地磁與重力教材

第九章地磁與重力一地磁場(chǎng)二古地磁三地磁場(chǎng)的成因四地球的重力五重力均衡原理六重力在地球演化中的作用一地磁場(chǎng)1.1地磁三要素：磁場(chǎng)強(qiáng)度（磁感應(yīng)強(qiáng)度）、磁偏角、磁傾角1.2地磁場(chǎng)的組成：基本磁場(chǎng)、變化磁場(chǎng)、磁異常

1.3地球磁層

1.1地磁三要素磁場(chǎng)強(qiáng)度：地球上某一點(diǎn)磁場(chǎng)強(qiáng)度大小的矢量，用磁力線表示。地磁北極在地理北極附近，地磁南極在地理南極附近。由于地理兩極跟地磁兩極并不重合，所以磁針?biāo)傅哪媳狈较虿皇堑乩淼恼险狈较?。子午線：地球表面想象有無(wú)數(shù)通過(guò)兩地理極的大圓，每一個(gè)這樣的大圓叫子午線。地磁子午線：地磁場(chǎng)也有無(wú)數(shù)磁力線在地球表面上通過(guò)兩地磁極，每一條這樣的磁力線叫地磁子午線。磁偏角：是磁力線在水平面上的投影與地理正北方向之間形成的夾角，即磁子午線與地理子午線之間的夾角。磁偏角：地球上各處大小不同磁傾角：地球表面任一點(diǎn)的地磁場(chǎng)總強(qiáng)度的矢量方向與水平面的夾角。通常以磁針北端向下為正值，向上為負(fù)值。磁傾角由地磁赤道到地磁北極，磁傾角由0°逐漸變?yōu)?90°；由地磁赤道到地磁南極，磁傾角由0°變成-90°。1.2地磁場(chǎng)的組成基本磁場(chǎng)：由地磁偶極子產(chǎn)生的磁場(chǎng)，占場(chǎng)強(qiáng)的95%以上。變化磁場(chǎng)：太陽(yáng)活動(dòng)產(chǎn)生的疊加在基本磁場(chǎng)上的非偶極子場(chǎng)。磁異常：地殼內(nèi)部由磁性巖石疊加在基本磁場(chǎng)上的局部磁場(chǎng)。地磁場(chǎng)變化的原因：主要由于來(lái)自地球外部的帶電粒子的作用（非偶極磁場(chǎng)，疊加在基本磁場(chǎng)上）。太陽(yáng)是這些帶電粒子流的主要來(lái)源，而當(dāng)它的表面出現(xiàn)黑子、耀斑并正對(duì)著地球時(shí)，便會(huì)把大量帶電的粒子拋向地球，使疊加在基本磁場(chǎng)上的變化磁場(chǎng)突然增強(qiáng)，使地磁場(chǎng)發(fā)生大混亂，出現(xiàn)磁暴。地球兩極常在隨后出現(xiàn)奇異的極光，是太陽(yáng)拋射來(lái)的帶電粒子流為地磁極吸引。磁暴磁異常：地殼淺部具有磁性的巖石或礦石所引起的局部磁場(chǎng)，疊加在基本磁場(chǎng)之上。

一個(gè)地點(diǎn)的磁異?？梢允紫韧ㄟ^(guò)對(duì)實(shí)測(cè)磁場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)行變化磁場(chǎng)的校正，然后再減去基本磁場(chǎng)的正常值來(lái)求得。如所得值為正值稱正異常，為負(fù)值稱負(fù)異常。

地殼內(nèi)含鐵較多的巖石和富含鐵族元素(Fe、Ti、Cr等)的礦體?？梢鹫女惓！６帑}礦床，石油、天然氣儲(chǔ)層，富水地層或富水的巖石破碎帶則常引起負(fù)磁異常。1.3地球磁層地球磁層：儀器探測(cè)證實(shí)了地磁場(chǎng)形成一個(gè)在高層大氣之外、形狀類似慧星的磁性包層，這就是地球磁層。

