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1、磁法勘探第二章 岩石的磁性第一节 物质的磁性 第二节 岩（矿）石磁性特征 第三节 岩石的剩余磁性 第四节 地质体磁化的消磁作用位于地壳中的岩石和矿体处在地球磁场中，从它们形成时起，就受其磁化而具有不同程度的磁性，其磁性差异在地表引起磁异常。研究岩石磁性，其目的在于掌握岩石和矿物受磁化的原理，了解矿物与岩石的磁性特征及其影响因素。有关岩石磁性的研究成果，亦可直接用来解决某些基础地质问题，如区域地层对比，构造划分等。各类物质，由于原子结构不同，它们在外磁场作用下，各类物质，由于原子结构不同，它们在外磁场作用下，呈现不同的宏观磁性。呈现不同的宏观磁性。一、抗磁性一、抗磁性( (逆磁性逆磁性) )在外
2、磁场H作用下，这类物质的磁化率为负值，且数值很小。抗磁性物质没有固有原子磁矩，受外磁场作用后，电子没有固有原子磁矩，受外磁场作用后，电子受到洛伦茨磁力的作用，其运动轨道绕外磁场作旋进受到洛伦茨磁力的作用，其运动轨道绕外磁场作旋进( (拉莫尔旋进拉莫尔旋进) )，此旋进产生附加磁矩，其方向与外磁场，此旋进产生附加磁矩，其方向与外磁场相反，形成抗磁性。相反，形成抗磁性。抗磁性磁化率很小，约为抗磁性磁化率很小，约为1010-5-5数量级。数量级。第一节 物质的磁性二、顺磁性二、顺磁性顺磁性物质受外磁场作用，其磁化率为不大的正值这类物质中原子具有固有磁矩，当无外磁场作用时，热骚动使原子磁矩取向混乱。有
3、外磁场作用，原子磁矩(电子自旋磁矩所作的贡献)顺着外磁场方向排列，显示顺磁性。三、铁磁性三、铁磁性(1)磁化强度与磁化场呈非线性关系在弱外磁场的作用下，铁磁性物质即可达到磁化饱和，其磁化率要比抗、顺磁性物质的磁化率大很多。它具有下述磁性特征：铁磁性物质的磁滞回线对未磁化样品施加磁场H作用，随H值由零增至Hs，而后减至零，反向由零减至-Hs，再由-Hs增至Hs，变化一周，样品的磁化强度M，沿O、A、B、C、D、 E、F、A变化，诸点所围之曲线，称磁滞回线。表明铁磁性物质的磁化强度随磁化场变化，呈不可逆性。其Hc称为矫顽磁力，不同铁磁性物质它的变化范围较大。(2)磁化率与温度的关系，服从居里魏斯定
4、律。即式中C是居里常数，T是热力学温度，Tc是居里温度当TTc，铁磁性消失， 转变为顺磁性.一般铁磁性的很高，例如铁为1 043K，钴为1 388K。但是，随着低温测量技术的发展，又发现了一些稀土元素低温下会转变为铁磁性，如铒（Er）、钬（Ho），其均为20K。(3).实验室结果说明，铁磁性物质的基本磁矩为电子自旋磁矩，而轨道磁矩基本无贡献。实验证明，铁磁物质内，包含着很多个自发磁化区域，它叫做磁畴。在无外磁场作用时，各磁畴的磁化强度矢量取向混乱，不呈磁性。当施加外磁场时，磁畴结构将发生变化，随外磁场增加。通过畴壁移动和磁畴转动的过程，显示出宏观磁性。由于磁畴内原子间相互作用的不同，原子磁矩排
