综述勘察地球物理方法在解决地质、能源及环境问题的应用.docx

姓名:丁成 学号:1002112214 课程:勘察地球物理概论 邮箱:1061239083 综述勘察地球物理方法在解决地质、能源及环境问题的应用重力勘探和磁法勘探的地质应用【前言】这篇文章主要讲述了勘察地球物理方法在找矿中使用的方法和实际应用，是在学习了勘察地球物理方法这门课程之后，总结所学的知识，加深理解。【摘要】地球物理方法在固体矿产，尤其是多金属矿产的勘查中得到广泛的应用。由于多金属矿床通常具有高密度、和强磁性（尤其是矽卡岩苣型中赋存的磁性矿床），因而广泛应用重、磁方法来寻找这类矿产。本文讲述了重力勘探和磁法勘探的基本原理。并扼要的举例了重力勘探和磁法勘探在实际中的应用。重力勘探和磁法勘探的地球物理方法、原理重力勘探重力勘探是地球物理勘探方法之一。是利用组成地壳的各种岩体、矿体间的密度差异所引起的地表的重力加速度值的变化而进行地质勘探的一种方法。它是以牛顿万有引力定律为基础的。只要勘探地质体与其周围岩体有一定的密度差异，就可以用精密的重力测量仪器（主要为重力仪和扭秤）找出重力异常。然后，结合工作地区的地质和其他物探资料，对重力异常进行定性解释和定量解释，便可以推断覆盖层以下密度不同的矿体与岩层埋藏情况，进而找出隐伏矿体存在的位置。自然界中大多数金属矿的密度都比围岩的密度大。某些非金属矿，如岩盐、煤等，情况恰好相反，它们的密度一般比围岩密度小得多。因此，当这些矿床具有一定规模，且埋藏较浅时，能在地面上产生明显的重力异常。重力异常的特点 沉积盆地重力异常的地质特征在平面等值线图上表现为：等值线的形状和盆地的形状一致；洼陷对应相对低的重力异常，凸起对应相对高的重力异常，重力异常最低的区域对应盆地中心；纯地形引起的重力异常与地形呈镜像关系。断层在布格重力异常图上的表现形式为：沿一定方向延伸的梯级带；异常梯级带发生同形扭曲或方向变化；串珠状正或负异常；封闭异常突然变宽、变窄或轴线明显错动的部位；不同特征异常区域的分界线。海洋重力测量 是在海上或海底进行连续或定点观测的种重力测量方法，为探矿目的而进行的海洋重力测量又称海洋重力勘探。近几年来，随着先进技术的发展，轻便而精密的海洋重力仪不断出观，海洋重力得到了迅速的发展。海洋重力测量的方式有：用海底重力仪进行定点观测；用海洋重力仪在船上进行连续重力测量；用海洋振摆仪在船上或潜艇内进行定点观测。后者效率较低，精度也较差。目前主要采用前两种方法。航空重力测量 是把特制的重力仪装在飞机上进行连续测量的种重力测量方法。它不受地面交通条件的限制，工作效率较高。航空重力测量的原理、方法和仪器与海洋重力测量基本相同，但飞机上仪器所受的干扰加速度比船上要大几倍到几十倍，而且周期很长。空中的导航定位、航高、航速等测量要求也高，厄缶改正误差很大；静力重力仪要附加更强的阻尼易造成重力异常的畸变。井中重力测量 使用特制的重力仪在钻井中进行定点观测，称为井中重力测量。井中重力测量的数据对划分石油钻井的不同密度界面有重要作用。磁法勘探磁法勘探是地球物理勘探方法之一。通过观测和分析由岩石、矿石（或其他探测对象）磁性差异所引起的磁异常，进而研究地质构造和矿产资源（或其他探测对象）的分布规律的一种地球物理勘探方法。其中磁异常是指磁性体产生的磁场叠加在地球磁场之上而引起的地磁场畸变。岩石、矿石受现代地磁场的磁化而产生感应磁化强度，用它与现代地磁场强度的比值(即磁化率)表示岩石、矿石受磁化的难易程度。岩石、矿石在形成过程中还受到当时地磁场的磁化而获得磁性，这种磁性经漫长地质年代保留至今，称为剩余磁化强度。所以，岩石、矿石的磁性由感应磁化强度和剩余磁化强度两部分组成。