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普通物探第二篇磁法勘探讲课教师刘展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。2、发展史磁法勘探是应用最早的地球物理方法。1610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；1870年，瑞典人泰朗(Thaleo)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)制成刃口式磁秤，大大提高了磁测精度；1936年，前苏联人阿.阿.罗加桥夫试制成感应式航空磁力仪，使磁法工作进入了一个新的阶段；50年代末和80年代初，苏联和美国又相继把质子旋进式磁力仪移装于船上，开展了海上海洋磁测。我国的磁测工作开始于30年代，直至解放前，仅停留于科学试验阶段；解放后得到了快速发展，航磁已广泛应用于生产。前言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。地而磁测应用最早，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。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。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－D4、地磁场的基本规律(1)地球有两个磁极，分别位于地理南北两极附近。在1980年的世界地磁图上，北磁极位于78.20N，102.90W；南磁极位于65.60S，130.90E，在南、北两磁极处，磁倾角I分别为±900，垂直强度Z有最大值、水平强度H为零、磁倾角D没有确定值。(2)水平强度(H)在地表上任何一点(除两磁极点外)都指向北。垂直强度(Z)在北半球指向下，为正值；在南半球指向球外(向上)，为负值。说明地球磁极位于北半球的是S极，位于南半球的是N极。(3)地球南北两磁极处的总磁场强度为0.6－0.7奥斯特，在磁赤道处的总强度为0.3－0.4奥斯特，前者约为后者的两倍，磁倾角随磁纬度按一定关系变化。这些特征和均匀磁化球体或中心偶极的磁场分布特征基本一致。(4)南磁极和北磁极与地球的地理南、北两极并不重合，可以认为是地球中心磁偶极子轴与地球转轴相斜交。根据以上的规律，可以认为地球基本磁场的模式是一个位于地球中心并与地球转轴斜交的磁偶极子的磁场。磁轴和地轴斜交1.50的中心偶极子场与地磁要素分布吻合的最好。地球磁偶极子场非偶极子磁场垂直分量（5）在偶极子场叠加有非偶极子的场（6）磁极位置在缓慢移动在约五亿年期间，古地磁极移动了约900，即平均每年移动2厘米。人们还发现，根据不同地块的岩石标本所确定的古地磁极迁移轨迹是不同的，这说明各地块的相对位置在不同地质时代变化很大，这就从古地磁方面提供了大陆漂移的证据。地质时代古地磁极的迁移轨迹研究意义中国地磁图－T5、中国地磁场的基本特征中国地磁图－Z中国地磁图－H中国地磁图－I中国地磁图－D由我国编制的中国地磁图表明有以下特点：1.垂直强度由南至北，Z值由-0.10奥增至0.56奥，Z值在我国境内的最大变化在0.6奥以上；2.水平强度由南至北，H值由0.4奥降至0.21奥，H值最大变化在0.13奥以上；3.磁倾角由南至北，I值由-100增至+700，I值最大变化在800以上；4.磁偏角的零值线在我国中部偏西由北向南通过，经过甘肃省的安西和西藏自治区的得宗。零偏线以东，偏角度变化由00至－110(磁北西偏)，零偏线以西，偏角变化由00至＋50。我国境内地磁要素的地理分布第三节地磁场的解析表示1．