5、列情况有别，铁磁性又分为三种类型。各种铁磁性原子磁矩的排列示意图 (a)铁磁性(b)反铁磁性(c)亚铁磁性铁磁性：磁畴内原子磁矩排列在同一方向，例如铁、镍、钴即属于此。反铁磁性：磁畴内原子磁矩排列相反，故磁化率很小，但具有很大的矫顽力。亚铁磁性：或称铁淦氧磁性，磁畴内原子磁矩反平行排列，磁矩互不相等，故仍具有自发磁矩。此类物质具有较大的磁化率和剩余磁化强度。第二节 岩（矿）石磁性特征不同岩石的密度不同岩石的密度 一、表征磁性的物理量一、表征磁性的物理量( (一一) )磁化强度和磁化率磁化强度和磁化率 均匀无限磁介质，受到外部磁场H的作用，衡量物质被磁化的程度，以磁化强度M表示，它与磁化场强度之
6、间的关系为式中，是物质的磁化率，它表征物质受磁化的难易程度，是一个无量纲的物理量。实际工作中，磁化率仍注以单位。单位。SI单位制它用SI()标明。CGSM单位制，它用CGSM ()标明。两者的关系是在两种单位制中，磁化强度的单位，分别是A/及CGSM(m)，二者的关系是A/m= 10-3 CGSM（）在国际单位制中，磁化强度和磁场强度量纲相同，都为安培/米(A/m)，在CGSM制中，磁化强度用高斯(GS)磁场强度用奥斯特(Oe)( (二二) )磁感应强度和磁导率磁感应强度和磁导率在各向同性磁介质内部任意点上，磁化场H在该点产生的磁感应强度(磁通密度)为:式中:B以特斯拉(T)为单位，是介质的磁
7、导率H/m(亨利/米)。若介质为真空，则有:式中0是真空的磁导率(0=4x10-7 H/m)。令r=/0 (相对磁导率)，可得上式为物质磁性与外磁场的关系。显然，在同一外磁场H作用下，空间为磁介质充填，与空 间为真空二者相比，B增加了H项，即介质受磁化后所生产的附加场，其大小与介质的磁化率成正比。磁介质的r=1是一个纯量。与0二者之间的关系为(三)感应磁化强度和剩余磁化强度位于岩石圈中的地质体，处在约为0.510-4(T)的地球磁场作用下，它们受现代地磁场的磁化，而具有的磁化强度，叫感应磁化强度，它表示为式中:T是地磁场总强度，是岩石矿的磁化率，它取决于岩、矿石的性质。岩、矿石在生成时，处于一
8、定条件下，受当时的地磁场磁化，成岩后经历漫长的地质年代，所保留下来的磁化强度，称作天然剩余磁化强度M，它与现代地磁场无关。岩石的总磁化强度M，是由两部分组成，即磁法勘查中，表征岩石磁性的物理量是(M)、M及M。岩、矿石受当时地磁场的作用岩、矿石受当时地磁场的作用 经历了构造变动，剩磁的方向变化经历了构造变动，剩磁的方向变化 现代地磁场作用现代地磁场作用 总磁场强度是总磁场强度是Mi与与Mr的合矢量的合矢量 二、矿物的磁性二、矿物的磁性矿物组合成岩石，岩石的磁性强弱与矿物的磁性强弱有直接的关系。(一)抗磁性矿物与顺磁性矿物自然界中，绝大多数矿物属顺磁性与抗磁性的。对于其中几种常见矿物的磁化率，见
9、下表。矿物的磁化率矿物的磁化率抗磁性矿物，其磁化率都很小，在磁法勘探中通常视为无磁性的。顺磁性矿物，其磁化率要比抗磁性矿物大得多，约两个数量级。(二)铁磁性矿物自然界中不存在纯铁磁性矿物，最重要的磁性矿物当推铁钛氧化物。地壳中纯磁铁矿少见，大多由不同比例的铁、钛、氧组成复杂的固熔体，它是典型的亚铁磁性。在我国鲁、冀、鄂、苏、皖等省的铁矿区，磁铁矿的磁化率一般为(0.0020.2)SI()，其剩余磁化强度一般为(2.2 2325)A/m。可见，磁铁矿不仅有较强的磁化率，且具有较强的剩余磁性，其变化范围较大。铁磁性物质的磁化率铁磁性物质的磁化率Brennand11.6KKoppio11.34KGr