岩石、矿石磁性的差异是磁法勘探藉以解决地质找矿问题的基础。自然界的岩石和矿石具有不同磁性，可以产生各不相同的磁场，它使地球磁场在局部地区发生变化，出现地磁异常。利用仪器发现和研究这些磁异常，进而寻找磁性矿体和研究地质构造的方法称为磁法勘探。磁法勘探是常用的地球物理勘探方法之一。它包括地面、航空、海洋磁法勘探及井中磁测等。磁法勘探主要用来寻找和勘探有关矿产（如铁矿、铅锌矿、铜锦矿等）；进行地质填图；研究与油气有关的地质构造及大地构造等问题。我国建国以来大多数铁矿区、多金属矿区及油气田等都进行了大量的磁法勘探工作，取得了良好的地质效果。磁法勘探也是基本地球物理手段，国家已纳入在全国范围内进行系统测量的计划，并已基本覆盖了全国重要地区。磁法勘探用的仪器主要有磁秤、磁通门磁力仪、质子磁力仪、光泵磁力仪和超导磁力仪等。方法测工作按照观测磁异常的空间地域不同，分为地面磁测、航空磁测、海洋磁测和井中磁测。地面磁测地面上设置测网，用磁力仪观测磁异常现象和分布规律。测网一般是由互相平行的等间距的测线和测线上等间距分布的测点组成。测网形状和密度决定于研究对象的规模、需要研究的程度和经济效益等方面。普查阶段主要是发现磁异常，线距应小于最小探测对象的长度,点距应保证有3个以上测点落在磁异常范围内;详查阶段主要是研究磁异常,测网密度则要保证磁异常的形态特征细节能被反映出来。根据探测对象产生磁异常的强弱来选择仪器类型、磁测精度和观测方式。一般来讲，磁测工作首先在正常区建立基点作为全区磁异常的起算点，然后按测线、测点观测总磁场强度及垂向梯度或垂直分量的相对值。在个别情况下，还可观测水平分量相对值。在磁测工作中为评价磁测质量需要进行一定数量测点的重复观测。由于观测数据中还存在其他干扰，因此需要对观测数据作必要的改正才能得到正确的异常值。主要的改正有正常场改正(包括纬度改正)和日变改正，有些还需作温度改正和零点漂移改正。经改正后的异常值,常用等值线平面图和剖面图表示。航空磁测用安装在飞机的磁力仪进行磁测。具有快速，不受高山、水域、森林、沼泽限制等特点。由于飞机距地面一定高度飞行，减弱了地表磁性不均匀影响，更有利于磁力仪记录深部区域地质构造的磁场。航磁比例尺根据地质任务、探测对象的规模、所测区域的地球物理特征和航空定位技术等来确定。金属矿航磁比例尺一般多为 1:10万、1:5万，有望远景区可达1:2.5万。构造航磁比例尺一般为1:100万、1:50万和1:20万等。测线应与矿带或主要构造带垂直。为了获得明显可靠的磁异常信息，飞行高度应尽量低，由比例尺、定位技术和地形条件等确定。航磁工作中，一般采用无线电导航仪同步照相定位。为消除飞行本身的磁干扰，还需采用特殊的磁补偿技术。航测过程中除进行测线上的磁场测量外，还需进行基线飞行和辅助飞行。基线飞行是确定磁异常的起算点和计算仪器的零点位移；辅助飞行包括：了解测区情况、飞行条件和仪器工作状态的试验飞行；检查评价磁测质量的重复线飞行；检查调整不同架次观测磁场水平的切割线飞行等。航磁测量结果除进行与地面磁测相类似的改正外，还需进行偏向改正和高度改正，改正后的结果再经切割线飞行观测资料调整，最后编绘航磁异常剖面平面图和平面等值线图。海洋磁测用安装船舶上的磁力仪进行磁测。海洋磁测将探头拖在船后并采用无线电导航。海洋磁测还需进行方位测量、电缆长度试验测量和探头沉放深度试验等。方位测量用以进行船体影响改正。电缆长度试验测量用以求得船体影响在磁测精度允许下电缆离船体的最小距离。探头沉放深度试验用以求得探头合适的沉放深度，避免探头激起浪花及波涌浮动对磁测的影响。