圓 盤(pán) 在 磁 場(chǎng) 中 旋 轉(zhuǎn)

54、 時(shí) ， 將 產(chǎn) 生 感 應(yīng)電 動(dòng) 勢(shì) 。 適 當(dāng) 選 擇 回 路 的 方 向 ， 則 感 應(yīng)電 流 所 產(chǎn) 生 的 磁 場(chǎng) 有 可 能 加 強(qiáng) 原 來(lái) 磁 場(chǎng)， 這 樣 便 形 成 自 激 發(fā) 電 機(jī) 。 圓 盤(pán) 繼 續(xù) 旋轉(zhuǎn) ， 電 流 系 統(tǒng) 持 續(xù) 工 作 。v若 在 某 一 時(shí) 刻 ， 外 核 中 存 在 一 個(gè) 初 始的 微 弱 磁 場(chǎng) ， 稱(chēng) 為 “ 種 子 磁 場(chǎng) ” ， 那 么， 它 有 可 能 被 自 激 發(fā) 電 機(jī) 所 加 強(qiáng) 并 保 持在 一 個(gè) 具 有 較 高 強(qiáng) 度 的 穩(wěn) 定 狀 態(tài) ， 這 就是 我 們 觀(guān) 測(cè) 到 的 地 球 主 磁 場(chǎng) 。 均 勻 發(fā) 電 盤(pán)

55、 2000年 Bruce A. Buffett在 巨 型 計(jì) 算 機(jī) 上 的 模 擬 結(jié) 果 ：模 擬 結(jié) 果 演 示 能 源 問(wèn) 題 尚 難 定 論 ；重 要 參 數(shù) （ 如 地 核 環(huán) 流 場(chǎng) 強(qiáng) 度 、粘 性 ） 難 以 準(zhǔn) 確 估 計(jì) ；地 核 流 動(dòng) 狀 態(tài) 眾 說(shuō) 紛 紜 發(fā) 動(dòng) 機(jī) 理 論 和 數(shù) 值 模 擬 需 要 發(fā) 展完 善 自 激 發(fā) 電 機(jī) 學(xué) 說(shuō) v地 核 的 運(yùn) 動(dòng)v月 球 無(wú) 磁 場(chǎng)（ 現(xiàn) 在 ） v古 地 磁 學(xué) 是 地 磁 學(xué) 的 一 個(gè) 分 支 ， 興 起 于20世 紀(jì) 世 紀(jì) 50年 代 ， 從 60、 70年 代 迅 速發(fā) 展 。v它 是 通 過(guò) 圈 定

56、 巖 石 剩 余 磁 化 強(qiáng) 度 來(lái) 研 究史 前 地 質(zhì) 時(shí) 期 地 磁 場(chǎng) 及 其 演 化 規(guī) 律 的 一 門(mén)學(xué) 科 。v物 理 基 礎(chǔ) 是 巖 石 磁 性 和 地 磁 場(chǎng) 軸 向 偶 極子 的 假 定 。 n巖 石 的 磁 性n古 地 磁 學(xué) 的 基 本 原 理n古 地 磁 學(xué) 的 工 作 方 法n古 地 磁 學(xué) 的 研 究 成 果 及 其 應(yīng) 用 物 質(zhì) 磁 性帶 電 粒 子 運(yùn) 動(dòng) 物 質(zhì) 磁 性原 子 總 磁 矩 ： 電 子 軌 道 磁 矩 ； 電 子 自 旋 磁 矩 ； 原 子 核 自 旋 磁 矩 .結(jié) 構(gòu) 不 同 表 現(xiàn) 不 同 物 質(zhì) 磁 性結(jié) 構(gòu) 不 同 表 現(xiàn) 不 同分

57、三 類(lèi) ：抗 磁 性 、 順 磁 性 、 鐵 磁 性 抗 磁 性 ：1、 本 身 沒(méi) 有 凈 剩 磁 矩(1)各 電 子 層 中 ， 電 子 成 對(duì) 出 現(xiàn) ， 自 旋 方 向相 反 ， 自 旋 磁 矩 抵 消 ;(2)相 鄰 軌 道 相 互 作 用 ， 抵 消 軌 道 磁 矩 。2、 外 磁 場(chǎng) 作 用 下 ， 運(yùn) 動(dòng) 電 子 （ 軌 道 ） 受 到羅 倫 茨 力 ， 繞 外 磁 場(chǎng) 旋 進(jìn) ， 角 速 度 的 方 向與 H相 同 ， 產(chǎn) 生 的 磁 場(chǎng) 方 向 相 反 抗 磁 性 。 抗 磁 性 ：抗 磁 性 是 普 遍 的與 溫 度 無(wú) 關(guān) ；去 掉 外 磁 場(chǎng) ， 附 加 磁 矩 消

