磁法勘探

磁法勘探一、基础知识1．磁法勘探利用磁力仅观测由岩石的磁性差异引起的磁场变化的一种物探方法，称为磁法勘探，也称为磁力测量或磁测。

按其观测的空间位置不同，可分为地面磁测、航空磁测及海洋磁测。

2．磁极、磁偶及磁矩在磁性体的两端，带有符号相反的两种磁荷，即正磁荷和负磁荷，称之为磁极。

磁极所含磁荷的多少，用磁量m 表示。

由磁库仑定律可知，真空中Q (ξ，η，ζ)点处的点磁荷m Q 对P (x ，y ，z )点上的正点磁荷0m Q 的作用力为γγπμ3m0m 0Q Q 41f ⋅=(6—24)式中 γ——m Q 指向0m Q 的失径，即由源点Q (ξ，η，ζ)到场点P (x ，y ，z )的失径。

其值为()()()[]21222ζηζγ-+-+-=z y x式中 0μ——真空磁导率。

在SI 单位制中，270/104A N -⨯=πμ（或H/m ，亨利/米），磁荷的SI 单位为m ·N/A 或Wb 。

磁场强度是单位正磁荷所受的力，即γγπμ30041mm Q Q f H ==(6—25) 磁场强度的SI 单位为A ／m 。

真空中，磁感应强度的定义式为H B 0μ= (6—26)磁感应强度的SI 单位是Wb/㎡或N/(A ·m)，称特斯拉。

不管是条形磁铁或是磁针，都具有正负磁荷的两个磁极，宦们是磁量相等而符号相反的两个点磁极，总是成对共同出现，将其作为一个整体，通常称之为磁偶极子。

如图6—30所示，磁偶极子的极矩为mL P = (6—27)式中 m ——磁量；L ——两极之间距离。

磁偶极子的磁矩μPM =(6—28)磁偶所产生磁场如图6—31所示，任一点P 处的磁场强度可表示为图6—30 磁偶极子示意图 图6—31 磁偶产生磁场示意图Q MH 23cos 31+=γ (6—29)式中 M ——磁矩；γ——S ，N 之间中点到P 点距离； Q ——S ，N 连线与r 之间夹角。

