地球磁场古强度变化与地球深部过程.ppt

1、Plume Movies,Lecture 3 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.,Plume Movies,地球外核物性状态与动力过程？,Fe为主，10%轻元素(S or Si, O, but no firm evidence) 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

2、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，not real Earth,Plume Movies,地球内核物性状态与动力过程？,Fe为主，with a little Ni Stevenson等(1983)根据古地磁提出，IC3500Ma 早期的MHD发电机模型将IC看成是绝缘体， 90S看成有限导体 地核发电机的驱动力 Compositional and Thermal convection，由于IC Grows, Thermal convection对地

3、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？,Plume Movies,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：,Plume Movies,2-地磁极性倒转模型 Cox(1968) Model Interaction between dipole and non-dipole field 非偶极子场是触发机制 困难:dipole2104year Non-D2-4102year 二者耦合是困难的,Plume Movies,地磁极性转换与地球动

4、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MB极性转换的测定,Hillhouse et al., EPSL, 1976,中国黄土记录MB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,Zhu et al., EPSL, 1994,M-B极性转换记录 南大西洋10cm/yr,Yamazaki et al EPS, 2001,MB极性转换持续时间：

5、6953 1285年( Clement, 2004) 地磁强度变化超前于地磁极性倒转18000年 (Singer, 2005) These data support the claim that complete reversals require a significant period for magnetic flux to escape from the solid inner core and sufficiently weaken its stabilizing effect (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

6、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,Zhu et al., 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(20,000 yr). 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,From Coes Homepage,(a) 均匀流

7、场-40万年两次倒转+ 偶极子能量与非偶极子能量可比 (b) Transition vector field (c) The true dipole path (d) VGP path (e) 转换持续时间5千年,individual directional swings are rapid, as much as 100 degrees in 150 yr.,From Coes Homepage,(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-dipole path, d) VGP path. 2.5 kyr duration

8、, but the non-axial-dipole field is much more active (see next figure), giving rise to greater variation in transition signature over the globe-Steens Mountain,From Coes Homepage,SimulationsCase C Excursion,From Coes Homepage,两个非偶极子的快速增加导致了地磁极性倒转,From Coes Homepage,SimulationsVGP Preference?,SimulationsVGP Preference?,From Coes Homepage,Plume Movies,实验观测到的快速倒转,3度+3000nT/天,From R Coe,69531285年,分子动力学 地球外核剪切粘滞度为:3.3-0.8710-2Pas 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 There is no evidence for convection i