地磁场是什么？

地磁场

geomagnetic field

从地心至磁层顶的空间范围内的磁场。地磁学的主要研究对象。人类对于地磁场存在的早期认识，来源于天然磁石和磁针的指极性。磁针的指极性是由于地球的北磁极（磁性为S极）吸引着磁针的N极，地球的南磁极（磁性为N极）吸引着磁针的S极。这个解释最初是英国W.吉伯于1600年提出的。吉伯所作出的地磁场来源于地球本体的假定是正确的。这已为1839年德国数学家C.F.高斯首次运用球谐函数分析法所证实。

地磁场是一个向量场。描述空间某一点地磁场的强度和方向，需要3个独立的地磁要素。常用的地磁要素有7个，即地磁场总强度F，水平强度H，垂直强度Z，X和Y分别为H的北向和东向分量，D和I分别为磁偏角和磁倾角。其中以磁偏角的观测历史为最早。在现代的地磁场观测中，地磁台一般只记录H，D，Z或X，Y，Z。

近地空间的地磁场，像一个均匀磁化球体的磁场，其强度在地面两极附近还不到1高斯，所以地磁场是非常弱的磁场。地磁场强度的单位过去通常采用伽马（γ），即10高斯。1960年决定采用特斯拉作为国际测磁单位，1高斯＝10特斯拉（T），1伽马＝10特斯拉＝1纳特斯拉（nT），简称纳特。地磁场虽然很弱，但却延伸到很远的空间，保护着地球上的生物和人类，使之免受宇宙辐射的侵害。

地磁场包括基本磁场和变化磁场两个部分，它们在成因上完全不同。基本磁场是地磁场的主要部分，起源于地球内部，比较稳定，变化非常缓慢。变化磁场包括地磁场的各种短期变化，主要起源于地球外部，并且很微弱。

地球的基本磁场可分为偶极子磁场、非偶极子磁场和地磁异常几个组成部分。偶极子磁场是地磁场的基本成分，其强度约占地磁场总强度的90％，产生于地球液态外核内的电磁流体力学过程，即自激发电机效应。非偶极子磁场主要分布在亚洲东部、非洲西部、南大西洋和南印度洋等几个地域，平均强度约占地磁场的10％。地磁异常又分为区域异常和局部异常，与岩石和矿体的分布有关。

地球变化磁场可分为平静变化和干扰变化两大类型。平静变化主要是以一个太阳日为周期的太阳静日变化，其场源分布在电离层中。干扰变化包括磁暴、地磁亚暴、太阳扰日变化和地磁脉动等，场源是太阳粒子辐射同地磁场相互作用在磁层和电离层中产生的各种短暂的电流体系。磁暴是全球同时发生的强烈磁扰，持续时间约为1～3天，幅度可达10纳特。其他几种干扰变化主要分布在地球的极光区内

磁针的指极性是由于地球的北磁极（磁性为S极）吸引着磁针的N极，地球的南磁极（磁性为N极）吸引着磁针的S极.

说起磁性，大家一定会想到磁铁和指南针。一块磁铁能把铁钉吸引起来，说明它具有一种特殊的力—磁力。远在公元前4世纪的春秋战国时期，中国人就知道磁石具有这种特性—磁性。到了公元前250年的战国末年，中国的祖先用天然磁石做成汤匙状，然后放在刻有方位文字的光滑铜盘上，用它指示方向，这就是世界上最早的指南针，当时叫做“司南”。大约在公元838年，中国首先把指南针用于航海，而且在其他方面，指南针的使用也已相当盛行。直到公元12世纪，中国的指南针才由阿拉伯商人传到欧洲。指南针是我国古代四大创造发明之一，显示了中国劳动人民的智慧，为世界科学技术的发展做出了杰出的贡献。

中国指南针传入欧洲以后，英国人威廉·吉尔伯特进行了大量研究，他在1600年通过实验提出，地球本身就是一个大磁铁，具有南北不同的极性，并在其周围形成了地磁场。这就解释了指南针一端指向地磁南极，另一端指向地磁北极的现象。磁铁没有跟铁钉接触，就能把铁钉吸了起来，就是通过这种看不见、摸不着的传递媒质—磁场发生作用的。地磁场的分布范围很广，从地核到地球以外几万千米的空间都存在。地磁场对地下岩（矿）石也会产生作用，可使没有磁性的岩（矿）石具有磁性，并形成了自己的磁场，这叫做磁化作用。一些铁矿山周围存在很强的磁场就是这种磁化作用的结果。其实，这种现象也早为古人所知。相传“一代天骄”成吉思汗在率领他的骑兵奔驰在乌兰察布草原上时，看见远处一座高山，他们快马加鞭直到山前，却突然感到骏马行动缓慢，举蹄艰难，经一番催促到了山顶，居然定在了那里。后经武士们奋力营救，直至铁马掌全部脱落，骏马才恢复了行动自由。成吉思汗拿起乌亮沉甸的矿石，惊讶地称赞“白云博格都，白云博格都！”（意思是：“宝山啊，宝山！”）。虽然白云鄂博铁矿吸掉成吉思汗马掌的传说无从考证，但白云鄂博铁矿确有非常强的磁性，堪称地壳中的一块大磁铁了。

地球磁力线示意图

催促骏马上山人类是如何根据磁性的特征找到矿藏的呢？在实际中，最容易被磁化的，是那些含有铁磁性矿物的岩石，所以，在这类岩石形成的矿藏和储油构造周围就存在较强的磁场。同样，它又会对一些铁性物质产生影响，这说明地下存在磁力异常。人类就是根据地磁的这种特性，早在17世纪初就想到用罗盘寻找磁铁矿了，到了1915年，法国人制造了精度较高的磁秤，并在圈定磁性岩体、研究地质构造和寻找油气藏中得到了很好的应用。中国于1940年在玉门油矿进行了磁测试验，1952年成立了第一个油气勘探磁力队。此后，队伍不断发展，几十年来，磁力勘探配合其他油气勘探方法，为中国各大沉积盆地的油气勘探立下了汗马之功。

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