地壳磁场的分布特征及影响分析

3.1.1 地磁场和地磁要素

在地球周围，具有磁力作用的空间称为地磁场。地磁场是一个矢量场。拿一个磁针通过其重心悬挂起来，使之能自由转动。当磁针静止时不仅指向一定的方位，而且倾斜一定的角度。磁针在空间所指的方向，就是其重心所在处地磁场的方向。将地面上任一点的地磁场总强度在一确定直角坐标系下分解开，其中每一描述该点磁场特征的量都称为一个地磁要素。设O为地面上任意一点，T为该点地磁场总强度。直角坐标轴x指向地理正北，y轴指向地理东，z轴垂直向下（图3．1）。T在三个坐标轴上的投影分别为北向分量X、东向分量Y和垂直分量Z；规定各分量与相应坐标轴的正向一致时为正，反之为负。T在xOy水平面内的投影称为水平分量H，它指向磁北方向，其延长线即是磁子午线。磁子午线（磁北）与地理子午线（地理北）的夹角称为磁偏角，以D表示。H偏东时D为正，反之为负。T与H间的夹角称为磁倾角I，当T下倾时I为正，反之为负。I、D、X、Y、Z、H和T各量都是表示地磁场大小和方向的物理量，都称为地磁要素。它们之间有如下关系：

图3.1 地磁要素示意图

地磁要素是随时空变化的，要了解其分布特征，必须把不同时刻所观测的数据都归算到某特定的日期，这个过程称为通化。国际上将此日期选在1月1日零点零分。将经通化后的某一地磁要素值按各个测点的经纬度坐标标在地图上，再把数值相等的各点用光滑的曲线连接起来，编绘成的等值线图称为该地磁要素的地磁图。图3．2～图3．5分别是20世纪80年代世界地磁场垂直强度、水平强度、偏角和倾角等值线平面图。

图3.2 20世纪80年代世界地磁场垂直强度等值线平面图（单位：103nT）

图3.3 20世纪80年代世界地磁场水平强度等值线平面图（单位：103nT）

图3.4 20世纪80年代世界地磁场等偏线图（单位：°）

图3.5 20世纪80年代世界地磁场等倾线图（单位：°）

世界地磁图反映了地磁各要素随地理分布的基本特征。由图3．2可见Z等值线大致沿纬度方向排列的曲线，Z的绝对值在赤道处最小，向两极逐渐增大。在磁赤道以北Z＞0，表示垂直分量向下，在磁赤道以南Z＜0，表示垂直分量指向上，说明在磁偶极子模式下南半球磁极是正极，北半球磁极是负极。图3．3所示水平分量等值线大致是沿纬度线排列的曲线族，H值由赤道向两极逐渐减小至零。结合垂直分量的展布，可发现两极处的总磁场强度较赤道处大两倍。从图3．4、图3．5的全球等偏线图、等倾线图图件可见地磁场的另一些特征：地球有两个磁极，它们和地理两极靠近，在两极，磁倾角最大，近于90°，从而出现水平分量为零、垂直分量最大、磁偏角没有一定值；在磁赤道处，磁倾角最小，从而出现垂直分量近于零、水平分量最大、并且水平分量无论在何处都指向磁北。地磁场的磁轴与地球的旋转轴不重合，夹角约为11．5°。根据以上分布规律，不难看出，地球磁场和一磁偶极子或均匀磁化球体所形成的磁场极为相似。

按编图范围，地磁图又可分为世界地磁图和局部地磁图两种。此外，根据地磁要素随时间变化的观测资料，还可求出相应要素的年变化平均值，称为地磁要素的年变率。同样可以编制出相应年代的要素年变率等值线图。

3.1.2 地磁场的构成

磁性物质和电流都可以产生磁场。地球磁场就是由地球内部的磁性岩石以及分布在地球内部和外部的电流体系所产生的各种磁场成分叠加而成的。各种磁场成分的空间分布和时间变化规律也各不相同。按照场源所在位置划分，地磁场可以分为内源场和外源场。

1）内源场

内源场起源于地表以下的磁性物质和电流，它可以进一步分为地心偶极子磁场To、非偶极子磁场Tm、地壳磁场。地壳磁场又称为异常场或磁异常Ta。大范围地磁场的实测表明，各地磁要素在地面上的分布并不完全遵循地心偶极子磁场的分布规律，两者之间有较为显著的差异。从世界正常地磁图中减去按地心偶极子磁场计算出来的地面各点磁场数值，这种差值即为非偶极子磁场（也称大陆磁异常或剩余磁场）。全球的非偶极子磁场是围绕着几个中心分布的，分布的地域非常广。这些异常中心的位置和强度随不同的年代有所变化。

