地球物理勘探_第2章_磁法勘探_4h课件

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1、第二章 磁法勘探,磁法勘探（Magnetic Prospecting）是以不同岩（矿）石间的磁性差异为基础，通过观测和研究天然磁场及人工磁场的变化规律，用以查明地质构造和寻找有用矿产的物探方法。 应用领域：主要用于地质填图、研究区域地质构造、寻找磁铁矿、寻找含有磁性矿物的各种金属和非金属矿床、勘查含油气构造及煤田构造、预测成矿远景区，以及直接研究油气藏等。,主要内容,主要内容 2.1 磁法勘探的理论基础 2.2 磁异常的地质解释及应用,2.1 磁法勘探的理论基础,主要内容 2.1.1 有关的磁学知识 2.1.2 地磁场及其变化 2.1.3 物质的磁性 2.1.4 磁异常的正、反演,2.1.1

2、有关的磁学知识,人类对磁现象的认识已有两千多年的历史。我国是发现磁铁最早的国家，早在春秋战国时期（公元前六、七世纪），管子.地数中就有“上有磁石者，其下有铜金”的记载。我国人民还最早发明了指南针并用于航海。 主要内容： 1. 基本磁现象 2. 磁偶极子的场 3. 磁现象的电本质 4. 磁学单位,1. 基本磁现象,人类早期对磁现象的认识限于磁极间的相互作用。 物体能吸引铁、钴、镍等物质的这种性质称为磁性，具有磁性的物体称为磁体，磁体两端磁性最强的区域称为磁极，两极中部磁性较弱的区域称为中性区。 磁极不能单独存在，总是成对出现。一根能在水平面内自由转动的条形磁铁或磁针静止下来时近似指向南北方向，指

3、向北方的一极称为北极（N极），指向南方的一极称为南极（S极）。,磁库仑定律,参照静电现象的研究引入“磁荷”的概念，磁荷也有正负，规定“正磁荷”聚集在 N 极，“负磁荷”聚集在 S极。并根据实验结果，建立了磁库仑定律。 磁库仑定律指出：两个点磁极间磁力与磁量的乘积成正比，与距离的平方成反比。即： 式中 和 分别表示两个磁极的磁量， 为从 到 的矢径， ，常数 。,磁场及磁场强度,磁极间的相互作用力是通过磁场传递的，磁场是磁力作用的物质空间。 在磁量为 qm 的点磁极的磁场中，单位磁荷在场中某一点所受的力就是该点的磁场强度： 式中 r 是从源磁荷到场点的矢径。SI 单位制中磁场强度的单位是安培/米

4、。 磁场是矢量场，一般用磁力线表示，其疏密程度正比于磁场强度。,磁力线示意图,2. 磁偶极子的场,由于正负磁极总是成对出现，不可分割，因而将其视为整体，称为磁偶极子或磁偶。描述磁偶极子的物理量是磁偶极矩： （SI单位：T.m2） （2.1.3） 和磁矩： （SI单位：A/m2） （2.1.4）,-qm,+qm,磁偶极子的磁标势,磁偶极子的磁标势： r+，r-分别是+qm，-qm到场点的距离。 设 r 为偶极子中心到场点的距离，当 r 2l 时 为径向 与轴向 的夹角,p,磁偶极子的场,磁偶极子的磁场强度： 在直角坐标系中： 在球坐标系中：,球极坐标系,地球磁场,3. 磁现象的电本质,磁荷是人类

5、根据磁现象和静电现象的对比引入的，至今尚未发现磁荷。 在研究磁本质的过程中发现了磁与电的相互关系，可用磁场对运动电荷或载流导线的作用描述磁场，并引入磁感应强度做为描述磁场的基本物理量： SI 制中，磁感应强度B的单位是特斯拉（Tesla），符号为 T 。,极化和磁化,在电流观点理论中，磁偶极子的场等效为元电流的场。磁场强度和磁感应强度是描述磁场性质的两个不同的物理量，二者是相互联系的。 放置于磁场空间的介质的分子电流将受到磁场的作用，导致介质分子电流的定向排列，呈现极化和磁化现象。,表磁介质的磁化,磁化与磁场,磁极化强度的定义是单位体积内的磁偶极矩： 磁极化强度的 SI 单位是 T 或 wb/

