固体地球物理学导论(45).ppt

第四章,第四章 地球磁场与地磁学,地球磁场及其构成岩石磁性 地磁场起源假说地球的变化磁场古地磁学与地磁场变迁,第四章,4.1 地球磁场及其构成 早在两千多年前，中国人就知道任何利用了天然磁石的吸铁性和指极性,中国古代四大发明之一的指南针传人欧洲后,被发展用于航海导航。英国人威廉吉尔伯特(WilliamGilbert)才开始研究地磁现象的起因，他于1600年通过实验提出，地球类似一个大磁铁。这是人类第一次认识地磁场的全貌。,地球磁场发现,第四章,地球磁场图片（1）,SN,第四章,地球磁场图片（2）,第四章,4.1.1 地磁场要素 地磁场磁力线与地面相交的角度随地磁纬度有规律地变化。为了刻画地磁场在地面的特征，通常用一个直角坐标系来描述，即XOY平面与地面相切，原点在地面，z轴指向地心，x轴指向地理北，y轴指向东。地磁场B在各个轴上的投影分别为Z、X、Y，在XOY平面上的投影为H，B与XOY平面的夹角为I，H与x轴的夹角为D。B地磁总场(磁感应强度)H地磁水平分量 Z地磁垂直分量 X地磁北向分量 Y地磁东向分量 I地磁倾角 D地磁偏角,地磁要素,第四章,4.1.2 地磁场的构成 磁偶极子场 由于地磁场具有南北极的特点，极其相似于在地球球心处有一个磁铁所产生的磁场，而理论上将这种特征表示为位于球心处的磁偶极磁场。偶极场位函数球谐模型：这里这里,r 分别为纬度、经度和半径,（0，0）为磁轴在地面的坐标。,地磁偶极子场,第四章,大陆磁场 由于偶极场是一个简单的、变化有规律的磁场，与实际地磁场相差太大，故将这种具有全球性的、与大陆有关的磁场变化称为大陆磁场。偶极场和大陆磁场被称为基本磁场。基本磁场可以理解为地壳（或岩石圈的不同成分和结构，在偶极子场磁化下，产生的叠加磁场。基本磁场位的函数球谐模型：,地磁基本磁场,第四章,如果把半径为的球面上球谐系数写成复数系数形式，则地磁分量可写为：,地磁基本磁场（续）,第四章,地磁异常 由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，称之为地壳磁场，又称为异常场或磁异常。地磁偶极子场、大陆磁场和磁异常被称为稳定磁场。稳定磁场主要源于地球内部（占99%），有时也称内部磁场。地磁变化场 地磁的变化主要可分为长期变化和短期变化。长期变化主要由地球内部幔核物质运动所引起的地磁场变化，如磁极漂移、磁极倒转等；短期变化主要由太阳风作用与电离层扰动所引起的变化。,磁异常与变化磁场,第四章,磁学单位,4.1.3 磁学单位 目前磁学单位有两种体系，一个是国际单位制（SI），另一个是高斯单位制（CGSM）。SI制：磁场强度：A/m 安培/米 磁化强度：（1/4）103 A/m磁化率：无量纲 SI,10-5SI磁感应强度：T 特斯拉，10-9 T=1 nT 纳特,第四章,地磁场总场分布图,第四章,地磁场垂直分量分布图,第四章,地磁偏角分布图,第四章,地磁倾角分布图,第四章,卫星地磁异常图,第四章,4.2 岩石磁性 任何物质的磁性都是带电粒子运动的结果。原子是组成物质的基本单元，它由带正电的原子核及其核外电子壳屏组成。电子绕核沿轨道运动，具有轨道磁矩。电子还有自旋运动，具有自旋磁矩。这些磁矩的大小，与各自的动量矩成正比。原子核为带正电粒子组成，呈自旋转动，亦具有磁矩，但数值很小。因此，原子总磁矩是电子轨道磁矩、自旋磁矩、及原子核自旋磁矩三者的矢量和。各类物质由于原子结构不同，它们在外磁场作用下，呈现不同的宏观磁性。,物质及岩石磁性,第四章,4.2.1 物质的宏观磁性 抗磁性 在外磁场作用下，物质的磁化率为负值，且数值很小。