地磁場(chǎng)成因新論

摘要：文章通過(guò)對(duì)地球結(jié)構(gòu)的研究分析，利用所學(xué)的地質(zhì)學(xué)知識(shí)和高等物理學(xué)知識(shí)，推理得知“地核與地幔間巨大溫差產(chǎn)生的‘湯姆遜效應(yīng)使核幔間產(chǎn)生了熱電壓和熱電荷，熱電荷隨地球旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生了運(yùn)移電流，運(yùn)移電流產(chǎn)生了感應(yīng)磁場(chǎng)，感應(yīng)磁場(chǎng)使‘巖漿冷卻形成地殼巖石時(shí)帶上了剩余磁場(chǎng)，地殼巖石的剩余磁場(chǎng)疊加形成了強(qiáng)大的地磁場(chǎng)”。

關(guān)鍵詞：地磁場(chǎng)成因新論；熱電效應(yīng)；換相界面；運(yùn)移電流；居里球面；剩余磁 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：P318 文章編號(hào)：1009-2374（2015）23-0023-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.23.013

1 概述

地磁場(chǎng)強(qiáng)度約為5×10-5～6×10-5特斯拉，N極的地理位置位于南極東經(jīng)140°2′、南緯65°18′（1986年測(cè)定）；S極位于北極西經(jīng)139°24′、北緯65°48′（1980年測(cè)定）。關(guān)于地磁場(chǎng)的成因有多種假說(shuō)：1900年提出“地球表面和內(nèi)部分別分布著數(shù)量相等、符號(hào)相反的電荷隨地球旋轉(zhuǎn)形成閉合電流并產(chǎn)生磁場(chǎng)假說(shuō)”，后來(lái)被放棄；1939年提出地球內(nèi)部的放射性物質(zhì)產(chǎn)生熱量，使熔融物質(zhì)發(fā)生連續(xù)的對(duì)流，這樣產(chǎn)生溫差電動(dòng)勢(shì)和溫差電流，電流產(chǎn)生磁場(chǎng)的“溫差電效應(yīng)說(shuō)”；1945年物理學(xué)家埃爾薩塞根據(jù)磁流體發(fā)電機(jī)的原理，建立了“地核發(fā)電機(jī)磁場(chǎng)說(shuō)”，該學(xué)說(shuō)違背了能量守恒原理，被人們放棄；1947年英國(guó)物理學(xué)家布萊克特提出了“巨大轉(zhuǎn)體說(shuō)”，布萊克特專門設(shè)計(jì)了一種“測(cè)弱磁場(chǎng)的高靈敏度儀器”，實(shí)驗(yàn)結(jié)果的量值遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于實(shí)際量值；拉莫爾首先提出和后來(lái)埃爾薩塞、帕克和布拉德等人完善的“自激發(fā)電機(jī)說(shuō)”，通過(guò)大型計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算，產(chǎn)生的數(shù)值非常微小；1954年提出“霍爾效應(yīng)”說(shuō)，地球內(nèi)部由于溫度不均勻產(chǎn)生的溫差電流和原始微弱磁場(chǎng)，霍爾電流產(chǎn)生地磁場(chǎng)；近幾年有人提出“地幔對(duì)流及地核發(fā)電學(xué)說(shuō)”，由于存在“黏滯性流體流阻能量消耗補(bǔ)充的問(wèn)題、發(fā)電原始磁場(chǎng)提供來(lái)源問(wèn)題和感生電流與感應(yīng)磁場(chǎng)方向與地磁場(chǎng)實(shí)際方向不符問(wèn)題”，該學(xué)說(shuō)也被

推翻。

2 地磁場(chǎng)成因新觀點(diǎn)

地核的最高溫度在5900℃左右；地殼與地幔交界處的溫度在690℃左右；地表溫度在20℃左右，地核→地?！貧ご嬖诰薮蟮臏夭?。高溫巖漿是導(dǎo)體或半導(dǎo)體，巖漿的溫差就可產(chǎn)生溫差電壓和溫差電場(chǎng)，這是“湯姆遜效應(yīng)”所決定的。地核的溫度很高，高溫原子能產(chǎn)生高能輻射波。熱電壓與高能熱輻射共同作用就會(huì)產(chǎn)生熱輻射電效應(yīng)（原理同光電效應(yīng)），釋放出熱電子。熱電子在單向熱電場(chǎng)的作用下，由地核流向地殼。在地球演化過(guò)程中，巖漿冷卻結(jié)晶形成了地殼，結(jié)晶的巖石是弱導(dǎo)電體，沒(méi)結(jié)晶的地幔巖漿是強(qiáng)導(dǎo)電體，這樣就在巖殼與巖漿的球形換相界面處形成了一個(gè)類似于二極管中P-N結(jié)的分界層，在巖石一側(cè)帶上負(fù)電子，在巖漿一側(cè)帶上空穴正電荷。由于地核與地幔間有熱電場(chǎng)，在熱電場(chǎng)作用下，地核中的熱電子大量運(yùn)移到地幔內(nèi)與正電空穴中和，結(jié)果在地核中產(chǎn)生了大量的空穴正電荷，在地殼巖石的下部積累了大量的負(fù)電荷。