太陽(yáng)風(fēng)與地磁場(chǎng)相持不下所形成的曲面是磁層的邊界，叫做磁層頂。在朝太陽(yáng)的一側(cè)，磁層頂離地心約有5萬(wàn)多到7萬(wàn)多千米遠(yuǎn)；背著太陽(yáng)的一側(cè)，可能是這些數(shù)字的100倍以上。

磁層的形成，使地球磁場(chǎng)攔截了太陽(yáng)輻射來(lái)的帶電粒子，還有來(lái)自宇宙的射線，使它們未能沖到地面，而是留在高空，環(huán)繞地球流動(dòng)，這對(duì)于生物的生存與繁衍具有重要的作用。居里點(diǎn)：磁性材料失去磁性的溫度臨界點(diǎn)。當(dāng)磁性材料的溫度達(dá)到居里點(diǎn)后，材料失去磁性，但溫度降低后磁性又出現(xiàn)。地殼巖石的居里點(diǎn)溫度一般為500～600℃。地殼內(nèi)達(dá)到此溫度的深度一般在20～30km（近代火山活動(dòng)或噴泉地區(qū)，達(dá)到居里點(diǎn)的深度僅為５km左右）。在居里點(diǎn)深度之下，地內(nèi)溫度越來(lái)越高，因而巖石磁性消失。第二節(jié)古地磁在地質(zhì)時(shí)期中，地表附近的巖石（處在居里點(diǎn)溫度之下）都被當(dāng)時(shí)的古地磁場(chǎng)所永久磁化。巖石中的這種磁性就稱為剩余磁性。借助于各地質(zhì)時(shí)期的巖石剩余磁性，就可能恢復(fù)不同時(shí)期的古地磁場(chǎng)。利用巖石在形成時(shí)期所產(chǎn)生的剩余磁化方向就可以用來(lái)大致確定古經(jīng)線方向，用古磁傾角就可確定當(dāng)時(shí)所處的古緯度。

熱剩磁：火山巖和熔巖常常保留有熱剩磁。當(dāng)熔巖溫度在500℃以上時(shí)，熔巖中的礦物沒(méi)有磁化；溫度降低到450℃時(shí)，某些磁性礦物按照地磁場(chǎng)方向磁化；該熔巖冷卻以后，保留了當(dāng)時(shí)地磁場(chǎng)的方向。這種剩磁叫熱剩磁。

沉積剩磁：含有多種礦物的沉積巖也常有較明顯的剩磁。許多礦物顆粒在海水中下沉，其中有一部分系已磁化的顆粒(例如含剩磁的熔巖碎屑)，下沉到海底時(shí)，便順著地磁場(chǎng)方向停積下來(lái)，以后為沉積巖也就保留了當(dāng)時(shí)的地磁方向，這種剩磁叫沉積剩磁。

玄武巖中記錄的古地磁變化正向期正向期反向期地磁反轉(zhuǎn)正向反向地史中古地磁極性變化地磁極翻轉(zhuǎn)：在測(cè)定巖石的剩余磁場(chǎng)時(shí)，發(fā)現(xiàn)相當(dāng)一批巖石的磁化方向與現(xiàn)在的地磁場(chǎng)方向相反，于是認(rèn)為地磁場(chǎng)發(fā)生了180°的改變，這種現(xiàn)象被稱為地磁極翻轉(zhuǎn)或地磁場(chǎng)翻轉(zhuǎn)。事實(shí)證明，這種變化一再地發(fā)生。以不同時(shí)期地磁極翻轉(zhuǎn)為主要特征建立了地磁年代表。在磁化巖石中具正極性的與反極性的大致各占一半。