抗磁性物质没有固有原子磁矩，受外磁场作用后，电子受到洛伦兹力作用，其运动轨道绕外磁场作旋进(拉奠尔旋进)，产生附加磁矩，其方向与外磁场相反，形成抗磁性。实际上它是物质的一种普遍性质，当外磁场去掉时，附加磁矩随即消失，并与温度无关。抗磁性磁化率一般约为10-5SI数量级。顺磁性 顺磁性物质受外磁场作用，其磁化率为不大的正值，这类物质中原子具有固有磁矩，当无外磁场作用时，热骚动使原子磁矩取向混乱。有外磁场作用，原子磁矩顺着外磁场方向排列，显示顺磁性。顺磁性磁化率与抗磁性磁化率一样，数值比较小，属同一量级。,抗磁质与顺磁质,第四章,铁磁性 在弱外磁场作用下，铁磁性物质即可达到磁化饱和，磁化率很大，可达102104 10-5SI，且具有下述磁性特征：磁化强度与磁化场呈非线性关系;铁磁性物质的磁化强度随磁化场变化，呈不可逆性。不同铁磁性物质磁滞回线不同;磁化率与温度的关系，服从居里魏斯定律。C是居里常数，当TTc，铁磁性消失，转变为顺磁质。一般铁磁体的Tc很高，例如硅(1043K)，钴(1388K)。,铁磁质,第四章,4.2.1 三大类岩石磁性 影响岩石磁性的主要因素 一般情况下，岩石的磁性是在其形成过程中获得的。由于岩石成份和形成过程的差异，岩石的磁性（磁化率）存在着很大差异。岩石磁性不仅与其矿物组成有关，而且与矿物结构构造以及所处的物理环境有关。大量岩石标本测试和统计以及岩石物理学研究结果表明，影响岩石磁性的主要因素有以下几个方面 铁磁性矿物含量 铁磁性矿物结构与颗粒大小 温度-压力,影响岩石磁性的主要因素,第四章,三大类岩石磁性特征 岩浆岩 岩浆岩是富含铁磁性矿物的岩石，因此，岩浆岩的磁性一般具有较高的磁性。但由于各种岩浆岩成份不同，矿物结晶程度不同，形成过程不同，其磁性也有很大的差异。一般而言，在岩浆岩的磁性在成份方面有以下规律：超基性岩基性岩中性岩 酸性岩在形成过程方面有以下规律：深成岩浅成岩火山岩体现了矿物结晶程度与岩石磁性的关系,三大类岩石磁性特征,第四章,沉积岩 沉积岩是原岩物质经过了风化、剥蚀、搬运、沉积过程形成的岩石，原岩物质的物理化学性质在这些过程会发生不同程度的改变。以致原有的磁性基本“丧失殆尽”。所以，沉积岩的磁性较低，磁化率属顺磁质范围，一般被称为“无磁性”岩石。变质岩 变质岩的磁性取决于原岩磁性和变质过程。一般而言，变质程度越高，其磁性越高，尤其是在高温高压条件下原岩物质发生重结晶，会使原岩磁性增高。对于沉积岩，变质后磁性多会有所增高；但对于岩浆岩来说，经过低温变质或热液变质岩变质，会使铁磁性矿物磁畴被破坏，磁性反而变低。,三大类岩石磁性特征（续）,第四章,基本磁场的成因,4.3 基本磁场的成因 在历史上曾经有过两种盛行的地磁成因说。其一是“铁磁成因说”,即认为地球本身好是一个均匀磁化的大磁铁。当地球物理学家提出地核是由铁镍合金组成的时候，这种学说似乎得到支持。可是，地球内部温度太高，远远超过铁的居里点。即使考虑居里点随压力的增加而增高也无济于事。故铁磁成因说不能成立。其二是“转动成因说”。认为地磁场起因于地球的转动，因为转动可以产生磁场。但由转动产生的磁场太弱，无法与实测值相比，而且按转动理论，距地心越近，磁场越强，这与实际情况不符。转动成因说也不能成立。任何一种合理的地磁成因论都必须从地球内部的结构和性质出发解释地磁场本身的特征。这些特征包括：第一，象高斯证明的那样，地磁场起因于地球内部；第二，地磁场存在着长周期的变化；第三，地磁场存在延伸数千公里的大陆磁场。