地磁磁场的基本特征及应用

地磁磁场的基本特征及应用

地球磁场：地球周围存在的磁场，包括磁层顶以下的固体地球内部和外部所有场源产生的磁场。地球磁场不是孤立的，它受到外界扰动的影响，宇宙飞船就已经探测到太阳风的存在。因为太阳风是一种等离子体，所以它也有磁场，太阳风磁场对地球磁场施加作用，好像要把地球磁场从地球上吹走似的。尽管这样，地球磁场仍有效地阻止了太阳风长驱直入。在地球磁场的反抗下，太阳风绕过地球磁场，继续向前运动，于是形成了一个被太阳风包围的、彗星状的地球磁场区域，这就是磁层。

地球磁层位于距大气层顶600～1000公里高处，磁层的外边界叫磁层顶，离地面5～7万公里。在太阳风的压缩下，地球磁力线向背着太阳一面的空间延伸得很远，形成一条长长的尾巴，称为磁尾。在磁赤道附近，有一个特殊的界面，在界面两边，磁力线突然改变方向，此界面称为中性片。中性片上的磁场强度微乎其微，厚度大约有1000公里。中性片将磁尾部分成两部分：北面的磁力线向着地球，南面的磁力线离开地球。

地磁学：是研究地磁场的时间变化、空间分布、起源及其规律的学科。固体地球物理学的一个分支。

时间范围：已可追溯到太古代（约35亿年前）——现代

空间范围：从地核至磁层边界（磁层顶），磁层离地心最近的距离： 8～ 13个地球半径组成和变化规律及应用：

磁偶极子：带等量异号磁量的两个磁荷，如果观测点距离远大于它们之间的距离，那么这两个磁荷组成的系统称为磁偶极子。

地磁场的构成

地球磁场近似于一个置于地心的同轴偶极子的磁场。这是地球磁场的基本特征。这个偶极子的磁轴和地轴斜交一个角度，。如图1.1所示，N、S

分别表示地磁北极和地磁南极。按磁性来说，地磁两极和磁针两极正好相反。同时，磁极的位置并不是固定的，每年会移动数英里，两个磁极的移动彼此之间是独立的，关于地磁极的概念有两种不同的思路和结果：理论的和实测的。理论的地磁极是从地球基本磁场中的偶极子磁场出发的。实测的地磁极是从全球地磁图（等偏角地磁图和等倾角地磁图）上找出的磁倾角为90°的两个小区域，这两个地点不在地球同一直径的两端，大约偏离2500千米。由

于它们是由磁倾角的实际观测决定的，故又称为地磁倾极；理论的地磁极

则称为偶极子磁极。

偶极子磁极与地磁倾极并不互相重合是由于非偶极子磁场的存在。按

照地理学的习惯，近地球南极的是地磁北极，近地球北极的是地磁南极。第

二次世界大战后，随着古地磁研究的迅速发展，人们获得了越来越多的地磁场倒

转证据。如岩浆在冷却凝固成岩石时，会受到地磁场的磁化而保留着像磁铁一样

的磁性，其磁场方向和成岩时的地磁场方向一致。科学家在研究中发现，有些岩

石的磁场方向与现代地磁场方向正好相反。科学

工作者通过陆上岩石和海底沉积物的磁力测定，

及洋底磁异常条带的分析终于发现，在过去的

7600万年间，地球曾发生过171次磁极倒转。距

今最近的一次发生在70万年前。

地磁场是一个弱磁场，在最强的两极其强度不到10-4(T),在地面上的平均

磁感应强度约为0.6x10-4(T)（特斯拉）。在地磁学中，通常采用nT作为单位，

1nT=.

地磁场T是由各种不同来源的磁场叠加起来构成的。按其来源和变化规律不

；二是主要起同，可将磁场分为两部分：一是来源于固体地球内部的稳定磁场T

s

因于固体地球外部的变化磁场。因而，地磁场可以表示为

具体如下

外源场

规则磁暴场磁层 150~500nT 近似均匀的外场，持续

4-10h，恢复2-3天

不规则磁暴场和亚暴场电离层和磁层 100-200nT 全球

场，极光带最强，5-100min

日变化电离层 50-200nT ，全球场，24、12、8h周期

脉动磁层 10-100nT，准全球场，1~300s（准周期）

1885年由A?施密特利用总磁场的球谐分析方法和面积方法，把稳定磁场和变化磁场分解为起源于地球内、外的两部分，故有：

其中，是起因于地球内部的稳定磁场，占稳定磁场总量的以上；

是起因于地球外部的稳定磁场，仅占以下；

是变化磁场的外源场，约占变化磁场总量的2/3，实际上是有外部电流感应而引起的;

