Глава 2. Магнитное поле Земли. Элементы магнитного поля Земли и их вариации.

В любой точке земной поверхности существует магнитное поле, которое определяется полным вектором напряженности Т (В_Т). Вдоль вектора Т устанавливается подвешенная у центра тяжести магнитная стрелка. Проекция этого вектора на горизонтальную поверхность и вертикальное направление, а также углы, составленные этим вектором с координатными осями, носят название главных элементов магнитного поля (рис. 4). Если ось х прямоугольной системы координат направить на географический север, ось у – на восток, а ось z – по отвесу вниз, то проекция полного вектора Т на ось z называется вертикальной составляющей и обозначается Z. Проекция полного вектора T на горизонтальную плоскость называется горизонтальной составляющей (H). Направление H совпадает с магнитным меридианом. Проекция T на ось х называется северной (или южной) составляющей; проекция T на ось y называется восточной (западной) составляющей. Угол между осью х и составляющей H называется склонением и обозначается D. Принято считать восточное склонение положительным, западное – отрицательным. Угол между вектором T и горизонтальной плоскостью называется наклонением и обозначается J. При наклоне вниз северного конца стрелки наклонение называется северным (или положительным), при наклоне южного конца стрелки – южным (или отрицательным). Взаимосвязь полученных элементов магнитного поля Земли выражается с помощью формул: , , ,

Семь элементов земного магнитного поля можно выразить через любые три составляющие. При магнитной разведке измеряют лишь одну-две составляющие поля (как правило, Z, H или T).

Рисунок 4. Элементы земного магнитного поля.

Распределение значений элементов магнитного поля на земной поверхности обычно изображается в виде карт изолиний, т. е. линий, соединяющих точки с равными значениями того или иного параметра. Изолинии склонения называются изогонами, изолинии наклонения – изоклинами, изолинии H или Z соответственно изодинамами H или Z. Карты строят на 1 июля и называют их картами эпохи такого-то года. Например, на рис. 4 приведена карта эпохи 1980 г.

Рисунок 5. Полная напряженность магнитного поля Земли для эпохи 1980 г. Изолинии Т проведены через 4 мкТл (из книги П.Шарма "Геофизические методы в региональной геологии").

Единицей магнитной индукции в системе СИ является тесла (Тл). В магниторазведке используется более мелкая единица нанотесла (нТл), равная 10^-9 Тл. Так как для большинства сред, в которых изучается магнитное поле (воздух, вода, громадное большинство немагнитных осадочных пород) μ₀ = 4π – 10^-7 Гн/м = const , то количественно магнитное поле Земли можно измерять либо в единицах магнитной индукции (в нТл), либо в соответствующей ей напряженности поля – гамма (γ).

Происхождение магнитного поля Земли пытаются объяснить различными причинами, связанными с внутренним строением Земли. Наиболее достоверной и приемлемой гипотезой, объясняющей магнетизм Земли, является гипотеза вихревых токов в ядре. Эта гипотеза основана на том установленном геофизическом 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 во время ее образования могло возникнуть очень слабое магнитное поле. Наличие свободных электронов в ядре и вращение Земли в таком слабом магнитном поле привело к индуцированию в ядре вихревых токов. Эти токи, в свою очередь, создают (регенерируют) магнитное поле, как это происходит в динамомашинах. Увеличение магнитного поля Земли должно привести к новому увеличению вихревых потоков в ядре, а последнее – к увеличению магнитного поля и т.д. Процесс подобной регенерации длится до тех пор, пока рассеивание энергии вследствие вязкости ядра и его электрического сопротивления не скомпенсируется добавочной энергией вихревых токов и другими причинами.

В первом приближении магнитное поле Земли может быть уподоблено полю однородно намагниченного шара, или полю диполя (T₀), расположенного в области центра Земли. Ось такого диполя по отношению к оси вращения Земли составляет 11,5°. Места выхода продолжений оси этого диполя на земную поверхность называют геомагнитными полюсами. Принято считать магнитный полюс, близкий к северному географическому полюсу (между ними около 1400 км), южным (отрицательным) геомагнитным. Наоборот, магнитный полюс, находящийся в Антарктиде, – северным (положительным) геомагнитным полюсом. На полюсах вертикальные составляющие магнитной индукции примерно равны ±60 мкТл, а горизонтальные – нулю. На экваторе горизонтальная составляющая приблизительно равна 30 мкТл, а вертикальная – нулю.

