磁场的原理是什么

磁场

概述

magnetic field

（简易定义：能够产生磁力的空间存在着磁场。磁场是一种特殊的物质。磁体周围存在磁场，磁体间的相互作用就是以磁场作为媒介的。）

电流、运动电荷、磁体或变化电场周围空间存在的一种特殊形态的物质。由于磁体的磁性来源于电流，电流是电荷的运动，因而概括地说，磁场是由运动电荷或变化电场产生的。磁场的基本特征是能对其中的运动电荷施加作用力，磁场对电流、对磁体的作用力或力矩皆源于此。

与电场相仿，磁场是在一定空间区域内连续分布的矢量场，描述磁场的基本物理量是磁感应强度矢量B ，也可以用磁感线形象地图示。然而，作为一个矢量场，磁场的性质与电场颇为不同。运动电荷或变化电场产生的磁场，或两者之和的总磁场，都是无源有旋的矢量场，磁力线是闭合的曲线族，不中断，不交叉。换言之，在磁场中不存在发出磁力线的源头，也不存在会聚磁力线的尾闾，磁力线闭合表明沿磁力线的环路积分不为零，即磁场是有旋场而不是势场（保守场），不存在类似于电势那样的标量函数。

电磁场是电磁作用的媒递物，是统一的整体，电场和磁场是它紧密联系、相互依存的两个侧面，变化的电场产生磁场，变化的磁场产生电场，变化的电磁场以波动形式在空间传播。电磁波以有限的速度传播，具有可交换的能量和动量，电磁波与实物的相互作用，电磁波与粒子的相互转化等等，都证明电磁场是客观存在的物质，它的“特殊”只在于没有静质量。

磁现象是最早被人类认识的物理现象之一，指南针是中国古代一大发明。磁场是广泛存在的，地球，恒星(如太阳)，星系（如银河系），行星、卫星，以及星际空间和星系际空间，都存在着磁场。为了认识和解释其中的许多物理现象和过程，必须考虑磁场这一重要因素。在现代科学技术和人类生活中，处处可遇到磁场，发电机、电动机、变压器、电报、电话、收音机以至加速、热核聚变装置、电磁测量仪表等无不与磁现象有关。甚至在人体内，伴随着生命活动，一些组织和器官内也会产生微弱的磁场。

磁场方向：规定小磁针的北极在磁场中某点所受磁场力的方向为该电磁场的方向。

磁感线：在磁场中画一些曲线，使曲线上任何一点的切线方向都跟这一点的磁场方向相同，这些曲线叫磁力线。磁力线是闭合曲线。规定小磁针的北极所指的方向为磁力线的方向。磁铁周围的磁力线都是从N极出来进入S极，在磁体内部磁力线从S极到N极。

分类

电磁场

electromagnetic field

有内在联系、相互依存的电场和磁场的统一体和总称 。随时间变化的电场产生磁场 ， 随时间变化的磁场产生电场，两者互为因果，形成电磁场。电磁场可由变速运动的带电粒子引起，也可由强弱变化的电流引起，不论原因如何，电磁场总是以光速向四周传播，形成电磁波。电磁场是电磁作用的媒递物，具有能量和动量，是物质存在的一种形式。电磁场的性质、特征及其运动变化规律由麦克斯韦方程组确定。

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^(-4)特斯拉（T），1伽马＝10^(-9)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。除外源场外，变化磁场还有内源场。内源场是由外源场在地球内部感应出来的电流所产生的。将高斯球谐分析用于变化磁场，可将这种内、外场区分开。根据变化磁场的内、外场相互关系，可以得出地球内部电导率的分布。这已成为地磁学的一个重要领域，叫做地球电磁感应。

地球变化磁场既和磁层、电离层的电磁过程相联系，又和地壳上地幔的电性结构有关，所以在空间物理学和固体地球物理学的研究中都具有重要意义。

磁场类型

1.恒定磁场 磁场强度和方向保持不变的磁场称为恒定磁场或恒磁场，如铁磁片和通以直流电的电磁铁所产生的磁场。

2.交变磁场 磁场强度和方向在规律变化的磁场，如工频磁疗机和异极旋转磁疗器产生的磁场。

3.脉动磁场 磁场强度有规律变化而磁场方向不发生变化的磁场，如同极旋转磁疗器、通过脉动直流电磁铁产生的磁场。

4.脉冲磁场 用间歇振荡器产生间歇脉冲电流，将这种电流通入电磁铁的线圈即可产生各种形状的脉冲磁场。脉冲磁场的特点是间歇式出现磁场，磁场的变化频率、波形和峰值可根据需要进行调节。

恒磁场又称为静磁场，而交变磁场，脉动磁场和脉冲磁场属于动磁场。磁场的空间各处的磁场强度相等或大致相等的称为均匀磁场，否则就称为非均匀磁场。离开磁极表面越远，磁场越弱，磁场强度呈梯度变化。