10、eenpatch20KBald Hill24KCharlton GullyOolanta14KWhite FlatIron Mount9.66K南澳大利亚Greenpatch,BaldHill,Koppio,Brennand,IronMuont,Oolanta等矿区南澳大利亚Carrow矿区测井磁化率统计 岩矿石类型碳酸盐BIF氧化带BIF硅酸盐BIF磁铁矿 BIF平均磁化率（103SI）518.5017.51359.9510001500岩矿石类型大理岩花岗岩残余土粘土、盖层平均磁化率（103SI）4.530.1522.70.34 磁铁矿BIF平均磁化率较高，而被风化剥蚀的BIF磁化率较低，只
11、有17.51103SI。上覆第三系的泥土、残余土磁化率仅0.34103SI，可视为无磁性，花岗岩和大理岩也可视为无磁性。 (二)火成岩的磁性依据火成岩的产出状态，又可分为侵入岩和喷出岩。1、侵入岩的不同岩石组(花岗岩、花岗闪长岩、闪长岩、辉长岩、超基性岩等)，其平均值，随着岩石的基性增强而增大。它们的磁化率，均具有数值分布范围宽的相同特征。2 2、超基性岩是火成岩中磁性最强的。超基性岩体在经受蛇纹石化时，辉石被分解形成蛇纹石 和磁铁矿，使磁化率急剧增大，可达几个SI()单位。3、基性、中性岩，一般来说其磁性较超基性岩次之。4、花岗岩建造的侵入岩，普遍是铁磁顺磁性的，磁化率不高。三、各类岩石的一
12、般磁性特征地壳岩石可分为沉积岩、火成岩及变质岩三大类。(一)沉积岩的磁性一般说来，沉积岩的磁性较弱。沉积岩的磁化率主要决定于副矿物的含 量和成分，它们是磁铁矿、磁赤铁矿、赤铁矿，以及铁的氢氧化物。其造岩矿物如石英、长 石、方解石等，对磁化率无贡献。沉积岩的天然剩余磁性，与由母岩剥蚀下来的磁性颗粒有关，其数值不大。 地壳岩石的磁化率和天然剩余磁化强度 5、喷发岩在化学和矿物成分上与同类侵入岩相近，其磁化率的一般特征相同。由于喷发岩迅速且不均匀的冷却，结晶速度快，使磁化率离散性大。6、火成岩具有明显的天然剩余磁性，其Q=Mr/Mi称作柯尼希斯贝格比。不同岩石组的Q值范围，可在010或更大范围变化。
13、(三)变质岩的磁性变质岩的磁化率和天然剩余磁化强度，其变化范围很大。按其磁性变质岩可分为铁磁顺磁性和铁磁性两类，与原来的基质有关，也与其生成条件有关。由沉积岩变质生成的，称水成变质岩，其磁性特征一般具有铁磁顺磁性；由岩浆岩变质生成的，称火成变质岩，其磁性有铁磁顺磁性与铁磁性两组。这和原岩的矿物成分，以及变质作用的外来性或原生性有关 。具有层状结构的变质岩，表现有磁各向异性。四、影响岩石磁性的主要因素岩石的磁性是由所含磁性矿物的类型、含量、颗粒大小与结构、以及温度、压力等因素决定的。(一)岩石磁性与铁磁性矿物含量的关系根据实验资料和理论计算，侵入岩的磁化率与铁磁性矿物含量之间存在统计相关关系。一
14、般来说，岩石中铁矿性矿物含量愈多，磁性也愈强。(二)岩石磁性与磁性矿物颗粒大小、结构的关系实验结果表明，在给定的外磁场作用下，铁磁性矿物的相对含量不变，其颗粒粗的较之颗粒细的磁化率大。可用于衡量剩磁大小的矫顽力HC，与铁磁性矿物颗粒大小的关系恰相反。表明HC随铁磁性矿物颗粒的增大，呈减小的相关关系。喷发岩的剩磁常较同一成分侵入岩的剩磁大。此外，铁矿性矿物在岩石中的结构，对其磁化率也有影响。当磁性矿物相对含量、颗粒大小都相同，颗粒相互胶结的比颗粒呈分散状者磁性强。(三)岩石磁性与温度、压力的关系高温与高压，对矿物和岩石的磁性会产生影响。顺磁体磁化率与温度的关系，已由居里定律确定。铁磁体磁化，同时
