地磁第3章 地磁場(chǎng)的長(zhǎng)期變化

1、第三章 地磁場(chǎng)的長(zhǎng)期變化研究地磁場(chǎng)長(zhǎng)期變化的時(shí)空分布規(guī)律，對(duì)了解地球內(nèi)部物質(zhì)的性質(zhì)和運(yùn)動(dòng)的具有重要意義，這也是固體地球物理的一個(gè)重要研究方向全球地表地磁場(chǎng)Y的時(shí)間演變3.1 地磁場(chǎng)的長(zhǎng)期變化及特征 3.2 地磁場(chǎng)的西向漂移3.3 地磁場(chǎng)的極性倒轉(zhuǎn)和古地磁3.1 地磁場(chǎng)的長(zhǎng)期變化及特征概念：地磁場(chǎng)的長(zhǎng)期變化地球基本磁場(chǎng)（主磁場(chǎng)）自身的一種隨時(shí)間的緩慢變化。注意： 對(duì)象：基本磁場(chǎng)（主磁場(chǎng)） 特征：緩慢變化變化周期幾年到上萬年。主磁場(chǎng)：起源于核幔界面偶極子場(chǎng)+非偶極子場(chǎng)主磁場(chǎng)獲得通常以地磁要素的年均值表示主磁場(chǎng)大小在理論研究中，特別是研究全球時(shí)，通常用地磁場(chǎng)模型計(jì)算得出，一般用n10（有時(shí)取n13

2、）的球諧項(xiàng)表示一、長(zhǎng)期變化現(xiàn)象（1）如果對(duì)比同一地磁臺(tái)在數(shù)年中的年均值， D：呈上升的趨勢(shì)I：19101945， 19461952， 19531966， 19671980 可以發(fā)現(xiàn)個(gè)地磁要素都在隨年代變化，且在一段時(shí)間內(nèi)，這種變化往往保持一定的趨勢(shì)。倫敦的變化：圓圈的四分之三長(zhǎng)期變化有某種周期性波士頓和巴爾的摩的變化完全是另外一種樣子地磁場(chǎng)長(zhǎng)期變化的地區(qū)差異及其復(fù)雜性（2）對(duì)比不同年代的地磁圖，發(fā)現(xiàn)：等值線的形狀和位置在緩慢地變化。強(qiáng)度：非偶極子場(chǎng)比偶極子場(chǎng)弱得多，時(shí)間變化：非偶極子場(chǎng)比偶極子場(chǎng)要?jiǎng)×?。?duì)比不同年代的非偶極子場(chǎng)圖，發(fā)現(xiàn)：其變化更為明顯。南大西洋磁異常（SAT）歐亞大陸磁異常（E

3、A）北美磁異常（NAM）大洋洲磁異常（AUS）非洲磁異常（AF）非偶極子場(chǎng)Z的等值線圖 （單位：2000nT) 例如：非洲磁異常中心，在經(jīng)度方向變化就非常明顯： 在1590年至2005年間，向西移動(dòng)103 V0.25/a92E11S過去400年磁場(chǎng)總強(qiáng)度的長(zhǎng)期變化西向漂移(非偶極場(chǎng)的 西漂造成)(3) 長(zhǎng)期變化等值圖長(zhǎng)期變化率（年變率）：任何一種地磁要素的年均值的年變化 t0年年變率的定義:其中t0=t1+t/2 t以年為單位,Fi 是某要素在i年的年均值,要求t 3-5年仿照地磁圖的畫法，我們可以作出地磁要素年變率的等值線圖，稱之為長(zhǎng)期變化等值圖或等變線圖。有了年變率，如，IGRF有效期內(nèi)任

4、一年的高斯系數(shù)：2006年地磁場(chǎng)垂直分量等變線圖等變線是圍繞幾個(gè)中心分布的，在中心處，年變率最大， 這些中心稱為等變焦點(diǎn)。長(zhǎng)期變也劃分為正負(fù)兩種變化， 規(guī)定垂直分量增長(zhǎng)（減少）為正（負(fù)）。將不同年代的等變圖進(jìn)行比較， 發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)期變化的焦點(diǎn)數(shù)目、位置、年變率大小也在變化。d垂直分量的等變線圖的形象類似于非偶極子場(chǎng)圖。 當(dāng)前，最強(qiáng)的兩個(gè)Z分量等變焦點(diǎn)，一個(gè)位于大西洋中， 它在2006年的年變率約-180nT/a,另一個(gè)位于南極地區(qū)， 2006年年變率約120 nT/a。二、長(zhǎng)期變化的整體特征地球主磁場(chǎng)存在長(zhǎng)期變化現(xiàn)象主磁場(chǎng)由偶極子場(chǎng)和非偶極子場(chǎng)組成偶極矩強(qiáng)度的變化地磁極移動(dòng)非偶極子場(chǎng)的西向漂移磁極倒

