《重力学与地磁学》地磁学部分

1、地磁学部分（Geomagnetism) 地球具有磁场，称为地磁场，是由不同来源的磁场构成地磁学地磁场研究岩石磁学岩石剩磁岩石磁化率基本磁场变化磁场磁异常第1章 地磁场的构成与分布第2章 地磁场的高斯理论第3章 地球变化磁场第4章 磁异常观测与磁性体的磁异常第5章 古地磁学*第1章 地磁场的构成与分布1.1 描述磁场的基本物理量1. 磁感应强度 磁感应强度是描述磁场的最基本的物理量常用单位：T、nT2. 磁化强度 介质被磁化的强弱程度用磁化强度表示，定义为单位体积内分子电流磁矩的矢量和3. 磁场强度4. 磁场强度与磁化强度的关系其中： 介质的磁化率，无量纲 磁场强度与磁化强度的单位：A/m5.

2、各向同性均匀介质中磁感应强度与磁场强度的关系 只与介质有关，与磁场强度无关，且为常数真空情况下 6. 偶极子的磁场磁偶极子轴线上一点的磁感应强度电流环轴线上一点的磁感应强度-Qm+QmlrPPrm磁偶极子的磁位1.2 地磁场的构成：地磁场一级近似相当于 地心磁偶极子磁场2.偶极子磁轴与地理轴斜交 地磁场的平均近似性质 平均 B0.5104 T 5104 nT() 或 H 0.5 Oe3. 磁轴与地面的交点 称为 地磁北极 Nm 地磁南极 Sm1.2.2 地磁场是一个弱磁场1.2.3 地磁场是各种场源的磁场叠加，稳定场是主要部分 地磁场由主要来源于固体地球内部的稳定场和起源于

3、地球外部的变化磁场组成 变化磁场比稳定磁场弱得多（最大的变化磁场只占总地磁场的 24 ），因此，稳定磁场是地磁场的主要部分1. 直角坐标系： X、 Y、 Z X、Y、Z、H、BT、I 和D 为地磁要素，其中三个相互独立的地磁要素称为地磁三要素1.3 地磁要素x (地理北）y（东）z（向下）H (地磁北）XZYIDBTo地表坐标系观测点2. 柱坐标系： H、 Z、 D 3. 球坐标系： BT、I、D 1.4 地磁场的结构稳定磁场变化磁场内源磁场外源场正常场磁异常偶极子场非偶极子场1. 地球磁场的成分：3. 磁异常（1）地壳上部的磁异常体；（2）磁性介质层。正常磁场2. 基本磁场和正常场稳定磁场水

4、平分量垂直分量正常磁场4. 磁层结构 太阳的粒子和携带的磁场对地球磁场有很大的作用，它限制了地磁场的范围。对太阳风而言，形成一个空腔，而地磁场完全被局限在这个空腔内。这个磁场的空腔称为磁层。 磁场的分布显然是不对称的 约在 r =2R7R 范围内，磁场才保持着偶极子磁场的的性质 磁顶至地心约10R，磁尾至少超过100R太阳风磁鞘磁鞘磁层边界磁层边界磁尾弓形冲击波世界地磁场偏角等值线图 （2005.0年)1.5 地磁图1.5.1 世界地磁图等偏线图： 有四个汇聚点，两个地极，两个磁极。 有两条D=0的等偏线，把世界地磁场偏角分成正负两个区域。南极北极 有四个汇聚点，两个地极，两个磁极。由赤道向两

5、极，倾角由0逐渐增至90。等倾线图：世界地磁场倾角等值线图 （2005. 0年） 是大致沿地理纬度排列的曲线簇。在赤道附近值最大，向南北磁极逐渐减小为零。 最大值 4104nT水平强度等值线图：垂直强度等值线图：大致沿地理纬度排列的曲线簇。南北磁极数值最大（约(67) 104nT），赤道附近数值为零世界地磁场总强度等值线图1.5.2 中国地磁图等偏线等倾线水平分量垂直分量总强度图 非偶极子场围绕几个中心分布 强异常可达地磁场平均强度的3035 弱异常只有地磁场平均强度的61.5.3 非偶极磁场等值线图Fig. 5.35 The vertical component of the non-dip

6、ole magnetic field for the years 1780 AD (after Yukutake and Tachinaka, 1968) and 1980 AD (after Barton, 1989).1780年非偶极场的垂直分量1980年非偶极场的垂直分量 非偶极子磁场的成因还不很清楚，一般认为，在地幔和地核边界附近可能存在物质的对流运动，形成涡旋电流产生非偶极场2.1 地磁场的数学表示 麦克斯韦方程：在地表 2.1.1 地磁场的磁位表达式1. 在地表地磁场的磁位满足拉普拉斯方程第2章 地磁场的高斯理论为无旋场，可引入标量磁位 U，使 拉普拉斯方程2. 拉普拉斯方程在地心

