磁法勘探.ppt

磁法勘探第一节理论基础 2 1 1磁场 磁场强度及单位一 磁场 磁场强度及其单位磁力 磁铁相互之间有同性相斥 异性相吸的性质 不论是吸引或排斥 都显示有力的作用存在 这个力称为磁力 磁场 凡是一根磁棒在其周围显示具有磁力作用的空间 这个空间 称之为磁场 磁性体不论大小 在其周围空间或大小都会产生相应范围的磁场 即有源必有场 有场必有源 磁力线 磁力线方向从N极出发回归S极 磁力线越密集 磁场强度越强 磁场强度方向为某点北磁极的受力方向 条形磁铁两端附近磁场强度最强 中间处最薄弱 而且随着距离的增加磁场强度逐渐减弱 磁库仑定律磁库仑定律 两个点极间的斥力 或吸力 F与两点极的磁量的乘积成正比 与两点极间距离的平方成反比 图2 1点磁距的相互作用 即 此处F是指在真空中的力 真空中的导磁率 0 4 10 7享 米 2 磁场强度 磁场中某一点的磁场强度 就是在该点上设有一单位正 N极 磁荷所受的力 如果该点的磁量为 Qm 所受的力为F 则该点的磁场强度T的大小可用下式表示 T是个矢量 其方向即为该点正磁荷所受力F的方向 S I N 3 磁感应强度 通电导线在磁场中受力的大小 F ILBI 电流的大小L 磁场中导体的长度B 磁感应强度表达式B F IL磁场强度和磁感应强度都表示磁场的强弱 本章中大多数地方指的都是磁感应强度 4 磁场强度的单位在SI国际单位制中磁感应强度的单位是T 特斯拉 1T 特斯拉 109nT 纳特 在高斯单位制 CGSM 中 磁场强度的单位是奥 Oe 1Oe 奥 伽玛1伽玛 1纳特1 1nT 实用单位 磁偶极子 两个磁荷相等 符号相反 距离2 非常小的磁极 称为磁偶极子 相对于研究的点磁铁的长度2L很小时 2 1 2 1地磁场 地磁要素 地磁图 磁场随空间及时间的变化一 地磁场地磁场 在地球内部及其周围具有磁力作用的空间 地球是个大磁体 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 44 人们已经实测的磁北极位于北纬72 西经102 加拿大北部 磁南极位于南纬68 东经146 南极洲 2 4地球磁场图 二 地磁要素 先引入力的解 及水平分量的投影 用在直角坐标系中的分量和方向角来表示地磁场强度T 直角坐标系是以观测点为坐标原点X指向地理北 y轴指向东 z轴垂直向下 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H 水平分量H又可分为北向分量X和东向分量Y H和T的夹角为磁倾角 当T向下倾时 角为正 T向上倾时 为负角 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D 磁子午线偏向地理子午线之东 D为正值 反之为负值 T Z H D X Y各量都是表示某点地磁场强度的大小和方向特征的物理量 称为地磁要素 七个地磁要素之间的关系式如下 三 地磁图为表示地磁场的地理分布特征 可以根据地磁测量的资料 将所得的各地磁要素值按测点的经纬度座标 在地理图上把数据相同的点连成光滑的等值线 编成各要素的等值线平面图 这种图称为地磁图 总场强度T在磁南北极最大 其值为60000nT 70000nT 在磁赤道处其值最小 约为30000nT 40000nT 从磁赤道到磁南北极磁场强度T逐渐变大 等值线基本与纬向平行 图2 6世界地磁场垂直分量等值线平面图 单位为度 图2 7世界地磁场等偏线平面图 单位为度 垂直强度等值线基本与纬向平行 向南北梯度变化最大 在赤道附近强度为零 向两极逐渐增强 到两极 强度增加到6万 7万nT Z值在北半球为正 南半球为负 