應用地球物理學原理第二章02

1、§2.2 地球磁場的基本特征,在地球上，懸掛起來的能在水平面內自由轉動的磁針，總是靜止在靠近地球的南北方向上。人們規(guī)定:磁針指南的那個極為它的指南磁極，衡稱為南磁極或負磁極，用S表示；指北的那個極為它的指北磁極，簡稱北磁極或正磁極，用N表示。,地球磁場：地球本身及其周圍的磁場叫做地球磁場。地磁場是矢量場，其分布范圍廣，從地核到 空間磁層邊緣處處有分布。,地磁場的分布、變化規(guī)律及起源等問題是地磁學研究的范疇。在 磁

2、法勘探工作中，由磁測設計、野外施工、資料整理、磁異常提取直至推斷解釋，都必須考 慮地磁場的分布特征和變化規(guī)律。,表征地磁場的物理量是地磁場感應強度。由于相當長的時間內一直沿用CGSM制，在CGSM制中 ，真空中磁感應強度與磁場強度（ ）相當，因此以往的磁法勘探書中將磁感應強度稱做磁場強度 。本書沿用這一習慣稱法，除巖礦石磁化磁場確系磁場強度外，其它章節(jié)所提及地磁場強度 即指地磁感應強度。,一、

3、地磁要素及其分布特征1地磁要素地磁要素   描述地磁場大小與方向特征的物理量。地磁場是一個矢量場，因此，空間任何一點的地磁場F必須用三個獨 立的分量才能表示出來。這些分量的名稱及其度量方法，根據采用坐標系的不同而不同。,例如， 直角坐標系中用北向分量X， 東向分量Y和垂直分量Z 表示，這些分量分別以地理 北、地理東和垂直向下指向地心為正向;球坐標系中用磁偏角D、磁傾角I和水平分量H表示

4、。D是F偏離正北方向的角 度，以F偏東為正、偏西為負；,I是F 偏離水平面角度，在北半球取F下傾的I 為正，在南半球取F上仰的I為正；H是F在水平面上的投影，以指磁北為正向; 柱坐標中用磁偏角D,水平分量H和垂直分量Z表示。地磁學中人們把描述地磁場大小和方向的物理量X、Y、Z、H、D、I、F 稱做地磁要素。,此外，稱 F 所在的垂直平面為磁子午面。各要素之間并不互相獨立，其關系如圖6·2·6所示，其

5、關系式為: F＝X2＋Y2＋Z2 H2＝X2＋Y2 Y＝HsinD Z＝HtanI地磁七個要素中只要知道其中三個獨立的要素，那么其余四個也可以計算出來了，故又稱三個獨立的要素為地磁三要素。,2地磁場強度的單位目前國際上統(tǒng)一使用“國際單位制(SI制)”，用特斯拉或符號 T 表示地磁場強度單位磁法勘查則取其更小的單位納特（ｎＴ)

6、為實用單位。,在地球物理文獻中，過去使用電磁單位 (CGSM)制：其中用G(高斯)單位或γ（伽馬)表示磁感應強度B；用Oe(奧斯特)表示磁場強度F的大小。在此單位制中空氣和真空中的μ ≈ 1，所以在空氣中 B＝F1G與1Oe在數值上相等。,目前已普遍使用國際單位制，在國際單位制中：磁感應強度B的單位為N/(A*m)，即牛頓/(安培·米)，稱為特斯拉，用T表示，它與G和γ

7、 的換算關系為： 1G = 10-4 T   gauss (G) = 10-4 T 1 γ＝10－9 T＝1nT（納特） Earth's field ~ 0.3-0.6 gauss,3地磁場的構成和磁異常(1)地磁場的構成在地面上觀測所得到的地磁場T是各種不同成分的磁場的總和。它們

8、的場源分布有的在地球內部，有的在地面之上的大氣層中。按其來源和規(guī)律不同，可將地磁場分為兩部分：一是主要來源于固體地球內部的穩(wěn)定磁場TＳ；二是主要起因于固體地球外部的變化磁場 δＴ。,因而，地磁場T可以表示為： T=TS+ δＴ繼1838年高斯提出球諧分析之后，1885年由A·史密特(ASchmidt)利用總磁場的球諧分析方法和面積分法，把穩(wěn)定磁場和變化磁場分解為起源于地球內、外的兩部分，故有,其中