7、球坐标系下的解为：其中： R 地球半径，（r,) 测点坐标， Pnm(cos) 缔合勒让德函数， gnm 、hnm、jnm、knm 高斯系数 gnm 、hnm 内源场系数，只与地球磁场 的场源性质有关，与观测点无关。 r (n+1) 项为地球内部源的磁位，代表内源场部分r n项为地球外部源的磁位，代表外源场部分Fig.B5.3.1 Axial cross-sections showing the field line geometries of (a) dipole, (b) quadrupole and (c) octupole fields; each field is rotationa

8、lly symmetrical about the axis of the configuration. The corresponding zonal spherical harmonics are illustrated symbolically by shading the alternate zones in which magnetic field lines leave or return to the surface of a sphere. 偶极四极多极3. 内源场中各阶项的物理意义2.1.2 地磁场强度的表示2.1.3 国际地磁参考场（IGRF） 如果限制级数展开到 n 阶项

9、，gnm，hnm 的个数为 N=n(n+2)，要计算 n 阶 gnm，hnm 要不少于 N 个方程式，即至少拥有 N/3 个测点的数据 1. 高斯系数的获得nm基本磁场（nT）长期变化（nT/a） gnm hnm gnm hnm10 -29988 22.411 -19575606 11.3 -15.020 -1997 -18.3 213028 -2129 8.2 -12.722 1662 -199 7.0 -25.2301279 0.031 -2181-335 -6.5 0.2321251 271 -0.7 2.733833-252 1.0 -7.940958 -1.441783 212 -1

10、.4 4.642398 -257 -8.2 1.643 -419 53 -1.8 2.044 199 -298 -5.0 0.41980.0年国际地磁参考场高斯系数（部分）2. 地磁场高斯分析结果（1）n=1阶的偶极子场占总场的80-85（2）地磁场的99以上是内源场，外源场很小（3）内源场高斯系数随时间缓慢变化，磁场中变化较快的是外源场（4）地磁场的功率谱 地磁场的主要部分为球谐分量 n 13 选取全球均匀分布的多个测点地磁观测数据 (X,Y,Z)，利用最小二乘法解线性方程组，求解高斯系数 不同年代不同作者计算的高斯系数虽大体相近，但又不尽相同。一般说来，同一年代数值差异在 1% 以内，有可

11、能是不同资料的引起；而不同年代的差别在 6-7% ，反映了基本磁场的长期变化 高斯系数客观地反映全球范围地磁场的基本特征，1968年起正式提出了国际地磁参考场，并不断发布国际地磁参考场高斯系数3. 国际地磁参考场（IGRF） 国际地磁参考场（IGRF） 如果限制级数展开到 n 阶项，gnm，hnm 的个数为 N=n(n+2)，要计算 n 阶 gnm，hnm 要不少于 N 个方程式，即至少拥有 N/3 个测点的数据 全球均匀分布的地磁观测数据 (X,Y,Z)，利用最小二乘法解线性方程组，求解高斯系数。每5年发布国际地磁参考场高斯系数磁偏角图 2015.0 预测磁偏角年变率图 2015.02020

12、.0 2015年国际地磁参考场（IGRF）http:/www.geomag.bgs.ac.uk/education/earthmag.html磁倾角图 2015.0 预测磁倾角年变率图 2015.02020.0水平分量图 2015.0 预测水平分量年变率图 2015.02020.0垂直分量图 2015.0 预测垂直分量年变率图 2015.02020.0总强度图 2015.0 预测总强度年变率图 2015.02020.02.2 地心偶极子磁场 地心偶极子磁场是地球基本磁场的主要部分，约占全部磁场的8085（0,0）NmNO(,) 了解地心偶极子场的分布情况，对于掌握地磁场分布的基本形态有重要意义

13、2.2.1 在地理坐标中地心偶极子场磁位的表达式m 地心偶极子的磁矩（0,0）NmNP(,)O1. 磁偶极子的磁位2. 地理坐标中的磁位表示（n1 ）其中：3. 对比拉普拉斯方程解 n=1 阶的磁位表示得：2.2.2 磁感应强度表示式2.2.3 假定地理轴与地磁轴重合时的地磁场分布特征（090 情况）1. 磁场分布规律 (2) 水平分量H为北向分量 X(3) 总强度值： (1) 磁场分布只与纬度有关，与经度无关古地磁研究基本公式x (地理北）y（东）z（向下）H (地磁北）XZYIDBTo2. 磁倾角与纬度的关系I 磁倾角， 地理纬度 BT两极2 BT赤道 3. 赤道与两极磁场的大小 H =

14、0m /4R3 Z=0 BT赤道 = H Z= 0m / 2R3 H=0 BT两极 = Z（3）总强度： （1）赤道处： 0 （90） （2）两极处： 90 （0、180 ） 4. 磁场的梯度1）垂直梯度：（1）水平分量 H 的垂直梯度：（2）垂直分量 Z 的垂直梯度：2）水平梯度：（1）水平分量 H 的水平梯度：（2）垂直分量 Z 的水平梯度：3）磁场梯度的含义例如某地磁场的强度是： Z46200 nT，H29900 nT，R6370km磁场梯度为：表明：在该地每升高 1 km，H和Z分别减小14.4nT和21.7nT；沿地表向北移动 1km ， H和Z分别减小3.6nT和增加9.4nT。n

