地磁場長期觀測表明，地球基本磁場不是恒定不變的，而是隨時(shí)間有緩慢的變化，其時(shí)間尺度為若干年，這種變化稱為地磁場的長期變化。地磁場長期變化的時(shí)空分布是追蹤地球內(nèi)部物質(zhì)運(yùn)動的重要線索，是固體地球物理的重要課題之一。地磁場長期變化主要表現(xiàn)在地球磁矩衰減、偶極子場和非偶極子場的西向漂移。這些變化具有全球性的統(tǒng)一特征，一般認(rèn)為它是來源于地核內(nèi)部或核幔邊界。

15.5.1 磁偏角和偶極矩強(qiáng)度的變化

最早長期變化現(xiàn)象較為系統(tǒng)的記錄是磁傾角和磁偏角的變化。圖15-12是400年來倫敦和巴黎磁傾角與磁偏角的矢量圖。由圖可以看出，磁傾角和磁偏角的變化在相當(dāng)長的一段時(shí)間（幾十年）內(nèi)表現(xiàn)為單調(diào)的增減變化。表15-1列出了倫敦、巴黎和羅馬的磁偏角長期變化的情況。由表可以看出極大值到極小值的時(shí)間間隔約為240年。因此磁偏角的長期變化似有500年左右的周期。

圖15-12 倫敦與巴黎磁傾角與磁偏角的矢量圖

許多地磁臺的長期觀測均表明各地磁要素的平均值都有顯著的逐年變化。通常用某一年的長期變化率來表示這一年地磁要素的變化大小。t0年的長期變化率（年變率）的定義是

式中，F(xiàn)2與F1是t2年與t1年某地磁要素的平均值，t0=（t2-t1）。

表15-1 倫敦、巴黎與羅馬的磁偏角長期變化

和地磁圖一樣，也可以把各地磁要素的年變率的等值線繪于地圖上，這種等值線圖稱為地磁場長期變化圖。圖15-13是1980年世界地磁場垂直強(qiáng)度長期變化圖，圖中有幾個(gè)中心（也稱為焦點(diǎn)）處年變率較大。

由于地球主磁場由偶極子場和非偶極子場組成，故人們常常用偶極矩強(qiáng)度的變化、地磁極移動、非偶極磁場的西向漂移、磁極倒轉(zhuǎn)和急變等特征來描述主磁場長期變化的整體特征。

地磁偶極矩的大小反映了地磁場偶極子部分的總體強(qiáng)度。圖15-14是自從有磁場強(qiáng)度絕對值觀測以來地磁偶極矩的長期變化，觀測結(jié)果表明，目前磁矩的衰減率為dm/dt=-4.2× 1019A·m2/a，所以磁矩的相對衰減率為-5.3×10-4/a。

這說明了在最近100年內(nèi)，地球磁矩衰減了5.3%。若假定這種衰減趨勢今后一直維持的話，大約2000年后磁偶極子磁場不復(fù)存在。但是古地磁研究表明，地球偶極磁矩可能具有周期性變化，并不是單調(diào)衰減的。圖15-15是考古地磁給出的1萬年以來地球偶極磁矩的變化。圖15-16是由古地磁資料得到的12萬年以來磁矩變化，可以看出地球磁矩變化有某種周期性。

圖15-13 世界地磁場垂直強(qiáng)度長期變化圖（1980.0年代）（單位：n T/a）

圖15-14 地磁偶極矩的長期變化

圖15-15 1萬年以來地磁偶極矩的變化

圖15-16 12萬年以來地磁偶極矩的變化

15.5.2 磁極移動

不僅地磁要素的數(shù)值隨時(shí)間變化，而且南北磁極的位置也隨時(shí)間變化，如表15-2所示。地球磁極的緩慢移動是地磁場長期變化的一個(gè)重要特征。

表15-2 各年代的磁極位置

地磁極的移動反映了偶極子軸與地球自轉(zhuǎn)軸夾角的變化。分析表明，在足夠長的時(shí)間間隔內(nèi)，地磁極的平均位置與地球自轉(zhuǎn)極的位置相差不大。

15.5.3 主磁場的西向漂移

主磁場西向漂移是主磁場長期變化的重要特征之一，也是地磁學(xué)中研究最早的一個(gè)課題。早在1683年，哈雷分析了當(dāng)時(shí)能夠收集到的地磁場測量資料（包括航海家測量的磁偏角數(shù)據(jù)和陸上磁偏角的復(fù)測數(shù)據(jù)），發(fā)現(xiàn)地磁場有一個(gè)整體西移的趨勢，西移的速度平均約0.5°/a。他估計(jì)，地磁場漂移一周（360°）大約需要700a。隨著觀測數(shù)據(jù)的增加和積累，地磁場西漂的事實(shí)被確切地肯定下來，表現(xiàn)出如下特征：

