地球物理场的影响和地球物理应用

地球重力场的影响，表现为物体受到重力作用和具有势能。江河上游的水体在回归大海的旅程中，随着高度的降落，势能转变为动能，浩荡的江水携带大量的泥沙，将其搬运到入海口处沉积（图1-5）。日积月累，慢慢地高山变平原。在海洋、极地附近的冷水密度增大，下沉海底，势能转变为动能，浩荡的水流构成大洋的深层水或底层水，成为大洋传输带的一个组成部分（图1-6）。

重力的作用使我们有“脚踏实地”的感觉，也导致海水随深度加大水压急增，使得人们在没有深潜设备时无法在海洋深处自由翱翔。要使人造卫星环绕地球运动，最小发射速度需达到7.9km/s，称为第一宇宙速度（环绕速度）；要使物体挣脱地球引力的束缚，最小发射速度需达到11.2km/s，称为第二宇宙速度（脱离速度）；要使物体挣脱太阳引力的束缚，最小发射速度需达到16.7km/s，称为第三宇宙速度（逃逸速度）。同样，要准确击中目标，瞄准时要考虑到重力的影响。

图1-5 东海近长江口区水体颜色的变化

图1-6 大西洋西部南北向剖面的水团分布

W—暖水系；NIW—亚北极中层水；SIW—亚南极中层水；DW—深层水；DWU—上深层水；DWM—中深层水；DWL—下深层水；ABW—北极底层水；AABW—南极底层水

人们对磁场的认识开始于天然磁石之间的相互吸引现象。早在公元前770年至公元前221年春秋战国时期，由于采矿和冶铁的发展，在中国《管子·地数》中就有“上有慈石者，下有铜金”，如同“母子相恋”的记载。古代的“慈石”后来被改称为“磁石”。公元前五六世纪，希腊哲学家泰勒斯（公元前640？ —公元前546年？）和柏拉图（公元前427？ —公元前347年？）论述过磁石相互吸引和磁石与铁块相互吸引的现象。严格地说，这些认识应该属于一般物理学中的磁学范畴，但它们为地磁学研究奠定了基础。

真正属于地磁学研究内容的地磁场是中国人最先发现并加以应用的。公元前250年左右战国末年的《韩非子·有度》记载了指南针的先驱——司南的应用：“先王立司南以端朝夕”。汉代王充（公元27—97年）在他所著的《论衡·是应》中描述司南形同水勺，勺柄自动指南（图1-7）。到公元300—400年的晋代，出现了指南船，这是最早发明的航海罗盘。指南针在航海中应用的记载，首见于北宋朱彧所著的《萍州可谈》（1119年），其中提到“舟师识地理，夜则观星，昼则观日，阴晦观指南针”。北宋著名学者沈括在《梦溪笔谈》（11世纪末）中详细记载了磁针指向特点和磁针制作的方法：“方家以磁石磨针锋，则能指南，然常微偏东，不全南也。”这里，不仅说明了磁针的指南特性，而且明确地记载了磁偏角的存在。他在该书中总结的制作指南针的4种方法至今仍在使用。

图1-7 司南

随着航海技术的发展，在中国和欧洲，罗盘逐渐成为广泛应用的定向工具。可以说，没有指南针，就没有我国明代郑和（1371—1433年）的“七下西洋”，就没有意大利人哥伦布（1451—1506年）的发现新大陆，就没有葡萄牙人达·伽马（1497—1498年）的远航印度，也没有葡萄牙人麦哲伦的环球航行。

岩石具有磁性，因为岩石中的磁性矿物会在地磁场中被磁化而具有磁性（感应磁性和剩余磁性）。自然界中火成岩的磁性最强，变质岩次之，沉积岩很弱。火成岩是地下深处的岩浆熔流上升到地面后冷凝而成。岩浆熔流很热，当其到达地面时，温度仍然可达到1000℃以上。当温度下降到居里点（400℃～500℃）时，便受到地磁场的磁化作用，获得强磁性。随着温度下降，岩浆逐渐冷却，磁化仍在进行，强度不断减弱。降到常温之后，保持有热剩磁，从而得到永久磁性。很明显，经过这样过程所得到的磁性，含有其生成时代的磁场信息。例如：它的磁化方向就是当时地磁场的方向；同时，因为岩石的位置受构造运动的影响，因而又含有构造运动的信息。把这两种情况结合起来，就可以通过磁化方向的分布和变化，研究板块构造运动。这便是利用古地磁研究构造运动的基本依据。

