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绪 论 地球是人类赖以生存和发展的空间。地球内部蕴藏着社会可持续性发展所需要的各种矿产资源。为了使人类生活得更好，我们首先要认识地球，并在此基础上勘探开发矿产资源，改善生存环境并防治自然灾害。 地球是一个处于运动和变化中的巨系统。他不仅体积庞大，结构和成分复杂，而且有漫长的演化历史。为此，研究地球必须分层次进行不同尺度的调查，并对其形成和发展的进程加以考虑。 地质学家踏遍千山万水，从地球表面出露的岩石、矿坑中展布的地层来认识断层、褶皱和岩脉，以确定其生成年代，推断构造运动，进而深化认识其发生发展的历史。这样，地质学家从野外各种地形地貌的实际观测出发，进行综合、概括，即运用理性思维寻求对地球的认识。另一方面，地球上多种物理现象的发现，如引力、磁性、声、光、电、热以及后来的放射性等，在寻求其规律性认识的过程中，形成独立的物理学科学体系，而运用物理学的理论、方法与技术来研究和考查地球，将在实验室的特殊条件下所进行的各种物理现象的实验与观测，放到地球野外，在陆地、海洋乃至空中来进行数据采集，探索其规律，建立数理方程，寻求其解答，则是地球物理。同样，由应用炼丹术引申出来的化学对地球样品作化学分析，以了解元素的分布与富集，并作出地质解释，即是地球化学。应该指出，地质、地球物理、地球化学分别有自己独立的理论、方法和技术体系，它们是从不同的角度来研究并认识地球，因此，只有使地质、地球物理和地球化学相互渗透、相互补充，才能由片面的认识上升到比较全面、更加深刻的认识。地球科学应该是地质学、地球物理学和地球化学的高层次综合或集成，尽管它们分别有各自的前沿问题有待于深化解决。 地球科学，包括地质、地球物理与地球化学，都必须分层次，进行不同尺度的调查。大范围、小比例尺的调查能够把握宏观规律，指导微观的深入调查，即区域约束局部、深部制约浅层。我们指出，20世纪以大陆转移、海底扩张和全球板块大地构造的发展红线，使地球科学的认识得到深化，而这些理论观点的形成，以及对地球内部结构（如地壳、地幔与岩石层、软流层）的讨论大都是以地球物理对大洋观测为依据并以地质与地球物理相结合的而取得规律性认识的。因此，地球物理在20世纪科学发展中，一直起着先导作用。 地球上，各种物理现象（力、磁、电、声、光、放射性）的空间展布即地球物理场。应用不同尺度的各种地球物理场可以对地球环境进行探测研究，其中包括地球的外部空间和内部空间，通常将其内部空间称为固体地球。应用地球物理场来研究地球，即地球物理勘探，其内容极为广泛，可以用“上穷碧落下黄泉”来形容，由于高空和地球内部“两处茫茫皆不见”，只有应用物理仪器进行观测，采集各种比例尺的地球物理场数据，称为正演问题，这是地球物理的基础。对于二维或三维空间内地球物理数据的解释称为反演问题。任何地球物理场的反演问题都是多解的，不适定的，因此，必须使地质与地球物理相结合，应用地质理论来指导对地球物理场的解释，以求得正确的认识。近年，由于地球物理广泛采用现代科学技术的最新成就，仪器设备实现数字化，地球物理数据的采集、处理与解释广泛应用电子计算机，从而能够快速而精确地完成各种任务。 地球科学的基本任务是认识地球，在不同尺度上寻求其形成演化的规律，以为社会与经济的发展服务，如矿产资源的勘探与开发、环境的监测与保护，以及灾害的预警与防治等。作为基础理论对规律性的探索是实际应用的指导，而为社会与经济的服务则能够为基础理论提供资料，因此，基础研究与实际应用是相辅相成的，而不是对立矛盾的。做基础研究，应该考虑到它的应用，作应用工作，应该以基础理论为依据。 从上个世纪之初，相对论与量子力学丰富并发展了物理学，从而出现了地球物理学，即应用物理学来研究地球。纵观地球物理学的发展历程，可以明显地看出两个特点：一是不断地吸取并采用现代科学技术的最新成就来充实并提升地球物理探测能力，解决实践中涌现的各种难题；另一个特点是应用领域不断地扩大，在油气勘探取得重大成就的基础上，逐步向煤田、金属与非金属矿床、地下水等矿产资源领域开拓，而且根据社会与经济发展的需求，在水利、电力、铁路、交通、航运等多种领域中出现许多工程项目，如开发隧道、修筑堤坝、建立港口、码头、铺设电缆、管道、修建机场、检测桩基等等，都要求地球物理提供地下情况的资料。此外，地球物理在军事与国防安全领域的应用，则已出现军事地球物理学的分支学科。由此可见，地球物理的应用范围是极其广泛的。 如上所述，地球物理学（Geophysics）是利用物理学的方法研究地球的一门科学。一方面，它是应用物理学的一部分，另一方面，它又是地球科学的一部分，是物理学与地学的交叉学科。它和地质学、地理学、地球化学等一样在地球科学中占有重要地位。 地球物理学研究的范围包括从最深部的地核直至大气圈边界的整个地球。因此它包含了许多学科，涉及了极其广泛的领域。根据研究的对象或使用的方法不同，可以对它进行分类。由于我们每天都和地球的大气圈、水圈和岩石圈打交道，所以把它划分为大气物理学、流体物理学和固体地球物理学。这种划分地球物理学的方法是根据从地心向外物质状态的差异。在实际应用中，人们有时已经默认为地球物理学是指研究“固体地球”这部分的物理学这一狭义的定义，即固体地球物理学。从理论和实践的关系上，又把地球物理学划分为理论(或纯)地球物理学和应用地球物理学。本书属于应用地球物理学。 人类对地球物理现象的研究从远古就开始了。东汉的张衡就是一位地震学家，唐朝的僧一行就是一位大地测量学家。现代物理学也可以说是从研究地球物理问题开始的。正是由于研究地球和月球的运动，牛顿才发现了万有引力定律。