（一）磁测数据的处理

在环境与工程测量中获得的磁测数据的处理与解释方法与矿产勘查中数据处理与解释方法基本相同。数据处理大体上可分为滤除干扰的一般处理和提取信息的专项处理两类。一般处理的目的在于滤除干扰，得到能客观反映磁场面貌特征的基础图件。专项处理的目的在于尽可能多地提取有效信息，或改变异常形式，以便于解释及与地质等综合信息的对比分析。

专项处理方法大致分成三类：

1）位场转换处理方法，如化极处理、磁重转换等。

2）突出“平缓场”弱变化的处理方法，如自适应滤波、互相关滤波等。

3）划分区域场与突出局部异常的方法，如上、下延拓，求导与积分，匹配滤波等。

需指出的是，上述处理方法的应用应根据实际情况进行取舍。

另外针对某些特殊情况，常用以下与高精度磁测相匹配的数据处理技术，避免处理精度不够对有用信息的损失。

1.磁异常弱信号提取技术，增强异常分辨能力

在利用磁异常进行地质问题调查中经常会遇到有用异常被干扰所淹没而难于分辨，所以弱异常的提取在磁异常解释中具有十分重要的意义。由于有用异常经常与干扰频率相近，所以采用统计方法可能更合适。如采用最佳检测系统与自调节滤波提取弱信号等。

2.航磁低纬度化极与变磁倾角化极

为解决航磁低纬度化极的不稳定性问题，人们研究了许多方法，综合起来可分为两类：一类是频率域方法；另一类是空间域方法。比较起来，频率域方法计算速度较快，但化极精度不够高。空间域方法精度较高，但由于涉及求解大型方程组问题，只能处理小面积数据，实用性差，近年来对空间域方法做了进一步改进，但在提高速度的同时也降低了精度，总的来说这类方法速度提高很有限。对于频率域方法提出了各种改进措施，这些方法在一定程度上使低纬度化极效果得到改善，但其精度仍有待提高，所以简便高精度的低纬度化极方法仍是今后需要研究的问题。

当航磁测区南北方向跨度大时，全区按一个磁倾角处理就会产生较大误差，所以必须考虑按实际地磁倾角变化的变磁倾角化极。目前在频率域解决此问题的途径有两种：一是把全区磁化倾角变化做统一处理的全变倾角化极；二是把测区划分为若干条带的小区，小区内地磁倾角取平均值，而后依次用每一小区的磁倾角对全测区数据做化极，最后将各带的处理结果拼接起来得到分带变倾角化极。由于全变倾角化极中对倾角变化规律的简化和分带化极的拼接处理等都将影响结果的精度，进一步研究高精度实用的变倾角化极方法仍是十分必要的。

3.磁异常曲面延拓

位场曲面延拓，对中高山区磁场的解释特别重要。国内外专家已提出过多种基于等效源层（空间域）曲面位场延拓方法。实际工作中由于磁测数据量大，特别是航磁在处理大量数据时常要花费大量计算机时，遇到分块处理拼图造成的不够精确等问题，因此这些方法还不便在生产实际中推广应用。在频率中研究快速实用的曲化平方法是一个有前景的方向，将位场表示为泰勒级数谱，采用迭代法逐次逼近求出平面上的场值。平面可以通过起伏面，但只有当延拓高度较小时才适用。

4.不同深度磁场的划分

为了提高磁场的垂向分辨率，研究沿深度的分场方法具有十分重要的意义。虽然目前已有匹配滤波、正则化滤波、补偿圆滑滤波等多种方法，但所得结果还不能与深度有定量的对应关系，可采用适合位场特点的小波变换方法以及深度滤波方法。

（二）磁异常的推断解释

磁异常的解释比较复杂，因为磁异常形态取决于诸多因素，如物体的几何形态、物体所处位置上的地磁场方向、组成物体岩土的磁化方向、相对于物体轴向的测线方位等。因此，在解释磁异常时，要特别注意分析磁异常的平面特征和剖面特征。磁异常反演可以采用比较成熟的一些反演方法，如特征点法、切线法、梯度积分法、矢量解释法、线性反演法等。

1.几种简单形体的磁异常特征

（1）柱状体的Za曲线特征

在自然界中的火山颈、筒状体等均可看作为柱状体。在北半球向北倾斜的柱状体基本上都是顺轴磁化，磁化方向由柱顶指向柱底，即柱顶为负磁极，柱底为正磁极，其他地方无磁极分布。当柱体截面积很小并向地下延深较大时，柱底正磁极在地表产生的磁场可以忽略，这时就相当于一个负点磁极（单极）产生的磁场。在通过正上方的剖面上，Za曲线的特征如图4-3（a）所示。由图可见在柱顶上方出现Za极大值，曲线两侧对称，且向两侧逐渐减小，远处趋于零，但不出现负值。柱顶上方的Za平面等值线特征是以柱顶在地面投影为圆心的一系列同心圆，如图4-3（b）所示。若柱体延深有限（双极）或斜磁化时，Za曲线呈不对称状，且在倾斜一侧，或在产生正磁荷的一侧出现负值。

