第三章磁法勘探

第三章磁法勘探ECITEASTCHINAINSTITUTEOFTECHNOLOGY磁法勘探是利用地壳内各种岩（矿）石间的磁性差异所引起的磁异常来寻找有用矿产或查明地下地质构造的一种地球物理方法。磁法勘探也是应用最早的地球物理方法。1640年，瑞典人首先尝试用罗盘寻找磁铁矿，但直到1870年，瑞典人Thalen和Tiberg制造了万能磁力仪后，磁法勘探才作为一种地球物理方法建立和发展起来。磁法勘探可分为地面磁测、航空磁测、海洋磁测和井中磁测。磁法勘探和重力勘探的差别主要有：1、磁异常比重力异常大得多；2、重力异常反映地质因素多，磁异常反映的地质因素单一；3、密度体只有一个质量中心，磁性体有两个磁性中心；4、磁异常特征受纬度影响大。ECITEASTCHINAINSTITUTEOFTECHNOLOGY§3.1地球的磁场ECITEASTCHINAINSTITUTEOFTECHNOLOGY存在于地球周围的具有磁力作用的空间称地磁场。他由基本磁场、变化磁场、磁异常三部分组成。一、主磁场主磁场占地磁场的99%以上，主要是由地核内电流的对流形成，是一种由偶极子场和非偶极子场组成的内源磁场。

I、D、X、Y、Z、H和T各量都是表示地磁场大小和方向的物理量，称为地磁要素。地磁绝对测量通常测定I、D、H三要素的绝对值，磁法勘探则是测定T的相对值。为了研究地磁场在地表的分布规律，需要利用地磁绝对测量的成果绘制地磁要素的等值线平面图，称为“地磁图”。地磁要素是随时间变化的，因此必须把观测数据归算到某一特定的日期。ECITEASTCHINAINSTITUTEOFTECHNOLOGY1980.0年代世界地磁场垂直分量等值线平面图（单位为μT）ECITEASTCHINAINSTITUTEOFTECHNOLOGY1980.0年代世界地磁场水平分量等值线平面（单位为μT）ECITEASTCHINAINSTITUTEOFTECHNOLOGY1980.0年代世界等倾线图（单位：度）ECITEASTCHINAINSTITUTEOFTECHNOLOGY1980.0年代世界等偏线图（单位：度）ECIT从世界地磁图中减去地磁场的偶极子磁场(约占主磁场的80%)，即可得到非偶极子磁场。非偶极子磁场围绕着几个中心分布，每个中心都有各自的正、负极性，且分布的地域很广。

1980.0年代世界非偶极子磁场垂直分量等值线平面图(单位为μT)ECITEASTCHINAINSTITUTEOFTECHNOLOGY我国地磁要素图有以下特征：①磁偏角的零偏线由蒙古穿过我国中部偏西的甘肃省和西藏自治区延伸到尼泊尔、印度。零偏线以东偏角为负，其变化由0度至-11度；零偏线以西为正，变化范围由0度至5度。②磁倾角由南向北，I

值由-10度增至70度。③地磁场水平强度（H）从南至北，H值由40000nT降至21000nT。④垂直强度自南至北由-10000nT增加到56000nT。⑤总场强度由南到北，变化值为41000nT至60000nT。ECITEASTCHINAINSTITUTEOFTECHNOLOGY二、变化磁场主磁场随时间的缓慢变化，称为地磁场的长期变化。磁偏角、磁倾角和地磁场强度都有长期变化。从伦敦、巴黎和罗马的资料可以推测，磁偏角的变化周期约为500年。ECITEASTCHINAINSTITUTEOFTECHNOLOGY起源于地球外部并叠加在主磁场上的各种变化磁场称为短期地磁变化。变化磁场可以分为两类：一类是连续出现的，比较有规律且有一定周期的变化；另一类是偶然发生的、短暂而复杂的变化。前者称为平静变化，后者称为扰动变化。ECITEASTCHINAINSTITUTEOFTECHNOLOGY地磁场的空间变化：I、T、Z、H等值线图几乎是沿磁纬度线均匀分布的，其最大梯度方向就是磁子午线方向。地磁场随子午线方向的变化率称为正常水平梯度；场强随高度的变化也是不断衰减的，其变化率称为正常垂向梯度。ECITEASTCHINAINSTITUTEOFTECHNOLOGY

