LUẬN văn sư PHẠM vật lý tìm HIỂU về TRƯỜNG địa từ và NHỮNG ỨNG DỤNG tại VIỆT NAM

Bài luận văn gồm 3 phần, phần 1 là giới thiệu sơ lược về đề tài, phần 2 là nội dung nghiên cứu gồm 3 chương, chương 1 đưa ra cơ sở lý thuyết cho các nghiên cứu, chương 2 giới thiệu các y

VÀ NHỮNG ỨNG DỤNG TẠI VIỆT NAM

Ths.DƯƠNG QUỐC CHÁNH TÍN VƯƠNG THỊ NGỌC THẢO

MSSV:1090283

LỚP:TL0934A1

Cần Thơ, Tháng 5/2013

T

:

T

Thầy Dương Quố Chánh Tín

D ứ

K

ù ứ

công trong công vi

T 2013

T N T

Hình 1.1 Ví dụ về độ từ thiên có giá trị dương khi kim nam châm lệch về phía đông

so với bắc địa lý 6

Hình 1.2 Ví dụ về độ từ thiên có giá trị dương khi kim nam châm lệch về phía đông so với bắc địa lý 15

Hình 1.3 Minh họa độ từ khuynh trong sách của Norman, The Newe Attractive 15

Hình 2.1 Chiếc la bàn hình thìa do người Trung Quốc chế tạo được lưu giữ tại viện bảo tàng Smith tại London 16

Hình 2.2 Chiến thuyền “Santa-Maria” một trong 3 chiến thuyền của Christophe Colomb” 17

Hình 2.3 W Gilbert (1544-1603) tác giả cuốn “De Magnet” 18

Hình 2.4 Trường lưỡng cực của trái đất 18

Hình 2.5 Các thành phần của trường địa từ 20

Hình 2.6 Mô hình dipole từ có xuyên tâm nghiêng 21

Hình 2.7 Đường dịch chuyển của các cực từ bắc từ năm 1600 đến năm 2001 23

Hình 2.8 Đường dịch chuyển của cực từ bắc trong tương lai tới năm 2050 24

Hình 2.9 Hệ tọa độ địa từ 25

Hình 2.10 Mô hình độ từ thiên D năm 1995 của phần trường chính 27

Hình 2.11 Dị thường từ tại vùng sống giữa đại dương và thang niên đại địa từ cho 10 triệu năm gần đây 28

Hình 2.12 Phân bố các đài quan trắc địa từ trên toàn cầu 35

Hình 2.13 Giản đồ từ của đài địa từ INTERMAGNET Phú Thụy ngày từ trường yên tĩnh 36

Bảng 2.1 Bảng số liệu trung bình tháng tại Phú Thụy 37

Hình 2.14 Đá tuổi Pecmi-Triac tại Cao Bằng - một vật liệu để nghiên cứu cổ từ 42

Hình 3.1 Phổ của từ trường trái đất 44

Hình 3.2 Độ sâu thẩm thấu của các sóng điện từ như là một hàm sóng của điện trở và chu kỳ 48

Hình 3.3 Nguyên lý và kỹ thuật đo của phương pháp từ Telua 50

Bảng 3.1 Một số giá trị điện trở điển hình của đất và đá 52

điên trở suất ρe 52

Hình 3.4 Vị trí tuyến khảo sát Hóc Môn - Củ Chi trên bản đồ 54

Hình3.5 Sơ đồ mặt cắt địa chất và thạch học dựa theo kết quả của 3 lỗ khoan LK804, LK807, Lk810 tại khu vực khảo sát 54

Hình 3.6 Xử lý đường cong đo sâu từ Telua trên máy vi tính 55

Hình 3.7 Mặt cắt địa điện sâu của tuyến Hóc Môn - Củ Chi theo kết quả đo sâu từ Telua 56

Hình 3.8 Vị chí các tuyến khảo sát trên bản đồ địa chất của miền Đông Nam Bộ xung quanh thành phố Hồ Chí Minh 57

Hình 3.9 Bản đồ điện trở xuất theo độ sâu cho thấy điện trở xuất liên quan đến chất lượng nước và khả năng chứa nước tại các độ sâu khác nhau 58

Hình 3.10 Sơ đồ vị trí các trạm đo từ tuyến Tuyên Quang - Yên Bái 60

Hình 3.11 Đường cong đo sâu từ Telua ở trạm Đại Đồng theo 2 hướng chính cho thấy sự bất đẳng hướng mạnh mẽ của võ trái đất 62

Hình 3.12 Mặt cắt địa điện MTS thu được bằng mô hình số 2D 63

Hình 3.13 Sơ đồ đường băng tại sân bay Nội Bài 65

Hình 3.14 GIC chạy vào hệ thống truyền tải điện 67

Hình 3.15 a.GIC ghi được tại Hòa Bình ngày 28/06/1999 68

b Gic đã loại bỏ phong 68

c Đạo hàm thành phần X của trường địa từ theo thời gian tại Đài địa từ Phú Thụy 68 Hình 3.16 Tần suất xất hiện GIC tại trạm biến áp 500kV Hòa Bình 69

Hình 3.17 Dòng điện GIC tính lý thuyết và dòng điện GIC ghi được ngày 15/07/2000 tại Hòa Bình 70

Hình 3.18 Bản đồ vị trí vùng đá vôi P - T trên lãnh thổ Nam Trung Quốc và vùng biên giới phía Bắc Việt Nam 74

Hình 3.19 Ảnh chụp mặt cắt đá vôi tại Nhị Tảo: theo kết quả khảo sát cổ sinh, ranh giới P - T nằm giữa lớp 10 và lớp 11 75

Hình 3.20 Conodont Hideous pavus tại Nhị Tảo 76

Hình 3.21 Kết quả phân tích MSEC tại Nhị Tảo 77

giới P - T nằm giữa lớp 5b và 11 77 Hình 3.23 Kết quả phân tích MSEC tại mặt cắt đá vôi ranh giới P-T tại Lũng Pù,

Hà Giang 78 Hình 3.24 Kết quả phân tích MSEC xác định ranh giới P-T tại mặt cắt chuẩn

