地球磁场

五、地磁场的解析表示
假设：地球是均匀磁化球体，球体半径为R， N为地理北极，地球旋转轴与地磁轴重合。
若采用球坐标系，坐标原点为球心，球
外任一点P的地心距为r，余纬度为θ经度
为 。则在地磁场磁位u的拉普拉斯方程
可以写成如下形式
r 1 2 r(r2 U r) r2 s 1 in (s in U ) r2 s i1 n 2 2 U 2 0
Tsi =T0+Tm+Ta
T0为中心偶极子磁场，Tm为非偶极子磁场（也称为大陆磁场
或世界异常，基本磁场）， Ta 为地壳磁场。
T= T 0+ T m + T sc+ T 'a+ T ''a+ δ T
基本磁场占地磁场的99％以上，是构成地磁场主体的稳定磁场。 其强度在近地表时较强，远离地表时则逐渐减弱。 变化磁场占地磁场的很小部分（＜1％）。这种磁场主要是 由太阳辐射、太阳带电粒子流、太阳的黑子活动等因素所 引起的。因此，它常包含有日变化、年变化及太阳黑子活 动引起的磁暴（即较剧烈的变化）等成分。
r 1 2 r(r2 U r) r2 s 1 in (s in U ) r2 s i1 n 2 2 U 2 0
U n 1m n 0r1 n 1 [A n m c o s (m ) B n m s in (m )]P n m (c o s)
P nm (cos)C (m n (n m m )!)!(sin)md(co dsm )mP n(cos)
Declination Inclination
D 地磁要素及其分布
T、Z、H、I、D、
I
X、Y
T、Z、H、I
固有物理量
D、X、Y
相对物理量
Z
H=TcosI Z=TsinI X=HcosD Y=HsinD
Z（下）
X2+Y2=H2 X2+Y2+Z2=T2
X（北）
H
Y（东）
T
地 磁 倾 角
三、正常场与磁异常
1oe(奥斯特)＝1×10-4Wb•m-2=1×104T(特斯拉)
1×10-4T(特斯拉)＝1G(高斯)
1高斯＝10 -4特斯拉（T），1伽马＝10-9特斯 拉＝1纳特斯拉（nT），简称纳特。
四、地磁图和地磁场分布的基本特征
1.地磁图 将某一地磁要素值按各个测点的经纬度标在
地图上，再把数值相等的点用光滑曲线联结 起来，编绘成地磁要素的等值线图，称为地 磁图。
Z
0.4618 0.4865 0.4865 0.3420 0.2743 0.5617 0.3993 0.2675 0.2365´ 62º18´ 45º31´ 36º57´ 63º06´ 50º37´ 35º13´ 31º51´ 43º32´
D
-5º59´ -7º49´ -9º55´ -4º40´ -2º50´ 2º37´ -2º34´ -1º00´ -1º25´ -0º14´
非洲西部 南极大陆
东亚 大洋洲
4.中国境内 地磁要素的分布
场值 分量 地名
北京 沈阳 哈尔滨 上海 福州 乌鲁木齐 西安 昆明 广州 拉萨
中国各地地磁要素值
H
0.2962 0.2798 0.2556 0.3389 0.3640 0.2540 0.3281 0.3795 0.3809 0.3560
总场强度等值线特征: 等值线与纬度线近乎平行，其 值在磁赤道约30000-40000nT,向两极增大，在两极约 为60000-70000nT。
1980年代世界非偶极子磁场垂直分量等值线平面图（单位为 nT）
从世界地磁图中减去地磁场的偶极子磁场(约占主磁场的80%)， 即可得到非偶极子磁场。非偶极子磁场围绕着几个中心分布， 每个中心都有各自的正、负极性，且分布的地域很广。
T = To + Tm + Ta +δT
正常场和磁异常
按研究地磁场的目的不同，可将地磁场分为正常地磁 场（正常场）和磁异常（异常场）两部分。 通常情况下，正常场和异常场是相对的概念，这和重力勘 探中的基准场和重力异常的概念是类似的。 正常场可认为是磁异常（即所要研究的磁场）的背景场或 基准场。
正常场和磁异常
