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1、磁法勘探 第一节 理论基础,2.1.1磁场，磁场强度及单位 一、磁场、磁场强度及其单位 磁力：磁铁相互之间有同性相斥、异性相吸的性质。不论是吸引或排斥，都显示有力的作用存在，这个力称为磁力。 磁场：凡是一根磁棒在其周围显示具有磁力作用的空间，这个空间，称之为磁场。 磁性体不论大小，在其周围空间或大小都会产生相应范围的磁场，即有源必有场，有场必有源。,磁力线：磁力线方向从N极出发回归S极。 磁力线越密集，磁场强度越强，磁场强度方向为某点北磁极的受力方向。 条形磁铁两端附近磁场强度最强，中间处最薄弱，而且随着距离的增加磁场强度逐渐减弱。,.磁库仑定律 磁库仑定律：两个点极间的斥力（或吸力）F与两点
2、极的磁量的乘积成正比，与两点极间距离的平方成反比。 图2-1 点磁距的相互作用,即： 此处F是指在真空中的力。 真空中的导磁率0 = 410-7 享/米。,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（N极）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，其方向即为该点正磁荷所受力F的方向。,S,I,N,3、磁感应强度,通电导线在磁场中受力的大小： F=ILB I:电流的大小 L：磁场中导体的长度 B：磁感应强度 表达式B=F/IL 磁场强度和磁感应强度都表示磁场的强弱，本章中大多数地方指的都是磁感应强度。,4、磁
3、场强度的单位 在SI国际单位制中 磁感应强度的单位是T(特斯拉） 1T(特斯拉)= 109nT(纳特) 在高斯单位制(CGSM)中，磁场强度的单位是奥（Oe）： 1Oe(奥） = 伽玛 1伽玛=1纳特 1=1nT （实用单位）。 磁偶极子：两个磁荷相等、符号相反，距离2非常小的磁极，称为磁偶极子。（相对于研究的点磁铁的长度2L很小时）,2.1.2.1地磁场、地磁要素、地磁图、磁场随空间及时间的变化 一、地磁场 地磁场：在地球内部及其周围具有磁力作用的空间。 地球是个大磁体，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1144，人们已
4、经实测的磁北极位于北纬72、西经102 （加拿大北部），磁南极位于南纬68 ，东经146 （南极洲）。,2-4 地球磁场图,二、地磁要素（先引入力的解，及水平分量的投影） 用在直角坐标系中的分量和方向角来表示地磁场强度T 。直角坐标系是以观测点为坐标原点X指向地理北，y轴指向东，z轴垂直向下。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H，水平分量H又可分为北向分量X和东向分量Y。H和T的夹角为磁倾角。当T向下倾时，角为正，T向上倾时，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，该点磁子午线与地理子午线的平面夹角，称为磁偏角D。磁子午线偏向地
5、理子午线之东，D为正值，反之为负值。,T、Z、H、 、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： 三、地磁图 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。,总场强度T在磁南北极最大，其值为60000nT70000nT。在磁赤道处其值最小，约为30000nT40000nT,从磁赤道到磁南北极磁场强度T逐渐变大，等值线基本与纬向平行。,图2-6 世界地磁场垂直分量等值线平面图（单位为度),图2-7 世
6、界地磁场等偏线平面图（单位为度）,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6万7万nT。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3万4万nT，向两极逐渐减小，在两个极点，场值为零。,2.1.2.2地磁场、地磁要素、地磁图、磁场随空间及时间的变化 一、地磁场的空间变化 在我国广大地区，I、T、Z、H等值线几乎是沿磁纬度线均匀分布的，其最大梯度方向是子午线方向。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
7、度的增加是不断衰减的： T= -20-26 nT/， Z= -20-23 nT/， H= -13 -15 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。,二、地磁场随时间的变化 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。由于地壳岩石磁性差异和分布不均引起的地壳磁场，又称区域磁场。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。,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。
8、对于小范围的磁法勘探而言，此变化可忽略不计。 3.地磁场的短期变化 来自外源磁场引起的短期变化分两类：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；表现为以一个太阳日为周期的变化，称作日变。,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，如磁扰和磁暴。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。,三、磁异常 由于局部磁场是迭加在更大级次的磁场之上的，为了突出研究局部磁场，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