例如，武汉地区某年的垂直强度Z=34350nT，水平强度H=34800nT，取R=6371km，则其梯度值为就是说，在武汉地区当高度升高1km时，T值减小23.02nT；向北方向移动1km时，T值增加5.76nT。

由上述分析可知，正常梯度值是随着地理坐标及高度变化而变化的。因而，在较大面积进行地面或航空高精度磁测时，必须消除随地理坐标及高度变化的影响，这种影响的校正称为正常梯度校正。ECITEASTCHINAINSTITUTEOFTECHNOLOGY三、磁异常消除了各种短期磁场变化后，实测地磁场与正常磁场之间仍然存在的差异称为磁异常。磁异常是地下岩、矿体或地质构造受到地磁场磁化以后，在其周围空间形成、并叠加在地磁场上的次生磁场。磁异常中由分布范围较大的深部磁性岩层或区域地质构造等引起的部分，称为区域异常；由分布范围较小的浅部磁性岩、矿体或地质构造等引起的部分，称为局部异常。

磁法勘探中磁异常和正常磁场的概念只具有相对意义，根据待解决的地质问题和探测对象来确定。ECITEASTCHINAINSTITUTEOFTECHNOLOGY四、地磁场的起源地球磁场的起源仍是地球科学研究的重要问题之一。

自激发电机效应假说建立在地球内部构造的现有知识基础上，这种假说认为：1.液态地核内部由于温度梯度、或温差、压力差等原因产生涡旋运动，使地核成为良导电体；2.地球绕轴自转引起回旋磁效应存在微弱初始磁场，虽然比地磁场小10倍，但引起再生效应已经足够；3.地核电流体形成，通过感应方式电流自身形成的场又可以连续不断地再生磁场，从而增强了原来的磁场，由于地核电流体持续运动而不断提供能量，因而引起一种自激发电机效应。能量的不断消耗和供应，磁场增强到一定程度就会稳定下来，形成现在的地球基本磁场。假说不仅能满意地定性解释地磁偶极子场和非偶极子场的起源，而且也能解释地球磁轴倒转现象。ECITEASTCHINAINSTITUTEOFTECHNOLOGY一、磁力仪的类别按照磁力仪的发展历史及应用的物理原理，可分为：

第一代磁力仪

根据永久磁铁与地磁场之间相互力矩作用原理，或利用感应线圈以及辅助机械装置制作，如机械式磁力仪、感应式航空磁力仪等。

第二代磁力仪

根据核磁共振特征，利用高磁导率软磁合金，以及复杂的电子线路制作，如质子磁力仪、光泵磁力仪及磁通门磁力仪等。

第三代磁力仪

根据低温量子效应原理制作，如超导磁力仪。

磁力仪按其内部结构及工作原理可分为：①机械式磁力仪；②电子式磁力仪。

磁力仪按其测量的地磁场参数及其量值可分为：①相对测量仪器；②绝对测量仪器。

从磁力仪使用领域可分为：地面磁力仪、航空磁力仪、海洋磁力仪以及井中磁力仪。§3.2磁力仪ECITEASTCHINAINSTITUTEOFTECHNOLOGYECITEASTCHINAINSTITUTEOFTECHNOLOGY二、质子磁力仪具有灵敏度、准确度高的特点，可测量地磁场总强度T的绝对值、梯度值。质子磁力仪使用的探头中有蒸馏水、酒精、煤油、苯等富含氢的液体。

