1、普通物探第二篇 磁法勘探講課教師1 1、定義 磁法勘探是利用地殼內部各種巖(礦)石間的磁性差異所引起的磁異常來尋找有用礦產，查明地下地質構造的一種地球物理勘探方法。 前 言2地球的磁場2、發展史 磁法勘探是應用最早的地球物理方法。3我們的祖先最早發現磁石，并發明了指南針，證明地球表面存在著磁場；夢溪筆談（沈括，10311095）中寫道：“方家以磁石磨針鋒，則能指南，然常微偏東，不全南也”；北宋時已將指南針用于航海（“舟師識地理，夜則觀星，晝則觀日，隱晦則觀指南針”萍洲可談）；16世紀末，英國威廉吉爾伯特做過這樣的實驗，他把一塊吸鐵石磨制成圓球形，用小磁針測試這圓球面上的磁力分布。4結果發現，小

2、磁針傾斜的情況與當時地面上實測的磁傾角很相似。為此他斷言，地球本身就是一個巨大的球形磁體，并且地球的磁性作用是從地球內部發出的。從吉爾伯特那個時代開始;倫敦就開始了地磁場的系統觀測，至今已逾300多年。5我國古代四大發明之一指南針，該圖是司南和地盤復原模型6指南車的復原模型 一種用來辨認方向的儀器。車上有一小人，其手指的方向即為南方，傳說司南、羅盤都是根據它而發明。 71640年，瑞典人首次嘗試用羅盤調查磁鐵礦，開辟了利用磁場變化來尋找礦產的新途徑。直到1870年，瑞典人泰朗(Thalen)和鐵貝爾(Tiberg)制造了萬能磁力儀后，磁法勘探才作為一種地球物理方法建立和發展起來。1915年德國

3、人施密特（Schmidt）制成刃口式磁稱，大大提高了磁測精度，使磁法不僅在尋找鐵礦中起作用，同時還用來尋找其他礦產，并在圈定磁性巖體，研究地質構造以及尋找油田，鹽丘中得到應用。81936年前蘇聯人阿阿羅加喬夫試制成功感應式航空磁力儀，大大提高了磁測速度和磁測范圍，使磁法工作進入了一個新的階段。50年代末和60年代初，前蘇聯、美國又相繼把質子旋進磁力儀裝于船上，開展了海洋磁測。1950s，1960s，前蘇聯和美國將質子磁力儀移裝到船上，開展海洋磁測，其結果：在海洋磁測和古地磁研究成果支持下：復活了大陸漂移學說，發展了海底擴張和板塊構造學說；推動了地學理論的大變革、大發展！9磁法勘探可分為地面磁測

4、、航空磁測、海洋磁測和井中磁測 航空磁測是第二次世界大戰后發展起來的方法。它不受水域、森林、沙漠等自然條件的限制，測量速度快、效率高，巳廣泛應用于區域地質調查，儲油氣構造和含煤構造勘探（火燒區邊界），成礦遠景預測，以及尋找大型磁鐵礦床等方面。 地面磁測應用最早，而今它一般是在航空磁測資料的基礎上，進行更詳細的磁測工作，用以判斷引起磁異常的地質原因及磁性體的賦存形態。在地質調查的各個階段都有廣泛的應用。 海洋磁測是在質子旋進式磁力儀問世后才發展起來的。它是綜合性海洋地質調查的組成部分。此外，還用于尋找濱海砂礦，以及為海底工程(尋找沉船、敷設電纜、管道)服務。 井中磁測是地面磁測向地下的延伸，主要

5、用于劃分磁性巖層，尋找盲礦等。其資料對地面磁測起印證和補充作用。3、分類10航空磁測是第二次世界大戰后發展起來的方法。特點：不受水域、森林、沙漠等自然條件的限制測量速度快、效率高廣泛應用于區域地質調查、儲油氣構造和含煤構造勘查、成礦遠景預測，以及尋找大型磁鐵礦床等11地面磁測應用最早，而今它是在航空磁測資料的基礎上所作的更詳細的磁測工作。用以判斷引起磁異常的地質原因及磁性體的賦存形態。在地質調查的各個階段都有有廣泛應用。12海洋磁測是在質子旋進式磁力儀問世后才發展起來的。它是綜合性海洋地質調查的組成部分，此外、還用于尋找濱海砂礦，以及為海底工程(尋找沉船、敷設電纜、管道等)服務。13井中磁測是

6、地面磁測向地下的延伸，主要用于劃分磁性巖層，尋找盲礦等，其資料對地面磁測起印證和補充作用。14衛星磁測把磁力儀放航天器上進行的地磁測量。在很短的時間里，就可以取得某段時間內的整個地球磁場的資料。根據合適軌道的長期衛星磁測的資料，可以建立全球范圍的地磁場模型，如國際參考磁場模式；研究地磁場的空間結構和時間變化；研究全球范圍的磁異常情況；它還可以用作飛行器的姿態測量。衛星磁測是空間環境監測的重要組成部分15磁法勘探和重力勘探在理論基礎和工作方法上有許多相似之處，但是它們之間也存在些基本的差別。(1)就相對幅值而言，磁異常比重力異常大得多。我們知道，地殼厚度變化引起的重力異常最大，達5600 gu，

