地磁学_19课件

1、06干扰变化磁场磁暴形成的物理机制磁暴形成的物理机制太阳活动期间，从太阳表面喷射出强大的带电粒子流。这种粒子太阳活动期间，从太阳表面喷射出强大的带电粒子流。这种粒子流是由等量正负电荷组成的流是由等量正负电荷组成的等离子体等离子体，电导率极高，可视为理想，电导率极高，可视为理想导体。导体。当粒子流接近地球时，受到地球磁场的作用，将在粒子流锋面上当粒子流接近地球时，受到地球磁场的作用，将在粒子流锋面上产生感应电流。这一感应电流将同时引起两方面的效应：其一，产生感应电流。这一感应电流将同时引起两方面的效应：其一，产生一个磁场，这一磁场叠加到原来的地磁场上，使地面上的磁产生一个磁场，这一磁场叠加到原来

2、的地磁场上，使地面上的磁场水平分量增加，这就是场水平分量增加，这就是磁暴初相磁暴初相。其二，粒子流锋面存在感应电流，受到地磁场的安培力作用，这其二，粒子流锋面存在感应电流，受到地磁场的安培力作用，这个力要阻止粒子流向地球方向推进，最终迫使锋面完全停下来，个力要阻止粒子流向地球方向推进，最终迫使锋面完全停下来，此时磁暴初相阶段宣告结束。此时磁暴初相阶段宣告结束。06干扰变化磁场磁暴形成的物理机制磁暴形成的物理机制粒子流锋面进入到地磁场的作用范围后，锋面上各点受到的地磁粒子流锋面进入到地磁场的作用范围后，锋面上各点受到的地磁场安培力的大小是不相等的，锋面逐渐变成一个曲面。地磁场被场安培力的大小是不

3、相等的，锋面逐渐变成一个曲面。地磁场被局限在这个曲面之内，而带电粒子只能呆在这个曲面之外，从而局限在这个曲面之内，而带电粒子只能呆在这个曲面之外，从而形成了一个空腔（磁层）。形成了一个空腔（磁层）。一般情况下，磁层顶部离地心距离约一般情况下，磁层顶部离地心距离约7-127-12个地球半径，在磁暴期个地球半径，在磁暴期间，磁层顶更靠近地球，可至间，磁层顶更靠近地球，可至4-74-7个地球半径。个地球半径。06干扰变化磁场 当带电粒子向磁力线会聚的方向从弱场区向强场区运动时，粒子受到一个阻力，粒子沿磁场方向的速度分量逐渐减小；减小到零时，粒子停止继续向前运动；在梯度力的作用下，开始向相反方向运动，

4、就象被反射回来一样（“磁镜”与捕获粒子） 捕获粒子与磁层环电流捕获粒子与磁层环电流06干扰变化磁场极光为什么只出现在极区？极光为什么只出现在极区？q 在地磁场作用下能围绕地球漂移一周以上的带电粒子称捕获粒子；q 粒子被反射的点称磁镜点；如果入射粒子接近与磁场平行，磁镜点降低，若低于100km，则粒子在反射之前就与大气分子相撞，称粒子沉降；q 由于地磁场的存在，只有在极区或高（磁）纬地区，带电粒子才能运动到较低的高度，与大气分子相撞，产生极光。06干扰变化磁场磁层环电流磁层环电流：接近地球的带电粒子被：接近地球的带电粒子被地球磁场所捕获，一方面绕磁力线地球磁场所捕获，一方面绕磁力线回回旋旋，一方

5、面在磁镜中进行，一方面在磁镜中进行反弹反弹运动，运动，同时绕地磁轴作周向同时绕地磁轴作周向漂移漂移，电子向东，电子向东，质子向西，环电流正是由这种周向漂质子向西，环电流正是由这种周向漂移产生的。移产生的。带电粒子在地磁场中的运动形态带电粒子在地磁场中的运动形态回旋回旋 弹跳弹跳 漂移漂移06干扰变化磁场磁暴形成的物理机制磁暴形成的物理机制这些运动的主效果，相当于一个处于地磁赤道上空，环绕着地球这些运动的主效果，相当于一个处于地磁赤道上空，环绕着地球的、向西流动的环电流。的、向西流动的环电流。平常情况下，磁层环电流平常情况下，磁层环电流稳定地存在。基本上以地磁稳定地存在。基本上以地磁赤道为对称面

