Магнитное поле Земли: происхождение, элементы магнитного поля Земли, характеристика, значение в познании земных процессов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Лекция № 1. Раздел геофизики - Магнитометрия

Тема: Магнитное поле Земли: происхождение, элементы магнитного поля Земли, характеристика, значение в познании земных процессов



В отличии от гравитационного, магнитное поле Земли (геомагнитное поле) в значительно большей степени зависит от строения и свойств литосферы, поскольку многие источники магнитного поля, вносящие свой вклад в общее геомагнитное поле, располагающиеся именно в литосфере до глубин 100 км. История формирования литосферы самым тесным образом связана с магнитными свойствами пород, с магнитным полем Земли. Земля представляет собой гигантский магнитный диполь, поле которого проявляется на поверхности Земли и выходит далеко в околоземное пространство. Ось магнитного диполя приблизительно на 11,5^о отклонена от земной оси

Изучение магнитного поля Земли даёт качественно новую информацию о глубинном состоянии вещества её недр, которая не может быть получена другими геофизическими методами.

Магнитные явления и наличие у Земли магнитного поля были известны человечеству с глубокой древности. Так же давно эти явления использовались людьми для практической деятельности (например, применение компаса в Китае). Со второй половины XIX века измерение напряженности магнитного поля проводилось для поисков магнитных руд (Швеция), однако до сих пор природа как геомагнитного, так и гравитационного поля не выяснена.

Основными параметрами геомагнитного поля являются полный вектор напряженности и его составляющие по осям координат. Значения параметров магнитного поля Земли зависят, с одной стороны, от намагниченности всей Земли как космического тела (нормальное поле), а с другой стороны, разной интенсивности намагничения геологических формаций, обусловленной различием магнитных свойств пород и напряженности магнитного поля Земли, как настоящее время, так и в прошедшие геологические эпохи (аномальное поле).

Происхождение магнитного поля пытаются объяснить различными причинами, связанными с внутренним строением Земли. Наиболее достоверной и приемлемой гипотезой, объясняющей магнетизм Земли, является гипотеза вихревых токов в ядре (впервые высказана в 1916 году в Англии Лармором). Она основана на том установленном геофизическим путём факте, что на глубине 2900 км под мантией (оболочкой) Земли находится «жидкое» ядро с высокой электрической проводимостью. Благодаря так называемому гиромагнитному эффекту и вращению Земли могло возникнуть очень слабое магнитное поле. Наличие свободных электронов в ядре и вращение Земли в таком магнитном поле привело к индуцированию в ядре вихревых токов, которые создают (регенерируют) магнитное поле, как это происходит в динамо-машинах. Увеличение магнитного поля Земли приводит к новому увеличению вихревых токов в ядре, которое в свою очередь, вызывает увеличение магнитно поля. Процесс подобной регенерации не бесконечен и продолжается до тех пор, пока рассеяние энергии вследствие вязкости ядра и его электрического сопротивления не компенсируются добавочной энергией вихревых токов и другими силами.

Горные породы, слагающие литосферу, обладают разными магнитными свойствами, намагничиваются и приобретают под воздействием доминирующего магнитного поля планеты индуцированный магнетизм. Поэтому наблюдаемое на земной поверхности или вблизи неё магнитное поле обусловлено совокупным влиянием множества источников, располагающихся в объёме литосферы, особенно железорудных ел и горных пород, магнитные свойства которых велики и зависят от содержания и распределения в них ферромагнитных минералов, таких как магнетит, титаномагнетит, ильменит, пирротин, гематит и др.

