地球物理勘探之磁法勘探

磁法勘探是应用最早的地球物理方法，1640年，瑞典人首次尝试用罗盘寻找磁铁矿；1870年制造出了第一台万能磁力仪，这也可以看做是应用地球物理学开始发展的一个重要标志。我国磁法工作是上世纪30年代在云南开始的，解放前十几年都停留在科学试验阶段，解放后有很大的发展，现今以跨入世界先进行列。1、定义通过观测和分析岩矿石的磁性异常及磁场特征,来研究地质构造及其分布形态和寻找矿产的一种地球物理勘探方法。2、分类就工作环境而言，可分为地面磁测、航空磁测、海洋磁测和井中磁测四类。3、单位SI制：T（特斯拉）地球物理学：nT（纳特）1nT=10-9T4、磁法勘探和重力勘探的重要差别预备知识：岩、矿石的磁性一、物质的磁性基于物质磁化率x的差异，可以将它们分为逆磁质、顺磁质和铁磁质三大类。1、逆磁质X0的物质称为逆磁质，在磁场作用下，这类物质发生反向磁化。2、顺磁质X0的物质称为顺磁质，在磁场作用下，这类物质会沿磁场方向磁化。这两类物质的磁化率皆为常量，在受到很小的地磁场磁化后，它们所显示的磁性也很微弱，在磁法勘探中将它们看成是无磁性的物质。3、铁磁质在弱磁场作用下，铁磁性物质即可达到磁化饱和，其磁化率x0它与磁法勘探有着密切的联系。二、岩、矿石的磁性1、岩、矿石磁性的构成岩、矿石的磁性与矿物的磁性密切相关，岩、矿石大多含有磁性矿物，各类岩、矿石所含磁性矿物的种类和数量都不同，因此存在磁性的差异。研究表明，岩、矿石的磁化强度由两部分组成：一部分是被现代地磁场磁化后取得的，称为感应磁化强度（简称感磁），另一部分与现代地磁场无关，是岩、矿石形成前后，受当时地磁场磁化后保留下来的，称为天然剩余磁化强度（简称剩磁）iMrM2、岩、矿石的剩余磁性①热剩余磁性②碎屑剩余磁性③化学剩余磁性④黏滞剩余磁性⑤等温剩余磁性原生剩磁次生剩磁3、研究岩、矿石磁性的意义（测量岩矿石的磁参数）岩石的剩磁对于正确解释磁测资料是必不可缺少的，尤其是当剩磁较强，且与现今地磁场方向又不一致，在解释磁异常时若只考虑，则可能会导致错误结论，例如可能使推断矿体的产状出现错误。在火山岩地区，研究岩石剩磁，对于区分矿与非矿的异常也有重要意义。古地磁研究是地磁学的一个重要方面。它是通过测定岩石或古代文物(砖瓦、陶器和古冶炼炉等熔烧粘土制品)的原生剩磁，来研究地质史期和人类文明史期的古地磁场方向、强度及其演变规律。它已发展成为地学中重要的一门分支学科——古地磁学。iMrM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。它是由基本磁场、变化磁场和磁异常三部分组成。一、主磁场偶极子是指相距很近的符号相反的一对“电荷”或“磁荷”，地磁场可以近似地看作是偶极子场（约占主磁场的80%）根据磁场起源，地磁场分为内源场和外源场。起源于地球内部的磁场称为内源场，约占地球总磁场的95%。内源场主要来自地球的液态外核。外核是熔融的金属铁和镍，它们是电流的良导体，当地球旋转时，产生强大的电流，这些电流产生了地球磁场。地磁场总体像个沿地球旋转轴放置在地心的磁铁棒产生的磁场，它内源场的主要部分，也是地磁场的主要特征，占到总地磁场的80%~85%，称为偶极子场。内源场还有五个大尺度的非偶极子场，称为磁异常，分别为南大西洋磁异常，欧亚大陆磁异常，北非磁异常，大洋洲磁异常和北美磁异常，主要来源于地壳岩石产生的磁场。起源于地球外的磁场称为外源场，主要由太阳产生，它占了地球磁场的5%。1、地磁要素X（地理北）y（东）z（下）H（磁北）X北向分量Y东向分量Z垂直分量H水平分量（指向磁北），其延长线即是磁子午线D磁偏角（H偏东时D为正）I磁倾角（下倾为正）以北半球为例X（地理北）y（东）z（下）H（磁北）X、Y、Z、H、D、I和地磁场强度T都是表示地磁场大小和方向的物理量，合称为地磁要素，它们之间的关系如下：2、地磁图地磁要素是随时空变化的，要了解其分布特征，必须把不同时刻所观测的数值都归算到某一特定的日期，国际上将此日期一般选在1月1日零点零分，这个步骤称之为通化。