Магнитное поле Земли и его компоненты

Структура и параметры магнитного поля Земли в лабораторных исследованиях

Магнитное поле Земли представляет собой векторную величину, характеризуемую тремя компонентами:

  • Горизонтальная составляющая (H) — проекция магнитного вектора на горизонтальную плоскость.
  • Вертикальная составляющая (Z) — проекция магнитного вектора на вертикальную ось.
  • Полный вектор магнитного поля (F) — модуль вектора магнитной индукции: $F = \sqrt{H^2 + Z^2}$

Кроме того, определяются следующие углы:

  • Магнитное склонение (D) — угол между направлением на географический север и проекцией вектора магнитного поля на горизонтальную плоскость.
  • Магнитное наклонение (I) — угол между вектором магнитного поля и горизонтальной плоскостью.

Измерения этих величин позволяют восстановить пространственную структуру магнитного поля в любой точке земной поверхности.

Магниторазведка как лабораторная модель геофизических исследований

В лабораторных условиях модельные эксперименты позволяют имитировать магнитные аномалии, создаваемые различными телами. Используются:

  • Магнитные материалы (железо, никель, ферриты) — как искусственные аналоги магнитных руд.
  • Катушки с током — имитация магнитного момента тела.
  • Экранирование фоном Земли — устраняется естественное магнитное поле с помощью камер Мью-Металла.

Эти эксперименты позволяют детально изучать отклик различных тел на внешнее магнитное поле и анализировать возникающие поля вторичной индукции.

Методы лабораторного определения магнитных свойств

1. Измерение магнитной восприимчивости (χ) Магнитная восприимчивость — безразмерная величина, характеризующая степень намагничивания вещества в ответ на внешнее поле. Измеряется с помощью:

  • Индукционных катушек — образец помещается внутрь, фиксируется изменение индуктивности.
  • Магнитоизмерительных мостов — дифференциальное измерение индуктивностей двух плеч моста с образцом и без него.
  • Гауссметров — высокоточные приборы для измерения магнитной индукции (в Гс или Тл).

2. Петля гистерезиса и коэрцитивная сила Используется прибор Вибрационный Образцовый Магнитометр (ВОМ), который определяет:

  • Остаточную намагниченность (Jr)
  • Коэрцитивную силу (Hc)
  • Полную намагниченность насыщения (Js)

Петля гистерезиса позволяет установить тип магнитного поведения: диамагнетик, парамагнетик или ферромагнетик.

Лабораторные модели земного магнитного поля

1. Дипольная модель Земли

В первом приближении геомагнитное поле моделируется как поле наклонённого магнитного диполя. В лаборатории создаётся аналогичное поле с помощью:

  • Крупной катушки Гельмгольца
  • Магнита на подвесе (в центре Земли модели)
  • Измерительных датчиков (магнитометры Холла, индукционные датчики)

Определяется распределение поля по поверхности шара, моделирующего Землю, и сравнивается с реальными данными геомагнитных моделей IGRF.

2. Моделирование влияния магнитных аномалий

Для изучения локальных магнитных аномалий создаются искусственные неоднородности:

  • Металлические вставки в “земной модели”
  • Использование материалов с различной χ
  • Изменение формы объектов (шар, цилиндр, пластина)

Такие модели помогают студентам понять, как природные магнитные аномалии отражаются на измерениях и как интерпретируются в полевых условиях.

Аппаратура и техника измерений

1. Магнитометрия в лаборатории

Применяются следующие типы магнитометров:

  • Флюксгейтовые датчики — высокочувствительные к изменениям слабых магнитных полей.
  • Датчики Холла — измеряют магнитную индукцию на основе эффекта Холла.
  • Индукционные катушки — используются при переменных магнитных полях.

Все приборы требуют предварительной калибровки и установки в области с минимальными магнитными помехами. Часто лабораторные столы выполняются из немагнитных материалов.

2. Измерение остаточной намагниченности

Пример метода: образец магнетита обрабатывается циклом намагничивания, после чего его остаточное поле измеряется с помощью флюксгейта или ВОМ. Это моделирует природные магнитоносные горные породы.

Термическая и химическая обработка образцов

Термомагнитные методы изучают изменения магнитных свойств при нагревании:

  • Кюри-переход — температура, при которой ферромагнетик теряет упорядоченность (например, для магнетита ≈ 580 °C).
  • Измеряется изменение χ при нагревании и охлаждении.

Химическая переработка образцов (окисление, восстановление) позволяет наблюдать, как меняются магнитные характеристики, имитируя процессы в недрах Земли.

Анализ магнитной анизотропии

Магнитная анизотропия — зависимость намагниченности от направления внешнего поля. В лаборатории определяется с помощью вращения образца в фиксированном поле и регистрации:

  • Изменений χ в разных направлениях
  • Оси симметрии магнитной структуры

Эти данные используются в тектоно-магнитных реконструкциях и для понимания ориентации минералов.

Цифровая обработка результатов

Данные, собранные в лабораторных условиях, проходят числовую обработку:

  • Спектральный анализ сигналов индукции
  • Регрессия для восстановления параметров диполя
  • Томография магнитной восприимчивости — построение 3D-карт магнитных свойств

Обработка выполняется с применением специализированного ПО: MATLAB, LabVIEW, Python (библиотеки NumPy, SciPy, Matplotlib).

Связь лабораторных данных с полевыми измерениями

Результаты лабораторных экспериментов служат основой для интерпретации полевых магнитных данных:

  • Подтверждение или уточнение гипотез о составе геологических тел
  • Корреляция с данными аэромагнитной съёмки
  • Уточнение границ магнитных аномалий

Таким образом, лабораторные методы в магнитной геофизике являются важным инструментом верификации полевых наблюдений, повышая точность геофизических моделей недр.

Оглавление