第三章磁法勘探ECITEASTCHINAINSTITUTEOFTECHNOLOGY磁法勘探是利用地殼內各種巖（礦）石間的磁性差異所引起的磁異常來尋找有用礦產或查明地下地質構造的一種地球物理方法。磁法勘探也是應用最早的地球物理方法。1640年，瑞典人首先嘗試用羅盤尋找磁鐵礦，但直到1870年，瑞典人Thalen和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。磁法勘探可分為地面磁測、航空磁測、海洋磁測和井中磁測。磁法勘探和重力勘探的差別主要有：1、磁異常比重力異常大得多；2、重力異常反映地質因素多，磁異常反映的地質因素單一；3、密度體只有一個質量中心，磁性體有兩個磁性中心；4、磁異常特征受緯度影響大。ECITEASTCHINAINSTITUTEOFTECHNOLOGY§3.1地球的磁場ECITEASTCHINAINSTITUTEOFTECHNOLOGY存在于地球周圍的具有磁力作用的空間稱地磁場。他由基本磁場、變化磁場、磁異常三部分組成。一、主磁場主磁場占地磁場的99%以上，主要是由地核內電流的對流形成，是一種由偶極子場和非偶極子場組成的內源磁場。

I、D、X、Y、Z、H和T各量都是表示地磁場大小和方向的物理量，稱為地磁要素。地磁絕對測量通常測定I、D、H三要素的絕對值，磁法勘探則是測定T的相對值。為了研究地磁場在地表的分布規律，需要利用地磁絕對測量的成果繪制地磁要素的等值線平面圖，稱為“地磁圖”。地磁要素是隨時間變化的，因此必須把觀測數據歸算到某一特定的日期。ECITEASTCHINAINSTITUTEOFTECHNOLOGY1980.0年代世界地磁場垂直分量等值線平面圖（單位為μT）ECITEASTCHINAINSTITUTEOFTECHNOLOGY1980.0年代世界地磁場水平分量等值線平面（單位為μT）ECITEASTCHINAINSTITUTEOFTECHNOLOGY1980.0年代世界等傾線圖（單位：度）ECITEASTCHINAINSTITUTEOFTECHNOLOGY1980.0年代世界等偏線圖（單位：度）ECIT從世界地磁圖中減去地磁場的偶極子磁場(約占主磁場的80%)，即可得到非偶極子磁場。非偶極子磁場圍繞著幾個中心分布，每個中心都有各自的正、負極性，且分布的地域很廣。

1980.0年代世界非偶極子磁場垂直分量等值線平面圖(單位為μT)ECITEASTCHINAINSTITUTEOFTECHNOLOGY我國地磁要素圖有以下特征：①磁偏角的零偏線由蒙古穿過我國中部偏西的甘肅省和西藏自治區延伸到尼泊爾、印度。零偏線以東偏角為負，其變化由0度至-11度；零偏線以西為正，變化范圍由0度至5度。②磁傾角由南向北，I

值由-10度增至70度。③地磁場水平強度（H）從南至北，H值由40000nT降至21000nT。④垂直強度自南至北由-10000nT增加到56000nT。⑤總場強度由南到北，變化值為41000nT至60000nT。ECITEASTCHINAINSTITUTEOFTECHNOLOGY二、變化磁場主磁場隨時間的緩慢變化，稱為地磁場的長期變化。磁偏角、磁傾角和地磁場強度都有長期變化。從倫敦、巴黎和羅馬的資料可以推測，磁偏角的變化周期約為500年。ECITEASTCHINAINSTITUTEOFTECHNOLOGY起源于地球外部并疊加在主磁場上的各種變化磁場稱為短期地磁變化。變化磁場可以分為兩類：一類是連續出現的，比較有規律且有一定周期的變化；另一類是偶然發生的、短暫而復雜的變化。前者稱為平靜變化，后者稱為擾動變化。ECITEASTCHINAINSTITUTEOFTECHNOLOGY地磁場的空間變化：I、T、Z、H等值線圖幾乎是沿磁緯度線均勻分布的，其最大梯度方向就是磁子午線方向。地磁場隨子午線方向的變化率稱為正常水平梯度；場強隨高度的變化也是不斷衰減的，其變化率稱為正常垂向梯度。ECITEASTCHINAINSTITUTEOFTECHNOLOGY