为内源场约占其总量的1/3；

通常所指的地球稳定磁场主要是内源稳定场，它由以下三个部分组成：

其中为中心偶极子磁场；为非偶极子磁场，也称为大地磁场或世界异常；这两部分的磁场之和又称为地球基本磁场。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，称为地壳磁场，又称为异常场或磁异常。

其分布范围一般子在数千米或数十千米者，称为局部异常（），达到数百或数千千米者，称为区域磁场（）。

综上所述，地球磁的构成可用下式表示：

++

式中的外源稳定磁场

，因数量级极小，通常可被忽略。

地磁要素

地面上任意一点的磁场总强度适量T 通常

可

用直角坐标来描述。T 在直角坐标系内三个轴上的

的投影分量分别为X ，Y ，Z 。T 在XOY 水平面内的投影称为水平分量（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

倾时为正，反之为负。通过该点H 方向的铅直方向平面为磁子午面，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，西偏则为正。T 、X 、Y 、Z 、H 、D 及I 的各个分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。

如图不难看出他们的几何关系：

地磁要素是随时空变化的，要了解其分布特征，必须把不同时刻所观测的数值都归算到某一特定日期，国际上将此日期一般选在1月1日零点零分，这个步骤称之为通化。将通化后的某一地磁要素值按各个测点的经纬度坐标标在地图上，再把数值相等的各点用光滑的曲线连接起来，编绘程某个地磁要素的等值线图，便成为地磁图。

地磁场的分布

1)

世界地磁图分布

世界地磁图基本上反映了来自地球核部场源的各地磁要素随地理分布的基本特征。

O

X z

x Z

Y H

T I D y

从等偏线图中可见，在南北半球上磁偏角共有四个汇聚点，全图有两条零偏线。

从等倾线图可见，等倾线大致和纬度线平行分布。零倾线在地理赤道附近，称为磁赤道，

但不是一条直线。由磁赤道向北，磁倾角为正；磁赤道向南，磁倾角为负。

世界地磁场水平强度（H）等值线大致是沿纬度线排列的曲线簇，在磁赤道附近最大约为40000nT，随纬度向两极增高，H值逐渐减小趋于零；在磁南、北两极处H=0。除了两磁极区外，全球个点的H都指向北。

世界地磁场垂直强度（Z）等值线大致与等倾线分布相似，近似与纬度线平行。在磁赤道上Z=0,由此向两极其绝对值逐渐增大，在磁极处最大。

2)中国地磁图分布

我国地磁图表明地磁要素有以下分布特征：①磁偏角的零偏线由我国内蒙古穿过我国

中部偏西的甘肃省和西藏自治区延伸到尼迫尔、印度。零偏线以东偏角为负，其变化由0度至-11度；零偏线以西为正，变化范围由0度到5度。②磁倾角由南向北，I值由-10度增至70度。③地磁场水平强度H从南至北，H值由40000nT 降至21000nT。④垂直强度自南至北由-1000nT增到56000nT。⑤总强度由南至北，变化值为41000nT至60000nT。

地磁场的基本理论

假设地球是均匀磁化球体，半径为R，若采

用球坐标系，如图所示。坐标原点为球心，球外

任一点P的地心距为γ，余纬度为θ，经度为λ。

则在地磁源区外空间坐标系（γ，θ，λ）中，

磁位U的拉普拉斯方程可以写做：

采用分离变量法解得：

对上式对轴向微商，得到三个轴向磁场强度的三分量：

且有：

地磁测量

在各个测点上进行地磁要素的关系的测量称为地磁测量，简称磁测。磁测分为地面测量、海洋测量、航空测量和卫星测量。地磁要素的测量方法分为绝对测量和相对测量。地磁要素绝对值的测量称为绝对测量，地磁要素相对值的测量称为相对测量。

地磁场的变化

1)长期变化场

地球场长期变化的时空规律是探索地球内部物质运动的重要线索，也是固体地球物理的一个重要的课题。地球基本磁场随时间的缓慢变化叫做地磁场的长期变化，亦称世纪变化。地球磁场长期变化总的特征是随时间变化缓慢，周期长。一般变化周期为年、几十年，有的更长。对对地磁场的长期变化，主要是通过世

