[科普中国]-磁法勘探

简介

磁法勘探是通过观测和分析由岩石、矿石(或其他探测对象)磁性差异所引起的磁异常，进而研究地质构造和矿产资源(或其他探测对象)的分布规律的一种地球物理勘探方法。其中磁异常是指磁性体产生的磁场叠加在地球磁场之上而引起的地磁场畸变。2

岩石、矿石受现代地磁场的磁化而产生感应磁化强度，用它与现代地磁场强度的比值(即磁化率)表示岩石、矿石受磁化的难易程度。岩石、矿石在形成过程中还受到当时地磁场的磁化而获得磁性，这种磁性经漫长地质年代保留至今，称为剩余磁化强度。所以，岩石、矿石的磁性由感应磁化强度和剩余磁化强度2部分组成。岩石、矿石磁性的差异是磁法勘探藉以解决地质找矿问题的基础。

基本原理地磁场在地球上任何一处，悬挂的磁针都会停止在一定的方位上，这说明地球表面各处都有磁场存在，这个磁场称为地磁场。地磁场在地球表面的分布是有规律的，它相当于一个位于地心的磁偶极子的磁场。S极位于地理北极附近．N极位于地理南极附近，地磁轴和地理轴有一偏角。

磁异常在磁法勘探中，实测磁场总是由正常磁场和磁异常两部分组成。其中正常磁场又由地磁场的偶极子场和非偶极子场(大陆磁场)组成。而磁异常则是地下岩、矿体或地质构造受地磁场磁化后，在其周嗣空间形成并叠加在地磁场上的次生磁场。其中含分布范围较大的深部磁性岩层或构造引起的部分，称为区域异常；而由分布范围较小的浅部岩、矿体或地质构造引起的部分，称为局部异常。

如实测磁场为T，正常磁场为T0，则磁异常Ta可表示为：

Ta=T-T0

在航空磁测中，大多测量地磁场总强度T和正常场强度T0的模数差△T，即

△T=︱T︱-︱T0︱

在地面磁测中，主要测量磁场的垂直分量变化值Za，称为垂直磁异常。即

Za=Z—Z0

式中：Z为实测垂直磁场强度；Z0为正常垂直磁场强度。

磁法正反演磁法勘探的根本任务是解决地质问题。要对观测到的磁场分布和变化规律给以正确的解释。首先必须了解和掌握各种地质现象与磁异常之间的对应关系和本质联系，建立磁异常的形态特征和磁性地质体形状、产状间的定性、定量关系，从而能根据测量所得的磁异常推断地下地质情况。已知磁性体磁性和几何参数，计算其在周围空间产生的磁场分布，称为磁法正演问题。而根据已知的磁场分布(磁测结果)确定磁性体的磁性和几何参数，称为磁异常反演问题。正演是反演的基础。3

磁场的正演磁法勘探中研究的磁异常场大多属于地壳中局部磁异常，即磁性地质体的磁场。该磁性地质体的磁场在地表以上空间分布形态特征直接受该地质体形状、大小、产状和磁化强度等因素控制。只有通过数值计算，先研究不同形状、大小、产状和磁化特征的地质体周围磁场分布特征，从定性和定量两方面研究磁性体与其周围磁场的关系，了解磁性体特征和磁异常特征间的对应关系，才能根据已有理论和规律去分析解释实测磁异常。

过去受计算技术限制，正演计算时要设定某些理想化假设条件：

场源为单一规则几何形体；

场源被均匀磁化；

观测面水平；

不考虑剩磁的影响。

对一些规则形体，如球体、无限长水平圆柱体、台阶、板(脉)状体以及长方体等．利用理论公式计算其周围空间磁场分布。这些规则形体的正演理论研究为磁法勘探技术发展做出了重要贡献。但在实际勘探中地下地质状况十分复杂，并不能满足这些假设条件。随着磁法勘探理论和数值模拟技术的快速发展，现在磁法正演可以模拟多种复杂条件下磁性体的磁场分布，包括起伏地形条件下磁性体的磁场、空间多磁性体的磁场、非均匀磁化磁性体的磁场等。随着技术的进步，正演模拟技术将能模拟更加复杂的地质情况，而假设限制条件会更少。

磁场的反演磁场反演的目的是．根据实测磁异常的分布特征，综合有关地质、岩矿物性资料，通过反演计算，获得磁性体的中心位置、埋藏深度、倾向、倾角、延伸长度和分布范围等几何参数以及磁化强度等物性参数，为数据定量解释提供关键参数。

磁异常的反演方法，习惯上分为定性、半定量解释和定量计算。前者是后者的基础，后者是前者的继续和深入，两者密切相关。随着计算机和软件技术的进步，现在主要是以定量计算为主。磁异常定量计算方法较多，可分为空间域和频率域两大类，空间域技术相对较成熟。

