第三章磁法勘探课件.ppt

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1、 地球磁场：地球本身及其周围的磁场叫做地球磁场。地磁场是矢量场，其分布范围广，从地核到 空间磁层边缘处处有分布。地磁场的分布、变化规律及起源等问题是地磁学研究的范畴。在 磁法勘探工作中，由磁测设计、野外施工、资料整理、磁异常提取直至推断解释，都必须考 虑地磁场的分布特征和变化规律。表征地磁场的物理量是地磁场感应强度。由于相当长的时间内一直沿用CGSM制，在CGSM制中，真空中磁感应强度与磁场强度（）相当，因此以往的磁法勘探书中将磁感应强度称做磁场强度。本书沿用这一习惯称法，除岩矿石磁化磁场确系磁场强度外，其它章节所提及地磁场强度 即指地磁感应强度。一、地磁要素及其分布特征 1地磁要素 地磁要素

2、描述地磁场大小与方向特征的物理量。地磁场是一个矢量场，因此，空间任何一点的地磁场F必须用三个独立的分量才能表示出来。这些分量的名称及其度量方法，根据采用坐标系的不同而不同。例如，直角坐标系中用北向分量X，东向分量Y和垂直分量Z表示，这些分量分别以地理 北、地理东和垂直向下指向地心为正向;球坐标系中用磁偏角D、磁倾角I和水平分量H表示。D是F偏离正北方向的角度，以F偏东为正、偏西为负；I是F偏离水平面角度，在北半球取F下倾的I为正，在南半球取F上仰的I为正；H是F在水平面上的投影，以指磁北为正向;柱坐标中用磁偏角D,水平分量H和垂直分量Z表示。地磁学中人们把描述地磁场大小和方向的物理量X、Y、Z

3、、H、D、I、F称做地磁要素。此外，称F所在的垂直平面为磁子午面。各要素之间并不互相独立，其关系如图 626所示，其关系式为:FX2Y2Z2 H2X2Y2 YHsinD ZHtanI 地磁七个要素中只要知道其中三个独立的要素，那么其余四个也可以计算出来了，故又称三个独立的要素为地磁三要素。2地磁场强度的单位 目前国际上统一使用“国际单位制(SI制)”，用特斯拉或符号 T 表示地磁场强度单位 磁法勘查则取其更小的单位纳特（)为实用单位。在地球物理文献中，过去使用电磁单位(CGSM)制：其中用G(高斯)单位或（伽马)表示磁感应强度B；用Oe(奥斯特)表示磁场强度F的大小。在此单位制中空气和真空中的

4、1，所以在空气中 BF 1G与1Oe在数值上相等。目前已普遍使用国际单位制，在国际单位制中：磁感应强度B的单位为N/(A*m)，即牛顿/(安培米)，称为特斯拉，用T表示，它与G和的换算关系为：1G=10-4Tgauss(G)=10-4T1109T1nT（纳特）Earthsfield0.3-0.6gauss 3地磁场的构成和磁异常(1)地磁场的构成 在地面上观测所得到的地磁场T是各种不同成分的磁场的总和。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。按其来源和规律不同，可将地磁场分为两部分：一是主要来源于固体地球内部的稳定磁场T；二是主要起因于固体地球外部的变化磁场。因而，地磁场T可以

5、表示为：T=TS+继1838年高斯提出球谐分析之后，1885年由A史密特(ASchmidt)利用总磁场的球谐分析方法和面积分法，把稳定磁场和变化磁场分解为起源于地球内、外的两部分，故有 其中Tsi是起因于地球内部的稳定磁场，占稳定磁场总量的99%以上；Tse是起源于地球外部的稳定磁场，仅占1%以下。e是变化磁场的外源场，约占变 化磁场总量的2/3；i为内源场约占其总量的1/3,i实际上也是由于外部电流 感应而引起的。一般情况下，变化场为稳定场的万分之几，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T为中心偶极子磁场，T为非偶极子磁场，也称为大陆磁场或世

