02 地球物理场

单极场
重力异常
由于实际地球内部的物质密度分布非常不均匀，因而实
际观测重力值与理论上的正常重力值总是存在着偏差，
这种在排除各种干扰因素影响之后，仅仅是由于地下物 质密度分布不匀而引起的重力的变化称为重力异常。
剩余密度与剩余质量
研究对象的密度与围岩密度之差称为剩余密度； 剩余密度与研究对象体积之积即为剩余质量M 据万有引力定律，存在比正常质量分布有多余(M ＞0) 或不足(M ＜0)的质量时，引力大小将会发生变化，进 而使重力值改变。
地磁要素 ：七要素
表示任一点地磁场大小和方向特 征的物理量称为地磁要素
地磁场总强度矢量 T
地理北X
X D
地理子 午面
磁北
H
I
Y
北向分量(X)、东向分量(Y)
垂直分量(Z)； 水平分量(H)，指向为磁北方向
Y T
Z
磁子 午面
T的倾斜角(I)，下倾I为正，反之I为负
磁偏角(D),磁北向东偏D为正，西偏D为负
7.5m
Newton，1687 10m
30m
若把地球近似为正球体， 其平均半径R＝6371km。
略讲
地球的正常重力
我国过去用得较多正常重力公式 假定地球是一个旋转椭球体，表而光滑，内部密度是均匀 的，或者是呈层分布，每层的密度是均匀的，且各层界面 1901 —1909年赫尔默特公式 都是共焦点的旋转椭球面，这种旋转椭球体有时也被称作 参考椭球体。 依据其形状、大小、地球的质量、密度分布、自转角速度 1930 年卡西尼国际正常重力公式 及各点所在的坐标位置等求出其重力位，称为正常重力位， 由正常重力位再计算出的重力值就称为正常重力值。
重力异常的实质
A
大地水准面 F附
加 引 力

重力异常就是地质体 的剩余质量对测点处 单位质量所产生的附 加引力在重力方向上 的分力(或投影)，若剩 余质量为正，则异常 为正，反之则为负。
正 常 重 力
0 0
g0 g

