第二章-磁法勘探

地球物理与石油资源学院主讲：向葵用物理学的方法研究与地球系统有关的现象及其运动规律地球物理学(广义)的研究领域：地震学地球电磁学与地磁学重力与大地测量学地球动力学构造物理学空间物理学大气科学海洋科学水文学行星科学（比较行星学）地球物理学固体地球物理学地球物理学分支学科地磁学主要研究地磁场随空间分布、随时间变化的规律以及地磁场的构成、起源和应用。公元前20世纪－极光记载公元1世纪指南针公元10世纪－指南针－航海12世纪指南针传入欧洲公元11世纪－磁偏角欧洲15世纪中国对地磁学的贡献地磁学的发展地球物理勘探——磁法勘探前言磁法勘探主要利用地壳内各种岩（矿）石间的磁性差异所引起的“磁异常”来寻找有用矿产或查明地下地质构造的一种地球物理勘探方法。岩石磁性岩石中极大部分矿物属抗磁性（石英、大理石等）和顺磁性（辉石、角闪石），它们在无外磁场情况下，不显示磁性，所以不存在剩磁；只有少部分亚铁磁性矿物具有剩磁，如磁铁矿、赤铁矿等。根据工作环境分为四类（1）航空磁测：速度快、效率高，已广泛应用于区域地质调查，储油构造，成矿远景预测;（2）地面磁测：在航空磁测基础上做更详细的磁测工作，用以判断引起磁异常的地质原因及磁性体的赋存形态；（3）海洋磁测：它是综合性海洋地质调查的组成部分，如海底工程服务（寻找沉船）；（4）井中磁测：地面磁测向地下的延伸，主要用于划分磁性岩层，资料上的印证和补充。重力勘探①就相对幅值而言，磁异常比重力异常大得多;②从地面到地下数十千米深度内所有物质的密度变化都会引起重力的变化，重力异常反映的地质因素较多，磁异常反映的地质因素单一，只有各类磁铁矿床及富含铁磁性矿物的其他矿床和地质构造才能造成地磁场的明显变化；③密度体只有一个质量中心，而磁性体则有两个磁性中心（磁极）。磁法勘探2006年度二连盆地某凹陷重磁力勘探项目布格重力异常（未地改）计算成果施工单位：江汉物探处施工日期：2005.11.29-2006.1.2线号点号XYH绝对重力值布格改正正常场改正布格异常WJ06-1001124677148.73477935.171136.52980000.448237.394980365.541-127.699WJ06-1001134677756.65477149.021133.65980001.494236.795980366.032-127.743WJ06-1001144678337.63476354.191129.79980003.108235.988980366.500-127.404WJ06-1001154678924.15475521.611126.49980004.868235.299980366.974-126.807WJ06-1001164679513.31474738.411125.37980006.129235.065980367.449-126.255WJ06-1001174680102.08473935.581119.97980008.552233.937980367.924-125.435第一节地球的磁场存在于地球周围的具有磁力作用的空间,称为地磁场。地磁场主要由基本磁场、变化磁场和磁异常三部分组成。问题：地层是如何产生磁场的？金属矿体H火山岩体1、感应磁性实验室2、剩余磁性例：磁铁矿问题：地层是如何产生磁场的？1、在外磁场的作用下，地层若被磁化，将产生感应磁性；2、地层本身也可能同时存在剩余磁性。问题：该外磁场从何而来?剩余磁性从何而来？外磁场从何而来？——地磁场就地球本身表现出的宏观特性而言,地球类似于一个大的磁铁(或均匀磁化的球体,或位于球心处的磁偶极子),它的磁场存在于其内、外部空间。18—剩余磁性与岩石冷却时的地磁场大小和方向有关,通常岩石获得这种磁性后得以永久保留,且会按当时的地磁场定向，因而也就得以保留岩石冷却时的地磁场的信息（大小和方向）—保留有剩余磁性的岩石就成了地磁场的化石—通过岩石的剩余磁性来研究地磁场的历史变迁就是古地磁学剩余磁性磁场从何而来？