Нормальное и аномальное магнитное поле

В 1600 году Гильберт предположил, что геомагнитное поле – следствие общей намагниченности земного шара (ранее считалось, что магнитная стрелка притягивается Полярной звездой). В 1835 году профессором Казанского университета Симоновым была предпринята первая попытка аналитического представления ГМП на основе данной модели. В 1838 году Гауссом была создана общая теория аналитического представления ГМП, позволяющая вычислять значения его компонент по данным измерений в ограниченной области земной поверхности.

Магнитное поле Земли можно принять за поле однородно намагниченного шара, которое эквивалентно полю помещенного в его центр «магнитного диполя» -двух равных по величине и противоположных по знаку очень близко расположенных магнитных полюсов (рис. 5.2). Магнитные составляющие поля - взятые относительно геомагнитных полюсов (не совпадающих с географическими примерно на 12º) на поверхности Земли определяются из простых формул:

X_M= (M Cos φ_M) / R³;

Y_M= 0;

Z_M= (M Sin φ_M) / R³;

tg I = 2 tg φ_M

- где M ≈ 8·10²²А·м² – магнитный момент Земли; φ_M - магнитная широта точки определения.

В действительности ГМП имеет более сложный характер, что обусловлено его изменениями во времени (вариациями) и в пространстве (аномалиями).

Различают четыре вида вариаций - вековые, годовые, суточные и магнитные бури:

- вековые - обусловлены физико-геологическими процессами внутри Земли и представляют собой медленные изменения величины и направления геомагнитного поля с периодом в столетия.

- годовые и суточные - связаны с вращением Земли вокруг Солнца и своей оси и имеют амплитуды, соответственно, 1...5 нТл и до 30 нТл.

- бури вызываются выбросами солнечной плазмы (протуберанцами) и представляют собой внезапные незакономерные изменения магнитного поля величиной до 1000 нТл и более, длящиеся по нескольку дней.

По результатам анализа магнитометрических карт магнитное поле Земли Т представляется векторной суммой полей:

Т = Т_о + Т_н + Т_а + Т_е + δТ (6.1)

где

Т_о - поле однородно намагниченного шара, дипольное;

Т_н - материковое поле (рис. 5.3), вызванное неоднородностями намагничения глубоких слоев Земли, недипольное - составляет до 0,3 Т₀ (определяется эмпирическим сглаживанием наблюденного поля за вычетом дипольного);

Т_а - аномальное поле, обусловленное намагниченностью верхних частей земной коры (региональное и локальное);

Т_е – постоянная составляющая внешнего поля (по данным околоземных исследований), составляет менее 0,006 Т₀;

δТ – короткопериодические вариации, индуцированные токами в ионосфере (контролируются специальными наблюдениями).

Сумма первых двух составляющих Т₀ и Т_н и Т_е называется главным магнитным полем Земли или нормальным полем. Если его исключить из наблюденного, то получим аномальное поле.

Нормальное поле изучается так называемой генеральной магнитной съемкой по редкой сети точек (20x20, 20x30 км). По ее результатам для каждого элемента магнитного поля строятся карты нормального поля. В связи с тем, что поле во времени меняется (вековые вариации), карты составляются на середину определенного года и относят к определенной эпохе (рис. 5.4). Нормальное поле в пространстве меняется плавно.

Аномальное магнитное поле Т_а характеризуется резкими изменениями на незначительных расстояниях, достигающими тысяч наноТесл на метр. Причина появления аномалий заключается в изменении состава горных пород, слагающих верхнюю часть земной коры. Аномальные магнитные поля изучаются крупномасштабной магнитной съемкой (2х2, 2х3 км).

В отличие от гравитационного поля, аномальная часть которого не превышает 0,1% нормального поля, аномальное геомагнитное поле может значительно превосходить нормальное. Так в районе г. Щигры Курской области превышение нормального поля по Z-составляющей более чем в 3 раза, по склонению D отличие на 120˚, а наклонение I здесь достигает 90˚, как на магнитном полюсе - это связано с крупнейшим в мире скоплением магнетита на относительно небольшой глубине (200...300 м).

Отмечаются также отрицательные магнитные аномалии - поле которых противоположно нормальному магнитному полю, и аномалии с направлением естественной намагниченности горных пород, отличающимся от нормального поля до 180˚. Это объясняется иным направлением «древнего» магнитного поля (по отношению к современному) в геологическое время образования соответствующих горных пород, а, следовательно – и иным положением «древних» магнитных полюсов (чем «древнее» полюс, тем дальше он от современного – кембрийский магнитный полюс находился в районе современного экватора). Поскольку физически магнитный полюс пространственно тесно связан с географическим, то такая миграция полюсов Земли могла происходить только посредством соответствующего движения литосферы относительно остального (основного) объема земного шара. Наблюдающееся некоторое расхождение кривых миграции полюсов для разных континентов свидетельствует о том, что литосфера перемещалась не как единое целое, а отдельные ее плиты имели свои траектории.

Вычисленная по наблюденному ГМП средняя намагниченность земного шара на максимально возможную глубину распространения магнитных пород (до 100 км) – с учетом температурного градиента и точки Кюри - оказывается запредельной для горных пород. Из этого следует, что основная часть магнитного поля Земли не связана с намагниченностью горных пород, а имеет иную природу. В настоящее время наиболее признана гипотеза электрогидродинамического образования ГМП – от самопроизвольно возникшего торроидального электрического тока в жидком электропроводящем внешнем ядре Земли.

Отмечается также дрейф недипольной части главного магнитного поля на запад в среднем по 0,2º в год; предполагается, что это происходит вследствие инерционного отставания (в своем вращении вокруг земной оси) жидкого внешнего ядра от мантии.