2025年大学《地球物理学》专业题库- 地磁场演化与地球电磁现象研究

2025年大学《地球物理学》专业题库——地磁场演化与地球电磁现象研究考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、选择题（每题2分，共20分。请将正确选项的字母填入括号内）1.地球主要的地磁场源是？(A)地幔对流(B)地核对流(C)电离层电流(D)太阳风磁场2.古地磁学研究中，能够记录下古地磁极位置和岩石形成年代的关键信息是？(A)热剩磁(B)矿物晶格取向(C)原始剩磁(D)自旋转换剩磁3.地磁场极性倒转事件在岩石中留下的记录通常表现为？(A)地磁要素的剧烈波动(B)一条相对平滑的古地磁极路径(C)在不同地质年代具有不同极性的条带状磁化区(D)磁偏角始终指向北方4.根据地磁场发电机理论，驱动液态外核环流的主要能量来源是？(A)地核与地幔的密度差(B)地球自转的角动量传递(C)来自太阳的辐射能(D)地核内部放射性元素衰变产生的热能5.地球磁层顶（Magnetopause）的主要功能是？(A)阻挡太阳风粒子进入地球磁层(B)产生地磁暴现象(C)产生极光(D)引导地磁场线与电离层电流闭合6.地磁脉动（Pulsations）主要是由什么现象引起的？(A)太阳耀斑爆发(B)地核内部对流活动(C)地磁暴的全球传播(D)电离层底部边界的变化7.在古地磁学中，确定古纬度的基本原理是？(A)利用地磁场总强度随纬度的变化(B)利用地磁倾角与古纬度之间的关系(C)利用地磁偏角与经度之间的关系(D)利用古地磁极路径的对称性8.与地磁内部场相比，地磁外部场的主要特征是？(A)永久性(B)偶极性为主(C)主要由太阳活动产生(D)磁场强度在地表附近相对均匀9.地磁测深的主要目的是？(A)精确测定地磁场的空间分布(B)探测地壳、地幔内部的结构和电性性质(C)研究地磁场的演化历史(D)测量地磁场的强度和方向10.目前地磁场发电机模型面临的主要挑战之一是？(A)如何解释地磁场的长期稳定性(B)如何精确计算地磁场的瞬时强度(C)如何确定地核内部的对流模式(D)如何解释地磁场极性倒转的随机性二、名词解释（每题3分，共15分。请将定义写在横线上）1.偶极矩(DipoleMoment)2.热退磁(ThermalDemagnetization)3.地磁剩磁(RemanentMagnetization)4.地磁图(MagneticMap)5.地磁暴(GeomagneticStorm)三、简答题（每题5分，共20分）1.简述地磁场发电机理论的基本思想。2.简述古地磁学重建地球古地磁极路径的主要步骤。3.简述地磁暴对地球电离层可能产生的主要影响。4.简述地磁异常的几种基本类型及其可能成因。四、计算题（每题6分，共12分）1.假设地磁场在某一地点的磁偏角为东偏10°，磁倾角为南倾40°。如果该地点地磁场总强度为50,000纳特（nT），请计算水平磁场强度（H）和垂直磁场强度（Z）。2.某地磁测量数据表明，一块火山岩在形成时其磁化方向指向地理北极偏西20°，地理北极偏南55°。已知该火山岩形成时的古纬度为45°N。请根据该信息，估算该地点当时的磁倾角。五、论述题（每题7分，共14分）1.论述地磁场极性倒转事件对地球生命可能产生的影响。2.论述地磁观测数据在现代地球物理学研究中的重要性。试卷答案一、选择题1.B2.C3.C4.B5.A6.D7.B8.C9.B10.D二、名词解释1.偶极矩(DipoleMoment):指描述地磁场偶极性特征的物理量，通常由地磁场强度和地理球坐标中磁偶极子轴的单位向量的乘积定义，反映地磁场源（如液态外核）的磁化强度和分布。2.热退磁(ThermalDemagnetization):指在加热过程中，使已被磁化的岩石矿物失去其剩磁的现象。当加热温度超过矿物的居里温度或磁滞温度时，矿物内部的磁畴会随着温度升高而逐渐随机化，导致剩磁消失。3.地磁剩磁(RemanentMagnetization):指当施加在岩石矿物上的外部地磁场消失后，仍然保留在矿物内部的磁化强度。它是古地磁学研究地磁场历史的基础。4.地磁图(MagneticMap):指表示地磁场在地球表面或近地空间某一区域分布情况的图件，通常通过测量地磁要素（如总场强度、磁偏角、磁倾角）并绘制等值线图来呈现。5.地磁暴(GeomagneticStorm):指由于太阳活动（主要是太阳耀斑和日冕物质抛射）向地球释放出的大量高能带电粒子，扰动地球磁层和电离层，导致地磁场出现显著、快速变化的全球性或区域性事件。三、简答题1.简述地磁场发电机理论的基本思想。答：地磁场发电机理论认为，地球的磁场是由位于液态外核中的导电物质（主要是铁镍合金）在地球自转提供的“科里奥利力”驱动下发生对流运动时，通过电磁感应（即动生电动势和洛伦兹力）过程产生的。其基本思想包括：①液态外核具有足够的导电性；②存在驱动其对流的力（主要是自转引起的科里奥利力）；③对流的运动方式能产生足够强的磁场；④该过程能够长期维持并解释地磁场的偶极性特征。2.简述古地磁学重建地球古地磁极路径的主要步骤。