地心偶极子磁场To和非偶极子磁场Tm统称为主磁场，它是由地核磁流体发电机过程产生的。磁异常Ta是由地壳磁性岩石产生的。主磁场和局部异常场变化缓慢，有时又合称为稳定磁场。

内源场中还包括外部变化磁场在地球内部的感应场，与稳定磁场不同的是，感应场变化较快。从全球来看，地核主磁场部分占总磁场的95％以上，异常场约占4％，外源磁场只占总磁场的1％。

2）外源场

外源场起源于地表以上的空间电流体系。这些电流体系主要分布在电离层、磁层和星际空间，随时间而变化。所以外源磁场远比主磁场弱，也表现为随时间而短期变化，故又称变化磁场。

变化磁场是一种复杂的地磁现象，其变化周期（或时间尺度）通常为几分之一秒到几天。它们具有不同的形态和时空分布特征，并且彼此又常常叠加在一起，因此地磁场的变化有时比较平缓，有时比较剧烈，有时甚至形成复杂的扰动。根据电流体系及其磁场的时间变化特点，一般可以把变化磁场分为两大类：平静变化和干扰变化。

（1）平静变化。平静变化起源于电离层中比较稳定的电流体系的周期性变化，因此它是连续出现的各种周期性的平缓变化。平静变化又可分为太阳日变化（简称日变）、太阴日变化及年变化。三者中日变的幅度最大。

（A）太阳日变化。太阳日变化是以太阳日（24h）为周期的日变化，由每月5天磁静日统计得出，通常记作Sq。某一时刻Sq的数值为该时刻磁场值减去Sq为零的基线值。零基线值一般采用当天的日均值。Sq除了有确定周期性外，另一个显著的特点是白天（6：00～18：00）的变化强、夜间的变化弱。

（B）太阴日变化L。太阴日变化是依赖地方太阴时并以半个太阴日为主要周期的周期性变化。太阴日变化是非常微弱的，磁偏角的最大振幅只有40％，水平分量和垂直分量的最大振幅只有1～2nT。

（2）干扰变化。地磁场的干扰变化常称为磁扰，主要有磁暴和地磁脉动两种类型。

（A）磁暴。磁暴是一种剧烈的全球性地磁扰动现象，是最重要的一种磁扰变化类型。从格雷厄姆1722年第一次观测到磁暴变化至今200多年来，磁暴一直是地球物理学界热烈探讨的课题，也是地磁和空间物理学中最具挑战性的课题之一。这不仅因为磁暴对全球地磁场形态有重大影响，而且因为磁暴是日地能量耦合链中最重要的环节。此外，由于磁暴对通信系统、电力系统、输油管道、空间飞行器等有严重影响，所以，磁暴研究也有重要的实际应用价值。

磁暴的形态学特点可以概括为：变化幅度大而形态复杂、持续时间长而全球同步性好。

磁暴发生时，所有地磁要素都发生剧烈的变化，其中，水平分量H（或X分量）变化最大，最能代表磁暴过程特点。磁暴期间H分量的变化在中低纬度地区表现得最为突出，所以，磁暴的大部分形态学和统计学特征是依据中低纬度H分量（或X分量）的变化得到的。图3．6是一个典型的磁暴期间，中低纬度区不同经度的6个地磁台H分量的记录，图中，以世界时为横坐标把6条曲线画在一起。

图3.6 1967年2月16～17日磁暴期间中低纬度区不同经度的6个地磁台H分量的记录（横坐标为世界时）(www.xing528.com)

由图3．6可以看出，磁暴几乎同时在全球开始，其典型标志是水平分量突然增加，呈现一种正脉冲变化，变化幅度最大可超过50nT（一般磁暴为10～20nT），这个变化称为磁暴急始，记作ssc或sc，相应地把这种磁暴称为急始磁暴。有时在正脉冲前面有一个小的负脉冲，这种急始记作sc*。有的磁暴起始变化表现为平缓上升，称为缓始磁暴，记作gc。

磁暴开始之后，H分量保持在高于暴前值的水平上起伏变化，称为初相，持续时间为几十分钟到几个小时。在此阶段，磁场值虽然高于平静值，但扰动变化不太大。

初相之后，磁场迅速大幅度下降，几个小时到半天下降到最低值，并伴随着剧烈的起伏变化，这一个阶段称为主相。主相是磁暴的主要特点，磁暴的大小就是用主相最低点的幅度衡量的，一般磁暴为几十到几百纳特，个别大磁暴可超过1000nT。