15、m gnm （nT） hnm（nT）nm gnm（nT） hnm（nT）10 -29442.0 40 907.611 -1501.0 4797.141 813.7 283.320 -2445.1 42 120.4 -188.721 3012.9 -2845.6 43 -334.9 180.922 1676.7 -641.9 44 70.4 -329.530 1350.731 -2352.3 -115.3 32 1225.6 244.933 582.0 -538.4http:/www.geomag.bgs.ac.uk/education/earthmag.html2.3 地球的磁矩1. 一阶高斯

16、系数的物理意义：2015.0年国际地磁参考场高斯系数 拉普拉斯方程解中，n1 阶的表达式为偶极子场表示:其中：（0,0）NmN x(0)zy2.反映了地球磁矩的性质地球磁矩的模量：均匀磁化球体的磁化强度模量：3. 利用一阶高斯系数求地球磁矩：地球磁极的坐标：4. 地球磁矩值：以 1975 年国际地球参考场资料为例：g100.3019104Tg110.0204104Th11 0.0574 104T m=7.9610-22 A m2 M= 73.6 A / m 07026.09W 07835.52N2.4 地磁场的长期变化 地球基本磁场并不是恒定的，而是随着时间缓慢的变化, 称为基本磁场的长期变化

17、2.4.1 长期变化率： 设某地磁要素的年平均值为 F，则 定义为该要素在 t = t1 + (t2 t1) / 2 年代的长期变化率，又称年变率。说明：由于地磁要素是随时间变化的，把观测值归算到某一 特定日期，叫做通化。世界地磁图通常每5年画一次。 日期选在某年的1月1日，称为某年零年地磁图；选在 7月1日，称为某年地磁图或某年代地磁图。2.4.2 长期变化现象： 1. 磁偏角和磁倾角的长期变化地磁台（UK）观测的磁偏角年变化率http:/www.geomag.bgs.ac.uk/education/earthmag.html2. 地球磁矩的变化 （1）地球磁矩的衰减： 年代 磁 矩 (10

18、22 A m2) 年代 磁 矩(1022 A m2) 1829 8.45 1942 8.01 1835 8.56 1945 8.01 1845 8.49 1955 8.06 1880 8.36 1956 8.01 1885 8.34 1965 8.01 1922 8.17 1975 7.96各年代地球偶极子磁矩（2）地磁极位置的变化： 地磁极沿纬度圈向西移动，约0.05/ 年http:/www.geomag.bgs.ac.uk/education/earthmag.html北磁极 (红色) 和地磁北极(蓝色)位置 1900.0-2020.0 estimated from the 12th Ge

19、neration IGRF南磁极 (红色) 和地磁南极(蓝色)位置 1900.0-2020.0http:/www.geomag.bgs.ac.uk/education/earthmag.htmlFig. 5.36 Secular variations of the tilted geomagnetic centered dipole from 1550 AD to 1900 AD. (a) Decrease of dipole moment; (b) slow changes of the tilt of the dipole axis relative to the rotation axi

20、s, and (c) longitude variation indicating westward drift of the geomagnetic poles (after Barton, 1989).偶极子磁矩长期变化偶极轴倾斜角度长期变化偶极轴径度长期变化Fig. 5.35 The vertical component of the non-dipole magnetic field for the years 1780 AD (after Yukutake and Tachinaka, 1968) and 1980 AD (after Barton, 1989).3. 非偶极子场的

21、西向漂移1780年非偶极场的垂直分量1980年非偶极场的垂直分量漂移的原因：认为是地核以恒定的速度相对于 地幔转动引起的。 从各年代非偶极子磁场图的对比中可以看出，非偶极子磁场的中心在不断的缓慢向西漂移。漂移的速度平均值约为 0.2/ 年。4. 近代地磁场长期变化的六个特征（1）偶极子磁矩每年以0.05% 的速率衰减；（2）偶极子场以每年0.05的速率沿经度方向向西移动；（3）偶极子场以每年0.02的速率沿纬度方向向北移动；（4）非偶极子场以每年0.2的速率沿经度方向西向漂移；（5）非偶极子场以每年10nT量级的速率增减；（6）地磁场长期变化本身以每年0.3的速率向西漂移。 其中偶极子磁矩衰减

22、和非偶极子场西向漂移是近代地磁场长期变化最主要的两个全球性特征2.4.3 地球磁场的起源问题1）地磁场的起源不应从磁化成因上考虑：2）地磁发电机理论： 由于地磁场随地核中流体一起运动，在地转力的影响下，磁力线被剧烈缠绕，在地磁场反转过程中磁场强度减小，而且可能出现多个磁极 在计算机上2000小时模拟地磁场演化的历史，生动地重现了一次地磁场倒转的全过程倒转前倒转后计算机模拟的地磁场变化： a. 地磁场倒转，磁力线由北极出来（橙色）进入南极（蓝色）b. 转变中的地磁场 c. 正常地磁场 第3章 地球变化磁场( ) 变化磁场是起源于地球外部，并叠加在基本磁场上的各种短期变化磁场。 变化磁场基本上分两