井中磁测用磁测井仪沿钻孔剖面测量地磁场强度相对变化或岩石、矿石磁化率的变化。辽宁建昌县马道铁矿矿区地质特征马道铁矿位于辽宁省建昌县大屯乡, 八家子银铅锌矿西北约10 km 处, 是一个隐伏的沉积变质型铁矿床。矿区地表出露地层主要为中元古代雾迷山组含燧石条带的白云岩。矿体产于雾迷山组的白云岩不整合面之下的新太古代变质岩系中( 图1) 。矿体厚数米至数十米不等, 矿体围岩有黑云斜长石英片岩和片麻岩, 在矿区东部还有含黄铁矿的碳质石英片岩产出。矿石为条纹条带状角闪辉石-石英磁铁矿, 条纹条带构造为以石英为主的条纹和以角闪石、黑云母、磁铁矿为主的条纹互间层, 宽25mm 不等。矿物含量分别是: 石英15% 40% , 角闪石20% 25% , 磁铁矿18% 20%, 黑云母10% 15%, 石榴子石10% 15% 。磁铁矿粒度大小0. 05 0. 1 mm, 选矿时需要粉碎到320 目才能进行磁选。矿石全铁( TFe) 含量30% 左右, 由于矿石中有一定量角闪石和黑云母, 含不可溶铁达5% 左右, 是无法利用的, 这会降低矿石的品位。磁异常特征及找矿效果辽宁建昌县马道沟航磁异常, 1969年经鞍钢地质勘探公司401 队, 采用磁法面积测量( 网度为500*100m) 检查评价,发现地磁异常长5km, 宽3 km, 异常极大值达1400 nT, 形态规则。打了十多个钻孔均未见矿而放弃, 从而耽搁了该矿的评价利用达30多年之久。在中国铁矿资源突现紧缺形势的推动下, 2003 年八家子矿业公司重新勘查评价该矿, 仍然采用磁法500*100 m 网度面积测量, 结果所获地磁异常与1969 年鞍钢地质勘探公司401 队发现的磁异常基本一致, 说明该磁异常是客观存在的。根据岩矿石磁性测定结果表明磁铁矿石的磁性强度是围岩的数十倍，所以推测该磁异常由磁铁矿引起。2003年,八家子矿业公司开始在异常中心、极大值部位布了5个钻孔, 但仍未见矿, 后又在异常中心偏北布钻位, 结果4个钻孔均打到了磁铁矿体。为什么异常中心无矿, 而偏离了异常中心却打到了矿呢? 这究竟是什么原因造成的呢? 项目组经分析、推断, 认为这是斜磁化影响所致。由于我国处于北半球, 受斜磁化影响比较严重, 在辽西地区地磁场倾角为57左右。斜磁化影响使磁性地质体与磁异常中心的位置不一致, 一般磁性体在磁异常中心的北边,位于正负磁异常之间。将实测磁异常进行化极处理，由此得到的异常为垂直磁化磁异常。而垂直磁化磁异常的位置、形态基本与磁性地质体一致。2004年, 项目组参与矿山评价勘探, 将钻孔布在异常中心以北, 结果孔孔见矿, 从而揭示该磁异常为一个大型鞍山式沉积变质磁铁矿矿床引起的。宁芜地区的铁矿宁芜地区的铁矿最早发现于1921 年, 现已发展为一个著名的成矿带。回顾宁芜地区探矿史, 发现绝大多数铁矿床是据重磁异常发现或扩大的。据宁芜地区找铁矿的统计资料，全区已有的15 个大中型铁矿床中有9个是验证磁异常时发现的。该区应用磁法找铁的主要经验是:合理采用不同比例尺的航磁、地磁测量, 迅速集中普查目标,直接寻找大中型铁矿；结合地质条件,分析各类铁矿上的磁异常特征,充分发挥磁法的找矿作用；地质物探结合,配合矿床勘探评价工作,反复进行异常的推断解释；应用磁测井,预测井下和井旁的矿体,研究矿体产状,为合理部署勘探工程和区分地面磁异常性质提供重要依据。重力测量法是找铁矿的主要辅助方法在宁芜盆地和庐江罗河地区, 自1955 年以来,在磁法测量工作的同时进行了10000 20000到10000 5000 的重力测量。在已知铁矿上,凡是做过重力测量的, 均有局部重力异常。