牛顿以后的许多数学家和物理学家都对的地球物理学的研究作出过重要的贡献，A. C. airaut研究地球的形状，C. F. Gauss研究地磁场，P. S. LapIace研究地球的起源，L. Kelvin研究地球的弹性、热传导和许多其他地球物理问题。当代的诺贝尔奖金获得者有好几位也致力于地球物理问题的探讨。 地球物理学的发展并不是一帆风顺的，在发展过程中也曾有起伏变化。这是由于生产的需要和科学本身的发展所决定的。一度曾在18、19世纪中盛极一时的地球物理学，而在20世纪初叶由于没有取得什么决定性的进展几乎被人忘记。相反，在这段时期内物理学却接连出现了许多引入注目的发现。到了本世纪30年代，由于地球物理勘探方法显示出了优异的效果，此后地球物理学才又为人注意。 在地球物理学的发展过程中，各个分支之间的关系也在不断进行调整。重力理论和重力测量曾经是地球物理学的一块柱石，但是20世纪以来，直至60年代，除重力探矿以外，它几乎不大受到重视，而人造卫星的上天又给地球重力的研究开辟了一个新的途径。在重力学受到冷遇的时候，地震勘探却取得了突飞猛进的发展。 在地球物理探矿大踏步前进的同时，对地球内部的研究也取得了重大的进展。其标志就是“板块大地构造假说”的建立。板块说是地学发展史上的一个里程碑。其意义之重大和影响之深远可以与现代科学的任何重大发现相媲美。板块学说的建立不是闭门造车的结果，而是根据多年积累的大量资料(地震、地磁、古地磁、重力、海上地球物理观测、地热、地质，深井等)提出来的。这是一项综合性的研究成果，其中地震学起着最显著的作用。 现代科学的一个重要特点是互相交叉，在地球物理学各分支之间已经形成了自己互相交叉和渗透的独特的格式。因此任何试图硬性割裂地球物理学各分科，在它们之间画一条不可跨越的鸿沟，都是错误的。随着科学的发展，各学科都趋于互相交叉，互相渗透和补充，不存在一种“与世隔绝”的分支。例如大地构造物理学就和地震学、地热学、重力学、火山学、古地磁学等有关。再如地热学，它不但与火山学、地震学、放射性科学有关，同时还与大地构造物理学、宇宙地质学等有关。 还必须指出，应用地球物理学和理论地球物理学之间没有一个绝对的界限。它们之间的区别仅仅在于，前者偏重于应用和解决局部问题，而后者偏重于理论和研究全球问题。它们在理论基础、研究方法、使用仪器的原理等方面都没有明显的区别。 固体地球物理学，包括应用地球物理学，离不开数学、物理学、现代电子技术、计算技术和地质学等，其研究方法基本上是如下过程。 一、以现代电子技术为基础的观测与信息的取得 在地球物理问题的研究中，通过观测取得第一手资料是十分关键的，它是地球物理学研究中最重要的环节之一。因为可靠信息与信息量的缺乏，是任何数学技巧所无法弥补的。每当记录的地球物理数据的精度或信息量提高一个级次，就推动数据分析技术前进一大步，从而导致对地球内部结构的认识的精细程度提高一步。所以地球物理学在本质上是一门观测的科学。为此，在地震波场、重力场、磁力场、电磁场、温度场以及地球自由振荡的观测中，为取得可靠的，大量的有效信息，就必须满足以下条件： 1、要有高精度、宽频带、大动态范围、三分量记录的、自动化的数字观测系统。 2、要有快速、高分辨率的先进软件包和数据库。 3、要有一支较高素质的、责任心强的观测队伍，并能取得第一手可靠数据。 4、要有与观测资料处理相匹配的物理与数值模拟系统。 5、基础数据不仅要确切可靠，而且必须在较长时间内能妥为保存，以便在发展中二次开发并经得起检查与核对。 二、以现代数字处理技术和计算技术为基础的数据处理 由于原始记录中包含着不同程度的干扰，也由于随着获得的数据量的不断增大而要求相应的数据管理和显示技术，所以原始记录的数据要先用计算机进行处理，以提高信噪比及提取与地质解释有关的某些特殊的信息。数据处理的结果一般还是描述物理现象的量，而不是描述地球内部物质物理状态的量。在应用地球物理学范畴内，数据处理是一个从异常数据到异常数据的过程，而不是从异常数据到地下模型数据的过程。 三、以数学和物理为基础的正反演解释处理 地球物理反演是在地球物理学中利用地球表面观测到的物理现象推测地球内部介质物理状态的空间变化及物性结构的一个分支。虽然地球物理学可分为固体地球物理学和勘探地球物理学两大方面，但这两方面在理论上都有一个共同的核心问题：如何根据地面上的观测信号推测地球内部与信号有关部位的物理状态，如物理性质、受力状态或热流密度分布等，这些问题就构成了地球物理反演的独特研究对象。具体来说，地球物理反演研究的是各种地球物理方法中反演问题共同的数学物理性质和解估计的构成和评价方法，它是从各个地球物理分支中抽象出来的新的边缘学科。反演计算的目的就是将物理现象的数据转化为地球内部物质物理状态变化的数据，为下一步地质解释提供依据。反演的准确度和分辨率实际上常常成为衡量地球物理研究成果的价值的关键指标。 从科学方法角度来看，地球物理学的正反演研究方法与医生看病类似。首先医生需要学习了解各种疾病的现象特征（正演过程），然后医生直接观测或通过现代化医疗设备间接观测病人的病症去研究推测病人患的是什么病（反演过程）。在地球物理学研究中，必须确定观测数据和地球模型参数之间的函数关系，在此基础上地球物理学家首先要根据给定的模型参数计算相应的观测数据（即实现正演计算），然后再根据观测数据求取相应的地球物理模型的参数，实现反演映射。显然，地球物理正演是反演的前提和条件，只有解决了正演计算，不管是靠解析的方法还是数值的方法，才有可能实现反演映射，反演是目的。在应用地球物理学范畴内，反演计算处理是一个从异常数据到地下模型数据的过程。 与其它学科一样，地球物理反演理论也有其需要解决的特殊问题。它必须解决五大问题如下。 1、解的存在性：给定一组观测数据后，是否一定存在一个能拟合观测数据的解或模型。