58、失 ， 即 磁 性 消 失 順 磁 性 ：1、 電 子 層 中 ， 有 非 對(duì) 稱(chēng) 的 電 子 ， 其 自 旋 磁矩 未 被 抵 消 ， 在 作 用 下 ， 轉(zhuǎn) 向 平 行 ；2、 無(wú) 外 磁 場(chǎng) 時(shí) ， 雜 亂 排 列 ， 不 顯 示 磁 性 ，有 外 磁 場(chǎng) 時(shí) ， 轉(zhuǎn) 向 ， 顯 示 順 磁 性 。 順 磁 性 ：與 （ 絕 對(duì) ） 溫 度 成 反 比 （ 居 里 定 律 ）發(fā) 展 了 通 過(guò) 磁 化 率 測(cè) 定 ， 確 定 原 子 磁 矩 的重 要 實(shí) 驗(yàn) 方 法去 掉 外 磁 場(chǎng) ， 附 加 磁 矩 消 失 ， 即 磁 性 消 失 鐵 磁 性 ：某 些 物 質(zhì) （ Fe,Co,Ni）

59、 含 有 非 成 對(duì) 電 子 ，電 子 自 旋 磁 矩 構(gòu) 成 原 子 磁 矩 ， 由 于 相 鄰 原 子彼 此 相 互 發(fā) 生 交 換 力 的 作 用 ， 迫 使 這 些 電 子保 持 自 旋 平 行 ， 即 使 沒(méi) 有 外 磁 場(chǎng) 作 用 ， 也 在局 部 “ 區(qū) 域 ” 內(nèi) 產(chǎn) 生 平 行 排 列 ， 這 種 磁 化 叫自 發(fā) 磁 化 ， 小 區(qū) 域 稱(chēng) 為 “ 磁 疇 ” 。 鐵 磁 性 磁 化 過(guò) 程 ： （ 與 外 磁 場(chǎng) 關(guān) 系 ， 溫 度 不 變 ） 無(wú) 外 磁 場(chǎng) 作 用 時(shí) ， 各 磁 疇 的 取 向 混 亂 ， 不 呈 磁 性 ； 施 加 外 磁 場(chǎng) 時(shí) ， 磁 疇 結(jié)

60、構(gòu) 發(fā) 生 變 化 ， 疇 壁 移 動(dòng) ， 磁疇 轉(zhuǎn) 動(dòng) ， 顯 示 出 宏 觀(guān) 磁 性 ； 當(dāng) 外 磁 場(chǎng) 增 加 時(shí) ， 磁 疇 的 磁 化 方 向 都 接 近 磁 場(chǎng) 的 方向 ， 外 磁 場(chǎng) 繼 續(xù) 增 加 時(shí) ， 磁 化 方 向 趨 于 飽 和 ， 磁 化 強(qiáng)度 不 再 增 加 ； 如 果 減 小 外 磁 場(chǎng) 直 到 零 ， 磁 化 并 不 按 原 過(guò) 程 返 回 ，而 落 后 于 外 磁 場(chǎng) 變 化 ， 外 磁 場(chǎng) 為 零 時(shí) ， 仍 保 留 部 分 磁化 強(qiáng) 度 （ 剩 余 磁 化 強(qiáng) 度 ） 。 鐵 磁 性 ：在 很 弱 的 外 磁 場(chǎng) 中 就 可 以 被 磁 化 到 飽 和對(duì)

61、 已 經(jīng) 完 全 退 磁 的 鐵 磁 樣 品 ， 在 外 磁 場(chǎng) 為零 時(shí) ， 對(duì) 外 不 顯 現(xiàn) 宏 觀(guān) 磁 性溫 度 高 于 居 里 點(diǎn) 時(shí) ， 鐵 磁 性 順 磁 性鐵 磁 性 的 類(lèi) 型 ：三 種 ： 鐵 磁 性 ; 反 鐵 磁 性 ; 亞 鐵 磁 性 . 礦 物 的 磁 性 ：v抗 磁 性 、 順 磁 性 、 鐵 磁 性 鐵 磁 性 礦 物 ：自 然 界 中 不 存 在 純 鐵 磁 性 礦 物 。最 重 要 的 磁 性 礦 物 當(dāng) 推 鐵 -鈦 氧 化 物 。地 殼 中 純 磁 鐵 礦 少 見(jiàn) ， 大 多 由 不 同 比 例 的鐵 、 鈦 、 氧 組 成 復(fù) 雜 的 固 熔 體 ，

62、它 是 典 型 的亞 鐵 磁 性 。磁 鐵 礦 不 僅 有 較 強(qiáng) 的 磁 化 率 ， 且 有 較 強(qiáng) 的剩 余 磁 性 ， 其 變 化 范 圍 較 大 。 巖 石 的 磁 性 巖 石 的 磁 性 與 巖 石 中 鐵 磁 性 礦 物 的 有 無(wú) 、 含 量 的多 少 ， 顆 粒 的 大 小 及 其 分 布 情 況 直 接 有 關(guān) 。(一 ).沉 積 巖 ：磁 性 較 弱 。 沉 積 巖 的 磁 化 率 主 要 決 定 于 副 礦 物 (磁 鐵 礦 、 磁 赤 鐵礦 、 赤 鐵 礦 等 ） 的 含 量 及 成 分 .(二 ).火 成 巖 ：1.侵 入 巖 的 磁 化 率 隨 巖 石 的 基 性