5、轉(zhuǎn)急變特征描述主磁場(chǎng)長(zhǎng)期變化的整體特征（1）地磁偶極矩M的變化1587.51900每百年4%19002005每百年5%再過2000年，M=0地磁偶極場(chǎng)消失?!地球磁矩變化具有周期性偶極矩在減小，多極子強(qiáng)度在增加?xùn)|半球磁場(chǎng)強(qiáng)度增大，西半球減?。?）磁極移動(dòng)地球磁極的緩慢移動(dòng)是地磁場(chǎng)長(zhǎng)期變化的一個(gè)重要特征。地磁北極: 15902005年，經(jīng)度一直減小，總體上向西漂移，共漂移了49.590，漂移速度約為0.120/a；（3）地磁急變 地磁急變是地磁場(chǎng)年變率曲線斜率急劇變化的一種現(xiàn)象。一個(gè)臺(tái)站的地磁場(chǎng)年變率可以用地磁要素對(duì)時(shí)間一階導(dǎo)數(shù)表示全球地磁場(chǎng)年變率可以用球諧系數(shù)對(duì)時(shí)間的一階導(dǎo)數(shù)表示地磁急變表現(xiàn)為

6、上述一階導(dǎo)數(shù)斜率的突變比較確認(rèn)的地磁場(chǎng)急變發(fā)生在1912 / 13、1970 、1978、1992等年份。歐洲40個(gè)臺(tái)站的dY/dt的時(shí)間變化高斯系數(shù)年變率反映出的急變10年左右周期，與太陽有關(guān)么？地磁急變的物理機(jī)制目前還不太清楚，但根據(jù)全球資料分析，可以確定急變起源于地球內(nèi)部。很可能，它是地球外核磁流體發(fā)電機(jī)過程的一種急速變化。（4）非偶極子場(chǎng)的西向漂移非偶極子場(chǎng)的西向漂移：比較不同年代的非偶極子場(chǎng)地磁場(chǎng)圖，可以覺察出整個(gè)圖形有一種向西作緩慢移動(dòng)的跡象。非偶極子場(chǎng)的西向漂移特征：1. 西漂的平均速度約為0.2/a；2. 非偶極子場(chǎng)的西漂是全球性的， 但是并非世界各地的漂移速度都一樣。3. 每

7、年以10nT量級(jí)的速度增減Fig 非偶極磁場(chǎng)Z分量的全球分布(5）長(zhǎng)期變化譜（周期）根據(jù)對(duì)現(xiàn)代地磁資料及考古地磁資料所作的頻譜分析表明，地磁場(chǎng)的長(zhǎng)期變化顯示出某些優(yōu)勢(shì)周期，在時(shí)間譜上表現(xiàn)為若干個(gè)峰值，其周期大約為 58年 450年 600年 1800年 8000年 10000年 等確定方法：頻譜分析由實(shí)際資料看出由高斯系數(shù)的年變率求出但350年以上的周期由考古地磁學(xué)定出磁矩的長(zhǎng)期變化譜磁矩存在約48年82年的周期總結(jié)： 地磁場(chǎng)長(zhǎng)期變特征（1）時(shí)間特征 存在變化周期,周期有58年、450年、600年、 1800年、8000年、10000年 等。（2）空間特征 存在西漂：磁極、異常中心等 西漂速度

8、約0.2/a 。（2）空間特征存在西漂：磁極、異常中心等西漂速度約0.2/a 。（3）整體特征地心偶極子的強(qiáng)度和方向的緩慢變化;地磁偶極矩以每百年5%的速度減小 ;磁極位置緩慢移動(dòng)，即偶極矩方向緩慢變化 。非偶極子磁場(chǎng)的西向漂移3.2 地磁場(chǎng)的西向漂移西向漂移比較系統(tǒng)的研究卻是在二十世紀(jì)五十年代。 早在1693年，哈雷最早注意到地磁場(chǎng)的西漂一、地磁場(chǎng)的西向漂移從總體上看，地磁場(chǎng)長(zhǎng)期變化焦點(diǎn)及世界異常中心向西遷移的現(xiàn)象稱為地磁場(chǎng)的西向漂移?，F(xiàn)代地磁圖（D）與哈雷地磁圖（D）比較,可以清楚地看出西漂地磁場(chǎng)西向漂移的主要特征(1) 全球平均西漂速度約為0.2/a。 西漂速率因地而異： 大西洋、歐洲和