9、Tsi是起因于地球內部的穩(wěn)定磁場，占穩(wěn)定磁場總量的99%以上；Tse是起源于地球外部的穩(wěn)定磁場，僅占1%以下。δＴe是變化磁場的外源場，約占變 化磁場總量的2/3；δＴi為內源場約占其總量的1/3,δＴi實際上也是由于外部電流 感應而引起的。,一般情況下，變化場為穩(wěn)定場的萬分之幾，偶爾可達到百分之幾。故通常所指的地球穩(wěn)定磁場主要是內源穩(wěn)定場，它由以下三部分組成其中T０為中心偶極子磁場，Tｍ為非偶極子磁場，也稱為大陸磁

10、場或世界異常，這兩部分的磁場之和又稱為地球基本磁場，編制的世界地磁圖大多為地球基本磁場的分布圖。,其 中T０場幾乎占80-85%,故它代表了地磁場空間分布的主要特征。內源穩(wěn)定磁場的另一個組成部分，是地殼內的巖石礦物及地質體在基本磁場磁化作用下所產生的磁場，稱為地殼磁場，又稱為異常場或磁異常，以Tａ表示。其分布范圍一般在數公 里或數十公里者，稱為局部異常(Ta′)，達數百或數千公里者，稱為區(qū)域磁場(Ta″)。,這兩部分磁異常對編制世

11、界地磁圖來說，均屬全球地磁場的局部現象，應屬于光滑濾波除掉的部分。而對于磁法勘查來說，測定和研究地殼磁場，則是解決地質構造和礦產資 源調查的一個重要研究對象。,綜上所述，地球磁場的構成可用下式表示：而式中外源穩(wěn)定磁場Tse，因數量級極小，通常可被忽略。,(2)正常場和磁異常按研究地磁場的目的不同，可將地磁場分為正常地磁場(正常場)和磁異常(異常場)兩部分 。在地磁學研究中，有確定的正常地磁場和明確含義的磁異常的概念

12、。而通常情況下，正常場和異常場是相對的概念，正常磁場可以認為是磁異常(即所要研究的磁場)的背景場或基準場。,如研究大陸磁異常，則將中心偶極子場作為正常地磁場；研究地殼磁場時，以中心偶極子場和大陸磁場之和為其正常場，可見正常場的選擇是根據所研究磁異常的要求而確定的。 ,磁法勘查在地質工作中的應用，因解決各種地質問題的對象不同、測區(qū)大小不同，關于正常磁場的選取也是相對的。例如，在弱磁性或非磁性地層中要圈定強磁性巖體或礦體，通常將前者

13、所引起的磁場作為正常背景場，而后者產生的磁場為磁異常；,有時要在磁性巖層中圈定 非磁性地層，這時可把磁性巖層的磁場作為正常場，非磁性地層中的磁場相對變化為異常場 ?？傊哉１尘皥鲎鳛榛鶞蕡?，有效地提取所研究對象的磁場變化，進一步 研究其異常場與所要解決的各種地質問題的對應關系，這是磁法勘查中解釋磁異常的一項重要任務。,4地磁圖和地磁場分布的基本特征(1)地磁測量和地磁圖地磁場是空間和時間的復雜函數，為了滿足地面上定向、

14、航空、航海、資源勘查以及地磁學本身研究的需要，需要根據地磁測量的結果定期地編繪出相應的各種圖件。完成地磁觀測任務的測點通常為兩類：一類是連續(xù)地測定地磁要素絕對值及隨時間變化場值，此類有固定的測點，稱其為地磁臺；,另一類是野外測點，在這些測點上間斷地測定地磁要素絕對值。由這 兩類測點組成了某地區(qū)、某國家甚至全球范圍的地磁測網。當進行全球性的研究時，不可忽略超過陸地面積四分之三的海域地磁測量。為此，必須充分利用海洋磁測、航空磁測和衛(wèi)

15、星 磁測，它們可以在短時間內獲得大面積或全球范圍的磁場三分量(X、Y、Z)及其它地磁要素 的地磁資料。,地磁要素是隨時空變化的，要了解其分布特征，必須把不同時刻所觀測的數值都歸算到某一特定的日期，國際上將此日期一般選在1月1日零點零分，這個步驟稱之為通化。將經通化 后的某一地磁要素值按各個測點的經緯度坐標標在地圖上，再把數值相等的各點用光滑的曲 線連結起來，編繪成某個地磁要素的等值線圖，便稱為地磁圖。地磁圖按要素D、I、T、H、Z

16、、X及Y可分別繪制出相應的等值線圖，按編圖范圍分類，有世 界地磁圖和局部地磁圖兩種；,世界地磁圖表示地磁場在全球范圍內的分布，通常每五年編繪 一次，圖2.2-2至圖2.2-6為1980.0年代的D、I、H、Z及T等要素的世界地磁圖。,根據各地磁要素在地理分布上的基本特征，可以認為地球基本磁場的模式與一個位于地球中心并與其旋轉軸交角為115°的地球中心偶極子場很相似。兩者地磁要素分布基本特征大致吻合，但在相當廣大的區(qū)

