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1、物理在矿业生产中的应用,宇宙之大 粒子之小 物理无处不在,岩层磁性法测量,2,物理在矿业生产中的应用,绪论采矿物理学概述 绪论矿山压力概述 矿山压力与变形测量 重力测量 岩层电阻率法测量 岩层激电法测量 岩层充电法测量 岩层自然电位测量 岩层瞬变电磁法测量 岩层磁性法测量,目 录,岩层电荷感应测量 岩层电磁辐射测量 岩层声波法测量 岩层声发射法测量 岩层地震法测量 矿山微震测量 岩层雷达波法测量 放射性法测量 综合检测（煤、瓦斯突出等灾害） 21世纪地球物理学发展趋势,3,一 理论基础 二 磁力仪 三 磁法探测,岩层磁性法测量,4,理论基础磁场、磁场强度概念,磁场：凡是一根磁棒在其周围显示有磁
2、力作用的空间，这个空间，称之为磁场。 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磁荷所受的力。,6,2.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，其方向即为该点所受F的方向。 对磁介质内部的磁场，通常以磁感应强度B描述场的分布。若以H表示场源磁场，则有B = H =0H+0H 式中: 介质的磁导率；0真空的磁导率； 真空的磁化率。,磁场、磁场强度概念,7,3.磁偶极子的磁场 两个磁荷相等、符号相反，其距离2非常小的磁极，称为磁偶极子。 高斯第一位置：r,
3、磁场、磁场强度概念,8,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11.5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）。,地磁轴,地理轴,地磁场、地磁要素、地磁图、地磁场随空间及时间的变化地磁场,9,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，以H表示，方向指东为正，反向为负。H和T的夹角为磁倾角，以I表示。当T向下倾时，I角为正，T向上倾时，I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
4、磁子午线与地理子午线的平面夹角，称为磁偏角，以D表示，磁子午线偏向地理子午线之东，D为正值，反之为负值。,地磁要素,10,水平分量H在X轴和Y轴上的分量，分别称为北向分量和东向分量，分别以X、Y表示。T、Z、H、I、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：,地磁要素,11,1980年世界地磁场垂直分量等值线平面图,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。,(单位为T),地磁图,12,1980
5、年世界地磁场等偏线平面图,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67万nT。因为在两极地区，T=Z，故强度也相当。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34万nT，向两极逐渐减小，在两个极点场值为零。强度方向除两极外，均向北。,(单位为),地磁图,13,我国T、Z向北的变化率分别为： T ：2627 nT/， Z： 2021nT/， 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= -20-26 nT/， Z= -20-23 nT/， H= -13 -1
6、5 nT/。 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。,地磁场的空间变化,14,表2-1 我国各地地磁要素,地磁场的空间变化,15,1.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。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。,地磁场随时间的变化,16,2.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。,地磁场随时间的变化,17,地磁场随时间的变化,3.地磁场的短期变化 来自外源磁场引起
7、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； 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，表现为以一个太阳日为周期的变化，称作日变。 另一类是磁扰和磁暴。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。,18,由于局部磁场是迭加在更大级次的磁场上的，为突出研究局部磁场，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。,地磁异常图,磁异常,19,凡是原来不具有磁性的物质，在外磁场作用下具
8、有了磁性，这种现象就叫磁化。,物质的磁化、磁化强度和磁化率、岩石的磁性物质的磁化,20,1.磁距 表示磁性体整体体积磁性的一个物理量(磁距的方向是由S极指向N极)。 2.磁化强度定义为单位体积的磁矩，则有M= m/V，V为物体体积。单位体积磁距的大小，反映物质的磁化程度。M的单位：安/米（1安/米=10 3 C.G.S.M）。 3. 面磁荷密度与磁化强度的关系 磁体单位面积的磁荷量称为面磁荷密度()。对于磁化均匀的圆柱体而言，垂直拄体顶底面的磁化强度M与面磁荷密度相等。,磁化强度与磁化率,21,4. 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
9、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。 5.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k成正比关系，即Mi=kT，k值大，M也相应增大。k无量刚，但在旧制中以10-6 C.G.S.M（k）作最小单位，与S制的关系是1S（k）=1/4C.G.S.M（k）。,磁化强度与磁化率,22,岩矿石的磁性,岩矿石的磁性是产生磁异常的物理机制。 1.矿物的磁性 抗磁性 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
10、场方向相反的磁矩，磁化率是负的。 顺磁性 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。 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。,23,几种常见矿物的磁化率,1.矿物的磁性,岩矿石的磁性,24,1.矿物的磁性 铁磁性 有极强的磁化率。如铁、镍、钴、磁铁矿、赤磁铁矿、磁黄铁矿等。 磁滞曲线 右图中，当外磁场H增加或减小时，铁磁性物质的磁化强度的变化曲线为A-B-C-D-E-F-A。它表明铁磁性物质的磁化强度随磁场变化呈不可逆性。 剩磁 当去掉外磁场作用时，铁磁性物质所具有的磁性。,岩矿石的磁性,25,2.岩石磁性
11、（1）决定岩石磁性的因素 主要决定于所含磁性矿物的多少。其次有：与磁性矿物的分布状态有关。 （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。,岩矿石的磁性,26,在地磁场中，岩浆岩在冷却后获得的剩磁称热剩磁；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磁；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磁。 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
12、，剩磁研究已发展成为一门学科古地磁学。,岩石剩磁的成因,27,Cs2-61型悬丝式垂直磁力仪,WCL-1质子磁力仪,测量参数: 总场,测量参数: 垂直磁场,磁力仪、工作方法和成果常用磁力仪名称及其所测量的物理量,28,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210），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。,悬丝式垂直磁力仪基本工作原理,29,(一)平衡系统,设计N极端短一些，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
13、动一个角度后，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。,悬丝式垂直磁力仪基本工作原理（续1）,30,图2-11 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,物镜,凹透镜,(二)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
14、止后，标线尺图像就与刻度尺重叠, 此时就可以读数了,悬丝式垂直磁力仪基本工作原理（续2）,31,(三) 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。工作前首先要测定仪器的格值。 格值仪是测定磁力仪格值的专用设备。由格值线圈及电流控制装置等两部分组成。 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。,悬丝式垂直磁力仪基本工作原理（续3）,32,(四) 扭鼓 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
15、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。,悬丝式垂直磁力仪基本工作原理（续4）,33,（一）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，由此可知，我们只要测得其旋进频率（f）
16、就可测得T,因此磁力仪就是一个频率测定器。,WCZ-1质子磁力仪工作原理简介,34,WCZ-1质子磁力仪工作原理简介（续1）,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（H0T）, 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。,35,WCZ-1质子磁力仪工作原理简介（续2）,（二）仪器操作方法简介 仪器面板简介 WCZ-1 质子磁力仪由四部分组成，分别为主机、传感器、探杆、测量线。 主机: 为带有显示、键盘及插座的长方铝合金箱。在主机的左边中部有一4 芯插座为传感器信号输入插座。在主机面板右上方有一充电、USB 及GPS 接口9 芯插座,仪器面板左边为液晶显示屏，在靠近屏幕右边处有五个黄色的按键，这五个按键为功能键，操作时的功能为屏幕显示按钮中所标注的功能。,