（1）全球磁場西漂的平均速度約為0.2°/a。

（2）西漂并不是全球一致的現(xiàn)象，不同地區(qū)西漂速率存在著很大的差異，最明顯的西漂發(fā)生在大西洋、歐洲和美國，而東太平洋、西亞、加拿大、澳大利亞和南極洲的西漂很慢。

（3）漂移的速率隨時(shí)間而變化，不同地區(qū)西漂速率的變化沒有明顯的相關(guān)性。

（4）西漂主要發(fā)生在地磁場非偶極子部分，正是幾塊大尺度磁異常的西漂構(gòu)成了地磁場西漂的宏觀表象。相反，由地磁極移動和地磁軸旋轉(zhuǎn)所反映的地磁場偶極子部分的西漂并無定論。

（5）西漂不僅發(fā)生在主磁場中，也發(fā)生在主磁場的長期變化中。例如在Y分量長期變化圖中，零變線通過赤道的位置由1912年的15°W變化到1980年的25°W，平均每年西漂0.15°。

15.5.4 主磁場極性倒轉(zhuǎn)

地磁場極性倒轉(zhuǎn)是地磁場長期變化的重要特征，也是地磁學(xué)最偉大的發(fā)現(xiàn)之一。這一發(fā)現(xiàn)極大地推動了地球科學(xué)的革命，成為全球構(gòu)造理論（板塊學(xué)說）的重要觀測基礎(chǔ)之一。

巖石通常含有多種礦物成分，其中或多或少有一些鐵磁性礦物。在火成巖形成的過程中，當(dāng)巖漿溫度降到其中所含的鐵磁性礦物的居里點(diǎn)以下時(shí)，這些礦物被當(dāng)時(shí)當(dāng)?shù)氐牡卮艌鏊呕?，從而使巖石獲得磁性。溫度繼續(xù)降到常溫以后，一部分磁性被保留下來，成為巖石的剩余磁性，簡稱剩磁。這種由熱磁化過程獲得的剩磁叫作熱剩磁。在沉積巖的形成過程中，磁性礦物碎屑大致沿當(dāng)時(shí)當(dāng)?shù)氐拇艌龇较蚨ㄏ蚺帕?，從而獲得沉積剩磁，或稱碎屑剩磁。與此相似，海底沉積、湖底沉積、黃土沉積在其形成過程中也獲得剩余磁性。巖石在成巖過程中，由于在常溫下氧化等化學(xué)反應(yīng)、相變或結(jié)晶增長等原因獲得的化學(xué)剩磁與地磁場有密切關(guān)系。除此之外，等溫剩磁、黏滯剩磁、壓剩磁等也與地磁場有關(guān)。古磚瓦、古陶器等通常含有一些磁性礦物，在焙燒過程中它們會獲得熱剩磁，這種熱剩磁同樣與地磁場有關(guān)。因此，巖石和古物可以提供過去某個(gè)時(shí)期地磁場特征的有用資料。

20世紀(jì)初有人發(fā)現(xiàn)，有些巖石的剩余磁化方向和現(xiàn)在的地磁場方向恰好相反。以后的觀測證明，這是一個(gè)相當(dāng)普遍的現(xiàn)象，且和巖石的形成年代有關(guān)。對于某一地質(zhì)時(shí)期的巖石，剩余磁化方向幾乎完全和現(xiàn)代地磁場方向相反，而在另一時(shí)期，則又完全相同。這種磁化轉(zhuǎn)向是世界范圍的現(xiàn)象，不同地點(diǎn)和不同類型的巖石，磁化方向在時(shí)間上是一致的。這個(gè)現(xiàn)象只能用地磁場本身發(fā)生反轉(zhuǎn)來解釋。這種情況稱為地磁場反轉(zhuǎn)。觀測表明，地磁場曾發(fā)生了許多次的反轉(zhuǎn)。圖15-17列出了450萬年來地磁極性年表。最初發(fā)現(xiàn)，近400萬年有三次地磁場反轉(zhuǎn)。0～70萬年為正向時(shí)間，稱為布容正向期；70萬～250萬年是反向的，稱為松山反向期；250萬～330萬年又是正向的，稱為高斯正向期；再向前是反向的吉爾伯特期。

這些“期”是以研究地磁學(xué)的學(xué)者的名字命名的?！捌凇钡拈L度約百萬年數(shù)量級。以后通過更精細(xì)的觀測，發(fā)現(xiàn)在這些“期”內(nèi)還存在著更短的反轉(zhuǎn)現(xiàn)象，稱為“事件”。于是在正向“期”中存在著反向“事件”，在反向“期”中存在著正向“事件”。這些“事件”以發(fā)現(xiàn)地名來命名，“事件”的持續(xù)長度比“期”約短一個(gè)數(shù)量級。在圖15-17中由火成巖得出的極性年表里，450萬年期間有過25次極性反轉(zhuǎn)，每一次極性的持續(xù)時(shí)間從1萬～70萬年不等，平均持續(xù)時(shí)間為18萬年。