据分析, 这些铁矿区的重力异常与矿的关系是不相同的: 有的确实是由铁矿引起的, 如梅山磁铁矿床、姑山赤铁矿床、大鲍庄硫铁矿床; 有的则以矿体和矿化带的合成影响为主, 如罗昌河磁铁矿床、白向山磁铁矿床; 还有很多情况下, 矿体仅起了次要作用, 如其林山磁( 赤) 铁矿床就是其中一例。可以看出重磁异常及对重磁异常的定量解释在评价勘探中发挥了重要作用。关于重磁配合问题在重磁测量解释过程中常出现所谓的重磁同现与重磁单现,这是前人对资料联合解释,判别异常性质的准则的概括。其依据是: 具一定规模的磁性铁矿体将同时在其周围空间激发起重力异常和磁异常,即所谓的重磁同现。而高密度但弱磁到无磁性的地质体,如石膏,基岩起伏,或具弱磁性但不具剩余密度差的地质体,如强磁性火山岩,都将引起单一的重力异常或磁异常,即所谓的重磁单现。重磁同现是指重力异常与磁场(包括正异常及伴随的负异常)在一起出现,并不是指两者的极大值重合。事实上,重磁同现的异常中心常常不吻合,梯度也不一样。造成这种情况的原因有:矿体与非矿地质体的迭加；斜磁化和矿体倾斜产状都将使异常中心偏离重力异常；重磁场与场源到测点的距离关系不同。磁场是与场源到测点的距离平方成反比,而重力场是与距离的平方成反比,因而异常的形态、规模不同；根据泊松方程,在同源均质的情况下,磁异常是比重力异常高一阶的导数,垂直磁化的物体的垂直磁力异常与重力的垂直微商仅差一个常数倍,即泊松比,所以重力异常一般将比磁异常宽缓。由于以上种种原因,同一个地质体激起的重磁异常往往有偏移,分布范围也不一致。而重磁中心重合的异常完全可能由不同的地质体引起。分布范围、峰度、宽度相同的重磁异常, 其场源则往往不同。还应该指出的是,由于磁法与重力的勘探深度不同,当矿体规模大而埋深较小时, 磁异常有明显的反映,而重力异常可能很小以至于无法发现,出现有磁无重的假象。因此,在实际工作中判别重磁异常是否同源,以及重力异常是否存在,可以通过场的转换来解决。应用地球物理方法技术取得的地球物理场, 是岩石层中不同物性界面所产生的效应,蕴藏着构造、沉积等多方面的信息。但重力、磁力分别是从一个物性侧面来认识地质体或地下结构。因此,对于各种地球物理场进行综合解释, 并与地质资料结合起来, 才能赋予所求得的各种物性界面以时间概念,或与构造、地层联系起来,取得近于全面的认识。地球物理方法技术在近十几年来的飞跃发展,重力、磁力勘探仪器的精度提高,多种电法如MT、TEM、CSAMT 等的应用,为解决找矿问题提供了广泛的可能,为查明岩体和发现矿床提供了强有力的手段。最新进展20 世纪90年代以来,GPS及高灵敏度、高稳定航空重力仪的应用导致航空重力测量的研究取得了突破性的进展,使航空重力测量技术进入实用化阶段、预期本世纪将得到广泛的应用。由于航空重力在大地测量方面的特殊作用,国际上许多国家多个研究机构开展了航空重力测量的研究,国际大地测量协会(IAG)也设立特别研究组对重力测量仪器、原理和数据处理方法等进行专门研究,从而使传统航空重力仪的精度和性能得到显著改善. Lacoste&RomergeS 型海洋/ 航空重力仪、ZLS 重力仪及Bell BGM - 5 重力仪已被广泛应用于航空重力测量系统；发展了多种航空测量系统,航空重力标量测量技术已进入实用化阶段。 航空标量重力测量将重力仪安装在陀螺稳定平台上测量垂向加速度的航空重力测量系统属于标量重力测量,实际上测重力加速度的一个分量。这方面重力测量的精度一般达到2mGal,分辨率为1015 km。加拿大正在研制一种以三加速度仪为基础的旋转不变式标量重力测量(RISG)系统,该系统的实现可望航空重力测量系统不需要定向平台。 