主相之后，磁场逐渐向暴前水平恢复，在此期间，磁场仍有扰动起伏，但总扰动强度逐渐减弱，一般需要2～3天才能完全恢复平静状态，这一阶段称为恢复相。

为了便于对磁暴进行分类统计和研究，常常按照磁暴的形态特点或者强度大小把磁暴分为不同的类型。如按照有无急始变化，磁暴分为急始磁暴和缓始磁暴两大类。它们所包括的初相、主相、恢复相三个阶段没有系统的差别。

（B）地磁脉动。地磁脉动是一种短周期的地磁干扰。即使在磁场平静的时段，地磁记录曲线也会有一些短周期的起伏变化。在快速记录中，这些起伏变化类似于一串一串的波动，这种特殊的磁扰类型叫作地磁脉动或微脉动。地磁脉动的周期范围为0．2s到十几分钟，振幅为百分之几到几百纳特，持续时间为几分钟到几小时。

按照形态的规则性和连续性，脉动分为两大类，第一类是具有准正弦波形，且能稳定地持续一段时间的连续性脉动，用Pc表示；第二类是波形不太规则和持续较短的脉动，叫作不规则脉动，用Pi表示。每类脉动又按周期T分为若干小类：Pc脉动分为6类：Pc1、Pc2、Pc3、Pc4、Pc5和Pc6，不规则脉动分为三类：Pi1、Pi2和Pi3。各类脉动的周期和振幅如图3．7所示。

图3.7 各类脉动周期起围和平均振幅的关系

3.1.3 地磁场的成因

随着人们对于地球内部结构和物质组成认识的深化，揭示了液体外核铁、银组分可能的高导电性能，提供了由物质运动和磁场相互作用维持地磁场的有利场所。而地磁场长期变化的西向漂移现象的研究提供了估计这种运动状态和量级的一种可能，这就是20世纪四五十年代发展起来的“发电机理论”。

单圆盘发电机模型如图3．8所示。导电圆盘A、在轴向外磁场B0中以角速度ω绕轴旋转，电刷B与圆盘A的边缘相接触，并与环形回路相连接。回路的另一端由电刷C与轴相接触。导电圆盘在磁场中运动，将产生径向的感应电动势（动生电动势），即在转轴与圆盘边缘之间产生电动势，于是有电流I在环形回路中流动。此电流产生的磁场，在圆盘范围内可看作均匀的。若环形回路方向选择适当，电流I产生的磁场b与外磁场B0同方向。若圆盘旋转速度足够大，则磁场将不断增强，若旋转速度过小，则磁场将不断衰减。在稳定状态中，得到的场强维持一常数值。

图3.8 单圆盘发电机

当圆盘A在外磁场B0中旋转时，转轴与圆盘边缘之间的电动势为

式中，a为圆盘半径。若设整个回路的电导率为σ，那么回路中的起始电流为

设回路电流产生的磁场b与B0同方向，则总磁场B＝b＋B0。在圆盘旋转时，由于产生的磁场b是变化的，故通过圆盘的磁通量Φ也是变化的，因此在圆盘里又有附加的电动势：

于是环形回路中的电流为

在一级近似情况下，且设磁导率μ＝μ0，取环形回路中心的磁场值为b值，即b＝，设B0很小，可以忽略，因此有2πa，为使＞0，即磁场随圆盘转动而增强，必须有ωa＞，在稳定状态时，则要求

设地核内相对转动的半径为地核半径的一半，考虑一理想回路模型，可以得到ω≈10－10/s这个量级在地核中是允许的。

另外还有一个问题需要说明，上述讨论中原始外磁场B0是如何来的？现在人们认为地球内部存在铁磁体，而铁磁体绕轴旋转可以产生一个弱磁场。根据理论计算，若铁磁体绕轴旋转频率为n，铁磁体沿其旋转轴方向磁化的磁化强度M为

M＝1．5×10－3n （A/m） 　（3．7）

对于地球来说，n＝（1/8．64）×10－4s－1，则有

M＝1．7×10－3n （A/m）

虽说这个数值比地球的平均磁化强度73A/m小很多，但它毕竟提供了在发电机理论中必不可少的原始外磁场B0。

图3.9 双圆盘发电机

上述单圆盘发电机模型虽能说明有一个稳定的地磁场，但难以解释地磁场的长期变化与磁极性反转。为了解决这一难题，科学家又提出了双圆盘发电机理论。如图3．9所示。两个圆盘之间存在非线性电磁耦合作用，圆盘角速度ω将受到扰动。与此相应，系统电流也发生变化。当电流扰动加大到一定的程度时，系统电流反向，并有可能围绕新的反向后的平衡位置摆动，结果磁场发生反转。由于双圆盘发电机模型解释了地磁场长期变化和地磁场方向反转的事实，增强了人们对发电机理论的信念，但这种理论与地核内部的真实过程可能还有很大的差距。