第二章 磁法勘探 第一節(jié)(一) 地球的磁場及磁異常

第二章磁法勘探第一節(jié)磁法勘探基礎(chǔ)知識

磁法勘探：是以巖（礦）石間的磁性差異為基礎(chǔ)，通過觀測和分析地磁場的變化特征，查明研究對象地質(zhì)特征和性質(zhì)的一種地球物理方法。磁法勘探是物探方法中最古老的一種。17世紀(jì)中葉瑞典人利用磁羅盤直接找磁鐵礦。1879年塔倫(R.Thaln)制造了簡單的磁力儀﹐磁法才正式用于生產(chǎn)。1915年﹐施密特(A.Schmidt)發(fā)明了石英刃口磁力儀﹐磁法開始大規(guī)模用于找礦﹐以及在小面積上研究地質(zhì)構(gòu)造。第二次世界大戰(zhàn)后﹐航空磁法推廣使用﹐人們可以快速而經(jīng)濟(jì)地測出大面積的磁場分布。磁法開始用于研究大地構(gòu)造﹐及解決地質(zhì)填圖中的一些問題。中國于1936年在攀枝花﹑易門﹑水城等地開始了試驗性的磁法勘探﹐1950年后才大規(guī)模開展起來。磁法勘探可用于地質(zhì)調(diào)查的各個階段。在地質(zhì)填圖時﹐磁法勘探可以劃分沉積巖﹑噴出巖﹑基性巖﹑超基性巖及變質(zhì)巖的分布范圍﹔可以研究沉積巖下面的基底構(gòu)造﹔查明各種控制成礦的構(gòu)造﹐如深大斷裂和火山口等。在普查找礦時﹐磁法勘探可用來直接尋找磁鐵礦床﹐并可與其他物探方法配合﹐間接尋找或預(yù)測石油﹑天然氣﹑煤﹑銅﹑鋁﹑鎳和其他金屬﹑金剛石等。在勘探磁鐵礦床時﹐結(jié)合鉆探資料﹐可以推定礦體的形狀﹐指導(dǎo)正確布置鉆孔和尋找鉆孔旁側(cè)及深部的盲礦體。此外﹐磁法勘探還可用于研究深部地質(zhì)構(gòu)造和解決其他地質(zhì)問題﹐以及應(yīng)用于考古學(xué)等方面。釩鈦磁鐵礦

多探頭、多參量航空磁梯度/全張量磁梯度探測系統(tǒng)輕型飛機(jī)航空磁力/磁梯度測量ZK001鞍山-本溪深部發(fā)現(xiàn)亞洲最大鐵礦地下1200米開始見礦，至2015米仍未穿透，遠(yuǎn)景資源量超過30億噸高磁異常核心航空電磁探測系統(tǒng)研制如沙漠/植被覆蓋、復(fù)雜地表等區(qū)域開展：①.基于固定翼飛機(jī)②.基于直升機(jī)設(shè)計難點:大電流磁矩發(fā)射,高靈敏度傳感器設(shè)計,校正線圈解決動態(tài)范圍等先進(jìn)技術(shù)

一、地球的磁場及磁異常1.地磁場的結(jié)構(gòu)

地磁場總強(qiáng)度矢量，習(xí)慣上也稱為地磁場，是近似于一個置于地心的偶極子的場。這個偶極子的磁軸S—N和地理南北軸N—S相反且斜交一個角度。

上圖是地心偶極子磁場的磁力線分布情況。Nm與Sm就是磁軸S-N延長到地面上與地表相交的兩個交點，分別稱做地磁北極Nm與地磁南極Sm。應(yīng)當(dāng)指出，地磁北極Nm與地磁南極Sm是按地理位置說的。按磁性來說，地心偶極子的兩極和地面上使用的羅盤的磁針兩極極性正好相反。

