1、1地球科学概论-地球物理学地球科学概论地球科学概论地球物理学地球物理学Introduction to Geophysics教员：王彦宾教员：王彦宾 地球物理学系2012-2013学年第一学期2地磁学与地球内部物理地磁学与地球内部物理Geomagnetism and Physics of the Earth Interior3地磁学与地球内部物理学地磁学与地球内部物理学地磁学的起源地磁学的起源地磁学的定义和研究意义地磁学的定义和研究意义地磁场的基本属性地磁场的基本属性地球基本磁场与变化磁场地球基本磁场与变化磁场地磁场的起源地磁场的起源古地磁古地磁地磁场与地球物理勘探地磁场与地球物理勘探4地磁学与
2、地球内部物理学地磁学与地球内部物理学地磁学的起源地磁学的起源地磁学的定义和研究意义地磁学的定义和研究意义地磁场的基本属性地磁场的基本属性地球基本磁场与变化磁场地球基本磁场与变化磁场地磁场的起源地磁场的起源古地磁古地磁地磁场与地球物理勘探地磁场与地球物理勘探5地磁学的起源地磁学的起源中国中国 公元前二十世纪已发现磁公元前二十世纪已发现磁石的极性石的极性 公元前四世纪已利用磁石公元前四世纪已利用磁石指南指南指南针指南针：中国四大：中国四大发明之一发明之一 838-1099838-1099指南针指南针应用于航应用于航海海 十一世纪中发现磁偏角十一世纪中发现磁偏角6地磁学的起源地磁学的起源沈括对磁学的
3、贡献有三点：一是给出了人工磁化的方法；二是在历史上第一个指出了地磁场存在磁偏角，三是讨论了指南针的四种装置方法，为航海用指南针的制造奠定了基础。另外，他对大气中的光、电现象也进行了研究。我国送代科学家沈括（我国送代科学家沈括（1034103410941094）在公元）在公元10861086年写的年写的梦溪笔谈梦溪笔谈中，最早记载了地磁偏角，中，最早记载了地磁偏角，“方家（术士）以方家（术士）以磁石磨针锋，则能指南，然常微偏东，不全南也磁石磨针锋，则能指南，然常微偏东，不全南也”。沈括是。沈括是历史上第一个从理论高度来研究磁偏现象的人。历史上第一个从理论高度来研究磁偏现象的人。7地磁学的起源地磁
4、学的起源欧洲欧洲公元前七世纪公元前七世纪发现磁石发现磁石十二世纪将罗十二世纪将罗盘应用于航海盘应用于航海( (源自中国源自中国) )14921492年年ColumbusColumbus发现发现磁偏角及其随磁偏角及其随地点的差异地点的差异16001600年年GilbertGilbert提出提出地球是一个巨地球是一个巨大的球形磁石，大的球形磁石，标志着现代地标志着现代地磁学的开端。磁学的开端。提出较系统的原始理论的是英国人吉尔伯特。他在提出较系统的原始理论的是英国人吉尔伯特。他在16001600年著的年著的磁磁体体一书中，创造性地作了划时代的实验：一书中，创造性地作了划时代的实验： 把一块天然磁石
5、磨制把一块天然磁石磨制成一个大磁球，用小铁丝制的小磁针装在枢轴上，放到该磁球附近，成一个大磁球，用小铁丝制的小磁针装在枢轴上，放到该磁球附近，在这磁球面上发现小磁针的各种行为与我们在地球上看到指南针的在这磁球面上发现小磁针的各种行为与我们在地球上看到指南针的行为完全行为完全 一样。吉尔伯特用石笔把小磁针排列的指向标出一条条一样。吉尔伯特用石笔把小磁针排列的指向标出一条条线，画成许多子午圈，与地球经线相像，也有一条赤道，小磁针在线，画成许多子午圈，与地球经线相像，也有一条赤道，小磁针在赤道上则平行于球面。因此吉尔伯特提出了赤道上则平行于球面。因此吉尔伯特提出了 一个理论：认为地球一个理论：认为地
6、球本身就是一块巨大的磁石，磁子午线汇交于地球两个相反的端点即本身就是一块巨大的磁石，磁子午线汇交于地球两个相反的端点即磁极上。磁极上。816341634年：吉利布兰（年：吉利布兰（H. GillebrandH. Gillebrand）发现，地磁的磁偏角有随时）发现，地磁的磁偏角有随时间、地点变化的现象，即后来所谓的长期磁变。间、地点变化的现象，即后来所谓的长期磁变。18391839年：高斯（年：高斯（K. GaussK. Gauss）用数学方法模拟地磁场，发现大部分）用数学方法模拟地磁场，发现大部分地磁场可由一个与地球自转轴一致的磁偶极子造成，但是除此之地磁场可由一个与地球自转轴一致的磁偶极子
