固体地球物理学概论热剩磁.ppt

第四章 地球磁场与地磁学;4.1 地球磁场及其构成 早在两千多年前，中国人就知道任何利用了天然磁石的吸铁性和指极性,中国古代四大发明之一的指南针传人欧洲后,被发展用于航海导航。英国人威廉·吉尔伯特(William．Gilbert)才开始研究地磁现象的起因，他于1600年通过实验提出，地球类似一个大磁铁。这是人类第一次认识地磁场的全貌。;;; 4.1.1 地磁场要素 地磁场磁力线与地面相交的角度随地磁纬度有规律地变化。为了刻画地磁场在地面的特征，通常用一个直角坐标系来描述，即XOY平面与地面相切，原点在地面，z轴指向地心，x轴指向地理北，y轴指向东。地磁场B在各个轴上的投影分别为Z、X、Y，在XOY平面上的投影为H，B与XOY平面的夹角为I，H与x轴的夹角为D。 B——地磁总场(磁感应强度) H——地磁水平分量 Z——地磁垂直分量 X——地磁北向分量 Y——地磁东向分量 I——地磁倾角 D——地磁偏角; 4.1.2 地磁场的构成 ⑴磁偶极子场 由于地磁场具有南北极的特点，极其相似于在地球球心处有一个磁铁所产生的磁场，而理论上将这种特征表示为位于球心处的磁偶极磁场。 偶极场位函数球谐模型： 这里这里φ, θ, r 分别为纬度、经度和半径, （φ0，θ0）为磁轴在地面的坐标。 ; ⑵大陆磁场 由于偶极场是一个简单的、变化有规律的磁场，与实际地磁场相差太大，故将这种具有全球性的、与大陆有关的磁场变化称为大陆磁场。 偶极场和大陆磁场被称为基本磁场。基本磁场可以理解为地壳（或岩石圈的不同成分和结构，在偶极子场磁化下，产生的叠加磁场。 基本磁场位的函数球谐模型： ; 如果把半径为的球面上球谐系数写成复数系数形式，则地磁分量可写为： ; ⑶地磁异常 由地壳内的岩石矿物及地质体在基本磁场磁化作用下所产生的磁场，称之为地壳磁场，又称为异常场或磁异常。 地磁偶极子场、大陆磁场和磁异常被称为稳定磁场。稳定磁场主要源于地球内部（占99%），有时也称内部磁场。 ⑷地磁变化场 地磁的变化主要可分为长期变化和短期变化。长期变化主要由地球内部幔核物质运动所引起的地磁场变化，如磁极漂移、磁极倒转等；短期变化主要由太阳风作用与电离层扰动所引起的变化。 ;;;;;;;4.2 岩石磁性 任何物质的磁性都是带电粒子运动的结果。原子是组成物质的基本单元，它由带正电的原子核及其核外电子壳屏组成。电子绕核沿轨道运动，具有轨道磁矩。电子还有自旋运动，具有自旋磁矩。这些磁矩的大小，与各自的动量矩成正比。原子核为带正电粒子组成，呈自旋转动，亦具有磁矩，但数值很小。因此，原子总磁矩是电子轨道磁矩、自旋磁矩、及原子核自旋磁矩三者的矢量和。各类物质由于原子结构不同，它们在外磁场作用下，呈现不同的宏观磁性。 ; 4.2.1 物质的宏观磁性 ⑴抗磁性 在外磁场作用下，物质的磁化率为负值，且数值很小。抗磁性物质没有固有原子磁矩，受外磁场作用后，电子受到洛伦兹力作用，其运动轨道绕外磁场作旋进(拉奠尔旋进)，产生附加磁矩，其方向与外磁场相反，形成抗磁性。实际上它是物质的一种普遍性质，当外磁场去掉时，附加磁矩随即消失，并与温度无关。抗磁性磁化率一般约为10-5SI数量级。 ⑵顺磁性 顺磁性物质受外磁场作用，其磁化率为不大的正值，这类物质中原子具有固有磁矩，当无外磁场作用时，热骚动使原子磁矩取向混乱。有外磁场作用，原子磁矩顺着外磁场方向排列，显示顺磁性。顺磁性磁化率与抗磁性磁化率一样，数值比较小，属同一量级。 ; ⑶铁磁性 在弱外磁场作用下，铁磁性物质即可达到磁化饱和，磁化率很大，可达102~104 ×10-5SI ，且具有下述磁性特征： ①磁化强度与磁化场呈非线性关系; 铁磁性物质的磁化强度随磁化场变化，呈不可逆性。不同铁磁性物质磁滞回线不同; ②磁化率与温度的关系，服从居里—魏斯定律。 C是居里常数，当TTc，铁磁性消失，转变为顺磁质。一般铁磁体的Tc很高，例如硅(1043K°)，钴(1388K°)。; 4.2.1 三大类岩石磁性 ⑴影响岩石磁性的主要因素 一般情况下，岩石的磁性是在其形成过程中获得的。由于岩石成份和形成过程的差异，岩石的磁性（磁化率）存在着很大差异。岩石磁性不仅与其矿物组成有关，而且与矿物结构构造以及所处的物理环境有关。大量岩石标本测试和统计以及岩石物理学研究结果表明，影响岩石