地球的磁性与电性

1.地球的磁性

固体地球好像一个磁化的球体，其磁力线特征类似于偶极场的特征（罗盘）。现代地磁极位于地理极的附近，但并不与其重合。地磁轴与地球自转轴并不重合，二者约成11.5°的交角。地磁南北极和地理南北极的位置不一致，并且磁极的位置逐年都有变化，磁极有向西缓慢移动的趋势。

地球磁场的存在是行星地球的重要特性。早在公元前4世纪，中国人即认识到这一性质，并发明了指南针。1600年吉尔伯特（W.Gilbert）发现地磁场主要来源于地球内部，现在认为地磁场的性质与地核的运动过程密切相关。现代测量表明，地磁线在空间上是一条闭合的曲线（图2-7），地磁极不仅和地理极不一致，而且它的位置也在不断变化（表2-2）。例如磁北极的位置，1965年在75°50′N，100°50′W， 1975年在76°06′N，100°W。

地磁南北极在地表的连线称为磁子午线，它与地理子午线之间的夹角称为磁偏角（D）。同时发现，磁针在赤道上保持水平，在两极处于直立状态，赤道与两极之间则是倾斜的。磁针与水平面的夹角称为磁倾角（I）。

图2-7 地磁场示意图

表2-2 近代地磁极位置

图2-8 地磁场要素

地磁场对单位磁极的作用力称为地磁场强度，其单位为A／m（安培／米）。它是矢量，可分解为水平分量（H）和垂直分量（Z）。它们统称为地磁场要素（图2-8）。

地磁场要素在地球表面是以一定规律分布的。在赤道附近，垂直分量Z值为零，水平分量H则有最大值4396×10-6A／m，磁倾角I为零。随纬度的增加，垂直分量绝对值逐渐增加，水平分量逐渐减小，磁倾角绝对值加大。在磁北极，H为零，Z达极大值，约为8164×10-6A／m，磁场垂直向下，I为+90°。在磁南极，磁场垂直向上，I为-90°，H为零，Z达极小值，约为-8164×10-6A／m。

若把地磁场近似看作均匀磁化球体的磁场，即称为正常磁场。实际观测到的地磁场与正常磁场不一致，则称为地磁异常，局部的地磁异常主要是由地下岩石磁性差异引起。大于正常磁场者称为正磁异常；反之，称为负磁异常。由于分布面积的不同，磁异常又分为大陆性异常、区域性异常和局部性异常。前者范围达数千千米，后者规模在数百千米以下，二者之间即为区域性的。一般铁磁性物质造成正异常，如铁、镍等；逆磁性物质造成负异常，如金、铜、石油等。利用地磁异常勘探有用矿物和了解地质构造的方法称为磁法勘探。需要指出的是，在实际工作中正常磁场和异常磁场是相对的，要根据解决问题的不同来确定区域场和局部场。

2.地球的电性

地球具有微弱的自然电流，称为大地电流。它主要是地磁场变化感应产生的。高层大气电离的感应、大雷雨时的放电、磁暴和极光的影响，以及地面温差电流等，都使它加强。大地电流的平均电流密度约为2A／km2。同时，地壳表面一些地质体，由于水溶液的存在，在其周围岩石中也可引起电场，这属于局部自然电场。大地电流是一种不稳定电流。其电流强度从低纬度向高纬度增大，形成的地电场在不断变化。可以是日变、月变和年变，也可是不规则干扰变化，多与磁场变化伴生。而局部自然电场常与有用矿产有关，是电法勘探的重要对象。

地球内部电阻率（或电导率）（ρ）分布是地电的重要特征之一，常利用电磁感应方法对它进行研究。图2-9所示电阻率随深度的变化情况。从中可以看出，在地球内部，电阻率随深度增加而减小。在100km、400km及650km处，电阻率发生突变，从50Ω·m降至1～2Ω·m。1000km以下的电导率可能达到10s／m。地核电阻率可能为4×10-6Ω·m，电导率约为4×105s／m。地壳的电导率与岩石的成分、空隙度、空隙水矿化度等有关。如沉积岩的电导率大于变质岩的电导率，空隙度大且充满水的岩石电导率大，空隙水矿化度高的岩石电导率大，等等。地壳的电导率还与层理有关，沿层理方向比垂直层理方向的电导率大。温度对电导率的影响更大，溶融岩石比未溶融的同类岩石的电导率大几百到几千倍，所以在地热流大的地区电导率也大。

图2-9 电阻率随深度的变化

由于使用短周期电磁资料、实验室模拟和钻井调查，人们对地壳电阻率或电导率的认识要更详细些。一般认为，浅部盖层的电阻率取决于孔隙度，含水度，多为101～103Ω·m，为低阻层。其下的基底，因为含水少、压力大，使电阻值增加到103～105Ω·m，属高阻层。可一直延伸到地幔顶部。再向下由于温度增加阻值变低。在地壳中还发现有低电阻率夹层，引起人们的注意，因为它常与壳内低速层相对应。这种高导低速层的意义值得重视，一般认为它是在较高温度下，岩石脱水或含自由水，局部熔融引起的。

在横向上，海洋、岛屿和海岸地区的电磁效应与大陆不同。沉积岩和潮湿地带电导率为10-1～10-2s／m，干燥花岗岩为10-4s／m，而海水为3s／m。在大陆上电导率的分布与大地构造性质有关：下沉板块区电导率较低，地堑和裂谷区较高。此外，在矿物富集区和地震易发区，都可以出现异常变化。