地球的磁场.

4．1 地球磁场的基本特征和地磁要素

固体地球是一个磁性球体，有自身的磁场。根据地磁力线的特征，地球外磁场类似于偶极子磁场，即无限小基本磁铁的特征（图3-14a）。但其磁轴与地球自转轴并不重合，而是呈11.5°的偏离。地磁极的位置也不是固定的，它逐年发生一定的变化。例如磁北极的位置，1961年在74°54′N，101°W，位于北格陵兰附近地区。1975年已漂移到了76.06°N，100°W的位置。

地磁力线分布的空间称作地磁场，磁力线的分布情况可由磁针的理想空间状态表现出来（图3-14b）。由磁针指示的磁南、北极，为磁子午线方向，其与地理子午线之间的夹角称磁偏角（D）。磁针在地磁赤道上呈水平状态，由此向南或向北移动时，磁针都会发生倾斜，其与水平面之间的夹角称作磁倾角（I）。磁倾角的大小随纬度增加，到磁南极和磁北极时，磁针都会竖立起来。地磁场以代号F表示，它的强度单位为（A／m）。地磁场强度是一个矢量，可以分解为水平分量H和垂直分量Z。地磁场的状态则可用磁场强度F，磁偏角D和磁倾角I这三个要素来确定。 地磁场的偶极特征也取决于磁力线从一个磁极到另一个磁极的闭合特征。在地球表层，这一闭合结构形成了一个磁捕获系统，捕获了大气圈上层形成的带电粒子而构成一个环绕地球的宇宙射线带，称作范艾伦带。范艾伦带的影响范围可达离地面65000km以上。由大气层上部约100～150km处气体发光而形成的极光，就是范艾伦带中的气体分子受电磁扰动的产物。沿着范艾伦带，极光可以在不到1秒钟的时间内，从一个受扰动的极区于瞬间传到另一个扰动极区，因此极光的爆发在北极区和南极区几乎是同时发生的。

将地磁场比作偶极子磁场的说法中，隐含着地磁场是永久不变的这一假定。但实际上不仅磁极在不断发生摆动，从发现地磁场以来，人们还逐渐发现了磁偏角在几十到几百年内，大致沿着纬线方向平稳地向西移动，这一性质被称作地磁场的向西漂移。地磁场漂移速率可以达到约每年0.18°，绕地球一圈大致需要1800年的时间。除了地磁场的这种较长期的变化外，地磁场还有时间尺度更短的昼夜变化，取决于地球表面相对于太阳位置的昼夜变化。在一天之内，地球表面的磁极所发生的位移因此可达其平均位置的100km。由于地磁场的这种昼夜变化，磁极在图上往往不是用点来表示，而是用一个圆圈来代表其所在的空间范围。

磁暴 是一种急剧的地磁场变化现象，也是一种危害性很大的灾害性自然现象。发生磁暴时，不仅地磁场要素会发生激烈的跳跃式变化，还会使电力线受到破坏，通信线路和信号中断，变压设备发生故障，绝缘电缆被击穿等。一般认为，磁暴是由太阳活动引起的（见第一章1．2节）。但在发生磁暴时，感应的环形电流不仅出现在电离层中，也会出现在地球内部。在磁暴的影响下，地球内部出现的这种深部电流，称作大地电流。大地电流可以被用于研究地球内部的各种相关物理特征。如岩石圈各层的导电率及地内的压力、温度等。

在世界范围内选择若干个地磁测站，测量该处的地磁要素数据，然后推算出世界各地的基本地磁场数据，并以此作为地磁场的正常理论值。在实际工作中，会发现某地区实测地磁场要素的数据与正常值有显著的差别，这种现象称作地磁异常。同重力异常类似，如果差值为正，称正异常；差值为负称负异常。一般情况下，正异常多是由于地下赋存着高磁场性的矿物或岩石，如磁铁矿，镍铁矿、超基性岩类等。负异常则多由地下赋存的石油，盐矿，铜矿和花岗岩等低磁性或反磁性矿物或岩石引起。根据这种认识，利用地磁异常来寻找地下矿产和了解深部地质构造等情况的方法，称为磁法勘探。这种方法不仅可以在地面上操作，还可以利用飞机、卫星等各种不同的飞行器在高空进行。 4．2地磁场起源的成因假说

地球磁场的成因至今还没有定论。在地球科学上，产生过各种猜测和假说，其中较重要的有三种：铁磁体假说、热电假说和双圆盘发电机假说。 铁磁体假说 由于地核基本上是由铁磁体（铁和镍）所组成的，地核的这种特有成分及其球状对称的形态是铁磁体假说的基本依据。按照这一假说，地核因其组成而自然成为一个磁化体，由此也就决定了地球具有偶极特征的磁场。但这一假说面临着一个无法解释的困难，即地核内的平均温度远远超过了任一种铁磁性物体的居里点，所有的铁磁性体都将在这一温度下转变成顺磁性体，从而丧失其磁性。因此由于地核的金属成分而自然形成地磁场的可能性是不成立的。

热电假说 这一假说首先考虑到地磁要素具有快速变化的特点（比如向西漂移的周期不超过2000年），肯定了地磁场与地壳和地幔无关的推

断。这是因为，地壳和地幔主要呈固态的特征决定了其中的各种过程具有漫长的地质时间尺度，不可能出现几十或几百年尺度的明显变化。但外地核处于液态，它所具有的流动特征使之能够快速反应外部的激励和变化，从而能够和地磁场的短尺度变化相吻合。从这一点出发，热电假说提出地磁场具有电性。但要形成今天的地磁场，需要约109A的电流强度。而要在地核中形成电流，必须借助于热电效应，即：由于外核物质的热对流而在边界处产生电流，并进而因此产生磁场。这样热电假说虽然克服了居里点造成的困难，却产生了新的问题，即这种机制难以形成具有偶极特征的磁场，并且也未能确切地证实这种机制是否能产生足够强大的电流以形成地磁场。