7、若正常重力以9800000 gu計算，則最大重力異常值也僅為正常重力值的千分之五。強磁性體產生的磁異常高達10-4T，若正常地磁場強度按0.510-4T計，則最大磁異常可以比正常地磁場強度大一倍；(2)從地面到地下數十公里深度內所有物質的密度變化都會引起重力的變化，說明重力異常反映的地質因素較多。但磁異常反映的地質因素卻比較單一，只有各類磁鐵礦床及富含鐵磁性礦物的其它礦床和地質構造才能造成地磁場的明顯變化；(3)密度體只有一個質量中心，而磁性體則有兩個磁性中心(磁極)，且它們的相對位置因地而異。當地質體置于不同的緯度區時，重力異常特征不變，而磁異常特征則要改變，因此磁異常總是要比重力異常復雜一

8、些。4、重力、磁法勘探的異同點16有關的磁學知識（復習）（一）磁場（Magnetic Field）磁性：磁鐵能吸引鐵、鈷、鎳等物質的特性，稱為磁性磁性體：具有磁性的物體；磁極：磁體中兩個磁性最強的部位，指北的一極稱為指北極或正磁極，用N表示，指南的一極稱為指南極或負磁極，用S表示;磁荷：正磁荷集中在磁體的N極（+） 負磁荷集中在磁體的S極（）磁力：兩個磁體的磁極之間的相互作用力；17兩個點磁極間的相互作用力為：rFF磁場：磁力作用的物質空間稱為磁場磁場強度（H）：單位磁荷在磁場中所受的力，稱為該點的磁場強度，用H表示，單位為A/m（安培/米）r方向為單位正磁荷在場中受力的方向磁力線：由磁體的正

9、極出發終止于負極的封閉曲線18磁感應強度B，根據畢奧薩伐爾定律：恒定電流I的無限長直導線周圍，距離為a的各點上該電流產生的磁場。SI制單位特斯拉（T），1T1Wb/m2，通常用較小的單位nT（納特），1nT10-9T在CGSM單位制中：用 （伽傌）為磁場強度的單位；兩種單位制之間的關系為： 1 =1nT19（二）磁化在外磁場作用下，沒有磁性的物體獲得磁性，稱為磁化 1、磁偶極子相距很近的兩個等量異性磁極，作為一個整體稱為磁偶極子。 稱為磁偶極矩，方向由負磁極指向正磁極。l2、磁化的本質 在外磁場作用下，物體中原子磁矩（m）趨外磁場方向定向排列的結果。203、磁化強度（M）或磁極化強度（J） 表

10、示物體被磁化的程度。 磁化強度（M） 單位體積的總磁矩 磁極化強度（J） 單位體積的總磁偶極矩 在SI單位制中 與m、J與M之間的關系： 214、 面磁荷密度（ ）與M的關系 當物體磁化后，若磁體內各處的磁化強度大小相等，方向相同，則稱該磁體為均勻磁化體。 均勻磁化體內無磁荷分布，僅在其表面有磁荷分布。H+M由右圖可見，若把小圓柱體看成磁偶極子，則有： = l = s l另外由 J 的定義得： =JV =Js lsin = J s lcos = J cos = J =oMnn225、磁化強度（M）與外磁場（H）的關系 實驗表明，當物體無限大時，則 M=H M的方向與H的方向一致。磁化率，表示物

11、質被磁化的難易程度。6、M與的單位M在SI單位制中：A/m在CGSM制中：CGSM關系為：1A/m=10 CGSM -3在SI單位制中：SI()在CGSM制中：CGSN()關系為：23第一章 地球的磁場第一節 磁法勘探的基礎知識24 1、單位磁極 在CGSM單位制中規定，在真空中兩個等量的點磁極，相互之間相距一厘米，作用力為一達因時，m1或m2稱之為一個絕對單位，通常用1CGSM單位表示。2、磁場單位為了表征磁場的大小，通常采用磁場強度的概念；單位正磁量的點磁極，所受的力為一達因時，作為磁場強度的單位，我們稱之為奧斯特(Oe)；磁法勘探實用的單位是(伽碼)。 1(伽碼)=10-5Oe(奧斯特）

12、3、磁力線 由于磁場強度是一個矢量，而磁場又是一個矢量場，我們為了描述場的性質，一般采用磁力線的方法，形象的表示磁場空間的分布。磁力線處處與磁場強度矢量相切；磁力線疏密的程度正比于磁場強度。254、磁學單位（nT）2627 二、磁偶、磁矩和磁偶的磁場1、磁偶不管是條形磁鐵或是磁針，都是具有正負磁荷的兩個磁極，它們是成對出現的，也就是說磁量相等而符號相反的兩個點磁極，總是共同出現的。我們將成對出現的磁量相等而符號相反的兩個點磁極稱之為磁偶。2、磁矩設有一磁量m，兩極之間的距離為l的磁偶在均勻磁場H中，則磁偶所受到的力偶矩為：MmlH，顯然這時如ml越大，則力偶矩M越大，可見ml反映磁偶本身的特點

