應(yīng)用地球物理學(xué)原理第二章02

1、§2.2 地球磁場(chǎng)的基本特征,在地球上，懸掛起來(lái)的能在水平面內(nèi)自由轉(zhuǎn)動(dòng)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(gè)極為它的指南磁極，衡稱為南磁極或負(fù)磁極，用S表示；指北的那個(gè)極為它的指北磁極，簡(jiǎn)稱北磁極或正磁極，用N表示。,地球磁場(chǎng)：地球本身及其周圍的磁場(chǎng)叫做地球磁場(chǎng)。地磁場(chǎng)是矢量場(chǎng)，其分布范圍廣，從地核到 空間磁層邊緣處處有分布。,地磁場(chǎng)的分布、變化規(guī)律及起源等問(wèn)題是地磁學(xué)研究的范疇。在 磁

2、法勘探工作中，由磁測(cè)設(shè)計(jì)、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(chǎng)的分布特征和變化規(guī)律。,表征地磁場(chǎng)的物理量是地磁場(chǎng)感應(yīng)強(qiáng)度。由于相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)一直沿用CGSM制，在CGSM制中 ，真空中磁感應(yīng)強(qiáng)度與磁場(chǎng)強(qiáng)度（ ）相當(dāng)，因此以往的磁法勘探書(shū)中將磁感應(yīng)強(qiáng)度稱做磁場(chǎng)強(qiáng)度 。本書(shū)沿用這一習(xí)慣稱法，除巖礦石磁化磁場(chǎng)確系磁場(chǎng)強(qiáng)度外，其它章節(jié)所提及地磁場(chǎng)強(qiáng)度 即指地磁感應(yīng)強(qiáng)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(chǎng)大小與方向特征的物理量。地磁場(chǎng)是一個(gè)矢量場(chǎng)，因此，空間任何一點(diǎn)的地磁場(chǎng)F必須用三個(gè)獨(dú) 立的分量才能表示出來(lái)。這些分量的名稱及其度量方法，根據(jù)采用坐標(biāo)系的不同而不同。,例如， 直角坐標(biāo)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(biāo)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(fù)；,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(biāo)中用磁偏角D,水平分量H和垂直分量Z表示。地磁學(xué)中人們把描述地磁場(chǎng)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(dú)立，其關(guān)系如圖6·2·6所示，其

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

6、為實(shí)用單位。,在地球物理文獻(xiàn)中，過(guò)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(yīng)強(qiáng)度B；用Oe(奧斯特)表示磁場(chǎng)強(qiáng)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(shù)值上相等。,目前已普遍使用國(guó)際單位制，在國(guó)際單位制中：磁感應(yīng)強(qiáng)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(guān)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(chǎng)的構(gòu)成和磁異常(1)地磁場(chǎng)的構(gòu)成在地面上觀測(cè)所得到的地磁場(chǎng)T是各種不同成分的磁場(chǎng)的總和。它們

8、的場(chǎng)源分布有的在地球內(nèi)部，有的在地面之上的大氣層中。按其來(lái)源和規(guī)律不同，可將地磁場(chǎng)分為兩部分：一是主要來(lái)源于固體地球內(nèi)部的穩(wěn)定磁場(chǎng)TＳ；二是主要起因于固體地球外部的變化磁場(chǎng) δＴ。,因而，地磁場(chǎng)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(chǎng)的球諧分析方法和面積分法，把穩(wěn)定磁場(chǎng)和變化磁場(chǎng)分解為起源于地球內(nèi)、外的兩部分，故有,其中