双圆盘发电机假说 是目前为止获得最多支持的假说。其主要原理如图3-15所示。

当两个圆盘在弱的外部磁场中旋转时，与轴和外缘相交的两根导线的回路中产生方向相反的两种电流I1和I2。这两种电流形成磁场而极性相反，其强度会明显地超过外部附加的初始磁场的强度。圆盘旋转频率的差异造成具有一种极性的场占优势；当频率比值改变时，便出现磁场反转。根据这种双圆盘发电机假说，在地核中这两种方向相反的电流，可由液态的外核物质的热对流（混合作用）产生，这种对流可以引起液态地核表层旋转出现某种减慢（相对于地幔底面而言），引起外核表层减慢的层位中产生的磁场异常向西位移。这为地磁场的西向漂移提供了动力学解释。 发电机模式的作用原理是以自激为前提的，即液态外核表面上的对流流动，导致封闭的螺旋式环形电场的形成。尽管它可以一般地解释至今所知的地球磁场的各种特点。但这并不意味着地磁场的成因问题已经彻底解决了。问题出在发电机假说是以假设外地核中有热对流存在为基础的，后者又基于地核对地震横波的屏蔽能力——外核呈液态——的推断。但无论是外核的液态还是其中的热对流，至今都不是科学上经过证实的事实。此外，问题不仅涉及到地磁场的成因，也涉及到磁铁相互作用的理论。因此，严格地说，最后解决地磁场的起因问题还需进一步努力。 4．3 地磁场反转与漂移

现在地球磁场的强度约为M=8×1025cgs（高斯）电磁单位。这一磁矩的大小每100年间约减少5％。按此趋势，在2000年后，地球的磁矩应变为零。在地球的磁场中，像这样存在着以数千年时间为周期的变化称为长期变化。向西漂移就是一种长期变化。与它们相反，前述地球的昼夜变化、磁暴等现象，都是短期变化。磁场的存在会导致岩石发生磁化，而磁场的变化会在磁化的岩石中留下记录。岩石磁化的方式则随岩浆岩、变质岩、沉积岩等岩石类型的不同而异。比如，熔岩从地下喷出时的温度是在磁性物质的居里点以上，然后在熔岩冷却的过程中，磁性矿物沿着当时当地的磁场方向被磁化。这种当岩石冷却时所获得的磁性，称为热剩磁。一般情况热剩磁是稳定的，在此后即使岩石所在地的外部磁场发生变化，也不会使热剩磁发生变化。沉积岩中的颗粒在已经磁化的情况下，在沉积过程中，也会沿着当地存在的磁场方向平行排列，形成沉积岩中的剩磁。此外如砂岩中的磁性矿物以化学方式析出，后者的磁性也会具有和当地磁场平行的性质。

由于具有不同的剩磁特征，岩石成为研究古磁场的特殊“化石”。从对岩石的磁性、特别是对它们剩磁方向的研究，可以弄清楚岩石磁化时在地球上的位置。所以将依据岩石磁性来研究地史时期地磁场的状态、磁极变化和漂移的学科，称为古地磁学。在古地磁学中假定，无论在什么地质时代，地球的磁场都是偶极子型磁场。并且磁偶极子的轴与地球自转轴向一致，虽然现代的地磁场不完全是磁偶极子型磁场，地磁极与地理极的位置也有所偏移，但从最近几十万年间的古地磁学资料所确定的各时代的磁极位置来看，它们均散布在现代地球自转极的周围，这表明地磁极与自转极之间在很大程度上应当是一致的。

古地磁研究在板块构造理论的兴起和确定过程中，起了十分关键的佐证作用。在地磁极与地球自转极性一致的前提下，某地的磁倾角I可以由该点的纬度角来确定。两者之间的关系为 tgI=2tgθ （3-5）

如果是固定不动的，从各的古地磁学资料中就可以确定，地球自转极随着时间流逝而发生的移动。理论上自转极移动曲线只可能有一条，因此无论在哪个上，所确定的地球自转极移动的曲线都应该一致。但实际上，不仅每个现代计算的结果大不相同，同一内部的不同地区也有明显的差异，这只能是因为各曾发生过不同程度、不同方向的聚散和漂移所致（见第五章图5-4）。

地磁极不仅曾发生过漂移，还出现过反转——即南、北极互相颠倒的现象。在距今大约70×104年前的第四纪，地磁场的方向和现在完全相同，这一时期称作地磁场的布容正向期。但在第四纪更早的时代，通过对岩石磁法研究的结果，其磁化方向多数与现代地磁场的方向相反，因此称其为松山反向期。正向期和反向期在地球历史上交替出现，表明地史时期中曾有过多次地磁场反转事件。图3-16中记载了距今400万年以来的多次地磁场反向事件。对从距今8000万年以来的古地磁学研究发现，地磁场的反转大约平均每40万年就要发生一次，当然并不存在严格的固定周期。 地磁场反转的机制也可以用双盘发电机产生的偶极子型磁场进行解释。在由磁场产生电流的过程中，偶极子场一面保持同一方向，一面慢慢地减弱，直到偶极子的磁矩减少为零，随之产生反向的偶极子磁场。理论计算表明，地球磁场由一个方向变为另一种方向所需的时间大约为1万年左右。并且，可以用J／J0值——即岩浆岩的天然剩余磁化强度与岩石在现代地磁场中的热剩余磁化强度比值——来推算过去地磁场的强度。研究结果表明，在2000年前的古地磁场强度约为现代的 1.5倍，此后磁场强度以每100年5％的比率单调地减小，并且还将在今后一段时间内持续下去。