Nguồn số liệu chính để nghiên cứu trường địa từ hiện nay là khoảng 160 đến 180 đài địa từ phân bố trên toàn cầu và các phép đo giá trị của trường được thực hiện bởi các vệ tinh nhân tạo trên những độ cao nhất định từ năm 1965 tới nay. Đặc biệt, từ tháng 10- 1979 đến tháng 6-1980 vệ tinh MAGSAT đã hoàn thành một chương trình bay đo các giá trị tuyệt đối của trường toàn phần và ba thành phần cường độ của nó. Ngày 23-2-1999 vệ tinh Orsted đã được phóng lên để đo 3 thành phần của trường địa từ và cường độ trường toàn phần. Ngoài ra, các vệ tinh CHAMP, SAC-C cũng đã được phóng lên với mục đích nghiên cứu từ trường của Trái đất.
5.1. Các bản đồ phân bố trường địa từ
Phương pháp phổ biến nhất trong việc biểu diễn phân bố trường địa từ là dưới dạng bản đồ các đường đồng mức, tức là nối các điểm có giá trị bằng nhau của từng yếu tố trường địa từ:
bản đồ đường đồng mức của độ từ thiên được gọi là isogon, bản đồ đồng mức độ từ khuynh gọi là isoclin, còn bản đồ đồng mức của thành phần nằm ngang gọi là isodynam. Đường đồng mức của các yếu tố H,Z,X và Y được gọi tương ứng là các đường đồng mức của thành phần nằm ngang, thành phần thẳng đứng, thành phần bắc và đông. Trên H. 1.20 là bản đồ phân bố độ từ khuynh I của trường địa từ niên đại 1945, còn trên H.1.21 là bản đồ phân bố độ từ thiên D của trường địa từ niên đại 2000.
Trên các bản đồ I và Z đường đồng mức 0 chính là xích đạo từ.
Trên bản đồ H, nơi H=0 chính là cực từ. Các điểm cực này (cũng tương tự như các cực địa lý) là các điểm hội tụ của các đường đồng mức trên bản đồ D. Khi biểu diễn biến thiên thế kỷ của trường địa từ, bản đồ đường đồng mức của biến thiên thế kỷ gọi là isopor.
Đường nối xuyên tâm của Trái đất dọc theo trục lưỡng cực (dipole) cắt với bề mặt của Trái đất tại hai điểm, được gọi là cực địa từ.
Đối với mỗi quốc gia bản đồ trường địa từ cũng trở nên cần thiết như các bản đồ địa hình, bản đồ địa chất và bản đồ trọng lực.
Trên cơ sở những đo đạc về trường địa từ các nhà khoa học đã xây dựng được một bức tranh chi tiết toàn cầu về phân bố không gian và biến thiên theo thời gian của trường địa từ.
I= - 80O I= - 60O I= - 40O
I= - 20O I= 0O I= +20O I= +40 I= +60
O O
I= +80O
150 W 120 W 90 W 60 W 30 W 0 E 30 E 60 E 90 E 120 E 150 E
150 E 120 E 60 E 90 E
30 E 30 W 0 E 90 W 60 W
120 W 150 W
Cùc Nam tõ
i = -80o
Cực Bắc từ
O O O O O O O O O O O
O O O
O O O O
O O O O
Hình 1.20. Bản đồ phân bố độ từ khuynh của trường địa từ niên đại 1945 (nguồn tư liệu: Butler [8])
Ngày nay người ta phân biệt hai dạng biến thiên của trường địa từ tùy thuộc vào nguồn gốc phát sinh của nó: biến thiên có nguồn gốc bên ngoài và bên trong của Trái đất. Những biến thiên có chu kỳ nhỏ hơn 5-10 năm được coi là có nguồn gốc bên ngoài Trái đất;
những biến thiên có chu kỳ dài hơn thường được coi là có nguồn gốc bên trong Trái đất. Tên gọi “Biến thiên thế kỷ” được gắn cho tất cả các biến thiên của trường địa từ có chu kỳ từ hàng chục tới vài trăm ngàn năm.
5.2. Các đặc điểm của trường địa từ
Những kết quả quan trắc đã trình bày ở trên cho phép khẳng định một số đặc điểm chính của trường địa từ như sau:
• Về nguồn gốc trường địa từ: những khảo sát địa từ từ thế kỷ 16 cho đến nay cho thấy là trường địa từ có hai nguồn gốc: nguồn gốc ở bên trong Trái đất và nguồn gốc ở bên ngoài Trái đất.
Vectơ trường địa từ đo được tại một vị trí bất kỳ ở gần mặt đất
được hình thành từ 3 nguồn: nguồn nằm ở trong nhân Trái đất, nguồn nằm trong vỏ Trái đất và nguồn nằm trong tầng điện ly và trong từ quyển của Trái đất.
Hình 1.21. Bản đồ phân bố độ từ thiên D của trường địa từ niên đại (2000 nguồn tư liệu: [27])
• Độ lớn của trường: trường gây nên do nguồn trong nhân Trái đất là lớn nhất, còn được gọi là phần trường chính. Gần cực từ, cường độ của trường chính xấp xỉ 60.000 nT, tại xích đạo cường độ của trường xấp xỉ 30.000 nT.
