磁法勘探(1-3)

普通物探第二篇磁法勘探讲课教师唐杰1、定义磁法勘探是利用地壳内部各种岩(矿)石间的磁性差异所引起的磁异常来寻找有用矿产，查明地下地质构造的一种地球物理勘探方法。前言地球的磁场2、发展史磁法勘探是应用最早的地球物理方法。我们的祖先最早发现磁石，并发明了指南针，证明地球表面存在着磁场；《梦溪笔谈》（沈括，1031－1095）中写道：“方家以磁石磨针锋，则能指南，然常微偏东，不全南也”；北宋时已将指南针用于航海（“舟师识地理，夜则观星，昼则观日，隐晦则观指南针”－《萍洲可谈》）；16世纪末，英国威廉·吉尔伯特做过这样的实验，他把一块吸铁石磨制成圆球形，用小磁针测试这圆球面上的磁力分布。结果发现，小磁针倾斜的情况与当时地面上实测的磁倾角很相似。为此他断言，地球本身就是一个巨大的球形磁体，并且地球的磁性作用是从地球内部发出的。从吉尔伯特那个时代开始;伦敦就开始了地磁场的系统观测，至今已逾300多年。我国古代四大发明之一指南针，该图是司南和地盘复原模型指南车的复原模型一种用来辨认方向的仪器。车上有一小人，其手指的方向即为南方，传说司南、罗盘都是根据它而发明。1640年，瑞典人首次尝试用罗盘调查磁铁矿，开辟了利用磁场变化来寻找矿产的新途径。直到1870年，瑞典人泰朗(Thalen)和铁贝尔(Tiberg)制造了万能磁力仪后，磁法勘探才作为一种地球物理方法建立和发展起来。1915年德国人施密特（Schmidt）制成刃口式磁称，大大提高了磁测精度，使磁法不仅在寻找铁矿中起作用，同时还用来寻找其他矿产，并在圈定磁性岩体，研究地质构造以及寻找油田，盐丘中得到应用。1936年前苏联人阿·阿·罗加乔夫试制成功感应式航空磁力仪，大大提高了磁测速度和磁测范围，使磁法工作进入了一个新的阶段。50年代末和60年代初，前苏联、美国又相继把质子旋进磁力仪装于船上，开展了海洋磁测。1950s，1960s，前苏联和美国将质子磁力仪移装到船上，开展海洋磁测，其结果：􀃎在海洋磁测和古地磁研究成果支持下：􀃎复活了大陆漂移学说，发展了海底扩张和板块构造学说；􀃎推动了地学理论的大变革、大发展！磁法勘探可分为地面磁测、航空磁测、海洋磁测和井中磁测航空磁测是第二次世界大战后发展起来的方法。它不受水域、森林、沙漠等自然条件的限制，测量速度快、效率高，巳广泛应用于区域地质调查，储油气构造和含煤构造勘探（火烧区边界），成矿远景预测，以及寻找大型磁铁矿床等方面。地面磁测应用最早，而今它一般是在航空磁测资料的基础上，进行更详细的磁测工作，用以判断引起磁异常的地质原因及磁性体的赋存形态。在地质调查的各个阶段都有广泛的应用。海洋磁测是在质子旋进式磁力仪问世后才发展起来的。它是综合性海洋地质调查的组成部分。此外，还用于寻找滨海砂矿，以及为海底工程(寻找沉船、敷设电缆、管道)服务。井中磁测是地面磁测向地下的延伸，主要用于划分磁性岩层，寻找盲矿等。其资料对地面磁测起印证和补充作用。3、分类航空磁测是第二次世界大战后发展起来的方法。特点：不受水域、森林、沙漠等自然条件的限制测量速度快、效率高广泛应用于区域地质调查、储油气构造和含煤构造勘查、成矿远景预测，以及寻找大型磁铁矿床等地面磁测应用最早，而今它是在航空磁测资料的基础上所作的更详细的磁测工作。用以判断引起磁异常的地质原因及磁性体的赋存形态。在地质调查的各个阶段都有有广泛应用。海洋磁测是在质子旋进式磁力仪问世后才发展起来的。它是综合性海洋地质调查的组成部分，此外、还用于寻找滨海砂矿，以及为海底工程(寻找沉船、敷设电缆、管道等)服务。井中磁测是地面磁测向地下的延伸，主要用于划分磁性岩层，寻找盲矿等，其资料对地面磁测起印证和补充作用。卫星磁测把磁力仪放航天器上进行的地磁测量。在很短的时间里，就可以取得某段时间内的整个地球磁场的资料。根据合适轨道的长期卫星磁测的资料，可以建立全球范围的地磁场模型，如国际参考磁场模式；研究地磁场的空间结构和时间变化；研究全球范围的磁异常情况；它还可以用作飞行器的姿态测量。