6、，展布在一定赤道为对称面，展布在一定纬度范围内。纬度范围内。环电流位置和宽度随地磁活环电流位置和宽度随地磁活动性而变化，一般分布在地动性而变化，一般分布在地心距心距2-102-10个地球半径范围内。个地球半径范围内。06干扰变化磁场磁层环电流增强引起地球磁暴SNNS06干扰变化磁场当一股强大的太阳粒子流扫过地球区域以后，环电流失去当一股强大的太阳粒子流扫过地球区域以后，环电流失去了额外的粒子来源，在磁层波对粒子的散射及粒子间相互了额外的粒子来源，在磁层波对粒子的散射及粒子间相互碰撞等作用下，环电流开始减弱，逐渐恢复到正常状况，碰撞等作用下，环电流开始减弱，逐渐恢复到正常状况，这就是这就是磁暴的

7、恢复相磁暴的恢复相。磁暴磁暴（magnetic stormmagnetic storm）1967年2月16-17日磁暴期间，中低纬度区不同经度的6个地磁台 H分量的记录06干扰变化磁场地磁亚暴与湾扰地磁亚暴与湾扰地磁亚暴地磁亚暴：主要表现在：主要表现在高纬度区高纬度区的一种地磁扰动现象。亚的一种地磁扰动现象。亚暴期间，整个高纬度区，特别是极光带，磁场发生剧烈扰暴期间，整个高纬度区，特别是极光带，磁场发生剧烈扰动。动。方向和大小随地点而变，相距几百公里的两处，变化相位方向和大小随地点而变，相距几百公里的两处，变化相位可能完全相反，不同经纬度的扰动幅度，可以从几十可能完全相反，不同经纬度的扰动幅度

8、，可以从几十nTnT到到几百几百nTnT，有时可以超过，有时可以超过1000nT1000nT。一次亚暴持续的时间从半小时到几小时不等。亚暴有时单一次亚暴持续的时间从半小时到几小时不等。亚暴有时单个发生，更经常的是一个接一个地连续发生。在地磁活动个发生，更经常的是一个接一个地连续发生。在地磁活动高年，亚暴非常频繁发生，即使在活动低年，亚暴也经常高年，亚暴非常频繁发生，即使在活动低年，亚暴也经常发生。发生。06干扰变化磁场典型的亚暴过程典型的亚暴过程地磁亚暴地磁亚暴：几乎在所有台站上同时开始，但是不同台站变：几乎在所有台站上同时开始，但是不同台站变化的形态和幅度相差很大。化的形态和幅度相差很大。按

9、按AEAE指数的变化，亚暴分为三个阶段：增长相，膨胀相和指数的变化，亚暴分为三个阶段：增长相，膨胀相和恢复相。恢复相。06干扰变化磁场典型的亚暴过程典型的亚暴过程湾扰湾扰：扰动曲线形状类似海湾。在：扰动曲线形状类似海湾。在H H分量上，曲线逐渐偏离分量上，曲线逐渐偏离正常日变化，在达到正的（或负的）极大偏离后，又逐渐正常日变化，在达到正的（或负的）极大偏离后，又逐渐恢复到正常变化水平。其它分量上也有相应的变化。恢复到正常变化水平。其它分量上也有相应的变化。06干扰变化磁场亚暴与磁暴的关系亚暴与磁暴的关系二者都是剧烈的磁扰变化，一个磁暴过程包含多个亚暴，二者都是剧烈的磁扰变化，一个磁暴过程包含多

