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理论和实践依据



地球物理学是用物理学理论和方法研究地球内部结构、构造和动力过程,包括位场理论和波动理论。位场理论包括地球重力场、磁场、温度场、自然电场及直流电场,相应科学分支有重力测量、磁力测量、地热流测量和电法测量;波动理论包括声学理论、地震波理论和电磁波理论,相应的科学分支有水深测量、地震测量和电磁测量


1地磁场


  常所说的地磁场只能算作地球表面磁场,并不是地球的全球性磁场(又称空间磁场),它是由地核旋转形成的。地球的内部结构可分为地壳、地幔和地核。地球磁场是偶极型的,近似于把一个磁铁棒放到地球中心,使它的N极大体上对着南极而产生的磁场形状。实际上,地球中心并没有磁铁棒,普遍接受的理论:通过电流在导电液体核中流动的发电机效应产生磁场的


  美国科学家在试验中发现,地球内外的自转速度是不一样的,地核的自转速度大于地壳的自转速度。也就是说,地球表面的人虽然感觉不到地球的自转,但却能感觉到地核旋转所产生的质量场效应,就是它产生了地球的表面磁场。科学家在研究中还发现,地核的自转轴与地球的自转轴不在一条直线上,所以由地核旋转形成的地磁场两极与地理两极并不重合,这就是地磁场磁偏角的形成原因。


  科学家们在对地磁场的研究中发现,地磁场是变化的,不仅强度不恒定,而且磁极也在发生变化,每隔一段时间就要发生一次磁极倒转现象。地球磁场不是孤立的,它受到外界扰动的影响,宇宙飞船就已经探测到太阳风的存在。太阳风是从太阳日冕层向行星际空间抛射出的高温高速低密度的粒子流,主要成分是电离氢和电离氦。


  因为太阳风是一种等离子体,所以它也有磁场,太阳风磁场对地球磁场施加作用,好像要把地球磁场从地球上吹走似的。尽管这样,地球磁场仍有效地阻止了太阳风长驱直入。在地球磁场的反抗下,太阳风绕过地球磁场,继续向前运动,于是形成了一个被太阳风包围的、彗星状的地球磁场区域,这就是磁层


  地球磁层位于地面600~1000公里高处,磁层的外边界叫磁层顶,离地面5~7万公里。在太阳风的压缩下,地球磁力线向背着太阳一面的空间延伸得很远,形成一条长长的尾巴,称为磁尾。在磁赤道附近,有一个特殊的界面,在界面两边,磁力线突然改变方向,此界面称为中性片。中性片上的磁场强度微乎其微,厚度大约有1000公里。中性片将磁尾部分成两部分:北面的磁力线向着地球,南面的磁力线离开地球。


 地球磁场是地球的物理性质之一,它是空间质与量的客观分布存在。地磁场是矢量场,它直接影响着地球系统中一切带电、带磁物体的运动学特性,可为地球上一切运动和静止的物体提供天然坐标系。地磁场是稳定、可靠的自然资源,地磁资源是公共的,地球上每一点的地磁矢量是唯一确定的。在直角坐标系下,地磁要素有 (7)磁偏角D、磁倾角I 、总磁场强度T 、垂直磁场强度Z、水平磁场强度H(包含水平X分量(北向)、水平Y分量 (东向)

 


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地磁要素互换关系如下:

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地磁场由基本磁场、变化磁场和磁异常三个部分组成。测量地磁场中,研究对象所产生的磁场称作磁异常,其他部分称作正常场,或称背景场,也称基准场。地磁场是随空间和时间变化而变化的矢量,与位置和时间有关系,在地表观测到的地磁场B是几种来源地磁场分量的叠加:

B=Bn+Bm+Ba+Be+δB(t)

式中,

Bn-地球均匀磁化产生的磁场(均匀磁场);

Bm-地球内部不均匀磁化产生的磁场(剩余磁场);

Ba-地壳各表层磁化产生的磁场(异常磁场);

Be-地球外部原因产生的磁场(外源磁场);

δB(t)-随时间变化的磁场(变化场)。


而通常将Bn,Bm,Be之和称为Bo,Bo叫正常磁场或基本磁场。一般地磁图示出的磁场,又将Bn,Bm,Ba之和称为Bi,Bi称为内源磁场。地磁场中内源场约占磁场总强度的99%,外源场约占1%。内源场又可分为主磁场和地壳场,其中主磁场又包括偶极子磁场和非偶极子磁场,分别占总强度的85%和10%,地壳场强度基本不变,约占总强度的4%,外源场主要包括电离层场、磁层场和感应场,它们由空间电流体系产生,约占总强度的1%。地球磁场虽然主要来源于地球的内部,但研究表明,尤其是短期变化部分却主要来源于地球以外,即由太阳的电磁辐射和粒子辐射(太阳风),以及宇宙线等在地球高空(电离层和磁层)引起的环电流等电磁现象,由此产生地球的高空磁场和相关的地磁现象如磁暴和极光等现象。磁暴是全球同时发生的强烈磁扰,持续时间约为1~3天,变化幅度可达102~103nT。微脉动持续时间为1秒~10分钟,变化幅度为1-10nT。湾形磁扰持续时间或周期为1秒~10小时,磁场变化幅度为102~103nT。太阳日变化,变化周期或持续时间为24小时,磁场变化幅度为20~30nT。太阴日变化,变化周期或持续时间为25小时,磁场变化幅度为1~2nT。内源场主要变化类型有:非偶极型磁场变化、磁极移动、磁极性转变、主磁场产生机制、主磁偶极矩振荡等,一般变化周期较长,通常需要几年到几万年甚至上亿年,故一般短期磁场变化部分主要考虑外源场对地磁变化的影响。此外,铁磁性物体在地磁场运动导致地磁变化,也是造成外源场变化的重要因素。

 

2)磁异常探测理论


当磁探测传感器位置与铁磁性目标的距离大于3倍目标几何尺寸时,可以把铁磁性目标简化成磁偶极子模型,不考虑地磁背景场情况下,磁场总强度B大小可以由下列公式计算出来。

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式中,

μ—磁导率;

m—磁偶极子磁矩;

r—距离;

θ—方位。

它在空间一点 P 产生的磁场 Br分布示意图如下图所示:

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由此公式可知,磁感应强度大小与距离成立方衰减关系


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