水平强度等值线与纬线也大致平行 强度在赤道附近达到最大 约3万 4万nT 向两极逐渐减小 在两个极点 场值为零 2 1 2 2地磁场 地磁要素 地磁图 磁场随空间及时间的变化一 地磁场的空间变化在我国广大地区 I T Z H等值线几乎是沿磁纬度线均匀分布的 其最大梯度方向是子午线方向 我国T Z向北的变化率分别为 T 26 27nT Z 20 21nT H 向北变化是负值 3 4nT 场强随高度的增加是不断衰减的 T 20 26nT Z 20 23nT H 13 15nT 以上的变化量 我们称为地磁场的正常水平梯度和正常垂向梯度 二 地磁场随时间的变化1 地磁场的组成地球偶极子场 T0 和大陆磁场 Tm 组成了地球的基本磁场 由于地壳岩石磁性差异和分布不均引起的地壳磁场 又称区域磁场 在数平方公里以内的磁场就称为局部磁场Ta 它是磁法勘探研究的主要对象 以上都是地球内的平静磁场 另一种是来自球外的磁场Te 它包括外层空间如电离层或宇宙射线等 2 地磁场的长期变化基本地磁场随时间有缓慢的长期变化 且呈缓慢的历经数百年为周期的有规律变化 对于小范围的磁法勘探而言 此变化可忽略不计 3 地磁场的短期变化来自外源磁场引起的短期变化分两类 一类是连续的 比较有规律的 有确定周期的变化 称为平静变化 表现为以一个太阳日为周期的变化 称作日变 一类是偶然性的 突发急烈的短暂变化 它与太空电离层有关 如磁扰和磁暴 磁场突然性 不规则的变化称磁扰 它们形态复杂 变化急烈 强度大的磁扰称磁暴 三 磁异常由于局部磁场是迭加在更大级次的磁场之上的 为了突出研究局部磁场 必须要把它从总磁场中分离出来 获得纯的局部磁场 这种分离就是将总磁场强度T减去To Tm T区 即Ta T To Tm T区 我们称To Tm T区是Ta的正常场 Ta则称为异常场 在磁法勘探中 我们把由于地下地质体引起的磁场强度的变化称为磁异常 磁异常是个相对的概念 若我们在寻找石油构造时 往往是寻找数十 数百平方公里的磁场 此时它们的区域背景场为To Tm 而数平方公里以内的局部场就成为干扰场 如果要找脉状金刚石原生矿时 数平方公里的局部异常又可能成为它的背景场 图2 9河北某地磁异常图 2 1 3物质的磁化 磁化强度和磁化率 岩石的磁性 一 物质的磁化凡是原来不具有磁性的物质 在外磁场作用下具有了磁性 这种现象就叫磁化 铁棒被磁化的原因 是其内部固有的杂乱无章排列的磁分子 在外磁场作用下 沿着磁化方向作定向排列 此时 在磁棒两端就有磁荷分布 若磁铁N极靠近铁棒的情况下 则铁棒的靠近端集中负磁荷 另一端集中等量的正磁荷 物质的磁化 与物质内部原子中的电子运动有关 电子的自旋和轨道旋转 都产生各自的磁矩 由于物质内部无数的电子环形电流所产生的磁矩方向是杂乱无章的 故总体没有磁性 在外磁场作用下 电子自旋或轨道运动方向都会定向排列 使产生的磁矩方向与外磁场的磁化方向趋于一致 物质由此而显出磁性 这是一种感应磁化 二 磁化强度与磁化率磁化强度 M 表示物质被磁化程度的物理量 分为感应磁化强度与剩余磁化强度 原来无磁性的物质在外磁场的作用下具有了磁性 它的磁化强度称为感应磁化强度 Mi表示 有些磁性物质具有的磁化强度与外磁场无关 它是古地磁作用后保存下来的磁化强度 被称为剩余磁化强度 Mr表示 磁性体的总磁化强度M Mi Mr 它是一个矢量 2 磁化率磁化率是表征物质磁化难易程度的一个物理量 即在一定磁场强度T的作用下 Mi的大小与 成正比关系 即Mi T 值大 M也相应增大 无量刚 三 岩矿石的磁性1 矿物的磁性抗磁性k 矿物原子内电子成对出现 自旋磁矩相互抵消 在外磁场中 获得与外磁场方向相反的磁矩 磁化率是负的 如金 银 铜 碳 