当没有外界磁场作用于含氢液体时，其中质子磁矩无规则地任意指向，不显现宏观磁矩。若垂直地磁场T的方向，加一个强人工磁场H0，则样品中的质子磁矩，将按H0方向排列起来，此过程称为极化。然后，切断磁场H0，则地磁场对质子有一力矩作用试图将质子拉回到地磁场方向，因而在力矩作用下，质子将绕着地磁场T的方向作拉莫尔旋进。ECITEASTCHINAINSTITUTEOFTECHNOLOGY理论物理分析研究表明，氢质子旋进的角速度ω与磁场的大小T成正比：

ω=γ·T

γ=（2.6751987±0.0000075）×108T-1S-1

ω=2πf则有{T}nT=2πf/γ=23.4874{f}Hz可见，只要能准确测量出质子旋进频率，乘以常数就是地磁场的值。测定地磁场T的量值，须使质子作自由旋进运动，为此要将质子磁矩极化，使之偏离T的方向一个角度。ECIT质子旋进信号的衰减在接收线圈内，感应讯号的电压为

感应信号与κpH0成正比。选用单位体积内质子数目多的工作物质；使用大极化电流，产生强极化磁场信号幅度与质子旋进圆频率ω=γpT成正比。目前，质子磁力仪的测程是20000～100000nT，满足地面、海洋及航空磁测信号幅度亦与sin2θ有关。θ接近于零度是探头的工作盲区旋进信号是按指数函数规律衰减的正弦信号。信号的衰减与探头所处的磁场梯度有关，梯度越大，衰减愈快。精确测定旋进频率（即地磁场值）所允许存在的地磁场最大梯度叫仪器的梯度容限ECITEASTCHINAINSTITUTEOFTECHNOLOGY§3.3磁测野外工作方法磁测工作一般分为几个阶段：设计阶段、野外施工数据采集阶段、资料整理阶段、成果图示和报告编写阶段。每个阶段的具体内容和技术要求在部颁规范中都有叙述。一、磁测精度的确定磁测工作中采用磁力仪的类型不同，达到的磁测精度也各不相同，我国通常将磁测精度分为如下三级：高精度：均方误差≤5nT中精度：均方误差6nT~15nT低精度：均方误差≥15nT

其中均方误差﹤2nT的定为特高精度磁测。采用何种磁测精度由探测对象的最小有意义磁异常强度Bmax低决定，根据误差理论大于三倍均方误差的异常是可信。ECITEASTCHINAINSTITUTEOFTECHNOLOGY二、测区、比例尺和测网的确定

普查型磁测工作的线距不大于最小探测对象的长度，点距保证至少有3个测点能反映最小异常；详查或勘探性磁测工作，应有5条测线通过主要异常或所要研究的地质体，点距应满足反应异常特征的细节及解释推断的需要。测线应垂直于测区内总的走向或主要探测对象的走向，必要时可在同一测区内布置不同方向的测线。ECITEASTCHINAINSTITUTEOFTECHNOLOGY三、野外施工1、基点、基点网的建立为提高观测精度，控制观测过程中仪器零点漂移的影响，并将观测结果换算到统一的水平，在磁测工作中要建立基点。野外施工中，当天出工前要在基点上观测取数，称为“对早基”，收工前必须在同一基点观测取数“对晚基”。2、日变观测为提高磁测质量，必须设立日变观测站消除地磁场周围变化和短周期扰动的影响。日变观测站必须设在正常场内温差小、无外界磁干扰和地基稳固的地方，观测时早于出工的第一台仪器，晚于收工的最后一台仪器。ECITEASTCHINAINSTITUTEOFTECHNOLOGY3、测点观测记录工作日期、点线号、观测值、观测时间，随时注意读数变化，变化大的异常要立即自行加密测点观测，追踪异常极大值、极小值。切忌操作员和仪器探头携带者携带磁性物品，注意地质、地形和干扰物的记录，以便分析异常使用。4、质量检查为对全区观测质量作出精确的估价，应阶段性对测点布置一定量的第二次独立观测。平稳场检查点数要大于总测点数的3%，异常场检查点数为总检查点数的5%~30%，每次检查点数不得少于30个。