10、个亚暴，二者在物理成因上有密切的关系。二者在物理成因上有密切的关系。区别：磁暴最主要的是主相，主相期间全球中低纬度区的区别：磁暴最主要的是主相，主相期间全球中低纬度区的水平分量持续降低，而这一特点不是亚暴所必有的。磁暴水平分量持续降低，而这一特点不是亚暴所必有的。磁暴发生时必有亚暴，而亚暴发生时不一定有磁暴。发生时必有亚暴，而亚暴发生时不一定有磁暴。06干扰变化磁场钩扰钩扰钩扰钩扰：短暂而光滑的地磁扰动，形态像只钩子，持续时间：短暂而光滑的地磁扰动，形态像只钩子，持续时间约为几十分钟。约为几十分钟。以以水平分量变化水平分量变化最显著，变化幅度从几最显著，变化幅度从几nTnT到近百到近百nTnT

11、。有正、。有正、负之分，只出现在地磁活动比较平静的日子里，且只发生负之分，只出现在地磁活动比较平静的日子里，且只发生在白天。它在地面上的分布仅局限在以太阳直射点为中心，在白天。它在地面上的分布仅局限在以太阳直射点为中心，角距为角距为70700 0的范围内。的范围内。往往与太阳耀斑同时发生，因此又称为往往与太阳耀斑同时发生，因此又称为太阳耀斑效应太阳耀斑效应，记，记作作s.f.es.f.e（Solar flare effect)Solar flare effect)。06干扰变化磁场钩扰钩扰产生机制产生机制：在耀斑活动期间，太阳光辐射（紫外线）突然：在耀斑活动期间，太阳光辐射（紫外线）突然增强，

12、引起电离层（增强，引起电离层（D D层）中离子浓度增加，形成了短暂的层）中离子浓度增加，形成了短暂的电流体系。它与电流体系。它与SqSq电流体系非常相似，也叫做电流体系非常相似，也叫做SqSq增强事件。增强事件。06干扰变化磁场地磁脉动地磁脉动地磁脉动地磁脉动：短周期的地磁变化，周期在：短周期的地磁变化，周期在0.2-10000.2-1000秒范围内，秒范围内，振幅从振幅从1010-2-2-10-102 2nTnT不等。不等。两大类型：一类是规则稳定连续型脉动，也称PcPc型脉动型脉动，它具有准正准正弦波形和稳定状态弦波形和稳定状态的振动特点。另一类是不规则型的或衰减型的振动系列，记为PiPi

13、型型。06干扰变化磁场地磁脉动地磁脉动PcPc型脉动型脉动的振幅与周期之间有一定的关系，大致来说，周的振幅与周期之间有一定的关系，大致来说，周期越长，振幅越大。期越长，振幅越大。06干扰变化磁场磁层中的磁层中的等离子体波等离子体波具有很宽的频率范围具有很宽的频率范围 (milliHz to KHz)(milliHz to KHz)。高频的。高频的等离子体波只能在等离子体上观测到，但等离子体波只能在等离子体上观测到，但超低频超低频的等离子体波能够引的等离子体波能够引起地表磁层频率的快速波动（起地表磁层频率的快速波动（a few milliHz up to a few Hza few milliH

14、z up to a few Hz）, , 对对应的波动时间从几百秒到几分之一秒应的波动时间从几百秒到几分之一秒 ( (对应的磁场波动范围为百分之对应的磁场波动范围为百分之几几 nT nT 到数百到数百 nT)nT)06地磁活动性和地磁指数为了简洁地描述各类为了简洁地描述各类磁扰强度磁扰强度乃至地磁场的整体活动水平，乃至地磁场的整体活动水平，设计地磁活动指数。设计地磁活动指数。地磁活动指数地磁活动指数：描述一段时间段内地磁扰动的总体强度或：描述一段时间段内地磁扰动的总体强度或某类磁扰强度的分级指标。最常用的时间段是某类磁扰强度的分级指标。最常用的时间段是1 1天、天、3 3小时小时和和1 1小时

15、，也有采用小时，也有采用1 1个月或个月或1 1年的，还有短到年的，还有短到1 1分钟的。分钟的。一律采用世界时来划分时段。一律采用世界时来划分时段。06地磁活动性和地磁指数从从物理意义物理意义来看两大类地磁指数：来看两大类地磁指数：（一）描述地磁活动的总体水平，而不考虑磁扰的具体类（一）描述地磁活动的总体水平，而不考虑磁扰的具体类型。属于这类地磁指数的有以下几种：型。属于这类地磁指数的有以下几种：C C和和C Ci i指数指数：C C指数指数描述单个地磁台每天地磁扰动强度的指描述单个地磁台每天地磁扰动强度的指数，也称该台的磁情记数。分数，也称该台的磁情记数。分0 0，1 1，2 2三级。三级