,第四章,地磁“自激发电机”假说,4.3.1 自激发电机假说 随着人们对地球内部结构和物质组成的认识的深化，为新的地磁成因论的产生提供了可靠的事实基础。首先，地核的主要成分是铁镍质物质良导体；其次，外核提液态物质，而且存在对流；第三，地球在不停地地转动。这些事实为发电机理论创造了前提。地磁极的漂移现象，也为研究地核物质运动状态和能级提供了可能。地核内存在电流是肯定的，电流在导体中流动可以产生磁场，地磁场会是电流在地核这个运动着的导体中流动所产生的吗？而这样产生的磁场是否具有地磁场的上述特性呢？,第四章,地磁“自激发电机”假说（续一）,为了回答这些问题，首先让我们来分析一下法拉弟的圆盘发电机原理。金属圆盘在沿着与盘面垂直的轴线旋转，当此圆盘处于一个磁场中，盘内将产生感应电动势。若把圆盘中的感应电流回输到线路里，就形成自激发电，只要圆盘继续旅转，就会继续产生电流。这就从原理上解决了地磁场的成因和维持问题。,第四章,地磁“自激发电机”假说（续二）,然而实际地球磁场模型与上述这种均匀发电盘的“模式”并不一样。但是它却形象直观地给出了电流作功以维持磁场的过程。在地磁发电机的理论中、首先假定在核内存在着一个所谓初始A型磁场,电荷在初始磁场中发生X型运动，X型运动感应出B型磁场的运动，由于这个运动将感应出B型磁场。进而电荷在这个B型磁场中产生Y型运动，如此下去，就形成了地磁场。,第四章,地磁“自激发电机”假说（续三）,可以证明地磁极性的反转是稳态发电机中运动场被扰动的结果。它可能是对流运动固有的无规则属性的表现，也可能是磁场与运动两者非线性耦合、能量不断交换的结果。但这种扰动的源至今仍不清楚。建立一个耦合发电圆盘方程组：,第四章,地磁“自激发电机”假说（续四）,设两个圆盘转速为同一个常数时，用数值方法可求得与电流I1+I2角速度1+2成正比，且随时间T的变化。由图可以看出，由于两个盘之间的电磁耦合，以及圆盘角速度被扰动。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，结果磁场发生例转。耦合圆盘系统中，磁场倒转的事实，增强了人们对发电机理论的信念。但无论如何，它与地核内部可能的真实过程相差太远。与稳定发电机理论相比，非稳定发电机则更不完善。,第四章,地磁“自激发电机”假说（续五）,现代的自激发电机效应假说认为：液态地核内部由于重力分异、温差、压差等原因产生涡旋运动；由于地球绕轴自转所引起的回旋磁效应就存在一微弱初始磁场，虽比地磁场小10倍，但足以引起再生效应；地核电流体形成，通过感应方式电流自身形成的场又可连续不断地再生磁场，从而增强了原来的磁场，由于地核电流体持续运动而不断提供能量，因而引起一种自激发电机效应；由于能量的不断消耗和供应，磁场增强到一定程度就稳定下来，形成现在的地球基本磁场；由于地核内涡流系统的复杂性，宏观上表现为一个不稳定的自激发电系统，外界条件或内部因素有一定变化时，会出现极性倒转现象。这种假说不仅能定性地解释地磁偶极子场和非偶极子场起源，而且解释了地球磁轴倒转等现象，目前被认为是最可取的地磁成因理论。,第四章,地球的变化磁场,4.4 地球的变化磁场 如前所说，地磁场由两部分组成，一部分叫内源场，一部分叫外源场。外源场是不断变化的。变化磁场有的具有周期性，有的没有，有的形态规则，有的又不规则，有的连续出现，有的则偶然发作。地球的变化磁场有平静变化和扰动两种类型。前者由电离层中的电流体系引起，其特征是连续性和周期性，而扰动主要由太阳风引起，是地磁基本场和平静变化上迭加的干扰背景。变化磁场在地表比基本磁场要小得多，通常约为万分之几到千分之几，偶尔可达百分之几。