第一节理论基础

1、 第一节第一节 理论基础理论基础一、磁场、磁场强度及其单位一、磁场、磁场强度及其单位（一）磁库仑定律（一）磁库仑定律两个点磁极间的相互作用力为：库仑定律请回答几个小问题：221041rQQFmm1mQ2mQrFF（二）磁场强度及其单位（二）磁场强度及其单位 1、磁场强度（T） 单位磁荷在磁场中所受的力，称为该点的磁场强度，用T表示，即：20041rQQFTmm0mQ+mQr方向为单位正磁荷在场中受力的方向说明：磁力的单位为：达因（dyn）(105dyn=1N)，0为真空中的导磁率，其中0 =410-7H/m(亨利/米：其中亨利是指电感单位：如果电路中电流每秒变化1安培,则会产生1伏特的感应电动

2、势,此时电路的电感定义为1亨利。)2、磁场强度（、磁场强度（T）的单位）的单位在在CGSM单位制（高斯制：即单位制（高斯制：即“绝对绝对”厘米克秒单位制，即绝对厘米克秒单位制，即绝对电磁单位制）中：通常以奥斯特表示，简写为电磁单位制）中：通常以奥斯特表示，简写为“奥奥”或或“Oe”，指单位正磁荷在磁源磁场中某一点所受的力为指单位正磁荷在磁源磁场中某一点所受的力为1dyn，则该点的磁，则该点的磁场强度即为场强度即为1Oe。更小的单位用。更小的单位用“伽马伽马”（） 1Oe=105 但由于在空气、真空、水及大部分沉积岩中磁场强度与磁感应强但由于在空气、真空、水及大部分沉积岩中磁场强度与磁感应强度单

3、位在量纲和数值上一致，故常用磁感应强度单位（特斯拉度单位在量纲和数值上一致，故常用磁感应强度单位（特斯拉“T”）表示磁场强度，较小的单位为）表示磁场强度，较小的单位为“纳特纳特”：nT, 1T=10-9nT，且：且： 1nT=1 3、磁力线：、磁力线：由磁体的正极出发终止于负极的封闭曲线。由磁体的正极出发终止于负极的封闭曲线。30rQlTmA若有一点B，位于磁铁中垂线上，当rl时，则有：30rQlTmB它的方向与条形磁铁平行，指向上方。令m=2lQm（m叫做磁矩）则：302rmlTA304rmlTB地球有两个磁极地球有两个磁极 地磁场与一个地磁场与一个均匀磁化的球体均匀磁化的球体（或位于地球中

4、心的一个（或位于地球中心的一个磁偶极磁偶极子子）的磁场很类似。）的磁场很类似。一个在地理北极附近，称为一个在地理北极附近，称为磁北极磁北极，为，为S极性（极性（N72，W102）一个在地理南极附近，称为一个在地理南极附近，称为磁南极磁南极，为，为N极性（极性（S68，E78） 磁轴与地理的轴不重合，交角为磁轴与地理的轴不重合，交角为1144。 地磁场是一个地磁场是一个弱磁场弱磁场（平均强度为（平均强度为50000 nT），且是），且是基本稳定的磁场基本稳定的磁场。 （一）地磁场T在三个坐标轴上的分量分别为：在三个坐标轴上的分量分别为：X北向分量北向分量Y东向分量东向分量Z垂直分量垂直分量上述各

5、分量的方向与相应坐标轴上述各分量的方向与相应坐标轴的的方向一致为正，反之为负。方向一致为正，反之为负。H水平分量（方向指向磁北）水平分量（方向指向磁北）I磁倾角。矢量磁倾角。矢量B下倾，下倾，I为正为正；矢量；矢量B上倾，上倾，I为负为负。（二）地磁要素（二）地磁要素D磁偏角。矢量磁偏角。矢量H东偏，东偏，D为正为正；矢量；矢量H西偏，西偏，D为负为负。由图可见各分量间的关系为：由图可见各分量间的关系为： X=Hcos(D) Y=Hsin(D) tgD=Y/X Z=Tsin(I) H= Tcos(I) tgI=Z/H H2=X+Y T2=X+Y+Z地磁绝对测量中，通常测定地磁绝对测量中，通常测