6、m2。 磁化强度的定义是单位体积内的磁矩： 磁化强度的 SI 单位是 A/m。 总的磁场强度 B 应为：,牛顿/安培2 或 韦伯/(安培.米) 或 亨利/米,磁化率与磁导率,引入描述介质被磁化难易程度的物理量：磁化率，定义式为： 由于 B 和 M 的量纲是相同的，所以磁化率 是一个无量纲的纯量。这样， 式中 称为介质的磁导率， 为真空中的磁导率， 称为介质的相对磁导率。 显然还有：,磁荷概念,在明确了电流是磁性的根源，“磁荷”概念是虚构的这一事实之后，我们还需要指出：磁荷观点与电流观点二者的计算结果是相同的。 由于用磁荷概念说明问题简单、直观、计算方便，因而在磁法勘探中还经常使用。与静电现象类

7、比，磁现象也引入了磁荷密度概念。 假想的磁荷体密度 SI制中单位是韦伯/米3或安培.亨/米3。,磁荷面密度,在均匀磁化介质内部因正负极抵消而不显示磁荷，只在其表面显示磁荷。 假想磁荷面密度 SI制中单位是韦伯/米2或安培.亨/米2。,磁荷面密度与磁极化强度的关系,4. 磁学单位,现代物理学根据电流的磁效应建立了正在推广的国际单位（SI）制，磁场强度的单位是安培/米，磁感应强度的单位是特斯拉（T）。在 CGSM 制中，二者的单位分别是奥斯特和高斯。换算关系为： 磁场强度： 1 奥斯特= 安培/米 磁感应强度：1高斯= 10-4 特斯拉 实际生产中使用磁场强度的分数单位：伽马（ ）和磁感应强度的分

8、数单位纳特（nT），相互关系是：,2.1.2 地磁场及其变化,存在于地球周围的具有磁力作用的空间，称为地磁场。地磁场是矢量场，分布在从地核到空间磁层边缘的空间。磁法勘探利用地磁场的空间变化实现研究地下构造的目的。 主要内容： 地磁要素 地磁场的组成 正常场和磁异常 地磁测量和地磁图 地磁场随时间的变化,地球磁场,1. 地磁要素,地磁场是矢量场，研究中令 x 轴指向地理北，y 轴指向地理东，z 轴铅直向下，地磁场 T 分解为：北向分量为 X，东向分量为 Y，垂直分量为 Z。 T在 xoy 面内的投影为水平分量 H，H 的方向即磁北方向，H 与 x 的夹角（即磁北与地理北的夹角）为磁偏角 D（东偏

9、为正），T 与 H 的夹角为磁倾角 I（下倾为正）。 X、Y、Z，H、D、I，T 统称为地磁要素。,地磁场的坐标系,各地磁要素之间的关系,X、Y、Z 对应于直角坐标系，T、D、I 对应于球坐标系，H、D、Z 对应于柱坐标系，完整描述只需要其中的一组。 各要素间以及与总场的关系如下：,地磁场的坐标系,2. 地球磁场的组成,地磁场可分为稳定磁场 Ts 和变化磁场 ，二者又可进一步分为内源场和外源场两部分，即： 源于地球内部的稳定磁场 Tsi占稳定磁场的99%以上，外源的Tse不到1%。 源于地球外部的变化磁场 约占变化磁场的2/3，内源的 约占变化磁场的1/3，而且也是由地球外部电流感应而引起的。

10、 一般情况下，变化场为稳定场的万分之几到千分之几，偶尔可达到百分之几。,地球磁场的组成,通常所指的地球稳定磁场主要是内源稳定场，由三部分组成， T0表示中心偶极子的场，约占总磁场的80-85%，代表了地磁场空间分布的主要特征；Tm表示非偶极子磁场，也称大陆磁场或世界异常，T0与Tm这两部分磁场之和称为地球的基本磁场。 Ta表示地壳内的岩石矿物及地质体在基本磁场的磁化作用下所产生的磁场，称为地壳磁场。,3. 正常场和磁异常,在地学研究中，基本磁场为正常场，地壳磁场为异常场或磁异常。磁法勘探中，地壳磁场是地质构造研究和矿产资源调查的重要研究对象。 通常情况下，正常场和异常场是相对的，正常磁场可以是

11、磁异常（所要研究的磁场）的背景场或基准场，以便有效地提取研究对象所激发的磁场变化。 在弱磁性地层中圈定强磁性岩体或矿体时，弱磁场为正常背景。 在磁性岩层中圈定非磁性地层时，磁性岩石的强磁场为正常场。,4. 地磁测量和地磁图,地磁场是随空间和时间而变化的，野外磁测结果同时包含了地磁场随空间和时间的变化，为更好地了解地磁场的空间分布特征，需要把观测数值归算到某一特定的时间，国际上一般将此时间选在1月1日零点零分，这一步骤称为通化。 经过通化后的地磁场各要素的空间分布图称为地磁图。全球范围的地磁图一般是基本磁场的分布图，称为国际地磁参考场（International Geomagnetic Refe