Основными параметрами геомагнитного поля являются полный вектор магнитной индукции Т_н и его составляющие по осям координат: вертикальная (Z) и полная горизонтальная (Н), а также склонение - D и наклонение I (рис.1)



Рис. 1 Элементы магнитного поля Земли

Значения параметров магнитного поля Земли зависят, прежде всего, от намагниченности всей Земли как космического тела, близко по форме к намагниченной сфере, и считающееся нормальным полем

На фоне нормального поля выделяются аномалии, обусловленные различными причинами. В одних случаях причиной возникновения аномалий является резкая неоднородность магнитных свойств литосферы или большие скопления в её верхних частях железных руд. Аномалии подобного рода называют материковыми, и они могут вдвое превышать значение нормального поля. В других случаях аномалии геомагнитного поля возникают как следствие разно интенсивности намагничения геологических объектов (руд), обусловленной различием магнитных свойств пород и напряженности магнитного поля Земли в настоящее время и в прошедшие геологические эпохи. Такие аномалии называют локальными.

Магнитное поле Земли подвержено медленным изменениям - вековым вариациям. Помимо таких «медленных вариаций» наблюдаются более сжатые во времени (до нескольких часов или двух-трёх суток) изменения геомагнитного поля - магнитные бури. Во время прохождения магнитных бурь изменение магнитного поля может составлять несколько процентов от нормального магнитного поля. На рисунке (рис.2) отлично виден характер суточных вариаций магнитного поля Земли.

Рис.2 Солнечно-суточные вариации элементов земного магнетизма

Измеряемым параметром магнитного поля является вектор магнитной индукции (или плотность магнитного потока) Т = мТ_н, где Т_н - напряженность магнитного поля в вакууме, м - магнитная проницаемость среды, показывающая, во сколько раз магнитное поле в данной среде больше, чем в вакууме. Единицей магнитной индукции в системе СИ - тесла (Тл); более мелкие единицы - микротесла (мкТл), равная 10^-6 Тл, и нанотесла (нТл), равная 10^-9 Тл. Раньше, когда ещё не было квантовых и протонных магнитометров измерялись вертикальная (Z), и горизонтальная (H) составляющие вектора напряженности магнитного поля; в судоходстве практикуется измерение магнитного склонения (D).

На магнитных полюсах Земли вертикальная составляющая магнитной индукции геомагнитного поля примерно равна ±60 мкТл (горизонтальная составляющая равна нулю), на экваторе горизонтальная составляющая приблизительно равна 30 мкТл (вертикальная составляющая равна нулю).

Приборы для изучения магнитного поля называются магнитометрами и служат для измерения либо относительных значений, т.е. приращения параметров поля (?T, ?Z, ?H) по отношению к какому-нибудь опорному пункту, или их абсолютные значения (T, Z, H) с погрешностями 0,01 - 1 нТл.

Измерение элементов магнитного поля производят в стационарных или походных обсерваториях. Геологические и геоэкологические задачи, как правило, решаются в ходе воздушных или наземных магнитометрических съёмок с использованием аэромагнитных станций или полевых магнитометров типа ММ-60М (квантовый магнитометр), МПП-203 (протонный магнитометр), или их более совершенных модификаций, в том числе и магнитометров-градиентометров.

Распределение значений элементов магнитного поля на поверхности земли изображаются на магнитных картах в изолиниях того или иного параметра. Карты значений T, H и Z называются картами изодинам; карты с изолиниями значений склонения (D) называются картами изогон; восточному склонению приписывают знак плюс, а западному - минус. Карты равных наклонения (I) называются картами изоклин. Для учёта магнитных вариаций на середину года каждого пятилетия строятся карты вариаций, которые называются картами изопор.

Магнитосфера и радиационные пояса Земли

магнитный поле горный ось

Магнитное поле земли существует не только вблизи земной поверхности, но и на больших расстояниях от неё, что обнаружено с помощью космических ракет и межпланетных космических станций. На расстоянии 10-14 земных радиусов геомагнитное поле встречается с межпланетным магнитным полем и с полем солнечного ветра, Солнечный ветер представляет собой истечение плазмы солнечной короны в межпланетное пространство. Скорость частиц солнечного ветра огромна - около 400 км/с, число протонов (корпускул) - несколько десятков в 1 см³, температура - до 1,5 - 2 млн. градусов. На границе магнитного поля Солнца и магнитного поля Земли напряженность составляет около (0,4 - 0,5) *10^-2 А/м.