答：主要步骤包括：①采集古地磁样品：从具有剩磁的岩石（尤其是火山岩和沉积岩）中提取古地磁方向信息；②实验室测量：使用磁力仪测定样品的天然剩磁方向，并确定其可能受到的后期退磁影响；③校正干扰：对测得的磁化方向进行必要的校正，如退磁校正、自旋转换校正等，以获得样品形成时的原生磁化方向；④统计平均：对来自同一地质时代的多个样品的磁化方向进行统计分析（如矢量平均），得到该时期的地磁极方向；⑤建立古地磁极路径：将不同地质时代的地磁极方向点连接起来，绘制出古地磁极随时间迁移的路径。3.简述地磁暴对地球电离层可能产生的主要影响。答：地磁暴期间，高能太阳风粒子注入地球磁层，导致电离层顶部的等离子体密度和温度显著升高，并引发大规模的骚扰。主要影响包括：①电离层增厚：F1层和F2层电子密度增加，导致无线电通信（尤其是短波通信）距离增大或中断；②电离层漂移：全球电离层整体向西漂移，并出现不规则扰动；③极区电离层骚扰：极区附近出现电离层骚扰（PolarCapDisturbances,PC），导致极区通信中断和极光活动增强。4.简述地磁异常的几种基本类型及其可能成因。答：基本类型及成因包括：①区域磁异常：由地壳和上地幔的磁化体引起，其规模与地壳的磁化特征有关，反映了地壳内部的岩浆活动、构造变形等地质信息；②局部磁异常：由规模较小的磁化体引起，如侵入体、火成岩体、铁质矿体等，其形态和强度受磁化体的形状、产状和磁化强度控制；③球状磁异常：形状近似球体的磁化体在地表产生的磁异常，通常由埋藏的火山颈、盐丘等地质体引起。四、计算题1.假设地磁场在某一地点的磁偏角为东偏10°，磁倾角为南倾40°。如果该地点地磁场总强度为50,000纳特（nT），请计算水平磁场强度（H）和垂直磁场强度（Z）。解：设总场强度T=50,000nT，磁偏角D=10°（东偏），磁倾角I=40°（南倾）。水平磁场强度H=T*cos(I)=50,000*cos(40°)≈50,000*0.766≈38,300nT。垂直磁场强度Z=T*sin(I)=50,000*sin(40°)≈50,000*0.643≈32,150nT。（注意：计算结果可能因取值精度不同略有差异）答：水平磁场强度H≈38,300nT，垂直磁场强度Z≈32,150nT。2.某地磁测量数据表明，一块火山岩在形成时其磁化方向指向地理北极偏西20°，地理北极偏南55°。已知该地点当时的古纬度为45°N。请根据该信息，估算该地点当时的磁倾角。解：磁化方向指向地理北极偏西20°，即磁偏角D=-20°。磁化方向地理北极偏南55°，即磁倾角I=-55°。该地点当时的古纬度P=45°N。根据地磁学原理，地磁倾角I与地理纬度P、地磁极倾角Pm（地磁极相对于地心的倾角）和地磁偏角D之间存在如下关系：tan(Pm)=sin(D)*tan(I)/(cos(D)*cos(I)-sin(P))将已知值代入：tan(Pm)=sin(-20°)*tan(-55°)/(cos(-20°)*cos(-55°)-sin(45°))tan(Pm)≈(-0.342)*(-1.428)/(0.940*0.574-0.707)tan(Pm)≈0.490/(0.540-0.707)tan(Pm)≈0.490/-0.167≈-2.92Pm≈arctan(-2.92)≈-71°（取绝对值，因为倾角为负，表示地磁极在地理北极下方）计算地磁倾角I'：I'=90°-Pm=90°-71°=19°。答：该地点当时的磁倾角约为19°。五、论述题1.论述地磁场极性倒转事件对地球生命可能产生的影响。答：地磁场极性倒转事件是指地磁场的偶极轴发生约180°的转向。其对地球生命可能产生的影响主要包括：①对辐射防护的削弱：地磁场的偶极场能有效偏转来自太阳和宇宙的高能带电粒子，形成地磁防护层。极性倒转期间，偶极场可能减弱，地磁层顶可能向低纬度移动，导致更多高能粒子穿透到达近地空间，增加电离层和地表的辐射水平，对高空飞行人员和地面生物构成潜在威胁；②对生物导航的干扰：许多生物（如鸟类、海龟、水母等）利用地磁场进行长距离导航。地磁场的剧烈变化和极性倒转可能扰乱这些生物的磁感应机制，影响其迁徙行为和生存；③对电离层和通信的影响：极性倒转可能伴随地磁场和电离层的剧烈扰动，导致无线电通信中断、电力系统故障等。虽然生命本身可能对地磁场变化具有一定的适应能力，但剧烈的极性倒转可能对生物圈，特别是依赖磁导航的物种造成显著的短期或长期压力。2.论述地磁观测数据在现代地球物理学研究中的重要性。答：地磁观测数据在现代地球物理学研究中扮演着至关重要的角色，其重要性体现在多个方面：①研究地球内部结构和动力学：地磁场是地球液态外核的主要表现形式。对地磁场的长期变化和瞬时扰动（如地磁脉动、地磁暴）的观测和分析，为研究外核的对流模式、地核-地幔边界、地幔的电性结构提供了关键信息。地磁异常的研究有助于揭示地壳和上地幔的岩浆活动历史和构造特征；②监测和预测空间天气：地磁观测是监测太阳活动对地球影响的主要手段。通过实时监测地磁场的变化，可以预警地磁暴、电离层骚扰等空间天气事件，为航