一、基本磁场基本磁场（主磁场）占地磁场的99%以上，主要由地核内电流的对流形成，是一种由偶极子场和非偶极子场组成的内源磁场。特点：相对稳定，但存在着一种极为缓慢的变化。地磁场是一个弱磁场，在地面上的平均磁感应强度约为0.5×10-4T；地磁场近似于一个至于地心的磁偶极子的磁场。它有两个磁极，其磁北极位于地理北极附近,磁南极位于地理南极附近，但不重合，地磁轴与地球自转轴的夹角现在约为11.5度，1980年实测的磁北极位于北纬78.2度、西经102.9度（加拿大北部），磁南极位于南纬65.5度，东经139.4度。NS1、地磁要素地理北磁北观测点地磁场强度T在Z轴上的分量为垂直分量Z,指下为正，指上为负。T在XOY平面上的分量为水平分量，以H表示。H和T的夹角为磁倾角，以I表示。当T向下倾时，I角为正，T向上倾时，I为负。H的指向为磁北方向，该方向的延伸方向即为磁子午线，该点磁子午线与地理子午线的平面夹角，称为磁偏角，以D表示，磁子午线偏向地理子午线之东，D为正值，反之为负值。（X指向地理北，Y指向地理东）I、D、X、Y、Z、H和T各量都是表示地磁场大小和方向的物理量，称为地磁要素。它们之间的关系如下：2222222/tan,sin,cos/tan,sin,cosZYXTYXHHZIITZITHXYDDHYDHX地磁绝对测量通常测定I、D、H三要素的绝对值，磁法勘探则是测定T的相对值。2、地磁图为了研究地磁场在地表的分布规律，需要利用地磁绝对测量的成果绘制世界地磁要素的等值线平面图。根据各个地磁要素可得到：等偏线图、等倾线图、水平强度等值线图、垂直强度等值线图和总强度等值线图。大致沿纬度排列的平行曲线，赤道附近为0，两极附近最大。磁赤道以北为正，表示垂直分量向下，磁赤道以南为负，表示垂直分量向上。磁赤道：地球表面上磁倾角为零的各点的连线也是大致沿纬度排列的曲线簇，赤道附近值最大,随着纬度的增大向两极减小至零。地磁要素是按一定规律在地表分布的：等Z线、等H线（和等I线）都大致平行于地理纬度；在赤道附近，垂直分量Z和磁倾角I为零，水平分量H最大，达（30～40）μT；在两极附近某处，I达到±90°，H为零，Z的绝对值最大,达60μT～70μT，它们就是地球的磁极。总场强度等值线特征：等值线与纬度线近乎平行其值在磁赤道约30000～40000nT，向两极增大，在两极约60000～70000nT。等倾线特征：与纬度大致平行，零倾线在地理赤道附近，称为磁赤道。等偏线特征：从一点出发汇聚于另一点的曲线簇明显的汇聚于南北两磁极区，两条零偏线将全球分为正负两个部分。3、非偶极子磁场从世界地磁图中减去地磁场的偶极子磁场（约占主磁场的80%），即可得到非偶极子磁场.非偶极子磁场围绕着几个中心分布，每个中心都有各自的正、负极性。现在一般认为，非偶极子磁场可能是由地核和地幔边界附近存在着物质的对流运动形成涡流电流形成的。4、地磁场的长期变化基本磁场随时间的缓慢变化，称为地磁场的长期变化。这种长期变化主要表现在：地球磁矩衰减、偶极子场和非偶极子场的西向漂移。特点：这些变化具有全球性的统一特征，一般认为它是来源于地核内部或核幔边界。左图说明，在最近100年内,地球磁矩衰减了5.3%；假设这种衰减趋势维持下去，大约2000年后磁偶极子磁场不复存在，但古地磁研究指出，这种衰减速率并不是不变的。二、变化磁场地球的变化磁场是指起源于地球外部并叠加在主磁场（基本磁场）上的各种短期地磁变化。Magnetosphere磁层Atmosphere大气圈Hydrosphere水圈Geosphere固体地球————core地核mantle地幔crust地壳地球的圈层（内、外）电离层——是地球大气层被太阳射线（紫外线、X射线）电离的部分，60千米以上的整个地球大气层都处于部分电离或完全电离的状态，电离层是地球磁层的内界。