第二章 磁法勘探 第一节(一) 地球的磁场及磁异常

第二章磁法勘探第一节磁法勘探基础知识

磁法勘探：是以岩（矿）石间的磁性差异为基础，通过观测和分析地磁场的变化特征，查明研究对象地质特征和性质的一种地球物理方法。磁法勘探是物探方法中最古老的一种。17世纪中叶瑞典人利用磁罗盘直接找磁铁矿。1879年塔伦(R.Thaln)制造了简单的磁力仪﹐磁法才正式用于生产。1915年﹐施密特(A.Schmidt)发明了石英刃口磁力仪﹐磁法开始大规模用于找矿﹐以及在小面积上研究地质构造。第二次世界大战后﹐航空磁法推广使用﹐人们可以快速而经济地测出大面积的磁场分布。磁法开始用于研究大地构造﹐及解决地质填图中的一些问题。中国于1936年在攀枝花﹑易门﹑水城等地开始了试验性的磁法勘探﹐1950年后才大规模开展起来。磁法勘探可用于地质调查的各个阶段。在地质填图时﹐磁法勘探可以划分沉积岩﹑喷出岩﹑基性岩﹑超基性岩及变质岩的分布范围﹔可以研究沉积岩下面的基底构造﹔查明各种控制成矿的构造﹐如深大断裂和火山口等。在普查找矿时﹐磁法勘探可用来直接寻找磁铁矿床﹐并可与其他物探方法配合﹐间接寻找或预测石油﹑天然气﹑煤﹑铜﹑铝﹑镍和其他金属﹑金刚石等。在勘探磁铁矿床时﹐结合钻探资料﹐可以推定矿体的形状﹐指导正确布置钻孔和寻找钻孔旁侧及深部的盲矿体。此外﹐磁法勘探还可用于研究深部地质构造和解决其他地质问题﹐以及应用于考古学等方面。钒钛磁铁矿

多探头、多参量航空磁梯度/全张量磁梯度探测系统轻型飞机航空磁力/磁梯度测量ZK001鞍山-本溪深部发现亚洲最大铁矿地下1200米开始见矿，至2015米仍未穿透，远景资源量超过30亿吨高磁异常核心航空电磁探测系统研制如沙漠/植被覆盖、复杂地表等区域开展：①.基于固定翼飞机②.基于直升机设计难点:大电流磁矩发射,高灵敏度传感器设计,校正线圈解决动态范围等先进技术

一、地球的磁场及磁异常1.地磁场的结构

地磁场总强度矢量，习惯上也称为地磁场，是近似于一个置于地心的偶极子的场。这个偶极子的磁轴S—N和地理南北轴N—S相反且斜交一个角度。

上图是地心偶极子磁场的磁力线分布情况。Nm与Sm就是磁轴S-N延长到地面上与地表相交的两个交点，分别称做地磁北极Nm与地磁南极Sm。应当指出，地磁北极Nm与地磁南极Sm是按地理位置说的。按磁性来说，地心偶极子的两极和地面上使用的罗盘的磁针两极极性正好相反。

地磁场是一个弱磁场，在地面上的平均强度约为50000nT。实际上在地面人们观测得到的地磁场是各种不同成分的磁场之和。它们的场源分布有的在地球内部，有的在地面之上的大气层中。按照其来源和变化规律的不同可将地磁场分为两部分：一是主要来源于地球内部的稳定磁场；二是主要起因于地球外部的变化磁场。因而，地磁场可以表示为按照地磁场的高斯数学分析法，可以把稳定磁场和变化磁场分解为起源于地球内、外的两部分其中是起因于地球内部的稳定磁场，占稳定磁场总量的99%以上；是起源于地球外部的稳定磁场，仅占1%以下。是变化磁场的外源场；为变化磁场的内源场。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。

故通常所指的地球稳定磁场主要是内源稳定场，它由以下三部分组成

其中为中心偶极子磁场，为非偶极子磁场，也称为大陆磁场或世界磁场，这两部分的磁场和又称为地球基本磁场，编制的世界地磁图大多为地球基本磁场的分布图。其中场几乎占80-85%，故它代表了地磁场空间分布的主要特征。

内源稳定场的另一个组成部分，是地壳内的岩石矿物及地质体在基本磁场磁化作用下所产生的磁场，称为局部磁场，又称为总磁异常矢量。这部分磁异常对编制世界地磁图来说，均属全球地磁场的局部现象，应属于光滑滤波除掉的部分。而对于磁法勘探来说，测定和研究地壳磁场，则是解决地质构造和矿产资源调查的一个重要研究对象。2.地磁要素地磁场总强度是矢量，为描述地磁场总强度在地表某一点的状态，我们定义若干个地磁要素。将空间直角坐标系的原点置于考察点，x轴指地理北(或真北)N，z轴铅直向下。图中，I为地磁倾角，北半球下倾，规定I为正，南半球上倾，规定I为负；为地磁场垂直分量，北半球Z为正，南半球Z为负；为地磁场水平分量，全球皆指磁北；D为地磁偏角，自地理北向东偏D为正，西偏D为负；为地磁场北向分量，全球皆指向真北，为地磁场东向分量，东偏Y为正，西偏Y为负。