23、类：平静变化和干扰变化 它们都是起源于地球外部的电流体系。 平静变化起源于电离层中比较稳定的电流体系 干扰变化主要起源于太阳喷射的带电粒子流所产生的各种短暂的电流体系3.1 平静变化平静变化分为：平静太阳日变化（日变 Sq ） 太阴日变化（L） 年变化（A） 平静太阳日变化（日变 Sq ）可在每天的地磁观测中观察到，具有重要意义。因此主要讨论平静太阳日变化（日变 Sq ）的特征和性质3.1.1 日变 Sq 的变化特征： 1. 主要特征 1）Sq 变化具有确定的周期性，周期为一个太阳日； 2）Sq 变化依赖于地方太阳时（地方时），白天变化强，夜间变化很弱太阳日、地方太阳时 一个太阳日周期中，白天

24、变化大，夜间较平静。 夏季变幅大，冬季变幅小。 太阳活动高年变幅大，太阳活动低年变幅小。2. 随时间变化的特点：磁偏角的日变记录（UK）上图观测记录，下图指针变化示意http:/www.geomag.bgs.ac.uk/education/earthmag.html磁偏角的平静太阳日变化（武汉台）夏季变化幅度大，冬季变化幅度小3. 空间分布特征 依赖于地方太阳时，同一磁纬度的不同地点，日变形态一样 不同纬度点变幅不同113 23121.5 31.2116.5 40125.3 44不同纬度上Sq的变化3.1.2 Sq 的机制： 平静太阳日变化（Sq）来源于电离层，电离层在距离地面 50km以上的

25、高空，那里大气在太阳光辐射下而被电离，部分中性的原子分解成正离子和电子，形成电离层。 电离层中气体有较好的导电性，故在各种外力（潮汐力、太阳风等）作用下，带电粒子沿水平方向移动，带电粒子的运动和地磁场相互作用，在电离层中产生涡旋电流，称为Sq电流体系。在北半球夏季引起 Sq 变化的电流体系 Sq 电流体系 电离层中的带电粒子在地磁场中运动，产生感生电流，形成引起日变的电流体系磁纬度30300 xy 在磁法勘探中，是一种干扰，在野外磁测的结果中要根据日变曲线进行校正，这项工作叫做日变校正日变幅度较大（BT、Z）一般达10nT。 目的是排除日变对磁测结果的影响3.1.3 日变校正：3.1.4 太阴

26、日变化（L） 太阴日变化依赖于地方太阴时，以半个太阴日为周期。太阴日变化 ( L ) 的变化幅度很弱。 最大幅度： L(D)=40” , L(H)、L(Z)= 12nT3.1.5 年变化（A） 以一年为周期，变化幅度 1530 nT。因变化周期长，在短时间（一天或几天）中，变化微小。3.2 干扰变化 主要有： 磁暴 地磁脉动3.2.1 磁暴（D）磁暴是一种全球性的强烈的地磁扰动。1. 特点：（1）具有全球性和同时性： 从赤道到极区均可观察到磁暴现象，并且磁暴的发生几乎是全球同时的，各地的磁暴起始时间只相差12min。（2）磁暴的形态 磁暴的形态复杂多样，不同纬度记录到的磁暴形态不同。在高纬度地

27、区，磁暴含有许多扰动成分，且扰动幅度较大，形态不规则 在中低纬度区，磁暴所含的扰动成分较少，且扰动幅度较小，形态规则 在中低纬度区水平分量 H 变幅大、形态清楚。磁暴形态分：初相（DC）、主相（DR）、恢复相2. 磁暴的起因： 磁暴的起因是由于太阳活动区喷射的高速等离子体流。 这些带电粒子流在射向地球的运动过程中，与地磁场相互作用，在磁层边界时，引起初相（场增加），被阻挡后产生由东向西的环流，引起主相（ H 下降），而后恢复。3. 磁暴在时间上的分布规律 具有27天重现性（太阳表面黑子随太阳自转 有27天的周期） 具有季节性： 春秋季磁暴多，冬夏季磁暴少 有11年的太阳周变化： 太阳活动高年磁

28、暴多，太阳活动低年磁暴少 磁暴数目与太阳黑子数目有相关性，证明了磁暴是太阳风和地磁场相互作用的结果 （http:/www.geomag.bgs.ac.uk/education/earthmag.html）太阳黑子数目磁暴数目磁暴数目与太阳黑子数目对比4. 磁暴对野外磁测的影响 磁暴发生时，地磁场变化强烈，且无规则。对磁异常分布的野外磁测工作只能停止。 磁暴的观测和研究是现代地球物理学中的重要课题，涉及到人类居住和开拓太空磁空间环境，在空间技术发展和应用中特别重要3.2.2 地磁脉动 地磁脉动是在地球磁层和太阳风中激发的磁流体波 变幅大小： n101n10 nT，最大可达100nT 地磁脉动具有