7、造成，但是除此之外，另有少量非极性的地磁场可能与局部地区的磁性有关。外，另有少量非极性的地磁场可能与局部地区的磁性有关。 18491849年，得列西（年，得列西（A. DelesseA. Delesse）发现凝固的火山岩浆（玄武岩）发现凝固的火山岩浆（玄武岩）具有磁性，而且方向与地磁方向一致。此后买隆尼（具有磁性，而且方向与地磁方向一致。此后买隆尼（M.MelloniM.Melloni）把玄武岩加热成赤红，冷却后测得其感应的磁化方向与地磁方向把玄武岩加热成赤红，冷却后测得其感应的磁化方向与地磁方向一致，证实由岩浆变成的玄武岩含有磁性矿物，它们由熔融状态一致，证实由岩浆变成的玄武岩含有磁性矿物，
8、它们由熔融状态逐渐冷却结晶过程中，受地磁影响，顺着当时地磁的方向平行排逐渐冷却结晶过程中，受地磁影响，顺着当时地磁的方向平行排列，这叫做岩石的剩余磁性。列，这叫做岩石的剩余磁性。地磁学的起源地磁学的起源918951895年：居里（年：居里（P. CurieP. Curie）知道磁性物质加热超过一定温度（居）知道磁性物质加热超过一定温度（居里点）即失去磁性，当其再冷却时，才受外界磁场诱导出磁性。里点）即失去磁性，当其再冷却时，才受外界磁场诱导出磁性。关于岩石剩余磁化的研究，对地球物理学以以至整个地学的发展，关于岩石剩余磁化的研究，对地球物理学以以至整个地学的发展，产生了意外的推动作用，这就是古地
9、磁学。产生了意外的推动作用，这就是古地磁学。应用研究：应用研究：16401640年左右：瑞典人已开始将观测地磁局部异常的方法用于勘探年左右：瑞典人已开始将观测地磁局部异常的方法用于勘探铁矿。铁矿。18701870年：制造出专用的磁法探矿仪器，随着磁法勘探的发展，促年：制造出专用的磁法探矿仪器，随着磁法勘探的发展，促进了演示磁性的研究，极大丰富了地磁学研究内容。进了演示磁性的研究，极大丰富了地磁学研究内容。地磁学的起源地磁学的起源10地磁学与地球内部物理学地磁学与地球内部物理学地磁学的起源地磁学的起源地磁学的定义和研究意义地磁学的定义和研究意义地磁场的基本属性地磁场的基本属性地球基本磁场与变化磁
10、场地球基本磁场与变化磁场地磁场的起源地磁场的起源古地磁古地磁地磁场与地球物理勘探地磁场与地球物理勘探11地磁学的定义和研究意义地磁学的定义和研究意义定义：研究地磁场的时间变化、空间分布、起源及其规律的学科。定义：研究地磁场的时间变化、空间分布、起源及其规律的学科。 固体地球物理学的一个分支。固体地球物理学的一个分支。 研究意义：研究意义：1 1、资源、能源勘探、资源、能源勘探2 2、地质构造运动、地球内部结构与地球动力学、地质构造运动、地球内部结构与地球动力学3 3、预防和减轻灾害（地震、火山、滑坡、环境电磁污染等）、预防和减轻灾害（地震、火山、滑坡、环境电磁污染等）4 4、考古、考古5 5、
11、军事、航空与航天、航海、通讯等：行军、航海利用地磁场对指、军事、航空与航天、航海、通讯等：行军、航海利用地磁场对指南针的作用来定向。地磁场的变化能影响无线电波的传播。当地南针的作用来定向。地磁场的变化能影响无线电波的传播。当地磁场受到太阳黑子活动而发生强烈扰动时，远距离通讯将受到严磁场受到太阳黑子活动而发生强烈扰动时，远距离通讯将受到严重影响，甚至中断。重影响，甚至中断。 假如没有地磁场，从太阳发出的强大的带电粒子流（通常叫太阳假如没有地磁场，从太阳发出的强大的带电粒子流（通常叫太阳风），就不会受到地磁场的作用发生偏转而直射地球。在这种高风），就不会受到地磁场的作用发生偏转而直射地球。在这种高
12、能粒子的轰击下，地球的大气成份可能不是现在的样子，生命将能粒子的轰击下，地球的大气成份可能不是现在的样子，生命将无法存在。所以地磁场这顶无法存在。所以地磁场这顶“保护伞保护伞” 对我们来说至关重要。对我们来说至关重要。12地磁学与地球内部物理学地磁学与地球内部物理学地磁学的起源地磁学的起源地磁学的定义和研究意义地磁学的定义和研究意义地磁场的基本属性地磁场的基本属性地球基本磁场与变化磁场地球基本磁场与变化磁场地磁场的起源地磁场的起源古地磁古地磁地磁场与地球物理勘探地磁场与地球物理勘探13地磁场的基本属性地磁场的基本属性1 1、磁场的基本参数是介质磁化率。、磁场的基本参数是介质磁化率。2 2、磁场