15、发生机械变形，其形变与晶体大小变化有关。铁磁体变化时，其形状和体积的改变称为磁致伸缩。岩石在机械应力作用下，由于铁磁体的磁致伸缩，其磁性大小会有变化。比如在弱磁场中，当磁铁矿受到400kg/cm2的单向压力时，其磁化率减小2030%，且其减小与磁化场强度还有关系。同样，岩石磁化率随着所受机械压力的增加而减小。垂直于受压方向所测得的磁化率，对压力的相依关系较弱。岩石的剩余磁化强度，亦随着岩石受压的增大而减小。 第三节 岩石的剩余磁性一、岩石剩余磁性的类型及特点一、岩石剩余磁性的类型及特点（一）热剩余磁性(TRM)在恒定磁场作用下，岩石从居里点以上的温度，逐渐冷却到居里点以下，在通过居里温度时受磁
16、化所获得的剩磁，称热剩余磁性(简称热剩磁)。应当注意，热剩磁并非全都是在居里温度时产生的。如将岩石自居里点逐渐冷却至室温，且只在某一温度区间施加外磁场，由此得到的热剩余磁性，称部分热剩磁。 热剩磁具有如下的特点：(1)强度大 在弱磁场中，其热剩磁强度大致正比于外磁场强度，并同外磁场方向一致。因此，火成岩的天然剩余磁化强度方向，一般代表了成岩时的地磁场方向。(2)具有很高的稳定性 剩磁随时间衰减的现象，叫做磁性弛豫。热剩磁的稳定，表现为其弛豫时间很长。实验表明，外磁场的变化，温度在200300内的热作用，很难影响热磁的变化。(3)实验证明，总热剩磁是居里温度至室温，各个温度区间的部分热剩磁之和。
17、即热剩磁服从叠加定律。 (4)若将已具有热剩磁的标本，在零磁场空间内，从室温加热到某一个温度t1，然后再冷却至室温，则标本中温度t1以下的部分热剩磁全部被清洗掉，称部分热退磁(或热清洗)。此过程可能通过不断提高加热温度来重复进行，最终得到一个热剩余磁化强度，说明热退磁过程也服从叠加定律。(5)热剩磁的方向与外场一致。因此，火成岩的天然剩磁方向一般代表岩石形成时期的地磁场方向。(6)在弱磁场中热剩磁的强度正比于外磁场感应强度B： JTRMCTB式中，CT为比例系数。(7)热剩磁主要在居里点附近获得。 （二）碎屑剩余磁性(DRM)沉积岩中含有从母岩风化剥蚀带来的许多碎屑颗粒，其中磁性颗粒(磁铁矿等
18、)在水中沉积时，受当时的地磁场作用，会沿地磁场方向定向排列，或者是这些磁性颗粒在沉积物的含水孔隙中转向地磁场方向。沉积物固结成岩石，保存下来的磁性称为碎屑剩余磁性(沉积剩余磁性，简称碎屑剩磁)。 碎屑剩磁具有如下的特点:(1)它的强度正比于定向排列的磁性颗粒数目，其强度比热剩磁小得多。(2)形成碎屑剩磁的磁性颗粒大都来自火成岩，这些颗粒的原生磁性来自热剩磁。因此，碎屑剩磁比较稳定。(3)等轴状颗粒，其碎屑剩磁方向和外磁场(地磁场)方向一致。（三）化学剩余磁性(CRM)在一定磁场中，某些磁性物质在低于居里温度的条件下经过相变过程（重结晶）或化学过程(氧化还原)，所获得的剩磁，称化学剩余磁性(简称