Как видно из карты T (рис. 5), геомагнитное поле Земли заметно отличается от поля диполя, образуя по крайней мере 4 (две в северном, одну в южном, одну в Африке) мощные геомагнитные аномалии. Их называют материковыми, или континентальными (T_м), а происхождение связывают с наличием дополнительных магнитных диполей на верхней (~3000 км) и нижней (~5000 км) границах "жидкого" ядра. На территории России находится положительная часть Восточно-Азиатской аномалии.

Нормальным (или главным) геомагнитным полем (Т_н) принято считать поле однородно намагниченного шара (Т_о) и дополнительных диполей в ядре, обуславливающих материковые аномалии (Т_м), т. е. Т_н=Т_о+Т_м Карта эпохи какого-то года является Международным эталонным геомагнитным полем или нормальным магнитным полем. Карты Т_н принято строить через 5 лет. Они несколько изменяются за эти годы, что объясняется как вариациями поля во времени, так и появлением новых данных глобальных магнитных съемок (космических, воздушных, наземных, аквальных).

Отклонения наблюденных значений магнитных векторов (T) от нормального поля будут составлять аномалии региональные (Т_р) или локальные (Т_л) в зависимости от площади, на которых они получены: Т_а=Т–Т_н=Т_р+Т_л. Аномальная часть постоянного магнитного поля Земли несет в себе информацию о геологическом строении верхних слоев земной коры.

Региональные аномалии – например, Курская – простираются на больших территориях и связаны с наличием крупных структур, сложенных породами и железными рудами с высокими магнитными свойствами. Находясь в магнитном поле Земли, они намагнитились и создали добавочное аномальное поле, превышающее нормальное поле в отдельных местах в 2 – 4 раза.

Локальные аномалии обусловлены разной намагниченностью геологических структур или залежей руд. Региональные и локальные аномалии бывают положительными и отрицательными. За положительные принято считать те, для которых Т_а и Z_а совпадают с соответствующей составляющей нормального поля, а отрицательные – те, для которых они противоположны по направлению. В северном полушарии и на территории России преобладают положительные аномалии.

Таким образом, полное постоянное магнитное поле Земли (Т) складывается из нормального и аномального полей:

Т = Т₀ + Т_м + Т_р + Т_л = Т_н + Т_а

Наблюдения магнитного поля Земли в течение длительного времени и палеомагнитные исследования показывают, что напряженность магнитного поля и его элементы меняются во времени. Эти изменения получили название вариаций. Принято различать четыре вида магнитных вариаций: вековые, годовые, суточные и магнитные возмущения (бури).

Вековые вариации магнитного поля происходят в течение длительных периодов времени в десятки и сотни лет и приводят к значительным изменениям среднегодовых элементов земного магнетизма. Под изменением того или иного элемента магнитного поля (вековой ход) понимают разности значений этих элементов в разные эпохи, деленные на число лет между эпохами. Вековой ход рассчитывается по обобщенным данным глобальных магнитных съемок за прошедшие 5 лет. Выявлен ряд периодов изменения поля в 500 – 2000 – 5000 лет и более. Вековые вариации различны в разных регионах. Имеется несколько зон (фокусов), в которых изменения поля максимальны. Эти фокусы перемещаются по земной поверхности. Например, за 1942 г. в Индонезии вариации Z достигли +130 нТл, а на юге Каспийского моря +110 нТл. Возникновения вековых вариаций, видимо, объясняются процессами, протекающими внутри Земли (в ядре и на границе ядра с мантией).

На постоянное поле Земли накладывается переменное магнитное поле или вариации (годовые, суточные, магнитные бури), вызванные внешними процессами, происходящими в ионосфере. Годовые вариации – это изменения среднемесячных значений напряженности магнитного поля. Они характеризуются небольшой амплитудой (десятки нТл).