变化场在地面上的数量虽小，但由于来源于高空，其空间分布和时间变化能反映高空各种电磁过程，对于研究高空物理现象、高空介质的性质和运动状态以及地下的电性结构等是重要的信息。,第四章,周期性变化,4.4.1 地磁场平静变化 平静变化又分为太阳日变化和太阳日变化两大类。前者由日照的变化，即热变化引起，周期为24小时；后者由潮汐运动所引起的周期为12.5小时(月潮)和12小时(日潮)。直接原因：太阳得热辐射作用，导致高空电离层(100km的E层和200kmF层)在地磁场中以太阴潮和太阳潮为周期作周期运动，从而建立高空电离层中的电流系统。地磁场的平静变化正是电离层中这种随季节、时间和地理纬度而不同的电流系统在地壳中产生的磁场之变化，变化磁场幅值为30-40nT。,第四章,电离层电流系统图,第四章,扰动变化与太阳风,4.4.1 地磁场扰动变化 地磁场的诸要素相对于平静磁场水平的任何偏离均称为地成扰动。扰动的幅度大小不等，从lnT到1000nT，持续时间不一，从几秒到几天，分布范围也不同，有全球性也有地方性的。强者称为磁暴，影响范围大，弱者称为磁扰，影响范围小。太阳风及其对地磁场的影响 人造卫星上天以前，人们一直认为地磁场是对称的和无限延伸的。根据空间探测的资料，发现地磁场是有边界的、不对称的，其延伸情况与太阳风有关。所谓太阳风是从太阳不断发山的高能带电粒子流，也就是说，太阳风具有磁场。这种带电离子流可以看成是一种附加于地球磁场上的压力波。压力波“吹”动地球的磁场并形成一个冲击“波前”。这就是地磁场的“边界”。在这个边界上，太阳风的能流密度和地磁场的能流密度相平衡。,第四章,扰动变化与太阳风（续）,很显然，地磁场之所以有边界是由于太阳风“吹动”的结果。这个边界以内的地球磁场叫地球磁层，边界就是磁层顶。磁层随地球自转顺转动。地磁层是不对称的。一般情况下，朝阳的一面，地磁层顶的高度只有7-10个地球半径，在太阳风激烈活动的，只有4-6个地球半径。反之，在背阳一侧，由于无太阳风的正面压力，地球磁场可以在宇宙空间延伸到几百个地球半径以外。整个地球的磁层就象一个拖着尾巴的慧星，它的延伸部分叫磁尾。,第四章,太阳风对磁层的作用示意图,第四章,磁暴,磁暴 所谓磁暴是指全球性同时发生的强烈磁扰，它是太阳活动喷发出来的粒子流与地磁场互相作用的结果。磁暴场可分为规则变化与不规则变化。磁暴包括暴时变化、扰日变化和极区磁亚暴，前两者属规则变化，而极区磁亚暴是不规则变化。暴时变化是磁暴的主要部分，反映了磁暴场的基本形态。磁暴场一般可分为三个阶段，即起始阶段(初相)，发展阶段(主相)和恢复阶段。磁暴具有27天的周期性。春秋居多，冬夏较少。,第四章,极区磁亚暴和极光,极区磁亚暴和极光 极区磁亚暴是一种区域性磁暴，一般限于高纬度地带。共延续时间较暴时发展阶段(数小时)要短的一种扰乱，在极区最强。极区磁亚暴不仅在磁暴过程中出现，有时也在比较平静的日子出现。极区磁亚暴在中低纬度地区幅度变化不大，形似海湾，又称磁湾，幅度可达几百或上千纳特。持续时间可从半小时到数小时。极区磁暴与电离层中的电流体系有关。事实上，极区磁暴和极光有着密切的联系。,第四章,古地磁学,4.5 古地磁学与地磁场变迁 古地磁学是近30年发展起来的，以测量岩石的剩余磁性来研究古代地磁场的科学。古地磁学的出现，标志着近代地球科学的重大进展。尤如古生物化石一样，借助于磁性“化石”。地质学家们不但可以进行岩层对比，而且可以研究不同范围约构造运动，从而为现今的板块构造说提供了极为重要的依据。为建立和完善板块学说起了重要的作用。,第四章,热剩磁,4.5.1 岩石剩磁 岩石剩余磁化强度是岩石在成岩过程中获得天然剩余磁化强度，它是岩石磁性的重要组成部分。