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

10、場(chǎng)或世界異常，這兩部分的磁場(chǎng)之和又稱為地球基本磁場(chǎng)，編制的世界地磁圖大多為地球基本磁場(chǎng)的分布圖。,其 中T０場(chǎng)幾乎占80-85%,故它代表了地磁場(chǎng)空間分布的主要特征。內(nèi)源穩(wěn)定磁場(chǎng)的另一個(gè)組成部分，是地殼內(nèi)的巖石礦物及地質(zhì)體在基本磁場(chǎng)磁化作用下所產(chǎn)生的磁場(chǎng)，稱為地殼磁場(chǎng)，又稱為異常場(chǎng)或磁異常，以Tａ表示。其分布范圍一般在數(shù)公 里或數(shù)十公里者，稱為局部異常(Ta′)，達(dá)數(shù)百或數(shù)千公里者，稱為區(qū)域磁場(chǎng)(Ta″)。,這兩部分磁異常對(duì)編制世

11、界地磁圖來(lái)說(shuō)，均屬全球地磁場(chǎng)的局部現(xiàn)象，應(yīng)屬于光滑濾波除掉的部分。而對(duì)于磁法勘查來(lái)說(shuō)，測(cè)定和研究地殼磁場(chǎng)，則是解決地質(zhì)構(gòu)造和礦產(chǎn)資 源調(diào)查的一個(gè)重要研究對(duì)象。,綜上所述，地球磁場(chǎng)的構(gòu)成可用下式表示：而式中外源穩(wěn)定磁場(chǎng)Tse，因數(shù)量級(jí)極小，通?？杀缓雎?。,(2)正常場(chǎng)和磁異常按研究地磁場(chǎng)的目的不同，可將地磁場(chǎng)分為正常地磁場(chǎng)(正常場(chǎng))和磁異常(異常場(chǎng))兩部分 。在地磁學(xué)研究中，有確定的正常地磁場(chǎng)和明確含義的磁異常的概念

12、。而通常情況下，正常場(chǎng)和異常場(chǎng)是相對(duì)的概念，正常磁場(chǎng)可以認(rèn)為是磁異常(即所要研究的磁場(chǎng))的背景場(chǎng)或基準(zhǔn)場(chǎng)。,如研究大陸磁異常，則將中心偶極子場(chǎng)作為正常地磁場(chǎng)；研究地殼磁場(chǎng)時(shí)，以中心偶極子場(chǎng)和大陸磁場(chǎng)之和為其正常場(chǎng)，可見(jiàn)正常場(chǎng)的選擇是根據(jù)所研究磁異常的要求而確定的。 ,磁法勘查在地質(zhì)工作中的應(yīng)用，因解決各種地質(zhì)問(wèn)題的對(duì)象不同、測(cè)區(qū)大小不同，關(guān)于正常磁場(chǎng)的選取也是相對(duì)的。例如，在弱磁性或非磁性地層中要圈定強(qiáng)磁性巖體或礦體，通常將前者

13、所引起的磁場(chǎng)作為正常背景場(chǎng)，而后者產(chǎn)生的磁場(chǎng)為磁異常；,有時(shí)要在磁性巖層中圈定 非磁性地層，這時(shí)可把磁性巖層的磁場(chǎng)作為正常場(chǎng)，非磁性地層中的磁場(chǎng)相對(duì)變化為異常場(chǎng) 。總之，以正常背景場(chǎng)作為基準(zhǔn)場(chǎng)，有效地提取所研究對(duì)象的磁場(chǎng)變化，進(jìn)一步 研究其異常場(chǎng)與所要解決的各種地質(zhì)問(wèn)題的對(duì)應(yīng)關(guān)系，這是磁法勘查中解釋磁異常的一項(xiàng)重要任務(wù)。,4地磁圖和地磁場(chǎng)分布的基本特征(1)地磁測(cè)量和地磁圖地磁場(chǎng)是空間和時(shí)間的復(fù)雜函數(shù)，為了滿足地面上定向、

