Theo W. Gilbert trong cuốn sách “Trường địa từ” thì khi lấy gần đúng trường từ của Trái đất sẽ tương tự trường của lưỡng cực (dipole). Tất cả các vật thể có từ tính đều tạo ra các đường sức không nhìn thấy giữa hai cực của vật thể. Cách dễ dàng nhất để nhận biết các đường sức này là rắc mạt sắt lên một tấm bìa giấy rồi sau đó đưa thanh nam châm cực mảnh dưới tấm bìa. Các hạt mạt sắt sẽ tự sắp xếp dọc theo các đường sức xung quanh thanh nam châm.
Trái đất cũng tác động y hệt một nam châm cực lớn. Và chúng ta có thể hình dung ra các đường sức không nhìn thấy của trường địa từ như trên H.1.4, nếu tưởng tượng rằng Trái đất có chứa một thanh nam châm trong lòng nó và hướng từ bắc xuống nam.
Hình 1.4. Trường lưỡng cực của Trái đất (nguồn tư liệu: NASA [27])
1.1. Các thành phần của trường địa từ
Trường dipole thể hiện gần đúng nhất trường từ thực của Trái đất hiện tại có trục dipole nằm nghiêng với trục địa lý một góc 11o5.
Hướng và cường độ của trường địa từ có thể xác định một cách đơn giản nhờ kim nam châm. Khi treo tự do theo phương ngang, kim nam châm sẽ nằm theo hướng song song với đường sức địa phương của trường địa từ và chỉ về phương bắc.
Trường địa từ được miêu tả bằng các tham số sau (xem H.1.5):
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 kinh 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 và giây. D có giá trị dương về phía đông, còn I có 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 kinh 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 (xem H.1.5). 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 (xem H.1.5).
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 liên hệ với nhau theo các biểu thức
sau:
H = F cos I; Z = F sin I = H tg I;
X= H cos D; Y= H sin D; (1.1) X2 + Y2 = H2; X2+Y2+Z2=H2+Z2=T2;
Y h−íng
đông D
I H
Z h−ớng vào tâm trái đất
hướng Bắc (địa lý)
F F - Cường độ toàn phần D - độ từ thiên
I - độ từ khuynh
H - thành phần nằm ngang Z - thành phần thẳng đứng
X
Hình 1.5. Các thành phần của trường địa từ (nguồn tư liệu: Butler [8])
1.2. Cực từ và cực địa từ
Thường để đo độ từ khuynh người ta dùng kính kinh vĩ từ: kim la bàn quay trong mặt phẳng kinh tuyến trên một trục nằm ngang. Tại bán cầu bắc, cực bắc của kim la bàn luôn hướng xuống dưới (I dương). Tại bán cầu nam, cực nam của kim la bàn hướng xuống dưới (I âm). Tại vị trí mà thành phần nằm ngang bằng 0, kim la bàn hướng thẳng đứng. Các vị trí này được gọi là cực từ: có hai vị trí
F - Cường độ toàn phần D- độ từ thiên
I - độ từ khuynh
H- thành phần nằm ngang Z- thành phần thẳng đứng
hướng Bắc (địa lý)
hướng đông hướng vào
tâm Trái đất
như vậy, một vị trí nằm ở Bắc Băng Dương, còn vị trí thứ hai nằm ở Nam Băng Dương (H.1.6).
N (cực bắc địa lý) cực địa từ bắc
cực từ bắc (I = 90 )o
xích đạo từ (I = 0 )o
Xích đạo địa từ dipole từ
cực địa từ nam cùc tõ nam
(I= -90 )O xích đạo địa lý 11.5O
Hình 1.6. Mô hình dipole từ có trục xuyên tâm nghiêng (nguồn tư liệu:NASA [27])
Do trục dipole 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 (H.1.6). Tại cực từ, kim nam châm hướng vuông góc với mặt đất (góc I= 90o), 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 những điểm cố định, mà nó chuyển động trong khoảng từ 10 đến hàng trăm km do ảnh hưởng của biến thiên ngày đêm và bão từ, và cuối cùng, vùng cực là
(I=90oC
(I= -90oC (I=0oC
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 5 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.1.7 là sự dịch chuyển của cực từ bắc trong các năm 1600 - 2001, còn trên H.1.8 là sự dịch chuyển của cực từ bắc trong tương lai cho đến năm 2050 [9]. Giá trị cực từ bắc quan trắc được cho năm 2001 và vị trí cực từ bắc được dự tính cho năm 2002-2005 là:
Năm Vĩ độ (oN) Kinh độ (oW)
2001 81,3 110,8
2002 81,6 111,6
2003 82,0 112,4
2004 82,3 113,4
2005 82,7 114,4
Vị trí quan trắc được của cực từ nam
2001 64,7o S 138,0o E
Nguồn: Cục Địa chất Canađa [9]
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 (xem mục 2, chương II). 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 toạ độ địa từ (xem H. 1.9).
