1、地球物理学导论,资源学院：苏本玉,课程目录,绪论第一章 太阳系和地球第二章 放射性和地球年龄第三章 地震学第四章 重力学第五章 地磁学第六章 地电学第七章 地热学,第五章 地磁学,5.1 地磁场的基本概念5.2 地球基本磁场5.3 岩石的磁性5.4 古地磁学及应用5.5 磁法勘探原理,第五章 地磁学,5.1 地磁场的基本概念5.2 地球基本磁场5.3 岩石的磁性5.4 古地磁学及应用5.5 磁法勘探原理,5.1 地磁场的基本概念,5.1.1 磁场强度和磁势5.1.2 地磁要素5.1.3 地磁图,5.1 地磁场的基本概念,5.1.1 磁场强度和磁势5.1.2 地磁要素5.1.3 地磁图,5.1.
2、1 磁场强度和磁势,：两个点电荷之间距离。,：为检验正电荷的电荷量。,：源点电荷的电荷量,5.1.1 磁场强度和磁势,：为检验正磁荷的磁荷量。,：源点磁荷的磁荷量,：两个点磁荷,磁场强度,：单位正磁荷所受的力。,磁感应强度,5.1.1 磁场强度和磁势,磁场中某一点的磁势等于从无穷远到该点的磁场强度的积分：,（2）磁偶极子、磁偶极矩和磁矩,5.1.1 磁场强度和磁势,L,磁偶极子,磁偶极矩,5.1 地磁场的基本概念,5.1.1 磁场强度和磁势5.1.2 地磁要素5.1.3 地磁图,5.1.2 地磁要素,、,（1）直角坐标系, x, y, z中。总磁场Bt, 在三个坐标轴上的分量：X, Y ,Z。
3、分别称为：X：北向分量；Y: 东向分量；Z：垂直分量。,5.1.2 地磁要素,、,（2）柱坐标系, r, , z中。坐标系内任一点都可以由（ r, , z ）,5.1.2 地磁要素,、,（2）柱坐标系, （r, , z）中。,5.1.2 地磁要素,Bt,H,X,D,Z,、,（2）柱坐标系, （r, , z）中。总磁场Bt, H:在水平面上投影，水平分量， H所指的方向称为磁北。D：H与X轴之间夹角称为磁偏角；Z：垂直分量。,y,5.1.2 地磁要素,、,（3）球坐标系,（ r, , ）中。,5.1.2 地磁要素,Bt,H,X(北),Z,D,I,Y（东）,Z（下）,、,I称为磁倾角。,（3）球坐
4、标系, r, , 中。,5.1.2 地磁要素,Bt,H,X(北),Z,D,I,Y（东）,Z（下）,、,X Y, Z, H, I, D, Bt 称为地磁要素。,X,Y,5.1.2 地磁要素,Bt,H,X(北),Z,D,I,Y（东）,Z（下）,、,X Y, Z, H, I, D, Bt 称为地磁要素。,X,Y,5.1 地磁场的基本概念,5.1.1 磁场强度和磁势5.1.2 地磁要素5.1.3 地磁图,5.1.3 地磁图,根据地磁测量的结果描绘出相应的各种图件,世界地磁场磁偏角等值线,5.1.3 地磁图,根据地磁测量的结果描绘出相应的各种图件,垂直非偶极子磁场强度,世界地磁场垂直强度等变线图,5.1