13、是一个矢量场。、磁场是一个矢量场。3 3、地磁场比较复杂，因为：、地磁场比较复杂，因为： 磁场向量通常不是垂直方向磁场向量通常不是垂直方向 磁场随时间变化快磁场随时间变化快14地磁场的基本属性地磁场的基本属性近似于一个置于地心的偶极子磁场，偶极子的磁轴与地球的自转轴近似于一个置于地心的偶极子磁场，偶极子的磁轴与地球的自转轴之间的夹角约为之间的夹角约为11.511.5度。度。15地磁场的基本属性地磁场的基本属性近地空间的地磁场，像一个均匀磁化球体的磁场，其强度在地面两近地空间的地磁场，像一个均匀磁化球体的磁场，其强度在地面两极附近还不到极附近还不到1 1高斯，所以高斯，所以地磁场是非常弱的磁场地
14、磁场是非常弱的磁场。地磁场强度的单位过去通常采用伽马（地磁场强度的单位过去通常采用伽马（），）， 即即1010高斯。高斯。19601960年年决定采用特斯拉作为国际测磁单决定采用特斯拉作为国际测磁单位，位，1 1高斯高斯1010-4-4特斯拉（特斯拉（T T），），1 1伽马伽马1010-9-9特斯拉特斯拉1 1纳特斯拉纳特斯拉（nTnT），简称纳特。），简称纳特。Gs10nT1T101Gs(gauss)T(tesla)10(gamma)1la)nT(nanotes15-4-916地磁场的基本属性地磁场的基本属性X,Y,Z,H,D,I,FX,Y,Z,H,D,I,F任意三个独立的要素称为地磁三要
15、素任意三个独立的要素称为地磁三要素: : ( (X,Y,ZX,Y,Z), (), (H,D,ZH,D,Z) , () , (F,I,DF,I,D) )F F：总磁场强度：总磁场强度H H：水平磁场分量，北半球向北为正，：水平磁场分量，北半球向北为正，南半球向南为正南半球向南为正Z Z：铅直磁场分量，向下为正：铅直磁场分量，向下为正磁偏角磁偏角D D：为水平强度矢量偏离地理北为水平强度矢量偏离地理北方向的角度，向东为正。方向的角度，向东为正。磁倾角磁倾角I I：为总磁感应为总磁感应强度矢量强度矢量F F偏离水偏离水平面的角度，向下为正。平面的角度，向下为正。 X X = = H H cos co
16、sD D, ,Y Y = = H H sin sinD D, ,tgtgI I = = Z Z/ /H H, ,tg tg D D = = Y Y/ /X X, ,H H 2 2 = =X X 2 2 + + Y Y 2 2, , F F 2 2 = = H H 2 2 + + Z Z 2 2, ,H H = = F F cos cosI I, ,Z Z = = F F sin sinI IX ：地表磁场的南北分量，向北为正 Y ：地表磁场的东西分量，向东为正 Z：地表磁场的垂直分量，向下为正 17地磁场的基本属性地磁场的基本属性 地磁极地磁极(geomagnetic poles)(geoma
17、gnetic poles)：地磁轴与地球表面的交点：地磁轴与地球表面的交点, ,其其连线一定通过地心连线一定通过地心 磁极磁极(magnetic poles, (magnetic poles, 磁倾极磁倾极dip poles)dip poles)：由实测结果得：由实测结果得到到, ,即地磁图中倾角为即地磁图中倾角为9090 而等偏线汇聚的两个点而等偏线汇聚的两个点, ,其连线不其连线不一定通过地心一定通过地心地磁极地磁极(2001)(2001)(79.3 N, 71.5 W),(79.3 S, 108.5 E) 磁极磁极(2001)(2001)(81.3 N, 110.8 W),(64.7 S
18、, 138.0 E)实际上测得的磁极单点，而是由许多磁极形成实际上测得的磁极单点，而是由许多磁极形成的一个区的一个区18地磁场的基本属性地磁场的基本属性1、数据表、数据表测点坐标、测量时间、地磁要素的数值、通化值2 2、地磁图：、地磁图： 特定时刻各个地磁要素在地面上的分布图3 3、2000.02000.0年地磁图：年地磁图： 将各个地磁要素通化为2000年1月1日0时0分的数值4 4、20002000年地磁图：年地磁图： 将各个地磁要素通化为2000年7月1日0时0分的数值5、在现代的地磁场观测中，地磁台一般只记录H，D，Z或X，Y，Z19两条两条D D=0=0线分成正负两区，汇聚于四点线分
19、成正负两区，汇聚于四点（地极、磁极：（地极、磁极：-180-180 180180 ）20大致沿纬度分布的平行曲线，赤道附近大致沿纬度分布的平行曲线，赤道附近I=0I=0，从赤道至两极从赤道至两极I I由由0 0 9090 21大致沿纬度排列的平行曲线，两极附近为大致沿纬度排列的平行曲线，两极附近为0 0，赤道附近最大，赤道附近最大22大致沿纬度排列的平行曲线，赤道附近为大致沿纬度排列的平行曲线，赤道附近为0 0，两极附近最大，两极附近最大23等偏线等偏线(D)图动画图动画24等倾线等倾线(I)图动画图动画25H等值线图动画等值线图动画26Z等值线图动画等值线图动画27地磁学与地球内部物理学地磁