19、化学剩磁)。化学剩磁具有如下的特点:(1)在弱磁场中，其强度正比于外磁场的强度；(2)有较高的稳定性；(3)在相同磁场中，化学剩磁强度只有热剩磁强度的几十分之一，但大于碎屑剩磁强度。上述二种剩余磁性，统称为原生剩磁。（四）黏滞剩余磁性(VRM)岩石生成之后，长期处在地球磁场作用下，随时间的推移，其中原来定向排列的磁畴，逐渐地弛豫到作用磁场的方向，这一过程中所形成的剩磁称黏滞剩余磁性。黏滞剩余磁性具有如下的特点:(1)强度与时间的对数成正比。(2)随温度增高，黏滞剩磁增大。裸露于地表的岩石，受昼夜及季节温差变化的热骚动影响，随时间增长会形成较强的黏滞剩磁。具有较大黏滞剩磁的岩石样品，不宜用于古地
20、磁研究。（五）等温剩余磁性(IRM)在常温没有加热情况下岩石因受外部磁场的作用(比如闪电作用)，获得的剩磁称等温剩余磁性。等温剩磁是不稳定的，其大小和方向随外磁场变化。上述第（四）、（五）两种剩磁，是在岩石生成之后，因受某此外部因素的作用获得的，因此称它们为次生剩磁。二、各类岩矿石剩余磁性的成因 岩石的天然剩磁，其形成的因素是复杂的。由成岩至今，各种地质作用、物理和化学的变化过程，都会影响剩余磁性。不同类型的岩石原生剩磁，其形成的原因不同。 1.火成岩剩磁的成因 热剩磁是形成火成岩原生剩磁的原因。熔融岩浆由高温冷却，通常当温度降至1073K时开始凝固，形成各种固熔体。铁磁性矿物的居里点一般在6
21、73-853K以下，当火成岩由高于居里点温度，下降到铁磁性组分的居里点以下，受地磁场的磁化作用，磁性矿物磁畴排列到地磁场方向上，而获得强的磁性。随着温度继续下降，磁畴热扰动能量减少，不够使磁畴体积变化和使磁畴转向，从而保留下来剩余磁性，即热剩磁。 2.沉积岩剩磁的成因沉积岩的生成与火成岩完全不同，没有高温冷却过程，沉积岩的剩余磁性，是通过沉积作用和成岩作用两个过程形成，前者形成碎屑剩磁，后一者成岩作用经氧化和脱水过程，获得化学剩磁。因此，沉积岩的剩磁系碎屑和化学剩磁。3.变质岩剩磁的成因变质岩的剩余磁性与其原岩有关，由火成岩变质生成的正变质岩，它可能有热剩磁，由沉积岩变质生成的副变质岩，它可能
22、有碎屑剩磁与化学剩磁。三、研究岩石剩余磁性的地质意义 岩石的剩磁Mr对于解释磁测资料是必不可缺少的，尤其是当剩磁较强，且与现今地磁场方向又不一致，在解释磁异常时若只考虑Mi，则可能导致错误结论，例如可能使推断矿体的产状出现错误。在火山岩地区，研究岩石剩磁，对于区分矿与非矿的异常也有重要意义。 古地磁研究是地磁学的一个重要方面。它是通过测定岩石或古代文物（砖瓦、陶器和古冶炼炉等熔烧粘土制品）的原生剩磁，来研究地质史期和人类文明史期的古地磁场方向、强度及其演变规律。它已发展成为地学中重要的一门分支科学古地磁学。我国东部著名的郯城庐江深大断裂，多数学者认为它是左旋平移断层。但是，对平移的时间和距离，
23、却有不同的看法。国家地震局地质研究所对断裂带东西两侧的寒武纪、侏罗纪地层进行的古地磁测量，为解决上述问题提供了有意义的资料，如图所示，在断裂带东侧，复县早寒武世磁偏角338，五莲晚侏罗世磁偏角7，说明后者是相对前者顺时针旋转了29。断裂带西侧宿县早寒武世磁偏角42，霍山晚侏罗世偏角17，则后者较前者逆时针旋转25。上述表明，断裂带两侧地壳各自有着独立的运动方式，至少在侏罗纪前，两侧地层已发生过相对运动。郯城庐江断裂带两侧古地磁偏角图第四节 地质体磁化的消磁作用关于退磁、磁各向异性的影响1、退磁、退磁计算强磁性矿体磁场常常需要考虑退磁作用引起的非均匀磁化，以及磁化率和剩余磁化强度不均匀或各向异性