5、.3 地磁图,第五章 地磁学,5.1 地磁场的基本概念5.2 地球基本磁场5.3 岩石的磁性5.4 古地磁学及应用5.5 磁法勘探原理,5.2 地球基本磁场,5.2.1 地磁场的构成及起源5.2.2 地心偶极子磁场5.2.3 地磁场的球谐分析 5.2.4 变化磁场,5.2.1 地磁场的构成及起源,地磁场：地球周围存在磁场,按其来源和变化规律不同，可将地磁场分为两部分：,Ts： 源于固体地球内部的稳定磁场。,T： 源于地球外部的变化磁场。,把稳定磁场和变化磁场分解为起源于地球内、外的两部分:,地磁场：地球周围存在磁场,5.2.1 地磁场的构成及起源,:地球内部的稳定磁场(99%).,:地球外部的
6、稳定磁场(1%).,:变化磁场的外源场(2/3).,:变化磁场的内源场(1/3).,5.2.1 地磁场的构成及起源,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，称为地壳磁场，又称为异常场或磁异常.,磁异常: 区域异常和局部异常。,区域异常：地壳深部岩石的磁化所产生的磁场。,局部异常：地壳浅层岩石的磁化所产生的磁场。,5.2.1 地磁场的构成及起源,起源,5.2 地球基本磁场,5.2.1 地磁场的构成及起源5.2.2 地心偶极子磁场5.2.3 地磁场的球谐分析 5.2.4 变化磁场,5.2.2 地心偶极子磁场,P: 磁偶极距,5.2.2 地心偶极子磁场,(1)假设地心偶极轴与地轴重
7、合,m: 磁距,5.2.2 地心偶极子磁场,B:磁感应强度,H:磁场强度,j0:电流密度,D:电位移,(1)假设地心偶极轴与地轴重合,5.2.2 地心偶极子磁场,无旋场,引入标量磁势：,(1)假设地心偶极轴与地轴重合,5.2.2 地心偶极子磁场,磁场强度 H 三个方向的分量：,磁感应强度 B 三个方向的分量：,(1)假设地心偶极轴与地轴重合,5.2.2 地心偶极子磁场,(1)假设地心偶极轴与地轴重合,5.2.2 地心偶极子磁场,(1)假设地心偶极轴与地轴重合,5.1.2 地磁要素,、,（3）球坐标系,（ r, , ）中。,5.2.2 地心偶极子磁场,(1)假设地心偶极轴与地轴重合,5.2.2
8、地心偶极子磁场,(1)假设地心偶极轴与地轴重合,5.2.2 地心偶极子磁场,(1)假设地心偶极轴与地轴重合,赤道：,极地：,5.2.2 地心偶极子磁场,5.2.2 地心偶极子磁场,（2005）世界地磁场磁偏角等值线,（2005）世界地磁场垂直强度等变线图,5.2.2 地心偶极子磁场,5.2.2 地心偶极子磁场,（2）地心偶极轴与地轴不重合,5.2.2 地心偶极子磁场,（2）地心偶极轴与地轴不重合,5.2.2 地心偶极子磁场,（2）地心偶极轴与地轴不重合,5.2.2 地心偶极子磁场,（2）地心偶极轴与地轴不重合,5.2.2 地心偶极子磁场,（2）地心偶极轴与地轴不重合,5.2.2 地心偶极子磁场
9、,任一点P的磁场强度的三个分量：,（2）地心偶极轴与地轴不重合,5.2.2 地心偶极子磁场,如果任一点P在地表（r=R），则磁感应强度的三个分量：,（2）地心偶极轴与地轴不重合,5.2.2 地心偶极子磁场,在地表可以测定：Hx，Hy，Hz,（2）地心偶极轴与地轴不重合,5.2.2 地心偶极子磁场,（2）地心偶极轴与地轴不重合,5.2.2 地心偶极子磁场,地心磁偶极子m极距角0和方位角0,5.2 地球基本磁场,5.2.1 地磁场的构成及起源5.2.2 地心偶极子磁场5.2.3 地磁场的球谐分析 5.2.4 变化磁场,5.2.3 地磁场的球谐分析,说明地球磁场的来源问题： （1） 地球的磁场主要起