Область действия магнитного поля Земли называется магнитосферой, а её внешняя граница - магнитопаузой (рис. 3). На геомагнитное поле существенно влияет солнечный ветер. Благодаря этому влиянию магнитосфера имеет сложную каплевидную сформу: на стороне, обращенной к Солнцу, она сжата, на противоположной стороне - сильно вытянута, образуя магнитный «хвост».

Рис. 3 Строение магнитосферы Земли

Простирается магнитосфера на огромные расстояния, наименьшее - в сторону Солнца - достигает 10 - 14 земных радиусов, наибольшее - с ночной стороны - около 16 радиусов Земли. Магнитный хвост имеет ещё большие размеры - простираясь на сотни земных радиусов.

В дальних областях хвоста плазма мантии за счет диффузии опускается в плоскость земного экватора и заполняет внутреннее пространство хвоста. В результате образуется плазменный слой. Сверху над этим слоем располагается положительно заряженный, а внизу - отрицательно заряженный слой.

Магнитосфера задерживает потоки солнечного ветра, не пропуская их к поверхности Земли. Солнечный ветер как бы огибает земной шар и смещается на ночную сторону, вытягивая в этом же направлении магнитные силовые линии. Деформация магнитных силовых линий связана с тем, что потоки солнечной плазмы несут с собой как бы «вмороженное» магнитное поле, которое взаимодействует с магнитосферой Земли.

Взаимодействие магнитного поля Солнца с магнитным полем Земли приводит к образованию ударного фронта, имеющего вид параболоида. На границе ударного фронта давление солнечного ветра уравновешивается давлением магнитного поля Земли. При усилении солнечного ветра магнитосфера уплотняется, приближаясь к поверхности Земли, а при ослаблении - расширяется, удаляясь от неё.

В районе магнитных полюсов магнитосфера отсутствует, и частицы солнечного ветра могут достигать земной поверхности через так называемые полярные щели, или каспы, и вызывать полярные сияния. Однако основная доля солнечного ветра дрейфует в хвост магнитосферы, образуя плазменную мантию.

При встрече с магнитосферой Земли солнечные протоны в среднем имеют энергию около 1 кэВ, а электроны - значительно меньше - порядка нескольких электрон-вольт. Часть высокоэнергетических протонов и электронов способна проникать внутрь магнитосферы и удерживаться в ней в отдельных областях, получивших название радиационных поясов. При этом, электроны, обладающие меньшей энергии образую внешний пояс, а протоны - внутренний. - плазмосфере. Магнитное поле Земли оказывается более мощным и препятствует электронам и протонам проникать к поверхности Земли. В магнитосфере протоны и электроны совершают «бесконечные» спиралевидные перемещения то в верхних, то в нижних слоях атмосферы (до 100 км), которые стали для них магнитной ловушкой. Эти потоки электронов и протонов и образуют радиационные пояса. Лишь космические лучи с очень большой энергией (более 1 ГэВ) способны преодолеть магнитную оболочку и долететь до поверхности Земли независимо от географической широты.

Установлено, что на электроны действуют не только магнитные силы, но и электрические силы. В этом огромна роль магнитного хвоста - именно благодаря нему, электроны ускоряются и собираются в лентообразную структуру пучков.

Протоны тоже совершают перемещение в магнитосфере вдоль магнитных силовых линий, но поскольку их энергия больше, чем у электронов, то они более свободны в своём движении.

На широте 65^о внешний электронный пояс находится на расстоянии 4-6 земных радиусов (25-38 тыс. км).

Максимум внутреннего протонного пояса расположен на расстоянии 3,5 радиуса Земли (22 тыс. км).

Внутри плазмосферы, вблизи поверхности Земли существует второй электронный пояс. Вблизи полюсов он располагается на расстоянии 100 км, однако основная его част находится на расстоянии 4,4-10 тыс. км.