14、航空、航海、資源勘查以及地磁學(xué)本身研究的需要，需要根據(jù)地磁測(cè)量的結(jié)果定期地編繪出相應(yīng)的各種圖件。完成地磁觀測(cè)任務(wù)的測(cè)點(diǎn)通常為兩類：一類是連續(xù)地測(cè)定地磁要素絕對(duì)值及隨時(shí)間變化場(chǎng)值，此類有固定的測(cè)點(diǎn)，稱其為地磁臺(tái)；,另一類是野外測(cè)點(diǎn)，在這些測(cè)點(diǎn)上間斷地測(cè)定地磁要素絕對(duì)值。由這 兩類測(cè)點(diǎn)組成了某地區(qū)、某國(guó)家甚至全球范圍的地磁測(cè)網(wǎng)。當(dāng)進(jìn)行全球性的研究時(shí)，不可忽略超過(guò)陸地面積四分之三的海域地磁測(cè)量。為此，必須充分利用海洋磁測(cè)、航空磁測(cè)和衛(wèi)

15、星 磁測(cè)，它們可以在短時(shí)間內(nèi)獲得大面積或全球范圍的磁場(chǎng)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(shí)空變化的，要了解其分布特征，必須把不同時(shí)刻所觀測(cè)的數(shù)值都?xì)w算到某一特定的日期，國(guó)際上將此日期一般選在1月1日零點(diǎn)零分，這個(gè)步驟稱之為通化。將經(jīng)通化 后的某一地磁要素值按各個(gè)測(cè)點(diǎn)的經(jīng)緯度坐標(biāo)標(biāo)在地圖上，再把數(shù)值相等的各點(diǎn)用光滑的曲 線連結(jié)起來(lái)，編繪成某個(gè)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(yīng)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(chǎng)在全球范圍內(nèi)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(jù)各地磁要素在地理分布上的基本特征，可以認(rèn)為地球基本磁場(chǎng)的模式與一個(gè)位于地球中心并與其旋轉(zhuǎn)軸交角為115°的地球中心偶極子場(chǎng)很相似。兩者地磁要素分布基本特征大致吻合，但在相當(dāng)廣大的區(qū)

17、域內(nèi)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(jié)果中減去地心偶極子磁場(chǎng)(T０)。所得差值即為非偶極子場(chǎng)(Tｍ)，圖2.2-7為 非偶極子垂直分量強(qiáng)度分布圖，,可見(jiàn)全球有幾個(gè)正負(fù)中心，其中最明顯的四個(gè)大陸磁場(chǎng)(世 界磁異常)有：東亞、南極大陸、非洲西部和大洋洲。,(3)中國(guó)及鄰區(qū)MAGSAT衛(wèi)星磁力異常5地磁場(chǎng)的起源二、地磁場(chǎng)的解析表示三、變化磁場(chǎng),疊加在地球基本磁場(chǎng)上的變化場(chǎng)，指的是隨時(shí)間變化的磁場(chǎng)，

18、從它們的特征和成因來(lái)說(shuō)， 總體可以分為兩大類型：一類是地球內(nèi)部場(chǎng)源緩慢變化的長(zhǎng)期變化場(chǎng)；另一類主要起因于地球外部場(chǎng)源的短期變化場(chǎng)?，F(xiàn)簡(jiǎn)介如下：,1長(zhǎng)期變化場(chǎng)地磁場(chǎng)長(zhǎng)期變化總的特征是隨時(shí)間變化緩慢，周期長(zhǎng)。一般變化周期為幾年，幾十年，有的 更長(zhǎng)。對(duì)地磁場(chǎng)的長(zhǎng)期變化，主要是通過(guò)世界各地的地磁臺(tái)長(zhǎng)期的、連續(xù)的觀測(cè)數(shù)據(jù)，取其 平均值來(lái)進(jìn)行研究的,但因從事這方面測(cè)量的歷史較短，分布范圍有限，對(duì)更長(zhǎng)周期變化場(chǎng) 的研究有較大限制，

