主磁场的长期变化

地磁场长期观测表明，地球基本磁场不是恒定不变的，而是随时间有缓慢的变化，其时间尺度为若干年，这种变化称为地磁场的长期变化。地磁场长期变化的时空分布是追踪地球内部物质运动的重要线索，是固体地球物理的重要课题之一。地磁场长期变化主要表现在地球磁矩衰减、偶极子场和非偶极子场的西向漂移。这些变化具有全球性的统一特征，一般认为它是来源于地核内部或核幔边界。

15.5.1 磁偏角和偶极矩强度的变化

最早长期变化现象较为系统的记录是磁倾角和磁偏角的变化。图15-12是400年来伦敦和巴黎磁倾角与磁偏角的矢量图。由图可以看出，磁倾角和磁偏角的变化在相当长的一段时间（几十年）内表现为单调的增减变化。表15-1列出了伦敦、巴黎和罗马的磁偏角长期变化的情况。由表可以看出极大值到极小值的时间间隔约为240年。因此磁偏角的长期变化似有500年左右的周期。

图15-12 伦敦与巴黎磁倾角与磁偏角的矢量图

许多地磁台的长期观测均表明各地磁要素的平均值都有显著的逐年变化。通常用某一年的长期变化率来表示这一年地磁要素的变化大小。t0年的长期变化率（年变率）的定义是

式中，F2与F1是t2年与t1年某地磁要素的平均值，t0=（t2-t1）。

表15-1 伦敦、巴黎与罗马的磁偏角长期变化

和地磁图一样，也可以把各地磁要素的年变率的等值线绘于地图上，这种等值线图称为地磁场长期变化图。图15-13是1980年世界地磁场垂直强度长期变化图，图中有几个中心（也称为焦点）处年变率较大。

由于地球主磁场由偶极子场和非偶极子场组成，故人们常常用偶极矩强度的变化、地磁极移动、非偶极磁场的西向漂移、磁极倒转和急变等特征来描述主磁场长期变化的整体特征。

地磁偶极矩的大小反映了地磁场偶极子部分的总体强度。图15-14是自从有磁场强度绝对值观测以来地磁偶极矩的长期变化，观测结果表明，目前磁矩的衰减率为dm/dt=-4.2× 1019A·m2/a，所以磁矩的相对衰减率为-5.3×10-4/a。

这说明了在最近100年内，地球磁矩衰减了5.3%。若假定这种衰减趋势今后一直维持的话，大约2000年后磁偶极子磁场不复存在。但是古地磁研究表明，地球偶极磁矩可能具有周期性变化，并不是单调衰减的。图15-15是考古地磁给出的1万年以来地球偶极磁矩的变化。图15-16是由古地磁资料得到的12万年以来磁矩变化，可以看出地球磁矩变化有某种周期性。

图15-13 世界地磁场垂直强度长期变化图（1980.0年代）（单位：n T/a）

图15-14 地磁偶极矩的长期变化

图15-15 1万年以来地磁偶极矩的变化

图15-16 12万年以来地磁偶极矩的变化

15.5.2 磁极移动

不仅地磁要素的数值随时间变化，而且南北磁极的位置也随时间变化，如表15-2所示。地球磁极的缓慢移动是地磁场长期变化的一个重要特征。

表15-2 各年代的磁极位置

地磁极的移动反映了偶极子轴与地球自转轴夹角的变化。分析表明，在足够长的时间间隔内，地磁极的平均位置与地球自转极的位置相差不大。

15.5.3 主磁场的西向漂移

主磁场西向漂移是主磁场长期变化的重要特征之一，也是地磁学中研究最早的一个课题。早在1683年，哈雷分析了当时能够收集到的地磁场测量资料（包括航海家测量的磁偏角数据和陆上磁偏角的复测数据），发现地磁场有一个整体西移的趋势，西移的速度平均约0.5°/a。他估计，地磁场漂移一周（360°）大约需要700a。随着观测数据的增加和积累，地磁场西漂的事实被确切地肯定下来，表现出如下特征：

（1）全球磁场西漂的平均速度约为0.2°/a。

（2）西漂并不是全球一致的现象，不同地区西漂速率存在着很大的差异，最明显的西漂发生在大西洋、欧洲和美国，而东太平洋、西亚、加拿大、澳大利亚和南极洲的西漂很慢。

（3）漂移的速率随时间而变化，不同地区西漂速率的变化没有明显的相关性。

（4）西漂主要发生在地磁场非偶极子部分，正是几块大尺度磁异常的西漂构成了地磁场西漂的宏观表象。相反，由地磁极移动和地磁轴旋转所反映的地磁场偶极子部分的西漂并无定论。

（5）西漂不仅发生在主磁场中，也发生在主磁场的长期变化中。例如在Y分量长期变化图中，零变线通过赤道的位置由1912年的15°W变化到1980年的25°W，平均每年西漂0.15°。

15.5.4 主磁场极性倒转

地磁场极性倒转是地磁场长期变化的重要特征，也是地磁学最伟大的发现之一。这一发现极大地推动了地球科学的革命，成为全球构造理论（板块学说）的重要观测基础之一。

岩石通常含有多种矿物成分，其中或多或少有一些铁磁性矿物。在火成岩形成的过程中，当岩浆温度降到其中所含的铁磁性矿物的居里点以下时，这些矿物被当时当地的地磁场所磁化，从而使岩石获得磁性。温度继续降到常温以后，一部分磁性被保留下来，成为岩石的剩余磁性，简称剩磁。这种由热磁化过程获得的剩磁叫作热剩磁。在沉积岩的形成过程中，磁性矿物碎屑大致沿当时当地的磁场方向定向排列，从而获得沉积剩磁，或称碎屑剩磁。与此相似，海底沉积、湖底沉积、黄土沉积在其形成过程中也获得剩余磁性。岩石在成岩过程中，由于在常温下氧化等化学反应、相变或结晶增长等原因获得的化学剩磁与地磁场有密切关系。除此之外，等温剩磁、黏滞剩磁、压剩磁等也与地磁场有关。古砖瓦、古陶器等通常含有一些磁性矿物，在焙烧过程中它们会获得热剩磁，这种热剩磁同样与地磁场有关。因此，岩石和古物可以提供过去某个时期地磁场特征的有用资料。

20世纪初有人发现，有些岩石的剩余磁化方向和现在的地磁场方向恰好相反。以后的观测证明，这是一个相当普遍的现象，且和岩石的形成年代有关。对于某一地质时期的岩石，剩余磁化方向几乎完全和现代地磁场方向相反，而在另一时期，则又完全相同。这种磁化转向是世界范围的现象，不同地点和不同类型的岩石，磁化方向在时间上是一致的。这个现象只能用地磁场本身发生反转来解释。这种情况称为地磁场反转。观测表明，地磁场曾发生了许多次的反转。图15-17列出了450万年来地磁极性年表。最初发现，近400万年有三次地磁场反转。0～70万年为正向时间，称为布容正向期；70万～250万年是反向的，称为松山反向期；250万～330万年又是正向的，称为高斯正向期；再向前是反向的吉尔伯特期。

这些“期”是以研究地磁学的学者的名字命名的。“期”的长度约百万年数量级。以后通过更精细的观测，发现在这些“期”内还存在着更短的反转现象，称为“事件”。于是在正向“期”中存在着反向“事件”，在反向“期”中存在着正向“事件”。这些“事件”以发现地名来命名，“事件”的持续长度比“期”约短一个数量级。在图15-17中由火成岩得出的极性年表里，450万年期间有过25次极性反转，每一次极性的持续时间从1万～70万年不等，平均持续时间为18万年。