古地磁学与环境学课件：第三章 地磁成因与地磁极性倒转

PlumeMoviesLecture3

地磁成因与地磁极性倒转地磁场成因是地球科学的前沿课题，对她的研究不仅有助于认识地球本体，而且是比较行星学的重要研究范畴.合理的地磁起源模型应该能解释地磁极性倒转、长期变化、西向漂移等实验和观察事实.对地磁场起源有过很多种假设(朱岗昆先生书105-112页)MHD模型普遍被接受，即地磁场起源于地球外核流体运动.PlumeMovies地球外核物性状态与动力过程？Fe为主，~10%轻元素(SorSi,O,butnofirmevidence)认识高温高压状态下Fe的性质至关重要认识的途径：冲击波、金刚石压腔、分子动力学由于我们缺乏对OC的认识，OC流体如何运动？自维持发电机如何产生？驱动力？Glatzmaier等(1995)模拟球壳流体得到磁力与Coriolis力相当，是不可忽略的.缺陷：D太大，notrealEarthPlumeMovies地球内核物性状态与动力过程？

Fe为主，withalittleNiStevenson等(1983)根据古地磁提出，IC~3500Ma

早期的MHD发电机模型将IC看成是绝缘体，90'S看成有限导体地核发电机的驱动力－CompositionalandThermalconvection，由于ICGrows,Thermalconvection对地核发电机的相对贡献在地球早期比现在大

IC在地磁起源的作用如何？

IC的研究对行星有何启示？PlumeMovies地磁极性倒转Brunhes(1906)--火山岩Matuyama(1929)-火山岩－时代60年代确定了地质历史时期地磁极性频繁倒转1－研究历史：PlumeMovies

2-地磁极性倒转模型

Cox(1968)Model

Interactionbetweendipoleandnon-dipolefield

非偶极子场是触发机制困难:dipole~2104yearNon-D~2-4102year

二者耦合是困难的

PlumeMovies地磁极性转换与地球动力学地磁极性倒转是20世纪地球科学的重大发现之一，在一定的程度改变了人类对地球演化的认识.但直到今天我们对地磁极性倒转的机理仍缺乏认知.如何加深该领域的研究?转换场形态学研究、MHD、Long-term磁倾角剩磁强度地磁极性转换与地球动力学

早期对M－B极性转换的测定Hillhouse

etal.,EPSL,1976中国黄土记录M－B极性转换期间地磁场形态学极性转换过程由多次快速倒转构成极性转换持续时间约5千年Zhuetal.,EPSL,1994M-B极性转换记录

南大西洋－10cm/yrYamazakietalEPS,2001M－B极性转换持续时间：69531285年(Clement,2004)地磁强度变化超前于地磁极性倒转18000年(Singer,2005)Thesedatasupporttheclaimthatcompletereversalsrequireasignificantperiodformagneticfluxtoescapefromthesolidinnercoreandsufficientlyweakenitsstabilizingeffect(Singer,2005).中国黄土记录M/B

极性转换过程南大西洋记录M/B

极性转换过程发现不同地区记录的同一极性转换期间地磁极从统计意义上来说，具有环太平洋分布特点Zhuetal.,CJG,1995通过比较前人从理论地磁得出的核幔界面流体运动速度和从地震学得出的下地幔结构.发现地磁极变化路径与下地幔地震波高速区相对应,这表明地磁极性倒转不仅与外核流体运动相关，还受控于下地幔结构的变化

假定地核提供的总热量是常数时的核幔界面热流.红(蓝)表示大(小)于平均值的等值线(20,000yr).看不同热流情况下磁场的变化(A,C)表示频繁倒转(E)无倒转发生.(F)几乎无偶极子场.(H)热流场随下地幔结构变化

FromCoe’sHomepage

(a)均匀流场-40万年两次倒转+偶极子能量与非偶极子能量可比(b)Transitionvectorfield(c)Thetruedipolepath(d)VGPpath(e)转换持续时间5千年,individualdirectionalswingsarerapid,asmuchas100degreesin150yr.FromCoe’sHomepage(h)热流场随下地幔结构变化的情况

100年模拟:a)偶极子强度,b)不同分量的变化,c)True-dipolepath,d)VGPpath.2.5kyrduration,butthenon-axial-dipolefieldismuchmoreactive(seenextfigure),givingrisetogreatervariationintransitionsignatureovertheglobe--SteensMountainFromCoe’sHomepage

Simulations—CaseCExcursion

FromCoe’sHomepage

两个非偶极子的快速增加导致了地磁极性倒转FromCoe’sHomepage

Simulations—VGPPreference?

Simulations—VGPPreference?FromCoe’sHomepage

PlumeMovies实验观测到的快速倒转3度+3000nT/天FromRCoe69531285年分子动力学

—地球外核剪切粘滞度为:3.3-0.8710-2Pa·s

表明地球外核磁流体运动过程中粘滞力与科里奥利力相比可以忽略不计

—地球外核流体的运动是以小规模对流为主,

其运动周期与地磁极性转换的持续时间一致

Thereisnoe