29、准周期性特点： 周期 0.21000 s4.1.1. 表示岩石和矿石磁性的物理量4.1 岩石的磁性1. 磁化强度： 描述宏观物体磁性强弱的物理量定义： 单位体积内的总磁矩。 第4章 岩石磁学与古地磁研究Mi 感应磁化强度： 是岩石在现今地磁场中感应磁化的结果。Mr 剩余磁化强度： 是岩石在形成时和在以后历史时期中的地磁场作用下形成的。磁化强度 M 由两部分组成： 感应磁化强度 Mi 、剩余磁化强度 Mr 2. 表示岩石和矿石磁性的物理量主要是 磁化率 和剩余磁化强度 Mr 决定岩石磁性质的物理参数为 和 Mr 其中： 磁化率(susceptibility)，无量纲，是 物质磁性参量之一。 地磁

30、场的磁场强度。3.矿物和岩石的磁化率 名 称磁化率(4106） 名 称 磁化率(4106） 变化范围常见值 变化范围常见值沉积岩 灰岩 2280 25变质岩 片岩 25240 120 砂岩 01660 30片麻岩 102000 页岩 51480 50石英岩 350岩浆岩花岗岩 04000 200矿石 石墨 8辉绿岩 80130004500 煤 2玄武岩 20145006000磁铁矿1051.6106 5105闪长岩 50100007000磁黄铁矿 10251051.25105橄榄岩76001560013000赤铁矿 403000 550 常见岩石磁化率平均值与分布范围重要矿物的磁化率沉积岩火成

31、岩白云岩石灰岩砂岩页岩花岗岩辉长岩玄武岩石英方解石黄铁矿赤铁矿磁黄铁矿磁铁矿4.影响岩石磁性的因素1）铁磁性矿物的含量；2）岩石的结构与铁磁性矿物颗粒的大小；3）形成过程中的温度与机械力；4）剩磁与年代有关。5.岩石磁性一般规律 火成岩磁性强，沉积岩磁性弱，变质岩介于两者之间。1. 物质的宏观磁性 1) 磁的本质： 物质的磁性来源于原子的磁性。从微观上说，物质的磁性起源于电流：电子的轨道磁矩、电子的自旋磁矩和原子核的自旋磁矩（很小） 原子总磁矩： 原子内所有电子的轨道磁矩和自旋磁矩之和4.1.2 岩石的剩余磁性 由于原子磁矩取决于电子的轨道磁矩和自旋磁矩，原子磁矩的大小与原子核周围的电子结构有

32、很大关系。 根据量子力学的规则，绕原子核的电子是按序分层排列的主壳层（n）12345最多电子数28183250次壳层（l）001012012301234最多电子数226261026101426101418 当次壳层完全填满，原子的总磁矩为零；未填满时原子具有一定的磁矩 按磁化率 的大小，物质磁性分为三类。 顺磁性物质： （原子的总磁矩不为零） 0 ， 10-5103 , 与温度T有关。HM 逆磁性物质： （原子的总磁矩为零） 0 ， | 10-5 , 与温度T无关。 逆磁性与顺磁性物质都不能形成剩磁2) 物质磁性的分类： 铁磁性物质： （原子有一定的磁矩） 0 （101 105），M 与H 不

33、是线性的JJS在很弱的外磁场中，可获得很强的感应磁化强度。 铁磁性物质有： Fe、Co、Ni。 铁磁性物质的原子内有未填满的电子次壳层，原子具有一定磁矩3) 铁磁性来源 磁畴 在铁磁性物质中，相邻原子的电子间有一种交换作用，使原子磁矩平行或反平行排列。即使无外场，铁磁性物质内部原子磁矩以某种方式排列，达到一定磁化，称“自发磁化” 铁磁性物质自发磁化的小区域称作“磁畴”（磁畴的体积约1019cm3，畴壁宽度约102103 A） 铁磁性物质原子磁矩的排列方式： 在没有磁化之前，物体内各磁畴的自发磁化取向不同，整体对外不显磁性 磁化机制 在外场中，各磁畴的磁矩转向外磁场方向，显示出很强的磁性。 i

34、磁畴畴壁的位移 ii 磁畴磁矩的转动4）铁磁性物质的基本特点 在很弱的外磁场中，可获得很强的感应磁化强度 MJSMrMs 在除去外场后，物质还保留剩余磁化强度 具有高温顺磁性。5)一些矿物的磁性质 磁性 矿 物k(CGSM单位）逆磁性岩盐、石膏、石英、方解石、石油、石墨等106顺磁性黑云母、辉石、角闪石、蛇纹岩、石榴子石等 05000106铁磁性磁铁矿、赤铁矿、磁赤铁矿、钛铁矿等 大部分矿物属于逆磁性和顺磁性，只有少部分矿物具有铁磁性质。逆磁性和顺磁性的矿物 k 值小,且没有剩磁，对古地磁研究意义不大一些常见铁磁性矿物的磁学性质 磁性矫顽力 Oe 饱和磁化强度(高斯)居里温度 （） 铁 Fe铁