一種地磁極性期平均可持續(xù)22萬(wàn)年(短的僅持續(xù)3萬(wàn)年，長(zhǎng)的可達(dá)500萬(wàn)年)。

每次磁極倒轉(zhuǎn)過(guò)程僅持續(xù)數(shù)百年到上千年。此時(shí)表現(xiàn)為磁場(chǎng)強(qiáng)度大幅度減弱，磁極緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)，直到完全翻轉(zhuǎn)，才達(dá)到穩(wěn)定。古地磁年表海底磁條帶的成因海底磁條帶海底擴(kuò)張記錄的古地磁變化大洋年齡巴黎和倫敦的磁偏角和磁傾角的變化第三節(jié)地磁場(chǎng)的成因發(fā)電機(jī)假說(shuō)：1945年，美國(guó)物理學(xué)家埃爾薩塞根據(jù)磁流體發(fā)電機(jī)的原理，認(rèn)為當(dāng)液態(tài)的外地核在最初的微弱磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)，像磁流體發(fā)電機(jī)一樣產(chǎn)生電流，電流的磁場(chǎng)又使原來(lái)的弱磁場(chǎng)增強(qiáng)，這樣外地核物質(zhì)與磁場(chǎng)相互作用，使原來(lái)的弱磁場(chǎng)不斷加強(qiáng)。由于摩擦生熱的消耗，磁場(chǎng)增加到一定程度就穩(wěn)定下來(lái)，形成了現(xiàn)在的地磁場(chǎng)。鐵磁質(zhì)在770℃（居里溫度）的高溫中磁性會(huì)完全消失。在地層深處的高溫狀態(tài)下，鐵會(huì)達(dá)到并超過(guò)自身的熔點(diǎn)呈現(xiàn)液態(tài)，決不會(huì)形成地球磁場(chǎng)。而應(yīng)用“磁現(xiàn)象的電本質(zhì)”來(lái)做解釋，認(rèn)為按照物理學(xué)研究的結(jié)果，高溫、高壓中的物質(zhì)，其原子的核外電子會(huì)被加速而向外逃逸。所以，地核在6000K的高溫和360萬(wàn)個(gè)大氣壓的環(huán)境中會(huì)有大量的電子逃逸出來(lái)，地幔間會(huì)形成負(fù)電層。按照麥克斯韋的電磁理論：電動(dòng)生磁，磁動(dòng)生電。所以，要形成地球南北極式的磁場(chǎng)，必然需要形成旋轉(zhuǎn)的電場(chǎng)，而地球自轉(zhuǎn)必然會(huì)造成地幔負(fù)電層旋轉(zhuǎn)，即旋轉(zhuǎn)的負(fù)電場(chǎng)，磁場(chǎng)由此而生。地球固態(tài)內(nèi)核高速運(yùn)動(dòng)，而液態(tài)的外核在高速運(yùn)動(dòng)的內(nèi)核和低速運(yùn)動(dòng)的殼幔之間起著過(guò)渡作用。在核幔邊界面附近，下地幔與外核的物質(zhì)成分和運(yùn)動(dòng)速度都存在較大的差異，因而在核幔界面處形成一種復(fù)雜的，不均勻的過(guò)渡帶，產(chǎn)生旋渦使磁流體“發(fā)電機(jī)”獲得能量來(lái)源。一般認(rèn)為，內(nèi)核轉(zhuǎn)速較快的現(xiàn)象，可能是因?yàn)閮?nèi)核繼承并保持了早期地球轉(zhuǎn)速較快的結(jié)果。地磁場(chǎng)發(fā)電機(jī)原理目前，非穩(wěn)定磁流體發(fā)電機(jī)假說(shuō)被人們廣泛接受。近年證實(shí)了地核與地幔的差異運(yùn)動(dòng)為這一假說(shuō)提供了新證據(jù)。第四節(jié)地球的重力重力的概念重力異常自由空氣重力異常布格重力異常重力的概念重力是指某處所受地心引力和地球自轉(zhuǎn)離心力的合力。重力與質(zhì)量成正比與距離成反比。cFGNA：觀測(cè)點(diǎn)F：地球引力C：地球自轉(zhuǎn)離心力G：觀測(cè)點(diǎn)的重力據(jù)萬(wàn)有引力公式：F=GMm/r2C=1/300F,G約等于F.A地球上不同緯度帶重力值不同正常重力若把地球內(nèi)部物質(zhì)分布和表面形狀理想化，即假設(shè)1）地球是一個(gè)兩極壓扁的旋轉(zhuǎn)橢球體且表面光滑；2）地球內(nèi)部物質(zhì)密度呈層狀均勻（層面共焦點(diǎn)，層內(nèi)均勻）；3）地球是一個(gè)剛性球體，內(nèi)部各質(zhì)點(diǎn)位置不變；4）地球的質(zhì)量、自轉(zhuǎn)角速度不變。利用實(shí)際觀測(cè)結(jié)果，可以導(dǎo)出一個(gè)近似公式，稱為參考橢球面（大地水準(zhǔn)面）上正常重力公式。計(jì)算出來(lái)的重力值為正常重力：gψ=978.0327（1+0.0053024Sin2ψ-0.0000059Sin22ψ）Galψ=緯度；g為重力值1、地球的自然表面并不像大地水準(zhǔn)面那樣光滑，而是起伏不平的；2、地球內(nèi)部介質(zhì)密度分布不均勻。實(shí)測(cè)重力值與理論重力值的差異稱為重力異常。重力異常對(duì)某地的實(shí)測(cè)重力值，通過(guò)高程及地形校正后，再減去理論重力值，差值稱作重力異常值，如為正值，稱為正異常；如為負(fù)值，稱為負(fù)異常。正異常反應(yīng)該區(qū)地下物質(zhì)密度偏大（地殼?。?，負(fù)異常反應(yīng)該區(qū)地下物質(zhì)密度偏?。ǖ貧ぽ^厚）。引起重力異常的因素：