20、学与地球内部物理学地磁学的起源地磁学的起源地磁学的定义和研究意义地磁学的定义和研究意义地磁场的基本属性地磁场的基本属性地球基本磁场与变化磁场地球基本磁场与变化磁场地磁场的起源地磁场的起源古地磁古地磁地磁场与地球物理勘探地磁场与地球物理勘探28地磁场的基本磁场地磁场的基本磁场地球基本磁场地球基本磁场地磁场包括基本磁场和变化磁场两个部分，它们在成因上完地磁场包括基本磁场和变化磁场两个部分，它们在成因上完全不同。全不同。29地磁场的基本磁场地磁场的基本磁场地球基本磁场地球基本磁场基本磁场是基本磁场是地磁场的主要部分，起源于地球内部地磁场的主要部分，起源于地球内部，比较稳定，变化非，比较稳定，变化非常
21、缓慢。常缓慢。地球的基本磁场可分为偶极子磁场、非偶极子磁场和地磁异地球的基本磁场可分为偶极子磁场、非偶极子磁场和地磁异常几个组成部分。常几个组成部分。偶极子磁场是地磁场的基本成分，其强度约占地磁偶极子磁场是地磁场的基本成分，其强度约占地磁场总强度的场总强度的9090，非偶极子磁场主要分布在亚洲东部、非洲西部、南，非偶极子磁场主要分布在亚洲东部、非洲西部、南大西洋和南印度洋等几个地域，平均强度约占地磁场的大西洋和南印度洋等几个地域，平均强度约占地磁场的1010。地磁异地磁异常又分为区域异常和局部异常，与岩石和矿体的分布有关。常又分为区域异常和局部异常，与岩石和矿体的分布有关。偶极子磁极与地磁倾极
22、并不互相重合是由于非偶极子磁场的存在偶极子磁极与地磁倾极并不互相重合是由于非偶极子磁场的存在。 30地磁场的变化磁场地磁场的变化磁场地球变化磁场地球变化磁场地球变化磁场可分为地球变化磁场可分为平静变化和干扰变化两大类型平静变化和干扰变化两大类型。平静变化主要是。平静变化主要是以一个太阳日为周期的太阳静日变化，其以一个太阳日为周期的太阳静日变化，其场源分布在电离层中场源分布在电离层中。干扰。干扰变化包括磁暴、地磁亚暴、太阳扰日变化和地磁脉动等，场源是太阳变化包括磁暴、地磁亚暴、太阳扰日变化和地磁脉动等，场源是太阳粒子辐射同地磁场相互作用在磁层和电离层中产生的各种短暂的电流粒子辐射同地磁场相互作用
23、在磁层和电离层中产生的各种短暂的电流体系。磁暴是全球同时发生的强烈磁扰，持续时间约为体系。磁暴是全球同时发生的强烈磁扰，持续时间约为 1 13 3天，幅度天，幅度可达可达1010纳特。其他几种干扰变化主要分布在地球的极光区内。除外源纳特。其他几种干扰变化主要分布在地球的极光区内。除外源场外，变化磁场还有内源场。场外，变化磁场还有内源场。内源场是由外源场在地球内部感应出来内源场是由外源场在地球内部感应出来的电流所产生的的电流所产生的。根据变化磁场的内、外场相互关系，可以得出地球内部电导率的分布。根据变化磁场的内、外场相互关系，可以得出地球内部电导率的分布。这已成为地磁学的一个重要领域，叫做地球电
24、磁感应。这已成为地磁学的一个重要领域，叫做地球电磁感应。 地球变化磁场既和磁层、电离层的电磁过程相联系，又和地壳上地幔地球变化磁场既和磁层、电离层的电磁过程相联系，又和地壳上地幔的电性结构有关，所以在空间物理学和固体地球物理学的研究中都具的电性结构有关，所以在空间物理学和固体地球物理学的研究中都具有重要意义。有重要意义。31地球变化磁场地球变化磁场短期变化：外源引起32地球变化磁场地球变化磁场长期变化：主要由内源引起，地球主磁场的变化极缓慢地磁场长期变化；偶极子磁矩衰减（现在约以每世纪5%的速度衰减）；非偶极子场的西向漂移33地磁学与地球内部物理学地磁学与地球内部物理学地磁学的起源地磁学的起源
25、地磁学的定义和研究意义地磁学的定义和研究意义地磁场的基本属性地磁场的基本属性地球基本磁场与变化磁场地球基本磁场与变化磁场地磁场的起源地磁场的起源古地磁古地磁地磁场与地球物理勘探地磁场与地球物理勘探34地磁场的起源地磁场的起源地球磁场的起源问题至今仍是物理学和地球科学研究的重要问题之地球磁场的起源问题至今仍是物理学和地球科学研究的重要问题之一。一。EinsteinEinstein称地磁场起源为未解决的重要物理学问题之一。称地磁场起源为未解决的重要物理学问题之一。人人们曾经提出过有关地球磁场起源的各种假设，试图来解释地球基们曾经提出过有关地球磁场起源的各种假设，试图来解释地球基本磁场的起源。但是都