将经通化后的某一地磁要素值按各个测点的经纬度坐标标在地图上，再把数值相等的各点用光滑的曲线连结起来，编绘成某个地磁要素的等值线图，便称为地磁图。地磁图按要素D、I、T、H、Z、X及Y可分别绘制出相应等值线图，按编图范围分类，有世界地磁图和局部地磁图两种；世界地磁图表示地磁场在全球范围内的分布，通常每五年编绘一次。我国地磁图每十年编绘一次根据各地的地磁要素随时间变化的观测资料，还可求出相应要素在各地的年变化平均值，称为地磁要素的年变率。同样可以编制出相应年代的要素年变率等值线图。这类图件一般可以适用五年，与地磁图合用可以求得五年中某一年的地磁要素值。由于地磁场存在长期变化，因此，在使用地磁图时必须注意出版的年代，及相应年代要素的年变率地磁图。ZX（地理北）y（东）z（下）H（磁北）H地磁要素是按一定的规律分布在地表的：（1）等Z线、等H线（等I线）都大致平行于地理纬线（2）在赤道附近（磁赤道上），垂直分量Z和磁倾角I为零，水平分量H最大，地下介质在这里被“水平磁化”。随着纬度的增大，Z和I的绝对值也增大，而H逐渐减小。（3）在北半球T向下，磁倾角I为正；在南半球磁场T向上，I为负。地下介质在这里被“倾斜磁化”（4）在两极附近某处，I达到±90°，H为零，Z的绝对值最大，它们就是地球的磁极。在地理北极附近的叫“磁北极”，它具有S极的极性；在地理南极附近的叫“磁南极”，它具有N极的极性。处于这两个磁极附近的地下介质被“垂直磁化”地磁极和地理极的区别TID3、非偶极子场4、主磁场的长期变化二、变化磁场地磁场的短期变化主要起因于固体地球外部的各种电流体系。按其变化特征也可以分为两类：一类是按一定的周期连续出现，且变化平缓而有规律，称为平静变化；另一类是偶然发生，持续一定时间后就消失，是短暂而复杂的变化，变化幅度可以很强烈，也有的很小，称之为扰动变化。1、平静变化平静变化又根据其变化周期和幅度等特征，分为太阳静日变化（Sq）和太阴日变化（L）。由于后者变化幅度仅l-2nT，又重叠在太阳静日变化之中，对磁法勘探影响甚微。故不单独考虑。特点：各个地磁要素的平静变化是逐日不停地在进行，其中振幅易变、相位几乎不变。白天（6～18）时磁场变化较大，夜间较平静。夏季的变化幅度最大，冬季的幅度最小，春、秋季节居中。日变的平均幅度为数纳特～数十纳特。2、扰动变化※磁测过程中应设有专用仪器进行地磁日变观测，以便进行相应的校正，去掉短期变化磁场的干扰，称为日变改正。如果在勘探过程中遇到磁暴现象，应停止工作三、磁异常四、我国境内地磁要素的分布在我国境内，根据二维幂多项式模式编制的我国地磁图表明有以下分布特征：（1）磁偏角的零偏线由蒙古穿过我国中部偏西的甘肃省和西藏自治区延伸到尼泊尔、印度。零偏线以东偏角为负，其变化由0°至-11°；零偏线以西为正，变化范围由0°至5°。（2）磁倾角由南向北，I值由-10°增至70°。（3）地磁场水平强度（H）从南至北，H值由40000nT降至21000nT。（4）垂直强度自南至北由-10000nT增加到56000nT。（5）总场强度由南到北，变化值为41000nT至60000nT。第二节地磁场的解析表达式一、地磁场的球谐分析研究地磁场的首要任务之一，就是将其场强与地面各点的空间坐标关系，用解析关系式表示出来，常用的方法是用球谐级数表示，称为球谐分析。球谐分析方法于1838年由高斯首先提出，该方法是表示全球范围地磁场的分布及其长期变化的一种数学方法。该方法还可区分外源场和内源场。假设地球是均匀磁化球体，球体半径为R。若采用球坐标系，坐标原点为球心，球外任一点P的地心距为r，余纬度为θ，经度为λ。则在地磁场源区之外空间域坐标系（r，θ，λ）中，磁位u（r，θ，λ）的Laplace方程可以写成如下形式对上式采用分离变量法，则可得Laplace方程的一般解，从而可分别获得其内源场和外源场的磁位球谐表达式。