13、，通常將這一物理量稱之為磁矩，它表示在單位外加磁場中，磁偶所受的最大力矩，用M示： Mml 既然磁偶在磁場中表現出力偶矩，就有旋轉方向的問題，其方向定為由負指向正，如圖所示。283、磁偶所產生的磁場如圖所示，任一點p的磁場強度H，經數學計算，由下式表示：29三、磁化強度及面磁荷30上式說明，當磁化強度和磁荷面斜交時，磁性體面磁荷密度等于磁化強度在該面外法線方向的投影。31地磁場有兩個磁極，其S極位于地理北極附近，N極位于地理南極附近，但不重合，磁軸與地球自轉軸的夾角現在約為11.5度，1980年實測的磁北極位于北緯78.2度、西經102.9度（加拿大北部），磁南極位于南緯65.5度，東經139

14、.4度（南極洲）。長期觀測證實，地磁極圍繞地理極附近進行著緩慢的遷移。3233341、地磁要素地磁場T在水平面(xoy)上的分量，稱為水平分量，以H表示。H的指向為磁北方向，磁北方向的延長線稱為磁子午線。T和水平面之間的夾角表示T的傾角，稱為磁傾角I。當T向下傾時，I為正，T向上傾時，I為負；磁子午線(磁北)和該點地理子午線(地理北)之間的夾角稱為磁偏角，以D表示，磁北自地理北向東偏，磁偏角D為正，反之，向西偏時，D為負。水平分量H在X和Y軸上的分量，分別稱為北向分量和東向分量，并分別以X和Y表示。T、Z、H、I、D、X、Y各量都是表示某點地磁場大小和方向特征的物理量，稱為地磁要素。第二節 地

15、磁要素及其分布特征七個地磁要素之間的關系為：35362、地磁場的單位地磁場強度的單位通常以“奧斯特”表示，簡寫為“奧”，也可以用“Oe”表示；磁法勘探中常用的單位用“伽傌”或“表示，1伽傌10-5奧；國際上統一使用“國際單位制”(簡稱為“SI”)用“特斯拉” (簡稱“特”)或以“T”表示磁感應強度(B)的單位； 1特104高斯，或 1高斯10-4特 1納特(nT)=10-9特(T)10-5高斯1伽傌高斯和奧斯特分別表示介質中的磁感應強度和磁化場強度的單位，同屬于CGS電磁單位制，二者有相同量綱，并且在真空、空氣和水中的磁感應強度和磁化場強度的數值相等。在表示空氣或水中磁場的單位上，高斯和奧斯特

16、可以通用。37地磁圖及地磁要素分布的基本特征地磁圖為了研究地磁要素在地表的分布特征，在世界各地建立了許多固定的測點（地磁臺）及野外觀測點，在這些點上測定地磁要素的絕對值，將地磁絕對測量的成果繪制成地磁要素的等值線圖，這種圖稱為地磁圖。通常按要素分別繪制如下地磁圖：383、世界地磁圖世界地磁圖T39世界地磁圖Z40世界地磁圖H41世界地磁圖I42世界地磁圖D43總磁場強度（B）等值線圖特征：等值線與緯度線近似平行，在磁赤道約3000040000nT，向兩極增大，在兩極約為6000070000nT 44垂直強度（Z）等值線圖特征：與緯度線大致平行，在磁赤道Z=0，向兩極絕對值增大，約為磁赤道水平強

17、度的兩倍，磁赤道以北Z0，以南Z0 45水平強度（H）等值線圖特征：沿緯度線排列，在磁赤道附近最大，向兩極減小趨于零，全球各點除兩磁極區外都指向北 46等傾（I）線圖特征：與緯度大致平行，零傾線在地理赤道附近，稱為磁赤道，它不是一條直線，磁赤道向北傾角為正，向南為負 474、地磁場的基本規律 (1)地球有兩個磁極，分別位于地理南北兩極附近。在1980年的世界地磁圖上，北磁極位于78.20N，102.90W；南磁極位于65.60S，130.90E，在南、北兩磁極處，磁傾角I分別為 900，垂直強度Z有最大值、水平強度H為零、磁傾角D沒有確定值。 (2)水平強度(H)在地表上任何一點(除兩磁極點外

18、)都指向北。垂直強度(Z)在北半球指向下，為正值；在南半球指向球外(向上)，為負值。說明地球磁極位于北半球的是S極，位于南半球的是N極。 (3)地球南北兩磁極處的總磁場強度為0.60.7奧斯特，在磁赤道處的總強度為0.30.4奧斯特，前者約為后者的兩倍，磁傾角隨磁緯度按一定關系變化。這些特征和均勻磁化球體或中心偶極的磁場分布特征基本一致。 (4)南磁極和北磁極與地球的地理南、北兩極并不重合，可以認為是地球中心磁偶極子軸與地球轉軸相斜交。48根據以上的規律，可以認為地球基本磁場的模式是一個位于地球中心并與地球轉軸斜交的磁偶極子的磁場。磁軸和地軸斜交1.50的中心偶極子場與地磁要素分布吻合的最好。

19、49地球磁偶極子場50非偶極子磁場垂直分量（5）在偶極子場疊加有非偶極子的場51非偶極子磁場從世界地磁圖中減去地磁場的偶極子磁場，即可得到非偶極子磁場。52由圖可見：全球非偶極子磁場圍繞著幾個正、負中心分布，分布的范圍很大（延伸可達數千公里）。大陸異常的原因目前還沒有明確的答案，但大多數學者認為起源于深部原因，如地幔和地核界面的局部物質對流運動所形成的渦旋電流產生的。53（6）磁極位置在緩慢移動54在約五億年期間，古地磁極移動了約900，即平均每年移動2厘米。人們還發現，根據不同地塊的巖石標本所確定的古地磁極遷移軌跡是不同的，這說明各地塊的相對位置在不同地質時代變化很大，這就從古地磁方面提供了