卫星磁测是空间环境监测的重要组成部分磁法勘探和重力勘探在理论基础和工作方法上有许多相似之处，但是它们之间也存在—些基本的差别。(1)就相对幅值而言，磁异常比重力异常大得多。我们知道，地壳厚度变化引起的重力异常最大，达－5600g．u，若正常重力以9800000g．u计算，则最大重力异常值也仅为正常重力值的千分之五。强磁性体产生的磁异常高达10-4T，若正常地磁场强度按0.5×10-4T计，则最大磁异常可以比正常地磁场强度大一倍；(2)从地面到地下数十公里深度内所有物质的密度变化都会引起重力的变化，说明重力异常反映的地质因素较多。但磁异常反映的地质因素却比较单一，只有各类磁铁矿床及富含铁磁性矿物的其它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)，且它们的相对位置因地而异。当地质体置于不同的纬度区时，重力异常特征不变，而磁异常特征则要改变，因此磁异常总是要比重力异常复杂一些。4、重力、磁法勘探的异同点有关的磁学知识（复习）（一）磁场（MagneticField）磁性：磁铁能吸引铁、钴、镍等物质的特性，称为磁性磁性体：具有磁性的物体；磁极：磁体中两个磁性最强的部位，指北的一极称为指北极或正磁极，用N表示，指南的一极称为指南极或负磁极，用S表示;磁荷：正磁荷—集中在磁体的N极（+）负磁荷—集中在磁体的S极（－）磁力：两个磁体的磁极之间的相互作用力；两个点磁极间的相互作用力为：rrrQQ41F22m1m0•••=●●1mQ2mQrFF磁场：磁力作用的物质空间称为磁场磁场强度（H）：单位磁荷在磁场中所受的力，称为该点的磁场强度，用H表示，单位为A/m（安培/米）2m00mrQ41QFH•==●●0mQ+mQr方向为单位正磁荷在场中受力的方向磁力线：由磁体的正极出发终止于负极的封闭曲线024IBa磁感应强度B，根据毕奥—萨伐尔定律：恒定电流I的无限长直导线周围，距离为a的各点上该电流产生的磁场。SI制单位特斯拉（T），1T＝1Wb/m2，通常用较小的单位nT（纳特），1nT＝10-9TBH在CGSM单位制中：用γ（伽傌）为磁场强度的单位；两种单位制之间的关系为：1γ=1nT（二）磁化在外磁场作用下，没有磁性的物体获得磁性，称为磁化1、磁偶极子相距很近的两个等量异性磁极，作为一个整体称为磁偶极子。mmPQlmP称为磁偶极矩，方向由负磁极指向正磁极。mQlmP2、磁化的本质在外磁场作用下，物体中原子磁矩（m）趋外磁场方向定向排列的结果。mQ3、磁化强度（M）或磁极化强度（J）—表示物体被磁化的程度。●磁化强度（M）—单位体积的总磁矩mv1Mv=●磁极化强度（J）—单位体积的总磁偶极矩mvPv1P=●在SI单位制中与m、J与M之间的关系：mPMJ0=mP0m=4、面磁荷密度（）与M的关系当物体磁化后，若磁体内各处的磁化强度大小相等，方向相同，则称该磁体为均匀磁化体。均匀磁化体内无磁荷分布，仅在其表面有磁荷分布。H+++Mm由右图可见，若把小圆柱体看成磁偶极子，则有：∑=l=·△s·lmPmQm另外由J的定义得：∑=J·V=J·△s·l·sinα=J·△s·l·cosθmPm=J·cosθ=J=μoMnn5、磁化强度（M）与外磁场（H）的关系实验表明，当物体无限大时，则M=κHM的方向与H的方向一致。κ—磁化率，表示物质被磁化的难易程度。6、M与κ的单位M在SI单位制中：A/m在CGSM制中：CGSM关系为：1A/m=10CGSM-3κ在SI单位制中：SI(κ)在CGSM制中：CGSN(κ)关系为：)(CGSM41)(SI1=第一章地球的磁场第一节磁法勘探的基础知识1、单位磁极在CGSM单位制中规定，在真空中两个等量的点磁极，相互之间相距一厘米，作用力为一达因时，m1或m2称之为一个绝对单位，通常用1CGSM单位表示。