移動(dòng)的熱電荷產(chǎn)生的靜電場(chǎng)平衡了熱電場(chǎng)，因此在地球半徑方向上的合電場(chǎng)成為0，地球徑向上沒(méi)法形成電流。地球是一個(gè)天然的自轉(zhuǎn)體，自轉(zhuǎn)周期T=24小時(shí)，地殼下部聚集的負(fù)電荷量為Q1，地球自轉(zhuǎn)帶動(dòng)地殼下部負(fù)電荷轉(zhuǎn)動(dòng)，因此產(chǎn)生了與地球轉(zhuǎn)動(dòng)反向的地殼運(yùn)移電流I1=Q1/T；地核內(nèi)聚集的正電空穴電荷量為Q2，地核內(nèi)的空穴正電荷隨地球旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生了與地球轉(zhuǎn)動(dòng)同向的地核運(yùn)移電流I2=Q2/T。

地殼運(yùn)移電流I1是由負(fù)電子隨地球旋轉(zhuǎn)形成的環(huán)流，平行于赤道平面，電流流向與地球的轉(zhuǎn)動(dòng)方向相同，流動(dòng)方向自東向西旋流。用右手螺線法則判定每一個(gè)電子環(huán)流產(chǎn)生的感應(yīng)磁場(chǎng)方向先向南后向北。地核內(nèi)的空穴正電荷隨地球旋轉(zhuǎn)形成的環(huán)流也平行于赤道平面，運(yùn)移電流產(chǎn)生的感應(yīng)磁場(chǎng)方向先向北后向南。這樣就在地球內(nèi)部出現(xiàn)了地殼感應(yīng)磁場(chǎng)B1和地核感應(yīng)磁場(chǎng)B2兩個(gè)磁源。地殼感應(yīng)磁場(chǎng)B1和地核感應(yīng)磁場(chǎng)B2這兩個(gè)磁源分別在地核、地幔和地殼三個(gè)圈層空間內(nèi)疊加又形成了三個(gè)不同的磁場(chǎng)空間。在空穴正電荷分布球面半徑內(nèi)側(cè)，B2>B1，形成的復(fù)合磁場(chǎng)以地核感應(yīng)磁場(chǎng)B2為主，磁場(chǎng)方向北為N極，南為S極；在地幔中，B2與B1疊加后的磁場(chǎng)方向不好確定；在地殼附近，B1>B2，形成的復(fù)合感應(yīng)磁場(chǎng)以地殼感應(yīng)磁場(chǎng)B1為主，感應(yīng)磁場(chǎng)方向北是S極，南是N極。

巖石的磁化強(qiáng)度與巖漿冷卻時(shí)的溫度有關(guān)，巖石的磁化率在600℃時(shí)最大，超過(guò)600℃的居里點(diǎn)磁性就突然消失。巖石的固化溫度在690℃～730℃，600℃的巖石處于半導(dǎo)體狀態(tài)，正好適合電子聚集，由此推測(cè)地球產(chǎn)生的運(yùn)移電流I1及產(chǎn)生的感應(yīng)磁場(chǎng)B1就臨近居里面，這樣為巖漿冷卻成地殼巖石被磁化時(shí)提供了最大的磁化強(qiáng)度，從而使巖石獲得了較大的剩余磁性，以至于有的巖漿巖（或玄武巖）達(dá)到25000×10-6CGSM。隨著地球溫度的降低，地殼巖石始終不斷增厚，位于巖石底部的居里球面、負(fù)電荷聚集面都在不斷向深部移動(dòng)，運(yùn)移電流I1產(chǎn)生的感應(yīng)磁場(chǎng)B1始終不斷使巖漿在冷卻結(jié)晶過(guò)程中創(chuàng)造出更多更厚的磁化地殼巖石。地球演化了46億年，巖漿冷卻形成了5～70千米的地殼，因此也就形成了5～70千米磁性巖石。運(yùn)移電流I1很小，產(chǎn)生的感應(yīng)磁場(chǎng)B1也很小，由于整個(gè)巖石地殼都帶磁性，全部地殼巖石的剩余磁場(chǎng)疊加在一起就形成了強(qiáng)大的地磁場(chǎng)。

3 推論

地核、地幔和地殼間的熱傳遞產(chǎn)生了熱電壓和熱電壓場(chǎng)；熱電場(chǎng)作用使負(fù)電荷移向地殼，在地殼下形成負(fù)電荷聚集層；地核部位失去負(fù)電子形成空穴正電荷聚集層；地殼負(fù)電荷隨地球旋轉(zhuǎn)形成地殼運(yùn)移電流，地核空穴正電荷隨地球旋轉(zhuǎn)形成地核運(yùn)移電流；運(yùn)移電流產(chǎn)生感應(yīng)磁場(chǎng)，地殼感應(yīng)磁場(chǎng)使巖漿冷卻形成殼巖石時(shí)帶上剩余磁；地殼巖石的剩余磁場(chǎng)疊加就形成了強(qiáng)大的地磁場(chǎng)，這是地球發(fā)電生磁的全過(guò)程?！昂酸r漿的熱電效應(yīng)與地球自轉(zhuǎn)配合是地球發(fā)電產(chǎn)生磁場(chǎng)的根本原因”。該模型具有共性和普世性，宇宙中其他星球產(chǎn)生磁場(chǎng)的原因與地磁場(chǎng)的成因應(yīng)該雷同。

參考文獻(xiàn)

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[3] 管守銳，趙澄林.巖漿巖及變質(zhì)巖簡(jiǎn)明教程[M].東營(yíng)：石油大學(xué)出版社，1991.

作者簡(jiǎn)介：彭壽斌（1963-），男，山東利津人，中國(guó)石化勝利油田有限公司孤東采油廠工藝研究所高級(jí)工程師，研究方向：石油地質(zhì)勘探與開(kāi)發(fā)，原子物理、地球物理和天文天體。

（責(zé)任編輯：周 瓊）