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        理論和實踐依據



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


        1地磁場


          常所說的地磁場只能算作地球表面磁場,并不是地球的全球性磁場(又稱空間磁場),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。地球磁場是偶極型的,近似于把一個磁鐵棒放到地球中心,使它的N極大體上對著南極而產生的磁場形狀。實際上,地球中心并沒有磁鐵棒,普遍接受的理論:通過電流在導電液體核中流動的發電機效應產生磁場的


          美國科學家在試驗中發現,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,地球表面的人雖然感覺不到地球的自轉,但卻能感覺到地核旋轉所產生的質量場效應,就是它產生了地球的表面磁場。科學家在研究中還發現,地核的自轉軸與地球的自轉軸不在一條直線上,所以由地核旋轉形成的地磁場兩極與地理兩極并不重合,這就是地磁場磁偏角的形成原因。


          科學家們在對地磁場的研究中發現,地磁場是變化的,不僅強度不恒定,而且磁極也在發生變化,每隔一段時間就要發生一次磁極倒轉現象。地球磁場不是孤立的,它受到外界擾動的影響,宇宙飛船就已經探測到太陽風的存在。太陽風是從太陽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。


          因為太陽風是一種等離子體,所以它也有磁場,太陽風磁場對地球磁場施加作用,好像要把地球磁場從地球上吹走似的。盡管這樣,地球磁場仍有效地阻止了太陽風長驅直入。在地球磁場的反抗下,太陽風繞過地球磁場,繼續向前運動,于是形成了一個被太陽風包圍的、彗星狀的地球磁場區域,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5~7萬公里。在太陽風的壓縮下,地球磁力線向背著太陽一面的空間延伸得很遠,形成一條長長的尾巴,稱為磁尾。在磁赤道附近,有一個特殊的界面,在界面兩邊,磁力線突然改變方向,此界面稱為中性片。中性片上的磁場強度微乎其微,厚度大約有1000公里。中性片將磁尾部分成兩部分:北面的磁力線向著地球,南面的磁力線離開地球。


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

         


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        地磁要素互換關系如下:

         微信圖片_20191219152002.png


        地磁場由基本磁場、變化磁場和磁異常三個部分組成。測量地磁場中,研究對象所產生的磁場稱作磁異常,其他部分稱作正常場,或稱背景場,也稱基準場。地磁場是隨空間和時間變化而變化的矢量,與位置和時間有關系,在地表觀測到的地磁場B是幾種來源地磁場分量的疊加:

        B=Bn+Bm+Ba+Be+δB(t)

        式中,

        Bn-地球均勻磁化產生的磁場(均勻磁場);

        Bm-地球內部不均勻磁化產生的磁場(剩余磁場);

        Ba-地殼各表層磁化產生的磁場(異常磁場);

        Be-地球外部原因產生的磁場(外源磁場);

        δB(t)-隨時間變化的磁場(變化場)。


        而通常將Bn,Bm,Be之和稱為Bo,Bo叫正常磁場或基本磁場。一般地磁圖示出的磁場,又將Bn,Bm,Ba之和稱為Bi,Bi稱為內源磁場。地磁場中內源場約占磁場總強度的99%,外源場約占1%。內源場又可分為主磁場和地殼場,其中主磁場又包括偶極子磁場和非偶極子磁場,分別占總強度的85%和10%,地殼場強度基本不變,約占總強度的4%,外源場主要包括電離層場、磁層場和感應場,它們由空間電流體系產生,約占總強度的1%。地球磁場雖然主要來源于地球的內部,但研究表明,尤其是短期變化部分卻主要來源于地球以外,即由太陽的電磁輻射和粒子輻射(太陽風),以及宇宙線等在地球高空(電離層和磁層)引起的環電流等電磁現象,由此產生地球的高空磁場和相關的地磁現象如磁暴和極光等現象。磁暴是全球同時發生的強烈磁擾,持續時間約為1~3天,變化幅度可達102~103nT。微脈動持續時間為1秒~10分鐘,變化幅度為1-10nT。灣形磁擾持續時間或周期為1秒~10小時,磁場變化幅度為102~103nT。太陽日變化,變化周期或持續時間為24小時,磁場變化幅度為20~30nT。太陰日變化,變化周期或持續時間為25小時,磁場變化幅度為1~2nT。內源場主要變化類型有:非偶極型磁場變化、磁極移動、磁極性轉變、主磁場產生機制、主磁偶極矩振蕩等,一般變化周期較長,通常需要幾年到幾萬年甚至上億年,故一般短期磁場變化部分主要考慮外源場對地磁變化的影響。此外,鐵磁性物體在地磁場運動導致地磁變化,也是造成外源場變化的重要因素。

         

        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,可以把鐵磁性目標簡化成磁偶極子模型,不考慮地磁背景場情況下,磁場總強度B大小可以由下列公式計算出來。

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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 P 產生的磁場 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系


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