9、美國西漂明顯， 東太平洋、西亞、加拿大、澳洲和南極洲西漂 很慢。西漂的速率隨時(shí)間而變化： 不同地區(qū)西漂速率的變化沒有明顯的相關(guān)性。西漂主要發(fā)生在地磁場(chǎng)非偶極子部分。 正是幾塊大尺度磁異常的西漂構(gòu)成了地磁場(chǎng)西 漂的宏觀表象。(5) 西漂也發(fā)生在主磁場(chǎng)的長(zhǎng)期變化中。二、向西漂移的速度及其計(jì)算1地磁圖直接比較法對(duì)比不同年代的地磁圖，發(fā)現(xiàn)等變線焦點(diǎn)、零偏線、零變線等特殊等值線在隨時(shí)間緩慢西漂。西漂速率=漂移量/時(shí)間差 直觀、簡(jiǎn)便。 這種西漂現(xiàn)象在偏角圖中最為清楚(為什么？)。 西漂速率=漂移量/時(shí)間差。 地磁場(chǎng)等偏線變化反映出的西漂西漂現(xiàn)象在偏角圖中最為清楚:一方面因?yàn)榈绕€大致沿南北方向，與之垂直的

10、東西向移動(dòng)最易顯示出來，而其他分量圖的等值線基本沿東西方向，不易識(shí)別西向漂移；另一方面， 系數(shù)所表示的磁場(chǎng)對(duì)稱部分在X，Z分量圖中很強(qiáng)，掩蓋了任何可能的西漂跡象，而Y分量圖中這部分對(duì)稱場(chǎng)不存在。布拉德等用地磁圖直接比較方法分析了1907-1945年地磁圖，得到的西漂速率為0.2660/a.令 是磁位或某一地磁要素在時(shí)刻t沿固定緯度圈 的分布 由 兩條C曲線的差可以求出經(jīng)度漂移量和平均 漂移速度。令 求出使X取取極小值的 ，即是所要求的漂移量，進(jìn)而求出漂移速率（東漂為正）t=t22. 緯度剖面移動(dòng)法布拉德等用這種方法計(jì)算了各緯度圈的漂移速度，得到地磁場(chǎng)西漂速度為0.1800/a 詳細(xì)一點(diǎn)，緯度剖

11、面曲線可以分解為傅立葉諧波 這種方法稱為緯度剖面諧波分量的漂移.日本的行武毅利用這方法分析了1829-1955年資料 ，得到 =-0.080/a， =-0.4440/a， =-0.0910/a。 3.諧波分量中不同球諧分量的漂移計(jì)算組成緯度剖面的每一個(gè)諧波分量又是由許多球諧分量合成的，因此，可以計(jì)算各球諧分量的漂移特征。地表主磁場(chǎng)磁標(biāo)式的表達(dá)式為：(3-4-2)式中相位角隨時(shí)間的變化率 即為相應(yīng)各階高斯系數(shù)的西向漂移速度 。（3-4-2）式可以研究全球不同點(diǎn)（不同經(jīng)緯度）上的漂移速度 。4.全場(chǎng)速度法求西漂速率這種方法不講,干興趣的同學(xué)可以參看徐文耀的 P113-117三西向漂移的理論解釋 對(duì)

12、地磁場(chǎng)西向漂移的解釋，至今也沒有一個(gè)定論。有的認(rèn)為起因于與核幔邊界有某種耦合的下地幔的不均勻性，也有的認(rèn)為與核幔邊界地形起伏有關(guān)，或者核幔邊界溫度的變化等有關(guān)。 付承義教授認(rèn)為：“向西漂移也許是近代地磁場(chǎng)的一個(gè)統(tǒng)計(jì)特征，再過幾千年，也許漂移方向改變，所以不一定有更深刻的物理意義?！?.3地磁場(chǎng)的極性倒轉(zhuǎn)和古地磁地磁場(chǎng)的極性倒轉(zhuǎn):指磁北極和磁南極的方向發(fā)生1800的改變。這種現(xiàn)象只有通過古地磁和近代的海洋磁測(cè)才發(fā)現(xiàn)。地磁場(chǎng)極性倒轉(zhuǎn)是地磁場(chǎng)長(zhǎng)期變化的重要特征地磁學(xué)的這一重大發(fā)現(xiàn)極大地推動(dòng)了地球科學(xué)的革命它是全球構(gòu)造理論（板塊學(xué)說）的重要觀測(cè)基礎(chǔ)之一 地磁場(chǎng)極性倒轉(zhuǎn)是古地磁學(xué)的重要研究成果，古地磁學(xué)