航空矢量重力测量硬架式惯性测量系统是矢量重力测量,它通过正交的三个加速度计测量b 参照系中的加速度矢量(重力与运动产生的加速度之和),通过GPS及测高计等测量并计算飞机运动的速度及加速度,经一系列计算校正处理求出三分量重力异常。美国在航空重力矢量测量研究方面作了较多工作,将航空重力测量结果与地面重力数据作比较,表明航空重力矢量测量的水平分量精度可达78mGal,垂直分量的精度为3mGal。挪威、丹麦、德国和葡萄牙合作实施了联合航空测量系统和测高系统的研究,发展了一种航空大地水准面测量系统,应用于沿海海洋学的研究。 航空重力梯度测量近年,美、加、澳等国地球物理公司已进行航空重力梯度测量研究试验工作,由于该测量技术属西方国家限制出口的尖端技术,尚不能引进,只能予以密切关注。航空全张量重力梯度测量美、加等国三个公司联合进行全张量重力梯度仪的可行性实验,测量系统有12个加速计安装在三个圆盘上,其中一个为垂直,其余两个为水平,每个圆盘上安装两对加速度计,全部灵敏元件安装在防震平台上,试验区选择在包括金伯利岩、磁性镍硫化矿和斑岩地区。美国Bell Geospace公司研制了三维全张量梯度测量系统,并与海军一起在墨西哥湾导航试验船为油气勘探取得200块段数据,完成了地震与全张量梯度测量综合研究,结果表明利用重力梯度测量可以优化地震解释结果,两者综合可以得到“梯度优化的地震数据”,可以用来确定盐丘的大小、形状及厚度与结构。实际资料表明在深度为10001500m深度范围内的密度差分辨率可达0.05g/cm3。 部分张量梯度测量系统澳大利BHP公司的测量系统,包括8个加速度计安装在一个水平圆盘上,只测量水平梯度Uxx、Uyy。Uzz可以通过前两者计算得到。该系统已用于澳大利亚的银、铅、锌矿及加拿大的金刚石矿的探测工作,已发现一处可能含金刚石的矿藏。上述测量系统一般与磁力测量组成重磁测量系统进行发展磁力多参数测量、实现GPS 一体化。在磁测同时收录测点位置数据,如Geometries公司的便携式地面铯磁力仪G822L、G858已GPS化、澳大利亚的Geo Instruments Pty公司将GPS天线放在直升机磁测系统的吊舱上,实时测出传感器的位置。可以预计在21世纪重磁仪器都将与GPS一体化。磁力仪在测总磁场异常时同时观测其水平及垂直梯度(全梯度),进行多参数综合解释,可以提高探测效果。如G858地面铯磁力仪(灵敏度0.01nT)可同时测量T其水平、垂直梯度,并配有GPS系统,这种多参数测量并与GPS一体化的仪器将是21世纪发展的方向。 结论与存在的问题勘查地球物理概论在找矿方面应用非常广泛，分别通过磁法勘探和重力勘探在找矿中都能取得一定的效果，但综合利用磁法勘探和重力勘探，找矿的效果更好，利用各自的特点能够相互辅助修正各自由于各种原因产生的误差，但是由于需要采集重力勘探和磁法勘探的数据，特别是通过传统方法，其工作量较大，后期大量的数据分析处理，都需要大量的时间、精力和财力。但随着科学技术的发展，数据采集和处理的方法将会越来越便捷和迅速。 本课收获与建议 综合学习了重磁电震各种原理和方法，以及他们各自在生产生活中的应用，特别是重磁法在找矿中的应用，通过撰写完这片论文后，对它的认识更加深刻，对它们的操作方法和数据处理方法都有了一定的了解，还有它们在其他方面的应用，比如在农业和森林防火方面，都可以利用重磁勘探的方法来得到相应的信息 对于本课的建议，我觉得老师可以采用多元化教学方式，不仅仅采用ppt讲解内容，还可以加入一点视频教学，实际例子的视频，学生对于这个还是难以抗拒的，设置可以在当堂完成的习题，引入国外著名大学的相应的教学视频等等，都可以提高课堂教学内容的丰富度，传