35、磁性 1714 770 钴 Co铁磁性 1422 1131 镍 Ni铁磁性 484 358磁铁矿 Fe2O4亚铁磁 730 480 580赤铁矿 Fe2O3斜交反铁磁 7600 2.2 680磁赤铁矿 Fe2O3亚铁磁30400 426 720钛铁矿 FeTiO3反铁磁 223磁黄铁矿FeS(1+x)亚铁磁 1520 90 320硫铁矿 FeS反铁磁 3052. 岩石剩磁类型1) 热剩磁 TRM (Thermal Remanent Magnetism) 在外磁场中自居里点以上冷却至室温过程中获得的剩磁。 火成岩的天然剩磁的主要机制特点：（1）热剩磁强度大（2）方向与外场一致（3）弱场中 MTR

36、M=CTH 1050.501.01.52.0H(Oe)Mr(103）两个火成岩样品磁铁矿Mr（4）热剩磁与温度的关系:（5）稳定性高具有部分热剩磁可加性；岩石的热剩磁主要在居里点附近获得。TTRM= PTRM2) 沉积剩磁 （碎屑剩磁） DRM ( Depositional Remanent Magnetism ) 沉积岩的剩磁来源于沉积剩磁，沉积岩中含有从母岩侵蚀而来的磁性颗粒，这些磁性颗粒在沉积时，受到地磁场作用定向排列 特点： （1）方向与沉积时的地磁场方向一致 （2）稳定性高 （3）沉积剩磁较弱3) 化学剩磁 CRM (Chemical Remanent Magnetism ) 在磁场

37、中，某些磁性物质经过化学过程或相变过程，获得的剩磁特点： （1）在弱磁场中，MCRM H ； （2）在同样的磁场中，化学剩磁强度比热剩磁强度小数10 倍； （3）稳定性高。4）粘滞剩磁 VRM ( Viscous Remanent Magnetism ) 岩石形成之后，由于长期处于后来的地磁场作用中，加上热扰动的影响，是原来已定向排列的磁畴，随着时间的增加，而逐渐转向后来的地磁场方向上去。这种岩石长期处于地磁场中获得的剩磁，称为粘滞剩磁。特点： （1）粘滞剩磁是次生剩磁； （2）粘滞剩磁随时间增加； （3）由于地磁场方向不断变化，粘滞剩磁的方向可能与原生剩磁方向不同。5） 等温剩磁 IRM (

38、 Isothermal Remanent Magnetism ) 指常温条件下，在外场中磁化而保留下来的剩磁 与粘滞剩磁不同，是短时间内获得的。如孤立凸出的露头、峭壁尖端等遭雷电，获得等温剩磁。是一种干扰。 原生剩磁：岩石形成时获得的剩磁。次生剩磁： 岩石形成后获得的剩磁。 古地磁测量的应是原生剩磁。稳定剩磁与原生剩磁： 岩石的天然剩磁一般包含有稳定和不稳定成分 剩磁随时间衰减的现象叫磁性弛豫，弛豫速率是剩磁稳定性的主要标志。岩石剩磁的稳定性常用弛豫时间表示，弛豫时间越长，磁性越稳定 原生剩磁一般比较稳定。古地磁工作首先要通过退磁方法分离剩磁的稳定成分与不稳定成分 常用的退磁方法有：交变场退磁

39、和热退磁。4.2 古地磁学基本原理4.2.1 古地磁学的两个基本假设： 1.岩石的原生剩磁方向与岩石形成时的地磁场方向一致。岩石的原生剩磁有很高的稳定性。古地磁研究的对象就是岩石的原生剩磁 2.轴向地心偶极子场假说 认为地磁场的主要部分始终是地心偶极子场,且取足够长的的时间（10000年 或更长）平均，偶极轴与地理轴一致mm1. 求古纬度 m： 按照地心偶极子磁场的公式，磁倾角I与 纬度m 、余纬度m的关系为：4.2.2 古地磁研究中的基本公式：mm由轴向地心偶极子假设 是古磁纬度，也是古地理纬度p- s psp s 2.求虚磁极坐标： 古地磁极在现代地理坐标中的位置，称为虚磁极（VGP） 地

40、理北极 (GP)、虚磁极 (VGP) 和观测点 (S) 三点构成一个球面三角形。 如果求出了古余纬度m , 并测定了岩石剩磁的磁偏角D，则可定出古地磁极在现代地理坐标中的位置（p，p）， 称为虚磁极（VGP）p- s psp s 其中： 由球面三角的余弦、正弦定理，虚磁极的地理经纬度（p、p）为：p- s psp s 当当样品采集（采样与制样）样品测量与分析表示方法退磁实验与稳定性检验数据统计与误差计算地点、岩石、数量采样要求剩磁方向的图示退磁实验的分析原则野外检验剩磁方向计算与精度古纬度与误差虚磁极位置与误差4.2.3 标本的采集 岩石的剩磁测量是通过在选定地点采集定向标本，然后在室内进行测

