Природа магнитного поля Земли

Причина появления и существования земного магнитного поля остается пока неясной. Вопрос этот привлекал внимание многих исследователей. Было предложено множество гипотез. Например, поле объясняли постоянной намагниченностью вещества Земли или его кристаллической оболочки, или связывали с гироскопическим эффектом, или предполагали, что положительные и отрицательные заряды вещества Земли распределены по объему Земли неравномерно, и суточное вращение ее приводит к появлению поля, и другие.

Приняв любую из этих гипотез, невозможно объяснить такие особенности геомагнитного поля, как западный дрейф его, появление инверсий, периодичность вековых вариаций и западный дрейф некоторых из них. В связи с этим все они в настоящее время отвергнуты.

Появилась и находит широкое признание гипотеза земного гидромагнитного динамо. Согласно этой гипотезе предполагают, что в жидком проводящем ядре Земли при его вращении так же, как в динамомашине с самовозбуждением, могут возникать электрические токи, и этими токами создается магнитное поле. Возможность существования такого механизма устанавливают теоретически путем анализа решений уравнений электромагнитной индукции, механики и термодинамики земного ядра с учетом имеющихся сведений о внутреннем строении Земли.

Идея земного динамо была высказана английским ученым Дж.Лармором в 1919 году. Позднее она развивалась и совершенствовалась В.Эльзассером, Я.Френкелем, Е.Буллардом, Т.Каулингом и др. Обстоятельные теоретические исследования, нашедшие мировое признание, выполнены советским ученым С.И.Брагинским.

Исследование уравнения магнитной индукции показывает, что для самовозбуждения геомагнитного поля в земном ядре должны происходить конвективные спиральные перемещения проводящей жидкости. Скорость перемещений может быть выбрана такой, чтобы возбуждаемое ими поле оказалось близким к наблюдаемому. Естественно полагать, что для самоподдержания поля в ядре Земли должен происходить процесс, восполняющий неизбежные потери энергии.

Из многих возможных вариантов моделей механизма земного динамо С.И.Брагинский считает более вероятным следующий.

Из сейсмологии известно, что ядро Земли состоит из внешней жидкой оболочки, центрального твердого тела и переходного слоя между ними. Ядро окружено мантией и земной корой. Считают, что вещество жидкого ядра состоит, по крайней мере, из двух компонентов: тяжелого и легкого (предположительно из железа и силикатов).

В жидкой оболочке ядра перемещения жидкости по вертикали происходят за счет архимедовой силы. Эта сила появляется при нарушении закономерности в распределении плотности вещества по объему оболочки. Такое нарушение может произойти из-за появления избытка более легкого вещества в нижней части оболочки за счет кристаллизации твердой компоненты в переходной зоне либо за счет появления избытка более тяжелой компоненты в верхах оболочки за счет перемещения силикатов в мантию. Искривления и закручивания таких потоков происходят за счет кориолисовой силы. Появившиеся винтовые вихри в совокупности с суточным вращением Земли генерирует магнитное поле. Поле представляют состоящим из более сильного тороидального и близкого к наблюдаемому полоидалыюго. Силовые линии тороидального (кольцевого) поля находятся внутри жидкой оболочки ядра и располагаются в плоскости, перпендикулярной к оси вращения Земли. Силовые линии полоидалыюго поля перпендикулярны к линиям тороидального, пересекают поверхность Земли и охватывают околоземное пространство. Полоидальное поле близко к дипольному. Тороидальное поле существенно усиливается неравномерным вращением жидкой оболочки ядра, а именно меньшей угловой скоростью суточного вращения ее внешней части по сравнению с внутренней. Неравномерность вызывается теми же вихревыми перемещениями жидкости.

Помимо сил Архимеда и Кориолиса на движущуюся в магнитном поле проводящую жидкость действует также и магнитная сила. При одновременном действии этих трех сил - магнитной, архимедовой и кориолисовой внутри Земли возникают колебания магнитогидродинамической природы, получившие название МАК-волн.

Описанным механизмом гидромагнитного динамо удается объяснить все основные особенности геомагнитного поля -его распределение, природу вариаций, западный дрейф и инверсии.

Предложены и другие модели гидромагнитного динамо, однако в полной мере природа геомагнитного поля до конца не выяснена и поиск наиболее вероятной модели продолжается.

3.1.8. Элементы вектора Т_а

Основным объектом исследований в магниторазведке является уклонение фактического поля от нормального. Его называют аномальным полем. Аномальное поле Т_а в отличие от Т₀ характеризуется более высокими градиентами. Приращения поля могут достигать сотен и тысяч наногесла на 1 м. Магнитные аномалии по величине охватываемой ими площади условно делят на региональные и локальные. К региональным обычно относят аномалии с линейными размерами порядка десятков и сотен километров.