20、大陸漂移的證據。地質時代古地磁極的遷移軌跡研究意義55中國地磁圖T5、中國地磁場的基本特征56中國地磁圖Z57中國地磁圖H58中國地磁圖I59中國地磁圖D60 由我國編制的中國地磁圖表明有以下特點：垂直強度由南至北，Z值由-0.10奧增至0.56奧，Z值在我國境內的最大變化在0.6奧以上；水平強度由南至北，H值由0.4奧降至0.21奧，H值最大變化在0.13奧以上；磁傾角由南至北，I值由-100增至+700，I值最大變化在800以上；磁偏角的零值線在我國中部偏西由北向南通過，經過甘肅省的安西和西藏自治區的得宗。零偏線以東，偏角度變化由00至110(磁北西偏)，零偏線以西，偏角變化由00至50。

21、我國境內地磁要素的地理分布616263地球的磁場 存在地球周圍的具有磁力作用的空間，稱為磁場（一）地磁場的構成地磁場（B） 穩定的磁場（內源場）偶極子磁場（BsN）非偶極子場（Bm）磁異常（Ba）基本磁場（B0）變化的磁場B（外源場）長期變化的磁場短期變化的磁場靜日變化擾動變化64第三節 地磁場的解析表示1磁偶極子的磁位 如圖所示，m和m表示磁偶極子的兩個磁極強度；2l表示它們之間的距離；p表示任一空間點，它與偶極子中心O以及兩磁極間的距離分別為r、r1和r2；M表示磁偶極子的磁矩，其大小為：M2ml，方向由-m指向m。磁偶極子在p點的磁位U等于其正負兩磁極分別在該點的磁位U+m及U-m之和，

22、可表示為：651、磁偶極子的磁位泰勒級數展開662、地磁場的解析磁場表達式672、地磁場的解析表達式683、地磁場的垂向和水平梯度6970白天比夜晚變化幅度大，夏季比冬季變化幅度大，平均變化幅度為數納特至數十納特。太陰日變化幅度很微弱變化磁場平靜變化擾動變化太陽靜日變化 太陰日變化 磁擾(磁暴)地磁脈動可持續數天，幅度達數百至上千nT。周期短，一般為(0.2100)s(秒)，振幅小，一般為為(0.0110)nT。1959年7月14日磁暴曲線第四節 地磁場隨時間的變化71一、地磁場的長期變化72近幾百年數據的統計分析：（1）地球磁矩的衰減變化（2）地球磁場向西漂移73（1、地球磁矩的衰減變化）近

23、1000年來,地磁場偶極矩大約減小了25%其中,17%是近400年來減小的.741835年（高斯計算）為8.5*1022Am21900年為8.32*1022Am21980年為7.91*1022Am22000年為7.78*1022Am2兩千年后，接近0！磁極倒轉(?)75磁極倒轉在測定巖石的剩余磁性時，發現相當一批巖石的磁化方向與現在的地磁場方向相反，于是就推測地磁場發生了180的改變，原來的磁北極轉變為磁南極，磁南極則變成了磁北極。這種現象被稱為地磁極倒轉或地磁場翻轉。事實證明，在地球歷史上確實發生過這種變化，而且還一再地發生。從1940s開始，由于軍事上的需要對海底磁場進行了系統的觀測發現以

24、大洋脊為中心，兩側對稱地交替分布著正磁極性(磁極與現代的一致)與反磁極性(磁極與現代相反)的兩類巖石；離擴張中心越遠，巖石年齡越老.為地球科學中的板塊構造理論的出現，提供了重要的依據。隨著取得的資料增多，逐步建立了以不同時期地磁極翻轉為主要特征的地磁年代表。一種地磁極性期平均可持續22萬年(短的僅持續3萬年，長的可達500萬年)。每次磁極倒轉過程僅持續數百年到上千年，此時表現為磁場強度大幅度減弱，磁極緩慢轉動，直到完全翻轉，才達到穩定。76地磁場極性倒轉的發現極大地推動了古地磁學的發展在全球廣泛開展了對火山巖、沉積巖、海底和湖底沉積的古地磁測量.（黃土沉積的古地磁研究帶著我國獨有的特色）由此產

25、生的“地磁極性年表”，為地質學提供了一個獨立的時間標尺.77(2)地球磁場的向西漂移Halley在300多年前就已經注意到的地磁場西漂現象；（后來通過對地磁圖的研究，比較容易發現）目前,人們普遍承認的西漂速度是每年約0.18，周期約600年地磁場除了西漂外,還有更緩慢的北漂.78二、地磁場的短期變化 地磁場的短期變化基本上可以分為兩種類型。一種變化是連續出現的、比較有規律并有確定周期的變化；另一類變化則是偶然發生的、短暫而復雜的變化。這兩種類型的變化主要來源于地球外部的不同原因。前者稱為平靜變化，來源于電離層內長期存在著的電流體系的周期性變化。后者稱為擾動變化，由于磁層結構、電離層中電流體系、