19、故必須提出相應(yīng)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(chǎng)的長(zhǎng)期變化場(chǎng)的許多重要資料。,2地磁場(chǎng)的短期變化地磁場(chǎng)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(xiàn)，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(shí)間后就消失，是短暫而復(fù)雜的變化，變化幅度可以很強(qiáng)烈，也有的很小，稱之為 擾動(dòng)變化。,(1)平靜變化平靜變化又根據(jù)變化周期和幅度

20、等特征，分為太陽(yáng)靜日變化(Sq)和太陽(yáng)日變化(L)。 由于后者變化幅度僅1－2nT，又重疊在太陽(yáng)靜日變化之中，對(duì)磁法勘查影響甚微。故不單獨(dú)考慮。,太陽(yáng)日變化是以一個(gè)太陽(yáng)日24小時(shí)為周期，稱為地磁日變，它的變化是依賴于地方太陽(yáng)時(shí)， 其基本特點(diǎn)是：各個(gè)地磁要素的周日變化是逐日不停地在進(jìn)行，其中振幅易變、相位幾乎不變。白天(6－18)時(shí)磁場(chǎng)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(jiàn)圖2.2-12；,太陽(yáng)日變化另一特點(diǎn)是它與該日的地磁活動(dòng)性有關(guān)，受太陽(yáng)黑子活動(dòng)周期性的影響。經(jīng)統(tǒng)計(jì)可選出一個(gè)月中有最大和 最小干擾各五天，這幾天內(nèi)世界各地地磁臺(tái)測(cè)得的周日變化，分別稱為國(guó)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(dá)200nT，而在±30°附近最小，近于零，曲線也有 明顯的相位反轉(zhuǎn)。,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(tái)的國(guó)際靜日變化(Sq)記錄 的統(tǒng)計(jì)平均資料，可以得出地球表面不同點(diǎn)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(jīng)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(diǎn)。,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(zhuǎn)，北半球?yàn)樨?fù)極值、南半球?yàn)檎龢O值。東向分量 Sq(Y)在早晨和中午各有符號(hào)相反的兩個(gè)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(zhuǎn)。,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(dá)200nT，而在±30°附近最小，近于零，曲線也有 明顯的相位反轉(zhuǎn)。中國(guó)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(dòng)變化地磁場(chǎng)的擾動(dòng)變化是疊加在平靜變化場(chǎng)水平上的地磁擾動(dòng)，變化幅度可小于1nT到n×103nT，持續(xù)時(shí)間可小于1秒到幾天不等，而且相互重疊，地磁擾動(dòng)可分為兩類：一類為 無(wú)明顯周期，變化幅度范圍較大的磁擾動(dòng)。按其物理機(jī)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(zhǔn)周期結(jié)構(gòu)特征的地磁脈動(dòng)，同樣它也可進(jìn)一步 分類。,與磁

25、法勘查關(guān)系密切的是磁暴和地磁脈動(dòng)，現(xiàn)簡(jiǎn)介如下：①磁暴磁暴是一種強(qiáng)烈的擾動(dòng)。從赤道到極區(qū)均可觀察到磁暴現(xiàn)象，而且?guī)缀跏侨蛲瑫r(shí)發(fā)生。發(fā)生時(shí)對(duì)地磁場(chǎng)水平分量的強(qiáng)度影響特別顯著，而對(duì)垂直分量影響相對(duì)小些。因此，通常研究磁暴的形態(tài)和特征是通過(guò)水平分量變化來(lái)進(jìn)行的。,磁暴按其始發(fā)時(shí)間通?？煞譃榧笔夹?SC)和緩始型(GC)兩種。若按其變化強(qiáng)度可分為三級(jí)， 即小磁暴、中強(qiáng)磁暴和強(qiáng)烈磁暴。磁暴強(qiáng)度有從低磁緯度到高磁緯度逐漸變強(qiáng)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(qiáng)磁暴可達(dá)數(shù)百納特，持續(xù)時(shí)間可達(dá)數(shù) 天。,單個(gè)磁暴也可使水平分量強(qiáng)度增到幾千納特。在磁暴發(fā)生的過(guò)程中，H分量的平均值(D SS）以一定形態(tài)變化，可分為三個(gè)相階段，即磁暴始發(fā)時(shí)的初相段、主相段和結(jié)束時(shí)的 恢復(fù)平靜相段，這三個(gè)相段在任何全球性磁暴的發(fā)展過(guò)程中都可以觀察到。圖2.2-14為1959年7月14日中國(guó)余山地磁臺(tái)觀察的磁暴曲線，明顯地可以見(jiàn)到此特征。,一般認(rèn)為磁暴發(fā)生與太陽(yáng)黑