Локальные аномалии могут иметь очень малые линейные размеры - до долей метра.

Аномалии геомагнитного поля в большинстве случаев связаны с отдельными геологическими телами. Каждое из таких тел отличается от окружающих своей намагниченностью. Такой вывод можно сделать, сопоставляя наблюдаемую в том или ином районе картину аномального магнитного поля с особенностями геологического строения этого района.

Источники аномалий представляют собой тела, сложенные чаще всего изверженными или метаморфическими горными породами или рудами. Ими могут быть отдельные интрузивы или их краевые приконтактовые зоны, дайки, покровы излившихся пород. магнетитовые. бокситовые рудные тела и т.п.

Форма каждой аномалии в плане зависит в первую очередь от формы тела в плане. Над изометричными телами аномалии изометричны, над вытянутыми в каком-либо направлении -вытянутые; простирание аномалий совпадает с простиранием вытянутых тел.

Интенсивность и вид аномалий зависят от величины и направления вектора намагниченности, формы и размеров тела, глубины его залегания, положения тела в пространстве. Над группой сближенных намагниченных тел наблюдается суммарная, обычно сложная по виду аномалия.

Намагниченность геологических тел может быть индуктивной и остаточной. Результирующий вектор по направлению может или совпадать с вектором современного поля, или уклоняться от него в различной мере, вплоть до обратного направления. При нормальной, т.е. близкой к современному полю, намагниченности в средних широтах территории СССР над намагниченными телами наблюдаются, как правило, положительные аномалии, при обратной намагниченности - отрицательные.

Магнитные аномалии (или некоторые их особенности) часто могут быть обусловлены элементами тектоники. Например, если в горизонтально залегающей толще осадочно-вулканогенных пород окажется хотя бы один горизонт пород с повышенной намагниченностью, то над сформировавшейся в такой толще брахиантиклинальной складкой при благоприятных глубине и мощности появится локальная магнитная аномалия, по которой складка может быть выявлена и локализована. Над ослабленной тектонической зоной, развитой в пределах намагниченных пород, чаще всего будет наблюдаться менее интенсивная аномалия. Если дайка, сложенная намагниченными породами, претерпит разрыв и примет участие в сдвиговом перемещении, аномалия над ней окажется также разорванной на части, оси которых тоже будут смещенными.

Значит, сдвиг может быть обнаружен по разрыву и смещению оси аномалии.

При изучении вектора Таиспользуют ту же систему прямоугольных координат: Ох, Оу и 0_z -и рассматривают следующие его элементы.

Проекцию Та на вертикальную ось или его вертикальную составляющую обозначают через Z_aили Z, и называют приращением вертикальной составляющей вектора геомагнитного поля. Очевидно,

Z = Z-Z₀. (3.14)

Рис. 3.10. Элементы вектора Т_а: Н_0,, Н, Н_а - горизонтальные составляющие векторов Т₀,Т,Т_а. А_a - магнитный азимут вектора Н_а, D₀, D – магнитное склонение в нормальном и фактическом поле; D - аномалия склонения; H- приращение модуля горизонтальной составляющей вектора геомагнитного поля.

Многие считают обозначения Zи Z_а равнозначными. Однако целесообразно обозначение Z_а использовать в случаях, когда нормальное поле Zо выбрано обоснованно, строго. Если же нормальное поле выбрано условно, использовать обозначение Z.

Проекцию вектора Т_а на горизонтальную плоскость обозначают через Н_а (рис.3.10) и называют горизонтальной составляющей. Ее направление фиксируют углом А_а , отсчитанным от направления H₀ по часовой стрелке. А_а называют азимутом Н_а.

Очевидно, Н_а можно определить как разность векторов Н и H₀,т.е.

H_а = H - H₀. (3.15)

Наряду с вектором Н_а измеряли Н - приращение модуля горизонтальной составляющей вектора Т. Н - алгебраическая разность модулей H и Н₀. Н является неполной характеристикой аномального поля. Можно встретить, например, такую ситуацию, при которой в точке с интенсивным аномальным полем модуль Н_a будет большим, но будет иметь такое направление, при котором фактическое поле H совпадает по модулю с Н₀. В такой точке Н = 0.

С появлением феррозондовых аэромагнитометров и модульных магнитометров стали широко изучать Т - приращение модуля полного вектора геомагнитного поля:

Т = Т - Т₀. (3.16)

Элемент Т тоже является неполной характеристикой поля.