例如，武漢地區某年的垂直強度Z=34350nT，水平強度H=34800nT，取R=6371km，則其梯度值為就是說，在武漢地區當高度升高1km時，T值減小23.02nT；向北方向移動1km時，T值增加5.76nT。

由上述分析可知，正常梯度值是隨著地理坐標及高度變化而變化的。因而，在較大面積進行地面或航空高精度磁測時，必須消除隨地理坐標及高度變化的影響，這種影響的校正稱為正常梯度校正。ECITEASTCHINAINSTITUTEOFTECHNOLOGY三、磁異常消除了各種短期磁場變化后，實測地磁場與正常磁場之間仍然存在的差異稱為磁異常。磁異常是地下巖、礦體或地質構造受到地磁場磁化以后，在其周圍空間形成、并疊加在地磁場上的次生磁場。磁異常中由分布范圍較大的深部磁性巖層或區域地質構造等引起的部分，稱為區域異常；由分布范圍較小的淺部磁性巖、礦體或地質構造等引起的部分，稱為局部異常。

磁法勘探中磁異常和正常磁場的概念只具有相對意義，根據待解決的地質問題和探測對象來確定。ECITEASTCHINAINSTITUTEOFTECHNOLOGY四、地磁場的起源地球磁場的起源仍是地球科學研究的重要問題之一。

自激發電機效應假說建立在地球內部構造的現有知識基礎上，這種假說認為：1.液態地核內部由于溫度梯度、或溫差、壓力差等原因產生渦旋運動，使地核成為良導電體；2.地球繞軸自轉引起回旋磁效應存在微弱初始磁場，雖然比地磁場小10倍，但引起再生效應已經足夠；3.地核電流體形成，通過感應方式電流自身形成的場又可以連續不斷地再生磁場，從而增強了原來的磁場，由于地核電流體持續運動而不斷提供能量，因而引起一種自激發電機效應。能量的不斷消耗和供應，磁場增強到一定程度就會穩定下來，形成現在的地球基本磁場。假說不僅能滿意地定性解釋地磁偶極子場和非偶極子場的起源，而且也能解釋地球磁軸倒轉現象。ECITEASTCHINAINSTITUTEOFTECHNOLOGY一、磁力儀的類別按照磁力儀的發展歷史及應用的物理原理，可分為：

第一代磁力儀

根據永久磁鐵與地磁場之間相互力矩作用原理，或利用感應線圈以及輔助機械裝置制作，如機械式磁力儀、感應式航空磁力儀等。

第二代磁力儀

根據核磁共振特征，利用高磁導率軟磁合金，以及復雜的電子線路制作，如質子磁力儀、光泵磁力儀及磁通門磁力儀等。

第三代磁力儀

根據低溫量子效應原理制作，如超導磁力儀。

磁力儀按其內部結構及工作原理可分為：①機械式磁力儀；②電子式磁力儀。

磁力儀按其測量的地磁場參數及其量值可分為：①相對測量儀器；②絕對測量儀器。

從磁力儀使用領域可分為：地面磁力儀、航空磁力儀、海洋磁力儀以及井中磁力儀。§3.2磁力儀ECITEASTCHINAINSTITUTEOFTECHNOLOGYECITEASTCHINAINSTITUTEOFTECHNOLOGY二、質子磁力儀具有靈敏度、準確度高的特點，可測量地磁場總強度T的絕對值、梯度值。質子磁力儀使用的探頭中有蒸餾水、酒精、煤油、苯等富含氫的液體。