①高度：地面觀測(cè)點(diǎn)并不在大地水準(zhǔn)面上，兩者有一定高差，觀測(cè)點(diǎn)位置越高重力值越??；

②中間層密度：地面觀測(cè)點(diǎn)與大地水準(zhǔn)面之間的剩余物質(zhì)所產(chǎn)生的附加重力值；

③地球內(nèi)部物質(zhì)的密度分布不均勻：不像理想的那樣呈密度均勻的同心層狀分布。⑴自由空氣重力異常：測(cè)點(diǎn)位置越高，實(shí)測(cè)重力值就越比理論重力值小。因此實(shí)測(cè)的結(jié)果需要校正，換算成為大地水準(zhǔn)面上的數(shù)據(jù)。這種校正就稱為自由空氣校正或高度校正。校正后的重力異常稱為自由空氣重力異常。⑵布格重力異常：在陸地上測(cè)量時(shí)，測(cè)點(diǎn)與海平面之間并非空氣，而是巖石?？紤]了測(cè)點(diǎn)高度以及與大地水準(zhǔn)面之間巖石密度的影響而進(jìn)行的校正，稱為布格校正（由法國(guó)大地測(cè)量學(xué)家布格提出）。經(jīng)布格校正后的重力異常稱為布格重力異常。布格重力異常反映了地球特別是地殼內(nèi)部物質(zhì)密度的分布及不均勻性，是研究地殼結(jié)構(gòu)及礦產(chǎn)分布的重要手段。理論與實(shí)踐表明，布格重力異常與地殼厚度（即莫霍面深度）存在很好的相關(guān)性。在大陸地區(qū)內(nèi)部，山脈地區(qū)布格重力異常值低或負(fù)值較大，反映山脈地區(qū)地殼厚，莫霍面下凹深，仿佛存在著“山根”；而盆地或平原地區(qū)重力異常值高或負(fù)值較小，反映其地殼變薄，莫霍面變淺，形成“反山根”，地形高程常與莫霍面起伏形成一種類似鏡像對(duì)稱的關(guān)系。重力異常研究對(duì)找礦勘探也具有重要意義。例如，埋藏于地下的一些金屬礦體，由于其密度較大，往往會(huì)引起局部重力異常值增高；而在一些石油、天然氣的埋藏區(qū)，由于密度較小，常會(huì)導(dǎo)致局部重力異常值降低。如太平洋洋盆為+329mGal、大西洋為+272mGal、印度洋為+267mGal；而陸殼厚，莫霍面下凹，因而布格異常一般為負(fù)值，如我國(guó)的四川盆地為-150mGal左右、青藏高原為-500mGal左右。重力異常越高，地殼越薄、莫霍界面越淺；反之，重力異常越低，地殼越厚、莫霍面越深。這種現(xiàn)象反映了地表質(zhì)量的過(guò)剩（地形隆起）由地殼深處質(zhì)量的虧損（莫霍面的下拗）所補(bǔ)償。這種地殼物質(zhì)為適應(yīng)重力的作用，總是力求與其更深部的物質(zhì)之間達(dá)到質(zhì)量或重量上的平衡狀態(tài)的現(xiàn)象稱為地殼的重力均衡（isostasy）。第五節(jié)重力均衡原理重力均衡：地表地形的起伏造成的載荷差異將在地殼深部乃至更深的部位得到充分補(bǔ)償。