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理論和實(shí)踐依據



地球物理學(xué)是用物理學(xué)理論和方法研究地球內部結構、構造和動(dòng)力過(guò)程,包括位場(chǎng)理論和波動(dòng)理論。位場(chǎng)理論包括地球重力場(chǎng)、磁場(chǎng)、溫度場(chǎng)、自然電場(chǎng)及直流電場(chǎng),相應科學(xué)分支有重力測量、磁力測量、地熱流測量和電法測量;波動(dòng)理論包括聲學(xué)理論、地震波理論和電磁波理論,相應的科學(xué)分支有水深測量、地震測量和電磁測量。


1地磁場(chǎng)


  常所說(shuō)的地磁場(chǎng)只能算作地球表面磁場(chǎng),并不是地球的全球性磁場(chǎng)(又稱(chēng)空間磁場(chǎng)),它是由地核旋轉形成的。地球的內部結構可分為地殼、地幔和地核。地球磁場(chǎng)是偶極型的,近似于把一個(gè)磁鐵棒放到地球中心,使它的N極大體上對著(zhù)南極而產(chǎn)生的磁場(chǎng)形狀。實(shí)際上,地球中心并沒(méi)有磁鐵棒,普遍接受的理論:通過(guò)電流在導電液體核中流動(dòng)的發(fā)電機效應產(chǎn)生磁場(chǎng)的。


  美國科學(xué)家在試驗中發(fā)現,地球內外的自轉速度是不一樣的,地核的自轉速度大于地殼的自轉速度。也就是說(shuō),地球表面的人雖然感覺(jué)不到地球的自轉,但卻能感覺(jué)到地核旋轉所產(chǎn)生的質(zhì)量場(chǎng)效應,就是它產(chǎn)生了地球的表面磁場(chǎng)??茖W(xué)家在研究中還發(fā)現,地核的自轉軸與地球的自轉軸不在一條直線(xiàn)上,所以由地核旋轉形成的地磁場(chǎng)兩極與地理兩極并不重合,這就是地磁場(chǎng)磁偏角的形成原因。


  科學(xué)家們在對地磁場(chǎng)的研究中發(fā)現,地磁場(chǎng)是變化的,不僅強度不恒定,而且磁極也在發(fā)生變化,每隔一段時(shí)間就要發(fā)生一次磁極倒轉現象。地球磁場(chǎng)不是孤立的,它受到外界擾動(dòng)的影響,宇宙飛船就已經(jīng)探測到太陽(yáng)風(fēng)的存在。太陽(yáng)風(fēng)是從太陽(yáng)日冕層向行星際空間拋射出的高溫高速低密度的粒子流,主要成分是電離氫和電離氦。


  因為太陽(yáng)風(fēng)是一種等離子體,所以它也有磁場(chǎng),太陽(yáng)風(fēng)磁場(chǎng)對地球磁場(chǎng)施加作用,好像要把地球磁場(chǎng)從地球上吹走似的。盡管這樣,地球磁場(chǎng)仍有效地阻止了太陽(yáng)風(fēng)長(cháng)驅直入。在地球磁場(chǎng)的反抗下,太陽(yáng)風(fēng)繞過(guò)地球磁場(chǎng),繼續向前運動(dòng),于是形成了一個(gè)被太陽(yáng)風(fēng)包圍的、彗星狀的地球磁場(chǎng)區域,這就是磁層。


  地球磁層位于地面600~1000公里高處,磁層的外邊界叫磁層頂,離地面5~7萬(wàn)公里。在太陽(yáng)風(fēng)的壓縮下,地球磁力線(xiàn)向背著(zhù)太陽(yáng)一面的空間延伸得很遠,形成一條長(cháng)長(cháng)的尾巴,稱(chēng)為磁尾。在磁赤道附近,有一個(gè)特殊的界面,在界面兩邊,磁力線(xiàn)突然改變方向,此界面稱(chēng)為中性片。中性片上的磁場(chǎng)強度微乎其微,厚度大約有1000公里。中性片將磁尾部分成兩部分:北面的磁力線(xiàn)向著(zhù)地球,南面的磁力線(xiàn)離開(kāi)地球。


 地球磁場(chǎng)是地球的物理性質(zhì)之一,它是空間質(zhì)與量的客觀(guān)分布存在。地磁場(chǎng)是矢量場(chǎng),它直接影響著(zhù)地球系統中一切帶電、帶磁物體的運動(dòng)學(xué)特性,可為地球上一切運動(dòng)和靜止的物體提供天然坐標系。地磁場(chǎng)是穩定、可靠的自然資源,地磁資源是公共的,地球上每一點(diǎn)的地磁矢量是唯一確定的。在直角坐標系下,地磁要素有 (7個(gè))磁偏角D、磁傾角I 、總磁場(chǎng)強度T 、垂直磁場(chǎng)強度Z、水平磁場(chǎng)強度H(包含水平X分量(北向)、水平Y分量 (東向)。