界各地的地磁台长期、连续的观测数据取其平均值来进行研究的。

2)地磁场的短期变化

地磁场的短期变化主要起因于固体地球外部的各种电流体系。按其变化规律也可以分为两类：一类是按一定的周期连续出现，变化平缓而有规律，称为平静变化；另一类是偶然发生、持续一定时间后消失，是短暂而复杂的变化，变化幅度可以很强烈，也有很小，称之为扰动变化。

(一)平静变化

根据其变化周期和幅度等特征平静变化分为太阳静日变化和太阴日变化。太阴日是地球相对于月球自转一周的时间，由于其变化幅度仅在1-2nT，又重叠在太阳日变化中，对磁力勘探影响甚微，故不单独考虑。太阳静日变化十一一个太阳日24h 为周期，称为地磁日变。它的变化依赖于地方太阳时。

(二)扰动变化

地磁场的扰动变化是叠加在平静变化场水平上的地磁扰动，变化幅度可小于1nT 或到1；持续时间可小于1s或几天不等。下面介绍其中的三种：

1、磁暴（由太阳耀斑引起的地球高层大气的扰动，全球范围内的地磁场的急骤无规则扰动。此现象发生突然，在1小时或更短时间内磁场经历显著变化, 然后可能要历时几天才回到正常状态。）

2、地磁亚暴；

3、地磁脉动（指地磁场的各种短周期变化。其周期范围一般为0.2～1000秒，振幅一般为百分之几到几十个纳特。地磁脉动可分为两大类：①连续脉动，形状为正弦型或近似正弦型，振幅较稳定，持续时间可达数小时；②不规则脉动，其振幅逐渐衰减，类似于阻尼振荡，可持续几分钟到几十分钟。地磁脉动的周期很短，只能在地壳上层产生感应电流，因此研究地磁脉动可以帮助了解地壳上层的电导率分布。

4、电磁感应

地磁场的起源

地磁场的起源曾提出很多假设，现在公认的是建立在地球内部结构认识基础上的自激发电机效应假说。该假设是从以下前提出发的：①地核是个导电的流体；②地核中原来存在微弱的磁场；③在地核流体中，持续发生着差异运动和对流。按照磁流体力学的规律形成的地核电流体和原有弱磁场的相互作用，通过感应方式电流自身形成的场又可以持续不断的再生磁场，从而增加后来的磁场。由于地核电流体持续运动而不断提供能量，因而引起一种自激发电机效应。由于能量的不断的不断消耗和供应，磁场增强到一定程度就稳定下来，形成现在的地球基本磁场。

岩石磁性

地壳中的岩石及矿体处在地球磁场中，从他们形成时起，就受其磁化而具有不同程度的磁性，其磁性差异在地表引起磁异常。研究岩石磁性的目的在于掌握岩石和矿物受磁化的原理，了解矿物与岩石的磁性特征及其影响因素，以便正确确定磁力勘探能够解决的地质任务，以及对磁异常做出正确的解释。主要研究的内容有：

1)岩石的物质磁性

2)岩石的磁性特征

3)岩石的剩余磁性

4)岩石圈的磁性

5)月球和陨石的磁性。

古地磁场

通过研究地质时期古地磁场的特征，对了解地球的发展演化具有重要意义。古地磁学研究的对象是岩石的的剩余磁性。岩石磁性记录了岩石形成和以后的磁场变化特征，它可以用来研究地质时期磁场。古磁场研究的内容有：

1)地磁场的起源

2)地磁场的长期变化

3)极性倒转

4)古地磁应用

地磁异常:又称“磁力异常”,简称“磁异常”。地磁场的理论分布是有变化的。而实际上测得的地球磁场强度和理论磁场强度是有区别的，这种区别称地磁异常。一般把地磁异常按面积大小分为大陆性异常、区域性异常、局部异常。而大陆异常常作为正常磁场。在磁法勘探中，把与地质构造和矿产有关的局部磁场称为局部异常。正常磁场和磁异常是相对的。研究局部矿产的磁异常时，叠加在正常场上的区域地质构造的磁场也可以看作是正常磁场。而研究区域地质构造时，区域地质构造的磁场则成为有意义的异常。一般将高于理论地磁场的地区叫正异常，反之为负异常。

极光：极光出现于星球的高磁纬地区上空，是一种绚丽多彩的发光现象。而地球的极光，由来自地球磁层或太阳的高能带电粒子流（太阳风）使高层大气分子或原子激发（或电离）而产生。极光产生的条件有三个：大气、磁场、太阳风。这三者缺一不可。