由物理学可知，磁化强度的定义是单位体积（V ）的磁矩。

即VM J =实验表明，同一物质磁化强度与磁化磁场成正比，以T 表示磁化磁场则有T J κ= (6—30)式中 κ——比例系数，称做物质的磁化率。

磁化率表示物质磁化的难易程度。

κ值越大，说明越容易磁化.由于κ是表示岩石磁性强弱的物理量，所以它是磁法勘探的物性依据，正如岩石的密度σ对重力勘探的意义一样，只有物性上有差别，才能引起异常。

3．物质的磁性所有的物质可按其磁化率的不同划分为三大类，即抗磁性、顺磁性和铁磁性。

抗磁性：它的磁化率κ很小，为(—1～—2)⨯610-CGSM 。

有些常见的矿物是抗磁性的，如岩盐、石油、方解石等。

(可看成无磁性物质)顺磁性：其磁化率κ在0～500⨯610-CGSM ；有些矿物如黑云母、辉石、褐铁矿等是顺磁性的。

铁磁性：它的磁化率有几千至几百万个610-CGSM 。

在自然界中；只有铁、镍、钻和它们的化合物、合金以及铬、锰合金属于铁磁性的。

由上述可见，组成岩石的大多数矿物是属于无磁性或弱磁性，关系较大的是铁磁性物质。

岩石之所以具有磁性，主要是因为岩石中含有铁磁性物质。

对于铁磁性物质，不仅κ值大，而且还有两个明显的磁性特征。

(1)磁滞现象如果用磁化曲线来表示磁性物质的磁化强度与磁化场强的关系，则顺磁性和抗磁性物质的曲线均为直线，见图6—32(a)所示，其磁化过程是可逆的。

但铁磁性物质的磁化曲线却表现为复杂的磁滞回线，如图6—32(b)所示。

当磁场强度增加时，磁化强度J 沿着A —B 一C 一D 曲线增加，在C 点达到饱和值s J 。

随着H 的降低，J 沿着另一条曲线D —C —E 下降，H =0时，J 不为零，还保留有磁化强度r J 。

再继续往下，相反的磁场抵消了剩余磁性，在F 点，c H H -=时，J 等于零。

以后随反向磁场增加到G 时，J 达到饱合值-s J 。

然后又减小反向磁场，并又接着逐渐增大正向磁场，磁化强度J 沿G —H —I —C 曲线变化。

铁磁性物质的磁图6—32 抗磁质、顺磁质和铁磁质的磁化(a) 抗磁质和顺磁质的磁化（1-顺磁质；2-抗磁质）；(b)铁磁质的磁滞回线化是不可逆的，称之为磁滞。

其中s J 称为饱和磁化强度，r J 称为剩余磁化强度，c H 称为矫顽磁力。

只有铁磁性物质才有磁滞现象。

(2)物质的磁性和温度的关系铁磁性物质当温度升高时，磁化率逐渐增加，临近某一点(居里点)时达到极大值，然后急剧下降趋于零，如图6—33所示。

抗磁性物质的磁化率不随温度变化，顺磁性物质的磁化率与热力学温度成反比。

4．岩石的感应磁性和剩余磁性实践表明：岩石所以有磁性，除岩石中需要含有磁性矿物外还需外加磁场。

前面讨论过的公式T J κ= 图6—33 铁磁质磁化率随温度变化示意图 式中 T ——外加地磁场；κ——磁化率，它表岩石能被磁化的程度，即表征岩石的感应磁性。

表6—2列出了各种不同岩石的磁化率。

从表中可以看出，沉积岩的磁化率最小，在某些地区，可以认为沉积岩是无磁性的；岩浆岩的κ最大，并且有很大的变化范围。

许多实际资料表明，岩石除具有感应磁性i J 以外，岩石中只要含有铁磁性矿物，就有剩余磁性，用γJ 表示，其值可以比感应磁性还大，γJ 的方向可以与i J的方向不同，甚至相反。

由于岩石不仅有感应磁性，还有剩余磁性，因此岩石实际的磁化强度应该是感应磁化强度i J 和剩余磁化强度γJ 两个矢量的合成。

γJ J J i += （6—31）表6—2 各种不同岩石的磁化率5．地磁场和磁异常(1)地磁要素地球表面上存在着地磁场，根据测量结果，地磁场是一矢量场，并且在地球表面上各处是不同的。

为了便于研究地磁场及其分布规律，通常采用地磁场强度的分量来描述。

如图6—34所示，采用直角坐标系，原点O 为地面上任一点，x 轴指向地理正北，y 轴指向地理正东，z 轴垂直向下，xOy 所在的平面为水平面。

O 点的地磁场总强度为T ，它在各轴上投影分别以X ，Y ，Z 表示，Z 为T 的垂直分量，H 为T 投影在xOy 平面上的水平分量，通过T 的铅直平面ZOHT 称之为磁子午平面，水平分量H 与x 轴的夹角D 称为磁偏角。

从正北开始计算，规定向东为正，向西为负，T 与xOy 水平面的夹角I 称之为磁倾角，以水平面为准，从水平面向下为正。

上述的X ，Y ，Z ，H ，D ，I 称之为地磁要素，它们之间的关系是222222sin ,cos cos ,sin ,T H Z X Y Z Z T I H T IX H D Y H D Z HtgI ⎧=+=++⎪==⎨⎪===⎩（6—32）按上述关系，六个地磁要素并非完全独立，只要已知三个要素便可求出其他各个要素及总磁场强度T 。

在地磁学中常测定的是H ，D 和I ，用它们来研究地磁场的分布。

在石油勘探中，常用的是垂直分量Z 的变化 Z 和地磁场总强度的变化 T ，有时也用图6—34 地磁坐标示意图 H 。

(2)地磁场的表达式地磁场相当于在地心存在一个磁偶极子所引起的磁场，下面讨论地心偶极子场的表达式。

磁偶极子在空间任一点的磁位可表示为12211211p m m r ru u u m m r r r r +-⎛⎫-=+=-= ⎪⎝⎭(6—33)如图6—35所示，r 1，r 2分别为－m 与＋m 到P 点距离，θ为偶极轴正向与r 方向的夹角，并规定θ角由磁轴正方向沿逆时针增大为正。