 


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地磁要素互換關(guān)系如下:

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地磁場(chǎng)由基本磁場(chǎng)、變化磁場(chǎng)和磁異常三個(gè)部分組成。測量地磁場(chǎng)中,研究對象所產(chǎn)生的磁場(chǎng)稱(chēng)作磁異常,其他部分稱(chēng)作正常場(chǎng),或稱(chēng)背景場(chǎng),也稱(chēng)基準場(chǎng)。地磁場(chǎng)是隨空間和時(shí)間變化而變化的矢量,與位置和時(shí)間有關(guān)系,在地表觀(guān)測到的地磁場(chǎng)B是幾種來(lái)源地磁場(chǎng)分量的疊加:

B=Bn+Bm+Ba+Be+δB(t)

式中,

Bn-地球均勻磁化產(chǎn)生的磁場(chǎng)(均勻磁場(chǎng));

Bm-地球內部不均勻磁化產(chǎn)生的磁場(chǎng)(剩余磁場(chǎng));

Ba-地殼各表層磁化產(chǎn)生的磁場(chǎng)(異常磁場(chǎng));

Be-地球外部原因產(chǎn)生的磁場(chǎng)(外源磁場(chǎng));

δB(t)-隨時(shí)間變化的磁場(chǎng)(變化場(chǎng))。


而通常將Bn,Bm,Be之和稱(chēng)為Bo,Bo叫正常磁場(chǎng)或基本磁場(chǎng)。一般地磁圖示出的磁場(chǎng),又將Bn,Bm,Ba之和稱(chēng)為Bi,Bi稱(chēng)為內源磁場(chǎng)。地磁場(chǎng)中內源場(chǎng)約占磁場(chǎng)總強度的99%,外源場(chǎng)約占1%。內源場(chǎng)又可分為主磁場(chǎng)和地殼場(chǎng),其中主磁場(chǎng)又包括偶極子磁場(chǎng)和非偶極子磁場(chǎng),分別占總強度的85%和10%,地殼場(chǎng)強度基本不變,約占總強度的4%,外源場(chǎng)主要包括電離層場(chǎng)、磁層場(chǎng)和感應場(chǎng),它們由空間電流體系產(chǎn)生,約占總強度的1%。地球磁場(chǎng)雖然主要來(lái)源于地球的內部,但研究表明,尤其是短期變化部分卻主要來(lái)源于地球以外,即由太陽(yáng)的電磁輻射和粒子輻射(太陽(yáng)風(fēng)),以及宇宙線(xiàn)等在地球高空(電離層和磁層)引起的環(huán)電流等電磁現象,由此產(chǎn)生地球的高空磁場(chǎng)和相關(guān)的地磁現象如磁暴和極光等現象。磁暴是全球同時(shí)發(fā)生的強烈磁擾,持續時(shí)間約為1~3天,變化幅度可達102~103nT。微脈動(dòng)持續時(shí)間為1秒~10分鐘,變化幅度為1-10nT。灣形磁擾持續時(shí)間或周期為1秒~10小時(shí),磁場(chǎng)變化幅度為102~103nT。太陽(yáng)日變化,變化周期或持續時(shí)間為24小時(shí),磁場(chǎng)變化幅度為20~30nT。太陰日變化,變化周期或持續時(shí)間為25小時(shí),磁場(chǎng)變化幅度為1~2nT。內源場(chǎng)主要變化類(lèi)型有:非偶極型磁場(chǎng)變化、磁極移動(dòng)、磁極性轉變、主磁場(chǎng)產(chǎn)生機制、主磁偶極矩振蕩等,一般變化周期較長(cháng),通常需要幾年到幾萬(wàn)年甚至上億年,故一般短期磁場(chǎng)變化部分主要考慮外源場(chǎng)對地磁變化的影響。此外,鐵磁性物體在地磁場(chǎng)運動(dòng)導致地磁變化,也是造成外源場(chǎng)變化的重要因素。

 

2)磁異常探測理論


當磁探測傳感器位置與鐵磁性目標的距離大于3倍目標幾何尺寸時(shí),可以把鐵磁性目標簡(jiǎn)化成磁偶極子模型,不考慮地磁背景場(chǎng)情況下,磁場(chǎng)總強度B大小可以由下列公式計算出來(lái)。

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式中,

μ—磁導率;

m—磁偶極子磁矩;

r—距離;

θ—方位。

它在空間一點(diǎn) P 產(chǎn)生的磁場(chǎng) Br分布示意圖如下圖所示:

 圖片1.png

由此公式可知,磁感應強度大小與距離成立方衰減關(guān)系。


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