地球磁场与磁异常
2020-01-21 · 技术研发知识服务融合发展。
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在地球上任一点悬挂一个通过其重心，并可在水平面内自由旋转的磁针，当其静止时，总是停留在一个确定的方向上，即磁针的N极指向近地理北极;若磁针的旋转轴为水平时，磁针可在垂直面内自由旋转。在北半球磁针N极向下倾，可见磁针有一个倾斜角，倾角随着观测点的位置不同而变化，即使在同一观测点，也会因时间的变化而发生微弱的变化。可见地球周围存在着磁场，称之为地球磁场(简称为地磁场)。地磁场是矢量场，充满地核到空间磁层边缘的整个空间。地磁场的分布、变化规律及起源等问题是地磁学的主要内容，是环境与工程地磁方法研究的基础。
图6.8地磁要素
6.2.1.1 地磁要素与分布
地面上任意点地磁场总强度矢量T通常可用直角坐标来描述(图6.8)。设以观测点为其坐标原点，x，y，z三个轴的正向分别指向地理北、东和垂直向下。则该点的T矢量在直角坐标系内三个轴上的投影分量分别为北向分量(X)，东向分量(Y)和垂直分量(Z);T在XOY水平面内投影称为水平分量(H)，其指向为磁北方向;T和水平面之间的夹角称为T的倾斜角(I)，当T下倾时I为正，反之为负;通过原点H方向的铅直平面为磁子午面，它与地理子午面的夹角称为磁偏角，以D表示，磁北自地理北向东偏D为正，西偏则为负。
T，Z，X，Y，H，I及D的各个量都是表示该点地磁场大小和方向特征的物理量，称为地磁要素。七个地磁要素，由图6.8可得到如下关系式:
环境与工程地球物理
6.2.1.2 地磁场结构和磁异常
在地面上观测所得到的地磁场T是各种不同成分的磁场之总和(表6.1)。按其来源和变化规律不同，可将地磁场分为两部分，一是主要来源于固体地球内部的稳定磁场Ts;二是主要起因于固体地球外部的变化磁场δT。把稳定磁场和变化磁场分解为起源于地球内、外的内源场和外源场;内源场又分为中心偶极子磁场T0、非偶极子磁场Tm(也称为大陆磁场或世界异常)和是地壳内的岩石、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(又称异常场或磁异常Ta);磁异常分布范围一般在数千米或数十千米者，称为局部异常(T'a)，达数百或数千千米者，称为区域磁场(T″a)。中心偶极子磁场T0和非偶极子磁场Tm之和又称为地球基本磁场。
表6.1地磁场构成
综上所述，地球磁场的构成可用下式表示:
环境与工程地球物理
式中外源稳定磁场Tsc，因数量级极小，通常可被忽略。
按研究地磁场的目的不同，可将地磁场分为正常地磁场(正常场)和磁异常(异常场)两部分。通常情况下，正常场和异常场是相对的概念，正常磁场是磁异常(即所要研究的磁场)的背景场或基准场。如研究大陆磁异常，则将中心偶极子场作为正常地磁场，研究地壳磁场时，以中心偶极子场和大陆磁场之和为其正常场，可见正常场的选择是根据所研究磁异常的要求而确定的。
6.2.1.3 地磁场分布
地磁场是空间和时间的函数，为了满足地面上定向、航空、航海、资源勘察以及地磁学本身研究的需要，有两类观测点:一类是连续地测定地磁要素绝对值及随时间变化的场值，此类有固定的测点，称其为地磁台;另一类是野外测点，在这些测点上间断地测定地磁要素绝对值。由这两类测点组成了某地区、某国家甚至全球范围的地磁测网，根据地磁测量的结果定期地编绘出相应的各种地磁图件。地磁图是按要素D，I，T，H，Z，X及Y分别绘制出的等值线图，它反映了地磁场在全球或区域上的分布规律和分布特征(图6.9)。
图6.9总磁场强度等值线图(1980，单位:μT)
根据1980年编制的中国地磁图，列举我国各地的地磁要素值(表6.2)。
表6.2我国各地地磁要素值
续表
据二维幂多项式模式编制的中国地磁要素图件，表明地磁场有以下分布特征:①磁偏角的零偏线由蒙古穿过我国中部偏西的甘肃省和西藏自治区延伸到尼泊尔、印度。零偏线以东偏角为负，其变化为0°～11°;零偏线以西为正，变化范围为0°～5°;②磁倾角由南向北，I值由－10°增至70°;③地磁场水平强度从南至北，H值由40000nT降至21000nT;④垂直强度从南至北由－10000nT增加到56000nT;⑤总场强度由南到北，变化值为41000～60000nT。
6.2.1.4 地磁场的变化
地球磁场的变化表现为每一个地磁要素量值的变化，这种变化分为长期变化和短期变化。长期变化的原因是地球内部的物质运动，表现为各地磁要素全年平均值的变化。短期变化的原因是大气电离层的变化，表现为每日纪录的差异。
(1)地磁场的长期变化及其规律
地磁要素年均值随时间变化常以100～10000年为周期，这种缓慢的变化称为长期变化。长期变化的场源是在地球内部，由变化周期、地球内部物质的结构和物理性质确定。长期变化与地球液核有关，起源于导电涡流随时间的变化。
(2)地磁场的短期变化及其规律
地磁场中以日、时、分、秒等时间单位为周期的变化称为地磁场的短期变化。短期变化分平静变化和扰动变化两类。平静变化是一种连续出现、在一定程度上具有周期性的变化场。包括太阳静日变化(平均幅度为几纳特至几十纳特)、太阴日变化(Z和H要素的最大变化幅值为1～2nT)和年变化(变化幅值约为15～30nT)。扰动变化是地磁各要素在平静变化的背景上发生的突然变化。地磁场的扰动主要有非周期变化的磁暴和以秒单位为周期的地磁脉动，它们对磁测工作影响较大。
6.2.1.5 地磁场起源
长期以来关于地磁起源有过许多假说，不少假说尽管也能很好地解释地球表面的一些地磁现象，但是无法圆满地说明地球内部的构造及其物理性质同地磁现象的所有关系。在20世纪50年代以后出现的地核的涡流运动及其感应电流的假说———地核自激发电机假说被认为是较合理的一种地磁成因理论。
地核自激发电机理论的模式是:地球由厚达2900km的固态地幔、半径3470km的固相内核及液相外核构成。地幔与地核是不同性质的同心层，组成地核的物质是铁镍为主，附有硅镁或硫的氧化物，因此具有金属良导性。地球内部温度分布的巨大差别使上地幔与下地幔、外核的内外界面以及内核散发的热能和外核放射性钾的分布等造成持续的差异运动或对流，同时由于地球自转所形成的科里奥利力的作用将使对流变为涡旋运动，地核存在着微弱的初始磁场。导电的涡流体切割环型磁力线形成地磁场。
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