磁测仪器磁力仪的种类很多，大致可分为两大类，即机械式磁力仪和电磁式磁力仪。

由于磁法勘探早期主要以勘探磁性较强的固体矿产为主，使用的仪器主要为机械式力仪(又称磁秤)。机械式磁力仪可分为刃口式和悬丝式两种，而每种又可分为垂直磁力仪(测量磁场强度垂直分量)和水平磁力仪(测量水平分量)。仪器的灵敏度一般为，n×10 nT，主要用于地面磁测。随着磁法勘探研究的深度和空间范围的不断扩展，近年来已经向地壳深部与向微磁、弱磁性的地质对象勘探转变，不仅在油气藏、地热、煤田等弱磁性领域扩大磁法的应用，而且在考古、环境污染、灾害预测等方面也有应用。这就要求磁测仪器具有较高的灵敏度，所以磁测仪器加速了发展速度，第一代磁力仪利用永久磁铁或感应线圈，如机械式磁力仪；第二代磁力仪应用高导磁性材料或原子、核子的特性以及复杂的电子线路，如质子磁力仪和光泵磁力仪；第三代磁力仪为利用低温量子效应制成的超导磁力仪。同时，磁性参数的综合利用方法，也从研究单一磁导参量和磁性参数向三分量、磁梯度和磁各向异性等多种磁性参数综合研究与利用方向发展。

在我国，继质子旋进式磁力仪问世以来，又相继出现了光泵式、感应式、低温超导式和高温超导式磁力仪。随着电子技术和计算机技术的飞速发展，促进了地球物理仪器的更新换代，弱磁测量仪器的灵敏度不断提高(n×10 nT，1 nT，0.1 nT，0.001 nT，10nT)。高精度的弱磁测量可以带来新的地质信息，取得新的地质效果，促进磁法研究向深层次发展。

电磁式(高灵敏度)磁力仪主要包括磁通门磁力仪、质子旋进磁力仪、光泵磁力仪、感应类磁力仪和超导类磁力仪等。这些高灵敏度磁测量仪器由于其工作范围较宽(动态范围大)，除可用于微弱磁信号的检测，如航空磁测、海洋磁测和井中磁测外，还可用于对磁测精度要求不高的地面磁法勘探中。

磁测精度根据磁法勘探规范，磁测精度可分为三个等级：高精度，均方误差≤±5nT；中精度，均方误差介于±5～±15nT之间；低精度，均方误差≥±1 5nT。磁测精度直接影响费用投入、测量结果的质量和地质效果，因此在设计时需要根据地质任务综合考虑，一般依据磁测比例尺的选择而定。在小比例尺、大面积普查时一般采用中、低精度；在大比例尺详查时采用高精度。

总体而言．测网和磁测精度的选择以解决地质任务为目标前提，设计时应确保测网和磁测精度的选择能满足测量结果．能发现有意义的异常。一般来说．测网越密、磁测精度要求越高则测量结果质量越好。但精度提高的同时也会降低效率，增加成本投入。盲目提高精度会造成不必要的浪费。应结合地质目标和地质任务的实际情况作具体分析．选择合适的施工设计。当然也可以在施工过程中或项目完成后根据勘探成果进行补充勘察设计，提高勘探成果的质量和效果。

应用磁法勘探可用于地质调查的各个阶段：

在区域地质调查中的应用包括：

①进行大地构造分区，研究深大断裂，确定接触带、断裂带、破碎带和基底构造；

②划分沉积岩、侵人岩、喷出岩以及变质岩的分布范围，进行区域地质填图；

③研究区域矿产的形成和分布规律。

在普查找矿工作中的应用包括：

①直接寻找磁铁矿床，普查与磁铁矿共生的铅、锌、铜、锡等弱磁性矿床，普查与磁铁矿共生的金、锡、铂等砂矿床；

②普查铝土矿、锰矿、褐铁矿和菱铁矿等弱磁性沉积矿床；

③查明各种控矿构造并进行控矿因素填图，圈定基性、超基性岩，寻找铬、镍、钒、钴、铜、石棉等矿产；

④圈定火山颈以寻找金刚石，圈出热液蚀变带以寻找夕卡岩型矿床和热液矿床(见气化热液矿床)；

⑤普查油气田和煤田构造，研究磁性基底控制的含油气构造，圈定沉积盖层中的局部构造，以及探测与油气藏(见圈闭)有关的磁异常，进行普查找油研究与火成岩有关的煤田构造及圈定火烧煤区的范围。

在矿产详查勘探中，对磁异常作定量解释可用来追索和圈定磁性矿体，确定钻探孔位并指导钻探工作的进行。

磁法勘探还可用于研究深部地质构造，估算居里点深度以研究地热和进行地震蕴震层分析及地震预报的研究。还可应用于考古、寻找地下金属管道等工作。

磁法勘探的主要发展方向是应用多参量高精度磁测，扩大磁法勘探的应用领域，应用近代数学理论与电子计算机技术相结合，提高对复杂磁异常的处理和解释能力，实现解释过程的自动化、图像化和地质化。实现自动解释的多参量高精度磁测，再综合其他资料，能更有效地进行立体填图，对研究区的地质构造及矿产赋存情况作出定量推断，提高找矿、地热勘查、工程建设和地震预报等方面。