6、界异常，这两部分的磁场之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T场几乎占80-85%,故它代表了地磁场空间分布的主要特征。内源稳定磁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，称为地壳磁场，又称为异常场或磁异常，以T表示。其分布范围一般在数公 里或数十公里者，称为局部异常(Ta)，达数百或数千公里者，称为区域磁场(Ta)。这两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。而对于磁法勘查来说，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。综上所述，地球磁场的构成可用

7、下式表示：而式中外源稳定磁场Tse，因数量级极小，通常可被忽略。(2)正常场和磁异常 按研究地磁场的目的不同，可将地磁场分为正常地磁场(正常场)和磁异常(异常场)两部分。在地磁学研究中，有确定的正常地磁场和明确含义的磁异常的概念。而通常情况下，正常场和异常场是相对的概念，正常磁场可以认为是磁异常(即所要研究的磁场)的背景场或基准场。如研究大陆磁异常，则将中心偶极子场作为正常地磁场；研究地壳磁场时，以中心偶极子场和大陆磁场之和为其正常场，可见正常场的选择是根据所研究磁异常的要求而确定的。磁法勘查在地质工作中的应用，因解决各种地质问题的对象不同、测区大小不同，关于正常磁场的选取也是相对的。例如，在

8、弱磁性或非磁性地层中要圈定强磁性岩体或矿体，通常将前者所引起的磁场作为正常背景场，而后者产生的磁场为磁异常；有时要在磁性岩层中圈定 非磁性地层，这时可把磁性岩层的磁场作为正常场，非磁性地层中的磁场相对变化为异常场。总之，以正常背景场作为基准场，有效地提取所研究对象的磁场变化，进一步 研究其异常场与所要解决的各种地质问题的对应关系，这是磁法勘查中解释磁异常的一项重要任务。4地磁图和地磁场分布的基本特征(1)地磁测量和地磁图 地磁场是空间和时间的复杂函数，为了满足地面上定向、航空、航海、资源勘查以及地磁学本身研究的需要，需要根据地磁测量的结果定期地编绘出相应的各种图件。完成地磁观测任务的测点通常为

9、两类：一类是连续地测定地磁要素绝对值及随时间变化场值，此类有固定的测点，称其为地磁台；另一类是野外测点，在这些测点上间断地测定地磁要素绝对值。由这两类测点组成了某地区、某国家甚至全球范围的地磁测网。当进行全球性的研究时，不可忽略超过陆地面积四分之三的海域地磁测量。为此，必须充分利用海洋磁测、航空磁测和卫星 磁测，它们可以在短时间内获得大面积或全球范围的磁场三分量(X、Y、Z)及其它地磁要素 的地磁资料。地磁要素是随时空变化的，要了解其分布特征，必须把不同时刻所观测的数值都归算到某一特定的日期，国际上将此日期一般选在1月1日零点零分，这个步骤称之为通化。将经通化 后的某一地磁要素值按各个测点的经

10、纬度坐标标在地图上，再把数值相等的各点用光滑的曲 线连结起来，编绘成某个地磁要素的等值线图，便称为地磁图。地磁图按要素D、I、T、H、Z、X及Y可分别绘制出相应的等值线图，按编图范围分类，有世 界地磁图和局部地磁图两种；世界地磁图表示地磁场在全球范围内的分布，通常每五年编绘 一次，图2.2-2至图2.2-6为1980.0年代的D、I、H、Z及T等要素的世界地磁图。根据各地磁要素在地理分布上的基本特征，可以认为地球基本磁场的模式与一个位于地球中心并与其旋转轴交角为115的地球中心偶极子场很相似。两者地磁要素分布基本特征大致吻合，但在相当广大的区域内两者之间存在着明显的差异，若从世界正常地磁图所表