13、是以地磁學(xué)和巖石磁學(xué)為基礎(chǔ)，通過測(cè)定巖石和古代文物的天然剩余磁性，分析它們的磁化歷史，研究導(dǎo)致它們磁化的歷史時(shí)期的地磁場(chǎng)環(huán)境。介紹幾個(gè)巖石磁學(xué)的概念：1、 鐵磁性：指的是一種材料的磁性狀態(tài)，具有自發(fā)性磁化現(xiàn)象。 鐵磁性材料在外部磁場(chǎng)的作用下得而磁化后，即使外部磁場(chǎng)消失，依然能保持其磁化的狀態(tài)而具有磁性。2、順磁性 物質(zhì)原子的不同電子殼層中，含有非成對(duì)的電子，其自旋磁矩未被抵消；在外磁場(chǎng)作用下，電子自旋的磁矩方向轉(zhuǎn)為與外磁場(chǎng)平行，這種特性叫順磁性。 在撤去外磁場(chǎng)的作用下，順磁性物質(zhì)的磁矩方向雜亂無章，宏觀磁性消失。 3、居里溫度物質(zhì)的鐵磁性只能保持在某一臨界溫度之下，超過這個(gè)溫度，自發(fā)磁化強(qiáng)度不

14、復(fù)存在，鐵磁性就轉(zhuǎn)變?yōu)轫槾判?，此臨界溫度稱為居里溫度或居里點(diǎn)。例如：居里點(diǎn)溫度： 鐵為 7700C 磁鐵礦為 6730C鐵磁性的特點(diǎn)在外磁場(chǎng)作用下磁化強(qiáng)度較易達(dá)到磁飽和,此時(shí)磁化強(qiáng)度不再隨外磁場(chǎng)的增加而增加,而一般順磁體則很難達(dá)到磁飽和。 存在一個(gè)臨界溫度T,當(dāng)溫度高于T時(shí)鐵磁性消失, 鐵磁性物體轉(zhuǎn)變成順磁性物體,此時(shí)的T稱為居里溫 度或居里點(diǎn)。 當(dāng)撤去外磁場(chǎng)時(shí),鐵磁性物體仍保留部分磁性,磁化 強(qiáng)度不為零,稱為剩磁。而順磁體在撤去外磁場(chǎng)時(shí), 磁化強(qiáng)度立即變?yōu)榱?。原生剩磁：在巖石形成時(shí)獲得的剩磁。次生剩磁：在巖石形成后長(zhǎng)時(shí)間獲得的剩磁一、古地磁學(xué)的基本原理的兩個(gè)基本假設(shè)：1、巖石的原生剩磁方向與

15、巖石形成時(shí)的地磁場(chǎng)方向一致， 所以研究巖石的原生剩磁就能推測(cè)巖石形成時(shí)的地磁場(chǎng)方 向。這個(gè)假說的依據(jù)是巖石原生剩磁具有高度的穩(wěn)定性。2、古地磁場(chǎng)是軸向地心偶極場(chǎng)。在地面任意點(diǎn)測(cè)定I后，可由上式計(jì)算磁余緯度，再根據(jù)該點(diǎn)的磁偏角D，可定出地磁極的位置。這樣確定出的地磁極稱為虛地磁極（VGP）。按偶極子公式，磁傾角I與磁緯度，磁余緯度的關(guān)系為：虛地磁極的地理經(jīng)緯度的計(jì)算如圖：觀測(cè)點(diǎn)S的地理經(jīng)緯度 虛地磁極P點(diǎn)的地理經(jīng)緯度G點(diǎn)為地理北極在球面三角形GPS中，運(yùn)用球面三 角形邊的余弦定理和正弦定理得：古地磁學(xué)的工作方法：1. 標(biāo)本采集（標(biāo)明樣本的東西南北方向）2. 資料整理（加工，測(cè)定）3. 統(tǒng)計(jì)處理；4. 剩磁穩(wěn)定性檢驗(yàn)。 （原生剩磁還是次生剩磁）參考書：古地磁學(xué)導(dǎo)論 劉椿著，科學(xué)出版社古地磁學(xué)基礎(chǔ)、原理、方法、成果 與應(yīng)用， 朱崗崑編著 測(cè)定不同地質(zhì)年代形成的火山熔巖、海底和湖底沉積、黃土樣品的剩余磁性發(fā)現(xiàn)，在漫長(zhǎng)的地質(zhì)時(shí)期，地磁場(chǎng)曾經(jīng)發(fā)生過多次極性倒轉(zhuǎn)。地磁極性表白色：反向期黑色：正向期測(cè)定同一地區(qū)不同時(shí)期巖石形成時(shí)的古地磁極，可以得到古地磁極漂移軌跡。由于地磁極性倒轉(zhuǎn)造成的海底條帶狀磁異常，與地震、地層、古生