41、量和分析。1. 采集标本的地区选择： 应依据古地磁研究目的来选择采样地区，如： 1）研究地块接合部的性质、大断裂的性质时，要在其两侧的稳定地层中采样 2）作地层对比研究工作，应当选择有一定时间序列的岩层2. 岩石的选择： 1）应选择原生剩磁较强、铁磁性矿物含量较高的岩石。 2）采集比较新鲜的、风化程度低的岩石。要尽量避开可能遭过雷击的地方和风化较严重的岩石。 1）必须是定向标本，目的是将室内测量的剩磁方向与实地的方向联系起来。3. 标本的要求： 2）标本应在分散的位置采集，采样点应尽可能分布于岩层所代表的整段时代。 3）在每个采集点上要采集若干块样品4.2.4 剩磁方向及图示1. 剩磁方向的确

42、定： 剩磁方向常用倾角I和偏角D 表示倾角: 剩余磁化强度的方向与原始水平面的夹角 偏角: 剩磁在原始水平面内投影与 现今地理北的夹角。IDXxyzMrA2. 剩磁方向的图示 乌尔夫网施密特网Zijderveld 图baEdownWNSup0NEdownba4.2.5 剩磁的稳定性检验与退磁处理1) 交变退磁1. 退磁方法2) 热退磁2. 退磁实验分析 退磁过程： 逐步提高 H0 或 T0 的过程中，在零磁空间恢复，并测量剩余磁化方向 Mr /Mr0Mr /Mr0退磁分析的原则： 在逐步提高 H0 或 T0 的过程中 （1）样品的剩磁方向不再改变，仅强度改变（2）取自一个采样点的若干标本的剩磁

43、方向的离散度最小3. 野外检验方法 退磁分离出来的稳定剩磁是否原生剩磁, 常结合野外检验方法进一步判断。1）一致性检验；2）褶皱检验；3）烘烤接触检验；4）砾岩检验。褶皱检验烘烤接触检验4.3 数据的统计整理 数据统计整理的任务： （1）确定平均磁化方向； （2）计算古纬度和虚磁极坐标； （3）计算磁化方向的离散程度； （4）计算古纬度和虚磁极的误差。1. 每块样品的单位矢量：3.3.1 计算平均磁化方向：DIRxyz2. 平均方向 R ：R 的大小：R 的偏角与倾角：偏角：倾角：DIRxyz古纬度：虚磁极坐标：p- s psp s 3.3.2 计算古纬度与虚磁极3.3.3 磁化方向离散度的估

44、计 1. 菲舍尔分布： 矢量出现在距真方向至d 的环带中的概率密度为：2. 精度参数 k ： 精度参数是衡量平均方向精度的一个参数。在N为有限值时，k 的最佳估计值为 当N个单位矢量方向一致时，N=R，k，表明离散度最小，平均方向的精度最高 当N个单位矢量均匀分布在整个球面上，互相抵消，R=0，k1，k值为极小，表明离散度最大，平均方向的精度最低3. 95置信圆：1) 95 ： 各方向与真方向的离散度的量度 任意矢量在以真平均方向为轴，半顶角为的圆锥内的概率为2) 95：平均方向的95 置信圆的角半径 表示N个矢量的平均方向，以95的概率落在以真方向为轴，半顶角为95 的圆锥内。k 越大，95

45、 越小，平均方向越接近真平均方向，精度越高古纬度：虚磁极坐标：p- s psp s 4 .古地磁极的误差：1）平均方向的误差倾角误差：偏角误差：2）倾角误差引起的古纬度的误差：或对上式求全微分，得dm 位于通过观测点 S 至虚磁极 VGP 的大圆弧上p- s psp s p- s psp s 3）偏角误差 dD 引起古地磁极偏离VGP、S大圆 的误差 dm :由球面三角的正弦定理，得SPPdDdmmmp- s psp s dm0904.4 古地磁学的研究成果与应用4.4.1 地磁场的倒转和极性年表：1. 地磁场倒转应有特征: 如果岩石的反向磁化是地磁场倒转引起的，就应当观测到以下现象：（1）应

46、该存在世界范围的、同期的极性 因为地磁场倒转是世界范围的现象，所以，同一时期的岩石，不管其岩石类型如何，应具有相同极性（2）在岩石序列中，应观测到从一种状态转变到另一种状态的磁场纪录2. 极性年表 古地磁测量和绝对年龄测量结合，得到地磁场正反向的时间序列，称为极性年表。极性期： 070万年 布容正向期 70250万年 松山反向期 250330万年 高斯正向期 330450万年 吉尔伯特反向期 “期”的长度约100万年数量级 在极性期内存在着更短的倒转现象，称为极性事件。3. 深海沉积物的磁化与倒转有关的现象时间深度(m)051015（米）沉积速率4.4.2 海洋磁异常与海底扩张 1. 海洋磁异