26、太陽輻射等變化所引起。1、太陽靜日變化7924小時的周期與地球相對太陽的自旋有關80高空電離層中的渦旋電離體系，很可能就是主要場源.81地磁日變平均變化幅度為幾納特至幾十納特 特點：24小時為一周期；變化依賴地方時，同一磁緯度，變化形態和幅值很相似；同一經度不同緯度，變化差異很大；白天變化大，夜晚變化小；夏季的變化幅度大，冬季的幅度最小，春秋居中822、擾動變化（1）磁暴磁擾（幅度大的稱磁暴）：無周期，變化范圍大，（磁暴往往是全球性的）；83（2）地磁場的微脈動地磁脈動：地磁場的微擾變化，具有準周期84地磁場起源（參考）地球磁場起源問題一直是一個沒有解決的重大地球物理難題。大量的地磁資料，豐富

27、的地磁現象強烈地吸引著長于理性思維，愛好尋根問底的數學家、物理學家地球磁場：令科學家著迷85地磁場起源從1600年英國人吉爾伯特（Gilbert）提出（假說）：地球磁場起源與地球內部，像個永久磁鐵；1839年,德國著名數學家Gauss 把位場理論用于地磁場研究，從而奠定了近代地磁學的數學基礎Gauss 的計算指出,地磁場主要起源于地球內部. 這一結論看起來與200多年前Gilbert的猜想不謀而合,但Gauss 的結論是依據嚴格的位場理論的,是對Gilbert假說的物理證明.86地磁場起源物理學家不滿足于“地磁場起源于地球內部”這一簡單論斷,他們更感興趣的是:“地球內部”究竟是什么地方?那里的

28、物質處于怎樣的物理狀態?發生著怎樣的物理過程?人類怎樣認知發生在這些不可到達地區的過程?類似的過程是否在其他天體內部也存在?87地磁場起源從1600年英國人吉爾伯特提出永久磁化理論400多年來，至少有10多種地磁起源假說或理論問世，但大多數假說還沒來得及發展就被放棄。目前，只有地核發動機理論得到普遍承認和深入研究。88地磁場起源對地磁場起源理論的基本要求 物理上合理：符合電磁學、力學、熱力學等基本規律；回答地磁場基本問題89地磁場起源地磁場基本問題（1）為什么地球會有磁場？（2）為什么地磁場會長期存在（至少為地球年齡的70%）？（3）為什么地磁場中偶極子場占優勢？（4）為什么地磁場長期緩慢變化

29、，而變化又不大？（5）為什么平均地磁軸與地球自轉軸相吻合？90地磁場起源地磁場基本問題（6）為什么地磁場極性會倒轉？（6）為什么地磁場倒轉頻率很大？（7）為什么沒有占優勢極性？等等一個成功的地磁場起源理論回答這些問題；不僅解釋過去，還要預言未來地磁場趨勢91地磁場起源為什么其它一些行星、衛星也有磁場？這些磁場是否可以用統一機制來解釋？92地磁場起源主要地磁起源理論：磁化理論；感應理論；電流理論；波動理論；發動機理論93地磁場起源永久磁化理論（吉爾伯特，1600）：根據地球表面磁場類似一個地心磁偶極子產生的磁場 永久磁化理論因為：均勻磁化球體=中心磁偶極子94地磁場起源永久磁化理論（吉爾伯特，1

30、600）問題： 地球的平均磁化強度應為80A/m，（達到天然巖石的上限）20km30km以下地溫達到居里點（約600度），失去磁性，故 地殼巖石磁化強度高達600A/m（不可能！）95地磁場起源巨體旋轉理論（布萊克特，1947）他注意到，地球、太陽和室女星座78號星的磁矩與轉矩之比很接近96地磁場起源巨體旋轉理論（布萊克特，1947）存在未知的物理定律：巨大天體具有機械轉矩與磁矩成正比。依次說明地磁場的起源。為此，他專門設計了無定向磁力儀，測量隨地球轉動的純金球的微弱磁場，實驗結果否定。97地磁場起源磁暴感應理論（查特里，1956）磁暴經常發生，起源于磁層環電流。他認為：磁暴的反復發生，形成了

31、地磁場。問題：磁層環電流是由于地磁偶極子場存在產生的；即使不考慮它，要形成今天這樣的地磁偶極子場，需要100億年以上（地球只有50多億年）。98地磁場起源旋轉電荷理論（1900）漂移電流理論（1955）殘余電流自由衰減理論（1883）熱電效應理論（1939）電池效應（1958，1990）地核發動機理論（1919，1946，1949）99地磁場起源地核發動機理論（1919，1946，1949）1919年拉莫爾提出天體磁場起源的發動機假說（像太陽這樣的旋轉天體怎樣成為磁性體？）100地磁場起源地核發動機理論（1919，1946，1949）2000年Bruce A. Buffett在巨型計算機上花了

32、2000多小時（復雜的偏微分方程組，在給定邊界條件和初始條件下，求解地核內地磁場、速度場、密度場、溫度場等的變化）得到模擬結果：101102103地磁場起源存在：能源問題尚難定論；重要參數（如地核環流場強度、粘性）難以準確估計；地核流動狀態眾說紛紜，等等發動機理論和數值模擬需要發展完善104地磁場起源運動的、動力的、宇宙的105地核的運動月球無磁場（現在）106地磁場起源愛因斯坦說：地球磁場起源是物理學上最困難的問題之一！107第五節 地磁場的結構和磁異常1、地磁場的構成 T=T0+Tm+Ta+T T0: 中心偶極子磁場，也稱均勻磁化地球的磁場； Tm: 大陸磁場或世界異常； TmT0: 地球