6、定 I、D、H 三要素的三要素的绝对值绝对值；磁法勘探则是测定磁法勘探则是测定Z 或或T 的的相对值相对值。 上述的上述的T、X、Y、Z、H、I、D各量都是表示地磁场各量都是表示地磁场大小和方向的物理量，称为地磁要素。大小和方向的物理量，称为地磁要素。（三）地磁图（三）地磁图 为了研究地磁要素在地表的分布特征，在世界各地为了研究地磁要素在地表的分布特征，在世界各地建立了许多固定的测点（建立了许多固定的测点（地磁台地磁台）及野外观测点，在这）及野外观测点，在这些点上测定地磁要素的绝对值，将地磁绝对测量的成果些点上测定地磁要素的绝对值，将地磁绝对测量的成果绘制成地磁要素的等值线图，这种图称为地磁图

7、。绘制成地磁要素的等值线图，这种图称为地磁图。 通常按要素分别绘制如下地磁图：通常按要素分别绘制如下地磁图：1、总磁场强度（、总磁场强度（T）等值线图）等值线图等值线与纬度线近乎平行，其值在磁赤道约等值线与纬度线近乎平行，其值在磁赤道约30000-40000nT,向两极增大，在两极约为向两极增大，在两极约为60000-70000nT。 2 2、垂直强度（、垂直强度（Z Z）等值线图）等值线图与纬度线大致平行，在磁赤道与纬度线大致平行，在磁赤道Z=0Z=0，向两极绝对值增大，其值，向两极绝对值增大，其值约为磁赤道水平强度的两倍，磁赤道以北约为磁赤道水平强度的两倍，磁赤道以北Z0,Z0,以南以南Z

8、0Z0。 3、水平强度（、水平强度（H）等值线图）等值线图沿纬度线排列，在磁赤道附近最大，向两极减小趋于零。全沿纬度线排列，在磁赤道附近最大，向两极减小趋于零。全球各点除两磁极区外都指向北。球各点除两磁极区外都指向北。 4 4、等倾（、等倾（I I）线图）线图特征特征 与纬度大致平行，零倾线在地理赤道附近，称为磁赤与纬度大致平行，零倾线在地理赤道附近，称为磁赤道，它不是一条直线，磁赤道向北倾角为正，向南为负。道，它不是一条直线，磁赤道向北倾角为正，向南为负。 5、等偏（、等偏（D）线图）线图等偏线特征等偏线特征 从一点出发汇聚于另一点的曲线簇从一点出发汇聚于另一点的曲线簇, ,明显地汇聚明显地

9、汇聚于南北两磁极区于南北两磁极区, ,两条零偏线将全球分为正负两个部分。两条零偏线将全球分为正负两个部分。 存在地球周围的具有磁力作用的空间，称为地磁场存在地球周围的具有磁力作用的空间，称为地磁场1、地磁场的构成、地磁场的构成地磁场地磁场（T） 稳定的磁场稳定的磁场（内源场）（内源场）偶极子磁场（偶极子磁场（T0）大陆磁场（大陆磁场（Tm）局部磁场（局部磁场（Ta）基本磁场基本磁场变化的磁场变化的磁场（外源场（外源场 ）长期变化的磁场长期变化的磁场短期变化的磁场短期变化的磁场其中：其中：TTTTTma0（四）地磁场的空间、时间变化（四）地磁场的空间、时间变化外层空间磁外层空间磁场变化所致场变化