Мощность радиации в радиационных поясах огромна - сотни и даже тысячи биологических эквивалентов рентгена (БЭР) в сутки. Поэтому космические корабли с космонавтами на борту запускают на орбиты, располагающиеся ниже этих поясов, чтобы обезопасить их от воздействия губительной радиации. На орбитах радиусом 400 км космонавты получают в год дозы радиации, равные 5 БЭРам, считающимися безопасным для лиц, работающих с ядерными излучениями.

В жизни Земли магнитосфера играет огромную роль. Если бы она отсутствовала, то потоки солнечного ветра, не встречая сопротивления, устремлялись бы к поверхности Земли и оказывали губительное воздействие на все живые существа, включая человека. Магнитосфера препятствует этому и служит броневым щитом биосферы от заряженных частиц.



Аномалии геомагнитного поля

Состояние окружающей среды в параметрах геомагнитно поля может быт оценено по его аномальным проявлениям на поверхности Земли. Поэтому давайте обсудим содержание понятия «магнитная аномалия». Магнитная аномалия - это отклонение величин элементов земного магнетизма от нормальных значений, которые наблюдались бы в данном месте в случае однородного намагничения Земли. На земном шаре есть много районов, где геомагнитное поле претерпевает резкие изменения на протяжении нескольких километров и даже метров. В таких районах по сравнению с окружающими территориями, магнитное склонение и наклонение могут отличаться на десятки градусов. Подобные скачки элементов магнитного поля указывают на наличие в земных недрах геологических тел, обладающих повышенной намагниченностью, с высоким содержанием ферромагнитных минералов, обладающих высокой магнитной восприимчивостью. Аномалии могут иметь большие размеры и интенсивность. В качестве примера можно назвать Курскую магнитную аномалию. Здесь склонение изменяется в пределах ±180^о и часто стрелка компаса вместо севера показывает запад, а иногда - юг. Напряженность аномального магнитного поля составляет 80 - 120 А/м, что в 2-3 раза превышает напряженность магнитного поля Земли.

Аномалии могут быть положительными и отрицательными. Положительной считается такая аномалия, когда вертикальная составляющая напряженности (или магнитной индукции) над телом совпадает по направлению с вертикальной составляющей нормального поля. В противном случае аномалия будет отрицательной. Классическим примером положительных аномалий являются Курская магнитная аномалия и аномалия Кривого Рога. Отрицательные аномалии, обусловленные обратным намагничиванием подстилающих пород, наблюдаются в Ангаро-Илимском районе над вулканическими «трубками взрыва». Большинство положительных аномалий находится в Северном полушарии, а отрицательных - в Южном. Иногда положительные и отрицательные аномалии соседствуют друг с другом.

В зависимости от размеров магнитные аномалии делят на материковые, региональные и локальнее. Предполагается, что причиной возникновения материковых аномалий являются процессы, происходящие н границе нижней мантии и ядра. Региональные и локальные аномалии обусловлены намагниченными породами земной коры.

Материковые аномалии имеют в длину в поперечнике до нескольких тысяч километров и соизмеримы с континентами. Из материковых аномалий (Восточно-Азиатской, Запдно-Африканской, Северо-Американской, Запдно-Европейской) наиболее интенсивной и правильной по форме является положительная Восточно-Азиатская аномалия, охватывающая по площади всю Азию и часть Европы. Наиболее мощная отрицательная Западно-Африканская аномалия занимает Африку и часть Атлантического океана.

Региональные магнитные аномалии занимают площади в сотни и тысячи квадратных километров. Самая большая из них - Курская (КМА) площадью около 120 тыс. км² Интересно, что на КМА имеется ряд местных магнитных полюсов, т.е. таких точек, где магнитное наклонение равно 90^о. Эта аномалия образована пластами магнетитовых железистых кварцитов с содержанием железа более 50%.

Локальные аномалии обычно занимают площадь от километра. До 15-20 км² и, как правило, образованы скоплением металлических руд с высокой магнитной восприимчивостью.

Сильные магнитные аномалии могут образовываться при ударе молний в породы, содержащие железо. Размеры таких аномалий - несколько квадратных метров. При ударе о поверхность Земли астероидных тел происходит размагничивание горных пород на значительной территории вокруг места их падения.