33、基本磁場； Ta： 異常場或磁異常； T: 變化磁場，主要是外源變化磁場。2、正常場和磁異常（1）正常場 可以認為是磁異常（即所要研究的磁場）的背景或基準場。（2）磁異常 由研究對象的磁性所引起的磁場。 正常場和磁異常是相對的。1083.地磁場的構成地磁場（B） 穩定的磁場（內源場）偶極子磁場（BsN）非偶極子場（Bm）磁異常（Ba）基本磁場（B0）變化的磁場B（外源場）長期變化的磁場短期變化的磁場靜日變化擾動變化其中：109磁異常消除了各種短期變化的磁場后，實測地磁場與基本磁場之差值，稱為磁異常。場源：地殼中被地磁場磁化了的巖石、巖體、礦體或地質構造。區域異常局部異常場源：范圍較大的深部磁性

34、巖、礦體及地質構造；特征：異常分布范圍較大、幅值小、變化平緩； 場源：范圍較小的淺部磁性巖、礦體及地質構造； 特征：異常分布范圍小、強度大、變化陡；異常110一、物質的磁化第二章 巖礦（石）的磁性第一節 物質的磁性111二、物質的磁性1、磁化率試驗表明，同一物質磁化強度與磁化磁場成正比，即： J=T比例系數叫做物質的磁化率，它表示物質磁化的難易程度， 值越大，說明越易磁化。2、抗磁性： 0的物質。3、順磁性： 0的物質。4、鐵磁性物質（1）磁滯回線；（2）剩余磁化強度Jr。1125、居里溫度 據實驗資料表明：介質的磁化串和溫度之 間有如圖所示的關系曲線，從圖可見，磁化率隨著溫度的增加而增大，當

35、溫度達到一定值時，磁化率急劇下降，直至到零，這時的溫度稱為居里點。利用這一性質可以求地殼的磁性下界面，了解地殼的地溫變化。113(一)巖、礦石磁性的構成巖、礦石的磁性與礦物的磁性密切相關，巖、礦石大多含有磁性礦物，各類巖、礦石所含磁性礦物的種類和數量都不相同，因而存在磁性差異。研究表明，巖、礦石的磁化強度M由兩部分組成： 感應磁化強度(簡稱感磁)，以Mi表示：被現代地磁場磁化后取得 天然剩余磁化強度(簡稱剩磁)，以Mr表示：巖、礦石形成前后，受當時地磁場磁化后保留下來的。剩余磁化強度與現代地磁場無關，其方向與巖、礦石形成時的地磁場方向一致。第二節 巖礦（石）的磁性114天然剩余磁化強度與巖、礦

36、石的形成過程和磁化經歷有關。感應磁化強度則決定于巖、礦石的磁化率和現代地磁場強度HMi的方向大多與現代地磁場的方向一致。地磁場是一個弱磁場，磁性礦物受弱磁場的磁化時， Mi處于磁滯回線的線性部分，故可視為常量。地磁場強度H在地球各地都是恒定值，因此巖、礦石磁性研究的主要內容是磁化率和天然剩余磁化強度。115巖、礦石受當時地磁場的作用 經歷了構造變動，剩磁的方向變化 現代地磁場作用 總磁場強度是Mi與Mr的合矢量 116（二）巖、礦石的磁化率各種巖、礦石按其磁化特征也可分為逆磁性、順磁性和鐵磁性三類 1、逆磁性礦物 （磁化率）很小，一般為 SI（） 常見礦物有：巖鹽、石膏、方解石、石英、大理石、

37、石墨、金剛石及長石- 2、順磁性礦物 SI（ ） 常見礦物有：黑云母、角閃石、輝石、蛇紋石、及石榴子石等。-這兩類礦物的值都很小，可以認為是無磁性的。117 3、鐵磁性礦物 及Mr 都很大； 常見礦物有：磁鐵礦（Fe3O4）、鈦磁鐵礦、磁赤鐵礦、磁黃鐵礦等。 巖石的磁性主要由這一類礦物來決定。 自然界中幾乎所有磁性礦物都是亞鐵磁性物質，并不存在“純”鐵磁性礦物。例如磁鐵礦、鈦鐵礦、磁黃鐵礦等，都是鐵的氧化物或硫化物，它們的值很大，可以產生明顯的磁異常。為敘述方便起見，我們將這些礦物統稱為“鐵磁性”礦物。118 巖（礦）石磁性的一般特征1、火成巖磁性變質巖磁性沉積巖磁性2、火成巖 由酸性中性基性

38、超基性，磁性由弱強。同一成分的火成巖其磁性不同，噴出巖磁性侵入巖磁性；不同時代的同一成分火成巖其磁性不同，年代新的磁性年代老的磁性；同一成分巖體的不同巖相帶磁性不同，由邊緣相過渡相中心相，磁性由強弱；具有明顯的天然剩余磁性。1193、變質巖 其磁性與原來基質有關,也與生成條件有關。 正變質巖(從巖漿巖變質而成的）磁性副變質巖（從沉積巖經變質而成的）磁性； 層狀結構的變質巖，往往具有磁的各向異性，即順著層面方向的磁化率大于垂直層面方向的磁化率。4、沉積巖沉積巖的磁化率主要決定于副礦物(磁鐵礦、磁赤鐵礦、赤鐵礦等）的含量及成分。及Mr 都很小，磁性很弱，通常認為它是無磁性的巖石。5、非金屬礦 磁性