47、常：海洋磁异常的发现：海洋磁异常的主要特点： 1）磁异常成条带状，条带走向与洋脊平行 2）正负异常相间，正负条带宽约2030公里，长几百公里，异常幅度几百nT； 3）异常对称于洋脊。2. 海底扩张（凡茵马修斯假说）3. 海底磁异常、极性年表与海底扩张速率由海洋磁异常解释的海洋地壳年龄活动的扩张中心晚第三纪早第三纪中、晚白垩纪早白垩、晚侏罗4.4.3 视极移曲线和大陆漂移1. 视极移曲线： 在稳定地区，将计算出的各地质时期的古地磁极画在现代地理坐标上，连接起来，称为该地区的视极移曲线。2. 利用视极移曲线研究大陆漂移的基本思想： 地磁场为偶极子磁场，同一时期磁极是唯一的。 如果大陆从未漂移过，那

48、么，从各大陆求出的同一时代的磁极应大致重合。 如果大陆发生过相对运动，沿地磁场方向同时磁化的岩石，由于不同大陆按不同方式运动改变了自己的空间位置，使不同大陆求出的磁极不再一致了。3. 北美与欧洲视极移曲线对比4. 古大陆重建基于海岸线与古地磁结果勾画出的泛古陆的轮廓（石炭纪二叠纪）4.4.4 研究构造变动 利用平均磁化方向磁性地层学环境磁学5.1 磁力仪工作原理第5章 磁异常(Ba)观测与磁性体的磁异常5.1.1. 质子旋进磁力仪1. 基本原理 具有自旋磁矩的质子，在地磁场作用下产生进动PPdPPsinBzdtdPP sin dtdPpP B sin dtP质子的自旋角动量 质子的自旋磁矩B

49、外磁场的磁感应强度PPdPPsinBzdtdPPsindtdPpP B sindt（ pP）p 质子的旋磁比进动频率 f 与地磁场 B 的关系（2）获得与旋进频率相同的感生电动势2.工作原理（1）极化 （水、煤油、酒精）北京国家地球观象台地磁观测5.1.2 光泵磁力仪 利用被激发的氦元素在磁场中产生塞曼能级分裂，从而发生频率跃迁，跃迁的共振频率正比于外磁场。 f 28.02356 Hz/nTBT 光泵磁力仪就是通过测量这种跃迁频率来指示磁场值的。铯光泵磁力仪* 磁通门磁力仪5.2 野外磁测工作与磁测数据整理1. 基点（基点网）与测网2. 磁测数据的整理1）日变改正；2）温度改正；3）零点位移改

50、正；4）纬度改正等。航空磁测海洋磁测航空磁测的飞行线5.3 总磁场标量异常 TTBnBTBa1. 测量值：T 总磁场标量异常 即：地磁场总强度BT与正常场强度Bn的模数差 表明T的物理意义是异常场 Ba 在正常场方向的投影2. T与Ba的关系：3. T与Za、Ha的关系：BnBTBaT5.4 磁性体的磁异常5.4.1 概述 1.通过野外磁测获得磁异常资料，在分布上有一定的变化特征磁异常变化的特征量包括： （1）异常强度（幅度） （2）分布范围 （3）平面分布特征（形态）与走向 （4）变化梯度 （5）极大值、极小值 2.磁异常解释分为定性解释与定量解释（2）定量解释： 计算获得异常体（矿体、岩体

51、）的空间位置、大小、形状和产状等（1）定性解释： 确定研究区内磁异常产生的地质原因，磁性岩体和矿体等的分布情况3. 磁异常的特征取决于： (1) 地质体的磁性（磁化强度的大小、方向） (2) 磁性地质体的体积大小、形状、位置和产状 为了进行磁异常解释，需要认识磁异常的规律，以及与地质体的对应关系。 通过简化地质体，用数学、物理方法来分析异常特征与异常体的磁性、形状、产状等的对应关系简化时常用假设 1）简单几何形状； 2）均匀磁化（M常矢量）； 3）孤立磁性体； 4）观测面水平； 5）一般情况下不考虑剩磁方向1. 磁荷面积分公式5.4.2 计算磁性体磁异常的基本公式偶极子磁场的磁位表达式整个磁性

52、体的磁位：yxzpq利用公式得到：再利用公式其中面磁荷密度体磁荷密度磁性体的磁位是体磁荷与面磁荷两部分的贡献 当均匀磁化时，磁性地质体内无体磁荷分布，只有表面出现面磁荷，即磁感应强度为2. 泊松公式由引力位公式泊松公式是利用磁性体的引力位求磁位的公式注意： （1）磁位与引力位同源 （2）均匀磁化 （3）假设磁性体的密度均匀 磁性体的密度磁感应强度的各分量为5.4.4 顺轴磁化柱体的磁场1.单极的磁场： 实际情况中，可作为截面直径比埋深得多小，向下延深较大的顺轴磁化柱体的近似。1) 磁场表达式：点磁荷的磁位：则磁感应强度：单极产生的异常场垂直分量Za和水平分量Ha：2) 特征讨论：(1) 具有轴对称性oZaHao(2）剖面特征（取 y=0）Za是x的偶函数， 在x0点有最大值| x | Za 0 Ha 是 x 的奇函数 是一条反对称曲线， x0 Ha0 | x | H