26、不能得到满意的解释。本磁场的起源。但是都不能得到满意的解释。永磁理论：永磁理论：GilbertGilbert于于16001600年前后提出，他认为地球本身是一个很大的永久磁铁，年前后提出，他认为地球本身是一个很大的永久磁铁，并产生了基本磁场。并产生了基本磁场。1919世纪时占统治地位，盛行了约世纪时占统治地位，盛行了约300300多年。多年。这种观点并不成立。这种观点并不成立。转动理论：转动理论：布拉克特（布拉克特（P.M.S. BlaikettP.M.S. Blaikett）于）于19471947年提出，他认为物体的转动可年提出，他认为物体的转动可以产生足够大的磁场。以产生足够大的磁场。35
27、地磁场的起源地磁场的起源任何一种合理的成因解释，均必须符合地球内部的结构和属性，并任何一种合理的成因解释，均必须符合地球内部的结构和属性，并能够客观地解释地球磁场本身的特征。能够客观地解释地球磁场本身的特征。自激发电机模型：自激发电机模型：在近在近20203030年期间，建立在地球内部构造的现有知识基础上，提出年期间，建立在地球内部构造的现有知识基础上，提出了自激发电机效应的假说。这种假说认为：了自激发电机效应的假说。这种假说认为：1.1.液态地核内部由于温度梯度、或温差、压力差等原因产生涡旋运液态地核内部由于温度梯度、或温差、压力差等原因产生涡旋运动，结果使地核成为良导电体；动，结果使地核成
28、为良导电体；2.2.由于地球绕轴自转所引起的回旋磁效应就存在一微弱初始磁场，由于地球绕轴自转所引起的回旋磁效应就存在一微弱初始磁场，虽然比地磁场小虽然比地磁场小1010倍，但对于引起再生效应来说已经足够了；倍，但对于引起再生效应来说已经足够了；36地磁场的起源地磁场的起源3.3.地核电流体形成，通过地核电流体形成，通过感应方式电流自身形成的感应方式电流自身形成的场又可以连续不断地再生场又可以连续不断地再生磁场，从而增强了原来的磁场，从而增强了原来的磁场，由于地核电流体持磁场，由于地核电流体持续运动而不断提供能量，续运动而不断提供能量，因而引起一种自激发电机因而引起一种自激发电机效应，从而增强了
29、原来的效应，从而增强了原来的磁场。由于能量的不断消磁场。由于能量的不断消耗和供应，磁场增强到一定程度就会稳定下来，形成现在的地球基耗和供应，磁场增强到一定程度就会稳定下来，形成现在的地球基本磁场。这种假说不仅能满意地定性解释地磁偶极子场和非偶极子本磁场。这种假说不仅能满意地定性解释地磁偶极子场和非偶极子场的起源，而且也能解释地球磁轴倒转等现象，所以，目前认为它场的起源，而且也能解释地球磁轴倒转等现象，所以，目前认为它是最可取的地磁场成因理论之一。但也存在一定问题，尚待进一步是最可取的地磁场成因理论之一。但也存在一定问题，尚待进一步研究。研究。37地磁场的起源地磁场的起源动态发电机模拟：动态发电
30、机模拟：同时求解旋转的粘性流体的同时求解旋转的粘性流体的运动方程和电磁方程，并进运动方程和电磁方程，并进行真正的动态发电机的模拟行真正的动态发电机的模拟计算工作直到计算工作直到19901990年代后才年代后才在美国和日本首次完成在美国和日本首次完成Glatzmaier & Roberts, 1995Glatzmaier & Roberts, 1995Kuang & Bloxham, 1997Kuang & Bloxham, 1997Kageyama & Sato, 1997Kageyama & Sato, 1997MHD-SIMULATION OF GEOMAGNETIC DYNAMO PRO
31、CESS巨型计算机Cray C902000多小时计算模拟4万年变化38地磁学与地球内部物理学地磁学与地球内部物理学地磁学的起源地磁学的起源地磁学的定义和研究意义地磁学的定义和研究意义地磁场的基本属性地磁场的基本属性地球基本磁场与变化磁场地球基本磁场与变化磁场地磁场的起源地磁场的起源古地磁古地磁地磁场与地球物理勘探地磁场与地球物理勘探39古地磁古地磁利用岩石磁性来研究古地磁场，在利用岩石磁性来研究古地磁场，在2020世纪世纪5050年代就已发展成为地磁年代就已发展成为地磁学中的一个重要分支学中的一个重要分支古地磁学。古地磁学是古地磁学。古地磁学是2020世纪世纪60607070年年代地磁学中最活