• Giá trị biến thiên thế kỷ của trường: Biến thiên thế kỷ quan sát được trên các số liệu quan trắc trực tiếp trên mặt đất trong 400 năm gần đây cho thấy [13,19]: giá trị momen dipole giảm trung bình là 0,005 % / năm; trục dipole chuyển động tuế sai về phía tây 0.008% / năm; cực dipole dịch chuyển về phía bắc khoảng 2 km/ năm; phần trường phi dipole (hoặc một phần của nó) dịch
chuyển về phía tây khoảng 0,2-0,3o/năm, có thể kèm theo hoặc không kèm theo dịch chuyển về phía nam; biến thiên về cường độ của phần trường phi dipole khoảng 10 nT/năm; nghiên cứu biến thiên thế kỷ của trường địa từ rất quan trọng trong việc tìm hiểu các hiện tượng tạo nên trường địa từ và sự tiến hóa của trường.
• Dị thường từ: từ trường gây nên bởi các nguồn trong vỏ Trái đất rất nhỏ, chiếm khoảng từ vài phần nT cho tới khoảng vài ngàn nT. Dị thường từ liên quan với các thay đổi của các đặc trưng địa chất và địa vật lý của vỏ Trái đất. Một phần của trường này được tạo nên bởi độ từ hoá cảm ứng (còn gọi là độ từ dư nhớt) do đất đá có mang từ tính chịu tác động lâu dài của phần trường chính của Trái đất. Độ từ hoá cảm ứng này sẽ thay đổi theo sự thay đổi của phần trường chính, với một sự chậm pha hết sức phức tạp.
Một phần khác của nguồn trường gây dị thường từ chính là độ từ dư được giữ lại trong đất đá, kể từ khi chúng hình thành (là cơ sở của phương pháp cổ từ), phần trường này lại thay đổi theo thang tuổi địa chất của đất đá.
• Vai trò của tầng manti: tầng manti của Trái đất được coi là không chứa nguồn gây ra trường địa từ, vì nhiệt độ ở đây cao hơn nhiệt độ Curie của tất cả các loại khoáng sắt từ và ferrite từ (nên không thể chứa độ từ dư), còn độ dẫn và dòng đối lưu lại thấp. Điều đó cho phép coi là dòng đối lưu và trường gây nên trong manti là không đáng kể.
• Nguồn trường bên ngoài Trái đất: nguồn trường này biến đổi theo thời gian, có chu kỳ thay đổi từ giây cho đến ngày, và tại gần mặt đất có cường độ biến thiên từ vài phần nT đến hàng ngàn nT. Hệ thống dòng bên ngoài Trái đất nằm trên ranh giới từ quyển của Trái đất và tầng điện ly. Mặc dù các hệ dòng luôn tồn tại, nhưng cường độ và vị trí của chúng thay đổi rất mạnh giữa các ngày yên tĩnh và những ngày từ trường nhiễu loạn.
• Hai hướng nghiên cứu về trường địa từ: hướng thứ nhất nghiên cứu sự hình thành, các đặc trưng chủ yếu và sự thay đổi của từ trường được tạo nên bởi các quá trình xảy ra bên trong Trái đất;
hướng thứ hai nghiên cứu các biến thiên tương đối nhanh của trường, gây nên bởi các nguyên nhân bên ngoài Trái đất.
Chương I ...1 TRƯỜNG ĐỊA TỪ...1 1. Về trường địa từ...4 1.1. Các thành phần của trường địa từ...5 1.2. Cực từ và cực địa từ...6 1.3. Xích đạo từ và xích đạo địa từ...10 1.4. Các nguồn gây ra trường địa từ...11 1.5. Mô hình trường địa từ...12 1.6. Sự thay đổi của trường địa từ trong quá khứ...13 2. Các thiết bị quan trắc trường địa từ...15 2.1. Thiết bị đo độ từ thiên D và độ từ khuynh I...15 2.2. Thiết bị đo trường toàn phần T (từ kế proton ) ...16 2.3. Các thiết bị ghi biến thiên trường địa từ...17 3. Các phương pháp quan trắc trường địa từ...21 3.1. Quan trắc sự phân bố không gian của trường địa từ...21 Tại Việt Nam, bản đồ trường từ hàng không T1990 (phần đất liền) do Liên đoàn Vật lý địa chất tién hành trong các năm 1993-1995 [31]. Bản đồ được thành lập trên cơ sở sử dụng và liên kết các tài liệu sau: ...24
3.2. Quan trắc sự biến thiên theo thời gian của trường địa từ...25 Yêu cầu đối với việc chọn vị trí đài địa từ...26 Thiết bị quan trắc tại đài địa từ...27 4. Các chương trình hợp tác quốc tế nghiên cứu trường địa từ...34 4.1. Năm Vật lý địa cầu quốc tế...35 4.2. Chương trình INTERMAGNET ...36 5. Đặc điểm của trường địa từ...38 5.1. Các bản đồ phân bố trường địa từ...38 5.2. Các đặc điểm của trường địa từ...39