當沒有外界磁場作用于含氫液體時，其中質子磁矩無規則地任意指向，不顯現宏觀磁矩。若垂直地磁場T的方向，加一個強人工磁場H0，則樣品中的質子磁矩，將按H0方向排列起來，此過程稱為極化。然后，切斷磁場H0，則地磁場對質子有一力矩作用試圖將質子拉回到地磁場方向，因而在力矩作用下，質子將繞著地磁場T的方向作拉莫爾旋進。ECITEASTCHINAINSTITUTEOFTECHNOLOGY理論物理分析研究表明，氫質子旋進的角速度ω與磁場的大小T成正比：

ω=γ·T

γ=（2.6751987±0.0000075）×108T-1S-1

ω=2πf則有{T}nT=2πf/γ=23.4874{f}Hz可見，只要能準確測量出質子旋進頻率，乘以常數就是地磁場的值。測定地磁場T的量值，須使質子作自由旋進運動，為此要將質子磁矩極化，使之偏離T的方向一個角度。ECIT質子旋進信號的衰減在接收線圈內，感應訊號的電壓為

感應信號與κpH0成正比。選用單位體積內質子數目多的工作物質；使用大極化電流，產生強極化磁場信號幅度與質子旋進圓頻率ω=γpT成正比。目前，質子磁力儀的測程是20000～100000nT，滿足地面、海洋及航空磁測信號幅度亦與sin2θ有關。θ接近于零度是探頭的工作盲區旋進信號是按指數函數規律衰減的正弦信號。信號的衰減與探頭所處的磁場梯度有關，梯度越大，衰減愈快。精確測定旋進頻率（即地磁場值）所允許存在的地磁場最大梯度叫儀器的梯度容限ECITEASTCHINAINSTITUTEOFTECHNOLOGY§3.3磁測野外工作方法磁測工作一般分為幾個階段：設計階段、野外施工數據采集階段、資料整理階段、成果圖示和報告編寫階段。每個階段的具體內容和技術要求在部頒規范中都有敘述。一、磁測精度的確定磁測工作中采用磁力儀的類型不同，達到的磁測精度也各不相同，我國通常將磁測精度分為如下三級：高精度：均方誤差≤5nT中精度：均方誤差6nT~15nT低精度：均方誤差≥15nT

其中均方誤差﹤2nT的定為特高精度磁測。采用何種磁測精度由探測對象的最小有意義磁異常強度Bmax低決定，根據誤差理論大于三倍均方誤差的異常是可信。ECITEASTCHINAINSTITUTEOFTECHNOLOGY二、測區、比例尺和測網的確定

普查型磁測工作的線距不大于最小探測對象的長度，點距保證至少有3個測點能反映最小異常；詳查或勘探性磁測工作，應有5條測線通過主要異?；蛩芯康牡刭|體，點距應滿足反應異常特征的細節及解釋推斷的需要。測線應垂直于測區內總的走向或主要探測對象的走向，必要時可在同一測區內布置不同方向的測線。ECITEASTCHINAINSTITUTEOFTECHNOLOGY三、野外施工1、基點、基點網的建立為提高觀測精度，控制觀測過程中儀器零點漂移的影響，并將觀測結果換算到統一的水平，在磁測工作中要建立基點。野外施工中，當天出工前要在基點上觀測取數，稱為“對早基”，收工前必須在同一基點觀測取數“對晚基”。2、日變觀測為提高磁測質量，必須設立日變觀測站消除地磁場周圍變化和短周期擾動的影響。日變觀測站必須設在正常場內溫差小、無外界磁干擾和地基穩固的地方，觀測時早于出工的第一臺儀器，晚于收工的最后一臺儀器。ECITEASTCHINAINSTITUTEOFTECHNOLOGY3、測點觀測記錄工作日期、點線號、觀測值、觀測時間，隨時注意讀數變化，變化大的異常要立即自行加密測點觀測，追蹤異常極大值、極小值。切忌操作員和儀器探頭攜帶者攜帶磁性物品，注意地質、地形和干擾物的記錄，以便分析異常使用。4、質量檢查為對全區觀測質量作出精確的估價，應階段性對測點布置一定量的第二次獨立觀測。平穩場檢查點數要大于總測點數的3%，異常場檢查點數為總檢查點數的5%~30%，每次檢查點數不得少于30個。