32、跃的领域。各个大陆所测得的古地磁极移，是板代地磁学中最活跃的领域。各个大陆所测得的古地磁极移，是板块大地构造学说的重要支柱。因此有人说，块大地构造学说的重要支柱。因此有人说，2020世纪地学最重要的世纪地学最重要的成就是在地磁学领域取得的。成就是在地磁学领域取得的。居里温度（居里点）：当铁磁物质加热到一定温度时，原来的磁性居里温度（居里点）：当铁磁物质加热到一定温度时，原来的磁性就会消失，把这个温度叫居里温度或居里点。就会消失，把这个温度叫居里温度或居里点。热剩磁：当熔岩的温度大于居里点时，熔岩中的矿物没有磁化；在热剩磁：当熔岩的温度大于居里点时，熔岩中的矿物没有磁化；在冷却过程中，当温度降低
33、到居里点以下时，某些磁性矿物按照当冷却过程中，当温度降低到居里点以下时，某些磁性矿物按照当时的地磁场磁化；当熔岩完全冷却固结后，该岩石保留了当时地时的地磁场磁化；当熔岩完全冷却固结后，该岩石保留了当时地磁场方向和磁化强度，称为热剩磁。磁场方向和磁化强度，称为热剩磁。 40古地磁古地磁居里面：地壳中包括熔岩温度梯度约为居里面：地壳中包括熔岩温度梯度约为3030C/kmC/km，因此，在，因此，在25km25km深深处，温度可达处，温度可达750750C C，即相当于铁的居里温度。将此相同温度的，即相当于铁的居里温度。将此相同温度的等温面称为居里面。也是磁力测量所能达到的最大等深面。居里等温面称为
34、居里面。也是磁力测量所能达到的最大等深面。居里面以下的物质包括熔岩，是没有磁性的，在居里面与地核之间应面以下的物质包括熔岩，是没有磁性的，在居里面与地核之间应该没有明显的磁源。该没有明显的磁源。 地壳中的居里等温面，是一个特殊的温度界面，它不仅能表征地地壳中的居里等温面，是一个特殊的温度界面，它不仅能表征地下温度场的分布特征，也可提供地壳深部热应力场和其它地球物下温度场的分布特征，也可提供地壳深部热应力场和其它地球物理资料，因此，居里等温面实质上是地壳上部的一个地球物理特理资料，因此，居里等温面实质上是地壳上部的一个地球物理特征界面，它对地热场及地震的成因研究具有十分重要的意义。征界面，它对地
35、热场及地震的成因研究具有十分重要的意义。 41古地磁古地磁中国中国大陆大陆居里居里等温等温面深面深度度42古地磁古地磁地磁极性倒转：不同地质年代岩石的剩磁方向正负几乎各占一半，地磁极性倒转：不同地质年代岩石的剩磁方向正负几乎各占一半，而且这种方向的颠倒在时间上具有很好的全球一致性。这种现象而且这种方向的颠倒在时间上具有很好的全球一致性。这种现象的唯一合理解释是地磁场曾多次发生过极性倒转。的唯一合理解释是地磁场曾多次发生过极性倒转。 与现代地磁与现代地磁场方向相同的叫正常极性，相反的叫倒转极性。这种观点由达维场方向相同的叫正常极性，相反的叫倒转极性。这种观点由达维德和布容首先提出。德和布容首先提
36、出。19261926年梅康通年梅康通 (P.L.Mercanton)(P.L.Mercanton)又指出，如又指出，如果地磁场确实发生过倒转，那么这种现象应在世界各地都能被发果地磁场确实发生过倒转，那么这种现象应在世界各地都能被发现。他研究了格陵兰、冰岛、北欧以及澳大利亚等地不现。他研究了格陵兰、冰岛、北欧以及澳大利亚等地不 同地质同地质年代的岩石，进一步证实了地磁场倒转的事实。年代的岩石，进一步证实了地磁场倒转的事实。19291929年松山研究年松山研究了日本和中国东北的第四纪熔岩，也发现同样现象，并且发现反了日本和中国东北的第四纪熔岩，也发现同样现象，并且发现反向磁化的熔岩总比正向磁向磁化
37、的熔岩总比正向磁 化的熔岩年代要老。他由此推断化的熔岩年代要老。他由此推断, ,第四第四纪早期地磁场方向与现代地磁场方向相反纪早期地磁场方向与现代地磁场方向相反, ,到了第四纪后期二者到了第四纪后期二者方向才相同。方向才相同。6060年代以后，随着深海钻探和海洋磁测的发年代以后，随着深海钻探和海洋磁测的发 展，展，发现大洋中脊两侧对称地排列着正、反极性相间的磁异常条带，发现大洋中脊两侧对称地排列着正、反极性相间的磁异常条带，这正是地磁场极性频繁倒转的证据。从此地磁场倒转的学说为人这正是地磁场极性频繁倒转的证据。从此地磁场倒转的学说为人们普遍接受。们普遍接受。43古地磁古地磁地磁极性年表：把地磁