若设外源场磁位为零，则内源场磁位（相当于重力位）的球谐一般表达式为0)(sin)(222222sin1sin121ururrurrr1101u=[cos()sin()](cos)(2)nmmmnnnnnmAmBmPr式中，为施密特准归一化的缔合勒让德函数其中)cos(Pmn1m2nC()!P(cos)[](sin)(cos)(3)()!(cos)mmmnmnmdPnmd1m20m1Cm当当则有（积元中心点坐标为的体积分有关，若小体点元磁荷数，它与球体内任一为内源场磁位的球谐系而),,,rdm,A0000mnmnB0000000000)sin()(cos41)cos()(cos41dmmPrBdmmPrAmnnmnmnnmn开始。由为零。所以式中阶次源体内正、负磁荷之和它表示磁时，得到磁位表达式，即系数形式中第一项为零由上可知，磁位的球谐1n,0r41u0n0dm对式(2)计算其沿轴向的微商位，可得到相应三个轴向磁场强度的三分量。而地磁场磁感应强度的三个分量即北向水平分量X，东向水平分量Y，垂直分量Z如下Nn2n=1m=0210210X=()[cos()sin()](cos)()[sin()cos()](cos)sin(1)()[cos()sin()](cos)(4)nmmmnnnNnnmmmnnnnmNnnmmmnnnnmRdgmhmPrdRmYgmhmPrRZngmhmPr式中：R为地球的平均半径，R=6371.2km;为P点的地理纬度;为P点的地理经度;为n阶高斯球谐系数(以nT为单位);oθ=90-,λmngmnh、第三节磁力仪磁力仪是研究磁场变化的仪器，种类很多，但总的来说，可分为机械式磁力仪和电子式磁力仪两大类。其中机械式磁力仪只能做地磁场的相对测量，而电子式磁力仪既可以作地磁场的相对测量也可以作绝对测量。介绍最常用的质子磁力仪的原理。质子磁力仪主机与探头探头中储存有蒸馏水、酒精、煤油、苯等富含氢的液体。这些物质分子中的氢原子核（质子），具有“核子顺磁性”。当外界没有磁场时，这些质子的磁矩是杂乱的，当外界磁场作用时，质子的磁矩将逐渐地转到外磁场方向。测量时将探头置于地磁场T中，质子的磁矩将沿地磁场方向排列，此时通过主机施加一个与地磁场方向垂直，且强度大数百至数千倍的人工磁场H0时，所有质子磁矩都会转向H0方向，切断人工磁场，质子就会在原有的自旋力矩和地磁场力矩的相同作用下，绕地磁场T的方向做旋进运动。通过测量质子的旋进频率f——质子旋进角速度ω——地磁场T第四节磁测的野外工作方法及资料初步整理一、确定工作比例尺磁测的测区、比例尺和测网的确定原则与重力勘探相似，不再重述。同比例尺磁测点的密度大。比例尺长方形测网正方形测网线距/m点距/m线距、点距相同1：500001:250001:100001:50001:20001:10001:500500250100502010550～20025～10010～405～204～102～51～2500m250m100m50m20m10m5m二、仪器检测仪器静态实验仪器动态实验仪器一致性实验实验地段选择要求:1、与野外工作条件相当；2、磁场平稳且不受人文干扰；3、日变平稳时段可选择一处磁场平稳而又不受人文干扰影响的地区，将参加工作的仪器置于此区，并使探头间距离保持在20m以上，以免探头磁化时互相影响。在日变平稳时段进行秒级同步日变观测，读数时间间隔为15秒。取100个以上的观测值计算仪器的噪声水平选择无人文干扰且磁场平缓(10nT～20nT)的地区，布设一条剖面，在剖面上等间距布设观测点50个以上，在日变较小时段将生产所需各台仪器在该剖面上做2次同向观测，计算各台仪器的观测均方误差一致性试验分为三个方面，分别为：探头一致性、主机一致性和磁力仪一致性。三、野外施工1、设立日变站（基点）目的：消除变化磁场