变化磁场 地球内部场源引起的缓慢长期变化和地球外 部场源引起的短期变化
地磁场的短期变化
太阳日变化是以一个太阳日24h为 周期，称为地磁日变。它的变化是 依赖于地方太阳时。其基本特点是： 各个地磁要素的周日变化是逐日不 停地在进行，其中振幅易变、相位 几乎不变。白天(6--18)时磁场变 化较大，夜间较平静。夏季的变化 幅度最大，冬季的幅度最小，春秋 季节居中。日变的平均幅度为n— n×10nT。
抗磁性，或称为逆磁性，是由于
该类物质原子的各电子壳层中， 电子成对出现，自旋方向相反， 因而抵消了它的自旋磁矩。抗 磁性物质的轨道磁矩也因相邻 轨道磁场的相互作用而抵消，
故这类原子没有剩余磁矩。当 受外磁场作用后，电子受到洛 仑兹力的作用，电子转动角速 度的改变导致出现附加的抗磁 性磁矩，其方向与外磁场H相反， 形成抗磁性。
地球磁场 岩矿石的磁性
地球的磁场
地磁场是一个弱磁场，在地面上的平均强度约为50000nT。
在地面上观测所得到的地磁场T是各种不同成分的磁场之
总和。它们的场源分布有的在地球内部，有的在地面之 上的大气层中。 按不同成分的磁场来源和变化规律不同，可将地磁场分 为两部分。
一是主要来源于固体地球内部的稳定磁场Ts， 二是主要起因于固体地球外部的变化磁场δT。 则地磁场T可以表示为
是根据各个测点的异常值绘制而成的。根据地 磁图表示地理范围的大小，地磁图又可分为区 域地磁图和世界地磁图。
中国先后出版了1950.0年、1960.0年、 1970.0年和1980.0年的中国地磁图，最新的是 2010年中国地磁图。其中包括磁偏角、磁倾角、 水平强度、垂直强度和总强度等地磁要素的地磁 图。 英国、美国和苏联出版世界地磁图。英国和 美国每10年出版一次全部7个地磁要素的世界地磁 图,如1965.0年和1975.0年的世界地磁图;每5年出 版一次磁偏角世界地磁图，如1970.0年、1975.0 年和1980.0年的磁偏角世界地磁图。苏联每 5年 出版一次磁偏角、磁倾角、水平强度、垂直强度 和总强度的世界地磁图。
只要地磁资料精度较高，测点分布比较合理， 而且密度适当，就能绘制出比较准确的基本磁 场图。
②正常磁场图：
主要是根据地磁场模型绘制的，有时也可以通 过多次光滑基本磁场图的等值线和等变线的办 法得到，即把地磁场中来自地球浅层的部分资 料滤掉，只剩下来自地球深部的部分，所以它 的等值线是光滑的。
③异常磁场图：
T 为地球磁场。 Ts 为地球内部的稳定磁场。 To 为中心偶极子磁场，即均匀磁化地球的磁场。 Tm 为大陆磁场或世界异常。
其中（To + Tm）又称为地球基本磁场。 Ta 为异常场或磁异常，它是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。 δT 为变化磁场，主要是外源变化磁场。 则 Ts = To + Tm + Ta
磁暴 磁暴是一种强烈的磁扰动。从赤道到极区均可观察到磁暴
现象；而且几乎是全球同时发生。发生时对磁场水平分量的强 度影响特别显著，对垂直分量影响相对小些。因此，通常研究 磁暴的形态和特征是通过水平分量强度变化来进行的。
地磁脉动 地磁脉动是一种地磁场的微扰变化，它具有准周期结构的
特点。一般周期介于n×10-1～n×102s，频率范围从毫赫到数 赫；振幅的变化范围为n×10-3～n×10nT(在强扰动期间也可 达数百纳特)。
如在弱磁性或非磁性地层中要圈定强磁性岩 体或矿体，通常将前者引起的磁场作为正常 背景场，而后者产生的磁场为磁异常；
如果在磁性岩层中圈定非磁性地层，这时可 把磁性岩层的磁场作为正常场，而非磁性地 层中的磁场相对变化为磁异常。
地面上任一点的磁场T :地球中心 偶极子所引起的磁场Tn;大陆磁场 Tm; 随时间变化的磁场δT;因地质 原因所引起的磁异常Ta
2.地磁图的作用
了解某一地区正常场的分布规律； 查找地磁数据（磁偏角、磁倾角、总场强
度）； 提供正常场改正值。
3.地磁图的特征