16、。C Ci i指数指数称为称为“国际磁情记数国际磁情记数”，国际地磁组织选定一批台，国际地磁组织选定一批台站，用这些台站的记数站，用这些台站的记数C C求平均，并取一位小数。从求平均，并取一位小数。从0.00.0到到2.02.0分为分为2121级。级。06地磁活动性和地磁指数K K、KsKs和和KpKp指数指数：K K指数指数描述单个地磁台描述单个地磁台3 3小时时段内地磁扰小时时段内地磁扰动强度的指数，称为三小时磁情指数。动强度的指数，称为三小时磁情指数。K K从从0 0到到9 9分分1010级，数级，数字越大，磁扰越强。字越大，磁扰越强。各个地磁台指数有明显的日变化，受季节和纬度的影响。各

17、个地磁台指数有明显的日变化，受季节和纬度的影响。为了描述全球地磁活动的指标，从全球地磁台网选择为了描述全球地磁活动的指标，从全球地磁台网选择1212个个台站，求每个台站的标准化指数台站，求每个台站的标准化指数KsKs，用这些，用这些KsKs指数的平均指数的平均值确定一种新指数，叫做值确定一种新指数，叫做行星性行星性3 3小时磁情指数小时磁情指数，记作，记作KpKp。KpKp分为分为2828级，是使用最广泛的一种地磁指数，显示地磁活级，是使用最广泛的一种地磁指数，显示地磁活动强度级动强度级2727日重现性的特征。日重现性的特征。06地磁活动性和地磁指数a ak k和和a ap p指数：指数：K

18、K和和KpKp指数与磁扰幅度存在非线性关系，运算指数与磁扰幅度存在非线性关系，运算很不方便。有必要把它们转换为线性幅度，这样得到的称很不方便。有必要把它们转换为线性幅度，这样得到的称为为“等效的三小时幅度等效的三小时幅度”a ak k和和“等效的行星性等效的行星性3 3小时幅小时幅度度”a ap p。A Ak k和和A Ap p指数：指数：一天一天8 8个个a ak k和和a ap p指数的平均值作为全天地磁活指数的平均值作为全天地磁活动水平的量度。这样得到的指数叫做单台等效日幅度动水平的量度。这样得到的指数叫做单台等效日幅度A Ak k和和行星性等效日幅度行星性等效日幅度A Ap p。U U

19、和和U Ui i指数：指数：描述描述1 1个月和个月和1 1年地磁扰动强度的指数，主要反年地磁扰动强度的指数，主要反映磁暴的暴时变化对地磁场的影响。映磁暴的暴时变化对地磁场的影响。06地磁活动性和地磁指数从从物理意义物理意义来看两大类地磁指数：来看两大类地磁指数：（二）描述特定类型磁扰而设计的指数，主要有以下几种：（二）描述特定类型磁扰而设计的指数，主要有以下几种：D Dstst和和DSDS指数：指数：在地磁赤道附近，按大致均匀的精度间隔选取在地磁赤道附近，按大致均匀的精度间隔选取5 5个个地磁台，这地磁台，这5 5个台每小时水平强度变化的平均值就是个台每小时水平强度变化的平均值就是D Dst

20、st(nT)(nT)，而，而5 5个台站每小时水平强度变化的最大差值就是个台站每小时水平强度变化的最大差值就是DSDS指数（指数（nTnT）。）。AUAU、ALAL、AEAE和和A0A0指数：指数：描述极区地磁亚暴和极光带电集流而设计描述极区地磁亚暴和极光带电集流而设计的一套指数。沿极光带选择经度间隔大致均匀的若干地磁台，从的一套指数。沿极光带选择经度间隔大致均匀的若干地磁台，从水平分量变化中消去平静变化，按世界时将这些变化曲线重叠画水平分量变化中消去平静变化，按世界时将这些变化曲线重叠画在一起。曲线族的上、下包络线是在一起。曲线族的上、下包络线是AUAU和和ALAL，上下包络线之差是，上下包

