Магнитное поле Земли

Физические характеристики магнитного поля Земли

Магнитное поле Земли — это векторное поле, характеризуемое тремя основными компонентами:

  • горизонтальной составляющей H,

  • вертикальной составляющей Z,

  • полным вектором напряженности магнитного поля F, определяемым как

    $$ F = \sqrt{H^2 + Z^2} $$

Дополнительно используются углы:

  • магнитное склонение D — угол между направлением на магнитный север и истинным севером,
  • магнитное наклонение I — угол между вектором полного магнитного поля и горизонтом.

Магнитное поле в данной точке может быть представлено в виде трёх ортогональных компонент: северной X, восточной Y и вертикальной Z. Это позволяет полноценно описывать пространственную структуру геомагнитного поля.

Источники геомагнитного поля

Поле Земли складывается из нескольких составляющих:

  1. Главное поле — формируется в жидком внешнем ядре в результате движения токов проводящей плазмы (геодинамо).
  2. Аномальное поле — связано с намагниченными горными породами в земной коре.
  3. Внешние поля — обусловлены токами в магнитосфере и ионосфере, включая вариации, вызванные солнечной активностью.

Таким образом, наблюдаемое магнитное поле является суперпозицией различных по природе, масштабу и временной изменчивости компонентов.

Лабораторные методы измерения магнитных свойств пород

Изучение магнитного поля Земли в лабораторных условиях связано прежде всего с исследованием магнитных свойств горных пород, таких как:

  • магнитная восприимчивость;
  • остаточная намагниченность;
  • коэрцитивная сила;
  • намагниченность насыщения.

Измерения проводятся с использованием точной физической аппаратуры, позволяющей количественно охарактеризовать параметры, влияющие на геомагнитное аномальное поле.

Измерение магнитной восприимчивости

Магнитная восприимчивость κ отражает способность вещества намагничиваться под действием внешнего магнитного поля:

M = κH

где M — вектор намагниченности, H — напряженность внешнего поля.

Для измерений применяются:

  • индукционные приборы (мостовые схемы, катушки переменного тока);
  • магнитометры с образцовой калибровкой;
  • автоматические магнитометры с цифровой регистрацией.

Пробы помещают в индуктор, где создается переменное магнитное поле, а изменение индукции, вызванное образцом, регистрируется чувствительным датчиком.

Измерение остаточной намагниченности

Остаточная (спонтанная) намагниченность Jr — это сохраняемая горной породой намагниченность, полученная при её образовании или преобразовании. Она может быть:

  • термостатической (TRM) — при остывании магматических пород;
  • детритной (DRM) — при осаждении осадков;
  • химической (CRM) — при химических реакциях в минералах.

Методы измерения включают:

  • использование криогенных магнитометров;
  • системы на основе сверхпроводящих квантовых интерферометров (SQUID);
  • магнитометры Хальбаха и Вейса.

Полученные данные позволяют оценить древние направления магнитного поля, реконструировать палеогеографические условия и оценить тектонические перемещения.

Изучение коэрцитивных свойств

Коэрцитивная сила — минимальное значение обратного поля, необходимое для размагничивания образца. Она характеризует устойчивость породы к изменению её остаточной намагниченности.

Методика:

  • измерение петли гистерезиса с помощью вибрационного магнитометра;
  • построение кривых намагничивания и размагничивания;
  • анализ распределения коэрцитивных составляющих (HIRM, FORC-диаграммы).

Это критически важно для интерпретации остаточной намагниченности и отделения её от индуцированной.

Магнитная минералогия

Породы содержат различные типы магнитных минералов — магнетит, гематит, пирротин, илменит. Их долевое соотношение определяет тип намагниченности:

  • ферромагнитная — высокая восприимчивость и наличие сильной остаточной намагниченности;
  • антиферромагнитная — слабая намагниченность, но высокая коэрцитивная сила;
  • слабомагнитная (парамагнитная/диамагнитная) — малая восприимчивость, часто незначительное влияние на аномалии.

Методы определения:

  • термомагнитные кривые (Curie-point analysis);
  • рентгенофазовый анализ;
  • сканирующая электронная микроскопия;
  • микромагнитное моделирование.

Идентификация минерального состава — важнейшая составляющая анализа источников локальных аномалий.

Лабораторные методы размагничивания

Для изоляции компонент остаточной намагниченности применяются методы поэтапного размагничивания:

  • термическое (нагрев до определённых температур);
  • переменным магнитным полем (alternating field demagnetization);
  • химическое (в специфических средах).

Цель — выявить стабильную (характеристическую) компоненту намагниченности, сохранившую информацию о древнем магнитном поле Земли.

Современные магнитометры и методы регистрации

В лабораторной практике используются следующие типы оборудования:

  • векторные магнитометры — измеряют компоненты поля в трёх направлениях;
  • магнитометры Фарадея и Гаусса;
  • вибрационные магнитометры (VSM) — позволяют получать петли гистерезиса;
  • SQUID-магнитометры — обеспечивают сверхвысокую чувствительность;
  • малогабаритные портативные приборы — для экспресс-анализа образцов в полевых условиях.

Современные лаборатории оснащаются автоматизированными системами, позволяющими проводить комплексные измерения с последующей компьютерной обработкой данных.

Применение лабораторных данных в интерпретации магнитных аномалий

Полученные в лаборатории магнитные характеристики позволяют:

  • количественно интерпретировать аномалии магнитного поля;
  • проводить корреляцию между литологическими и геофизическими параметрами;
  • выявлять зоны тектонических нарушений;
  • реконструировать положения древних магнитных полюсов;
  • оценивать параметры потенциально рудоносных объектов.

Лабораторные методы дают фундаментальную основу для корректной интерпретации аэромагнитных и наземных магнитометрических съемок. Они также позволяют создавать геомагнитные модели локального и регионального масштаба.

Оглавление