10、所致T三、磁异常（三、磁异常（T Ta a) )含义：含义：消除了各种短期变化的磁场后，消除了各种短期变化的磁场后，实测地磁场实测地磁场（T T）与与基本磁场（基本磁场（To+Tm+TTo+Tm+T区区）之差值，称为磁异常。之差值，称为磁异常。即：即： )(T-0区TTTTmaTaTa：数平方公里范围内地壳中被地磁场磁化了的岩石、：数平方公里范围内地壳中被地磁场磁化了的岩石、岩体、矿体或地质构造形成的磁场。岩体、矿体或地质构造形成的磁场。T:T:观测测量到的总磁场。观测测量到的总磁场。ToTo：地球偶极子磁场。：地球偶极子磁场。TmTm：非偶极子大陆磁场。：非偶极子大陆磁场。T T区区：地壳岩

11、石不均匀的数百平方千米区域磁场。：地壳岩石不均匀的数百平方千米区域磁场。四、物质的磁化、磁化强度和磁化率、岩石的磁性四、物质的磁化、磁化强度和磁化率、岩石的磁性（一）物质的磁化（一）物质的磁化1、磁化的含义、磁化的含义在外磁场作用下，没有磁性的物体获得磁性，称为磁化。在外磁场作用下，没有磁性的物体获得磁性，称为磁化。 2、磁化的本质、磁化的本质在外磁场作用下，物体中原子磁矩（在外磁场作用下，物体中原子磁矩（m）趋外磁场方向定向）趋外磁场方向定向排列的结果。排列的结果。 铁棒被磁化是因为其内部固有的杂乱无章排列的磁分子，在外磁场作用下，沿着磁化方向定向排列的结果。 物质的磁化与物质内部原子中的电

12、子运动有关，电子的自旋和轨道转动，都产生各自的磁矩，只是由于它们平时排列无序才不显示磁性。（二）磁化强度与磁化率（二）磁化强度与磁化率 表示物体被磁化的表示物体被磁化的程度程度。1、磁矩、磁矩表示磁体整体体积磁性的一个物理量（磁矩的方向由表示磁体整体体积磁性的一个物理量（磁矩的方向由S极指向极指向N极）。极）。例如：两根磁量相等而长度不等的磁针，一根长为L，另一根长为2L，置于同一个均匀磁场中，它们所受的磁力相等，但磁矩不等，一个为：m=2LQ，另一个为：m=LQ，长针力矩为短针力矩的两倍。如果被磁化的物体形状是任意的，则可以将物体视为许多个相互平行的磁条来看待。3、面磁荷密度（、面磁荷密度（

13、）与磁化强度（与磁化强度（M）的关系）的关系含义含义：磁体单位面积的磁荷量称为面磁荷密度。：磁体单位面积的磁荷量称为面磁荷密度。关系关系：设一圆柱高：设一圆柱高2L，顶、底面积为，顶、底面积为S，两端分别分布磁荷量，两端分别分布磁荷量+Qm，-Qm，其磁化强度，其磁化强度M=m/V=2LQm/2LS,则：则：M=Qm/S= ,说明垂直柱体顶面的磁化强度说明垂直柱体顶面的磁化强度M与与是相等的。一般情况下，是相等的。一般情况下， 在数值上等于在数值上等于M在磁性表面外法向的投影分量，即：在磁性表面外法向的投影分量，即： =Msin=Mn。2、磁化强度、磁化强度（M）：）： 单位体积物质内具有的磁

14、距矢量和。单位：单位体积物质内具有的磁距矢量和。单位：A/m，即，即 M=m/V，V为物体体积，（为物体体积，（1A/m=10-3CGSM）4、感应磁化强度（、感应磁化强度（Mi）与剩余磁化强度（）与剩余磁化强度（Mr） 感应磁化强度：感应磁化强度：原来无磁性的物体在外磁场的作用下具有了原来无磁性的物体在外磁场的作用下具有了磁性，这时它的磁化强度称为感应磁化强度。磁性，这时它的磁化强度称为感应磁化强度。 剩余磁化强度：剩余磁化强度：有些磁性物质的磁性与外磁场无关，是古地有些磁性物质的磁性与外磁场无关，是古地磁作用后保存下来的磁化强度，被称为剩余磁化强度。磁作用后保存下来的磁化强度，被称为剩余磁

