第二章 磁法勘探.ppt

第二章磁法勘探 利用地壳内各种岩 矿 石间的磁性差异所引起的磁场变化 磁异常 来寻找有用矿产资源合查明隐伏地质构造的一种物探方法 应用领域 探矿 地热资源 水文 管线及电缆探查 沉船 考古 环境等等 第一节磁法勘探的理论基础 一 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 r F F 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 r 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 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 9T 在CGSM单位制中 用 伽傌 为磁场强度的单位 两种单位制之间的关系为 1 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 称为磁偶极矩 方向由负磁极指向正磁极 l 2 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 3 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 磁极化强度 J 单位体积的总磁偶极矩 在SI单位制中与m J与M之间的关系 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 由右图可见 若把小圆柱体看成磁偶极子 则有 l s l 另外由J的定义得 J V J s l sin J s l cos J cos J oM n n 5 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 HM的方向与H的方向一致 磁化率 表示物质被磁化的难易程度 6 M与 的单位 M 在SI单位制中 A m 在CGSM制中 CGSM 关系为 1A m 10CGSM 3 在SI单位制中 SI 在CGSM制中 CGSM 关系为 二 地球的磁场 存在地球周围的具有磁力作用的空间 称为的磁场 一 地磁场的构成 地磁场 B 稳定的磁场 内源场 偶极子磁场 BsN 非偶极子场 Bm 磁异常 Ba 基本磁场 B0 变化的磁场 B 外源场 长期变化的磁场 短期变化的磁场 静日变化 扰动变化 其中 二 基本磁场 y z N I x O 地理东 磁北 地理北 在三个坐标轴上的分量分别为 北向分量 东向分量 垂直分量 上述各分量的方向与相应坐标轴的方向一致为正 反之为负 水平分量 方向指向磁北 I 磁倾角 矢量B下倾 I为正 矢量B上倾 I为负 1 地磁要素 D 磁偏角 矢量H东偏 D为正 矢量H西偏 D为负 D 由图可见各分量间的关系为 X H cos D Y H sin D tgD Y XZ B sin I H B cos I tgI Z HH X Y B X Y Z 地磁绝对测量中 通常测定I D H三要素的绝对值磁法勘探则是测定Z或B的相对值 上述的B X Y Z H I D各量都是表示地磁场大小和方向的物理量 称为地磁要素 2 地磁图及地磁要素分布的基本特征 1 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 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Z 0 以南Z 0 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 零倾线在地理赤道附近 称为磁赤道 它不是一条直线 磁赤道向北倾角为正 向南为负 等偏 D 线图 特征 从一点出发汇聚于另一点的曲线簇 明显地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 地磁场的基本特征 地球有两个磁极 地磁场与一个均匀磁化的球体 