10、源于地球的内部； （2） 地球磁场的另一部分来源于地球外部空间，即地 球外部电流体系、太阳风、电离层、极光（短时变化）； （3） 还有一部分来源于磁性地壳产生的磁场。,用数学表达式把地球要素的地面分布表示成地球坐标的函数。即用数学语言（坐标）来表示地磁要素。,1839年，德国人高斯，首次用数学物理方法对地球的磁场进行了球谐分析。奠定了地磁学的数理基础。 1885年，德国人施密特，发展了此方法。,5.2.3 地磁场的球谐分析,高斯球谐分析：表示全球范围地磁场的分布及其长期变化的一种数学方法。该方法还可区分外源场和内源场。,假设：1）地球是均匀磁化球体，球体半径为R； 2）地球的磁场是由内部原因和
11、外部原因引起的； 3）近地表不存在磁性物质。,已证明：地球周围空间任一点的磁势U满足拉普拉斯方程：,5.2.3 地磁场的球谐分析,5.2.3 地磁场的球谐分析,分离变量法求解方程，得方程的解为：,：特殊函数,5.2.3 地磁场的球谐分析,起源于地球内部的基本磁场的磁势的高斯级数表达式：,基本磁场在地球表面的三个分量表达式：,磁场磁偏角等,5.2 地球基本磁场,5.2.1 地磁场的构成及起源5.2.2 地心偶极子磁场5.2.3 地磁场的球谐分析 5.2.4 变化磁场,5.2.4 变化磁场,：地球内部场源缓慢变化而导致长期变化场。,：起源于地球外部场源的短期变化场。,追踪地球内部物质运动的重要线索
12、。,研究气候、天气变化以及通讯信息。,5.2.4 变化磁场,：地球内部场源缓慢变化而导致长期变化场。,天然电磁场,感应电磁场,5.2.4 变化磁场,：起源于地球外部场源的短期变化场。,地球的大气圈可分为对流层、平流层、中间层、电离层和逃逸层。,电离层：大约85公里到500公里 ；这一层里的氧原子和氮原子处于电离状态。,地球高层大气的分子和原子，在太阳紫外线、射线和高能粒子的作用下电离，产生自由电子和正、负离子，形成等离子体区域即电离层。电离层从宏观上呈现中性。,5.2.4 变化磁场,电离层,太阳风：太阳外层大气连续向外流动并加速到超声速的等离子体流。,5.2.4 变化磁场,电离层,地磁场的干扰
13、变化,5.2.4 变化磁场,电离层,地磁场的干扰变化,（1）磁暴,（2）极光,（3）地磁脉动,5.2.4 变化磁场,（1）磁暴： 全球性的地磁现象，全球同时发生的强烈 地磁干扰。,磁暴的特征：,巨型太阳活动爆炸图,5.2.4 变化磁场,（1）磁暴： 全球性的地磁现象，全球同时发生的强烈 地磁干扰。,磁暴的经典理论：1）太阳粒子流扰动场：粒子流在射向地球的运动过程中与地磁场的作用，产生感应电流，感应电流所产生的磁场。,2）环电流扰动场：高能太阳风中的部分粒子闯入磁层后，在地磁场的作用下发生漂移，产生了一个自东向西的环电流。,3）各种类型的磁扰常重叠在一起出现，形成了复杂而强烈的地磁 扰动。,5.