由于形成剩余磁性的磁化历史(如磁化场，矿物成分，温度、及化学反应等)的不同，因而剩余磁性的类型、特点不相同。岩石剩余磁性的类型及特点 热剩余磁性(TRM)在恒定磁场作用下，岩石从居里点以上的温度，逐渐冷却到居里点以下，从通过居里温度开始，受磁化所获得的剩磁，称热剩余磁性(温度顽磁性，简称热剩磁)。,第四章,热剩磁（续）,热剩磁的特点：它的强度大。在弱磁场中，其热剩磁强度大致正比于外磁场强度；并与磁场方向一致。因此，火成岩的天然剩余磁化强度方向，一般代表了成岩时的地磁场方向。热剩磁具有很高的稳定性。剩磁随时间衰减的现象，叫做磁性弛豫。热剩磁的稳定，表现为其弛豫时间很长。实验表明，外磁场的变化，温度在200300内的热作用，很难影响热剩磁的变化。,第四章,碎屑剩余磁性,碎屑剩余磁性(DRM)沉积岩中含有从母岩风化剥蚀带来的许多碎屑颗粒，其中磁性颗粒(磁铁矿等)在水中沉积时，受当时的地磁场作用，使其沿地磁场方向定向排列，或者是这些磁性颗粒在沉积物的含水孔隙中转向地磁场方向。沉积物固结成岩后，按其碎屑的磁化方向保存下来的磁性，称碎屑剩余磁性(沉积剩余磁性，简称碎屑剩磁)。碎屑剩磁的特点：它的强度正比于定向排列的磁性颗粒数目。其强度比热剩磁小得多。形成碎屑剩磁的磁性颗粒大都来自火成岩，这些颗粒的原生磁性来自热剩磁，因此碎屑剩磁比较稳定。等轴状颗粒，其碎屑剩磁方向和外磁场(地磁场)方向一致。,第四章,化学剩余磁性,化学剩余磁性(CRM)在一定磁场中，某些磁性物质在低于居里温度的条件下，经过相变过程(重结晶)或化学过程(氧化还原)，所获得的剩磁，称化学剩余磁性(简称化学剩磁)。化学剩磁的特点：在弱磁场中，其剩磁强度正比于外磁场的强度。化学剩磁有较高的稳定性。在相同磁场中，化学剩磁强度只有热剩磁强度的几十分之一但大于碎屑剩磁强度。上述三种剩余磁性，又称为原生剩磁。,第四章,粘滞剩余磁性,粘滞剩余磁性(VRM)岩石生成之后，长期处在地球磁场作用下，随着时间的推移，其中原来定向排列的磁畴，逐渐地弛豫到作用磁场的方向，所形成的剩磁称粘滞剩余磁性。粘滞剩余磁性的特点：它的强度与时间的对数成正比。随温度增高，粘滞剩磁增大。裸露于地表的岩石，受昼夜及季节的温差变化的热骚动影响，随时间增长，会形成较强的粘滞剩磁。具有较大粘滞剩磁的岩石样品，不宜用于古地磁研究。,第四章,碎屑剩余磁性,等温剩余磁性(IRM)在常温没有加热情况下，岩石因受外部磁场的作用(比如闪电作用)，获得的剩磁称等温剩余磁性。等温剩磁是不稳定的，其大小和方向随外磁场变化。上述两种剩磁，是在岩石生成之后，因受某些外部因素的作用而获得的，因此称它们为次生剩磁。,第四章,岩石剩余磁性的成因,各类岩石剩余磁性的成因 岩石的天然剩磁，其形成的因素是复杂的。由成岩至今，经历各种地质作用，物理和化学的变化过程，这些都会影响剩余磁性。对岩石的原生剩磁，不同类型的岩石，其形成的原因不同。岩浆岩剩磁的成因 大量实际资料与实验资料表明，热剩磁是形成岩浆岩原生剩磁的原因。熔融岩浆由高温冷却，通常当温度降至1073K时开始凝固，形成各种固熔体。铁磁性矿物的居里点一般在973K以下。当岩浆岩由高于居里点温度，下降到铁磁性组分的居里点以下，受地磁场的磁化作用，磁性矿物磁畴排列到地磁场方向上，而获得强的磁性。随着温度继续下降，磁畴热扰动能量减小，不足以使磁畴体积变化和使磁畴转向，从而保留下来剩余磁性，即热剩磁。,第四章,岩石剩余磁性的成因（续一）,沉积岩剩磁的成因 沉积岩的生成与岩浆岩完全不同，没有高温冷却过程。沉积岩的剩余磁性，是通过沉积作用和成岩作用二个过程形成的。