现代地磁场基本特征

8．1　现代地磁场基本特征

8.1.1　地磁场要素

地磁场是一个既有大小又有方向的矢量场，人们是通过测量地磁场要素了解和研究地磁场的。

对近地表空间任意一点，取直角坐标系，x轴水平指向正北(地理北)，y轴水平指向正东，z轴垂直向下(图8－1)。地磁场矢量T在该坐标系下可以分解成3个分量，即沿x轴的“北分量(X)”、沿y轴的“东分量(Y)”和沿z轴的“垂直分量(Z)”。T在水平面上的投影也可以称作地磁场矢量的水平分量(H)，显然，北分量、东分量是H分别在x轴、y轴上的投影。定义H与x轴的夹角为该点地磁场的磁偏角(D)、T与水平面的夹角(即T与H的夹角)为该点地磁场的磁倾角(I)。上述7个物理量，T、X、Y、Z、H、D、I统称地磁要素，7个量之间的关系是:

图8－1　地磁场要素图示

T2=H2+Z2=X2+Y2+Z2

X=H×cos D;Y=H×sin D;Z=H×tan I;H=T×cos I

tan I=Z/H;tan D=Y/X

由于一些要素可以由另一些要素按照上述关系导出，不同的观测系统给出的地磁要素观测记录也不相同。

对地磁场的直接观测已经有几百年的历史。观测表明，近地表空间的任一点的地磁要素和另外一点的地磁要素不尽相同，换言之，地磁要素的分布是关于大地坐标的函数。为了了解地磁要素和大地坐标的关系，人们开展了各种类型的观测，包括地表磁测、航空磁测、海上磁测、卫星磁测和地磁台定点持续观测等(其中地磁台的观测还在于了解地磁要素随时间变化的特征)，依据这些观测，提出了多种地磁场分布的模型。其中最有影响的模型是基于19世纪中叶高斯提出的地磁场球谐级数分析方法建立的“国际地磁参考场”(international geomagnetic reference field，IGRF)。IGRF是对地磁要素所有观测数据的一种最佳拟合，利用这个模型可以很快了解某一坐标点下各地磁要素的基本特征，但不是这一点的真实测量值，而是基于全球主要观测数据对这一点的一种最佳估计值。

8.1.2　地磁场的组成

地球内部包含着极其复杂的物质和物理过程，经历着与外部空间的相互作用，地磁场是这些物质和过程所产生的磁场的总和。对磁性地层学研究最有意义的是了解近地表空间(指一般地质作用所涉及的近地表空间)地磁场的主要特征。

近地表空间的地磁场包含稳定场和变化场，两者都有起源于地球内部的成分(称为内源场)和起源于地球外部的成分(称为外源场)。与古地磁学相关的是内源场中的稳定场部分，它包含地核里产生的磁场和岩石磁化产生的磁场，有时候前者被称作地磁场的“主磁场”或“基本磁场”，后者被称作“磁异常场”。

古地磁样品中提取出来的剩磁主要是古时候地球主磁场留下的信号，在一般的沉积岩中很弱，常规的地磁测量基本不能识别;但当这种剩磁信号很强、存在于相当大规模分布的火成岩或铁矿体中时，就会形成明显的区域性的磁异常。本章下文要关注的大洋磁异常就是洋壳玄武岩的剩磁引起的。

8.1.3　地球主磁场的基本特征

在近地空间，地球主磁场的分布很接近于一个置于地心的偶极子产生的磁场，但这个偶极子的轴和地球的旋转轴有11．5°的夹角(图8－2)。磁力线指向北，总体在南半球向上、磁倾角为负;北半球向下、磁倾角为正。

图8－2　现代地磁场的偶极子模型
(据McElhinny＆McFadden，2000)

这个模型占现代地球主磁场的80%以上，主磁场中其他成分称为非偶极子场。如图8－2所示，地心偶极子轴延线和地表的交点称为地磁极(geomagnetic pole)，但该点在实际观测中并不是磁倾角等于90°的地点，非偶极子成分使磁倾角等于90°的地点(称为磁极，magnetic pole)偏离了偶极子场的地磁极。过地心、垂直于偶极子的平面在地表切出的大圆称为地磁赤道，理论上讲，地磁赤道各点的磁倾角等于零。同样是由于非偶极子场成分的影响，实际观测到的磁倾角等于零的地点分布在地磁赤道附近，而不完全与之重合(图8－2)。