地磁場是一個弱磁場，在地面上的平均強(qiáng)度約為50000nT。實際上在地面人們觀測得到的地磁場是各種不同成分的磁場之和。它們的場源分布有的在地球內(nèi)部，有的在地面之上的大氣層中。按照其來源和變化規(guī)律的不同可將地磁場分為兩部分：一是主要來源于地球內(nèi)部的穩(wěn)定磁場；二是主要起因于地球外部的變化磁場。因而，地磁場可以表示為按照地磁場的高斯數(shù)學(xué)分析法，可以把穩(wěn)定磁場和變化磁場分解為起源于地球內(nèi)、外的兩部分其中是起因于地球內(nèi)部的穩(wěn)定磁場，占穩(wěn)定磁場總量的99%以上；是起源于地球外部的穩(wěn)定磁場，僅占1%以下。是變化磁場的外源場；為變化磁場的內(nèi)源場。一般情況下，變化場為穩(wěn)定場的萬分之幾到千分之幾，偶爾可達(dá)到百分之幾。

故通常所指的地球穩(wěn)定磁場主要是內(nèi)源穩(wěn)定場，它由以下三部分組成

其中為中心偶極子磁場，為非偶極子磁場，也稱為大陸磁場或世界磁場，這兩部分的磁場和又稱為地球基本磁場，編制的世界地磁圖大多為地球基本磁場的分布圖。其中場幾乎占80-85%，故它代表了地磁場空間分布的主要特征。

內(nèi)源穩(wěn)定場的另一個組成部分，是地殼內(nèi)的巖石礦物及地質(zhì)體在基本磁場磁化作用下所產(chǎn)生的磁場，稱為局部磁場，又稱為總磁異常矢量。這部分磁異常對編制世界地磁圖來說，均屬全球地磁場的局部現(xiàn)象，應(yīng)屬于光滑濾波除掉的部分。而對于磁法勘探來說，測定和研究地殼磁場，則是解決地質(zhì)構(gòu)造和礦產(chǎn)資源調(diào)查的一個重要研究對象。2.地磁要素地磁場總強(qiáng)度是矢量，為描述地磁場總強(qiáng)度在地表某一點的狀態(tài)，我們定義若干個地磁要素。將空間直角坐標(biāo)系的原點置于考察點，x軸指地理北(或真北)N，z軸鉛直向下。圖中，I為地磁傾角，北半球下傾，規(guī)定I為正，南半球上傾，規(guī)定I為負(fù)；為地磁場垂直分量，北半球Z為正，南半球Z為負(fù)；為地磁場水平分量，全球皆指磁北；D為地磁偏角，自地理北向東偏D為正，西偏D為負(fù)；為地磁場北向分量，全球皆指向真北，為地磁場東向分量，東偏Y為正，西偏Y為負(fù)。

以上七個量稱為地磁要素，它們的關(guān)系如下：式中。要想確定地面上一點地磁場的強(qiáng)度與方向，至少要測出任意三個彼此獨立的地磁要素，稱之為地磁三要素。目前，只有I、D、、與的絕對值是能夠直接測量的。根據(jù)地磁要素之間的關(guān)系可知，在地磁三要素中，磁偏角D是必須測量的，其它兩個要素可根據(jù)情況選擇測定。3.地磁圖地磁場的分布用地磁圖表示。在全世界或某個局部地區(qū)范圍內(nèi)，按照地磁要素D、I、T、H、X、Y及Z以等值線圖形式繪制出的地磁圖，對于地面定向、航空、航海、資源勘探以及地磁學(xué)研究都非常需要。實際上自1965年起，全世界已統(tǒng)一采用高斯球諧分析模式計算國際地磁參考場（IGRF），世界或某個地區(qū)地磁圖均采用該計算結(jié)果編繪世界地磁傾角等值線圖由圖可知，等傾線大致與緯度線平行，其中零度等傾線即磁赤道；由磁赤道向兩磁極，I由0°逐漸變?yōu)?0°。I=+90°的點在NW處，稱北磁極；I=-90°的點在SE處。兩磁極在地球表面的位置不對稱。