2、磁场单位为了表征磁场的大小，通常采用磁场强度的概念；单位正磁量的点磁极，所受的力为一达因时，作为磁场强度的单位，我们称之为奥斯特(Oe)；磁法勘探实用的单位是γ(伽码)。1γ(伽码)=10-5Oe(奥斯特）3、磁力线由于磁场强度是一个矢量，而磁场又是一个矢量场，我们为了描述场的性质，一般采用磁力线的方法，形象的表示磁场空间的分布。磁力线处处与磁场强度矢量相切；磁力线疏密的程度正比于磁场强度。4、磁学单位（nT）二、磁偶、磁矩和磁偶的磁场1、磁偶不管是条形磁铁或是磁针，都是具有正负磁荷的两个磁极，它们是成对出现的，也就是说磁量相等而符号相反的两个点磁极，总是共同出现的。我们将成对出现的磁量相等而符号相反的两个点磁极称之为磁偶。2、磁矩设有一磁量m，两极之间的距离为l的磁偶在均匀磁场H中，则磁偶所受到的力偶矩为：M＝mlH，显然这时如ml越大，则力偶矩M越大，可见ml反映磁偶本身的特点，通常将这一物理量称之为磁矩，它表示在单位外加磁场中，磁偶所受的最大力矩，用M示：M＝ml既然磁偶在磁场中表现出力偶矩，就有旋转方向的问题，其方向定为由负指向正，如图所示。3、磁偶所产生的磁场如图所示，任一点p的磁场强度H，经数学计算，由下式表示：三、磁化强度及面磁荷上式说明，当磁化强度和磁荷面斜交时，磁性体面磁荷密度等于磁化强度在该面外法线方向的投影。地磁场有两个磁极，其S极位于地理北极附近，N极位于地理南极附近，但不重合，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（南极洲）。长期观测证实，地磁极围绕地理极附近进行着缓慢的迁移。1、地磁要素地磁场T在水平面(xoy)上的分量，称为水平分量，以H表示。H的指向为磁北方向，磁北方向的延长线称为磁子午线。T和水平面之间的夹角表示T的倾角，称为磁倾角I。当T向下倾时，I为正，T向上倾时，I为负；磁子午线(磁北)和该点地理子午线(地理北)之间的夹角称为磁偏角，以D表示，磁北自地理北向东偏，磁偏角D为正，反之，向西偏时，D为负。水平分量H在X和Y轴上的分量，分别称为北向分量和东向分量，并分别以X和Y表示。T、Z、H、I、D、X、Y各量都是表示某点地磁场大小和方向特征的物理量，称为地磁要素。第二节地磁要素及其分布特征七个地磁要素之间的关系为：2、地磁场的单位地磁场强度的单位通常以“奥斯特”表示，简写为“奥”，也可以用“Oe”表示；磁法勘探中常用的单位用“伽傌”或“γ表示，1伽傌＝10-5奥；国际上统一使用“国际单位制”(简称为“SI”)用“特斯拉”(简称“特”)或以“T”表示磁感应强度(B)的单位；1特＝104高斯，或1高斯＝10-4特1纳特(nT)=10-9特(T)＝10-5高斯＝1伽傌高斯和奥斯特分别表示介质中的磁感应强度和磁化场强度的单位，同属于CGS电磁单位制，二者有相同量纲，并且在真空、空气和水中的磁感应强度和磁化场强度的数值相等。在表示空气或水中磁场的单位上，高斯和奥斯特可以通用。地磁图及地磁要素分布的基本特征地磁图为了研究地磁要素在地表的分布特征，在世界各地建立了许多固定的测点（地磁台）及野外观测点，在这些点上测定地磁要素的绝对值，将地磁绝对测量的成果绘制成地磁要素的等值线图，这种图称为地磁图。通常按要素分别绘制如下地磁图：3、世界地磁图世界地磁图－T世界地磁图－Z世界地磁图－H世界地磁图－I世界地磁图－D总磁场强度（B）等值线图特征：等值线与纬度线近似平行，在磁赤道约30000～40000nT，向两极增大，在两极约为60000～70000nT垂直强度（Z）等值线图特征：与纬度线大致平行，在磁赤道Z=0，向两极绝对值增大，约为磁赤道水平强度的两倍，磁赤道以北Z0，以南Z0水平强度（H）等值线图特征：沿纬度线排列，在磁赤道附近最大，向两极减小趋于零，全球各点除两磁极区外都指向北等倾（I）线图特征：与纬度大致平行，零倾线