15、化强度。 总磁化强度总磁化强度M= Mi+ Mr5、磁化率、磁化率()磁化率：磁化率：表征物质磁化难易程度的一个物理量，指在表征物质磁化难易程度的一个物理量，指在一定磁场强度一定磁场强度T的作用下，的作用下，Mi的大小与的大小与k成正比关系，成正比关系，即即Mi=kT，k值大，值大，M也相应增大。也相应增大。K的量纲为的量纲为1.1 1、矿物的磁性、矿物的磁性（1 1）抗磁性）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。得与外磁场方向相反的磁矩，磁化率是负的。常见矿物有：岩盐、石膏、方

16、解石、石英、大理石、石墨、金常见矿物有：岩盐、石膏、方解石、石英、大理石、石墨、金刚石及长石刚石及长石（2 2）顺磁性）顺磁性物质原子壳层中含有非成对电子，自旋磁矩不会抵消。在外磁物质原子壳层中含有非成对电子，自旋磁矩不会抵消。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。场中电子自旋磁矩趋向外磁场方向，这种特性叫顺磁性。常见矿物有：黑云母、角闪石、辉石、蛇纹石、及石榴子石等。常见矿物有：黑云母、角闪石、辉石、蛇纹石、及石榴子石等。( (三三) )岩（矿）石的磁性岩（矿）石的磁性（3）铁磁性具有极强的磁化率。一般为具有极强的磁化率。一般为1010-2SI（k）。）。常见矿物有常见矿物

17、有：磁铁矿、钛磁铁矿、磁赤铁矿、磁黄铁矿等。 岩石的磁性主要由这一类矿物来决定岩石的磁性主要由这一类矿物来决定。说明：磁滞现象 如右图所示，当外磁场H增加时，Mi沿OA线上升，在Ha时，Mi至A点饱和。而后由Ha降至-Ha时，Mi沿着ABCD变化。反之，Mi沿着DEFA变化，形成闭合回路，这个回路即是磁滞曲线。OB、OE为剩磁值，Hc、-Hc为矫顽磁力。（4）居里点 铁磁性物质当温度升到一定值后可转变为顺磁性，反之亦然。对于某种铁磁性物质，当升温到一定值后，磁化率突然消失，则这个消失点的温度值，称为居里点。说明： 对于具有居里点的铁磁性物质，当温度下降到居里点以下时，磁化率又会不同程度的恢复，

18、基本恢复者称为可逆型，恢复较差者称为不可逆型。2 2、岩石的磁性、岩石的磁性（1 1）火成岩磁性变质岩磁性沉积岩磁性）火成岩磁性变质岩磁性沉积岩磁性（2 2）火成岩）火成岩 由酸性由酸性中性中性基性基性超基性，磁性由弱超基性，磁性由弱强。强。同一成分的火成岩其磁性不同，喷出岩磁性侵入同一成分的火成岩其磁性不同，喷出岩磁性侵入岩磁性；岩磁性；不同时代的同一成分火成岩其磁性不同，年代新的不同时代的同一成分火成岩其磁性不同，年代新的磁性年代老的磁性；磁性年代老的磁性；同一成分岩体的不同岩相带磁性不同，由边缘相同一成分岩体的不同岩相带磁性不同，由边缘相过渡相过渡相中心相，磁性由强中心相，磁性由强弱；弱；具有明显的天然剩余磁性。具有明显的天然剩余磁性。（3）变质岩）变质岩 正变质岩磁性负变质岩磁性；正变质岩磁性负变质岩磁性；层状结构的变质岩，往往具有磁的各向异性，即顺着层面方向的磁化层状结构的变质岩，往往具有磁的各向异性，即顺着层面方向的磁化率大于垂直层面方向的磁化率。率大于垂直层面方向的磁化率。（4）沉积岩）沉积岩及及Mr （剩余磁化强度）都很小，磁性很弱，通常认为它是无磁性的岩（剩余磁化强度）都很小，磁性很弱，通常认为它是无磁性的岩石。石。（5）非金属矿）非金属矿磁性很弱磁性很弱可视为无磁性