Лекция 1. Магниторазведка 1.1 Элементы магнетизма (стр. 2 )

По результатам многочисленных измерений в различных точках земной поверхности и вблизи нее обнаруживается магнитная сила, устанавливающая магнитную стрелку по направлению, близкому к меридиональному. Пространство, в каждой точке которого проявляется действие магнитной силы Земли, называется геомагнитным полем.

Геомагнитное поле приближенно рассматривают как поле однородно намагниченного шара или поле диполя, аналогичное магнитному полю соленоида, помещенного в центре Земли. Пересечение оси диполя поверхностью Земли называются магнитными полюсами. Полюс магнитного диполя не совпадает с географическим (оси вращения Земли). Угол между ними равен 11,5° (рис.1.1). Дипольный характер магнитного поля Земли установлен по результатам наземных и космических исследований. Обнаружена довольно сложная конфигурация силовых линий поля Земли (рис.1.2).

Основной фактор, искажающий картину магнитного поля - солнечный ветер, состоящий из протонов, электронов, альфа-частиц, ионов гелия. Эти частицы обладают очень высокой энергией и движутся радиально от Солнца со скоростью 300-1000км/с. Магнитное поле Земли является препятствием для солнечного ветра 6, поэтому основная масса заряженных частиц обтекает это препятствие. В результате вокруг Земли образуется своеобразная магнитная полость в межпланетной среде, сильно вытянутая в направлении от Солнца, называемая магнитосферой Земли.

На дневной стороне Земли магнитное поле сильно сжато, поэтому отчетливо видна граница 7 между солнечным ветром и магнитной полостью.

Рисунок 1.1 - Иллюстрация различия между магнитным, геомагнитным и географическим полюсами

На ночной стороне Земли силовые линии вытягиваются солнечным ветром на очень большие расстояния, образуя геомагнитный хвост. Он простирается далеко за пределы орбиты Луны на расстояние, составляющее приблизительно 60 радиусов Земли.

Дипольная форма силовых линий поля сохраняется почти не искаженной до расстояний, равных нескольким радиусам Земли. Вблизи экваториальной плоскости геомагнитный хвост разделен слоем плазмы 1. В этом слое магнитное поле мало и составляет около 1/30 напряженности поля в геомагнитном хвосте.

Как известно, концентрация частиц в атмосфере Земли быстро падает с увеличением расстояния от поверхности Земли, а верхние слои атмосферы сильно ионизованы солнечным ветром. Верхняя часть атмосферы с концентрацией частиц приблизительно 106 на 1см3 называется ионосферой.

Рисунок 1.2 – Меридиональное сечение маг-нитосферы Земли: 1-плазменный слой, 2-полярная щель, 3-радиационный пояс, 4-плазмосфера, 5-плазменная мантия, 6-солнечный ветер, 7-фронт ударной волны

Концентрация частиц плазмы медленно убывает с удалением от Земли, но на расстоянии, равном 5-6 радиусам Земли, резко падает до 101-102 частиц на 1см3. Таким образом, Земля окружена холодной плазменной оболочкой, называемой плазмопаузой. Силовые линии магнитного поля здесь еще не искажены солнечным ветром. За этой границей, т. е. за плазмосферой 4, движением плазмы управляет электрическое поле, индуцируемое солнечным ветром при обтекании им магнитосферы Земли.

Скорость дрейфа частиц плазмы в электрическом поле мала по сравнению со скоростью дрейфа их в неоднородном поле Земли. Поэтому частицы будут отражаться от области более сильного магнитного поля, называемой магнитным зеркалом. Частицы будут совершать колебательные движения вдоль силовых линий поля Земли, заполняя собой некоторую оболочку З - радиационный пояс, опоясывающий нашу планету. Радиационный пояс был открыт почти одновременно группами (СССР) и Дж. Аллена (США). При резком увеличении концентрации частиц, например при вспышках на Солнце, могут возникнуть резонансные явления и начаться быстрое высыпание частиц из радиационного пояса в атмосферу. Это высыпание частиц вызывает ее свечение. Таким путем образуется низкоширотный овал полярных сияний и магнитных возмущений (бурь).

Магнитосфера Земли защищает нашу планету от прямого воздействия солнечного ветра. Эта защита не идеальна, поскольку в магнитосфере имеются полярные щели 2, через которые плазма может попасть внутрь и достичь верхних слоев атмосферы. В результате может произойти изменение потока солнечной радиации, приходящей на Землю, а следовательно, изменение теплового баланса нашей планеты.

Элементы магнитного поля Земли. Как указывалось выше, ось магнитного диполя наклонена к оси вращения Земли на 11,5°, магнитный момент составляет рm = 8·1022 А·м2.

Полную напряженность магнитного поля Земли Т разлагают на составляющие, которые называют элементами магнитного поля. В прямоугольной системе координат ось Ох горизонтальна и направлена на географический север Сг, ось Оу также горизонтальна и направлена на географический восток Вг, ось Оz вертикальна и направлена вниз (рис.1.3).