一同三不同：同一測點、不同時間、不同人、不同儀器四、磁測成果的圖示地面磁測結果通常繪制三種基本圖件：磁異常剖面圖、磁異常平面剖面圖、磁異常平面等值線圖。ECITEASTCHINAINSTITUTEOFTECHNOLOGY§3.4磁異常的正演一、有效磁化強度矢量

假設磁性體均勻磁化且不考慮退磁和剩磁，磁化強度矢量M的空間分布如圖，Ms為M在XOZ面（即觀測剖面）的投影（分量），稱為有效磁化強度矢量；MH為M在XOY面的投影稱水平磁化強度矢量；I表示M的傾角即磁化傾角；is為Ms的傾角即Ms與OX軸間夾角，稱為有效磁化傾角；A’為Mx與MH間的夾角，A為磁性體走向與磁北的夾角。

ECITEASTCHINAINSTITUTEOFTECHNOLOGY磁性體被磁化不僅與當地地磁場的大小和方向有關、與其自身磁化率有關，還與磁性體的走向或剖面方向有關。

在影響磁性體磁場特征的諸因素中，當形體確定后，磁化強度的方向是決定磁場特征的主要因素。

1、△T的物理意義

磁異常總強度矢量Ta是磁場總強度T與正常場T0的矢量差，即：而△T是T與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與T0間的夾角，當Ta?T0時：上式表明，當磁異常Ta強度不大時，可近似把△T看作是Ta在T0方向的投影。

ECITEASTCHINAINSTITUTEOFTECHNOLOGY二、總磁場強度異常

不同類型的磁力儀可測得磁異常的不同分量?，F在，不論是高精度地面磁測，還是航空磁測，都是直接測量地磁場總強度T，減去正常地磁場后得到總磁場異?！鱐。

ECITEASTCHINAINSTITUTEOFTECHNOLOGY三、球體的磁場

一些有限大小的地質體,當中心埋深比其直徑大很多時,它們在地面產生的磁場特征與球體的磁場特征近似。因此，討論球形磁性體的磁場不僅有實際意義，也有代表性。當x=0時，有令Za=0，可求得Za曲線的零值點坐標：

ECITEASTCHINAINSTITUTEOFTECHNOLOGY我國處在中緯度地區，受地磁場傾斜磁化，球體的△T磁場總是由正、負兩部分組成。在剖面上，曲線一般是不對稱的，其兩側出現負值，負極小值出現在正值的北面，只有在東西剖面上，由于兩磁極的投影都位于坐標原點，△T曲線才變得對稱。ECITEASTCHINAINSTITUTEOFTECHNOLOGYECITEASTCHINAINSTITUTEOFTECHNOLOGY四、水平圓柱體的磁場

對水平圓柱體，討論沿走向水平無限伸長，且沿走向水平圓柱體的埋深、截面形狀、磁化特征均穩定的情況。通常將自然界中延深和寬度都比較小，走向無限的磁性體看作水平圓柱體。

當is=90°，即水平圓柱體為南北走向時，由上式可得：

當x=0時，有

令Za=0，可求得Za曲線的零值點坐標：

ECITEASTCHINAINSTITUTEOFTECHNOLOGYECITEASTCHINAINSTITUTEOFTECHNOLOGY五、板狀體的磁場

1.順層磁化無限延深厚板所謂厚板，是指板的寬度大于或等于其上頂埋深，順層磁化是指磁化傾角與板狀體的傾角一致。因此，無限延深厚板僅在其頂面和底面分布磁荷。

在頂面中心上方坐標原點0處，故Za取得極大值。測點向兩邊移動時，Za也隨之減小至零。ECITEASTCHINAINSTITUTEOFTECHNOLOGY2.斜交磁化無限延深厚板斜交磁化是指板的側面與磁化強度矢量Ms斜交的情況。這時板的頂面、底面和側面都分布磁荷。