11、示的结果中减去地心偶极子磁场(T)。所得差值即为非偶极子场(T)，图2.2-7为 非偶极子垂直分量强度分布图，可见全球有几个正负中心，其中最明显的四个大陆磁场(世 界磁异常)有：东亚、南极大陆、非洲西部和大洋洲。(3)中国及邻区MAGSAT卫星磁力异常 5地磁场的起源 二、地磁场的解析表示 三、变化磁场 叠加在地球基本磁场上的变化场，指的是随时间变化的磁场，从它们的特征和成因来说，总体可以分为两大类型：一类是地球内部场源缓慢变化的长期变化场；另一类主要起因于地球外部场源的短期变化场。现简介如下：1长期变化场 地磁场长期变化总的特征是随时间变化缓慢，周期长。一般变化周期为几年，几十年，有的 更长

12、。对地磁场的长期变化，主要是通过世界各地的地磁台长期的、连续的观测数据，取其 平均值来进行研究的 但因从事这方面测量的历史较短，分布范围有限，对更长周期变化场 的研究有较大限制，故必须提出相应的间接研究方法，如考古地磁及古地磁等，可追索得到 古代地磁场的长期变化场的许多重要资料。2地磁场的短期变化 地磁场的短期变化主要起因于固体地球外部的各种电流体系。按其变化特征也可分为两类：一类是按一定的周期连续出现，月变化平缓而有规律，称为平静变化；另一类是偶然发生，持续一定时间后就消失，是短暂而复杂的变化，变化幅度可以很强烈，也有的很小，称之为 扰动变化。(1)平静变化 平静变化又根据变化周期和幅度等特

13、征，分为太阳静日变化(Sq)和太阳日变化(L)。由于后者变化幅度仅12nT，又重叠在太阳静日变化之中，对磁法勘查影响甚微。故不单独考虑。太阳日变化是以一个太阳日24小时为周期，称为地磁日变，它的变化是依赖于地方太阳时，其基本特点是：各个地磁要素的周日变化是逐日不停地在进行，其中振幅易变、相位几乎不变。白天(618)时磁场变化较大，夜间较平静。夏季的变化幅度最大，冬季的幅度最小、春 秋季节居中。日变的平均幅度为nn10nT，见图2.2-12；太阳日变化另一特点是它与该日的地磁活动性有关，受太阳黑子活动周期性的影响。经统计可选出一个月中有最大和 最小干扰各五天，这几天内世界各地地磁台测得的周日变化

14、，分别称为国际扰日变化(S a)和静日变化(Sq)，其它称为一般日变化。更明显 的极值，在赤道附近变幅最大，甚至可达200nT，而在30附近最小，近于零，曲线也有 明显的相位反转。扰日变化和静日变化有显著区别，尤其是垂 直分量的曲线形态及变幅均有明显差异；利用世界各地磁台的国际静日变化(Sq)记录 的统计平均资料，可以得出地球表面不同点上的Sq变化特征。在同一磁纬度上，它们 的变化几乎从形态到幅值均很相似。而在同一经度不同纬度上则变化的差异很大。由图2.2-13清楚地看到不同纬度上春、秋分三分量静日变化的特点。Z分量的Sq(Z)曲线的基 本 特征是在中午前后有一明显的极值，变幅在磁纬度m=30

15、 附近最大，向两极或赤 道变幅逐渐减小，曲线有明显的相位反转，北半球为负极值、南半球为正极值。东向分量 Sq(Y)在早晨和中午各有符号相反的两个极值，在30附近变幅最大，赤道附近近于 零，在南、北半球的曲线有明显的相位反转。北向分量Sq(X)曲线在午前有一更明显 的极值，在赤道附近变幅最大，甚至可达200nT，而在30附近最小，近于零，曲线也有 明显的相位反转。中国地区静日变化随磁纬度分布的基本特征与世界的Sq变化在北半球中低纬度区的特征相似。(2)扰动变化 地磁场的扰动变化是叠加在平静变化场水平上的地磁扰动，变化幅度可小于1nT到n103nT，持续时间可小于1秒到几天不等，而且相互重叠，地磁