水 煤油 石墨 石膏 石英 惰性气体等 顺磁性K 物质原子壳层中含有非成对电子 自旋磁矩不会抵消 在外磁场中 电子自旋磁矩趋向外磁场方向 这种特性叫顺磁性 在外磁场中 获得与外磁场方向相同的磁矩 磁化率是正的 如铂 铝 石榴子石 辉石 黑云母 电气石 稀土金属等 抗磁性与顺磁性矿物磁化后磁化率极小 在磁法勘探一般忽略不计 铁磁性有极强的磁化率k 0 01 10 如铁 镍 钴 钆及其合金 铁磁性矿物又可分为 1 纯铁磁性物质 地球表面很少 存在于陨石 月岩中 2 亚铁磁性物质 如磁铁矿 钛铁矿等铁的氧化物或硫化物 3 反铁磁性物质 如赤铁矿 表2 2抗磁性与顺磁性磁化率对比 3 居里点铁磁性物质当温度升到一定值后 可转变为顺磁性 反之亦然 所以它们磁性的归属依赖于温度 当温度增加到某一定值时 铁磁性物质磁化率迅速消失 那么这个消失点的温度值 称为居里点 当温度下降到居里点以下时 磁化率又会不同程度的恢复 基本恢复者为可逆型 否则为不可逆型 磁铁矿 赤铁矿的居里点温度为560 580度 磁黄铁矿的居里点温度约为300度 2 岩石磁性 1 决定岩石磁性的因素主要决定于所含磁性矿物的多少 其次与磁性矿物的分布状态有关 胶结状比颗粒状磁性强 还受挤压变形程度有关 挤压变形越严重 剩磁越小 2 各类岩石的一般磁性特征沉积岩的磁性一般来说 沉积岩的磁性很弱 火成岩的磁性一般规律是超基性岩磁性最强 次之是基性岩 它一般有中等磁性 酸性岩一般磁性较弱 变质岩的磁性变质岩的磁性一般决定于变质前的原岩磁性以及变质的程度 3 岩石剩磁的成因在地磁场中 岩浆岩在冷却后获得的剩磁称热剩余磁性 沉积岩在沉积过程中 磁性矿物按当时地磁场方向排列而获得的剩磁称沉积型剩余磁性 因化学作用的结果 是磁性矿物颗粒增大或产生新的磁性矿物而获得的剩磁称为化学剩余磁性 剩磁反映了不同的古地磁环境 在解决地质问题方面越来越受到重视 剩磁研究已发展成为一门学科 古地磁学 第二节磁力仪 工作方法和成果图示2 2 1常用磁力仪及所测量的物理量 一 磁力仪的分类 据结构 原理分为 一 机械式磁力仪1 悬丝式垂直磁力仪2 水平磁力仪 二 电子式磁力仪1 质子磁力仪2 光泵磁力仪3 磁通门磁力仪4 超导磁力仪据使用领域分为 1 地面磁力仪2 航空磁力仪3 海洋磁力仪4 井中磁力仪 二 悬丝式垂直磁力仪基本工作原理图2 10Cs2 61型悬丝式垂直磁力仪测量参数 垂直分量Z测量方法 相对测量 原理 该仪器的核心是磁系 它是由一根特制的合金丝穿过磁系中心 略偏上方 再将悬丝两端呈水平地固定于支架上 磁棒就悬挂在合金丝上 图2 10 并能在垂直于悬丝的平面内灵活地自由转动 磁棒转动的大小直接反映了磁场的变化 N端短一些 磁系质量中心就偏向S极下方 这与罗盘的 S极绕铜丝起平衡作用相似 其次 悬挂磁棒的悬丝当转动个角度后 悬丝会对磁棒产生一个扭力 当磁棒N向下或向上偏转太大 则可扭动悬丝 可以反向将其扭回到接近水平状态 1 平衡系统 2 光学观测系统读数原理 光源经采光镜进入三棱镜 全反射照亮棱镜底部的标线尺 它与刻度尺同刻在一块玻璃上 并位于主焦面上 标线尺成了物镜的光源 光线经物镜折射后变成平行光向下到磁系反光镜 又经磁系反光镜反射向上经物镜 又向上到主焦面左方的刻度尺上成像 此时可看到标线尺的图像在刻度尺上前后晃动 这是磁系刚打开时反光镜晃动的反映 磁系静止后 标线尺图像就与刻度尺重叠 此时就可以读数了 图2 13磁力仪光系结构图 目镜组和物镜组 光源采光镜 三棱镜 刻度尺 标线尺 凹透镜 物镜 3 格值测定地磁场强度的大小等于磁力仪的读数与仪器格值的乘积 仪器读的是磁棒偏转的格数 要知道地磁场强度值必须知道仪器每格相当的场值 