地磁的问题
--地球磁场首接触
11001班 武峰
记得很小的时候，经常玩一块圆环形的磁铁，曾经对它只吸钢铁的现象迷惑不解。也因此对磁铁产生了很深的兴趣。后来小学自然课上老师讲了磁铁的“同性相吸，异性相斥”。虽然对此没有什么深刻的理解，但是却把这句话深深地记在脑子里了。后来接触指南针时，被告知地球是个大磁铁才对指南针的神奇有点领悟。不过转而一想“同性相吸，异性相斥”，应该叫指北针才对。于是对此耿耿于怀，等到初中物理课上接触到磁的时候，看到：在地球上，地磁的南极在地理的北极附近，而地磁的北极在地理的南极附近。这样在我心里很长时间的问题才消释了。
现在想来，那时也太过钻牛角尖，叫指南针还是指北针又有什么关系呢。只要实地实验一下，然后标下哪端指南就万事大吉了。事过境迁，从原本只是对一块磁铁的好奇，转而到了现在对整个地球这块“大磁铁”的接触。
其实，要说清地磁这个问题，还得从古人认识的“小磁铁”说起。
在中国，早在公元前五世纪著成的奇书《山海经》中，就有磁石及其产地的记载。战国时期（前五世纪棗前三世纪）就发现了古人用磁石制成的指方向用的司南。到北宋时期，对世界文明影响极大的指南针被发明出来了。当时的中国人并不明白其中的道理，但却发明了它。
到了1600年，英国的吉尔伯特（Gilbert）发现圆球形的天然磁铁矿石表面磁倾角的分布与地面相似，提出了“地球是个大磁体”的假说，这是关于地磁场理论的最早的论断。又过了200多年，德国数学家高斯（Gauss）于1839年建立了地磁场的球谐分析法，从数理分析上证实了吉尔伯特关于地磁场起源于地球本身的论断。随着现代物理学和地球科学的发展，我们今天对地磁场才有了较清楚的认识：地球好像是一个大磁体，在地球及其周围形成一个很大的磁场，地球上的一切全都在地磁场的笼罩之下。从人类首次发现“磁”到开始认识它经过了一个漫长的时期（约2000年），也许这和磁场是看不见，摸不着的有关。人类是感觉不到的，但有些动物可以。据说鸽子就是靠地磁极的指引来辨别方向的。
然而，只知道这些，人类是远远不能满足的，中国的宋代沈括的《梦溪笔谈》中有过这样的记载：“方家以磁石磨针锋，则能指南，然常偏东，不全南也。水浮多荡摇，指爪及碗唇上皆可为之，运转尤速，但坚滑易坠，不若缕悬为最善。”可见当时已经发现开封地区是有磁偏角的。相传，哥伦布横渡大西洋时也发现了磁偏角，但那时已比沈括晚了四百年。一般来说，磁偏角和磁感应强度，还有磁倾角（小磁针在地球表面静止时，磁针北端与水平面的交角）是地磁的三要素。把握住它们，就可以对某地磁场的状况有个比较清楚的认识。
然而，地球磁场具体情况又是怎样的呢？
一般来说，地磁场的主体被叫做基本磁场，占地磁场成分的95%以上，是人们假定的磁柱（磁偶极子）产生的。而让人感兴趣的是，基本磁场并不是稳定的，而是在地球广大区域上经历互相关联的长期变化。这在四百年前人们就认识到了。最初的发现应归功于H.Gellibrand,他于1635年在伦敦观察到磁偏角具有均匀且持续的变化。后来，人们还认识到了偶极子磁矩的衰减，非偶极子磁场的西向漂移和长期变化场自身的西向漂移，这些都是地磁场的主要特征。
近百年来偶极子磁场的地磁偶极矩一直是在单调衰减的，其衰减速率100年可达5%。若假定这种衰减趋势今后一直维持的话，大约2000年后偶极子磁场将消失。然而古地磁学的研究得出，这种衰减并非是一直如此的。特别重要的事实是在约2000年之前它是上升的。
西向漂移：其实早在17世纪天文学家哈利（E.Halley）在分析磁偏角变化时就指出，地磁场的分布图形有缓慢向西漂移的事实。并且分析结果表明，向西漂移主要成分是非偶极子磁场。且经过不同方法计算得其漂移速度都接近0.2o/年，但不同纬度分散较大，并且没有任何明显的规律性。甚至在少数测点有完全相反的漂移趋势。也正是因为如此，尽管有很多学者都相信地磁场有西向漂移趋势，但仍有人认为它并没有什么实质意义。是非偶极子磁场向西漂移并无全球性特征，还是这种特征被其他因素所掩盖，或者需要重新探索地磁长期变化的规律，这正是我们面临的问题。