Meíhan, Trung Quốc 79

Phần 1: MỞ ĐẦU 1

1 Lý do chọn đề tài 1

2 Đối tượng nghiên cứu 1

3 Bố cục của bài luận 1

4 Các giả thuyết của đề tài 1

5 Mục tiêu của đề tài 1

6 Các phương pháp và phương tiện thực hiện đề tài 2

6.1 Phương pháp nghiên cứu 2

6.2 Phương tiện thực hiện đề tài 2

7 Các bước thực hiện đề tài 2

Phần 2: NỘI DUNG 3

Chương 1: Cơ sở lý thuyết 3

1.1.Từ trường 3

1.1.1 Đặc trưng 3

1.1.1.1 Cảm ứng từ 3

1.1.1.2 Momen từ 3

1.1.1.3 Độ từ hóa 4

1.1.1.3.1 Định nghĩa 4

1.1.1.3.2 Đơn vị 4

1.1.1.4 Cường độ từ trường 5

1.1.1.5 Năng lượng từ trường 5

1.1.2.Tương tác 6

1.1.2.1 Với điện tích điểm 6

1.1.2.2 Với dòng điện 6

1.1.2.3 Với moment từ 6

1.2 Từ trường trong từ môi 7

1.2.1.Các chất từ môi và vectơ từ hóa 7

1.2.1.1 Sự từ hóa các chất, chất từ môi 7

1.2.2 Định luật cơ bản của từ trường trong từ môi 9

1.2.2.1 Cường độ từ trường trong từ môi 9

1.2.2.1.1 Vectơ cường độ điện trường 9

1.2.2.1.2 Liên hệ giữa H và B trong từ môi 10

1.2.2.2 Định lý ostro gradski-Gass trong từ môi 10

1.2.2.3 Lưu số của vectơ cường độ điện trường 11

1.3.Từ trường trái đất 13

1.3.1 Phát hiện từ trường 13

1.3.2 Đặt điểm từ trường 14

1.3.2.1 Độ từ thiên 14

1.3.2.2 Độ từ khuynh 15

Chương 2: Tổng quan về trường địa từ 16

2.1 Trường địa từ 18

2.1.1 Các thành phần của trường địa từ 19

2.1.2 Cực từ và cực địa từ 20

2.1.3 Xích đạo từ và xích đạo đia từ 24

2.1.4 Các nguồn gây ra trường địa từ 25

2.1.5 Mô hình trường địa từ 25

2.1.6 Sự thay đổi của trường địa từ trong quá khứ 27

2.2 Các thiết bị quan trắc của trường địa từ 28

2.2.1 Thiết bị đo độ từ thiên D và độ từ khuynh I 29

2.2.2 Thiết bị đo trường toàn phần T( từ kế proton) 29

2.3 Các phương pháp quan trắc trường địa từ 29

2.3.1 Quan trắc sự phân bố không gian và trường địa từ 30

2.3.1.1 Đo từ trên mặt đất 30

2.3.1.2 Đo từ trên biển 30

2.3.1.3 Đo từ hàng không 31

2.3.1.4 Đo từ trên vệ tinh 33

2.3.2 Quan trắc sự biến thiên theo thời gian của trường địa từ 34

2.3.2.2 Quan trắc khảo cổ từ (archeomanetism) 41

2.3.2.3 Khảo sát cổ từ 42

Chương 3: Những nghiên cứu ứng dụng về trường địa từ tại Việt Nam 43

3.1 Áp dụng phương pháp từ telua trong khảo sát nước ngầm tại đồng bằng nam bộ 43

3.1.1 Phương pháp từ telua 43

3.1.2 Phương pháp từ telua trong khảo sát nước dưới sâu 51

3.2 Phương pháp từ telua khảo sát cấu trúc sâu đới đứt gãy sông hồng 59

3.2.1 Vị trí các tuyến đo và các trạm khảo sát 60

3.2.2 Kết quả thăm dò từ telua tuyến Tuyên Quang-Yên Bái 61

3.3 Xác định độ từ thiên D tại các sân bay 64

3.4 Nghiên cứu tác động của bảo từ đối với hệ thống truyền tải điện ở Việt Nam 66 3.5 Độ từ cảm và phương pháp MSEC xác định ranh giới địa tầng 71

3.5.1 Phương pháp MSEC 71

3.5.2 Áp dụng phương pháp MSEC nghiên cứu ranh giới pecni-triat trên các hệ tầng đá vôi ở vùng đông bắc Việt Nam 72

3.5.2.1 Mặt cắt ranh giới P-T Nhị Tảo (Cao Bằng) 74

3.5.2.2 Mặt cắt ranh giới P-T Lũng Pù (Hà Giang) 76

Phần 3: KẾT LUẬN 80

1 Những mặt làm được 80

2 Những mặt hạn chế 80

3 Hướng nghiên cứu và phát triển đề tài trong tương lai 80

Tài liệu tham khảo 82

Phần 1: MỞ ĐẦU

1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI

Trường địa từ là một trường vật lý tự nhiên tồn tại trên trái đất, có tác động rõ rệt tới môi trường địa quyển, sinh quyển, khí quyển cũng như đến các hoạt động và sinh lý ở con người Tuy nhiên, ở nước ta các nghiên cứu và ứng dụng trường địa từ mới chủ yếu

được nghiên cứu khoảng nửa thế kỷ nay Vì thế khi chọn nghiên cứu đề tài “Tìm hiểu về trường địa từ và những ứng dụng tại Việt Nam” em hy vọng rằng có thể xây dựng một

cái nhìn tổng quát về trường địa từ đồng thời tìm hiểu được các phương pháp, phương tiện nghiên cứu và những ứng dụng thực tiễn của mảng khoa học này ở nước ta

2 ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là trường địa từ và những ứng dụng cụ thể của trường địa từ vào các lĩnh vực địa lý và hàng không ở nước ta từ nửa sau thế kỷ 20 đến nay

3 BỐ CỤC CỦA BÀI LUẬN

Bài luận văn gồm 3 phần, phần 1 là giới thiệu sơ lược về đề tài, phần 2 là nội dung nghiên cứu gồm 3 chương, chương 1 đưa ra cơ sở lý thuyết cho các nghiên cứu, chương 2 giới thiệu các yếu tố cơ bản của trường địa từ cùng với các phương pháp quan trắc và các thiết bị đo đạc các thành phần của trường địa từ, chương 3 giới thiệu các kết quả ứng dụng trường địa từ tại Việt Nam bao gồm áp dụng phương pháp từ tellua trong khảo sát nước ngầm ở đồng bằng nam bộ, nghiên cứu cấu trúc sâu đới đứt gãy sông Hồng, ảnh hưởng của bảo từ lên hệ thống truyền tải điện Việt Nam, về độ từ cảm và phương pháp MSEC trong xác định ranh giới địa tầng, phần 3 là kết luận chung, cuối cùng là các tài liệu mà em đã sử dụng trong quá trình thực hiện luận văn

4 CÁC GIẢ THUYẾT CỦA ĐỀ TÀI

- Trường địa từ gồm các thành phần nào?

- Làm thế nào để quan trắc trường địa từ?

- Các thiết bị nào cần thiết để quan trắc trường địa từ?

- Trường địa từ đem lại những ứng dụng gì trong việc nghiên cứu các nghành khoa học khác ở Việt Nam?

5 MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI

- Cung cấp cơ sở lý thuyết để người đọc tìm hiểu về trường địa từ

- Cung cấp cái nhìn tổng quát về trường địa từ

- Nêu được những ứng dụng quan trọng của trường địa từ tại Việt Nam

6 CÁC PHƯƠNG PHÁP VÀ PHƯƠNG TIỆN THỰC HIỆN ĐỀ TÀI

6.1 phương pháp nghiên cứu:

Để thực hiện đề tài này, tôi đã hoàn thành phần nghiên cứu của mình với các phương pháp sau:

- Sưu tầm tài liệu

- Nghiên cứu đề tài

- phân loại tài liệu

- Nhờ sự hướng dẫn của giáo viên hướng dẫn, các anh chị và các bạn cùng lớp

6.2 Phương tiện thực hiện đề tài

- Tài liệu tham khảo: Giáo trình, bài giảng, luận văn tốt nghiệp Đại học, tài liệu từ sách báo, tài liệu từ Internet

- Ý kiến nhận được từ: Giáo viên hướng dẫn, các thầy cô trong bộ môn, các bạn sinh viên

- Phương tiện hổ trợ: máy vi tính, máy in và các phần mềm hổ trợ

7 CÁC BƯỚC THỰC HIỆN ĐỀ TÀI

Bước 1: Lựa chọn vấn đề nghiên cứu

Bước 2: Xác định đề tài

Bước 3: Lập đề cương nghiên cứu sơ bộ

Bước 4: Thu thập tài liệu nghiên cứu

Bước 5: Lập đề cương nghiên cứu chi tiết

Bước 6: Triển khai đề tài nghiên cứu

Bước 7: Viết hoàn chỉnh và báo cáo tổng hợp đề tài

Phần 2: NỘI DUNG Chương 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

1.1 TỪ TRƯỜNG

1.1.1 ĐẶC TRƯNG

1.1.1.1 Cảm ứng từ

Cảm ứng từ là một đại lượng vector, thường được ký hiệu bằng chữ B, đặc trưng

cho khả năng tương tác lực của từ trường lên điện tích chuyển động

Trong chân không, các phương trình Maxwell (ở dạng vi phân trong hệ đo lường SI) liên quan đến cảm ứng từ là:

Trong hệ đo lường CGS, cảm ứng từ có đơn vị Gauss (G)

1.1.1.2 Mômen từ

Mômen từ, hay mômen lưỡng cực từ (magnetic dipole moment) là đại lượng vật lý, đặc trưng cho độ mạnh yếu của nguồn từ Trong trường hợp đơn giản là một dòng điện kín, mômen lưỡng cực từ được định nghĩa bởi:

(1.1)

với là véctơ diện tích (có độ lớn là diện tích, chiều là véctơ pháp tuyến của mặt

đó, xác định từ quy tắc bàn tay phải, là cường độ dòng điện Trong trường hợp một điện tích chuyển động quay, mômen từ sẽ được cho bởi biểu thức:

với là mật độ dòng điện

Trong vật lý nguyên tử, vật lý hạt nhân, người ta dùng khái niệm mômen từ của các hạt, có đơn vị là magneton Bohr (hay Bohr magneton, ký hiệu là ) Mômen từ của các hạt liên quan đến chuyển động nội tại của các hạt (chuyển động spin) hoặc mômen từ của nguyên tử được tạo ra từ mômen từ tổng cộng của các hạt (chuyển động spin) và chuyển động trên quỹ đạo của các hạt Trong một hệ hạt, mômen từ được xác định bởi tổng mômen từ của các hạt thành phần

với m là mômen từ nguyên tử, ΔV là thể tích

Từ độ có cùng thứ nguyên với cường độ từ trường, đuợc liên hệ với từ trường qua hệ số từ hóa (hay còn gọi là độ cảm từ của vật liệu, ký hiệu là χ):

M = χH

1.1.1.3.2 Đơn vị

Do có cùng thứ nguyên với cường độ từ trường nên từ độ mang đơn vị của từ trường, đơn vị trong SI là A/m Trong từ học, người ta còn sử dụng đơn vị khác cho từ độ được ký hiệu là emu/cm3 = 1000 A/m emu là chữ viết tắt của electromagnetic unit - đơn

vị điện từ Đơn vị này được dùng phổ biến trong từ học, xuất phát từ hệ đơn vị CGS

1.1.1.4 Cường độ từ trường

Cường độ từ trường là đại lượng véctơ, thường được ký hiệu bằng chữ H, cùng phương với B trong chân không:

H = B/μ0 (trong hệ đo lường SI) (1.3)

Trong môi trường vật chất có độ từ hóa M, véc tơ H được xây dựng để đóng vai trò tương tự như cường độ điện trường E của điện trường trong các phương trình Maxwell, thông qua mối liên liên hệ với cảm ứng từ B, và độ từ hóa M, qua hệ thức sau:

B = μ0(H + M) (trong hệ đo lường SI)

B = H + 4πM (trong hệ đo lường CGS)

Với mối liên hệ này, H cũng thỏa mãn các phương trình Maxwell tương tự như với E trong điện trường Trong hệ đo lường SI:

Với ρ m là mật độ từ tích hiệu dụng, liên hệ với độ từ hóa M qua:

và j là mật độ dòng điện tự do (tức là dòng điện chạy thông thường trên các vật dẫn

điện, không phải dòng cảm ứng xuất hiện trên bề mặt khi các môment từ nguyên tử xoay cùng chiều)

Như vậy, trong chân không, M = 0, nên mối liên hệ rút gọn thành biểu thức đã nêu

ở trên:

B = μ0H (trong hệ đo lường SI)

Trong các chất thuận từ và nghịch từ, M = χH, với χ là độ cảm từ, do đó hệ thức trở

thành:

B = μ0(1+χ)H = μ0μrH = μH (trong hệ đo lường SI)

Đơn vị đo của cường độ từ trường trong SI là A/m, và trong hệ đo lường CGS là Oersted

1.1.1.5 Năng lượng

Mỗi đơn vị thể tích của từ trường chứa trong nó năng lượng từ u được tính bởi công

Quy tắc bàn tay phải ( định luật Biot-Savart-Laplace) để xác định hướng của lực

F trong phép nhân véc tơ vận tốc v với cảm ứng từ B

Hạt mang điện tích q chuyển động với vận tốc v trong từ trường có cảm ứng từ B sẽ

Mômen từ, có thể coi theo quan điểm của điện động lực học cổ điển là các vòng dây khép kín Tổng hợp các lực tương tác lên toàn bộ vòng dây (lực tương tác lên từng đoạn dây điện ngắn được mô tả bên trên) sẽ tạo ra ngẫu lực và lực đẩy hoặc kéo tổng hợp lên mômen từ

Kết quả là, khi một vật thể có mômen từ m đặt trong từ trường có cảm ứng từ B, sẽ

có một mômen lực tác dụng lên mômen lưỡng cực từ cho bởi:

T = m × B (1.7) Mômen lực này khiến cho các mômen lưỡng cực từ có xu hướng định hướng theo chiều từ trường Đây là nguyên lý hoạt động của la bàn hay nhiều loại động cơ điện

Do lực từ tác động lên môment từ là lực thế, các mômen từ nằm trong từ trường cũng có thế năng:

U = -m.B

Nếu mômen từ nằm trong từ trường không đều, nó vừa chịu mômen lực vừa chịu

lực đẩy hoặc kéo F:

Lực hút đẩy này lý giải lực hút đẩy giữa các nam châm

có biến đổi Người ta nói môi trường đó đã bị từ hóa ( hay bị nhiễm từ ) Thực nghiệm cũng chứng tỏ khi đưa một thoải sắt (hay một cái đinh sắt) lại gần cực của một nam châm, thỏi sắt sẽ bị nam châm hút Điều đó có nghĩa là thỏi sắt đã bị từ hóa và trở thành một nam châm

Qua nhiều thí nghiệm tương tự như trên, người ta đã đi đến kết luận: Mọi chất đặt trong từ trường sẽ bị từ hóa Các chất có khả năng từ hóa gọi là từ môi (hay vật liệu từ) Một chất từ môi đặt trong từ trường ngoài B0 thì chất từ môi đó sẽ chịu sự từ hóa(nhiễm

từ), nó trở nên có tính từ và gây ra một từ trường phụ (hay từ trường riêng) Khi đó từ trường tổng cộng B

Tùy theo tính chất và mức độ từ hóa, người ta phân từ môi làm 3 loại:

+ Chất thuận từ: đối với chất này, từ trường phụ B

0

B Nhôm, Vonfam,

platin, oxi, nitơ, không khí, êbônic,… là những chất thuận từ

+ Chất nghịch từ: đối với chất này, B

+ Chất sắt từ: với chất từ này B



’cùng chiều với B0và có thể lớn B0 rất nhiều (tới hàng chục ngàn lần) Sắt, kền, Coban, và các kim loại thuộc nhóm đât hiếm, một số hợp chất đặc biệt như: thép, vonfam (92,7% Fe, 6% W, 1% C, 0,3% Mn), hợp kim Supécmalôi (79% Ni, 5% Mo, 16% Fe),… là những chất sắt từ

1.2.1.2 Vector từ hóa (vector từ độ)

Sau này chúng ta sẽ giải thích chi tiết cơ chế nhiễm từ của các loại từ môi khác nhau theo quan điểm vi mô; còn ở đây ta chỉ khảo sát hiện tượng nhiễm từ về mặt vĩ mô Trước hết cần đưa vào một đại lượng đặt trưng cho mức độ từ hóa của một chất từ môi, gọi là vector từ hóa (hay vector từ độ) J