在假定古地磁场与今天地磁场结构相同（同为偶极场，两极连线与地理极连线一致）的情况下，可推断等效的古磁极位置。如果不同样品（不同地点）所得古磁极位置不同，则表明存在非偶极场部分。它们的离散性可以作为古磁场偏离偶极场的一种量度，通常给出一个平均方向和一个置信椭圆作为最后结果。英国人兰康（S.K.Runcom）在1962年根据欧洲和北美岩石样品做出地磁极迁移轨迹，如图1-8所示，由单线给出欧洲资料计算结果，虚线给出美洲资料计算结果。两条轨迹很相似，但是不重合。

很显然，欧洲和美洲不可能各有各的磁极。由于只有一个共同的磁极，那么北美和欧洲的位置必将发生相对移动。事实上，将图1-8中北美洲轨迹相对于欧洲轨迹做30°的旋转，可以看到两条轨迹基本重合，并且两条轨迹线在时间上也能联结起来。

图1-8 欧洲和北美洲磁极迁移曲线（宋仲和等，1981）

从图1-8可以看出，中生代以前，大西洋还不存在，欧洲与北美洲是连在一起的。而现在的北美洲与欧洲被大西洋隔开，当始于中生代。那么，从古生代到中生代这漫长的岁月里，正是北美漂离欧洲的过程。

地磁极倒转是古地磁学的另一贡献。布容（Brunhes）在1906年首先发现这一现象。他在野外岩浆岩中观测得到的岩石磁化方向，与现在的磁场方向相反。这个现象不是局部和偶然的，之后世界各地都发现这种例子。据统计，在测量的岩石样品中（包括不同地质时期的样品），正向磁化（与现在磁场方向一致）和反向磁化（与现在磁场方向相反）的数量大体上各占一半。岩石的磁化方向是正向还是反向，在时间上应该是全球一致的。而现在却有50%对50%的比例发生反向现象，这种现象不可能是“自发”的反向，唯一的解释是地磁场本身在地质年代里曾多次转换方向，且转换的时间间隔很不规则，但转向的时间却是确定的。因此，可以按照地磁场的方向（极性）和岩石样品的放射性年龄测定建立一个年表，称为地磁岩石极性年表，简称地磁岩性年表（图1-9）。

海上磁力测量资料表明，大洋地区的磁异常分布有明显的特征，与大陆地区磁异常分布全然不同。在洋中脊两边，正异常区和负异常区都呈条带状交替出现，与洋中脊的走向平行。在与洋中脊垂直的各条测线上，磁异常剖面彼此密切相关，相应的变化可以连成一线。值得注意的是，磁异常分布是关于洋中脊对称的，尤其是洋中脊附近更为明显。条带状的线性排列可以延伸到很远的距离。这种磁异常特征被认为是海洋地壳中的玄武岩被正反交替的磁场磁化的结果。

这些线性磁异常在世界上普遍存在，并发现现有深海底的50%是在最近70百万年期间形成的。有趣的是，海底从海岭向两侧扩展的概念与地磁场的倒转现象结合在一起，会形成类似于测震学中记录地面振动的地震图一样的天然“地磁”记录，它将海底扩张和磁场转向完整地记载了下来。再根据线性磁异常出现的位置，得到它们与洋中脊的距离，并配合由地磁极性年表得到的时间，从而可以算出海底扩张的速度为每年1～5cm。

图1-9 由大陆岩石磁性导出的地磁极性年表（地磁岩性年表）

相比普通岩石而言，磁铁矿的磁性很强，以至在磁铁矿附近，指南针不再指向地磁南北。基于这一特点，1870年泰朗（Thalen）和铁贝尔（Tiberg）制成了能够寻找磁铁矿的万能磁力仪，揭开了磁法勘探的序幕。随后，磁力仪精度不断提高，磁法理论也不断完善，使得磁法勘探在金属矿勘查中取得极大成功。如今在区域和深部地质调查、能源勘探、考古勘探等领域都能找到磁法的应用。图1-10展示了磁法探测在井中，用来探查桩基钢筋笼长度。

图1-10 井中磁力仪探查桩基钢筋笼长度示意图

应用磁法寻找磁铁矿和探查桩基钢筋笼长度是应用地球物理的一个方面。地球物理应用就是应用地球物理原理来探测地下地质构造和结构，直接用于资源探查、环境保护、灾害防治。