Рисунок 1.3 – Элементы геомагнитного поля

Полный вектор Т в большинстве случаев не совпадает ни с одной из осей географических координат. Проекция вектора Т на горизонтальную плоскость называется горизонтальной составляющей H, на вертикальную плоскость - вертикальной составляющей Z. Вертикальная плоскость, проходящая через вектор Т, называется плоскостью магнитного меридиана. Следовательно, вектор H всегда располагается в плоскости магнитного меридиана. Иногда горизонтальную составляющую H разлагают на северную X и восточную Y составляющие: . Угол между вектором H и осью Оx называется магнитным склонением D, которое имеет положительное значение, если вектор H отклоняется от оси Оx к востоку, и отрицательное когда вектор H отклоняется от оси Оx к западу. Угол между вектором Т и плоскостью ХОY называется магнитным наклонением и обозначается I. При наклоне вниз северного конца стрелки наклонение считается положительным, южного - отрицательным.

Величины Т, H, Z, D, I являются основными элементы магнитного поля Земли. Связь между ними следующая:

       (1.8)

Из выражений для магнитной индукции диполя можно записать:

                                       (1.9)

где r - радиус Земли; Рт - магнитный момент диполя; и - угол между магнитной осью Земли и радиусом, соединяющим центр планеты с пунктом наблюдений. Из указанных формул следует, что на магнитных полюсах и=0 и 180°, векторы H=0,Т=Z=±0,66·10-4Тл; знак плюс соответствует значению поля на магнитном севере, находящемся в южном полушарии Земли, минус - на магнитном юге, расположенном на географическом севере.

Магнитная стрелка занимает вертикальное положение на полюсах, поскольку наклонение I = 90°. На магнитном экваторе H = Т = 0,33·10-4 Тл, составляющая Z=0, магнитная стрелка располагается горизонтально, при этом I = 0. Отсюда видно, что среднее значение магнитного поля Земли около 0,5·10-4Тл. Расположение значения элементов магнитного поля на земной поверхности обычно изображается в виде карт изолиний, т. е. линий, соединяющих точки с равными значениями определенного элемента. Изолинии склонения называются изогонами, изолинии наклонения - изоклинами, изолинии горизонтальной или вертикальной составляющей или полного вектора магнитной индукции - сооотвественно изодинамами H-Z-T.

Нормальное и аномальное магнитные поля. Дипольное магнитное поле Земли называется нормальным. Отклонения магнитного поля от нормальных его значений называются аномальными. Такое различие объясняется сложностью и неоднородностью геологического строения Земли, а также изменением магнитного поля в пространстве и времени. Отклонения фактического поля Т от поля диполя Тд на очень больших площадях, соизмеримых с площадями континентов, получили название континентальных, или материковых Тм, аномалий. На земной поверхности выделено несколько таких аномалий. На территории СНГ оконтурена положительная по вертикальной составляющей Z магнитная аномалия с центром на юге Якутии, называемая Восточно-Азиатской. Такие аномалии при производстве магнитных съёмок не являются объектами исследований и исключаются из результатов наблюдений. Региональное магнитное поле, связанное с внешними причинами, в том числе и с электрическими токами в ионосфере Тэ, также искажает магнитное поле Земли. По интенсивности поле Тэ слабое, его вклад в нормальное поле составляет от 1 до 5%.

Суммарное поле Тд + Тм + Тэ = То в магниторазведке принимают за нормальное поле. Фактическое поле Т в некоторой точке наблюдения, приведенное к определенному моменту времени, отличается от нормального поля То на величину, определяемую как разность между ними. Разность между измеренными и нормальными значениями поля представляет собой магнитную аномалию Та:

                                       Ta=T – T0                                        (1.10)

Вектор Та характеризует величину аномального магнитного поля, создаваемого геологическими неоднородностями земной коры. Это поле является главным объектом исследований в магниторазведке.

Карты нормального поля используются в магниторазведке для выделения аномальных значений поля Та, введения поправок за нормальный градиент, построения карт магнитных аномалий, оценки намагниченности горных пород и руд магнитным полем Земли в данном районе, настройки аппаратуры в определенном районе работ.

Нормальное поле не остается постоянным в разных пунктах наблюдений участка съемки. Скорость изменения нормального поля в заданном направлении на единицу расстояния называют градиентом нормального поля.

Изменение поля, связанное с перемещением пункта наблюдений в горизонтальной плоскости, называют горизонтальным градиентом, а с перемещением этого пункта в вертикальной плоскости - вертикальным градиентом. В пределах СНГ горизонтальный градиент поля То колеблется от 2 до 7нТл/км, вертикальный градиент - от 20 до 30нТл/км. При обработке полевых измерений, которые проведены на значительных по размерам площадях, необходимо вводить поправку за нормальный градиент.