9、正常场，Ta则称为异常场。 在磁法勘探中，我们把由于地下地质体引起的磁场强度的变化称为磁异常。,磁异常是个相对的概念，若我们在寻找石油构造时，往往是寻找数十数百平方公里的磁场，此时它们的区域背景场为To+Tm。而数平方公里以内的局部场就成为干扰场。如果要找脉状金刚石原生矿时，数平方公里的局部异常又可能成为它的背景场。,图2-9 河北某地磁异常图,2.1.3物质的磁化、磁化强度和磁化率、岩石的磁性,一、物质的磁化 凡是原来不具有磁性的物质，在外磁场作用下具有了磁性，这种现象就叫磁化。 铁棒被磁化的原因，是其内部固有的杂乱无章排列的磁分子，在外磁场作用下，沿着磁化方向作定向排列，此时,在磁棒两端就
10、有磁荷分布。若磁铁N极靠近铁棒的情况下，则铁棒的靠近端集中负磁荷，另一端集中等量的正磁荷。物质的磁化，与物质内部原子中的电子运动有关，电子的自旋和轨道旋转，都产生各自的磁矩。,由于物质内部无数的电子环形电流所产生的磁矩方向是杂乱无章的,故总体没有磁性。在外磁场作用下，电子自旋或轨道运动方向都会定向排列，使产生的磁矩方向与外磁场的磁化方向趋于一致。物质由此而显出磁性。这是一种感应磁化。,二、磁化强度与磁化率 磁化强度(M) ：表示物质被磁化程度的物理量。 分为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化强度(Mi表示)。有些磁性物质具有的磁
11、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。,2、磁化率 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的大小与成正比关系，即Mi=T， 值大，M也相应增大。 无量刚。,三、岩矿石的磁性 1.矿物的磁性 抗磁性 k=- 矿物原子内电子成对出现，自旋磁矩相互抵消。在外磁场中，获得与外磁场方向相反的磁矩，磁化率是负的。如金、银、铜、碳、水、煤油、石墨、石膏、石英、惰性气体等 。 顺磁性 K= 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
12、，这种特性叫顺磁性。在外磁场中，获得与外磁场方向相同的磁矩，磁化率是正的。如铂、铝、石榴子石，辉石，黑云母、电气石、稀土金属等。,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。 铁磁性 有极强的磁化率k=0.0110。如铁、镍、钴、钆及其合金。 铁磁性矿物又可分为： （1）纯铁磁性物质：地球表面很少（存在于陨石、月岩中）。 （2）亚铁磁性物质：如磁铁矿，钛铁矿等铁的氧化物或硫化物。 （3）反铁磁性物质：如赤铁矿。,表2-2抗磁性与顺磁性磁化率对比,3、居里点 铁磁性物质当温度升到一定值后，可转变为顺磁性，反之亦然，所以它们磁性的归属依赖于温度。当温度增加到某一定值时，铁磁性物质磁
13、化率迅速消失，那么这个消失点的温度值，称为居里点。当温度下降到居里点以下时，磁化率又会不同程度的恢复，基本恢复者为可逆型，否则为不可逆型。磁铁矿、赤铁矿的居里点温度为560580度，磁黄铁矿的居里点温度约为300度。,2.岩石磁性 （1）决定岩石磁性的因素 主要决定于所含磁性矿物的多少。 其次与磁性矿物的分布状态有关，胶结状比颗粒状磁性强。 还受挤压变形程度有关，挤压变形越严重，剩磁越小。 （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
14、变质前的原岩磁性以及变质的程度。,3、岩石剩磁的成因 在地磁场中，岩浆岩在冷却后获得的剩磁称热剩余磁性；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余磁性；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余磁性。 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，剩磁研究已发展成为一门学科古地磁学。,第二节 磁力仪、工作方法和成果图示 2.2.1常用磁力仪及所测量的物理量,一、磁力仪的分类，据结构、原理分为： （一）机械式磁力仪 1、悬丝式垂直磁力仪 2、水平磁力仪 （二）电子式磁力仪 1、质子磁力仪 2、光泵磁力仪 3、磁通门
15、磁力仪 4、超导磁力仪 据使用领域分为： 1、地面磁力仪 2、航空磁力仪 3、海洋磁力仪 4、井中磁力仪,二、悬丝式垂直磁力仪基本工作原理 图2-10 Cs2-61型悬丝式垂直磁力仪 测量参数:垂直分量Z 测量方法：相对测量,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。,N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动个角度后，悬丝会对磁棒产生一个扭力，当磁棒N向下
16、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。,1、平衡系统,2.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，磁系静止后，标线尺图像就与刻度尺重叠, 此时就可以读数了,图2-13 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 凹透镜 物镜,3.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。仪器读的是磁棒偏转的格数，要知道地磁场强度值必须知道仪器每格相当的场值。 是测定磁力仪格值的专用设备。它是由格值线圈与电流控制装置两部分组成。 测定格值时，线圈中通以不