В подавляющем большинстве случаев интенсивность магнитных аномалий не превышает 10% интенсивности главного магнитного поля Земли.

Объектом исследования геологов являются региональные и локальные аномалии, чья природа обусловлена их магнитными свойствами. Магнитные свойства в различной степени присущи всем горным породам. Важнейшими свойствами являются магнитная восприимчивость и остаточная намагниченность Магнитная восприимчивость (К) характеризует способность вещества менять свою намагниченность под воздействием внешнего магнитного поля. Это величина безразмерная и меняется от 10⁵ большинство осадочных горных и магматических горных пород) до ед СИ (магнетит, титаномагнетит, ильменит). В зависимости от числового значения и знака магнитной восприимчивости все природные тела делят на три группы: диамагнитные, парамагнитные и ферромагнитные. Для диамагнитных веществ магнитная восприимчивость очень низкая и отрицательная, для парамагнитных - тоже низкая, но положительная, ферромагнитные вещества обладают высокой положительной магнитной восприимчивостью. Правда разброс значений магнитной восприимчивости и для ферромагнетиков весьма высокий - от 10^-3 ед. МИ, до ед. СИ (магнетит).

У диамагнитных веществ (кварц, мрамор, графит, медь, золото, серебро, свинец, вода и др.) намагниченность пропорциональна напряженности магнитного поля и направлена навстречу ему, т.е. такие тела не притягиваются к магниту, а отталкиваются от него. Диамагнитные вещества способствуют ослаблению магнитного поля и способствуют образованию отрицательных магнитных аномалий.

У парамагнитных веществ (метаморфические и изверженные породы, щелочные металлы и др.) намагниченность также пропорциональна напряжённости магнитного поля, но в отличие от диамагнетиков, имеет одинаковое направление с современным магнитным полем.

У ферромагнитных веществ (железо, никель, кобальт и содержащие их породы) намагниченность значительно больше, чем у диа- и парамагнитных веществ, не пропорциональна напряжённости магнитного поля, сильно зависит от температуры и « магнитной предыстории» вещества, те. обладают остаточной намагниченностью.

Экспериментально установлено, что при увеличении напряженности магнитного поля, действующего на ферромагнетики, намагниченность их экспоненциально возрастает до некоторого, различного для разных ферромагнетиков, до «намагниченности насыщения». Затем, если напряженность постепенно снижать, то даже при нулевой напряженности, намагниченность будет сохраняться. Чтобы полностью размагнитить ферромагнетик, необходимо приложить напряженность противоположного знака. Величина такой силы называется коэрцитивной силой. Если проделать эксперимент в обратном направлении, то получим график намагниченности, который называется «петлей гистерезиса».

Магнитная восприимчивость пара и ферромагнетиков уменьшается с повышением температуры и практически исчезает при температуре Кюри, которая у разных минералов меняется от +400 до +700^оС. Таким образом, с учетом сказанного, глубинность магниторазведки примерно составляет 25-50 км. На больших глубинах температуры недр превышают точку Кюри, и все залегающие здесь породы становятся практически одинаково немагнитными.

Наличие остаточной намагниченности ферромагнетиков послужило средством изучения характера изменения магнитного поля в истории Земли, для реконструкции миграции полюсов и инверсий знака полярности, для оценки скорости движения литосферных плит, в решении задач экологии и археологии.

При выполнении магнитометрических (магниторазведочных) работ производят измерения элементов магнитного поля, и по ним выявляет аномалии.

Процедура определения аномалии такова: из измеренного значения, например, полного вектора магнитной индукции, Т_и вычитают значение нормального поля в данной точке. Значение нормального поля берут из таблиц магнитных обсерваторий, в которое вносят поправку за дрейф, которая берётся с карты изопор ближайшего пятилетия и, учитывая скорость дрейфа, умножают на число лет, прошедших после составления карт изопор. Например, измерения производились в 2007 г. тогда, берём карту изопор, составленную на середину 2005 года («эпохи» 2005 года), и умножаем это значение на 2. Внеся эту поправку, мы узнаем значение нормального поля в пункте измерений: Т_а = Т_и - Т_н.