以上七个量称为地磁要素，它们的关系如下：式中。要想确定地面上一点地磁场的强度与方向，至少要测出任意三个彼此独立的地磁要素，称之为地磁三要素。目前，只有I、D、、与的绝对值是能够直接测量的。根据地磁要素之间的关系可知，在地磁三要素中，磁偏角D是必须测量的，其它两个要素可根据情况选择测定。3.地磁图地磁场的分布用地磁图表示。在全世界或某个局部地区范围内，按照地磁要素D、I、T、H、X、Y及Z以等值线图形式绘制出的地磁图，对于地面定向、航空、航海、资源勘探以及地磁学研究都非常需要。实际上自1965年起，全世界已统一采用高斯球谐分析模式计算国际地磁参考场（IGRF），世界或某个地区地磁图均采用该计算结果编绘世界地磁倾角等值线图由图可知，等倾线大致与纬度线平行，其中零度等倾线即磁赤道；由磁赤道向两磁极，I由0°逐渐变为90°。I=+90°的点在NW处，称北磁极；I=-90°的点在SE处。两磁极在地球表面的位置不对称。

世界地磁偏角等值线图上图为地磁偏角D等偏线图。等偏线图为从一点出发汇聚于另一点的曲线簇。其中两条零度等偏线将全球划分为正、负两个区域。等偏线在南北半球各有两个汇聚点，它们是两个磁极和两个地理极，这是因为两个磁极处地理北方向是确定的，而磁北方向不确定，所以两磁极处的磁偏角可为任意值。两地理极处的磁偏角也为任意值。

世界地磁场总强度T等值线图

上图为世界地磁场总强度T等值线图。在大部分地区，等值线与纬度接近于平行，其强度值在赤道附近约为30000~40000nT，由此向两极逐渐增大，在南北两极处总强度值大约是60000~70000nT。世界地磁场H分量等值线图上图为地磁场H分量等值线图。从图中可以看出，其等值线也是大致沿纬度线方向排列延展，在磁赤道附近最大，约为40000nT，随着纬度向两极升高，H值逐渐减小最后趋于零，在南、北两磁极处H=0。除了两磁极区以外，全球各点的H都指向北。世界地磁场Z分量等值线图上图为地磁场Z分量等值线图。由图可见，其等值线排列大致与地磁倾角等值线分布相似，在赤道附近Z=0，由此向两极绝对值逐渐增大，在磁极处达到±60000~70000nT，约为磁赤道附近水平强度值的两倍，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。

由地磁场的基本特征，如地球有两个磁极，磁极处的地磁场约等于磁赤道上的地磁场的两倍及地磁场的等强度线，等倾线大致与纬度线平行等，说明地磁场与一个磁偶极子的磁场相近。确切地说，现代地磁场与一个磁心位于地心、磁轴与地理轴夹角为11.5°、磁矩约等于7.9×1022A.m2的磁偶极子的磁场拟合的最佳。通常称这个磁偶极子为地心偶极子。4.变化磁场地磁场随时间在不断的变化，这种变化总体上可以分为两大类，一类主要是由地球内部场源引起的缓慢的长期变化；另一类主要是来源于地球外部的场源引起的短期变化。它们的变化特征不同，变化的原因也不同。（1）长期变化地磁场长期变化总的特征是随时间缓慢变化，周期长。对地磁场长期变化的研究，主要通过世界各地的地磁台长期、连续的观测数据并取平均所进行的分析认识。这种长期变化有下面两个显著的特征：

第一个特征是地磁极的西向漂移。近百年来在伦敦观测台观测磁偏角和磁倾角变化的曲线，发现在1600~1700年的一百年间磁偏角自90E一直向西偏移到-40W，共向西偏移了13°；磁倾角约共增大2°。尔后的一百年间磁偏角继续向西飘移，但磁倾角减小。此外这种变化具有周期性。第二个特征是不同年代计算出地球磁矩的衰减变化。1835年高斯计算该值为8.5×1022A.m2，而1960年计算该值为8.0×1022A.m2。在这期间内地球磁矩以每年0.05%的速率递减。如按照这种速率递减，在2000年以后，地球磁矩将变的很小。

（2）短期变化短期变化是一类复杂的地磁现象，包括各种各样的变化成分，形状各异、时空特征不同，并且常常相互叠加，依其出现的规律又可分为两类。一类是有一定的周期且连续出现，称平静变化，另一类是偶然发生且持续一定时间即消失，称扰动变化。两类短期变化虽都起源于固体地球外部的电流体系，但它们的电流体系却是不同原因产生的。

5.磁异常一般情况下将、及的总和看作正常场，而