是测定磁力仪格值的专用设备 它是由格值线圈与电流控制装置两部分组成 测定格值时 线圈中通以不同强度的电流 观测磁力仪在线圈磁场作用下读数的变化 即可计算出仪器的格值 4 扭鼓 调测程 扭鼓是磁系每转一圈所引起磁系偏转量大小 即偏转一圈的场值是一个常量 称扭鼓常数 扭鼓使用 1 仪器从甲地转到乙地工作时 两地磁场差值大于仪器可读的测程范围 此时已看不到仪器读数 此时需要动扭鼓 使磁棒调节近于水平 2 工作区遇到强磁异常 其变化也超出了测程范围 此时要动扭鼓 但要记下正向或负向扭动的圈数 以便对测点场值进行扭鼓改正 三 质子磁力仪工作原理测量参数为 总场强度T 一般做绝对测量 也可做相对测量 质子磁力仪工作原理简介1 测量原理 该磁力仪是利用煤油 水或酒精等含氢原子中的质子自旋的磁矩 经人工磁场HO磁化后 沿HO方向排列而产生磁矩mP 在人工磁场切断后 其磁矩的方向由人工场方向逐渐趋向地磁场方向 在这个过程中 它是以围绕T旋进中趋向T方向的 这种旋进称拉莫尔旋进 其旋进频率与地磁场强度成正比 其表达式 T 23 4874f 2 频率测量探头 接收讯号的探头它是由装满煤油的罐状无磁性玻璃钢瓶 并绕上一组人工磁场激励和接收频率讯号的共用线圈组成 工作时 先产生一个人工磁场H0 H0 T H0方向垂直于地磁场 切断后 质子磁矩在拉莫尔旋进中切割讯号线圈 由此产生感应电动势 它是振幅不断减小的正弦波图形 通过仪器测定拉莫尔旋进频率数 根据公式T 23 4874f 可求得地磁场强度值 图2 14点感应讯号随t的衰减质子磁力仪由四部分组成 分别为主机 传感器 探杆 测量线 2 2 2 1磁法勘探的野外工作方法设计阶段野外施工阶段资料整理阶段成果图示阶段报告编写阶段一 地球物理前提分析磁法能解决地质问题 是由于目标体与测区岩石有明显的磁性差异 如目标体与围岩和其他地质体有明显的磁性差异时 则目标体与围岩和其他局部地质体所引起的异常可以区分 这时磁法勘探方法的应用具有地球物理前提 二 测网的选择等轴体 正方形测网 长轴矿 长方形测网 测线方向垂直于矿体长轴方向 普查 选择的原则是保证有1 2条线通过有工业意义的最小矿体异常 点距应保证至少有2 3个测点落在异常上 详查 线距的选择应保证有3 5条测线通过异常 测线上要求有5 8个测点通过异常 同时在观测时要随时注意加点 以找到极值或转折点 三 磁测精度的确定一般在强磁区 磁测精度可适当降低 弱磁区则要设计较高的精度 由误差理论可知 一般大于三倍均方误差 m 的观测值是可信值 那么在普查时 精度确定在 最低异常值 3m 即m应小于最低异常值的三分之一 通常测定磁测精度为m 1 5 1 6 最低异常值 m 均方误差 四 测量质量的评定对测量结果的实际精度 常用均方误差 m 来衡量 选n n 30 个点作为检查点进行重复测量 若检查点有n个 若每个点的第一次观测值为Ti 第二次观测值为Ti 其差值 i Ti Ti i 1 n 则质量评价公式 练习 有以下检查点 这些检查点前后两次读书分别用和表示 单位为nT 求均方误差m 五 地面磁测工作方法概述1 敷设基点或基点网进行T相对测量时 首先在测区附近选择平静场设为基点 作为该区磁场零值点 测区范围大时 可设总基点 主基点 分基点 供作早晚基用 也可设基点网 2 基点 测点的观测 1 早 晚基观测在野外施工中 当天出工前先要在设立的基点上观测取数 俗称 对早基 收工前必须又在同一基点观测取数 2 测点观测在测点观测时 在记录本有关项应记录工作日期 线号 点号 观测值 观测时间及仪器温度 遇到变化大的异常要立即自行加密测点观测 追踪异常极大值 极小值 3 质量检查为了对全区观测质量作出精度的估价 