63、增 強(qiáng) 而 增 大 ；2.超 基 性 巖 磁 性 最 強(qiáng) ， 基 性 、 中 性 巖 次 之 ；3.花 崗 巖 建 造 的 侵 入 巖 ， 磁 化 率 不 高 ， 噴 發(fā) 巖 磁 化 率 變 化 大 ；4.火 成 巖 具 有 明 顯 的 天 然 剩 磁 。(三 ).變 質(zhì) 巖 ：其 磁 性 與 原 來(lái) 基 質(zhì) 有 關(guān) ， 也 與 生 成 條 件 有 關(guān) . 一 般 情 況 下 ， 巖 石 的 磁 性 是 在 其 形 成 過(guò) 程 中 獲 得的 。 由 于 巖 石 成 份 和 形 成 過(guò) 程 的 差 異 ， 巖 石 的 磁 性（ 磁 化 率 ） 存 在 著 很 大 差 異 。 巖 石 磁 性 不

64、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) 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 p熱 剩 余 磁 性p化 學(xué) 剩 余 磁 性p沉 積 剩 余 磁 性p粘 滯 剩 余 磁 性 熱 剩 余 磁 性 ： 在 恒 定 磁 場(chǎng) 作 用 下 ， 巖 石 從居 里 點(diǎn) 以 上 溫 度 逐 漸 冷 卻 到 居

65、 里 點(diǎn) 以 下 ，在 這 個(gè) 過(guò) 程 中 受 磁 化 所 獲 得 的 剩 磁 。 熱 剩 磁 的 特 點(diǎn) ：v強(qiáng) 度 大 （ 在 弱 磁 場(chǎng) 中 ， 熱 剩 磁 比 等 溫 剩 磁 強(qiáng) 幾 十 至幾 百 倍 ） 。v熱 剩 磁 的 方 向 與 外 磁 場(chǎng) 一 致 。v在 弱 磁 場(chǎng) 中 熱 剩 磁 的 強(qiáng) 度 正 比 于 外 磁 場(chǎng) 感 應(yīng) 強(qiáng) 度 。v熱 剩 磁 主 要 在 居 里 點(diǎn) 附 近 獲 得 ， 且 總 熱 剩 磁 是 各部 分 熱 剩 磁 之 和 ； 熱 退 磁 也 服 從 疊 加 定 律 .v有 很 高 的 穩(wěn) 定 性 穩(wěn) 定 （ 磁 性 弛 豫 時(shí) 間 長(zhǎng) ） 。 化 學(xué)

66、剩 余 磁 性 ： 在 一 定 磁 場(chǎng) 中 ， 某 些 物 質(zhì) 在低 于 居 里 溫 度 的 條 件 下 ， 經(jīng) 過(guò) 相 變 和 化 學(xué) 過(guò) 程所 獲 得 的 剩 磁 ?；?學(xué) 剩 磁 的 特 點(diǎn) ：v在 弱 磁 場(chǎng) 下 ， 化 學(xué) 剩 磁 的 強(qiáng) 度 正 比 于 外 磁 場(chǎng) 的感 應(yīng) 強(qiáng) 度 。v在 同 樣 的 磁 場(chǎng) 中 ， 化 學(xué) 剩 磁 的 強(qiáng) 度 只 有 熱 剩 磁強(qiáng) 度 的 幾 十 分 之 一 。v化 學(xué) 剩 磁 有 很 高 的 穩(wěn) 定 性 穩(wěn) 定 （ 磁 性 弛 豫 時(shí) 間長(zhǎng) ） 。 沉 積 剩 余 磁 性 （ 碎 屑 剩 磁 ） ： 沉 積 物 固 積 成巖 后 ， 按 其 碎 屑 的 磁 化 方 向 保 留 下 來(lái) 的 磁 性 。沉 積 剩 磁 的 特 點(diǎn) ：v對(duì) 于 球 狀 顆 粒 ， 沉 積 剩 磁 與 外 磁 場(chǎng) 同 向 。v對(duì) 于 長(zhǎng) 形 顆 粒 ， 由 于 顆 粒 沉 積 后 平 躺 ， 沉 積 剩磁 的 傾 角 較 地 磁 場(chǎng) 傾 角 小 。v沉 積 剩 磁 強(qiáng) 度 的 大 小 與 外 磁 場(chǎng) 成 正 比 。v沉 積 巖 中 磁 性 物 質(zhì) 大 多 來(lái) 源