В свою очередь Т_н складывается из значения поля магнитного диполя, плюс материковой аномалии и космической составляющей магнитного поля (считается постоянным и находится по таблицам). Таким образом, Т_а будет отражать локальную аномалию. В измеренное значение магнитной индукции также вносится поправка за вариацию магнитного поля.

В магниторазведочной практике, как правило, для выявления аномалий пользуются не абсолютными, а относительными значениями измеренных параметров - ?T_а, ?Z_а, ?H_а, т.е. приращение параметров относительно опорного (контрольного) пункта с известным значением этого параметра - T_o, и Z_o.

Часто, в выражениях для относительных параметров ?T_а, ?Z_а, ?H_а, принимается, что T_o и Z_o на опорном пункте равны нулю. Это допустимо, если изучаемая площадь не превышает нескольких дестков квадратных километро. Для съёмок больших территорий необходимо знать T_o, и Z_o, т.е. «привязывать» опорные пункты к системам сети нормального магнитного поля Земли.

Результаты магнитных съёмок (воздушных, наземных, аквальных) изображаются в виде графиков T_a, ?T_a, ? Z_a.(профилей), карт профилей и карт изодинам. На графиках по горизонтальной оси откладываются пикеты, по вертикали - аномалии магнитного поля (положительные значения - вверх, отрицательные - вниз). При построении карт профилей на карте наносятся профили наблюдений, а перпендикулярно им откладываются аномалии. На картах у каждой точки записываются аномальные значения магнитного поля и проводятся линии равных значений - изолинии. Сечение изолиний при построении карт должно быть в 2-3 раза больше точности определения аномалии.

Результаты магнитных исследований в дальнейшем подвергаются интерпретации, которая может быть качественной, когда даётся визуальное описание аномалий и их характеристика.

Для определения формы, размеров и свойств аномалообразующих объектов выполняется количественная интерпретация, которая выполняется по известным методикам, притом при участии, как геофизиков, так и геологов, геоэкологов.

Помимо задач изучения глубинного строения земной коры, поисков и разведки месторождений полезных ископаемых, магниторазведка находит широкое применение для изучения геологической среды. При изучении географической оболочки, включая верхнюю часть геологического разреза При решении экологических задач, магниторазведка используется, прежде всего, на этапах как общего, так и специализированных видов картирования.

Высокая точность современных полевых магнитометров (погрешность около 1 нТл) обеспечивает возможность разделения по литологии пород по степени их намагниченности. Детальные, в том числе микромагнитные, съёмки можно использовать для изучения участков под ответственное строительство с целью литолого-стратиграфического расчленения пород и выявления их трещиноватости. Эти же методики можно применять для выявления трещино-картсовых полостей. Периодически повторяемые детальные съёмки оплзней, в которых заглублены металлические стержни, обеспечивают возможность определения направления и скорости их движения. Детальная магнитная съёмка и каппаметрия (полевые определения магнитной восприимчивости) несут информацию о концентрации гумуса и солей в почвах, загрязнённости грунтов тяжелыми металлами, отходами промышленного производств, нефтехимическими продуктами.

Нельзя не сказать и о воздействии магнитного поля на живые организмы. Аномальные проявления геомагнитного поля способно негативно воздействовать на биоту в целом и на человеческий организм в частности. Магнитное поле может быть раздражающим фактором, не приводящим к серьёзным экологическим последствиям. Однако при достижении определённой интенсивности (поле техногенного происхождения) оно может стать поражающим фактором.

Способность организмов реагировать на магнитное поле Земли может быть обусловлена наличием в их клетках скоплений магнетита органического происхождения. Кроме того, организм сам является источником магнитного поля, которое может взаимодействовать с внешним полем.