要阶段性的对不同时间测点观测结果布置一定量的第二次独立观测 二次观测的仪器应不低于第一次观测仪器的精度 力求做到三不同 不同时间 不同人 不同仪器观测 每次检查点数应不少于30个 4 精测剖面为了解释异常 一般垂直异常长轴方向 并通过异常中心 布置一条点距更密的剖面 更详细了解异常的形态 用于进行重点定性定量解释 2 2 2磁法勘探的野外工作方法 悬丝式磁力仪的 Z资料室内计算1 基点改正 即将当日各测点观测值减去早基值 得到与基点的相对值 2 日变改正 根据当日日变曲线 确定早基观测时间的日变为起始零值 各点日变值在日变曲线上相应时间位置查取改正值 日变值为负时 改正值为正值 1 先作日变曲线 2 画出零值线 找出各个测点的日变值 校正值符号与之相反 日变值为正 校正值为负 例 已知某天日变站上的仪器观测得下列数据 to 500509 00t1 500529 10t2 500559 20t3 500609 30t4 500569 40t5 500529 50t6 5004910 00t7 5004510 10并在测点上观测得以下数据 500809 05测点A 500909 25测点B 5008810 00求 A B两点做日变校正和基点校正后的磁异常分别为多少 解 1 先以时间为横坐标 各个时间对应的磁场值为纵坐标画日变曲线 2 以早基观测时刻对应的日变值为起点画一条零值线 某测点的日变值 为该测点观测时间所对应的日变值与零值线之间的差值 3 日变值为正的 校正值为负 日变值为负的 校正值为正 零值线 例 已知某天日变站上的仪器观测得下列数据 to 502008 00t1 502108 10t2 502258 20t3 502208 30t4 502108 40t5 502008 50t6 501989 00t7 501959 10并在基点和110号线上各点测得以下数据 502018 10T1 503008 30T2 503058 35T3 503208 42T4 503238 50T5 503188 55T 503138 58T7 503109 05求 求这些测点做日变校正和基点校正后的磁异常分别为多少 并画出它们的磁异常剖面图 3 温度改正 求出各测点与早基的温差 再用温差与温度变化率的乘积作为应改正的值 改正值为 a t t0 4 正常梯度改正 以基点为零改正值线 各测点改正值 即可在相应位置查取 1 水平梯度改正 利用资料做1nT为间隔的等值线图 使通过总基点的等值线为零值线 水平梯度改正时每向北过一条等值线减1nT 向南加1nT 2 垂向梯度改正比总基点高42米加1nT 低42米减1nT 二 磁测结果的图示1 磁异常剖面图以横坐标表示测点 纵坐标表示异常值 以上为正 以下为负 将每个测点的磁场值按比例展在图上 每两点间用直线相连 即勾绘出磁异常沿剖面的变化 2 剖面平面图根据工作比例尺 在平面上按测网实际图绘出全部测线的异常剖面 图2 16 平剖面图的主要优点是对整个测区每个异常在多条剖面上的异常形态结构有较客观的反映 所以是面上异常解释的基础图件 3 平面等值线图根据工作比例尺 在平面上按测网实际图绘出全部测线的异常剖面编制方法 是将全部测点及其磁场值展绘在图上 然后根据异常值勾绘等值线图 应注意 1 要考虑实际精度确定等值线场值间距 2 要结合平面剖面图综合分析异常大致形态 特征 异常轴之后勾等值线图 不能单纯考虑观测场值 三 磁法勘探应用实例1 长江中下游 隐伏磁铁矿该铁矿是与中性火成岩有关的接触交代型内生铁矿 磁性强 从剖面图分析 无负异常 正异常近于对称 故可视为无限延深顺层磁化薄板状矿体 即矿体倾角与剖面内磁化强度倾角一致 