24、等复杂情况。对于均质不规则强磁性体，只考虑退磁作用引起的非均匀磁化时，可以用解积分方程方法；对于更复杂的情况可以用有限单元法正演。图1磁性体上部磁场剖面图1未计消磁作用；2计消磁作用图1是用解积分方程方法计算的倾角为的板状体的磁场，考虑退磁作用的计算结果大约减小20%。综上所述，退磁作用是有一定影响的。按非均匀磁化计算其影响不超过20%，在资源评估时予以考虑。2、磁各向异性、磁各向异性磁各向异性是指磁性体由于受构造变动因素影响，各个部分的剩余磁化方向不一致。例如，沉积变质铁矿受构造影响，当含矿的沉积地层发生褶皱时，各部分的剩余磁化方向会发生变化。当剩磁很强时，就会影响总磁化强度的方向，造成反演
25、解释结果的误差。图1磁性体上部磁场剖面图1未计消磁作用；2计消磁作用当磁性体的磁化率当磁性体的磁化率 （或），视磁化率与真磁化率的误差大于（或），视磁化率与真磁化率的误差大于1%，消，消磁作用不能忽略，这时候必须考虑消磁作用的影响。磁作用不能忽略，这时候必须考虑消磁作用的影响。如图如图4.3.1所示，设均匀有限磁介质受外部磁场（地磁场）所示，设均匀有限磁介质受外部磁场（地磁场）T0磁化，磁化，则其两端表面将有面磁荷分布，它在其内部产生与磁场则其两端表面将有面磁荷分布，它在其内部产生与磁场T0方向相反的方向相反的磁场磁场Te，成为消磁场，成为消磁场 。则有限体内部的磁场为。则有限体内部的磁场为对
26、于均匀磁化磁性体，其消磁场为对于均匀磁化磁性体，其消磁场为式中式中N为消磁系数，它是与磁性体的形状有关的常数，负号表示为消磁系数，它是与磁性体的形状有关的常数，负号表示Te与与M方向相反。方向相反。Mi与与Mr表示感应磁化强度与剩余磁化强度。表示感应磁化强度与剩余磁化强度。图4.3.1有限物体消磁作用示意图则在消磁作用下，有限体受磁化后，其感应磁化强度为或记为当称视磁化率，它是一个与形状有关的物理量，当 时才有常见规则形体的消磁系数消磁对 的影响 除球体外，同一形体不同方向的消磁系数不同。因此消磁作用不仅会影响的大小，还会影响它的方向。若有一个长度很大的水平圆柱磁性体，受倾角为45的地磁场磁化
27、。设磁性体讨论其由消磁作用引起的 大小和方向的变化。由图可见，由于 则沿轴分量为得a=31.6。消磁作用使Mi偏离磁化场T0，而且接近长轴达13多。一般来说，k愈大，Mi偏离T0的方向愈大；而且总是偏向磁性体的长轴方向。发展趋势发展趋势Thompson等（1980），Oldfield等（1985）提出了应用岩石矿物磁学的基本原理和分析测量方法，阐述不同来源大气尘埃的磁性特征及其在环境评价中的应用。1986年Thompson和Oldfield出版了第一部环境磁学专著EnvironmentalMagnetism。此后20多年来，国际同行在世界许多城市对河流湖泊海洋沉积物、土壤、道路尘埃、大气悬浮物及植物茎叶等环境物质载体进行了大量磁性测量，探讨污染物质磁性变异特征在环境评价和监测中的应用。近年，人们也研究沉积物磁性与气候变迁的关系。1979年，Donovan等发现Oklahoma州 Cement 油田上方近地空间存在高频低幅度的磁异常，并推断油气藏渗漏引起的次生磁铁矿是这种异常的源，即所谓“烟囱效应”。此后大量研究证明，油气藏附近磁学地球化学矿物学异常与烃类微渗漏作用之间具有直接联系。图251 . Oklahoma州 Cement 油田上方部分航磁异常图（Donovan,1979）