38、场极性倒转按照地层的时序配以同位素年龄地磁极性年表：把地磁场极性倒转按照地层的时序配以同位素年龄数据数据, ,构成地磁极性的年代序列构成地磁极性的年代序列, ,叫做地磁极性年表。利用这种极性叫做地磁极性年表。利用这种极性年表，不仅可以推算出地层的形成年代和地层所经历的某些地质事年表，不仅可以推算出地层的形成年代和地层所经历的某些地质事件的年代，而且在解决地层的划分和地层的远距离对比方面也卓有件的年代，而且在解决地层的划分和地层的远距离对比方面也卓有成效。在不同时期，地磁场倒转的时间间隔相差很大，从成效。在不同时期，地磁场倒转的时间间隔相差很大，从30003000年到年到300000003000
39、0000年，在过去数百万年中，地磁场倒转的平均时间间隔为年，在过去数百万年中，地磁场倒转的平均时间间隔为（2-32-3）x10 x105 5年。年。44古地磁古地磁地磁极性年表：地磁极性年表：45古地磁古地磁地磁极性倒转与板块构造：地磁极性倒转与板块构造：46古地磁古地磁地磁极性倒转的原因：地磁极性倒转的原因：地磁场的倒转属于非稳态发电机的内容，至今还没有如稳态发电机地磁场的倒转属于非稳态发电机的内容，至今还没有如稳态发电机那样全过程的描述。若液核中的对流涡旋运动受到扰动将有可能使那样全过程的描述。若液核中的对流涡旋运动受到扰动将有可能使磁场极性反转。例如帕克曾证明，若液核中南北纬度磁场极性反
40、转。例如帕克曾证明，若液核中南北纬度2525之间的涡之间的涡旋运动普遍消失，则地磁场将倒转。也有人主张地磁场倒转是非线旋运动普遍消失，则地磁场将倒转。也有人主张地磁场倒转是非线性发电机过程的固有性质，即磁场和运动相互耦合，到一定程度线性发电机过程的固有性质，即磁场和运动相互耦合，到一定程度线性发电机不再维持，非线性作用将有可能使地磁场倒转。性发电机不再维持，非线性作用将有可能使地磁场倒转。无论稳态和非稳态发电机过程学说，目前都很不完善。关于地磁场无论稳态和非稳态发电机过程学说，目前都很不完善。关于地磁场起源问题仍处于研究阶段。起源问题仍处于研究阶段。 47地磁学与地球内部物理学地磁学与地球内部
41、物理学地磁学的起源地磁学的起源地磁学的定义和研究意义地磁学的定义和研究意义地磁场的基本属性地磁场的基本属性地球基本磁场与变化磁场地球基本磁场与变化磁场地磁场的起源地磁场的起源古地磁古地磁地磁场与地球物理勘探地磁场与地球物理勘探48磁法勘探（磁法勘探（magnetic prospectingmagnetic prospecting）：）：地球物理勘探方法之一。是仅次于地震方法的研究地球内部地球物理勘探方法之一。是仅次于地震方法的研究地球内部物理性质的方法。物理性质的方法。自然界的岩石和矿石具有不同自然界的岩石和矿石具有不同磁性，可以产生各不相同的磁磁性，可以产生各不相同的磁场，它使地球磁场在局部
42、地区场，它使地球磁场在局部地区发生变化，出现地磁异常。利发生变化，出现地磁异常。利用仪器发现和研究这些磁异常用仪器发现和研究这些磁异常，进而寻找磁性矿体和研究地，进而寻找磁性矿体和研究地质构造的方法称为磁法勘探。质构造的方法称为磁法勘探。地磁异常：地磁异常：T=T-TT=T-T0 0T T：观测到的总磁场强度：观测到的总磁场强度T T0 0：正常磁场（如国际参考）：正常磁场（如国际参考） 磁场强度磁场强度49磁法勘探（磁法勘探（magnetic prospectingmagnetic prospecting）：）：地球物理勘探方法之一。是仅次于地震方法的研究地球内部地球物理勘探方法之一。是仅次
43、于地震方法的研究地球内部物理性质的方法。物理性质的方法。磁法勘探是常用的地球物理勘探方法之一。它包括地面、航磁法勘探是常用的地球物理勘探方法之一。它包括地面、航空、海洋磁法勘探及井中磁测等。磁法勘探主要用来寻找和空、海洋磁法勘探及井中磁测等。磁法勘探主要用来寻找和勘探有关矿产勘探有关矿产( (如铁矿、铅锌矿、铜镍矿等如铁矿、铅锌矿、铜镍矿等) )；进行地质填图；进行地质填图；研究与油气有关的地质构造及大地构造等问题。我国建国以研究与油气有关的地质构造及大地构造等问题。我国建国以来大多数铁矿区、多金属矿区及油气田等都进行了大量的磁来大多数铁矿区、多金属矿区及油气田等都进行了大量的磁法勘探工作，取
44、得了良好的地质效果，尤其是在探明铁矿资法勘探工作，取得了良好的地质效果，尤其是在探明铁矿资源方面地质效果显著。源方面地质效果显著。50磁法勘探（磁法勘探（magnetic prospectingmagnetic prospecting）：）：地磁数据反演地磁数据反演(University of British Columbia, Geophysical Inversion Facility, (University of British Columbia, Geophysical Inversion Facility, 1999)1999) 数据：数据： 空中地磁观测数据空中地磁观测数据 结果