17、域內兩者之間存在著明顯的差異，若從世界正常地磁圖所表示的結果中減去地心偶極子磁場(T０)。所得差值即為非偶極子場(Tｍ)，圖2.2-7為 非偶極子垂直分量強度分布圖，,可見全球有幾個正負中心，其中最明顯的四個大陸磁場(世 界磁異常)有：東亞、南極大陸、非洲西部和大洋洲。,(3)中國及鄰區(qū)MAGSAT衛(wèi)星磁力異常5地磁場的起源二、地磁場的解析表示三、變化磁場,疊加在地球基本磁場上的變化場，指的是隨時間變化的磁場，

18、從它們的特征和成因來說， 總體可以分為兩大類型：一類是地球內部場源緩慢變化的長期變化場；另一類主要起因于地球外部場源的短期變化場。現簡介如下：,1長期變化場地磁場長期變化總的特征是隨時間變化緩慢，周期長。一般變化周期為幾年，幾十年，有的 更長。對地磁場的長期變化，主要是通過世界各地的地磁臺長期的、連續(xù)的觀測數據，取其 平均值來進行研究的,但因從事這方面測量的歷史較短，分布范圍有限，對更長周期變化場 的研究有較大限制，

19、故必須提出相應的間接研究方法，如考古地磁及古地磁等，可追索得到 古代地磁場的長期變化場的許多重要資料。,2地磁場的短期變化地磁場的短期變化主要起因于固體地球外部的各種電流體系。按其變化特征也可分為兩類： 一類是按一定的周期連續(xù)出現，月變化平緩而有規(guī)律，稱為平靜變化；另一類是偶然發(fā)生， 持續(xù)一定時間后就消失，是短暫而復雜的變化，變化幅度可以很強烈，也有的很小，稱之為 擾動變化。,(1)平靜變化平靜變化又根據變化周期和幅度

20、等特征，分為太陽靜日變化(Sq)和太陽日變化(L)。 由于后者變化幅度僅1－2nT，又重疊在太陽靜日變化之中，對磁法勘查影響甚微。故不單獨考慮。,太陽日變化是以一個太陽日24小時為周期，稱為地磁日變，它的變化是依賴于地方太陽時， 其基本特點是：各個地磁要素的周日變化是逐日不停地在進行，其中振幅易變、相位幾乎不變。白天(6－18)時磁場變化較大，夜間較平靜。夏季的變化幅度最大，冬季的幅度最小、春 秋季節(jié)居中。日變的平均幅度為

21、n－n·10nT，見圖2.2-12；,太陽日變化另一特點是它與該日的地磁活動性有關，受太陽黑子活動周期性的影響。經統(tǒng)計可選出一個月中有最大和 最小干擾各五天，這幾天內世界各地地磁臺測得的周日變化，分別稱為國際擾日變化(S a)和靜日變化(Sq)，其它稱為一般日變化。更明顯 的極值，在赤道附近變幅最大，甚至可達200nT，而在±30°附近最小，近于零，曲線也有 明顯的相位反轉。,擾日變化和靜日變化有顯

22、著區(qū)別，尤其是垂 直分量的曲線形態(tài)及變幅均有明顯差異；利用世界各地磁臺的國際靜日變化(Sq)記錄 的統(tǒng)計平均資料，可以得出地球表面不同點上的Sq變化特征。在同一磁緯度上，它們 的變化幾乎從形態(tài)到幅值均很相似。而在同一經度不同緯度上則變化的差異很大。由圖2.2-13清楚地看到不同緯度上春、秋分三分量靜日變化的特點。,Z分量的Sq(Z)曲線的基 本 特征是在中午前后有一明顯的極值，變幅在磁緯度φm=±30°

23、附近最大，向兩極或赤 道變幅逐漸減小，曲線有明顯的相位反轉，北半球為負極值、南半球為正極值。東向分量 Sq(Y)在早晨和中午各有符號相反的兩個極值，在±30°附近變幅最大，赤道附近近于 零，在南、北半球的曲線有明顯的相位反轉。,北向分量Sq(X)曲線在午前有一更明顯 的極值，在赤道附近變幅最大，甚至可達200nT，而在±30°附近最小，近于零，曲線也有 明顯的相位反轉。中國地區(qū)靜日變化隨