一同三不同：同一测点、不同时间、不同人、不同仪器四、磁测成果的图示地面磁测结果通常绘制三种基本图件：磁异常剖面图、磁异常平面剖面图、磁异常平面等值线图。ECITEASTCHINAINSTITUTEOFTECHNOLOGY§3.4磁异常的正演一、有效磁化强度矢量

假设磁性体均匀磁化且不考虑退磁和剩磁，磁化强度矢量M的空间分布如图，Ms为M在XOZ面（即观测剖面）的投影（分量），称为有效磁化强度矢量；MH为M在XOY面的投影称水平磁化强度矢量；I表示M的倾角即磁化倾角；is为Ms的倾角即Ms与OX轴间夹角，称为有效磁化倾角；A’为Mx与MH间的夹角，A为磁性体走向与磁北的夹角。

ECITEASTCHINAINSTITUTEOFTECHNOLOGY磁性体被磁化不仅与当地地磁场的大小和方向有关、与其自身磁化率有关，还与磁性体的走向或剖面方向有关。

在影响磁性体磁场特征的诸因素中，当形体确定后，磁化强度的方向是决定磁场特征的主要因素。

1、△T的物理意义

磁异常总强度矢量Ta是磁场总强度T与正常场T0的矢量差，即：而△T是T与T0的模量差L：△T即不是Ta的模量，也不是在T0方向的投影。

θ是Ta与T0间的夹角，当Ta«T0时：上式表明，当磁异常Ta强度不大时，可近似把△T看作是Ta在T0方向的投影。

ECITEASTCHINAINSTITUTEOFTECHNOLOGY二、总磁场强度异常

不同类型的磁力仪可测得磁异常的不同分量。现在，不论是高精度地面磁测，还是航空磁测，都是直接测量地磁场总强度T，减去正常地磁场后得到总磁场异常△T。

ECITEASTCHINAINSTITUTEOFTECHNOLOGY三、球体的磁场

一些有限大小的地质体,当中心埋深比其直径大很多时,它们在地面产生的磁场特征与球体的磁场特征近似。因此，讨论球形磁性体的磁场不仅有实际意义，也有代表性。当x=0时，有令Za=0，可求得Za曲线的零值点坐标：

ECITEASTCHINAINSTITUTEOFTECHNOLOGY我国处在中纬度地区，受地磁场倾斜磁化，球体的△T磁场总是由正、负两部分组成。在剖面上，曲线一般是不对称的，其两侧出现负值，负极小值出现在正值的北面，只有在东西剖面上，由于两磁极的投影都位于坐标原点，△T曲线才变得对称。ECITEASTCHINAINSTITUTEOFTECHNOLOGYECITEASTCHINAINSTITUTEOFTECHNOLOGY四、水平圆柱体的磁场

对水平圆柱体，讨论沿走向水平无限伸长，且沿走向水平圆柱体的埋深、截面形状、磁化特征均稳定的情况。通常将自然界中延深和宽度都比较小，走向无限的磁性体看作水平圆柱体。

当is=90°，即水平圆柱体为南北走向时，由上式可得：

当x=0时，有

令Za=0，可求得Za曲线的零值点坐标：

ECITEASTCHINAINSTITUTEOFTECHNOLOGYECITEASTCHINAINSTITUTEOFTECHNOLOGY五、板状体的磁场

1.顺层磁化无限延深厚板所谓厚板，是指板的宽度大于或等于其上顶埋深，顺层磁化是指磁化倾角与板状体的倾角一致。因此，无限延深厚板仅在其顶面和底面分布磁荷。

在顶面中心上方坐标原点0处，故Za取得极大值。测点向两边移动时，Za也随之减小至零。ECITEASTCHINAINSTITUTEOFTECHNOLOGY2.斜交磁化无限延深厚板斜交磁化是指板的侧面与磁化强度矢量Ms斜交的情况。这时板的顶面、底面和侧面都分布磁荷。