Ta biết rằng từ trường do dòng điện gây ra; vì vậy từ trường phụ B



’của từ môi cũng phải do các dòng điện nào đó gây ra, và dĩ nhiên các dòng điện đó chỉ có thể nằm trong lòng các chất từ môi Theo giả thiết của Apmere, đây là các dòng điện khép kín trong phạm vi của một phân tử hay nguyên tử, và người ta gọi chung đó là dòng điện phân tử Theo công thức Pm = IS đã biết ta thấy dòng điện phân tử trong từ môi có moomen từ Pm = I.S.n ; trong đó I là cường độ dòng điện phân tử, S là diện tích giới hạn bởi dòng điện, n là vector pháp tuyến của mặt phẳng dòng điện Khi từ môi chưa bị từ hóa các mômen từ phân tử phân bố hỗn loạn, vì vậy tác dụng từ của chúng triệt tiêu lẫn nhau Nếu đặt từ môi vào trong từ trường thì các mômen phân tử sẽ định hướng theo hướng của từ trường; do đó mỗi vật đã bị từ hóa là một hệ thống các dòng điện phân tử

đã được đinh hướng theo Nếu xét toàn bộ, vật sẽ có mômen từ bằng tổng các mômen từ phân tử Cường độ từ trường trong từ môi càng mạnh thì các dòng điện phân tử định

lớn Vì vậy, một cách tự nhiên ta có thể đặt trưng cho mức độ từ hóa của vật bằng một mômen từ của một đơn vị thể tích của nó

Vector từ hóa của một khối từ môi (vật) đã được từ hóa đồng đều là một đại lượng đặc trưng cho mức độ từ hóa của vật, được đo bằng tổng các vector mômen từ phân tử chứa trong một đơn vị thể tích của khối từ môi:

P



(1.9)

Độ lớn J của vector từ hóa được gọi là từ độ của từ môi

Trong hệ SI, đơn vị của J là A/m (trùng với đơn vị của cường độ từ trường)

Vector từ hóa là đại lượng cơ bản đặc trưng cho trạng thái nhiễm từ của vật Khi biết vector từ hóa ở mỗi điểm của một vật nào đó, trong nhiều trường hợp ta có thể xác định từ trường của cả vật từ hóa sinh ra

1.2.2 ĐỊNH LUẬT CƠ BẢN CỦA TỪ TRƯỜNG TRONG TỪ MÔI

D EP trong đó P là vector phân cực

Tương tự như thế, khi xét từ trường trong từ môi, ngoài vector cảm ứng từ , người ta còn đưa thêm vector cường độ từ trường được định nghĩa bởi công thức:

0

B H





Như ta đã thấy ở mục trên, cường độ từ trường trong từ môi càng mạnh thì dòng điện phân tử được định hướng càng mạnh, nghĩa là vector từ hóa Jcàng lớn Thực nghiệm đã chứng tỏ trong các chất thuận từ và nghịch từ đồng chất thì J H: Trong hệ

m

 <<1 đó là những chất có tính từ yếu.Với các chất thuận từ lớn, và hơn nữa nó còn phụ thuộc vào cường độ từ trường bên ngoài H0

1.2.2.1.2 Liên hệ giữa Hvà Btrong từ môi

Thay biểu thức từ (1.11) vào (1.10) ta được:

Ta đã biết rằng các đường cảm ứng từ Btrong chân không là những đường khép kín Vì vector cảm ứng từ trong từ môi là tổng hợp các vector cảm ứng từ B0 (do dòng điện vĩ mô gây ra) và cảm ứng từ phụ B’ (do dòng điện phân tử hay dòng điện vi mô trong chân không gây ra), nên ta suy ra rằng các đường cảm ứng từ trong từ môi cũng là những đường khép kín Do đó đối với một mặt kín bất kì, số đường cảm ứng từ đi vào và

đi ra luôn bằng nhau, nghĩa là từ thông toàn phần qua mặt kín bằng không:

S

Bd S 

 (1.14)

Công thức đó biểu thị định lý Ostrogradski – Gauss cho cảm ứng từ trong từ môi

So sánh với định lý Ostrogradski – Gauss cho điện trường một lần nữa chúng ta thấy rằng: do

S

Bd S

 luôn luôn bằng không ở bất kì miền nào của không gian, trong chân không cũng như trong từ môi, nên các đường cảm ứng từ không có điểm khởi đầu cũng như không có điểm tận cùng, điều đó có nghĩa là trong tự nhiên không có “ từ tích”!

Từ (1.14) dễ dàng suy ra hệ vi phân của định lý Ostrogradski – Gauss:

divB = 0 (1.15)

1.2.2.3 Lưu số của vector cường độ từ trường

Ta đã biết rằng theo định lý Ampere trong chân không lưu số của vector cảm ứng từ theo một đường cong kín bất kì bằng tổng đại số các điện trường xuyên qua điện tích giới hạn bởi đường cong đó nhân với µ0:

0 1

n k k L

0

1 1 ( )

k I



 là tổng tất cả dòng điện tự do, dòng điện phân

tử bao quanh (L)

Giả sử ta tính lưu số dọc theo đoạn thẳng dl, chiều lấy lưu số lập với vector từ hóa

J một góc α Ta thấy rõ số dòng điện phân tử bao quanh dl bằng tất cả các dòng điện phân tử có tâm nằm trong hình trụ mà trục của nó trùng với đoạn dl, diện tích đáy S’ của hình trụ bằng diện tích của một dòng điện phân tử

Nếu n0 là số phân tử trong một đơn vị thể tích từ môi và I’ là cường độ của một dòng điện phân tử thì tổng đại số các dòng điện phân tử bao lấy dl sẽ bằng nI’S’cos Tích số I’.S’ bằng mômen từ pm của dòng điện phân tử Thành thử n.I’.S’ là mômen từ của đơn vị thể tích từ môi, nghĩa là bằng giá trị vector J, và nI’S’cos là hình chiếu của

n k

n k k

n k k L

Trong khoảng không gian không có dòng điện tự do (Itd = 0) thì công thức (1.21) trở thành:

đã xây dựng tĩnh từ học trên cơ sở tương tác giữa các “từ tích” điểm, đồng thời đã dùng phương pháp loại suy với tĩnh điện học để tìm ra công thức khác của tĩnh từ học Vì cường độ từ trường H đã được xem như trường đo các từ tích gây ra nên ban đầu người

“cường độ điện trường B” đã phản ánh quá trình hình thành ban đầu của điện từ học

Nhưng sau khi người ta phát hiện ra từ trường của dòng điện và đã chứng tỏ rằng không

có “từ tích”, thì sự tương tự giữa Hvà E là không có cơ sở Mặc khác, như ta đã biết cường độ điện trường E là tổng hợp của E0 (cường độ điện trường do các điện tích tự do gây ra) và E’ (cường độ điện trường do các điện tích phân cực xuất hiện trên mặt điện môi gây ra); Lực điện tác dụng lên điện tích được xác định bởi vector E chớ không phải vector D Tương tự như vậy, cảm ứng từ B trong từ môi là tổng hợp của B0 (do dòng

điện tự do gây ra) và B’ (do các dòng điện phân tử gây ra) ; Lực từ tác dụng lên dòng

điện đặt trong từ trường được xác định bởi B chớ không phải H Vì vậy giữa vector

Bvà E có những nét tương tự trên các mặt chủ yếu Ngoài ra đối chiếu các công thức định nghĩa cảm ứng điện D trong điện môi và vector cường độ từ trường H trong từ môi chúng ta thấy chúng tương tự nhau Như vậy đáng lẽ phải gọi: “B là cường độ từ trường”

và “H là cảm ứng từ” giống với tên gọi của E và D Nhưng do yếu tố truyền thống lịch

sử nên chúng ta vẫn giữ nguyên thuật ngữ cũ

1.3 TỪ TRƯỜNG TRÁI ĐẤT

Từ trường Trái Đất (và từ trường bề mặt) được coi như một lưỡng cực từ trường, với một cực gần cực bắc địa lý và cực kia gần cực nam địa lý Một đường thăng tưởng tượng nối hai cực tạo thành một góc khoảng 11,3° so với trục quay của trái đất Nguyên nhân gây ra từ trường có thể được giải thích theo lý thuyết dynamo