由磁化强度方向和倾角定出矿体倾向 倾角较大 重力勘探第一节重力勘探的理论基础1 1地球和地球的重力场一 地球的形状和它的内部结构地球是一个梨状的旋转椭球体 赤道半径 a 6378 160km极半径 c 6356 755km地球扁率 a c a 1 298地球的质量M近似为5 976 kg 二 地球的重力场地球的表面及其附近空间 一切物体都要同时受到两种力的作用 其一是地球质量对它产生的引力 其二是地球自转而引起的惯性离心力 这两个力的合力就是重力 存在重力作用的空间叫做重力场 重力场强度表示单位质量的物体在某点所受的力 g G m在国际单位制 规定以1m 的百万份之一作为国际通用重力单位 gravityunit 简写g u 即1m g u 在CGS单位制 即厘米 克 秒单位制 在该单位制中 为了纪念意大利科学家伽利略 重力加速度的单位规定为SI单位与CGS单位的换算关系为1mgal 10g u为了便于引用过去的资料 在这份教材的图件中 均以n 10g u来表示重力加速度 以下简称重力 的大小 1 2正常重力公式 一 正常重力公式的基本形式 式中的 赤道重力值 1 3重力测量的方法和原理 3 重力仪的弹簧原理 1 4重力异常 在重力勘探中 我们把由于地下岩矿石密度的变化所引起的重力场强度的变化称为重力异常 重力异常是个相对的概念 第二节重力勘探仪器 观测方法及资料整理2 1石英弹簧重力仪 2 2基点网的观测及质量评价 一 基点网观测三程循环观测的顺序是 1 2 1 2 3 2 3 4 3 4 5 n n 1 n 1 完成一个基点网的闭合环路的观测 其它环路的方法以此类推 采用三程循环观测时 应该根据重力仪零点位移情况的不同而采用不同的图解方法来校正零点位移影响 1 若重力仪的零点位移基本与闭合时间成正例 则可以用作图的方法求解两个相邻结点的重力差 作图的方法是以重力仪的读数为纵坐标 以时间为横坐标 将相应的点绘在厘米方格纸上 见图3 2 1 再把相同测点的读数用直线连接起来 构成一条条基本平行排列的直线 如图3 3 1中的1 1 2 2 3 3 等直线段 由于1 1 和2 2 等相邻线段相互平行 所以 1 2两点的重力差可由下式计算 2 如果图中各直线的斜率变化较大 即同一点三次取数相差较大时 可采用图3 2 2所示的方法绘成某一段时间内重力仪零点位移曲线 首先 将2 2 折线沿S轴垂直向下 或向上 平移 使2点落在直线1 1 的相应点上 再将3 3 折线上的3点评移到移动后的2 2 的相应点上 以此类推 直到把各线移完为止 如图上点线所示 然后根据这条点线取一条曲线 即为重力仪读数零点位移曲线 此外 若通过该曲线上与早基点观测时间相当之点 引一条水平线 此线至该曲线之纵轴截距即为各观测时间的零点影响值 反号后即得零点位移校正值 二 根据上述内容 建立基点网的主要目的有三 1 检查重力仪在某一段工作时间内的零点位移 确定零点位移校正系数 2 提高普通测点重力测量的精度 减少误差积累和提高普通点重力测量的工作效率 3 作为每次重力测量的起算点 求出每一普通点相对起始基点的重力差以便于求出它们相对总基点的重力差 三 根据上述目的 在建立基点网时应考虑 1 基点应均匀分布于全区 2 为了保证基点网重力测量的精度 应该使用质量较高的一台或几台重力仪 并用快速的运输工具运送仪器 而且 观测路线应按闭合环路进行 环路中的首尾点必须联测 3 基点应该建立在交通方便和标志明显的地方 2 3重力测量和质量检查 一 普通测点观测根据现代重力仪的质量 在进行普通点重力测量时 一般都采用单次观测 如果在测区内已经建立了基点网 每次观测都是从就近的某一个基点Gj开始 然后逐个观测