14、2.4 变化磁场,（1）磁暴： 全球性的地磁现象，全球同时发生的强烈 地磁干扰。,太阳风的出现又和什么有关？,太阳黑子：太阳光球上经常出没的暗黑斑点。,太阳黑子特点：磁场比周围强，温度比周围低。,2011-6-9：美国国家航空航天局观测到数年来最强的太阳黑子活动，场面壮观，引发了磁暴和电离层的扰动,5.2.4 变化磁场,（1）磁暴： 全球性的地磁现象，全球同时发生的强烈 地磁干扰。,研究的目的：需找磁暴发生的规律，避免磁暴影响。,例如：通讯无线电波收到干扰，或中断，野外磁测工 作无法进行。,5.2.4 变化磁场,（2）极光,太阳发出的带电粒子进入地球的两极地区。两极的高层大气分子，受到太阳风的
15、轰击（电离作用）后会释放能量，发出光芒，形成极光。,北极光：阿拉斯加,北极光：阿拉斯加湖上空,北极光：阿拉斯加布鲁克斯山脉,南极光：澳大利亚戴维斯研究所,南极光：澳大利亚凯西研究所（2007.3）,5.2.4 变化磁场,（3）地磁脉动,地磁脉动：地磁场的短周期变化，具有不同的周期和振幅。,5.1 地磁场的基本概念5.2 地球基本磁场5.3 岩石的磁性5.4 古地磁学及应用,第五章 地磁学,5.3 岩石的磁性,自然界的物质具有或弱或强的磁性，分为三类：1）抗磁性物质；2）顺磁性物质；3）铁磁性物质。,物质磁性：任何物质的磁性都是带电粒子运动的结果。各类物质原子结构不同，表现出不同的宏观磁性。,磁
16、介质放置在外磁场H中发生磁化，磁化强度M和磁场强度H之间的关系：,5.3 岩石的磁性,1）顺磁性：物质原子中含有非成对电子，存在自旋磁矩。在外磁场中，电子自旋磁矩趋向外磁场方向，这种特性叫顺磁性。,2）抗磁性 ：矿物原子内电子成对出现，自旋磁矩相互抵消。在外磁场中，获得与外磁场方向相反的磁矩，磁化率是负的。,顺磁性元素如：氧、铝等。 顺磁性矿物如：常见的造岩矿物辉石、生云母和角闪石等。,弱磁性物质如：氢、铜等。 具有抗磁性的矿物如石英、长石等。,5.3 岩石的磁性,3）铁磁性：含铁元素等的矿物具有特殊内部结构，虽沿磁场方向磁化，但当磁场去掉以后却留下一定的剩余磁化强度，并且磁化率很高，且和磁化
17、磁场的强度有关。,铁、钴、镍及其合金就属于这一类。,磁化率：磁介质放置在外磁场H中发生磁化，M和H之间的关系：,5.3 岩石的磁性,：被现代磁场磁化后的磁感应强度。,：在其当时形成的时，被磁化后的磁感应强度，并保存下来称为 剩余磁感应强度 。,5.3 岩石的磁性,岩石的剩余磁性,原生剩磁：岩石在形成时获得的剩磁。次生剩磁：岩石生成以后，在漫长的地质年代中，由于某些原因 再被磁化而获得的剩磁。 由于形成剩余磁性的磁化场、矿物成分、温度及化学反应不同，剩余磁性的类型、特点也不同：,注：古地磁的研究对象是原生剩磁。,原生剩磁和此生剩磁有哪些类型？其特点分别是什么？（P205）,5.1 地磁场的基本概
18、念5.2 地球基本磁场5.3 岩石的磁性5.4 古地磁学及应用,第五章 地磁学,5.4 古地磁学及应用,剩磁方向大都与古地磁场方向一致.,5.4 古地磁学及应用,（1） 地磁场的倒转。,古地磁研究,5.4 古地磁学及应用,（2）古地磁场与大陆漂移。,魏格纳,5.4 古地磁学及应用,（3）海底扩张的古地磁证据。,美国学者赫斯和迪茨于20世纪60年提出了海底扩张假说。,5.4 古地磁学及应用,（4）应用地磁场确定地质年代。,不同时期变化的特征是不同的，若两个地区长期变化的图形（指偏角和倾角）是一致的，说明岩石时代是相同的。,1）利用地磁场的长期变化进行地层对比,5.4 古地磁学及应用,（4）应用地磁场确定地质年代。,2）研究地质构造,已经获得了原生剩磁的岩石，如果后来发生了构造运动，从改变了它们生成时期的相对位置，就可反推和验证构造运动发生的方式和方向。进而可确定构造运动发生的大致年代。,5.4 古地磁学及应用,（4）应用地磁场确定地质年代。,3）预测矿产分布,利用岩石的古地磁倾角，不仅可用来研究古地理、古气候和古植物群体的分布，还可根据古地理和古气候资料来预测沉积矿产形成的可能时间与空间分布。,