在地球物理资料的反演中，解的存在性已被大量的理论文章和实际资料所证实。地球物理学家把存在性问题留给数学家们去研究，他们对此并不十分感兴趣。然而，这并不是说这个问题毫无意义。事实上，它是对所研究的地球物理问题的数学物理模型及其假设条件的正确性的检验，具有重大的理论意义和明显的实际价值。 2、模型构制：如果存在性是肯定的，如何求得或构制能拟合观测数据的模型。 3、非唯一性：能拟合观测数据的模型是唯一的，还是非唯一的。解的非唯一性是地球物理资料反演中最重要的问题之一。对所有地球物理问题都存在，只是程度不同而已，有的非唯一性问题小，有的非唯一性问题大。 3、结果的评价：如果解是非唯一的，如何才能从构制的模型中提取关于真实模型的地球物理信息。 5、解的稳定性：反演问题就是从数据空间到模型空间的映射问题。如果数据空间有一个小范围的变化，相应于模型空间存在一个大范围的变化，则称这种映射或反演是不稳定的。实践证明，地球物理学中的反演问题都是不稳定的。只是严重程度不同罢了。解不稳定，会造成迭代过程中的振荡，甚至会出现不收敛，给反演工作造成极大的麻烦。因此，提高解的稳定性，是反演中必须采取的重要措施。 四、以地质理论为指导的综合分析与地质解释 综合分析与地质解释主要根据实验测定的岩石类型和物理性质之间的关系或者这方面的统计规律来推测地球内部不同岩石的分布区域以及相变带和突变带，并由此导出有关地球构造、动力和演化的佐证，或者得出有关矿产生成、储存和聚集的结论。 在地质解释过程中，不能把地球物理学作为一门孤立的学科来研究。因为它是从地质学和物理学发展起来，以物理学为基础研究地球的一门边缘科学。随着地质学家采集资料使用工具精度的提高，解释手段的现代化，他们需要更多的地球物理知识。随着勘探目的层的加深，矿体复杂程度的加大，地球物理学家也需要更多的地质知识对自己进行补充。因此那种传统地根据定性和定量工作来划分地质学和地球物理学的概念已日趋消失。只有地质学家、地球物理学家和地球化学家以及众多的数学家、物理学家、化学家、天文学家等共同努力，联合一致才能更好地完全了解和研究地球这一共同课题。 第一章 重力勘探人们熟知在地球表面及附近空间的一切物体都有重量，这是物体受重力作用的结果，重力作为一种普遍存在的物理现象，很早以前就受到了人们的关注。随着重力测量水平的提高，重力现象逐渐应用于矿产资源勘查，这就是重力勘探。 重力勘探所观测、研究的是天然的地球重力场，引起重力场变化的因素包括从地表附近直至地球深处的物质密度分布的不均匀；又因为野外测量中使用的重力仪轻便，观测简单，采集数据方便，所以重力勘探相对来说具有经济、勘探深度大以及快速获得面积上信息的几个优点，因而获得了比较广泛的应用。 第一节 重力场与重力勘探的基本概念重力学或重力勘探是根据地球重力场研究地球构造及寻找矿产资源的一门地球物理学科或地球物理方法。什么是物理学或地球物理学中“场”的概念？什么是重力场？重力场具有什么样的特征？重力场与其场源的关系如何？这些都是重力勘探的理论基础。 一、重力与重力加速度 （一）重力 人们熟知在地球表面及附近空间的一切物体都有重量，这是物体受重力作用的结果。物体的质量是表示物质运动的惯性及存在引力的属性。重量与质量是互有关系又有区别的。物体所受的重力是除该物体之外的地球质量及其他天体质量对物体产生的引力和该物体随着地球自转而引起的惯性离心力的合力。 设地球表面有一物体A(见图1-1)，地球质量对它产生的引力为F，方向大致指向地心。太阳、月亮等天体质量对它产生的引力很微小，暂可忽略不计。若物体A 随地球自转而引起的惯性离心力为C，它的方向与地球自转轴NS垂直而向外。则引力与惯性离心力的合力G 就是重力，它的方向随在地表位置的不同而发生变化，但大致都指向地心。在地面上物体A 受重力作用的方向，即为该处的(铅)垂线方向。上述几个力用公式表示为 file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/ksohtml/wps_clip_image-19365.png (1-1) file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/ksohtml/wps_clip_image-17697.png 图1-1 地球的重力 （二）重力加速度 物体受到重力作用的大小还与其本身的质量大小有关。单位质量的物体在重力场中所受的重力称为重力场强度。当物体只受到重力的作用而不受其它力作用时，就会自由下落；物体自由下落的加速度就称为重力加速度（用g表示）。它与重力之间的关系为 file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/ksohtml/wps_clip_image-7909.png (1-2) 式中 m是物体的质量，g是重力加速度。若令 (1-2) 式中的m为1，则G=g；或者以m 除该式两端，则得 file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/ksohtml/wps_clip_image-19296.png (1-3) 由此可知：重力加速度在数值上等于单位质量所受的重力，其方向也与重力相同。由于重力G 与质量m有关，不易反映客观的重力的变化，所以在重力测量学及重力勘探中，总是研究重力场强度或重力加速度g，以后若不特别注明，凡提到重力都是指重力加速度或重力场强度。 为了纪念第一位测定重力加速度的物理学家伽利略，把重力加速度的CGS单位(克、厘米、秒单位制)称为“伽”，用“Gal”表示，即 1 cm/s2 = 1 Gal (伽) 二、重力位及正常重力 （一）重力场及重力位 1、重力场 如果一质点放在空间内任何一点上都受到力的作用，则空间内就有力场存在。