前者形成碎屑剩磁，后者成岩作用经受氧化和脱水过程，获得化学剩磁。因此，沉积岩的剩磁系碎屑剩磁与化学剩磁。,第四章,岩石剩余磁性的成因（续二）,变质岩剩磁的成因 变质岩的剩余磁性与其原岩有关，由岩浆岩变质生成的正变质岩，它可能有热剩磁。由沉积岩变质生成的副变质岩，它可能有碎屑剩磁与化学剩磁。,第四章,岩石剩余磁性与古地磁学,4.5.2 岩石剩余磁性与古地磁学 古地磁研究是地磁学的一个重要方面。它是通过测定岩石或古代文物(砖瓦、陶器和古冶炼炉等熔烧粘土制品)的原生剩磁，来研究地质史期和人类文明史期的古地磁场方向、强度及其演变规律。它已发展成为地学中重要的一门分支学科古地磁学。,第四章,极移和大陆漂移,极移和大陆漂移 在岩石的剩余磁性的稳定性以及地磁场是轴向偶极场两个假定的基础，让我们来看看古地磁学是怎样确定极移以及它对大陆漂移的贡献。假定通过古地磁标本的采集、校验和测定，求得剩余磁场的数值和方向等参数。然而只能在一定情况下，借助于专门的实验，根据古地磁的标本求得剩余磁场的磁矩及其方位参数I、D的情况下，求得地磁虚极的地理坐标。,第四章,极移和大陆漂移（续）,如果承认大陆在漂移，就可以根据古地磁测量结果计算公各大陆的漂移速度。以欧亚大陆为寒武武纪到观在(约五亿年)，古磁轴移动790，平均每年2厘米。与现代大地测量的结果完全吻合；古地磁研究表明，古生代时非洲、南美洲和澳大利亚几块大陆在古生代几亿年期间都是这连一起的。可见，古地磁资料为大陆漂移说提供了充分的依据。,第四章,大陆漂移演变示意图,第四章,地磁极倒转与海底扩张,地磁极倒转与海底扩张 研究岩石剩余磁性的一个十分重要的发现是地磁倒向，所谓地磁倒向是指地磁场改变自己方向为反方向的这种地磁观象。迄今所研究过的岩石约50是和现代地磁场方向相反或近似相反方向上被磁化的。这绝不是一个偶然现象。地磁倒向不仅在陆地，而且在海洋；不仅在沉积岩而且在岩浆岩等中都广泛发现。而且同时期的岩石剩磁倒向是世界范围的现象，有些岩石序列中还可测到极性倒向的过渡。记录表明，在过去8000万年中，大约平均每40万年倒向一次，第四纪以前一段时间内地磁的方向就与现在相反。,第四章,地磁极倒转与海底扩张（续）,第五章,第五章 地球的电磁感应和电性结构,如何研究地球内部电性特征？地球电磁感应的物理基础 电磁感应与地球内部的电导率中国地区深部电性结构研究,第五章,5.1 如何研究地球内部电性特征？1.地球内部物质电性特征的表象 地磁场的产生雷电大地回路接地自然电场两个概念：地下岩石电性存在差异性在外界地磁场作用下，会产生电磁感应,地球内部电性的表象,第五章,2.研究地球内部电性特征的基础手段观测电场观测磁场观测变化电场观测 电磁场观测变化磁场观测,地球内部电性的观测,第五章,3.大地电场与局部电场 根据研究目的的不同，我们可以把地球电磁场的观测分为大地电(磁)场观测和局部电(磁)场观测。大地电场指的是大范围内的区域电场，与地球内部圈层电性结构有关。局部电场则是由于局部地质造地带物理化学背景差异形成的，如地形的差异，物质成分的差异，局部电化学作用以及地下水或破碎带等均可形成局部电场。局部电场在地球物理勘探中可以直接应用，如利用电法勘探寻找金属与非金属矿藏，地下水及工程建设中的基础稳定性等。地电场本身存在着长周期变化和短周期的变化。前者难于准确进行记录，而后者(周期一般为一天以内)则与太阳活动有关，它也包括太阳日变化、地电暴、地电脉动等多种类型的变化。这种短周期变化的电场绝大部分是外源地磁场变化感应的产物。