世界地磁偏角等值線圖上圖為地磁偏角D等偏線圖。等偏線圖為從一點出發(fā)匯聚于另一點的曲線簇。其中兩條零度等偏線將全球劃分為正、負(fù)兩個區(qū)域。等偏線在南北半球各有兩個匯聚點，它們是兩個磁極和兩個地理極，這是因為兩個磁極處地理北方向是確定的，而磁北方向不確定，所以兩磁極處的磁偏角可為任意值。兩地理極處的磁偏角也為任意值。

世界地磁場總強(qiáng)度T等值線圖

上圖為世界地磁場總強(qiáng)度T等值線圖。在大部分地區(qū)，等值線與緯度接近于平行，其強(qiáng)度值在赤道附近約為30000~40000nT，由此向兩極逐漸增大，在南北兩極處總強(qiáng)度值大約是60000~70000nT。世界地磁場H分量等值線圖上圖為地磁場H分量等值線圖。從圖中可以看出，其等值線也是大致沿緯度線方向排列延展，在磁赤道附近最大，約為40000nT，隨著緯度向兩極升高，H值逐漸減小最后趨于零，在南、北兩磁極處H=0。除了兩磁極區(qū)以外，全球各點的H都指向北。世界地磁場Z分量等值線圖上圖為地磁場Z分量等值線圖。由圖可見，其等值線排列大致與地磁傾角等值線分布相似，在赤道附近Z=0，由此向兩極絕對值逐漸增大，在磁極處達(dá)到±60000~70000nT，約為磁赤道附近水平強(qiáng)度值的兩倍，在磁赤道以北Z>0，表示垂直分量向下，在磁赤道以南Z<0，表示垂直分量向上。

由地磁場的基本特征，如地球有兩個磁極，磁極處的地磁場約等于磁赤道上的地磁場的兩倍及地磁場的等強(qiáng)度線，等傾線大致與緯度線平行等，說明地磁場與一個磁偶極子的磁場相近。確切地說，現(xiàn)代地磁場與一個磁心位于地心、磁軸與地理軸夾角為11.5°、磁矩約等于7.9×1022A.m2的磁偶極子的磁場擬合的最佳。通常稱這個磁偶極子為地心偶極子。4.變化磁場地磁場隨時間在不斷的變化，這種變化總體上可以分為兩大類，一類主要是由地球內(nèi)部場源引起的緩慢的長期變化；另一類主要是來源于地球外部的場源引起的短期變化。它們的變化特征不同，變化的原因也不同。（1）長期變化地磁場長期變化總的特征是隨時間緩慢變化，周期長。對地磁場長期變化的研究，主要通過世界各地的地磁臺長期、連續(xù)的觀測數(shù)據(jù)并取平均所進(jìn)行的分析認(rèn)識。這種長期變化有下面兩個顯著的特征：

第一個特征是地磁極的西向漂移。近百年來在倫敦觀測臺觀測磁偏角和磁傾角變化的曲線，發(fā)現(xiàn)在1600~1700年的一百年間磁偏角自90E一直向西偏移到-40W，共向西偏移了13°；磁傾角約共增大2°。爾后的一百年間磁偏角繼續(xù)向西飄移，但磁傾角減小。此外這種變化具有周期性。第二個特征是不同年代計算出地球磁矩的衰減變化。1835年高斯計算該值為8.5×1022A.m2，而1960年計算該值為8.0×1022A.m2。在這期間內(nèi)地球磁矩以每年0.05%的速率遞減。如按照這種速率遞減，在2000年以后，地球磁矩將變的很小。

（2）短期變化短期變化是一類復(fù)雜的地磁現(xiàn)象，包括各種各樣的變化成分，形狀各異、時空特征不同，并且常常相互疊加，依其出現(xiàn)的規(guī)律又可分為兩類。一類是有一定的周期且連續(xù)出現(xiàn)，稱平靜變化，另一類是偶然發(fā)生且持續(xù)一定時間即消失，稱擾動變化。兩類短期變化雖都起源于固體地球外部的電流體系，但它們的電流體系卻是不同原因產(chǎn)生的。

5.磁異常一般情況下將、及的總和看作正常場，而