12、rence Feild）。 根据地磁要素随时间变化的观测资料，可求出相应要素在各地的年变化平均值，编制出相应年代的地磁要素的年变率等值线图。,1980.0年代地磁场总强度（单位:T）,总强度等值线与纬度线近似平行，在磁赤道附近强度约为3040T，随纬度的升高，强度逐渐增大，到两极约为6070T。,1980.0年代地磁场垂直分量（单位:T）,垂直分量等值线与纬度线近似平行，在磁赤道附近强度为零，随纬度的升高，强度逐渐增大，到两极约为6070T，南半球为负，北半球为正。,1980.0年代地磁场水平分量（单位:T）,水平分量等值线与纬度线近似平行，在磁赤道附近强度约为3040T，随纬度的升高，强度逐

13、渐减小，到两极减小为零。,地磁要素等值线图（IGRF2000，单位:T）,说 明： 各强度等值线与纬度线近似平行； 总强度在两极为赤道的两倍； 垂直强度在赤道近于零，向两极增强，北半球为正，南半球为负； 水平强度在两极弱，赤道强。,地磁要素等值线图（IGRF2000，单位:度）,说 明： 倾角等值线与纬度线近似平行，从南极区的-90度向北增加，到北极区的90度，赤道附近为零； 偏角等值线总体趋势与经度线一致，明显汇聚于南北两个极区，有地理南北极和地磁南北极四个汇聚点。,地磁场的总体特征,地磁场的总体特征，如有两个磁极，磁极处的磁场强度约等于磁赤道处强度的两倍，及地磁场的强度等值线大致与纬度线平

14、行等，说明地磁场与一个磁偶极子的场相似。 现代地磁场可用一个磁心位于地心，磁轴与地理轴夹角为 11.5，磁矩约等于 7.91022A.M2 的磁偶极子的场拟合，称该磁偶极子为地心偶极子。,大陆磁场的基本特征,世界地磁图上的等值线不是均匀分布的，甚至在某些地区形成闭合圈。从世界地磁图中减去偶极子的场 T0 所得的差值即为非偶极子场。 由非偶极子场的垂直强度分量可见，全球有几个大的正负异常，其中有四个明显的磁异常分别与东亚、南极大陆、西非和大洋洲等大陆吻合得较好，故非偶极子场又称为大陆磁场，符号为 Tm。,1980.0年代大陆磁场垂直分量（单位:T）,5. 地磁场随时间的变化,地球磁场随时间的变化

15、可分为内部场源缓慢变化引起的长期变化场，另一类主要是起因于地球外部场源的短期变化场。主要是通过各地的固定台站长期的、连续的观测来进行研究的。 由于人类从事磁测的历史较短、分布范围有限，对更长周期变化场的研究有较大的限制，通常采用古地磁学和考古磁学等方法技术，可追索得到古代地磁场的长期变化场的资料。 古地磁的研究发现，在地质历史中，地球磁极多次发生倒转。地球磁矩变化具有明显的波动形式，可分出很多周期，7-8千年是最基本的周期。,地磁场的长期变化,大量地磁台站的观测结果表明，近代地磁场的长期变化有两个全球性的特征：一是偶极子磁矩正在衰减，导致地磁场强度衰减速率约为1020nT/a，二是非偶极子的场

16、正在向西漂移，且是全球性的，但快慢不同，平均约0.2/a。 1835年，高斯计算地球磁矩值为 8.51022Am2，1960年算得的地球磁矩值为 8.01022Am2，在此期间减弱的速率约为每年0.05%。这种现象揭示了地球磁极倒转的征兆。,1845年德国数学家卡尔高斯开始记录地球磁场数据，与那时相比，今天的磁场强度减弱了近10左右。,地球主体磁场的变化（1590-1990）,地磁场的短期变化,地磁场的短期变化主要起因于固体地球外部的各种电流体系。按其特征也可分为两类： 一类是按一定的周期连续出现，平缓而有规律，称为平静变化。地磁场的平静变化主要指地磁日变。 另一类则是偶然发生、短暂而复杂、强弱不定、持续一定的时间后就消失，称为扰动变化。地磁场的扰动变化又分为磁暴和地磁脉动两类。,