Các trường từ có thể mở rộng vô hạn, tuy nhiên nếu xét các điểm càng ra xa nguồn thì chúng càng yếu dần Từ trường của Trái Đất có tác dụng đến hàng chục ngàn km trong vũ trụ và được gọi là quyển từ

1.3.1 PHÁT HIỆN TỪ TRƯỜNG

Vào năm 1600, nhà vật lí người Anh W Gilbert đã đưa ra giả thuyết Trái Đất là một nam châm khổng lồ Ông đã làm một quả cầu lớn bằng sắt nhiễm từ, gọi nó là "Trái Đất tí hon" và đặt các từ cực của nó ở các địa cực Đưa la bàn lại gần trái đất tí hon ông thấy trừ ở hai cực, còn ở mọi điểm trên quả cầu, kim la bàn đều chỉ hướng Nam Bắc Hiện nay vẫn chưa có sự giải thích chi tiết và thỏa đáng về nguồn gốc từ tính của Trái Đất

Năm 1940, một số nhà vật lý đã đưa ra giả thuyết "Đinamô" để giải thích nguồn gốc

từ trường của trái đất Theo thuyết này thì từ trường Trái đất chủ yếu được hình thành từ các dòng đối lưu trong chất lỏng của trái đất ở độ sâu trên 3000 km Sự khác biệt về nhiệt

độ trong chất lỏng của trái đất đã làm xuất hiện các dòng đối lưu Nếu trong nhân của trái đất có một "từ trường nguyên thuỷ" thì các dòng đối lưu trên sẽ có vai trò như một cuộn dây trong máy phát điện Dòng điện nhờ đó được hình thành và chính nó đã tạo ra từ trường cho trái đất Tuy nhiên, thuyết vẫn còn một số điểm chưa rõ ràng Trong quá trình hình thành từ trường trái đất, cần có "từ trường nguyên thuỷ", nhưng từ trường này được hình thành từ bao giờ và bằng cách nào? Đây là một trong những tồn tại chưa giải quyết được của các ngành khoa học về Trái Đất

Gần đây, các nhà khoa học cho rằng ngoài từ trường chính của trái đất hình thành

từ lõi ngoài chiếm 98%, còn có phần từ trường với nguồn gốc bên ngoài trái đất chiếm 2%, phần từ trường này lại hay biến đổi, là phần quan trọng gây ra những tác động đối với cơ thể sống

từ 500–600 km dến 60.000- 80.000 km: đó là từ quyển (tầng điện ly trở lên)

1.3.2.1 Độ từ thiên

Độ từ thiên là góc tạo thành (δ) giữa hướng bắc thực (bắc địa lý) và hướng bắc

từ (là hướng chỉ phương bắc của kim la bàn) hay góc tạo thành giữa kinh tuyến địa lí (phương bắc nam) và kinh tuyến từ tại điểm đã cho trên mặt đất Giá trị này sẽ dương khi bắc từ nằm về phía đông của bắc thực và ngược lại Ví dụ, ở Việt Nam, độ từ thiên biến đổi từ –1⁰ ở Cao Bằng đến 0⁰ ở Đà Nẵng và đạt +1⁰ tại Cà Mau

Hình 1.3 M ừ N The Newe Attractive

Độ từ khuynh là góc tạo thành bởi véc tơ từ trường Trái Đất với mặt phẳng nằm ngang tại điểm khảo sát.Độ từ khuynh là do kim nam châm hướng theo đường sức từ do tác động của lực từ Do lực của các đường sức trên Trái Đất không song song với bề mặt đất nên đầu bắc của kim la bàn sẽ chúi xuống ở bắc bán cầu (giá trị dương) và hướng lên

ở nam bán cầu (giá trị âm) Các đường đồng giá trị từ khuynh trên bề mặt Trái Đất được gọi là "đường đẳng khuynh" Tập hợp các điểm có giá trị từ khuynh bằng 0 thì được gọi

là xích đạo từ Giá trị này do động từ -90⁰ đến +90⁰

Chương 2: TỔNG QUAN VỀ TRƯỜNG ĐỊA TỪ

2.1 TRƯỜNG ĐỊA TỪ

Trường địa từ được biết đến từ rất sớm Hiện nay tại bảo tàng các sáng chế cổ của học viện Smith về Lịch sử khoa học tại London vẫn còn giữ lại được chiếc la bàn hình thìa đầu tiên trên thế giới, do người Trung hoa chế ra vào khoảng năm 220 trước Công nguyên Chiếc la bàn hình thìa được làm bằng quặng macnetit luôn chỉ hướng nam quay trên một đĩa bằng đồng gọi là đĩa vũ trụ và được đặt trên chiếc bàn gỗ vuông tượng trưng cho Trái đất

ra Châu Mỹ (nhưng lúc đó ông vẫn tin là thuộc đất Ấn Độ) thì kỳ lạ thay, kim la bàn lại chỉ về đúng phương bắc thực

trường của bán cầu bắc nằm cách cực địa lý và kinh tuyến từ do kim la bàn chỉ gọi là góc

H 2 4 T

Trường địa từ được miêu tả bằng các tham số sau:

 Tham số miêu tả hướng của trường địa từ là độ từ thiên D và độ từ khuynh I độ

từ thiên D là góc giữa phương bắc từ với phương bắc địa lý Góc D được tạo thành giữa kim tuyến địa lý (hướng bắc) và thành phần nằm ngang H của vectơ trường toàn phần F., góc I là góc giữa vectơ F và thành phần nằm ngang H D và I được đo bằng đơn vị đo góc

là độ, phút, giây D là giá trị dương về phía đông, còn I là giá trị dương khi đầu bắc kim

la bàn hướng xuống dưới

 Tham số chỉ cường độ trường toàn phần F được miêu tả bởi thành phần nằm ngang (H), thành phần thẳng đứng (Z), thành phần bắc từ (X) hoặc đông từ (Y) của cường độ nằm ngang (H) Mặt phẳng thẳng đứng đi qua thành phần H được gọi là mặt phẳng kim tuyến từ (địa phương) Các thành phần này được đo bằng đơn vị nanoTesla (1nT x 100.000 = 1Oe) Cường độ trường địa từ thay đổi trong khoảng 25.000-65.000 nT Tại một điểm O bất kỳ trên mặt đất, vectơ trường địa từ F được đặc trưng bởi hướng

và cường độ mà chúng ta có thể đo được Người ta thường sử dụng 2 cách đo để xác định vectơ trường địa từ

 Trong cách đo thứ nhất sẽ đo: T- giá trị tuyệt đối của vectơ F, góc D và I Góc D dương, nếu H lệch về phía đông, góc I dương khi F hướng xuống dưới so với mặt phẳng ngang

 Trong cách đo thứ hai: sử dụng việc phân tách vectơ F ra các thành phần X, Y

và Z – là thành phần bắc (X) và đông (Y) của thành phần nằm ngang H và thành phần thẳng đứng (Z) Z được coi là dương nếu F hướng xuống dưới

Tất cả 7 giá trị T, H, X, Y, Z, D, I được gọi là các thành phần của trường địa từ chúng có mối quan hệ với nhau theo các biểu thức sau:

H = F cos I ; Z = F sin I = H tg I;

Hìn 2 6 M ừ

Do trục diope nghiêng với trục địa lý một góc 11o5 cho nên cực bắc và cực nam địa

lý không trùng với cực từ bắc và cực từ nam Tại cực từ, kim nam châm hướng vuông góc với mặt đất (góc I = 900), thành phần nằm ngang bằng 0 và la bàn không chỉ ra được hướng của vectơ trường địa từ (độ từ thiên D không xác định)

