古地磁學(xué)與環(huán)境學(xué)課件：第三章 地磁成因與地磁極性倒轉(zhuǎn)

PlumeMoviesLecture3

地磁成因與地磁極性倒轉(zhuǎn)地磁場成因是地球科學(xué)的前沿課題，對她的研究不僅有助于認(rèn)識地球本體，而且是比較行星學(xué)的重要研究范疇.合理的地磁起源模型應(yīng)該能解釋地磁極性倒轉(zhuǎn)、長期變化、西向漂移等實驗和觀察事實.對地磁場起源有過很多種假設(shè)(朱崗昆先生書105-112頁)MHD模型普遍被接受，即地磁場起源于地球外核流體運動.PlumeMovies地球外核物性狀態(tài)與動力過程？Fe為主，~10%輕元素(SorSi,O,butnofirmevidence)認(rèn)識高溫高壓狀態(tài)下Fe的性質(zhì)至關(guān)重要認(rèn)識的途徑：沖擊波、金剛石壓腔、分子動力學(xué)由于我們?nèi)狈C的認(rèn)識，OC流體如何運動？自維持發(fā)電機如何產(chǎn)生？驅(qū)動力？Glatzmaier等(1995)模擬球殼流體得到磁力與Coriolis力相當(dāng)，是不可忽略的.缺陷：D太大，notrealEarthPlumeMovies地球內(nèi)核物性狀態(tài)與動力過程？

Fe為主，withalittleNiStevenson等(1983)根據(jù)古地磁提出，IC~3500Ma

早期的MHD發(fā)電機模型將IC看成是絕緣體，90'S看成有限導(dǎo)體地核發(fā)電機的驅(qū)動力－CompositionalandThermalconvection，由于ICGrows,Thermalconvection對地核發(fā)電機的相對貢獻(xiàn)在地球早期比現(xiàn)在大

IC在地磁起源的作用如何？

IC的研究對行星有何啟示？PlumeMovies地磁極性倒轉(zhuǎn)Brunhes(1906)--火山巖Matuyama(1929)-火山巖－時代60年代確定了地質(zhì)歷史時期地磁極性頻繁倒轉(zhuǎn)1－研究歷史：PlumeMovies

2-地磁極性倒轉(zhuǎn)模型

Cox(1968)Model

Interactionbetweendipoleandnon-dipolefield

非偶極子場是觸發(fā)機制困難:dipole~2104yearNon-D~2-4102year

二者耦合是困難的

PlumeMovies地磁極性轉(zhuǎn)換與地球動力學(xué)地磁極性倒轉(zhuǎn)是20世紀(jì)地球科學(xué)的重大發(fā)現(xiàn)之一，在一定的程度改變了人類對地球演化的認(rèn)識.但直到今天我們對地磁極性倒轉(zhuǎn)的機理仍缺乏認(rèn)知.如何加深該領(lǐng)域的研究?轉(zhuǎn)換場形態(tài)學(xué)研究、MHD、Long-term磁傾角剩磁強度地磁極性轉(zhuǎn)換與地球動力學(xué)

早期對M－B極性轉(zhuǎn)換的測定Hillhouse

etal.,EPSL,1976中國黃土記錄M－B極性轉(zhuǎn)換期間地磁場形態(tài)學(xué)極性轉(zhuǎn)換過程由多次快速倒轉(zhuǎn)構(gòu)成極性轉(zhuǎn)換持續(xù)時間約5千年Zhuetal.,EPSL,1994M-B極性轉(zhuǎn)換記錄

南大西洋－10cm/yrYamazakietalEPS,2001M－B極性轉(zhuǎn)換持續(xù)時間：69531285年(Clement,2004)地磁強度變化超前于地磁極性倒轉(zhuǎn)18000年(Singer,2005)Thesedatasupporttheclaimthatcompletereversalsrequireasignificantperiodformagneticfluxtoescapefromthesolidinnercoreandsufficientlyweakenitsstabilizingeffect(Singer,2005).中國黃土記錄M/B

極性轉(zhuǎn)換過程南大西洋記錄M/B

極性轉(zhuǎn)換過程發(fā)現(xiàn)不同地區(qū)記錄的同一極性轉(zhuǎn)換期間地磁極從統(tǒng)計意義上來說，具有環(huán)太平洋分布特點Zhuetal.,CJG,1995通過比較前人從理論地磁得出的核幔界面流體運動速度和從地震學(xué)得出的下地幔結(jié)構(gòu).發(fā)現(xiàn)地磁極變化路徑與下地幔地震波高速區(qū)相對應(yīng),這表明地磁極性倒轉(zhuǎn)不僅與外核流體運動相關(guān)，還受控于下地幔結(jié)構(gòu)的變化

假定地核提供的總熱量是常數(shù)時的核幔界面熱流.紅(藍(lán))表示大(小)于平均值的等值線(20,000yr).看不同熱流情況下磁場的變化(A,C)表示頻繁倒轉(zhuǎn)(E)無倒轉(zhuǎn)發(fā)生.(F)幾乎無偶極子場.(H)熱流場隨下地幔結(jié)構(gòu)變化

FromCoe’sHomepage

(a)均勻流場-40萬年兩次倒轉(zhuǎn)+偶極子能量與非偶極子能量可比(b)Transitionvectorfield(c)Thetruedipolepath(d)VGPpath(e)轉(zhuǎn)換持續(xù)時間5千年,individualdirectionalswingsarerapid,asmuchas100degreesin150yr.FromCoe’sHomepage(h)熱流場隨下地幔結(jié)構(gòu)變化的情況

100年模擬:a)偶極子強度,b)不同分量的變化,c)True-dipolepath,d)VGPpath.2.5kyrduration,butthenon-axial-dipolefieldismuchmoreactive(seenextfigure),givingrisetogreatervariationintransitionsignatureovertheglobe--SteensMountainFromCoe’sHomepage

Simulations—CaseCExcursion

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兩個非偶極子的快速增加導(dǎo)致了地磁極性倒轉(zhuǎn)FromCoe’sHomepage

Simulations—VGPPreference?

Simulations—VGPPreference?FromCoe’sHomepage

PlumeMovies實驗觀測到的快速倒轉(zhuǎn)3度+3000nT/天FromRCoe69531285年分子動力學(xué)

—地球外核剪切粘滯度為:3.3-0.8710-2Pa·s

表明地球外核磁流體運動過程中粘滯力與科里奧利力相比可以忽略不計

—地球外核流體的運動是以小規(guī)模對流為主,

其運動周期與地磁極性轉(zhuǎn)換的持續(xù)時間一致

Thereisnoe