或位于地球中心的一个磁偶极子 的磁场很类似 一个在地理北极附近 称为磁北极 S极 I 90 一个在地理南极附近 称为磁南极 N极 I 90 磁轴与地理的轴不重合 交角为11 5 地磁场是一个弱磁场 平均强度为50000nT 且是基本稳定的磁场 3 非偶极子磁场 大陆磁场或世界磁异常 由图可见 全球非偶极子磁场围绕着几个正 负中心分布 分布的范围很大 延伸可达数千公里 大陆异常的原因目前还没有明确的答案 但大多数学者认为起源于深部原因 如地幔和地核界面的局部物质对流运动所形成的涡旋电流产生的 周期长 周期为年 几十年或更长 变化缓慢 地球磁场的西向漂移 如大陆磁场中心 磁倾角等的西向漂移 1 长期变化的磁场 三 变化的磁场 基本磁场随时间的缓慢变化 称为地磁场的长期变化 特点 叠加在基本磁场上的变化场 是指随时间变化的磁场 从它们的特征和成因来说 总体分为两大部分 地球磁矩的衰减变化 由于长期变化的周期长 幅值小 故在磁法勘探中可不考虑长期变化的磁场 2 短期变化的磁场 是指主要起源于固体地球外部的各种电流体系产生的磁场 1 平静变化 日变化 连续出现的 比较有规律且有一定周期的变化 特点 以24小时为周期的变化 按其变化特征可分为两类 2 扰动变化 偶然发生的 短暂而复杂的变化 强度大的磁扰动变化 称为 磁暴 特点 变化剧烈 强度可达几百 上千nT 无规律 持续时间为几小时 几天 同一磁纬度的不同地点 日变化变化形态及幅度相同 同一地点 不同日期 则日变化变化不相同 白天变化大 夜间变化小 夏季变化大 冬季变化小 四 磁异常 Ba 消除了各种短期变化的磁场后 实测地磁场与基本磁场之差值 称为磁异常 即 场源 地壳中被地磁场磁化了的岩石 岩体 矿体或地质构造 区域异常 局部异常 场源 范围较大的深部磁性岩 矿体及地质构造 特征 异常分布范围较大 幅值小 变化平缓 场源 范围较小的浅部磁性岩 矿体及地质构造 特征 异常分布范围小 强度大 变化陡 异常 五 磁法所观测的磁异常 按观测要素的不同 磁异常有不同的名称 即 垂直磁异常 测定垂直分量的相对变化 总磁场强度异常 测定总磁场强度的相对变化 三 岩石矿物的磁性 磁测应用前提条件 磁化率 剩余磁化强度 Mr 感应磁化强度 Mi 磁铁矿 沉积岩 高 低 磁化率 k 感应磁化强度 Mi 岩 矿石被现代地磁场磁化后 所获得的磁化强度 其方向与地磁场方向一致 天然剩余磁化强度 Mr 岩 矿石形成时 被当时地磁场磁化后保留下来的磁化强度 剩余磁化强度与现代地磁场无关 其方向与岩矿石形成时的地磁场方向一致 磁化率 表示物质受磁化的难易程度 无量纲的物理量 岩 矿石的磁性 反磁性矿物 磁化率 很小 一般为10 5SI 常见矿物有 岩盐 石膏 方解石 石英 大理石 石墨 金刚石及长石 顺磁性矿物 10 3SI 常见矿物有 黑云母 角闪石 辉石 蛇纹石 及石榴子石等 铁磁性矿物 及Mr都很大 常见矿物有 磁铁矿 钛磁铁矿 磁赤铁矿 磁黄铁矿等 岩石的磁性主要由这一类矿物来决定 岩 矿 石磁性的一般特征 火成岩 由酸性 中性 基性 超基性 磁性由弱 强 同一成分的火成岩其磁性不同 喷出岩磁性 侵入岩磁性 不同时代的同一成分火成岩其磁性不同 年代新的磁性 年代老的磁性 具有明显的天然剩余磁性 火成岩磁性 变质岩磁性 沉积岩磁性 变质岩 正变质岩磁性 负变质岩磁性 层状结构的变质岩 往往具有磁的各向异性 即顺着层面方向的磁化率大于垂直层面方向的磁化率 沉积岩 及Mr都很小 磁性很弱 通常认为它是无磁性 非金属矿 磁性很弱 可视为无磁性的 金属矿 除前述的磁铁矿 钛磁铁矿 磁黄铁矿 方黄铜矿及磁赤铁矿具有强磁性外 其它绝大多数金属矿亦可看成是无磁性的 1 铁磁性矿物含量 含量越高 岩石磁性越强 但并不呈简单的线性关系 2 铁磁性矿物颗粒大小及结构 当铁磁性矿物含量一定时 颗粒越大 磁性越强 当磁性矿物颗粒大小 含量都相同时 颗粒相互呈胶结状者比颗粒呈分散状者磁性强 影响岩 矿石磁性的因素 当磁性体为有限体时 被地磁场磁化后 在磁体内部要产生一个与外磁场相反的磁场 称为消