Có hai cách xác định cực từ:

 Cách thứ nhất sử dụng kim la bàn, đó là khi kim la bàn có vị trí thẳng đứng

 cách thứ hai sử dụng mô hình trường địa từ : Cực từ được xác định là nơi mà độ từ khuynh được tính là bằng 90o

Trên thực tế, cực từ quan trắc được không phải là một điểm đơn độc, mà nó là một khu vực, nơi có “nhiều cực từ” tồn tại Việc xác định cực từ thường rất khó vì mấy lý do:

độ từ khuynh gần bằng 90o

trên một vùng rộng, khu vực cực không phải là một điểm cố định, mà nó chuyển động trong khoảng từ 10 đến hàng trăm km do ảnh hưởng của biến thiên ngày đêm và bảo từ, và cuối cùng, vùng cực là vùng rất khó đi tới bằng các phương tiện giao thông bình thường Cục địa chất Canađa là cơ quan nhận trọng trách xác định cực bắc từ Cực này dịch chuyển chậm trên vùng biển Bắc Băng Dương thuộc Canađa và

họ phải đo lặp lại đều đặn để xác định vị trí cực từ bắc Lần đo lặp gần nhất là vào tháng

05 năm 2001 đã xác định được vị trí của cực từ bắc và khẳng định là cực từ bắc dịch

chuyển về phía tây bắc với tốc độ khoảng 40 km/năm Trên H 2.7 là sự dịch chuyển của cực từ bắc trong các năm 1600 – 2001, còn trên H.2.8 là sự dịch chuyển của cực từ bắc trong tương lai cho đến năm 2050 Giá trị cực từ bắc quan trắc được cho năm 2001 và vị trí cự từ bắc được dự tính cho năm 2002-2005 là:

Trong nghiên cứu địa từ người ta còn sử dụng khái niệm cực địa từ (hay còn gọi là cực dipole từ đồng tâm) Vị trí của cực địa từ được tính dựa theo phân tích trường địa từ theo mô hình IGRF đến hài bằng 3 Sử dụng mô hình IGRF và tính các vị trí đối xứng, nơi dipole cắt với mặt đất, cực địa từ bắc và cực địa từ nam được tính cho năm 2001 là: 81,0oN và 110,0oW & 64,6oS và 138,3oE Những vị trí này thường được dùng để tính tọa

độ địa từ

Thường người ta xác định phương hướng bằng la bàn Khi biết được độ từ thiên (là góc giữa phương bắc địa lý với hình chiếu của trường địa từ trên mặt phẳng nằm ngang tại nơi khảo sát) sẽ cho phép ta hiệu chỉnh la bàn để xác định hướng của trường địa từ tại

đó Tại trung tâm số liệu Địa vật lý quốc gia Mỹ (NGDC) có chương trình tính độ từ thiên trực tiếp trên mạng INTERNET Có thể nhận thông tin từ trang Web sau:

Khi vào trang Web, người ta điền vị trí nơi khảo sát và sẽ nhận được giá trị độ từ thiên cho mục đích hiệu chỉnh

H 2 7 ừ ừ 1600 2001

Để la bàn có thể hoạt động tốt, kim la bàn cần được quay tự do và định hướng theo từ trường do đó cần lưu ý về sự khác nhau trong thiết kế giữa la bàn để sử dụng ở bắc bán cầu và ở nam bán cầu Đó chính là ở vị trí của trọng vật “Cân bằng” (balance), tức là trọng lượng đặt vào đầu kim la bàn để giữ cho nó ở tại vị trí nằm ngang và có thể quay tự

do Tại bắc bán cầu, trường địa từ hướng vào bên trong trái đất, nên kim la bàn có trọng vật gắn lên đầu nam của kim để giữ cho nó ở mặt phẳng ngang Tại nam bán cầu, trọng vật phải đặt vào đầu bắc của kim la bàn Nếu không thay đổi trọng vật thì kim la bàn không quay tự do được và nó sẽ hoạt động không tốt

Hình 2 8 ừ 2050

2.1.3 Xích đạo từ và xích đạo địa từ

Vùng giá trị I dương và âm được phân chia bởi một đường, theo đường này độ từ khuynh I = 0 gọi là đường xích đạo từ Tại xích đạo từ thì kim la bàn luôn luôn nằm ngang Không giống như xích đạo địa lý, xích đạo từ không cố định mà thay đổi chậm chạp Tại phía bắc xích đạo từ, khi đầu bắc của kim la bàn chỉ xuống phía dưới mặt phẳng nằm ngang thì I và Z có giá trị dương Tại phía nam xích đạo từ, khi đầu nam của kim la bàn chỉ xuống phía dưới mặt phẳng ngang, I và Z được đo có giá trị âm Khi ta dịch chuyển khỏi xích đạo từ và xích đạo địa từ: giống như phân biệt cực từ và cực địa từ

ở trên

H 2 9 H ừ

2.1.4 Các nguồn gây ra trường địa từ

Trường địa từ được cấu thành từ một số nguồn trường chồng lên nhau và tương tác lẫn nhau, đó là:

 Phần trường chính của trái đất, được tạo nên trong nhân lòng của trái đất (chiếm khoảng 90%);

 Phần trường tạo nên bởi các đất đá nhiễm từ trong vỏ trái đất;

 Phần trường có nguồn gốc bên ngoài trái đất gây nên bởi những dòng điện chạy trong tần điện ly của từ quyển;

 Phần trường gây nên bởi các dòng điện chạy trong vỏ trái đất (thường là các dòng cảm ứng bởi trường biến thiên có nguồn gốc bên ngoài trái đất);

 Phần trường gây nên bởi các hiệu ứng của dòng chảy trong đại dương;

Phần đóng góp của các nguồn này biến thiên theo thời gian bắt đầu từ mili giây (từ mạch động) cho tới hàng triệu năm (đảo cực của trường địa từ)

2.1.5 Mô hình trường địa từ

Vào năm 1635, lần đầu tiên gellibrand đã chứng minh rằng trường địa từ không những thay đổi trong không gian , mà còn biến thiên theo thời gian

Những đặc trưng của trường địa từ đã có thay đổi rõ rệt trong suốt 400 năm gần đây, bao gồm thay đổi về hướng và cường độ

Trường địa từ luôn luôn thay đổi, cho nên ta không thể dự đoán chính xác giá trị của trường tại một điểm bất kỳ trong một tương lai rất gần Do vậy, người ta phải đo đạc thường xuyên các yếu tố của trường địa từ trên toàn cầu (trên mặt đất, vệ tinh, hàng không và trên tàu biển ) trên cơ sở các số liệu đo đạc thực tế người ta có thể xây dựng

mô hình toán học miêu tả phân trường chính của Trái đất (chiếm hơn 90% trường địa từ

và được gây nên bởi những chuyển động trong nhân lỏng của trái đất, cùng với sự thay đổi của nó cho từng thời kỳ nhất định Khi những kết quả quan trắc mới liên tục được cập nhật thì các mô hình trường địa từ sẽ luôn được chính sách hóa để có thể biểu diển đúng trường địa từ như nó vốn có Độ chính xác của mô hình trường địa từ chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố, kể cả việc trường địa từ được đo ở đâu

Hiện nay trên thế giới thường sử dụng hai mô hình tính trường, đó là:

 Mô hình trường quốc tế (IGRF – International geophysinal Reference Field) do hội địa từ và Cao không quốc tế (IAGA) thông qua