总偏线特征: 从一点出发汇聚于另一点的曲线簇,明显地 汇聚于南北两磁极区,两条零偏线将全球分为正负两个部分。
总倾线特征:与纬度大致平行，零倾线在地理赤道附近，称 为磁赤道，它不是一条直线，磁赤道向北倾角为正，向南为 负。
扰动变化
叠加在平静变化上，持续时间可 由1s到几天，强度由1nT到103nT。 强度大时即为磁暴。
地磁场的微脉动
准周期结构的特点，一般周期n×10-1 秒到n×102秒，强度n×10-3nT到 n×10 nT。
磁异常（magnetic anomaly）是地球 浅部具有磁性的矿物和岩石所引起的局部 磁场，它也叠加在基本磁场之上。一个地 区或地点的磁异常可以通过将实测地磁场 进行变化磁场的校正之后，再减去基本磁 场的正常值而求得。
T X 2 Y 2 Z 2
H
X 2Y2
D arctan( Y X )
I
arc tan ( Z
X)
岩（矿）石的磁性
一、 物质的磁性 所有物质可按其磁化率的不同，划分为三大
类，即抗磁性（逆磁性）、顺磁性以及铁磁 性。 这三类物质的磁性随温度变化与受外磁场磁 化作用等方面都有明显不同。
二、地磁要素
地面上任意点地磁场总强度矢量T(即磁感应总 强度矢量)通常可用直角坐标来描述。设以观测点 为其坐标原点，X、Y、Z三个轴的正向分别指向地 理北、东和垂直向下。
则该点的T矢量在直角坐标系 内三个轴上的投影分量分别为北向 分量(X)、东向分量(Y)和垂直分量 (Z)；T在XOY，水平面内投影称为 水平分量(H)，其指向为磁北方向； T和水平面之间的夹角称为T的倾斜 角(I)，当T下倾时I为正，反之为负； 通过该点H方向的铅直平面为磁子午 面，它与地理子午面的夹角称为磁 偏角，以D表示；磁北自地理北向东 偏D为正，西偏则为负。
在实际工作中，正常磁场T0一 般是指地磁图上所表示的磁场，而 磁异常Ta又可分为区域异常和局 部异常。前者是由分布范围较大、 埋藏较深地质因素引起，后者是由 分布范围较小、局部构造或埋藏较 浅的磁性体所引起。
磁异常Ta一般都是正负相伴出现。
磁场的单位
在无限长直导线中通以10安培直流 电(1CGSM单位电流)时，在距此导 线2厘米处的磁场强度称为1奥斯特。
等H线大致平行于地理纬线；在赤道附近(磁赤道上)， 水平分量H最大，达(30～40)μT，地下介质在这里被 “水平磁化”。H逐渐减小。在两极附近H为零。
等Z线大致平行于地理纬线；在赤道附近(磁赤道上)， 垂直分量Z零，随着纬度的增大，Z增大，在两极附近Z 的绝对值最大，达60～70μT，它们就是地球的磁极。 在两个磁极附近的地下介质被“垂直磁化”。
TTs T
一、地球磁场的构成
可以把稳定磁场和变化磁场分解为起源 于地球内、外的两部分，故有
TsTTsiTi
Tsc
Tc
Tsi是起因于地球内部的稳定磁场（占稳定磁场总量的99%以上） ，Tsc是起源于地球外部的稳定磁场（占稳定磁场总量的1%以
下），δTc是变化磁场的外源场（约占变化磁场总量的2/3）， δTi为内源场（约占其总量的1/3）。 δTi实际上也是由于外部电流感应而引起的。 一般情况下，变化场为稳定场的万分之几到千分之几，偶尔可 达到百分之几。
地磁图和地磁场分布的基本特征
世界地磁图基本上反映了来自地球核部场源的 各地磁要素随地理分布的基本特征。
广义的地磁图可分为基本磁场图、正常 磁场图和异常磁场图。
①基本磁场图：
根据各个测点归算的测量资料绘制的地磁图。 它不仅反映地磁场在地面上的趋势变化，而且 也反映出地磁场在地面上的异常变化。中国和 其他许多国家都出版基本磁场图。
为施密特准归一化的缔合勒让德函数
X
N n1
mn0(Rr )n2[gnm
cos(m)+hnmsin(m)]dd
Pnm(cos)
Y
N n1
n (R)n2 m0 r
simn[gnmsin(m)hnm
cos(m)]Pnm(cos)
Z
N
n1
mn0(n1)(Rr )n2[gnm
cos(m)+hnmsin(m)]Pnm(cos)