在地球周围空间存在的力场，其场强度G等于重力f与试探质量之比，方向与重力相同，这种场称为重力场(薛琴访，1978)。 重力场具有以下特点（曾华霖等，2005）： （1）重力场是空间一个区域内的矢量场，重力场处在地球表面的一些点处等； （2）重力场是空间坐标(x,y)的函数； （3）重力场作用在空间中任何点处； （4）重力测量是测量重力场的变化； （5）重力场由重力位确定，重力场是由位导出的场。 总之，重力场是空间中的一种力或力场，是矢量场，分布于地球表面及其邻近的空间；空间中任一质点都受到重力的作用。由于地球上物体所受到的重力是地球的引力及该物体随地球自转而引起的惯性离心力的合力，因此重力场是引力场和惯性离心力场的合成场。 2、重力位 由于重力大小和方向是研究点坐标的单值连续函数，并且其作功与路径无关，根据场论知识，我们可以找到一个函数，它是单值连续的函数，并且它在不同坐标方向的导数正好等于重力在该方向的分量，这个函数就叫做重力场的位函数，简称重力位。 3、正常重力 若地球的形状及其内部物质密度分布为已知时，应用重力位函数公式可以求出地面上任一点的重力位。然而，地球表面的形状十分复杂，而地球内部的密度分布并不清楚，因此，不可能直接利用公式求得地球的重力位。为此，引入一个与大地水准面形状十分接近的正常椭球体来代替实际地球，并假定此椭球体内部物质密度均匀或呈同心层状分布。这样，该球体表面上各点的重力位便可根据其形状、大小、质量、密度、自转的角速度及各点所在位置等由理论公式计算出来。在这种条件下得到的重力位就称为正常重力位，求得的相应重力值就称为正常重力值。 （二）重力异常 概括地说，实测重力值与由正常重力公式计算出的正常重力值之差统称为重力异常。即 file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/ksohtml/wps_clip_image-13131.png 式中的 g 为测点上的实测重力值；g 为该点上的正常重力值。 造成重力异常的主要原因有： 1、地球的自然表面并不像大地水准面那样光滑，而是起伏不平的； 2、地球内部介质密度分布不均匀。这种密度的不均匀性有一部分是地质构造和矿产引起的。所以这类异常是重力勘探所要研究的主要内容。 （三）岩（矿）石的密度 重力勘探是以地下岩（矿）石间的密度差异为前提条件的，因此有必要谈谈地下岩（矿）石的密度差异及影响因素。 根据大量测定和长期研究结果认为，决定岩石密度的主要因素是： 1、岩石中各种矿物成分及其含量的多少； 2、岩石中的孔隙度大小及孔隙中的充填物多少； 3、岩石所受压力的大小。 火成岩的密度主要由矿物成分及含量多少来决定，一般从酸性岩向基性岩过渡时，其密度值随岩石中铁镁暗色矿物的百分含量的增加而变大。沉积岩较多受孔隙度的影响，其密度变化范围较大。变质岩的密度与矿物成分、含量以及孔隙度均有密切关系。一般情况下，火成岩密度最大，变质岩次之，沉积岩最小。 第二节 重力勘探工作方法简介从观测地球重力场的变化到得到由地下密度分布不均匀引起的重力异常，需要必要的观测手段及系统的野外测量和资料整理过程，具体包括：（1）高精度的重力测量仪器；（2）野外重力测量；（3）根据测量的重力值计算重力异常。 重力勘探工作的全过程大致可划分成三个阶段：首先是根据承担的地质任务进行现场踏勘和编写技术设计；第二步是进行野外测量，采集有关的各种数据；最后是对实测数据进行必须的处理和解释、编写成果图及报告。 一、重力测量的地质任务 随著重力仪器测量精度的提高，测量领域的扩大，各项校正方法的逐步完善，资料处理和解释方面的新方法、新技术的发展，重力勘探所能完成地质任务的能力和勘探效果在日益提高，应用范围在不断扩大。不同的地质勘探阶段可以布置适当比例尺的重力测量工作，以完成相应的地质任务。 根据重力测量或重力勘探所承担的地质任务及勘探对象的不同，大体上可以分为：区域重力调查；能源重力勘探；矿产重力勘探；水文及工程重力测量；天然地震重力测量等。在不同的勘探阶段，重力可以解决不同的地质问题。 区域重力调查可以研究地球深部构造、断裂的展布、研究大地及区域地质构造，划分构造单元，探测、圈定与围岩有明显密度差异的隐伏岩体或岩层，划分成矿远景区。 能源重力勘探可以在沉积覆盖区快速、经济地圈出对寻找石油、天然气或煤有远景的盆地；在圈定的盆地内研究沉积层的厚度及内部构造，寻找有利于储存油气或煤的各种局部构造，条件有利时可以研究非构造油气藏 (如岩性变化、地层的推覆、古潜山及生物礁块储油构造等) ，并直接探测与储油气层有关的低密度体。 矿产重力测量包括金属及非金属矿产的重力测量。它多与其它的物探方法配合，圈定成矿带；在条件有利时，可以探测并描述控矿构造，或圈定成矿岩体。 在水文及工程地质方面，利用重力资料可以研究浮土下基岩面的起伏和有无隐伏断裂、空洞，寻找水源，可以对危岩、滑坡体进行监测；在地热田的勘测开发过程中，发现热源岩体，监测地下水的升降以及水蒸汽的补给情况。 天然地震重力测量可分为台站重力测量和流动重力测量两种形式。其主要任务是研究重力场在台站点上或在某一地震活动带、沿一条测线或一块面积的重力随时间的变化。在台站上的观测结果是临震预报的依据之一；在固定测点之间进行的流动重力观测结果是中长期预报的依据之一。 二、重力测量的技术设计 编写技术设计的指导思想是以尽可能少的工作量来圆满地完成所承担的地质任务。技术设计中主要解决的问题是：工作比例尺的确定；精度要求和各项误差的分配以及野外工作方法的选择等。 