16、扰动可分为两类：一类为无明显周期，变化幅度范围较大的磁扰动。按其物理机制又可分成六种，其中磁暴往往遍及全球；另一类为变化幅度很小，具有准周期结构特征的地磁脉动，同样它也可进一步 分类。与磁法勘查关系密切的是磁暴和地磁脉动，现简介如下：磁暴 磁暴是一种强烈的扰动。从赤道到极区均可观察到磁暴现象，而且几乎是全球同时发生。发生时对地磁场水平分量的强度影响特别显著，而对垂直分量影响相对小些。因此，通常研究磁暴的形态和特征是通过水平分量变化来进行的。磁暴按其始发时间通常可分为急始型(SC)和缓始型(GC)两种。若按其变化强度可分为三级，即小磁暴、中强磁暴和强烈磁暴。磁暴强度有从低磁纬度到高磁纬度逐渐变强

17、的规律。就同 一磁暴其变幅在不同地磁纬度上也有所不同。一般中强磁暴可达数百纳特，持续时间可达数 天。单个磁暴也可使水平分量强度增到几千纳特。在磁暴发生的过程中，H分量的平均值(D SS）以一定形态变化，可分为三个相阶段，即磁暴始发时的初相段、主相段和结束时的 恢复平静相段，这三个相段在任何全球性磁暴的发展过程中都可以观察到。图2.2-14为1959年7月14日中国余山地磁台观察的磁暴曲线，明显地可以见到此特征。一般认为磁暴发生与太阳黑子出现有关。因而，磁暴发生也有一定时间分布规律，太阳活动 性愈强的年份磁暴发生频率愈高，最多一年可有2040次。即使太阳活动性极小的年份也可 有520次，且相当多

18、的磁暴具有相隔27天左右重现的规律性，以及以11年为周期的特点。磁 暴发生频率还与季节性有关。通常春秋磁暴多，冬夏较少。地磁脉动 地磁脉动是一种地磁场的微扰变化，它具有准周期结构的特点，一般周期介于n101n102s 频率范围从毫赫兹到赫兹，振幅的变化范围为n10-3 n10nT(在强扰动期间也可达数百纳特)。地磁脉动可分为两大类型：一类是规则稳定连续型脉动，也称Pc型脉动，它具有准正弦 波形和稳定状态的 振动特点。脉动周期范围一般为0.2-1000s，这类脉动持续时间可达数小 时，根据其周期及形态特征和物理性质不同，再可分为六种类型。另一类是不规则型的或衰 减型的振动系列，记为Pi型。它也可

19、再分为二种类型。这类微扰形态虽为不规则型，但类似于阻尼振荡之特点，在振动中振幅是逐步衰减的。持续时间为几分到几十分钟。通过本节讨论可知，地球变化磁场与磁法勘查是十分密切关联的。例如利用不同年代的航磁 进行编图时，应该考虑到地磁场的长期变化的特点，需在不同年代的时间统调之基础上进行；在高精度磁测中，地磁周日变化是一种严重干扰场，一般在地面磁测、航空磁测过程中设有专用仪器进行地磁日变观测，以便进行相应的校正，称为日变改正。但在海上磁测时，这是一个困难的问题，如近海测量，虽然可建立日变站进行观测校正，但由于海岸效应等因素会影响其精度。若为远洋磁测，就根本无法建立日变站，因此，为了提高测量精度必须提出 相应的措施，消除其日变干扰场；在强磁暴和强磁扰期间，应该停止野外磁测工作，避免那 些严重的地磁扰动覆盖在地质体异常之上。然而，短期变化场中也有对磁法勘查工作有利之 处，如地磁脉动微扰是一种更短周期的电磁波，它在具有高电导率的地壳层中可能是产生感 应大地电流电磁场的天然场源，作为磁测的激发场。故有可能利用它来区分矿与非矿异常。且测量其大地电流可以确定地壳层的电导率及其厚度等，以解决某些地质、地球物理问题。