Геомагнитное поле - это часть общего магнитного поля Земли, имеющего потенциальный характер. Основой является закон Кулона, описывающий взаимодействие магнитных масс (элементарных дипольных масс):

, где

F - сила взаимодействия магнитных масс m₁ и m₂, r - расстояние между взаимодействующими массами, m_а - абсолютная магнитная проницаемость, равная:

m_а= m₀*m, где

m₀=4p*10^-7 Гн/м- проницаемость вакуума а m - относительная магнитная проницаемость.

Если Землю представить как космическое тело имеющую массу m₂, то согласно закону Кулона она будет притягивать массу m₁, с силой равной напряженности магнитного поля - Н:

при условии, что, m=1 т.е. среда не магнитная. Потенциал магнитного поля для элементарных магнитных масс, как и гравиметрический потенциал, обладает свойством аддитивности, т.е. складываемости:

Суммарное магнитное поле Земли складывается из: 1) постоянного геомагнитного поля, которое представляет собой поле диполя большого намагниченного шара, 2) материкового поля, созданного породами глубинных структур, 3) переменного магнитного поля, под действием которого формируются в Земле вихревые токи. Последние вызывают магнитную индукцию:

, где

- магнитная индукция, - напряженность магнитного поля.

Магнитная индукция измеряется в теслах (Тл). В магниторазведке принята дробная величина - 1 нТл, которая равна 10^-9 Тл.. Напряженность магнитного поля измеряется в А/м.

Схематически геомагнитное поле Земли представлено в форме намагниченного шара, которое представляет собой диполь, изображенный на рис.4

Рис. 4. Схема формирования геомагнитного поля Земли

Магнитная ось Земли наклонена по отношению к оси вращения под углом 11⁰. При этом, северный магнитный полюс находится с противоположной стороны северного географического полюса, но условно его принимают со стороны этого северного. Существует инверсия полюсов, которая происходит в период более 0,5 млн. лет.

Основной показатель магнитного поля, суммарный магнитный вектор Т и его вертикальная проекция Z (рис.5).



Рис. 5. Элементы геомагнитного поля

Другими показателями являются магнитное склонение - D, магнитное наклонение - I, северная проекция Х -, западная (восточная) проекция - У. На полюсах Т = Z = 0,66*10⁵ нТл при Н = 0. На экваторе Т = Н = 0,33*10⁵ нТл при Z = 0

Н_т = Н_о + Н_м + Н_а + Н_вн + dН (1.34), где

Н_т - суммарное магнитное поле, Н_о - поле диполя Земли, Н_м - поле материковое,

Н_а - аномальное поле, Н_вн - внешнее поле, dН - поле магнитных вариаций.

Нормальное поле, т.е. поле диполя и поле материковое формирует общее направление геомагнитного поля от северного к южному магнитному полюсу.

Аномальное поле - это поле от намагниченных геологических тел.

Внешнее поле - поле от объектов помех, например: всевозможных металлических сооружений.

Поле вариаций - это вариации:

1) вековые;

2) годовые;

3) суточные (солнечно-суточные и лунно-суточные);

4) магнитные бури.

Происхождение магнитного поля Земли связывается с существованием в ядре слабых вихревых токов, которые вследствие вращения Земли и под действием гидромагнитного эффекта приводят к первоначально слабому эффекту магнитной индукции. Последний вновь вызывает вихревые токи. Этот процесс "диффундирует" (последовательно передает) к поверхности Земли, где компенсируется поверхностными токами. В результате на земной поверхности постоянно существуют геомагнитное поле, которое в разной степени деформировано в зависимости от намагниченности тех или иных геологических тел.

Магнитные свойства горных пород

Все природные объекты в том числе горные породы делятся на две группы: 1) диамагнетики (магнитная проницаемость m<1), 2) парамагнетики (магнитная проницаемость m>1). В группе парамагнетиков выделяются специфические группы ферро-, ферри- и антиферромагнетиков с m>>1. Природа магнетизма обусловлена структурой спин-орбитальных моментов атомов под действием магнитного поля. Ферро-, ферри- и антиферромагнетики очень сильные природные магниты, внутренняя структура которых содержит специальные области - домены. До действия магнитного поля они скомпенсированы между собой, во время действия поля - они ориентируются вдоль него, а после действия поля домены возвращаются в исходное положение

Эти объекты являются природными магнитами. Их немного, но их присутствие определяет магнитные свойства горных пород.