ECITEASTCHINAINSTITUTEOFTECHNOLOGY3.有限延深厚板

有限延深厚板可以看作是两个埋深不同，但顶面宽度和倾角都相同的无限延深厚板相减的剩余部分。

有限延深厚板与无限延深厚板磁场特征的区别：对顺层磁化有限延深厚板下底面有正磁荷分布，而无限延深厚板只有上顶面有负磁荷分布，它使得曲线的两侧都有负值。ECITEASTCHINAINSTITUTEOFTECHNOLOGY4.水平薄板和台阶的磁场产状水平的磁性薄岩层可看作水平薄板。它可以看作是有限延深厚板特例，即板的下延深度很小的情况。磁性接触带或某些断层可视为台阶。台阶是厚板的一个特例，即板的宽度向一个方向趋于“无穷远”的情况。沿台阶延伸方向出现正异常，且正极大值出现在端面附近，另一侧出现负异常。ECITEASTCHINAINSTITUTEOFTECHNOLOGY六、规则磁性体与磁异常关系1、磁性体与其磁场平面分布的对应关系单个磁性体磁异常的平面等值线形状大体可分为三种，即长带状、等轴状和椭圆状。平面等值线的形态往往是磁性体水平展布情况的反映，磁异常轴的方向一般反映地质体的走向。根据等值线的形状，把磁性体区别为二度异常和三度异常即取1/2极大值等值线，若长轴为短轴长度的三倍以上，则视为二度体异常；否则为三度体异常。2、磁性体与其磁场的剖面对应关系（1）两侧无负异常的△T曲线

△T异常为两侧无负值的曲线。其极大值对应原点。这种剖面异常特征可作为判定磁性体顺层（或顺轴）磁化且向下无限延深的标志。

ECITEASTCHINAINSTITUTEOFTECHNOLOGY（2）一侧有负异常的△T曲线

斜磁化无限延深板状体的△T剖面曲线为一侧有负值的曲线。负值位于Ms穿出板面的一侧。曲线的不对称性决定于γ（=α－is）角的大小；γ角愈大，曲线愈不对称。可根据△T曲线的陡缓判定板状体的倾向。

（3）两侧有负值的△T曲线

剖面曲线两侧出现负值，是磁性体下延深度不大的表现。在垂直磁化情况下，其△T曲线为两侧有负值的对称曲线；并且其极值对应原点。顺层磁化有限延深板状体，在板体倾向一侧负值较强；对有限延深、倾斜且斜磁化的板状体，其曲线的非对称性不仅与γ角有关，还与磁性体下端的位置有关。ECITEASTCHINAINSTITUTEOFTECHNOLOGY

已知磁场的空间分布特征来确定地下所对应的场源体特征，确定磁性体的赋存空间位置、形状、产状及磁化强度的大小和方向等称为磁异常的反演问题。

磁异常反演过程分为定性-半定量解释和定量解释两个阶段，解释中存在以下两个较为普遍的问题：

（1）场源体非均匀磁性问题

对具有一定埋深的场源在反演解释过程中假设其为均匀磁化。

（2）反演的多解性问题

为了减少磁异常反演的多解性问题，必须充分利用地质及其它地球物理资料进行综合推断解释。§3.5磁异常的反演ECITEASTCHINAINSTITUTEOFTECHNOLOGY一、特征点法

利用磁异常曲线上一些特征值，如极大值、半极值、1/4极值，拐点，零值点及极小值等坐标位置和坐标之间的距离，求解磁源体参量的方法称为特征点法。其实质就是求解出不同形状磁性体磁场解析式的特征点与该形体参量间的关系式，然后由异常曲线上读取各个特征值代入相应关系式求得反演结果。ECITEASTCHINAINSTITUTEOFTECHNOLOGY二、切线法