 Mô hình trường toàn cầu (WMM – World Magnetic Model) do Cục địa chất Mỹ

và Cục địa chất Anh xây dựng

Mô hình trường quốc tế IGRF được thông qua 5 năm một lần Mô hình IGRF từ năm

2000 cho đến 2005 được Hội địa từ và Cao không quốc tế (IAGA) thông qua cuối năm

1999 tại Birmingham, Anh Mô hình WMM 2000-2005 do Cục địa chất Mỹ và Cục địa chất Anh xây dựng, được công bố vào tháng giêng năm 2000 Các mô hình phải được làm mới lại sau 5 năm, vì bản chất biến thiên của trường địa từ Các mô hình trường địa

từ cho phép dự đoán trường dựa trên sự ước lượng về mức độ biến thiên của trường trong một số năm trước khi xây dựng mô hình Do sự ước lượng mức độ biến thiên của trường cũng biến đổi, cho nên nếu tiếp tục sử dụng các mô hình quá 5 năm sẽ gặp sai số lớn trong việc xác định các tham số của trường Ví dụ về mô hình độ từ thiên D năm 1995 của phần trường chính được dẫn trên hình1.10

H 2 10 M ừ D 1995

Trung tâm số liệu địa vật lý quốc gia Mỹ (NGDC) và Trung tâm số liệu Địa vật lý quốc gia về địa từ tại Kyoto lưu trữ và cung cấp các mô hình IGRF và WMM có thể tải các mô hình này miễn phí từ trang Web sau:

2.1.6 Sự thay đổi của trường địa từ trong quá khứ

Trường địa từ đã thay đổi trong suốt thời gian tồn tại của mình Khi các mảng kiến tạo hình thành dọc theo vùng sống giữa đại dương, trường địa từ tồn tại vào lúc đó đã được ghi lại trên đá khi chúng bị nguội đi dưới nhiệt độ 700oC Các mảng chuyển động chậm chạp đã tác động như một băng ghi âm ghi lại những thông tin về cường độ và hướng của trường địa từ trong quá khứ Khi lấy những mẫu đá này và sử dụng kỹ thuật định tuổi phóng xạ, có thể tái lập lịch sử của trường địa từ cho 160 triệu năm gần đây hoặc hơn nữa Các số liệu “cổ từ” cổ hơn cũng tồn tại, nhưng bức tranh phân bố không được liên tục như số liệu cổ từ dọc theo vùng sống giữa đại dương Các số liệu cổ từ được khảo sát từ nhiều địa phương khác nhau, có tuổi địa chất khác nhau đều cho những bằng chứng xác thực về bức tranh phân bố thực bản chất tự nhiên của trường địa từ và chuyển động kiến tạo

Thêm vào đó nếu ta “cho cuốn băng chạy ngược” để các lục địa chồm lên các mảng kiến tạo, ráp lại theo các đường gờ thì chúng gần như trùng khít nhau Các lục địa được ráp lại này lại có các hóa thạch thực vật và động vật phù hợp nhau Bức tranh phân bố

trường địa từ dựa trên kết quả khảo sát địa từ cho thấy cường độ từ lúc mạnh, lúc yếu đi

và thường thay đổi cực (đảo cực bắc từ thành cực nam từ và ngược lại)

2.2 CÁC THIẾT BỊ QUAN TRẮC TRƯỜNG ĐỊA TỪ

Các thiết bị quan trắc trường địa từ được thiết kế để đo vectơ trường toàn phần F và các thành phần của trường địa từ

Về mặt nguyên lý, các thiết bị ghi, đo trường địa từ sử dụng trong đo từ có thể thuộc một trong 5 nhóm sau đây: từ kế dây xoắn (torsion magenetometer), từ kế cộng hưởng từ hạt nhân (nuclear magnetic resonnance magenetometer), từ kế lõi bão hòa (saturable core magenetometer) hay từ kế fluxgate, từ kế cảm ứng (induction magenetometer) và từ kế siêu dẫn (superconducting magenetometer) Dưới đây chỉ giới thiệu một số thiết bị đo từ

2.2.1 Thiết bị đo độ từ thiên D và độ từ khuynh I

Từ kế fluxgate DI-flux là thiết bị để đo độ từ thiên D và độ từ khuynh I, về bản chất

là một Kính kinh vĩ sản xuất tại Đức, được viện vật lý địa cầu Pari ghép thêm một bộ van

từ thông loại fluxgate Máy có độ phân giải đến 0,1 nT (ứng với khoảng 0,5” góc)

Nguyên tắc tắc hoạt động của Kính kinh vĩ từ để đo độ từ thiên D như sau: thiết bị bao gồm một vòng tròn chia độ nằm ngang một kính thiên văn và một buồng nhỏ hình trụ, trong đó một thanh nam châm được treo nằm ngang bằng một sợi dây không xoắn Đưa ống ngắm vào một mia đã biết giá trị azimut, đọc giá trị trên vòng chia độ, sau đó đưa ống ngắm vào các đầu mút của thanh nam châm để nằm tự do trong kim tuyến từ và lại đọc giá trị trên vòng tròn chia độ Từ hai phép đọc này sẽ xác định được giá trị độ từ thiên D Về lý thuyết, trong điều kiện chuẩn, thiết bị có thể đạt độ chính xác tới 0,1’ Nguyên lý đo độ từ khuynh trong máý là: một cuộc dây được làm quay xung quanh một trục, trục này có thể lấy bất kỳ hướng nào trong không gian Khi cuộn dây quay trong trường địa từ, trong cuộn dây sẽ xuất hiện một lực điện động cảm ứng Khi làm thay đổi hướng của trục quay, sẽ tìm được một vị trí mà ở đó lực điện động cảm ứng trong cuộn dây bằng không Lúc đó, trục quay của cuộn dây sẽ song song với đường sức của trường địa từ Độ từ khuynh I sẽ được xác định qua việc đo độ nghiêng của trục quay này so với mặt phẳng nằm ngang Về lý thuyết, trong điều kiện chuẩn, máy có thể đạt độ chính xác đến 0,1’

2.2.2 Thiết bị đo trường toàn phần T (từ kế proton)

Từ kế proton được chế tạo dựa trên cơ sở cộng hưởng từ Một proton có momen spin đặt trong một từ trường B có 2I +1 mức Zeeman đặc trưng bởi số lượng tử M, hình chiếu của I lên B, cách nhau bằng năng lượng EM+1 – EM = mB/I (m: momen từ của proton)

Sự truyền năng lượng giữa các mức này được thực hiện 20.000 ÷ 120.000 nT cho từ kế

vô hướng, có thể ghi mọi giá trị của trường địa từ cũng như biến thiên của nó theo thời gian Máy có thể đo ở trong khoảng nhiệt độ từ -40 ÷ 60o

C

2.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP QUAN TRẮC TRƯỜNG ĐỊA TỪ

Các phương pháp chính để nghiên cứu trường địa từ bao gồm: quan trắc trực tiếp sự phân bố không gian của trường địa từ trên bề mặt Trái đất và sự thay đổi của nó theo thời gian

2.3.1 Quan trắc sự phân bố không gian của trường địa từ

Quan trắc sự phân bố không gian của trường địa từ bao gồm việc đo các yếu tố trường địa từ tại các vị trí khác nhau trên bề mặt trái đất và được gọi là đo vẽ bản đồ từ Phụ thuộc vào nơi tiến hành đo vẽ bản đồ từ, ta có thể chia thành đo từ trên mặt đất, đo từ trên biển, đo từ hàng không và đo từ trên vệ tinh Mỗi loại đo vẽ yêu cầu kỹ thuật đo khác nhau và đòi hỏi thiết bị đo chuyên dụng thích hợp