ECITEASTCHINAINSTITUTEOFTECHNOLOGY3.有限延深厚板

有限延深厚板可以看作是兩個埋深不同，但頂面寬度和傾角都相同的無限延深厚板相減的剩余部分。

有限延深厚板與無限延深厚板磁場特征的區別：對順層磁化有限延深厚板下底面有正磁荷分布，而無限延深厚板只有上頂面有負磁荷分布，它使得曲線的兩側都有負值。ECITEASTCHINAINSTITUTEOFTECHNOLOGY4.水平薄板和臺階的磁場產狀水平的磁性薄巖層可看作水平薄板。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況。磁性接觸帶或某些斷層可視為臺階。臺階是厚板的一個特例，即板的寬度向一個方向趨于“無窮遠”的情況。沿臺階延伸方向出現正異常，且正極大值出現在端面附近，另一側出現負異常。ECITEASTCHINAINSTITUTEOFTECHNOLOGY六、規則磁性體與磁異常關系1、磁性體與其磁場平面分布的對應關系單個磁性體磁異常的平面等值線形狀大體可分為三種，即長帶狀、等軸狀和橢圓狀。平面等值線的形態往往是磁性體水平展布情況的反映，磁異常軸的方向一般反映地質體的走向。根據等值線的形狀，把磁性體區別為二度異常和三度異常即取1/2極大值等值線，若長軸為短軸長度的三倍以上，則視為二度體異常；否則為三度體異常。2、磁性體與其磁場的剖面對應關系（1）兩側無負異常的△T曲線

△T異常為兩側無負值的曲線。其極大值對應原點。這種剖面異常特征可作為判定磁性體順層（或順軸）磁化且向下無限延深的標志。

ECITEASTCHINAINSTITUTEOFTECHNOLOGY（2）一側有負異常的△T曲線

斜磁化無限延深板狀體的△T剖面曲線為一側有負值的曲線。負值位于Ms穿出板面的一側。曲線的不對稱性決定于γ（=α－is）角的大?。沪媒怯?，曲線愈不對稱。可根據△T曲線的陡緩判定板狀體的傾向。

（3）兩側有負值的△T曲線

剖面曲線兩側出現負值，是磁性體下延深度不大的表現。在垂直磁化情況下，其△T曲線為兩側有負值的對稱曲線；并且其極值對應原點。順層磁化有限延深板狀體，在板體傾向一側負值較強；對有限延深、傾斜且斜磁化的板狀體，其曲線的非對稱性不僅與γ角有關，還與磁性體下端的位置有關。ECITEASTCHINAINSTITUTEOFTECHNOLOGY

已知磁場的空間分布特征來確定地下所對應的場源體特征，確定磁性體的賦存空間位置、形狀、產狀及磁化強度的大小和方向等稱為磁異常的反演問題。

磁異常反演過程分為定性-半定量解釋和定量解釋兩個階段，解釋中存在以下兩個較為普遍的問題：

（1）場源體非均勻磁性問題

對具有一定埋深的場源在反演解釋過程中假設其為均勻磁化。

（2）反演的多解性問題

為了減少磁異常反演的多解性問題，必須充分利用地質及其它地球物理資料進行綜合推斷解釋。§3.5磁異常的反演ECITEASTCHINAINSTITUTEOFTECHNOLOGY一、特征點法

利用磁異常曲線上一些特征值，如極大值、半極值、1/4極值，拐點，零值點及極小值等坐標位置和坐標之間的距離，求解磁源體參量的方法稱為特征點法。其實質就是求解出不同形狀磁性體磁場解析式的特征點與該形體參量間的關系式，然后由異常曲線上讀取各個特征值代入相應關系式求得反演結果。ECITEASTCHINAINSTITUTEOFTECHNOLOGY二、切線法