39、很弱可視為無磁性的。6、金屬礦 除前述的磁鐵礦、鈦磁鐵礦、磁黃鐵礦、方黃銅礦及磁赤鐵礦具有強磁性外，其它絕大多數金屬礦亦可看成是無磁性的。120 巖、礦石的天然剩余磁化強度 一般來講：巖、礦石的Mr與它們的 有關， 大的巖、礦石，其Mr 亦強。 故火成巖的Mr 一般都較大，不少情況下， MrMi ； 沉積巖的Mr 很小，且MrMi 。至于巖、礦石剩磁的方向，對于巖漿巖來說，有的比較規則，有的很紊亂，還有M方向與現代地磁場方向相反的情況。沉積巖M，方向一般比較規則，但不同時代沉積巖的Mr方向并不一致。巖、礦石天然剩磁所包含的種類較多，各種類型的剩磁有不同的成因。121巖石剩磁的類型與特點 熱剩磁

40、（TRM）在恒定磁場作用下，巖石從居里點以上溫度逐漸冷卻到居里點以下,在通過居里溫度時受磁化所獲得的剩磁。 碎屑剩磁（DRM）沉積物固結成巖后，按其碎屑的磁化方向保留下來的磁性。 化學剩磁（CRM）在一定磁場中，某些物質在低于居里溫度的條件下，經過相變和化學過程所獲得的剩磁。 粘滯剩磁（VRM）巖石生成之后，長期處于地磁場作用下，原來走向排列磁疇馳豫到地磁場方向上，所形成的剩磁。 等溫剩磁（IRM）在常溫下，巖石受外部磁場作用（如閃電等）所獲得的剩磁。原生剩磁次生剩磁1221、熱剩磁TRM (Thermal RM)火成巖的剩余磁化方式主要是熱剩磁。所謂熱剩磁就是熾熱熔巖，其溫度都在磁性礦物居里

41、點 (500一7000C)以上，從地下噴出地面后在地磁場中冷卻至常溫的過程中，磁性礦物因受到當地、當時地磁場的作用，而平行于地磁場的方向被磁化，其結果獲得很強的剩磁，這種剩磁稱為熱剩磁。熱剩磁有以下幾個特點：123124（1）熱剩磁的強度大。弱磁場中，熱剩磁比常溫下用外磁場磁化后的剩磁 (稱為等溫剩磁)強幾十至幾百倍。（2）熱剩磁的方向與外場一致。因此，火成巖的天然剩磁方向一般代表巖石形成時期的地磁場方向。（3）在弱磁場中熱剩磁的強度正比于外磁場感應強度B： JTRMCTB式中，CT為比例系數。125126因此，如能用實驗方法確定CT，就可根據火成巖的天然剩磁強度推算古地磁場強度。（4）熱剩磁

42、主要在居里點附近獲得。在有外磁場存在時，將巖石從居里點TC冷卻，在冷卻過程中不斷測定巖石的剩磁強度，作出溫度T與磁化強度J的關系曲線，由圖可見，熱剩磁主要在居里點附近獲得。 127128在外磁場存在時，從居里點冷卻至室溫所獲得的全部熱剩磁，稱為總熱剩磁 (Total TRM)。如果在冷卻時，外磁場只在溫度范圍T1一T2內存在，在其他范圍內外磁場消失，這樣獲得的剩磁，稱為溫度T1一T2的部分熱剩磁 (Partial TRM)。實驗發現任何范圍內的部分熱剩磁只與該范圍的外磁場有關，不受其它范圍的磁場的影響。因此，總熱剩磁 是居里點至室溫的各個相鄰溫度范圍的部分熱剩磁之和。129這叫做部分熱剩磁的可

43、加性。如圖6.5.1所示，溫度由居里點TC降至T=5000C的熱剩磁是TC6000C和600 5000C的部分熱剩磁的和。由居里點TC降至0 0C的總熱剩磁是TC6000C ,600 5000C，100 00C的部分熱剩磁之和。 如果我們將標本從室溫加熱至溫度T然后在零磁空間中冷卻，根據部分熱剩磁的可加性，標本中溫度T以下獲得的部分熱剩磁全部被清除掉。130 用這種方法可退掉巖石形成后，在較低溫度條件下獲得的熱剩磁，這稱作部分熱退磁或熱清洗。（5）熱剩磁有很高的穩定性。 觀測表明，巖石形成時的地磁場方向被完全“固定”在磁性礦物單疇中，在整個地質時期內保持不變。 巖石在弱磁場中獲得的熱剩磁具有很

44、高的抗干擾能力。 外磁場的變化、溫度在200 3000C內的熱作用，很難引起熱剩磁的變化。131 沉積巖的剩磁主要有兩種，一種是沉積剩磁，另一種是化學剩磁。 2、沉積剩磁(DRM) 巖石碎屑攜帶原已具有剩余磁性的礦物顆粒，在成巖 (包括沉積、壓實、固化等)過程中，由于地磁場的作用，使礦物顆粒的剩余磁性按著當時的地磁場方向取向并被固定下來的剩磁叫做沉積剩磁。沉積剩磁很穩定。132133 3化學剩磁 (CRM) 某些礦物在地磁場壞境中發生了化學變化或重新結晶，也可能獲得相當高的磁化強度。礦物通過這種方式獲得的剩磁就叫做化學剩磁。化學剩磁的穩定性也是很高的，其方向與當時的地磁場方向一致，其強度與當時