27、子出現(xiàn)有關(guān)。因而，磁暴發(fā)生也有一定時(shí)間分布規(guī)律，太陽(yáng)活動(dòng) 性愈強(qiáng)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(yáng)活動(dòng)性極小的年份也可 有5－20次，且相當(dāng)多的磁暴具有相隔27天左右重現(xiàn)的規(guī)律性，以及以11年為周期的特點(diǎn)。磁 暴發(fā)生頻率還與季節(jié)性有關(guān)。通常春秋磁暴多，冬夏較少。,②地磁脈動(dòng)地磁脈動(dòng)是一種地磁場(chǎng)的微擾變化，它具有準(zhǔn)周期結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，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(qiáng)擾動(dòng)期間也可達(dá)數(shù)百納特)。,地磁脈動(dòng)可分為兩大類型：一類是規(guī)則穩(wěn)定連續(xù)型脈動(dòng)，也稱Pc型脈動(dòng)，它具有準(zhǔn)正弦 波形和穩(wěn)定狀態(tài)的振動(dòng)特點(diǎn)。脈動(dòng)周期范圍一般為0.2-1000s，這類脈動(dòng)持續(xù)時(shí)間可達(dá)數(shù)小 時(shí)，根據(jù)其周期及形態(tài)特征和物理性質(zhì)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(dòng)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(diǎn)，在振動(dòng)中振幅是逐步衰減的。持續(xù)時(shí)間為幾分到幾十分鐘。,通過(guò)本節(jié)討論可知，地球變化磁場(chǎng)與磁法勘查是十分密切關(guān)聯(lián)的。例如利用不同年代的航磁 進(jìn)行編圖時(shí)，應(yīng)該考慮到地磁場(chǎng)的長(zhǎng)期變化的特點(diǎn)，需在不同年代的時(shí)間統(tǒng)調(diào)之基礎(chǔ)上進(jìn)行 ；在高精度磁測(cè)中，地磁周日變化是一種嚴(yán)重干擾場(chǎng)，一般在地面磁測(cè)、航空磁測(cè)過(guò)程中設(shè) 有專用儀器進(jìn)行地磁日變觀測(cè)，以便進(jìn)行相應(yīng)的校正，稱為日變改正。,但在海上磁測(cè)時(shí)，這

30、是一個(gè)困難的問(wèn)題，如近海測(cè)量，雖然可建立日變站進(jìn)行觀測(cè)校正，但由于海岸效應(yīng)等因素 會(huì)影響其精度。若為遠(yuǎn)洋磁測(cè)，就根本無(wú)法建立日變站，因此，為了提高測(cè)量精度必須提出 相應(yīng)的措施，消除其日變干擾場(chǎng)；,在強(qiáng)磁暴和強(qiáng)磁擾期間，應(yīng)該停止野外磁測(cè)工作，避免那 些嚴(yán)重的地磁擾動(dòng)覆蓋在地質(zhì)體異常之上。然而，短期變化場(chǎng)中也有對(duì)磁法勘查工作有利之 處，如地磁脈動(dòng)微擾是一種更短周期的電磁波，它在具有高電導(dǎo)率的地殼層中可能是產(chǎn)生感 應(yīng)大地電流電磁場(chǎng)的天