地磁场在高纬度地区强度大(地磁极附近最大达约60μT);在低纬度地区强度弱(在地磁赤道附近最小处约30μT)。

8.1.4　地磁场的长期变和轴向地心偶极子模型

在固定点上的持续测量可以确定地磁场的变化特征。变化场也包含很多成分，已经观测到的不同成分的变化周期可以从瞬间到几十年，例如地磁脉动、地磁日变、磁暴、太阳黑子周期变化等。但这些短周期的变化幅值基本在地磁场强度千分之一的量级或更小，在地质记录中体现不出来。

人们将地球基本磁场随时间的缓慢变化叫地磁场的长期变化(secular variation)，简称“长期变”。长期变较早从欧洲的地磁台记录中得到确认，后来利用古地磁、考古地磁方法广泛发现于快速沉积的沉积物和慢速冷却的火成岩中(图8－3)。大量的观测统计发现，长期变包含非偶极子场长期变和偶极子场长期变两种成分。前者周期大约在百年以下，后者周期为数千年。非偶极子场长期变成分可以利用世界不同地区约100年期间内的观测数据平均掉，而偶极子场长期变成分则需要在平均掉非偶极子场长期变的基础上用近万年的观测数据平均掉(McElhinny＆McFadden，2000)。

图8－3　美国俄勒冈州东南部Fish湖全新世沉积物记录的地磁场长期变现象
(据Butler，1998)

平均掉长期变以后的数据显示，在万年时间尺度上平均的地磁场更像一个轴向中心偶极子形成的磁场，地磁极在地理极的位置上。在地磁学和古地磁学中称这个模型为地心轴向中心偶极子模型(geocentric axial dipole，简称GAD)。在GAD模型下，平均的地磁倾角(I)和地理纬度(ψ)之间存在一个很简单的函数关系，即tan I=2tanψ。

这样一个关系式能够很好地帮助我们理解“虚地磁极”(virtual geomagnetic pole，简称VGP)的概念。近地表任一点的地磁场方向总是指向地磁极的，那么从观测点沿磁场方向前进(90°－ψ)的球面距离就到达了磁极的位置，对现代地磁场而言，这个点就是通过观察点的地磁要素确定的“地磁北极”。但由于观察点的地磁要素受非偶极子场、长期变等因素影响，由每一个观测点确定的极的位置并不是平均的GAD极的位置，所以将根据某一观测点的地磁要素换算出来的地磁极称为虚地磁极。

VGP在古地磁学和考古地磁学中是一个非常重要的概念。我们所谓的对古代地磁场的平均，很多情况下是通过对VGP的平均实现的。例如，在图8－4中，每一个磁极的位置都来源于对世界各地年龄差别不超过约100年的VGP的平均。这样平均出来的地磁极被认为消除了非偶极子场长期变的影响，可以代表历史上“某一时刻”(年龄精确到约100年)的地磁极位置。从图8－4中我们不难看出，不同“时刻”的地磁极位置不同，这就是偶极子场的长期变。将所有“时刻”的地磁极落到同一投影图上［图8－4(a)］，很明显，这些磁极围绕在地理极附近分布。所以说，在长时间尺度上平均(对图8－4而言是1万年)，地磁极和地理极是一致的。

图8－4　地磁极位置在过去的1万年间的变化，其中每一个点代表该点附近100年内全球不同地点数据的平均
(据Ohno＆Hamano，1992)

对现代地磁场的观测只有几百年的历史，根据这些观测推算的磁极位置［图8－4(f)中的黑方点］和地理极位置显然不一致。可以说，这几百年的观测也只是获得了地磁场变化历史长河中的几个“点记录”。更老的地磁场记录只能依靠古地磁技术获得，所以，人们又将GAD模型称作古地磁场模型。