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 [28].
Có thể nhận thông tin từ trang Web sau:
http://www.ngdc.noaa.gov/seg/potfld/servers.shtml
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.
Hình 1.7. Đường dịch chuyển của cực từ bắc từ năm 1600 đến năm 2001 (Nguồn: Cục Địa chất Canađa [9])
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
Hình 1.8. Đường dịch chuyển của cực từ bắc trong tương lai tới năm 2050 (Nguồn: Cục Địa chất Canađa [9])
đổi trọng vật thì kim la bàn không quay tự do được và nó sẽ hoạt động không tốt.
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 thì I và Z sẽ tăng lên. Vị trí của xích đạo từ được dẫn trên H.1.6, hoặc trên hệ toạ độ địa từ trên H.1.9. Ta cũng cần phân biệt xích đạo từ và xích đạo địa từ: giống như phân biệt cực từ và cực địa từ ở trên.
Hình 1.9. Hệ toạ độ địa từ
(nguồn: Trung tâm số liệu Địa vật lý quốc gia Mỹ [ 28] )
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 lỏng 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 tầng điện ly và 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).
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 [11].
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 phần 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 xác hoá để có thể biểu diễn 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 Geophysical Reference Field) do Hội Địa từ và Cao không quốc tế (IAGA) thông qua [15, 17, 23-24].
Mô hình trường toàn cầu (WMM – World Magnetic Model) do Cục Địa chất Mỹ [40] và Cục Địa chất Anh [7] xây dựng.
Mô hình trường quốc tế IGRF được thông qua 5 năm một lần.
Mô hình IGRF từ năm 2000 cho đến năm 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 về 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 hình 1.10.
Hình 1.10. Mô hình độ từ thiên D năm 1995 của phần trường chính (nguồn: NASA [25])
Trung tâm số liệu địa vật lý quốc gia Mỹ (NGDC) [28] và Trung tâm số liệu địa vật lý quốc tế về địa từ (WDC) tại Kyoto [38] lưu trữ và cung cấp các mô hình IGRF và WMM. Có thể tải các mô hình này miễn phí từ trang Web sau:
http://www.ngdc.noaa.gov/seg/potfld/servers.shtml 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 (xem H.1.11). 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 hoá 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 trường lúc mạnh, lúc yếu đi và thường thay đổi cực (đảo cực bắc từ thành cực nam từ và ngược lại).
Hình 1.11. Dị thường từ tại vùng sống giữa đại dương và thang niên đại địa từ cho 10 triệu năm gần đây ( nguồn tư liệu:USGS [40])
Hiện nay chúng ta ở trong giai đoạn mà momen lưỡng cực từ đang giảm đi, tuy nhiên, còn chưa thể khẳng định được là khi nào thì hiện tượng đảo cực sẽ xảy ra trong tương lai. Momen lưỡng cực từ hiện tại vẫn còn đang cao so với momen lưỡng cực từ được xác định trên các mẫu cổ từ cho 50.000 năm gần đây. Nếu trường địa từ bắt đầu sự đảo cực, thì nó cũng cần vài nghìn năm để kết thúc chu trình đảo cực. Trong vòng 100 triệu năm gần đây, nhịp điệu đảo cực thay đổi rất rõ rệt. Những dấu vết đảo cực gần đây nhất ghi lại trên đá núi lửa tại Hawai cho thấy là đảo cực xảy ra vào khoảng 750.000 - 780.000 năm trước [14].