24、磁緯度分布的基本特征與世界的Sq變化在北半球中低緯度區(qū)的特征相似。,(2)擾動變化地磁場的擾動變化是疊加在平靜變化場水平上的地磁擾動，變化幅度可小于1nT到n×103nT，持續(xù)時間可小于1秒到幾天不等，而且相互重疊，地磁擾動可分為兩類：一類為 無明顯周期，變化幅度范圍較大的磁擾動。按其物理機制又可分成六種，其中磁暴往往遍及全球；另一類為變化幅度很小，具有準周期結構特征的地磁脈動，同樣它也可進一步 分類。,與磁

25、法勘查關系密切的是磁暴和地磁脈動，現簡介如下：①磁暴磁暴是一種強烈的擾動。從赤道到極區(qū)均可觀察到磁暴現象，而且?guī)缀跏侨蛲瑫r發(fā)生。發(fā)生時對地磁場水平分量的強度影響特別顯著，而對垂直分量影響相對小些。因此，通常研究磁暴的形態(tài)和特征是通過水平分量變化來進行的。,磁暴按其始發(fā)時間通?？煞譃榧笔夹?SC)和緩始型(GC)兩種。若按其變化強度可分為三級， 即小磁暴、中強磁暴和強烈磁暴。磁暴強度有從低磁緯度到高磁緯度逐漸變強的規(guī)律。

26、就同 一磁暴其變幅在不同地磁緯度上也有所不同。一般中強磁暴可達數百納特，持續(xù)時間可達數 天。,單個磁暴也可使水平分量強度增到幾千納特。在磁暴發(fā)生的過程中，H分量的平均值(D SS）以一定形態(tài)變化，可分為三個相階段，即磁暴始發(fā)時的初相段、主相段和結束時的 恢復平靜相段，這三個相段在任何全球性磁暴的發(fā)展過程中都可以觀察到。圖2.2-14為1959年7月14日中國余山地磁臺觀察的磁暴曲線，明顯地可以見到此特征。,一般認為磁暴發(fā)生與太陽黑

27、子出現有關。因而，磁暴發(fā)生也有一定時間分布規(guī)律，太陽活動 性愈強的年份磁暴發(fā)生頻率愈高，最多一年可有20－40次。即使太陽活動性極小的年份也可 有5－20次，且相當多的磁暴具有相隔27天左右重現的規(guī)律性，以及以11年為周期的特點。磁 暴發(fā)生頻率還與季節(jié)性有關。通常春秋磁暴多，冬夏較少。,②地磁脈動地磁脈動是一種地磁場的微擾變化，它具有準周期結構的特點，一般周期介于n·10－1－n·102s頻率范圍

28、從毫赫茲到赫茲，振幅的變化范圍為n·10-3－ n·10nT(在強擾動期間也可達數百納特)。,地磁脈動可分為兩大類型：一類是規(guī)則穩(wěn)定連續(xù)型脈動，也稱Pc型脈動，它具有準正弦 波形和穩(wěn)定狀態(tài)的振動特點。脈動周期范圍一般為0.2-1000s，這類脈動持續(xù)時間可達數小 時，根據其周期及形態(tài)特征和物理性質不同，再可分為六種類型。,另一類是不規(guī)則型的或衰 減型的振動系列，記為Pi型。它也可再分為二種類型。這

29、類微擾形態(tài)雖為不規(guī)則型， 但類似于阻尼振蕩之特點，在振動中振幅是逐步衰減的。持續(xù)時間為幾分到幾十分鐘。,通過本節(jié)討論可知，地球變化磁場與磁法勘查是十分密切關聯(lián)的。例如利用不同年代的航磁 進行編圖時，應該考慮到地磁場的長期變化的特點，需在不同年代的時間統(tǒng)調之基礎上進行 ；在高精度磁測中，地磁周日變化是一種嚴重干擾場，一般在地面磁測、航空磁測過程中設 有專用儀器進行地磁日變觀測，以便進行相應的校正，稱為日變改正。,但在海上磁測時，這

30、是一個困難的問題，如近海測量，雖然可建立日變站進行觀測校正，但由于海岸效應等因素 會影響其精度。若為遠洋磁測，就根本無法建立日變站，因此，為了提高測量精度必須提出 相應的措施，消除其日變干擾場；,在強磁暴和強磁擾期間，應該停止野外磁測工作，避免那 些嚴重的地磁擾動覆蓋在地質體異常之上。然而，短期變化場中也有對磁法勘查工作有利之 處，如地磁脈動微擾是一種更短周期的電磁波，它在具有高電導率的地殼層中可能是產生感 應大地電流電磁場的天