工作比例尺反映了工作的详尽程度，也就是提交的重力异常图的比例尺，工作比例尺应根据地质任务、探测对象的大小及其异常特征来确定，区域重力调查可以选用较小的比例尺，高精度重力测量应选用较大的比例尺。 重力异常的精度，一般用异常的均方误差来衡量，它包括重力观测值的均方误差和对重力观测值进行校正时各项校正值的均方误差。重力异常的均方误差应根据地质任务和工作比例尺来确定。 重力测量的方式包括路线测量、剖面测量及面积测量。路线测量一般用于概查或普查阶段；剖面测量多用于详查或专门性测量，剖面线方向应垂直地质体走向；面积测量是重力测量的基本形式，它可以提供工区内重力异常的全貌。 习 题 1. 重力勘探中所谓的“重力”，实际上是哪一个参量？为什么通过测量该参量在不同地点的变化就可以达到研究固体地球、寻找矿产等的目的？ 2. 什么是重力异常？引起重力异常的原因是什么？ 3. 什么是重力仪的零点漂移？ 4. 对重力原始观测结果都需要那些改正？为什么要进行这些改正？ 5. 哪些因素影响重力测量的观测精度？而哪些因素又影响重力异常的精度？ 6. 重力勘探应用的前提条件是什么？重力勘探的应用领域主要有那些？
第二章 磁法勘探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分布规律的一种地球物理方法。磁异常的起因取决于地球磁场和岩（矿）石磁性，两者是磁法勘探的物理基础。用磁力仪观测获得磁异常是磁法勘探的一个重要环节。为了可靠地得到磁异常值，还需要正确的工作方式和消除各种干扰的改正方法，以便确保获得的磁异常由探测对象（磁性体）所引起。分析研究磁异常与磁性体之间的对应关系与规律，以便利用这些规律对磁异常进行磁性体的埋深、形状、产状、分布范围和性质作大致判别。由于实际地质问题的复杂性、多样性，为了提取出与探测对象（磁性体）有关的信息，还需要对磁异常进行有针对性的消除非探测对象影响的处理与转换，在此基础上选择合适的定量反演方法，并结合地质与其他地球物理方法对探测对象逐步逼近，最后做出合理的解释推断。 磁法勘探是发展最早、应用广泛的一种地球物理勘探方法。实践表明它具有如下特点：①轻便易行、效率高、成本低，在许多情况下效果良好。②工作领域广、不受地域限制，可广泛应用于空中、海洋、地面与钻井中。已形成专门的卫星磁测、航空磁测、地面磁测与井中磁测等工作系列，可以提供全球磁异常信息。③岩石原生剩余磁化强度矢量与成岩时的地磁场有关，因而具有记录成岩时地磁场的功能，有人称之为古地磁场的记忆器。这是诸多物性参数中最为独特的一个，从而可以把现代磁性观测推测到地质年代中的古地磁状态，成为将今论古的磁学证据。④应用范围广。磁法勘探成功地应用于直接寻找磁铁矿及其共生矿床；广泛地应用于固体矿产、石油天然气构造的普查和不同比例尺的地质填图及深部、区域、全球构造的研究；与其他物探方法配合应用于煤田火烧区探测、地热田远景预测、考古、探雷与探潜、核电及为大型水电建设提供基础稳定性评价资料。探索性地应用于水文工程地质学问题中的圈定裂隙与滑坡监测、油气藏标志的磁异常、磁性检测和金属矿成因的剩磁应用等。 第一节 岩石的磁性地壳中的岩石和矿体处在地球磁场中，从它们形成时起，就受其磁化而具有不同程度的磁性，其磁性差异在地表引起磁异常。研究岩石磁性，其目的在于掌握岩石和矿物受磁化的原理，了解矿物与岩石的磁性特征及其影响因素，以便正确确定磁法勘探能够解决的地质任务，以及对磁异常做出正确的地质解释。有关岩石磁性的研究成果，亦可直接用来解决某些基础地质问题，如区域地层对比、构造划分等。 一、矿物的磁性 矿物组合成岩石，岩石的磁性强弱与矿物的磁性有直接关系。 （一）抗磁性矿物与顺磁性矿物 自然界中，绝大多数矿物属顺磁性与抗磁性的。对其中几种常见矿物的磁化率，列于表2-1。 表2-1 常见抗磁性的矿物磁化物一览表 | | | file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/ksohtml/wps_clip_image-9064.png | | file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/ksohtml/wps_clip_image-22688.png | | file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/ksohtml/wps_clip_image-4684.png | | file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/ksohtml/wps_clip_image-11869.png | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | |
由表可见：①抗磁性矿物，其磁化率都很小，在磁力勘探中通常视为无磁性的。②顺磁性矿物，其磁化率要比抗磁性矿物大得多，约两个数量级。 （二）铁磁性矿物 自然界并不存在纯铁磁性矿物，主要存在的是铁淦氧磁性矿物，如铁的氧化物和硫化物及其他金属元素的固熔体等。它们的磁性很强，对岩石磁性起着决定性作用。表2-2列出了常见铁磁性矿物的磁化率。 