因为 212122,,2cos r l r r r r r l θ⋅-所以 1222122cos cos r r l Mup mm r r r rθθ-== (6—34)其中M ＝2lm ，为磁偶极子的磁距。

现在可求地球表面上任一点的磁位。

如图6—36设磁轴与地球旋转一致，令ϕ为地球的纬度角。

图6—35 磁偶极子 图6—36 地磁坐标与地球坐标示意图从图6—36中看出：90θ=°+ϕ，代入式(6—34)即得地面上任一点的磁位2sin MU rϕ=-(6—35) 式中 r ——地球半径。

地磁场沿地球半径R 方向的分量Z 、垂直R(沿水平)方向的分量H 以及总磁场强度T 分别为()3313222sincos13sinU MZR RU MHR RMTRϕϕϕϕ∂⎛⎫=--=⎪∂⎝⎭∂=-=∂==+(6—36) 又2ZtgI tgHϕ==由以上关系可以看出：在两极ϕ＝90°， T=Z=32MR, H=0; I=±90°在赤道上ϕ＝0, I=0, Z=0, H=T=3MR显然，两级磁场强度等于赤道磁场强度的2倍，以上计算所得结果与地磁图所示大致符合。

6．地磁场随时间的变化长期的观测结果表明，地磁场随时间在变化，其变化分周期性变化和非周期性变化。

周期性变化包括昼夜变化、月变化、年变化、长期变化；非周期性变化称为磁扰，强度大的磁扰称为磁暴。

7．地磁场的构成和磁异常如前所述，地磁场和地球中心存在一个磁偶极子所引起的磁场基本相似，但从地磁图上又可以看出各地磁要素在地面上的分布并不完全符合磁偶极子磁场，两者有差异。

这种差异(地面各测点的地磁数据与地心存在磁偶极子所产生的磁场值之差)，称为大陆磁场。

地磁场包括大陆磁场、因地质因素被磁化引起的磁场、地球以外原因引起的磁场以及随时间变化的磁场。

通常把地球中心偶极子所引起的磁场Tn、大陆磁场Tm以及外磁场(由地球以外原因引起)Te总和称之为正常磁场To，即To＝Tn十Tm十Te。

而随时间变化的磁场δT，可以进行校正。

因此，，地面上任一点的磁场T，可表示为正常磁场To和因地质原因所引起的磁异常Ta之和，即T ＝To +Ta (6—37)在实际工作中，正常磁场T0一般是指地磁图上所表示的磁场，而磁异常Ta又可分为区域异常和局部异常。

前者是由分布范围较大、埋藏较深地质因素引起，后者是由分布范围较小、局部构造或埋藏较浅的磁性体所引起。

设地下埋藏一球形磁性体，它的磁性大于围岩的磁性，则磁性体在其上方任一点处所引起的磁异常矢量为过该点的磁力线的切线方向。

图6—37中P l，P2，P3点其相应的磁异常为 Ta1，Ta2， Ta3。

从图6—37上可看出，磁异常是矢量，各点处的磁异常不仅大小不等，而且方向亦不一致。

磁异常 Ta一般都是正负相伴出现。

磁法勘探的地面测量，对油气勘探一般是测定总磁异常 T，但为了定量解释，测量它的垂直分量 Z ，如图6—37中的 Z 曲线所示。

从图6—37中可以看到， Z 异常曲线也是正负同时出现的。

二、野外磁力测量1．磁力仪磁力测量和重力测量一样，也分绝对测量和相对测量。

绝对测量一般多用于正常场的测量，磁法勘探主要是采用相对测量；单位是nT(纳特)。

磁力测量工作，按方式的不同，可分为地面磁力测量、航空磁力测量和海洋磁力测量。