45、：结果： 地下地下3D3D相对磁化系数分布相对磁化系数分布airborne magnetics survey over the Raglan deposit in northern Quebecairborne magnetics survey over the Raglan deposit in northern Quebec51磁法勘探（磁法勘探（magnetic prospectingmagnetic prospecting）：）：地磁数据反演地磁数据反演(University of British Columbia, Geophysical Inversion Facility, (U
46、niversity of British Columbia, Geophysical Inversion Facility, 1999)1999) 数据：数据： 空中地磁观测数据空中地磁观测数据 结果：结果： 地下地下3D3D相对磁化系数分布相对磁化系数分布airborne magnetics survey over the Raglan deposit in northern Quebecairborne magnetics survey over the Raglan deposit in northern Quebec52磁法勘探（磁法勘探（magnetic prospectingmag
47、netic prospecting）：）：地磁数据反演地磁数据反演(University of British Columbia, Geophysical Inversion Facility, (University of British Columbia, Geophysical Inversion Facility, 1999)1999) 数据：数据： 空中地磁观测数据空中地磁观测数据 结果：结果： 地下地下3D3D相对磁化系数分布相对磁化系数分布airborne magnetics survey over the Raglan deposit in northern Quebecair
48、borne magnetics survey over the Raglan deposit in northern Quebec53磁法勘探（磁法勘探（magnetic prospectingmagnetic prospecting）：）：地磁数据反演地磁数据反演(University of British Columbia, Geophysical Inversion Facility, (University of British Columbia, Geophysical Inversion Facility, 1999)1999) 数据：数据： 空中地磁观测数据空中地磁观测数据 结果
49、：结果： 地下地下3D3D相对磁化系数分布相对磁化系数分布airborne magnetics survey over the Raglan deposit in northern Quebecairborne magnetics survey over the Raglan deposit in northern Quebec54磁法勘探（磁法勘探（magnetic prospectingmagnetic prospecting）：）：地磁数据反演地磁数据反演(University of British Columbia, Geophysical Inversion Facility, (University of British Columbia, Geophysical Inversion Facility, 1999)1999) 数据：数据： 空中地磁观测数据空中地磁观测数据 结果：结果： 地下地下3D3D相对磁化系数分布相对磁化系数分布airborne magnetics survey over the Raglan deposit in northern Quebecairborne magnetics survey over the Raglan deposit in northern Quebec