2.3.1.1 Đo từ trên mặt đất

Việc đo vẽ bản đồ được tiến hành ngay từ khi Christophe Colomb phát hiện ra độ từ thiên Tuy nhiên trong 200 năm đầu tiên (1500 – 1700) sau phát kiến của Colomb, đo vẽ bản đồ mới chỉ được tiến hành lẻ tẻ và chủ yếu do những nhà đi biển tiến hành, vì đối với

họ, độ từ thiên rất quan trọng trong việc xác định hướng lái tàu biển khi sử dụng la bàn Việc đo vẽ độ từ thiên và độ từ khuynh có hệ thống đầu tiên do một nhà hàng hải người Anh tiến hành vào năm 1700 các số liệu này đã cho phép lập bản đồ từ thế giới đầu tiên Ngày nay, việc đo vẽ bản đồ được tiến hành tại hầu khắp các nước trên thế giới Tuy nhiên, để tìm ra quy luật về sự phân bố không gian của cá yếu tố trường địa từ và xây dựng các cơ sở lý thuyết của trường địa từ, thì không chỉ hạn chế việc quan sát các yếu tố trường địa từ tại một lãnh thổ nhất định nào Mà phải tiến hành tại trên toàn bộ bề mặt trái đất vào những niên đại khác nhau Để làm việc này IAGA đã thành lập ủy ban về Các đài địa từ, các chuyến đo từ và phân tích số liệu Mục đích của Ủy ban này nhằm thu thập

số liệu về bản đồ từ tại mỗi quốc gia, sau đó dùng kết quả phân tích biến thiên thế kỷ và phép nội suy để nối các đường đồng mức tại biên giới giữa các nước Trong hai mươi năm gần đây công việc này được thực hiện trên máy tính nên nhanh chóng và giảm được nhiều công sức

2.3.1.2 Đo từ trên biển

Biển và đại dương chiếm khoảng 5/6 diện tích bề mặt của trái đất vì vậy, khoa học

về trường địa từ sẽ mất ý nghĩa Nếu như không tiến hành đo từ trên biển Mặt khác, chính các nhà đi biển là những người đã ứng dụng rộng rãi hiện tượng trường địa từ ngay

từ khi nó được phát hiện trong mục đích định hướng lái Độ từ thiên được xác định đầu tiên tại Đại Tây Dương và Ấn Độ Dương Năm 1757 danh mục về độ từ thiên cho Đại Tây Dương và Ấn Độ Dương dựa theo các kết quả đo tại 50.000 vị trí, các vị trí cách đều

nhau 5 độ theo vĩ độ, cũng như theo kinh độ đã được thành lập Danh mục này đã đóng vai trò hết sức quan trọng trong việc định hướng lái bằng la bàn

Một khối lượng lớn công việc đo vẽ bản đồ từ trường trên biển đã được viện Carnegi (Mỹ) tiến hành trong các năm 1905-1929 từ năm 1905 đến năm 1908, để đo từ trên biển Viện này đã sử dụng tàu Galile Đó là một tàu bằng gỗ, có trọng tải 600 tấn Để cách ly các thiết bị đo từ với khối lượng sắt thép trên tàu ra xa khoảng 6-9m, trên khoan chính người ta đã thiết kế những cái cầu nhỏ Trên tàu đã tiến hành đo độ từ thiên , độ từ khuynh và thành phần nằm ngang của trường địa từ, còn các thành phần khác đã được tính từ các kết quả đo Trong 3 năm họ đã tiến hành 3 tuyến đo trên biển Thái Bình Dương Vào năm 1909 họ lại chở thiết bị một con tàu mới Carnegi Tàu này đã tiến hành

đo tại Thái Bình Dương, Đại Tây Dương và Ấn Độ Dương Nhược điểm của việc đo trên những tàu này là vị trí đo độ từ thiên không trùng với vị trí đo thành phần nằm ngang, đồng tời các kết quả đo lặp cho thấy hiểu biết về biến thiên thế kỷ trên biển chúng ta còn rất hạn chế

Tại Liên Xô đã thiết kết tàu buồm phi từ “Rạng Đông” hoạt động từ năm 1953 cho tới năm 1987 trên tàu này đã tiến hành đo các vectơ trường địa từ liên tục trong khi tàu chuyển động Thiết bị đo từ tổng hợp dựa trên những nguyên lý khác nhau và việc xác định vectơ trường địa từ bằng hai thiết bị độc lập Những kết quả đo từ của tàu “Rạng Đông” trên biển Thái Bình Dương, Đại Tây Dương và Ấn Độ Dương đã cho phép:

 Xây dựng được bản đồ đường đồng mức cho Thái Bình Dương, Đại Tây Dương và

Ấn Độ Dương, dựa trên các kết quả đo trực tiếp Khi sử dụng những số liệu này, có thể hiệu chỉnh toàn bộ các số liệu đo từ trước đó về cùng một niên đại để phục vụ cho việc đo đạc bản đồ từ hiện đại

 Xác định được những vùng từ trường dị thường và những vùng từ trường yên tĩnh Trên cơ sở việc xác định độ sâu của các nguồn gây biến thiên, những khảo sát thống kê tiếp tục sẽ cho phép xây dựng được bức tranh phân bố móng kết tinh trong khu vực dị thường từ Những vùng dị thường phát hiện được trên biển có liên quan với các khối phun trào và siêu bazơ lớn dưới đái biển

2.3.1.3 Đo từ hàng không

Mục đích chính của đo từ hàng không là xây dựng các bản đồ đường đồng mức của vectơ trường từ toàn phần, bản đồ này được sử dụng để xác định các dị thường từ của vỏ trái đất phục vụ cho việc thăm dò chi tiết bằng các phương pháp địa vật lý khác.Việc đo

từ hàng không được tiến hành bởi từ kế prôton với phần sensor được đặt ở đuôi máy bay, hoặc đưa ra ngoài, đặt nằm dưới cánh máy bay Việc đo thường được tiến hành ở độ cao 500m theo các tuyến cách nhau 1-2 km

Thành công của phương pháp đo từ hàng không là ở chỗ khi lập bản đồ từ hàng không sẽ cho phép phát hiện được sự khác biết rõ rệt về độ từ dư giữa các loại đá thể hiện qua các dị thường từ Sự khác biệt này chính là các bể trầm tích bị nhiễm từ yếu phủ lên trên các tầng đá gốc Số liệu đo từ sẽ cho phép chúng ta đánh giá được bề dày của tầng trầm tích Sự tương phản về độ nhiễm từ còn chỉ ra những vùng có khả năng chứa khoáng sản

Đo từ hàng không được ứng dụng rộng rãi trong việc lập bản đồ từ, kể từ khi xuất hiện các từ kế đo 3 thành phần Lợi thế quan trọng và rõ rệt nhất của việc đo từ hàng không là một số lượng lớn phép đo được thu thập nhanh và phủ được một vùng rộng lớn trong một thời gian ngắn, việc đo từ có thể thực hiện được cả ở những khu vực mà việc

đo trên mặt đất không thể thực hiện được

Tại Mỹ chương trình đo từ hàng không toàn cầu Magnet đã đo 3 thành phần trên đại dương, khoảng cách các tuyến là 400-500 km bay ở độ cao 6 km Các kết quả bay đo sẽ cho phép lập bản đồ phân bố từ trường bình thường của Trái đất, tức là loại bỏ được phần

dị thường địa phương

Các kết quả đo vectơ từ này đã được phối hợp cùng với các kết quả đo từ trên biển nói trên để xây dựng bản đồ từ thế giới cho các niên đại 1960 – 1965 theo các bản đồ này đã phát hiện các dị thường có độ lớn tới 1.500-2.000 nT hoặc về độ từ thiên tới 5 độ Sau này việc đo từ hàng không đã được phát triển mạnh mẽ tại Canada, tại Nhật Bản Hiện nay bay đo hàng không ở độ cao thấp, đo vẽ bản đồ trên mặt đất vẫn tiếp tục được triển khai đáp ứng các đòi hỏi của địa vật lý thăm dò để xác định vị trí của khoáng sản gần mặt đất