在某一補(bǔ)償深度之下，地球的壓力處于流體靜平衡狀態(tài)，因此，在補(bǔ)償界面以上的單位截面柱體中的重量必須相等，過(guò)多的地表負(fù)荷會(huì)導(dǎo)致在補(bǔ)償界面之上要有等量的質(zhì)量虧缺才能達(dá)到靜態(tài)平衡，反之亦然。特別需要指出的，并不是所有地區(qū)的地殼均處在一個(gè)均衡狀態(tài)。例如：青藏高原由于印度板塊和歐亞板塊的擠壓一直處于上升過(guò)程中，該地區(qū)的地殼并不是均衡的。重力均衡補(bǔ)償?shù)膬煞N模式：普拉特模式認(rèn)為，補(bǔ)償面以上單位柱體質(zhì)量不等，高的質(zhì)量小，低的質(zhì)量大，在補(bǔ)償面上總重量應(yīng)相等。艾里模式認(rèn)為，無(wú)論地形高低，浮在高密度地幔上面的巖石密度均相等，高山下部存在低密度的反山根。位于補(bǔ)償面上的總重量相等。重力的不均衡會(huì)引起地殼的運(yùn)動(dòng)：如果補(bǔ)償面上部發(fā)生質(zhì)量虧損，表現(xiàn)為重力均衡負(fù)異常，地殼將上升。反之為正異常，地殼將向下調(diào)整。重力均衡的艾里模式重力均衡負(fù)異常地殼向上調(diào)整地殼地幔沉積剝蝕下降上升沉積與剝蝕作用引起的重力均衡調(diào)整。大陸冰川引起的重力均衡調(diào)整冰川陸殼第六節(jié)重力在地球演化中的作用控制地球早期內(nèi)部層圈和外部層圈的形成。影響和控制了地球表層大氣圈、水圈的地質(zhì)作用過(guò)程。通過(guò)重力均衡調(diào)整使地殼發(fā)生升降運(yùn)動(dòng)。人工設(shè)施影響邊坡的穩(wěn)定性山坡的蠕動(dòng)現(xiàn)象可以在平行于斜坡的陡崖上看到。坡面上的土層由于潛移速度很慢，短時(shí)間內(nèi)難以看到，但是可以見(jiàn)到斜坡上的物體發(fā)生變形，如電線桿、墻壁的歪倒，樹(shù)干向下坡彎曲形成“馬刀樹(shù)”等。修路誘發(fā)滑坡廣義定義：斜坡巖(土)體順坡向下滑移的一種現(xiàn)象，統(tǒng)稱為滑坡，它包括崩塌和泥石流等。嚴(yán)格定義：在一定的地形地質(zhì)條件下，由于外界條件的變化，各種自然或人為的因素影響（例如長(zhǎng)期受水浸潤(rùn)，削弱山體下部支撐力量等），破壞了巖（土）體的力學(xué)平衡，使山坡上的不穩(wěn)定土體（巖體）在重力作用下，沿著一定的軟弱面（帶）作整體的、緩慢的、間歇的向下滑動(dòng)的不良地質(zhì)現(xiàn)象，稱之為滑坡?；緲?gòu)造特征滑坡示意圖1-滑坡體；2-滑動(dòng)面；3-滑動(dòng)帶；4-滑坡床；5-滑坡后壁；6-滑坡臺(tái)地；7-滑坡臺(tái)地陡坎；8-滑坡舌；9-張拉裂縫；10-滑坡鼓丘；