Суточные вариации связаны с солнечносуточными и лунносуточными изменениями напряженности геомагнитного поля из-за изменения солнечной активности. Максимума вариации достигают днем и при противостоянии Луны. Годовые и суточные вариации являются плавными, периодическими, невозмущенными вариациями. Их интенсивность возрастает от экватора к полюсам, достигая 200 нТл.

Кроме невозмущенных вариаций, существуют возмущенные вариации, к которым относятся непериодические импульсные вариации и магнитные бури. Магнитные бури бывают разной интенсивности – до 1000 нТл и более, чаще в северных и южных широтах. Они возникают спорадически и проходят по всей земной поверхности либо одновременно, либо с запаздыванием на несколько часов. Продолжительность магнитных бурь колеблется от нескольких часов до нескольких суток. Намечается четкая связь между интенсивностью магнитных бурь и солнечной активностью. В годы максимумов солнечной активности, период которых около 11 лет, наблюдается наибольшее число бурь. Магнитные бури зависят от возмущений в ионосфере, которые, в свою очередь, связаны со вспышками на Солнце и приходом на Землю корпускулярных потоков. Магнитным бурям сопутствуют полярные сияния, ухудшение радиосвязи, возникновения магнитотеллурических полей. При магниторазведке необходимо учитывать и исключать вариации магнитного поля.

Таким образом, в более общем виде полный вектор напряженности переменного поля Земли и аномалии можно представить в виде:

T_~= + Т_р + Т_л + T_вар, Т_а = Т_р + Т_л = T_~ – Т_н – T_вар

Выше уже говорилось, что магнитное поле Земли в первом приближении представляет собой магнитный диполь. Но кроме основного диполя планета имеет так называемые материковые магнитные аномалии, "разбросанные" неравномерно по ее поверхности (Канадская, Сибирская, Бразильская и т.д.). Каждая аномалия ведет свой определенный образ жизни – они двигаются, усиливаются, ослабляются, распадаются.

Стрелка компаса, которая также является магнитом, ориентируется относительно суммарного поля нашей планеты и одним острием указывает на Северный магнитный полюс, другим – на Южный. Так на местоположение первого большое влияние оказывает Канадская магнитная аномалия, в настоящее время занимающая всю территорию Канады, часть Северного Ледовитого океана, Аляску и север США. Аномалия на несколько градусов "оттягивает" на себя положение Северного геомагнитного полюса. Поэтому реальный, суммарный магнитный полюс не совпадает с географическим, и ориентир на север-юг по компасу оказывается не идеально точным, а лишь приблизительным.

Под инверсией поля Земли понимают явление, когда магнитные полюса меняют свой знак на противоположный. Стрелка компаса после инверсии должна ориентироваться диаметрально противоположно. На основе палеомагнитных данных было показано, что инверсия полюсов в масштабах геологического времени Земли – явление довольно привычное. Однако переполюсовка не имеет какой-либо выраженной периодичности, она происходит каждые несколько миллионов лет, и последний раз имела место около 700 тыс. лет назад.

Исчерпывающее объяснение инверсии современная наука дать не может. Тем не менее, выявлено, что напряженность дипольного поля Земли изменяется вдвое с периодом около 10 тыс. лет. Например, в начале нашей эры ее величина была раза в 1,5 больше, чем сейчас. Известно также, что во времена, когда диполь ослабевает, локальные поля усиливаются.

Современные модели переполюсовки (рис. 6) предполагают, что если напряженность основного поля достаточно ослабнет и достигнет значения 0,2 – 0,3 от своей средней величины, то магнитные полюса начнут "ходить ходуном" под влиянием усиленных аномальных областей, не зная, куда им приткнуться. Так, северный полюс может "скакать" до средних широт, до экваториальных, и если "перепрыгнет" экватор, то произойдет инверсия.

Наблюдаемое сегодня ускоренное движение Северного магнитного полюса вполне описывается современными математическими моделями.

Рисунок 6. Модель инверсии магнитного поля. Левый фрагмент – поле до инверсии, средний – во время инверсии, нижний после инверсии. Синий цвет – отрицательные силовые линии поля, красный – положительные