,大地电场与局部电场,第五章,5.2 地球电磁感应的物理基础 地球的变化磁场来源于外空电流体系，内源电磁场是外源场感应的结果。内源场的变化不仅与外源场的强度和分布有关而且还取决于地球内部电导率的分布。球体问题与平面问题 地球的变化磁场是全球范围大尺度的变化，这类变化场的电磁感应，须把整个地球作为研究对象，称为球体问题(电磁感应)；还有许多电磁场的异常变化只局限于局部地区，这时往往可以把局部地区视为无穷大平面，这类局部异常的电磁感应称为平面问题。,地球电磁感应的物理基础问题,第五章,周期性与源场效应 不论是全球性的还是局部性的地球电磁场的变化都还有周期与非周期变化之分，与此相应的电磁感应的理论方法也不相同。除了源场的时间特性外，它的空间尺度对感应场的影响也是电磁感应理论必须特殊考虑的重要问题，通常称为源场效应。球体电磁感应、平面电磁感应、以及源场效应等四个问题构成了电磁感应理论方法的基础，其他更复杂问题的处理方法多由此派生而来。,地球电磁感应的物理基础问题（续）,第五章,5.2.1 基本方程(1)麦克斯韦方程组,麦克斯韦方程组,第五章,假设有,地球电磁感应的物理基础,第五章,由 得,亥姆赫兹方程,第四章,谐波场的方程,(2)谐波场的方程E=E0 e-it，H=H0 e-it 边界条件：E1t=E2t,H1t=H2t,D1n=D2n,B1n=B2n,第四章,对于半无限介质，设平面电磁波垂直向下传播，建立坐标系，使Z轴向下，则有可解得Hx=Cxke-kz Ex=iCxke-kz,谐波场的方程,第四章,谐波场的方程,(2)谐波场的方程E=E0 e-it，H=H0 e-it 边界条件：E1t=E2t,H1t=H2t,D1n=D2n,B1n=B2n,第四章,谐波场的方程,趋肤深度 令k=b+ia，则有Ex=iCxke-kz=iCxke-bz-i(t+az)=Cxke-bz-i(t+az-/2),第四章,谐波场的方程,其振幅和相位为故称b为衰减系数，a为相位系数。当m1时，可忽略位移电流作用，则有b近似为=1/b为趋肤深度。电磁波的趋肤深度随电阻率增高或频率降低而增加。,第五章,5.3.2 地球内电导的机制 一般矿物的电导率随温度的增加呈指数上升，橄榄石等岩石的实验结果表明，当橄榄石行在适当压力和温度条件下，可相变为尖晶石时，电导率可以增加两倍。由此推断，上地幔400km深处电导率突变可能是由于橄榄石相变产生的效应。根据岩石矿物导电性能对温度和压力的依赖关系，故可由深部电导率的分布来推测地球内部的温度分布。另外，也有些矿物在加热时氧化，它对电导率的影响比较大。矿物中的部分熔化可能使整体的电导率增大很多，因此有人用部分熔化来解释上地幔的低速层和低电阻率层。也有人认为扩散、运移、汇聚对韧性下地壳低阻、低速层的形成有着重要作用。,地球内部的电导率,第五章,5.3 地球内部的电导率 5.3.1 地球内电导率的分布 地球电磁感应的理论表明，各种类型的地球电磁变化场都与地球内部的电导率有关。由于不同频率的源场对地球的穿透深度不同，同此利用各种不同频率变化场的电磁感应，便可获得地下不同深度电导率的信息-地球内部电导率。,地球内部的电导率,第五章,5.3 地球内部的电导率 5.3.1 地球内电导率的分布 地球电磁感应的理论表明，各种类型的地球电磁变化场都与地球内部的电导率有关。由于不同频率的源场对地球的穿透深度不同，同此利用各种不同频率变化场的电磁感应，便可获得地下不同深度电导率的信息-地球内部电导率。,地球内部的电导率,第五章,5.4 中国地区深部电性结构研究,中国地区深部电性结构研究,第五章,5.4 中国地区深部电性结构研究,中国地区深部电性结构研究,谢 谢！,待续,