Магнитные свойства минерального состава горных пород в основном определяются примесью ферромагнитных минералов (магнетит, гематит, самородное и метеоритное железо и др.). Магнитные свойства изменяются в зависимости от стадии преобразования только у одноименных и парамагнитных литологических разностей, в частности у аргиллитов. Это связано с изменением пористости, поскольку заполненные водой, нефтью или газом поры диамагнитны. Следовательно, с увеличением пористости намагниченность пород уменьшатся. В противовес этому у диамагнитных пород изменение пористости не приводит к увеличению или уменьшению магнитных показателей.

1) Охарактеризовать сущность и природу магнитных аномалий. Объяснить инверсию геомагнитных полюсов, как изменение направления геомагнитного поля на обратное с интервалами от 0,5 до 50 млн. лет

2) Составить картину формирования магнитного поля Земли, включая образование магнитных свойств, как способности горных пород намагничиваться под воздействием внешнего магнитного поля

3) Составить алгоритм решения обратных задач магниторазведки и дать краткие пояснения однозначности или неоднозначности их решения.

4) Объяснить какие вариации магнитного поля Земли учитываются при проведении магнитных съемок.

5) Дать пояснение нормального геомагнитного поля земной поверхности.

6) Составить типовые модели геологических сред с включением натурных и техногенных объектов, характеризующихся неодинаковыми магнитными свойствами.

Тесты рубежного контроля раздела 1-В

1. Вопрос: Какие элементы магнитного поля изучают в магниторазведке?

Ответ: Полный вектор напряженности. Северная и восточная составляющие магнитного поля. Полный вектор T, вертикальная составляющая Z, горизонтальная составляющая Н, раскладывающаяся на составляющие Y и X, угол наклонения I и угол склонения D.

2. Вопрос: На какие классы делятся вещества по их магнитным свойствам?

Ответ: Магнитные и немагнитные. Парамагнитные и ферромагнитные. Диамагнетики, парамагнетики с обособленной группой ферро-, ферри- и антиферромагнетиков. Классы ферро- и антиферромагнитных свойств.

3. Вопрос: Каков принцип работы протонного (ядерного) магнитометра?

Ответ: На основе кручения нити с подвешенной магнитной массой. На основе прецессии, создающейся ядром водорода. На основе прецесии паров щелочного металла. На основе феррозонда.

4. Вопрос: В каком виде изображаются результаты магнитных съемок?

Ответ: В виде карт и план-графиков. В форме геолого-геофизических разрезов. В виде таблиц измеренных значений магнитного поля.

5. Вопрос: В чем заключается решение обратной задачи магниторазведки?

Ответ: В автоматизированной обработке данных. В подборе (сопоставлении) расчетного и наблюденного графиков. В выводе формул для заданного геологического объекта.



Литература

Основная:

1. Геофизика: учебник /Под ред. В.К. Хмелевского. - М.: КДУ, 2007. - С. 42-627.

2. Знаменский В.В. Общий курс полевой геофизики. Учебник. - М.: Недра, 1989. - С. 81-99, 105-131.

Дополнительная:

1. Федынский В.В. Разведочная геофизика. Учебное пособие. - М.: Недра, 1967. - 219-278.

2. Геофизические методы исследования. (Под редакцией В.К.Хмелевского). Учебное пособие. - М.: Недра, 1988. - С. 43-75.

3. Вахромеев В.С. и др. Петрофизика: Учебник для вузов. - Томск: Из-во Том. Ун-та, 1997. - С. 81-147.

4. Бондаренко В.М., Лумпов Е.Е., Лыхин А.А. Интерпретация геофизических данных. Учебное пособие. - М.: Из-во МГГА, 1993. С. 67-81.

Размещено на Allbest.ru

...