地磁场的地理分布特征：等偏线是从一点出发会聚于另一点的曲线族，明显的分别会聚在南北两磁极区，在这两点上磁北方向可以从0度变化到360度，即没有固定的磁偏角。在南北半球上磁偏角共有四个会聚点。等倾线大致和纬度平行分布。零倾线在地理赤道附近，称为磁赤道，但不是一条直线。由磁赤道向北，磁倾角为正，以南为负。世界地磁场水平强度等值线大致是沿纬度线排列的曲线族，在磁赤道附近最大，随着纬度向两极增高，H值逐渐减小趋于零。世界地磁场垂直强度等值线分布大致与等倾线相似，近乎与纬度平行，在磁赤道上等于零，向两极绝对值逐渐增大。

国际地磁参考场：为了对基本磁场的高斯系数给出一个全世界通用的标准，

从1968年开始，国际地磁和高空大气物理协会相继讨论和通过了几个不同年代的基本磁场模型，它们被称为某某年代国际地磁参考场（IG-RV）。这是由于地磁场具有长期变化的特点，所以在一个模型提出来以后，每经过五年又要根据新的资料对它进行一定的修正，以提高这些参考资料的精确度。

地球磁场研究的主要内容

1、地磁场的构成与起源

在地面上观测到的地磁场T是各种不同成分的磁场总和。它们的场源分布有的在地球内部，有的在地面之上的大气层中。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；二是主要起因于固体地球外部的。按研究地磁场目的的不同，可将地磁场分为正常场和异常场两部分。通常情况下，正常场和异常场是相对的概念，正常磁场可以认为是磁异常的背景场或基准场。

2、变化磁场

叠加在地球基本磁场上的变化场，指的是随时间变化而变化的磁场。从它们的特征和成因来说，总体可以分为两大两类：一类是由地球内部场源缓慢变化而致的长期变化场；另一类是主要起因于地球外部场源的短期变化场。短期变化场又可以分为平静变化和扰动变化。而平静变化又可以分为国际扰日变化和静日变化以及一般日变化。扰动变化又可以分为磁暴和地磁脉动。

3、地磁要素分布特征

地磁要素随时间而不断发生变化。确定某一点的磁场情况，需要三个要素，常用的是磁倾角、磁偏角和水平分量。

等偏线是从一点出发会聚于另一点的曲线族，明显的分别会聚在南北两磁极区，在这两点上磁北方向可以从0度变化到360度，即没有固定的磁偏角。在南北半球上磁偏角共有四个会聚点。等倾线大致和纬度平行分布。零倾线在

地理赤道附近，称为磁赤道，但不是一条直线。由磁赤道向北，磁倾角为正，以南为负。世界地磁场水平强度等值线大致是沿纬度线排列的曲线族，在磁赤道附近最大，随着纬度向两极增高，H 值逐渐减小趋于零。世界地磁场垂直强度等值线分布大致与等倾线相似，近乎与纬度平行，在磁赤道上等于零，向两极绝对值逐渐增大。 地磁的应用

1、 空间物理学——变化的磁场（外源场）与太阳活动有关，是研究日地关系的一种手段；

2、 地球物理勘探——局部磁异常是找矿等勘探的理论基础；

3、 构造学——根据高空电磁波引起的地球内部的感应电磁场，可探测地球内部的电性构造；魏格纳刚提出大陆漂移时，由于没有证据而未被人们认同，二战后海底磁异常的发现，为大陆漂移提供了证据。

55

504540

353025201510

5

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140135*********

115

Q Pleistocene Pliocene

N e o g e n e

Miocene

P a l e o g e n e

Oligocene

Eocene

P a l e o g e n e

Paleocene

L

a t e C r

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s

Maastrichtian Campanian Santonian Coniacian Turonian Cenomanian

E a r l y

C r e t a c e o u s

Albian

E a r

l y C r e t a

c e o u s

Aptian

Barremian Hauterivian Valanginian Berriasian

Middle

Jurassic

L a t e J u r a s s i c

Tithonian

Kimmeridgian

Oxfordian

Callovian

Ma Ma

Ma 113

113

4、生物地磁学——生物、人类活动与地磁场相互作用。

地磁场保护着地球上生命免遭太阳风以及其他宇宙射线的危害。

指南针是用以判别方位的一种简单仪器。指南针的前身是中国古代四大发明之一的司南。主要组成部分是一根装在轴上可以自由转动的磁针。磁针在地磁场作用下能保持在磁子午线的切线方向上。磁针的北极指向地理的北极，利用这一性能可以辨别方向。常用于航海、大地测量、旅行及军事等方面。地球是个大磁体，其地

磁南极在地理北极附近，地磁北极在地理南极附近。