21、络线之差是AEAE，上下包络线的平均值是上下包络线的平均值是A0.A0.06地磁活动性和地磁指数从从物理意义物理意义来看两大类地磁指数：来看两大类地磁指数：（二）描述特定类型磁扰而设计的指数，主要有以下几种：（二）描述特定类型磁扰而设计的指数，主要有以下几种：P P、B B、p1-p12p1-p12、PzPz指数：指数：为描述脉动而设计。为描述脉动而设计。P P指数是全日指数，指数是全日指数，描述描述H H和和D D两个分量各两个分量各4 4个波段（个波段（Pc2-Pc5Pc2-Pc5）脉动活动情况。）脉动活动情况。p1-p12p1-p12指数是描述指数是描述0-600s0-600s周期范围内

22、周期范围内1212个频段的脉动活动指数。个频段的脉动活动指数。PzPz指数是按照指数是按照 计算出的脉动指数，计算出的脉动指数，T T是周期，是周期，n n是每是每小时脉动数，小时脉动数，A A是平均峰是平均峰- -峰振幅，峰振幅，N=3600/TN=3600/T。NnATPz/)(06地磁活动性和地磁指数国际磁静日和磁扰日国际磁静日和磁扰日国际地磁指数服务机构按照国际地磁指数服务机构按照KpKp指数的大小，每月挑出当月最平静指数的大小，每月挑出当月最平静的的5 5天和最扰动的天和最扰动的5 5天，分别叫做天，分别叫做“国际磁静日国际磁静日”和和“国际磁扰国际磁扰日日”。磁静日资料可用来研究磁

23、静日资料可用来研究SqSq、L L等平静变化，活动程度不同的磁扰等平静变化，活动程度不同的磁扰日资料可用来研究各类扰动的强度特点。日资料可用来研究各类扰动的强度特点。06地球的变化磁场进一步阅读参考书进一步阅读参考书1. 徐文耀，地磁学，地震出版社，北京，20032. 刘振兴，太空物理学，哈尔滨工业大学出版社，哈尔滨，20053. 上出洋介，鲍明翰，磁层-电离层耦合，徐文耀译，科学出版社，20054. 徐文耀，地球电磁现象物理学，中国科技大学出版社，20095. 上出洋介，日地环境指南，徐文耀译，科学出版社，20096. Masaru Kono: Treaties on Geophysics:

24、 Geomagnetism (Chapter 2-3), 2009 Elsevier B.V., the Netherlands07按照测量对象的不同，地磁测量可分为按照测量对象的不同，地磁测量可分为绝对测量绝对测量与与相对测量相对测量两两类。类。绝对测量绝对测量是指直接测出地磁要素的绝对大小，是指直接测出地磁要素的绝对大小，相对测量相对测量是是测量地磁要素的相对数值。相对数值，既可以是不同时刻的磁测量地磁要素的相对数值。相对数值，既可以是不同时刻的磁场值相对于场值相对于选定的基线值选定的基线值之差，也可以是不同测点的磁场值相之差，也可以是不同测点的磁场值相对于选定的对于选定的基点值基点值之差

25、。之差。若从磁力仪若从磁力仪使用的领域使用的领域来看，它们可分为：来看，它们可分为：地面磁力仪、航空地面磁力仪、航空磁力仪、海洋磁力仪磁力仪、海洋磁力仪以及以及井中磁力仪井中磁力仪。若从若从测量磁参数测量磁参数的角度来看，磁力仪可分为：的角度来看，磁力仪可分为： 专门测量岩石专门测量岩石磁参数的仪器，无定向磁力仪（磁参数的仪器，无定向磁力仪（、MrMr）、旋转磁力仪（）、旋转磁力仪（MrMr）等；等； 质子磁力仪、超导磁力仪可兼测磁参数。质子磁力仪、超导磁力仪可兼测磁参数。地磁测量和磁测仪器07从原理上说，凡是与磁力有关的物理现象都可以用于设计从原理上说，凡是与磁力有关的物理现象都可以用于设计