磁偶极子的磁位如图所示，m和－m表示磁偶极子的两个磁极强度；2l表示它们之间的距离；p表示任一空间点，它与偶极子中心O以及两磁极间的距离分别为r、r1和r2；M表示磁偶极子的磁矩，其大小为：M＝2ml，方向由-m指向m。磁偶极子在p点的磁位U等于其正负两磁极分别在该点的磁位U+m及U-m之和，可表示为：1、磁偶极子的磁位泰勒级数展开2、地磁场的解析磁场表达式2、地磁场的解析表达式3、地磁场的垂向和水平梯度第四节地磁场随时间的变化一、地磁场的长期变化二、地磁场的短期变化地磁场的短期变化基本上可以分为两种类型。一种变化是连续出现的、比较有规律并有确定周期的变化；另一类变化则是偶然发生的、短暂而复杂的变化。这两种类型的变化主要来源于地球外部的不同原因。前者称为平静变化，来源于电离层内长期存在着的电流体系的周期性变化。后者称为扰动变化，由于磁层结构、电离层中电流体系、太阳辐射等变化所引起。1、太阳静日变化2、扰动变化（1）磁暴（2）地磁场的微脉动第五节地磁场的结构和磁异常1、地磁场的构成T=T0+Tm+Ta+δTT0:中心偶极子磁场，也称均匀磁化地球的磁场；Tm:大陆磁场或世界异常；Tm＋T0:地球基本磁场；Ta：异常场或磁异常；δT:变化磁场，主要是外源变化磁场。2、正常场和磁异常（1）正常场可以认为是磁异常（即所要研究的磁场）的背景或基准场。（2）磁异常由研究对象的磁性所引起的磁场。正常场和磁异常是相对的。一、物质的磁化第二章岩矿（石）的磁性第一节物质的磁性二、物质的磁性1、磁化率试验表明，同一物质磁化强度与磁化磁场成正比，即：J=ΧT比例系数χ叫做物质的磁化率，它表示物质磁化的难易程度，χ值越大，说明越易磁化。2、抗磁性：χ＜0的物质。3、顺磁性：χ＞0的物质。4、铁磁性物质（1）磁滞回线；（2）剩余磁化强度Jr。5、居里温度据实验资料表明：介质的磁化串和温度之间有如图所示的关系曲线，从图可见，磁化率随着温度的增加而增大，当温度达到一定值时，磁化率急剧下降，直至到零，这时的温度称为居里点。利用这一性质可以求地壳的磁性下界面，了解地壳的地温变化。第二节岩矿（石）的磁性一、岩矿（石）磁性的组成二、岩(矿)石的剩余磁化强度1．热剩磁在外磁场作用下，磁性物质由高温冷却到一般温度后保留下来的磁化强度值。这类剩磁强度很大，且特别稳定，是岩浆岩剩磁的主要生成方式。岩浆岩的剩磁一般都大于感磁，剩磁的方向也大多与现代地磁场不一致，甚至反向。2．碎屑剩磁岩浆岩风比后，其中磁性矿物颗粒在沉积过程中受当时地磁场作用定向排列而成，是沉积岩剩磁的主要生成方式。3．化学剩磁岩石形成后，在温度远低于居里点的情况下，受到化学作用产生的铁磁性物质在当时地磁场作用下形成的。它是变质岩剩磁的主要生成方式。4．等温剩磁它是在正常温度下，岩石中的磁性物质受外磁场短期磁化形成的。5．粘滞剩磁岩石被古代地磁场磁化后，又经现代地磁场磁化所形成的一种次生剩磁。三、岩(矿)石的磁性三、岩(矿)石的磁性三、决定岩石磁性的因素第三章磁法勘探仪器与工作方法第一节质子旋进式磁力仪质子旋进磁力仪是根据煤油、水、酒精等含氢原子溶液中氢原子核(质子)在地磁场中产生一定频率的旋进作用制成的。1、质子旋进现象在溶液中氢的原子磁矩，在无外磁场作用时，它们任意指向。当氢溶液处于地磁场T中时，这些原子磁矩在T的作用下，将各自沿着T的方向排列。当在近于垂直地磁场T的方向施加约50奥斯特的人工磁场时，由于这一磁场远远大于地磁场，则原沿地磁场方向的质子自旋轴都转至磁化磁场方向。当切断电流，使人工磁场突然消失，氢质子则在原有的自旋惯性力及地磁场力的共同作用下，各自以相同的相位绕地磁场方向进动。这种现象称为质子旋进，也称核子旋进。由上式可知，地磁场的大小与质子在其中发生旋进的频率f成正比。这样就把对地磁场的测量变为对旋进讯号的频率的测定。2、质子旋进磁力仪的工作原理为了使测量