gA 实测重力
重力异常的基本特征与应用
特征： 相对性，（源于异常划分标准的非“唯一”性） 不同种重力异常(g,Vzz等)特征不同。对目标体敏感度不同,综合应用 重力勘探主要应用布格重力异常；(基于不同校正方法可得不同异常) 重力异常比较平滑、清晰(相对磁异常而言)， “异常”值与 “正常”值之比极小 ——因密度差异小，最大约为2~3倍，而磁性差
正常地磁场(正常场)与磁异常(异常场)
是按研究目不同提出的地磁场分类方法。
特点： 确定性。地磁学研究中，正常地磁场确指（T0+Tm+Tse） “地球基本磁场+Tse”，磁异常确指“地壳场”Ta 相对性。通常情况下，正常场和异常场是相对的概念。
正常磁场可以认为是磁异常(即所要研究的磁场)的背景场或基准场。
第二章
地球物理场的基本特征
一、重力场的基本特征
二、地球磁场的基本特征 三、地下稳定电流场和交变 电磁场的基本特征 四、弹性波场的基本特征
重力场的基本概念
什么是重力：当不考虑其他天体对地球的作用时，重力
是整个地球质量对地表物体产生的牛顿万有引力F和因地 球自转而产生的惯性离心力C的矢量和（合力）P=F+C。 重量：物体受重力作用结果。是重力的具体反映（表 现），一切物体都有重量。 地球重力场：地球内部(除地心外)、地球表面及地表附 近空间等存在重力作用的范围称为地球重力场。 重力加速度：当物体仅受到重力作用时，就会自由下 落，下落的加速度就称为重力加速度g，P=mg 重力场强度：为便于比较重力场中各点重力值的大小， 通常采用单位质量在重力场中所受的重力大小来度量，场 论中称为重力场强度。P/m=g（重力加速度） 以后凡提及重力均指重力加速度或重力场强度，不再 是重量的概念。
几乎占80％~85％，代表了地磁场 空间分布的主要特征
地球 基本磁场
用于编制世界地磁图
非偶极子场Tm
(大陆磁场或世界异常)
地壳磁场Ta
（异常场或磁异常）
属全球地磁场的局部现象
地壳内的岩石、矿物及 地质体在基本地磁场磁 化作用下所产生的磁场
是磁法勘探的重要研究对象
磁异常Ta
磁 异 常 Ta
局部异常(Ta/)
新老单位换算：1g.u.=0.1mGal=100Gal，1mGal=10g.u.
重力的变化
重力加速度并非恒量，存在时、空变化，变化量相对重力 全值(约9.8m/s2)来说太小，必须用重力仪测量。 空间上重力变化的原因有： 地球半径并不处处相同（径向）。地球非理想球体，而是近于
两极压扁的扁球体，地心到地表各处的距离并不处处相同； 不同纬度回转半径不同（横向）。地球不停地绕自转轴旋转； 地球表面起伏不平（径向） ，形态各异，极为复杂； 地表至地慢内物质密度分布的不均匀（径向、横向） 。
以正常背景场作为基准场，有效地提取所研究对象的磁场 变化，研究异常场与所要解决的各种地质问题的对应关系， 是磁法勘探中磁异常解释的重要任务。
地磁场的分布特点及变化规律 地磁图——描述地球基本磁场变化特征的图件
定义：根据地磁测量得到的某一特定日期（一般选在1月1日零 点零分）的测量结果，按照经纬坐标网绘制的地磁要素等值线 图，称为地磁图。 分类：按编图范围分为：世界地磁图和局部地磁图两种； 世界地磁图表示全球范围内地磁场的分布，通常每5年编绘一次
o x z 自转轴
r dm
A(x,y,z) y
A点处单位质量的惯性离心力， 重力场是一个矢量场；
赤道上离心力最大，粗略估算，其大约仅为引力的1／300
略讲
重力位
重力场为矢量场，根据场论，从场力作功的角度可引 入一个标量“位’’函数来方便地描述重力场，称为重力 位，它沿某个方向求偏导数恰好等于重力在该方向的分力。 或者说，重力可以用重力位 W(x,y,z) 的梯度表示。相应有 引力位和离心力位。 由场论知识，在地球外部，引力位V满足拉普拉斯方程，但 惯性离心力位不满足拉普拉斯方程：
地磁要素相互关系
地磁要素是 时、空变化的
七要素并非独立 知其三，可知其它
地磁场构成
按来源和规律不同划分
地 面 所 测 地 磁 场
稳定磁场Ts
源于地球内部
Tsi (99％) 地球内源稳定场 源于地球内 Tse (1％)
源于地球外
Ti (2/3)
源于地球内
一般，变化场为 稳定场的万分之 几，偶可达百分 之几
有长、短周期变化
地球内部物质密度分布的不均匀引起的局部重力变化； 地面上任意一点的重力值主要取决于：
测点纬度、高度、周围地形、重力固体潮、
地下密度不均匀体分布（仅此对找矿有意义）
略讲
重力场计算
重力牛顿万有引力F和惯性离心力C的合力，P=F+C 根据牛顿万有引力定律，整个地 球质量对地表A(x,y,z)点处单位 质量的引力F，即引力场强度为
区域磁场(Ta//)
分布浅，几~几拾km
分布深、几百~几千km
地球磁场的总体构成 T=T0
中心偶极子磁场
+Tm
非偶极子场 +Ta/ 局部异常 +Ta// 区域磁场
地球基 本磁场 地壳磁 场Ta
地球(内源) 稳定磁场 Tsi
稳定定磁场，因数量级极小，通常可被忽略
+T
变化磁场
Ti 长周期，内源 Te 短周期，外源
反映了来自地球深部场源的各地磁要素随地理分布的基本特征。
重力勘探的单位：
重力勘探中凡提及重力均指重力加速度，因此，重力的单位实 际上已不再是力的单位，而是重力加速度的单位。
国际单位SI制：m/s2 ，无专用名称
常用重力单位：g.u.(gravity unit)=10-6 m/s2，1m/s2=106 g.u.
CGSM制：“伽”(Gal)—纪念伽利略：第一个测定重力加速度值 常用重力单位：“毫伽” (mGal)，1mGal=10-3Gal 高精度重力测量常用： “微伽”(Gal), 1Gal=10-3mGal= 106Gal
T随时间变化部分，分长
周期（地球内部）、短周 期（外部电流系引起）
变化磁场T
起因于地球外部
Te (1/3)
源于地球外
A.施密特，1885年利用总磁场的 球谐分析方法和面积分法划分
通常所指地球稳定磁场主要是内源稳定场、它由以下三部 分组成 中心偶极子磁场T0
地 球 稳 定 磁 场 Tsi
内源场
如，研究大陆磁异常（Tm），中心偶极子场（T0）可视为正常场； 研究地壳磁场Ta，地球基本磁场（T0+Tm）可视为正常场
磁法勘探中，正常场异常场的选取也是相对的
据研究对象、测区大小的不同而不同
如，无或弱磁性地层中圈定强磁性矿体，前者所引起的磁场为正常背景场， 而后者产生的磁场为磁异常； 在磁性岩层中圈定非磁性地质体，磁性岩层的磁场作为正常场，非磁性 地层中磁场相对变化为异常场。
地球重力场的构成及影响因素
地球质量产生的引力； 地球自转引起的惯性离心力；
主要部分、也是稳定成分， 但稳定并不意味着是定值，
宇宙间天体相对位置变化引起的引力变化； 造成重力随 地球自转轴的瞬间摆动，引起的重力变化； 地球自转角速度的变化引起的离心力扰动；
时间变化， 构成重力场 非稳定成分
一、重力场的基本特征
二、地球磁场的基本特征
三、地下稳定电流场和交变 电磁场的基本特征 四、弹性波场的基本特征
S N
地球磁场的基本概念
地球周围存在着磁场，称为地球磁场。地磁场是矢量场， 其分布范围广，从地核到空间磁层边缘处处有分布。 表征地磁场的物理量是地磁场感应强度。 过去，CGSM制 ，真空中磁感应强度与磁场强度相当， 故以往磁法勘探书中将磁感应强度称做磁场强度；目前， 仍沿用这一习惯称法、除岩石、矿石磁化磁场确系磁场强 度外，一般提及地磁场强度均指地磁感应强度。 地磁场强度（地磁感应强度）的单位--磁法勘探单位 SI制：用特斯拉或符号T表示， 磁法勘探实用单位：纳特(nT) 1T＝IWb／m2(韦(伯)／米2)，1nT＝10-9T CGMS制：常用单位为伽玛()，l＝10-5Gs(高斯)＝1nT