图4-3 柱状体的Za曲线异常

（2）球体的Za曲线特征

自然界中的囊状体、透镜体、充有磁性矿物的溶洞都可以近似看作为球体。一个均匀磁化球体的磁场等效于一个磁偶极子的磁场。图4-4和图4-5分别为垂直磁化和倾斜磁化Za异常曲线图及断面上磁力线的示意图。垂直磁化的Za异常曲线呈对称状，极大值在球心正上方，两侧逐渐减小，且出现负值，远处趋于零。球顶上的平面Za等值线形状是以球心在地面投影为圆心的一系列同心圆，中间部分为正值，外围等值线为负值。斜磁化的Za异常曲线呈不对称状，两侧负值不相等，当磁化强度向右下倾斜时，Za极大值向左移，右侧负值幅度较大。其等值线形状倾斜侧变密，另一侧变疏。

图4-4 垂直磁化球体的Za曲线

图4-5 倾斜磁化球体的Za曲线

（3）板状（脉状）体的Za曲线特征

自然界中的层状体、脉状体都可近似地看作为板状体。当板状体的顶面埋深小于上顶面宽度时，为厚板，反之为薄板，薄板和厚板的磁场特征基本类似。当M的方向与层面平行时，称为顺层磁化，斜交时称为斜磁化。

当板状体无限延深且顺层磁化时（单极线），主剖面上Za曲线特征同单极的异常形态类似（图4-6），只是异常梯度变缓，宽度增大。在平面上，Za等值线的形状呈条带状。在斜磁化时，Za异常曲线呈不对称状，当板状体倾角小于地磁场倾角时（图4-7），Za曲线极大值向右偏移，左侧出现负值。其他情况可自行分析。在等值线平面图上，Za等值线呈具有一定走向的条带状，一侧为正值，另一侧为负值。

图4-6 顺层磁化板状体Za曲线

图4-7 斜磁化板状体Za曲线

（4）接触带的Za曲线

垂直接触带走向的测线上，Za异常曲线的特征（图4-8），在磁性岩层一侧出现正值，且延续较长范围，非磁性岩层一侧出现负值。

2.磁异常的定性解释

（1）磁异常解释的步骤

在磁异常图上，首先是根据勘探任务，从异常的规模、形态、梯度、峰值高低等异常特征入手，确定哪些是与勘探任务有关的有用异常，哪些是与勘探任务无关的干扰异常；然后用区域校正的方法消除干扰，突出并绘制出有用异常。在解释过程中还应密切结合工区的地质和其他物探资料，综合对比分析，从中找出引起磁异常的地质因素。最后对有意义的异常，可做定量或半定量计算。

图4-8 接触带的Za曲线

（2）磁异常特征与地质体之间的关系

磁异常的形态与地质体的形状、磁性强弱、产状等的关系，可综合如下：

如果在等值线平面图上磁异常沿某一方向延伸较远，说明该磁性体为二度体，长轴方向即为磁性地质体的走向。当磁异常无明显走向时，说明磁性体可能为球、柱等二度体。磁性地质体的规模可根据异常范围大致确定。

在Za等值线平面图上，如果发现在正异常周围有负异常，一般由有限延深的磁性地质体引起；如果只在一侧出现负值，则由无限延深斜磁化地质体引起；如果在正异常周围不出现负异常，则为顺层（轴）磁化无限延深的地质体。

磁异常幅值的大小与地质体的磁化强度成正比，且随地质体的体积增大而增加。当M和体积一定时，磁异常随地质体的埋深加大而减小，且曲线梯度小，异常范围加宽。

另外，根据磁异常等值线平面图还可以圈定地质体在地面投影位置。当Za曲线呈对称状时，高值带一般出现在磁性地质体正上方；当异常曲线不对称时，极大值相对于地质体中心有偏移，这时地质体中心在地面的投影位于极大值和极小值之间。

3.磁异常的定量解释

（1）特征点法

该法主要用于简单形体求解。对于无限延深顺轴磁化的柱体（单极），可用下式来求顶面埋深h：

环境与工程地球物理勘探

式中：x1/2为原点（极大值点）到半极值点距离。

无限延深顺层磁化的板状体顶板埋深h为

环境与工程地球物理勘探

水平圆柱（偶极线）中心埋深h为

环境与工程地球物理勘探

（2）切线法

切线法是一种近似的经验方法。其特点是，方法精度不高但速度较快。具体做法是通过曲线极大值、极小值及曲线两翼拐点分别做五条切线，如图4-9所示。利用拐点切线与极值点切线交点的横坐标来求磁性体埋深h，其关系式为

图4-9 切线法原理

环境与工程地球物理勘探

式中：xj、 为极大值点切线与拐点切线交点的横坐标；x0、 分别为两个极小值点切线与拐点切线交点的横坐标。

（3）选择法

该方法也称理论曲线与实测曲线对比法。它是根据实测曲线和地质资料分析，初步确定地下磁性体的产状、体积及埋深，然后利用理论公式计算出其异常曲线，并用此理论曲线与实测曲线进行对比，如果两曲线基本特征一致，说明原确定的磁性体参数符合实际情况；若差别较大，需要进一步修改有关参数再计算理论曲线，再对比，以逐步逼近实测曲线，直至两曲线吻合为止。此时假定的各参数即为实测磁性体参数。具体计算方法多采用量板法或计算机处理。

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