表2-2 铁磁性矿物磁化率 | | file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/ksohtml/wps_clip_image-32280.png | | file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/ksohtml/wps_clip_image-25998.png | | | file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/ksohtml/wps_clip_image-9192.png | | | file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/ksohtml/wps_clip_image-24724.png | | | file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/ksohtml/wps_clip_image-405.png | | | file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/ksohtml/wps_clip_image-7930.png | | | file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/ksohtml/wps_clip_image-30016.png | | | file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/ksohtml/wps_clip_image-6136.png | | | file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/ksohtml/wps_clip_image-27748.png | | | file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/ksohtml/wps_clip_image-29143.png | | | file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/ksohtml/wps_clip_image-28683.png | | | file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/ksohtml/wps_clip_image-17845.png | |
二、各类岩石的一般磁性特征 地壳岩石可分为沉积岩、火成岩及变质岩三大类 （一）沉积岩的磁性 一般来说，沉积岩的磁性较弱，如表2-3所示。沉积岩的磁化率主要决定于副矿物的含量及成分，它们是磁铁矿、磁赤铁矿、赤铁矿以及铁的氢氧化物；其造岩矿物如石英、长石、方解石等，对磁化率无贡献。沉积岩的天然剩余磁性，与由母岩剥蚀下来的磁性颗粒有关，其数值不大。 表2-3 各类岩石磁性一览表 | file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/ksohtml/wps_clip_image-8216.png | file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/ksohtml/wps_clip_image-23103.png | | file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/ksohtml/wps_clip_image-32138.png | file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/ksohtml/wps_clip_image-21845.png | | | | | | | | | | | | | | | | | | |
注：表中数字表示数量级 （二）火成岩的磁性 依据火成岩的产出状态，又可分为侵入岩和喷出岩。 （1）侵入岩的不同岩石组（花岗岩、花岗闪长岩、闪长岩、辉长岩、超基性岩等），其file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/ksohtml/wps_clip_image-9246.png平均值随着岩石的基性增强而增大。它们的磁化率，均具有数值分布范围宽的相同特征。 （2）超基性岩是火成岩中磁性最强的。超基性岩体在经受蛇纹石化时，辉石被分解形成蛇纹石和磁铁矿，使磁化率急剧增大，可达几个SI（file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/ksohtml/wps_clip_image-9143.png）单位。 （3）基性、中性岩，一般来说其磁性较超基性岩次之。 （4）花岗岩建造的侵入岩，普遍是铁磁----顺磁性的，磁化率不高。 （5）喷出岩在化学和矿物成分上与同类侵入岩相近，其磁化率的一般特征相同。由于喷出岩迅速且不均匀地冷却，结晶速度快，使磁化率离散性大。 （6）火成岩具有明显的天然剩余磁性，其file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/ksohtml/wps_clip_image-21950.png称作柯尼希斯贝格比。不同岩石组的Q值范围，可从0～10或更大。 （三）变质岩的磁性 变质岩的磁化率和天然剩余磁化强度，其变化范围很大。按其磁性变质岩可分为铁磁-顺磁性，和铁磁性两类。它们与原来的基质有关，也与其生成条件有关。由沉积岩变质生成的岩石，其磁性特征一般具有铁磁一顺磁性。由岩浆岩变质生成的变质岩，其磁性有铁磁一顺磁性与铁磁性两组。这和原岩的矿物成分，以及变质作用的外来性或原生性有关。 在片麻岩中，正片麻岩磁性与花岗岩接近；而副片麻岩磁性很弱，与泥沙岩接近。