45、的地磁場強度成正比。例如:赤鐵礦變成磁鐵礦時就可獲得化學剩磁。134物質的磁性（磁滯現象）135 影響巖、礦石磁性的因素1、鐵磁性礦物含量 含量越高，巖石磁性越強，但二者并不呈簡單的線性關系。2、鐵磁性礦物顆粒形狀、大小及在巖石中的相互位置 當鐵磁性礦物含量一定時，顆粒越大，磁性越強； 當磁性礦物顆粒大小、含量都相同時，顆粒相互呈膠結狀者比顆粒呈分散狀者磁性強。分散狀膠結狀1363、 巖、礦石形狀對磁性的影響上式只適用于巖、礦體無限大的情況。當磁性體為有限體時，被地磁場磁化后，在磁體內部要產生一個與外磁場相反的磁場（稱為消磁場或退磁場），則要產生消磁（或退磁）作用，而使磁性體的磁化強度減小，亦

46、即使巖、礦體的磁性減小。MiBeBo在強磁異常解釋中應引起重視，必要時要作消磁改正。1374、 巖石磁性還與它們形成時的環境和各種地質作用有關。例如，火山巖磁性較強，是因為巖石形成時巖漿冷卻很快，保留了較大的剩磁。年輕的巖層往往比古老的巖層磁性強，是因為巖石剩磁隨時間的延長而逐漸減小。變質作用會使巖石的鐵質成分再結晶成磁鐵礦，因此，盡管原生沉積巖磁性很弱，但沉積變質形成的含鐵石英巖卻有很強的磁性。應力作用使巖石磁性沿應力方向減弱，所以構造破碎帶上磁性往往降低。氧化還原作用可使巖石中的鐵質還原成磁鐵礦，這就是燃盡的煤層上常出現較強磁性的原因。138（六）研究巖、礦石磁性的意義磁法勘探的應用必須具

47、備一定的前提，即不僅要有磁性巖、礦體或地質構造存在，而且它們與圍巖間還應存在足夠大的磁性差異。為了正確地進行磁異常的推斷解釋，測定和研究巖、礦石的磁性參數具有重大的意義。在火山巖地區，研究巖石的磁性，對于正確判斷異常的地質原因有重要的意義8000139研究中要同時考慮測區內各種巖、礦石的磁化率和剩余磁化強度。特別是MrMi時，M的大小和方向主要由Mr決定，如果忽略對剩磁的研究，勢必影響磁異常推斷解釋的可靠性。許多巖石，特別是基性巖漿巖，具有相當穩定的剩磁。由于剩磁方向大都與巖石形成時的古地磁場方向一致，因此有可能利用它來確定巖石的地質時代，甚至可以對不含化石的啞層進行對比。140巖(礦)石的磁

48、性141巖(礦)石的磁性142決定巖石磁性的因素143第三章 磁法勘探儀器與工作方法第一節 質子旋進式磁力儀 質子旋進磁力儀是根據煤油、水、酒精等含氫原子溶液中氫原子核(質子)在地磁場中產生一定頻率的旋進作用制成的。1、質子旋進現象在溶液中氫的原子磁矩，在無外磁場作用時，它們任意指向。當氫溶液處于地磁場T中時，這些原子磁矩在T的作用下，將各自沿著T的方向排列。當在近于垂直地磁場T的方向施加約50奧斯特的人工磁場時，由于這一磁場遠遠大于地磁場，則原沿地磁場方向的質子自旋軸都轉至磁化磁場方向。當切斷電流，使人工磁場突然消失，氫質子則在原有的自旋慣性力及地磁場力的共同作用下，各自以相同的相位繞地磁場

49、方向進動。這種現象稱為質子旋進，也稱核子旋進。144由上式可知，地磁場的大小與質子在其中發生旋進的頻率f成正比。這樣就把對地磁場的測量變為對旋進訊號的頻率的測定。1452、質子旋進磁力儀的工作原理 為了使測量的讀數表示為地磁場的伽碼值，采用將旋進訊號倍頻的方法。設旋進訊號的頻率為f，倍頻數為n，儀器記錄的周期數目(即振蕩次數)為N，記錄N個周期所用的時間為t，則有：146第二節 磁測工作方法一、磁測的野外工作方法 主要有地面磁測、航空磁測、海洋磁測和井中磁測等。 磁法勘探工作一般包括以下幾個階段： 設計階段：接受任務后，應著手收集與工作區有關的地質、物性(主要是巖、礦石的磁性)及前人的物探、地形、地物資料，并到施工現場踏勘。在此基礎上編寫磁測工作設計。對工作任務、測區、測網、比例尺、方法技術、磁測精度及人員編制、儀器設備、工作進度、施工顧序及經費預算等問題按磁測規范的要求做出設計，報上級（甲方）審批。 野外施工階段：包括磁測儀器的調節和常數測定、基點網建立、觀測磁異常、室內整理計算、