太阳风是一种等离子体，它也有磁场，太阳风磁场对地球磁场施加作用；在地球磁场的反抗下，太阳风绕过地球磁场向前运动，形成了一个被太阳风包围的、彗星状的地球磁场区域，这就是磁层。地球磁层位于地面600～1000公里高处，磁层的外边界叫磁层顶，在太阳风的压缩下，地球磁力线向背着太阳一面的空间延伸得很远，形成一条长长的尾巴，称为磁尾。变化磁场分为两类：一类是连续出现的，比较有规律的且有一定周期的变化；另一类是偶然发生的、短暂而复杂的变化.前者称为平静变化，来源于电离层内长期存在的电流体系的周期性改变；后者称为扰动变化，是由磁层结构、电离层中电流体系及太阳辐射等的变化引起.1、平静变化平静变化包括太阳静日变化和太阴日变化两种。前者是以一个太阳日为周期的变化，简称“日变”其特点是:白天比夜晚变化幅度大，夏季比冬季变化幅度大。太阴日是地球相对于月球自转一周的时间（约25h），太阴日变化的幅度很微弱，磁测时已将它包括在太阳日变化内，不再单独考虑。2、扰动变化扰动变化包括磁扰（磁暴）和地磁脉动两类地磁场发生不规则的突然变化，叫做磁扰，强度大的磁扰又称磁暴；它是一种全球效应，发生的时候可持续数天，幅度达数百至上千nT。地磁脉动是一种短周期的地磁扰动，周期一般为0.2～100s，振幅0.01～10nT；是太阳风对地球磁层的作用，以及磁层内部各种因素相互作用所引起的磁场扰动现象。遥看磁暴近看磁暴来自空间的高能带电粒子，进入地球磁极极区高空大气层时，激发大气中的分子和原子，导致发光。三、磁异常磁异常：是地壳内的岩石矿物及地质体受到地磁场磁化以后，在其周围空间形成并叠加在地磁场上的次生磁场。在消除了各种短期磁场变化后，实测地磁场与正常磁场之间仍然存在着差异，这个差异就称为磁异常。1、地磁场的构成根据其来源和变化规律不同，地磁场分两部分：（1）主要来源于固体地球内部的稳定磁场（2）主要起因于固体地球外部的变化磁场内部稳定场磁异常）；非偶极子场（大陆磁场中心偶极子场；amamSTTTTTTT00地球磁场TTTTTam02、正常场和磁异常正常地磁场（正常场）和磁异常（异常场）是相对的概念，根据待解决的地质问题和探测对象来确定。如在弱磁性或非磁性地层中要圈定强磁性岩体或矿体，通常将前者引起的磁场作为正常背景场；反之，要圈定非磁性地层，可把磁性岩层的磁场作为正常场。3、区域异常和局部异常磁异常中由分布范围较大的（几十平方公里以上）深部磁性岩层或区域地质构造等引起的部分，称为区域异常；由分布范围较小的（几十平方公里或几平方公里）浅部磁性岩、矿体或地质构造等引起的部分，称为局部异常。E.g.,anIronOrebodywithastrongnormalmagneticfieldstrengthcansignificantlyincreasethelocalEarthfieldstrength.Magneticanomaly=localmagneticfieldstrength-averagemagneticfieldstrengthAnoutcomeofthemagnetizationofrocksisthattheycanlocallychangetheEarth’smagneticfieldstrength:increasingordecreasingthelocalstrengthduetostrongorweakmagnetization,respectively.4、磁异常图例四、我国境内地磁要素的分布①磁偏角的零偏线由蒙古穿过我国中部偏西的甘肃和西藏延伸到印度，零偏线以东为负，由0°至-11°，以西为正，由0°至5°；②磁倾角由南到北，I由-10°增至70°；③水平强度H从南至北：40000nT降至21000nT;④垂直强度Z从南至北：-10000nT增至56000nT;⑤总场由南到北，变化值为41000nT至60000nT国际单位制(SI)中，磁感应强度B的单位为特斯拉(T),在高斯单位(CGSM)中，B的单位为高斯（Gs）,1Gs=10-4T