地磁场除了基本磁场外还有变化磁场和磁异常两种成分。与基本磁场不同变化磁场主要来源于地球外部，比起基本磁场要小得多，大概是万分之几到千分之几，偶尔有百分之几。通常是按照变化磁场出现时的特点来划分，可分为平静变化和干扰变化两类。前者指时间上连续存在的周期性变化，它包括太阳静日变化和太阴日变化。后者是偶尔出现，持续时间不一的变化，包括太阳扰日变化、磁暴场、钩扰和地磁脉动。磁暴场又可分为暴时变化、暴时扰日变化和极区亚暴。其中极区亚暴在中低纬度又称为湾扰。这些变化磁场的产生均与太阳活动有关，并且依照同一的时间（世界时）规律发生和演变（静日变化、太阴日变化、湾扰和钩扰也与地方时有关）。变化磁场是太阳辐射的高速等离子体与地磁场相互作用而产生的或是太阳紫外线辐射使高空大气电离，电离的大气在地磁场中运动所产生的附加磁场。磁异常是地壳浅部具有磁性的岩石或矿石所引起的局部磁场，它叠加在基本磁场之上。如果地壳内有含Fe较多的岩石或矿体常可引起磁异常。而膏盐矿床，石油、天然气储层，富水地层或富水的岩石破碎带常引起磁负异常。因此局部的磁异常可以了解地下的地质情况，也可用此方法进行找矿、勘探工作。
另外通过对古磁场的研究，地磁极在不断的移动，地磁场还有倒转的时候。
通过年老（3×107年前）的岩石标本的测定显示出与现代地理极的明显偏离。这种偏离不是杂乱的，年代愈老偏离愈大。对于同一地块磁极的位置形成一条相近的按年代有序的极移路线。这种移动距离之大，是出乎人们的常规想象的。大约5棗6亿年期间移动达90o之多，这种地极的迁移可以是地极的运动，也可能是大陆漂移或者两者的联合的结果。也因此古地磁移动路线为大陆漂移提供了有力的证据。地磁场的倒转开始于前寒武纪（600百万年前），在以后所有地质年代都观测到了。虽然已知的自发倒转很少，但可能有其他非常缓慢的过程，慢到实验室观测不出，然而从地质时间来看却是重要的。有以下四个重要事实可以证明：在各大陆和各类岩石间观测到的倒转存在相关。沉积岩同以后形成的火成岩接触，这种被烘烤过的沉积岩，几乎都获得了与火成岩极性相同的TRM（剩余磁性）他与未烘烤过的沉积岩的剩磁极性无关。在不断喷发的熔岩序列中及在深海沉积物中，都曾追索到倒转的过程，即在倒转过程中磁场强度急剧减少。通常认为，这表示偶极场慢慢消失，并以相反极性再出现。海岭两侧磁异常的形态（条带状磁异常）反映海底从海岭两侧不断扩张，以及海底玄武岩的极性随年代（向外年代增加）的变化。
地磁场有这么复杂的现象，可这种地磁场究竟是怎样产生的呢？
最早的地磁场假说是由地球中心的大磁铁产生的。但是1985年居里先生（P.Curie）发现了磁性材料在温度升到一定时就会失去磁性。这个温度为500棗600oC.而我们明确知道在岩石圈以下温度已超过了1000度。由此推断地球中心不该有磁性的。但是对地磁场的高斯分析从理论上肯定了地磁场的源在地球内部。于是到了20世纪四、五十年代形成了“非稳定磁流体发电机”假说。幸运的是这种假说恰好可能解释磁极为什么会翻转。可“发电机”能量来源问题就自然的摆在人们面前了。在这方面，人们做了很多种解释但都和必需的能量相差很远。后来有人认为是由于地球内部运动速度的差异维持了发电机的运行。1996年宋晓东与里查兹通过地震波的系统研究提出了内核比地幔每年转快1.1o的结论，更为非稳定发电机制提供了有力的支持。
这就是我所了解的地磁，欢迎大家一起来探讨。
参考文献：
1、陶世龙，万天丰，程捷. 1999，《地球科学概论》，北京：地质出版社.
2、傅承义，陈运泰，祁贵中. 1985，《地球物理学基础》，北京：科学出版社.
3、FRANK D. STACEY，（中国科学技术大学出版社地球物理教研室译），1981，《地球物理学》.北京：地震出版社.