切線法是利用過異常曲線上的一些特征點（如極值點，拐點）的切線之間的交點坐標來計算磁性體產狀要素的方法。該方法簡便、快速、受正常場選擇影響小。1.經驗切線法應用最早的一種切線法，經驗切線法對順層磁化無限延深的板狀體，垂直磁化有限延深直立板狀體能獲得較好的效果。

ECITEASTCHINAINSTITUTEOFTECHNOLOGY2.斜磁化二度無限延深板狀體的異常切線法ECITEASTCHINAINSTITUTEOFTECHNOLOGY三、沃納(Werner)反褶積方法

利用計算機進行自動計算基底深度和了解基底構造形態的方法。沃納反褶積法的基本模型是下延無限的直立或傾斜薄板、接觸帶。該系統除了利用記錄的總場強度曲線外，還利用了一條測量的或計算的垂直梯度剖面及一條計算的水平梯度剖面。

ECITEASTCHINAINSTITUTEOFTECHNOLOGY四、歐拉(Euler)齊次方程方法

該方法是一種能自動估算場源位置的位場反演方法，它以歐拉齊次方程為基礎，運用位場異常、空間導數以及各種地質體具有的特定的“構造指數”來確定異常場源的位置。尤其適用于大面積重磁測量數據的解釋。

ECITEASTCHINAINSTITUTEOFTECHNOLOGY§3.6磁異常的轉換處理磁異常的轉換處理主要有圓滑、劃分異常、磁異常的空間轉換；分量換算、導數換算、不同磁化方向之間的換算等等。

早在20世紀50年代，導數計算、解析延拓、化磁極等方法已相繼提出。一直到20世紀60、70年代以后，由于電子計算機的廣泛應用，磁異常的轉換處理才變得容易實現并不斷得到完善。

一、解析延拓

向上延拓是一種常用的處理方法，它的主要用途是削弱局部干擾異常，反映深部異常。

ECITEASTCHINAINSTITUTEOFTECHNOLOGY

向下延拓突出疊加在區域背景上的局部異常，“放大”某些在低緩異常中不夠明顯的異常特征，有利于進一步解釋推斷。但隨著延拓深度的加大，一些淺的局部干擾或誤差也迅速增大，使曲線發生劇烈跳動，甚至出現振蕩而無法利用。

向下延拓還可以評價低緩異常，低緩異常是指強度和梯度都比較小的異常，顯然這是磁性體埋藏較深的標志。ECITEASTCHINAINSTITUTEOFTECHNOLOGY二、導數換算

導數可以突出淺而小的地質體異常特征而壓制區域性深部地質因素的影響，在一定程度上可以劃分不同深度和大小異常源產生的疊加異常，且導數的次數越高，這種分辨能力就越強。

ECITEASTCHINAINSTITUTEOFTECHNOLOGY三、不同磁化方向之間的換算

ECITEASTCHINAINSTITUTEOFTECHNOLOGY四、重磁異常的對應分析

在解釋中能綜合利用多種物化探和地質信息，各種不同的資料彼此印證，互相補充，可以減少多解性，改善解釋的效果。我國亞東—格爾木地學斷面上的重磁場上延100km后的相關系數圖ECITEASTCHINAINSTITUTEOFTECHNOLOGY五、小波分析方法

小波分析方法是近年來發展起來的新的數學方法，廣泛的應用于信號處理、圖像處理、模式識別等眾多的學科和相關技術研究中。利用小波多尺度分析方法，將磁異常分解到不同尺度空間，作為一種新的位場分離途徑，小波多尺度分析方法為磁測解釋提供了新的思路。多尺度分析方法應用于磁測資料處理，野外觀測值S經一階小波分解，得到局部場D1和區域場A1，把A1作二階小波分解得到D2和A2，再把A2作三階小波分解可得A3和D3，……

ECITEASTCHINAINSTITUTEOFTECHNOLOGY§3.7磁