26、制造磁力仪，并用它们来测定磁场值。制造磁力仪，并用它们来测定磁场值。性能要求：性能要求：为了测量某一地磁要素，必须消除其它地磁要素对仪器的影响；为了测量某一地磁要素，必须消除其它地磁要素对仪器的影响；地磁异常研究要求能测量地磁异常研究要求能测量磁场的微弱变化磁场的微弱变化，即能测量出，即能测量出0.10.11nT1nT的磁场变化，它相当于平均地磁场值的的磁场变化，它相当于平均地磁场值的1/501/50万万1/51/5万。因此要求万。因此要求磁力仪要有磁力仪要有高灵敏度高灵敏度； 为了适应大幅度的磁场变化，仪器必须具有为了适应大幅度的磁场变化，仪器必须具有较大的量程和较好的较大的量程和较好的稳定

27、性稳定性；地磁测量和磁测仪器07从原理上说，凡是与磁力有关的物理现象都可以用于设计从原理上说，凡是与磁力有关的物理现象都可以用于设计制造磁力仪，并用它们来测定磁场值。制造磁力仪，并用它们来测定磁场值。性能要求：性能要求：为了保证为了保证精度精度，应具有一定的，应具有一定的抗干扰能力抗干扰能力，如能较好地消，如能较好地消除温度变化造成的误差等；除温度变化造成的误差等； 测量误差总是不可能完全避免，对于每一个测量结果，都测量误差总是不可能完全避免，对于每一个测量结果，都应该给出其相应的应该给出其相应的误差范围误差范围。地磁测量和磁测仪器07地磁场测量地面磁测分为地面磁测分为台站测量台站测量与与野外

28、测量野外测量。野外测量主要是为了。野外测量主要是为了研究地磁场的空间分布，而地磁台站的观测主要是记录地研究地磁场的空间分布，而地磁台站的观测主要是记录地磁场随时间的变化。磁场随时间的变化。http:/ :u GB/T19531.2-2004 GB/T19531.2-2004 地震台站观测环境技术要求地震台站观测环境技术要求 第二第二部分：电磁观测部分：电磁观测u DB/T9-2004 DB/T9-2004 地震台站建设规范地震台站建设规范 地磁台站地磁台站里面详细规定了里面详细规定了地磁固定观测网地磁固定观测网和和地磁流动观测网、地磁流动观测网、测站测站的技术指标、观测项目与设备配置及观测产出

29、的数据等。的技术指标、观测项目与设备配置及观测产出的数据等。07野外观测中华人民共和国专业标准中华人民共和国专业标准 地面高精度磁测技术规定地面高精度磁测技术规定，1988.06.011988.06.01实实施；施；中华人民共和国地质矿产行业标准中华人民共和国地质矿产行业标准 地面高精度磁测技术规程地面高精度磁测技术规程，1994.01.011994.01.01实施；实施；中华人民共和国石油天然气行业标准中华人民共和国石油天然气行业标准 地面磁法勘探技术规定地面磁法勘探技术规定，1996.06.301996.06.30实施；实施；中华人民共和国石油天然气行业标准中华人民共和国石油天然气行业标准

30、 地面磁法勘探技术规程地面磁法勘探技术规程2004.11.012004.11.01实施；实施；工作规范工作规范/ /技术规程技术规程- - 磁法工作的法律、标准磁法工作的法律、标准07野外观测07野外观测1.1.测区测区u 必须保证探测成果轮廓完整，周围有一定面积的正常场背景。u 应尽可能包括少量已知区，即地质情况清楚、过去已经做过磁测工作并经验证的地段。与过去工作过的磁测工区衔接时，必须有一定数量的重叠测线，并尽量包括过去工作过的基点或基线点。2.2.比例尺比例尺磁测比例尺表示对观测对象的研究程度。基础地质调查的比例尺，应基础地质调查的比例尺，应等于相应地质工作比例尺或较大一级比例尺。等于相应地质工作比例尺或较大一级比例尺。区域地质调查阶段区域地质调查阶段 中