切线法是利用过异常曲线上的一些特征点（如极值点，拐点）的切线之间的交点坐标来计算磁性体产状要素的方法。该方法简便、快速、受正常场选择影响小。1.经验切线法应用最早的一种切线法，经验切线法对顺层磁化无限延深的板状体，垂直磁化有限延深直立板状体能获得较好的效果。

ECITEASTCHINAINSTITUTEOFTECHNOLOGY2.斜磁化二度无限延深板状体的异常切线法ECITEASTCHINAINSTITUTEOFTECHNOLOGY三、沃纳(Werner)反褶积方法

利用计算机进行自动计算基底深度和了解基底构造形态的方法。沃纳反褶积法的基本模型是下延无限的直立或倾斜薄板、接触带。该系统除了利用记录的总场强度曲线外，还利用了一条测量的或计算的垂直梯度剖面及一条计算的水平梯度剖面。

ECITEASTCHINAINSTITUTEOFTECHNOLOGY四、欧拉(Euler)齐次方程方法

该方法是一种能自动估算场源位置的位场反演方法，它以欧拉齐次方程为基础，运用位场异常、空间导数以及各种地质体具有的特定的“构造指数”来确定异常场源的位置。尤其适用于大面积重磁测量数据的解释。

ECITEASTCHINAINSTITUTEOFTECHNOLOGY§3.6磁异常的转换处理磁异常的转换处理主要有圆滑、划分异常、磁异常的空间转换；分量换算、导数换算、不同磁化方向之间的换算等等。

早在20世纪50年代，导数计算、解析延拓、化磁极等方法已相继提出。一直到20世纪60、70年代以后，由于电子计算机的广泛应用，磁异常的转换处理才变得容易实现并不断得到完善。

一、解析延拓

向上延拓是一种常用的处理方法，它的主要用途是削弱局部干扰异常，反映深部异常。

ECITEASTCHINAINSTITUTEOFTECHNOLOGY

向下延拓突出叠加在区域背景上的局部异常，“放大”某些在低缓异常中不够明显的异常特征，有利于进一步解释推断。但随着延拓深度的加大，一些浅的局部干扰或误差也迅速增大，使曲线发生剧烈跳动，甚至出现振荡而无法利用。

向下延拓还可以评价低缓异常，低缓异常是指强度和梯度都比较小的异常，显然这是磁性体埋藏较深的标志。ECITEASTCHINAINSTITUTEOFTECHNOLOGY二、导数换算

导数可以突出浅而小的地质体异常特征而压制区域性深部地质因素的影响，在一定程度上可以划分不同深度和大小异常源产生的叠加异常，且导数的次数越高，这种分辨能力就越强。

ECITEASTCHINAINSTITUTEOFTECHNOLOGY三、不同磁化方向之间的换算

ECITEASTCHINAINSTITUTEOFTECHNOLOGY四、重磁异常的对应分析

在解释中能综合利用多种物化探和地质信息，各种不同的资料彼此印证，互相补充，可以减少多解性，改善解释的效果。我国亚东—格尔木地学断面上的重磁场上延100km后的相关系数图ECITEASTCHINAINSTITUTEOFTECHNOLOGY五、小波分析方法

小波分析方法是近年来发展起来的新的数学方法，广泛的应用于信号处理、图像处理、模式识别等众多的学科和相关技术研究中。利用小波多尺度分析方法，将磁异常分解到不同尺度空间，作为一种新的位场分离途径，小波多尺度分析方法为磁测解释提供了新的思路。多尺度分析方法应用于磁测资料处理，野外观测值S经一阶小波分解，得到局部场D1和区域场A1，把A1作二阶小波分解得到D2和A2，再把A2作三阶小波分解可得A3和D3，……

ECITEASTCHINAINSTITUTEOFTECHNOLOGY§3.7磁