纯的大理岩和石英岩磁性很弱，千枚岩磁性稍强。如果这些岩石含有铁质矿物，其磁性会增强，如含铁石英岩、铁质千枚岩等磁性均较强。 在具有层状结构的变质岩中，往往其磁性随方向不同而异，表现有磁的各向异性。剩余磁化强度的方向往往近于片理的方向，且沿片理方向上的磁化率数值比垂直片理方向上的要大。 三、影响岩石磁性的主要因素 岩石的磁性是由所含磁性矿物的类型、含量、颗粒大小、结构以及温度、压力等因素决定的。 （一）岩石磁性与铁磁性矿物含量的关系 file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/ksohtml/wps_clip_image-3880.png根据实验资料和相关分析，侵入岩的磁化率与铁磁性矿物含量之间存在统计相关关系，如图2-11所示。由图可见，该曲线明显地分为两部分。在铁磁性组分含量小于0.001%，铁磁体为稀有颗粒，即属于深色矿物中的杂质，file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/ksohtml/wps_clip_image-3735.png和file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/ksohtml/wps_clip_image-32435.png之间未发现有规律的关系。在铁磁性组分含量大于0.01%，铁磁效应主要是由大颗粒磁铁矿（钛磁铁矿）造成的，这些岩石的file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/ksohtml/wps_clip_image-20184.png和file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/ksohtml/wps_clip_image-31210.png之间，呈有规律的相关关系。一般来说，岩石中铁磁性矿物含量愈多，磁性也愈强。 （二）岩石磁性与磁性矿物颗粒大小、结构的关系 实验结果表明，在给定的外磁场file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/ksohtml/wps_clip_image-28515.png作用下，铁磁性矿物的相对含量不变，颗粒粗的较之颗粒细的磁化率大。可用于衡量剩磁大小的矫顽力file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/ksohtml/wps_clip_image-3933.png，与铁磁性矿物颗粒大小的关系恰相反。如图file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/ksohtml/wps_clip_image-16625.png2-12所示，表明file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/ksohtml/wps_clip_image-32672.png随铁磁性矿物颗粒的增大，呈减小的相关关系。喷出岩的剩磁常较同一成分侵入岩的剩磁大。 file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/ksohtml/wps_clip_image-29054.png此外，铁磁性矿物在岩石中的结构对其磁化率也有影响。当磁性矿物相对含量，颗粒大小都相同，颗粒相互胶结的比颗粒呈分散状者磁性强。 （三）岩石磁性与温度、压力的关系 高温与高压对矿物和岩石的磁性会产生影响。顺磁体磁化与温度的关系，已由居里定律确定。 岩石磁化率与温度的相依关系比单纯矿物复杂，岩石的file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/ksohtml/wps_clip_image-22930.png曲线与铁磁性矿物的成分有关，如图2-13所示。曲线具有跃变形状，此特征代表岩石中含有不同居里点的几种矿物。岩石的居里温度file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/ksohtml/wps_clip_image-20987.png分布仅与铁磁性矿物成分有关，而与矿物的数量、大小及形状无关。因此，热磁曲线（file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/ksohtml/wps_clip_image-22979.png曲线）可用于分析确定岩石中的铁磁矿物类型。温度增高，还导致岩石剩余磁化强度退磁。 第三节 磁测工作方法一、磁测工作方法 磁测工作按其观测磁异常的领域不同，分为地面磁测、航空磁测、海洋磁测、卫星磁测及井中磁测等。按其测量参量分为垂直磁异常、水平磁异常、总强度磁异常及各种梯度磁异常测量等。任何磁测工作，必须有正确的工作方法和技术，才能获得完整而准确的数据，为磁异常资料的分析解释及获得可靠的地质结论提供基础。 磁法勘探工作通常包括以下四个阶段。 （1）设计阶段。接受任务后，首先要收集有关工区的地质，地球物理等资料，并组织现场踏勘，编写本区磁测工作的设计书，经批准后施工。 （2）施工阶段。包括仪器设备的性能检查，测区测网的敷设、基点及基点网的建立、观测磁异常、物性标本采集和测定，质量检查、室内整理计算及绘制各种野外成果图件。 （3）数据处理阶段。根据所获得的磁测资料及地质任务，提出相应数据处理方案，并进行处理和正反演计算，为磁测异常的分析解释提供资料。 （4）解释分析和提交成果报告阶段。进行定性、定量与综合解释，并按设计要求编写成果报告。 （一）测区、比例尺和测网的确定 测区范围应根据任务要求和工区地质、矿产及以往物化探工作等情况合理确定。尽量使磁测结果轮廓完整规则，并尽可能包括地质、物探工作过的地段，周围有一定面积的正常场背景，以利于数据处理与解释推断。 （二）磁测精度 磁测精度是衡量野外磁异常观测质量的主要标志，也是确定野外工作方法技术的依据，同时决定了工效和成本。因此，正确确定磁测度是磁测工作设计中极为重要的环节。 1、磁测的均方误差和平均相对误差 磁测工作中是以均方误差来表示偶然误差的大小，以此反映磁测质量的。野外磁测中异常的真值是未知数，只能做到等精度的重复观测。所以，衡量磁测质量的均方误差常采用如下计算公式： file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/ksohtml/wps_clip_image-9872.png （2-6） 式中：file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/ksohtml/wps_clip_image-11821.png、file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/ksohtml/wps_clip_image-15864.png分别为第i个检查点上不同时间两次等精度的观测值；N为检查点数。 对于异常磁场，可用平均相对误差来衡量，其计算公式为 file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/ksohtml/wps_clip_image-2208.png （2-8） 式中：file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/ksohtml/wps_clip_image-12479.png为平均相对误差；n为异常场检查的点数；file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/ksohtml/wps_clip_image-32137.png、file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/ksohtml/wps_clip_image-28522.png分别为第file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/ksohtml/wps_clip_image-23039.png个检查点原始观测值和检查观测值。 2、磁测精度的确定 磁测工作中采用的磁力仪的类型不同，可以达到的磁测精度也各不相同。目前，我国除了仍在使用机械式磁力仪之外，高精度的电子式（质子，光泵）磁力仪已普遍推广使用。根据此实际情况，可将磁测精度分为如下三级。 高精度：均方误差≤5nT； 中精度：均方误差6～15nT； 低精度：均方误差file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/ksohtml/wps_clip_image-16072.png15nT。 其中均方误差小于2nT的高精度磁测，定为特高精度磁测。 采用何种磁测精度，首先要考虑磁测的地质任务，及探测对象的最小有意义的磁异常强度（file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/ksohtml/wps_clip_image-13121.png）。根据误差理论知道，大于三倍均方误差的异常是可信的。根据物探图件要求，能正确刻画某地质体异常形态至少要有两条非零的等值线，等值线的间距不得小于三倍均方误差。 3、磁测精度的保证 确定了磁测精度后，为了达到规定的精度，需要对各个环节的独立因素的误差进行分配。若有多台仪器在同一工区施工，必须做仪器一致性检查。 各个环节的精度确定后，就可确定各个环节相应的工作方法和技术指标，以便确保总精度的实现。 （三）地面磁测 1、基点、基点网的建立 为了提高观测精度，控制观测过程中仪器零点位移及其他因素对仪器的影响，并将观测结果换算到统一的水平，在磁测工作中要建立基点。基点分为总基点、主基点及分基点。总基点和主基点主要作用为观测磁场的起算点。当测区面积很大，必须划分几个分工区进行工作时，必须设立一个总基点；若干个分工区的主基点，形成一个基点网；分基点的主file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/ksohtml/wps_clip_image-31754.png要作用为测线观测时控制仪器性能的变化。根据工区面积大小和磁测结果的改正方法，来确定是否需要设立分基点和形成分基点网，见图2-15。 2、日变观测 在高精度磁测时，如不设立分基点网进行混合改正，则必须设立日变观测站，以便消除地磁场周日变化和短周期扰动等影响。这是提高磁测质量的一项重要措施。 3、测线磁场观测 要按照磁测工作设计书规定的野外工作方法技术严格执行。针对不同磁测精度，不同观测仪器和不同校正方法，采用不同的野外观测方法。每天测线观测都是始于基点而终于基点。对建立分基点网的，要求测量过程中2～3h闭合一次分基点观测。 若使用高精度质子磁力仪观测时，必须用一台同类仪器按上述要求进行日变观测。因这类仪器一般来讲无零点漂移及温度影响，只需对野外观测记录作日变校正即可。 野外观测时，切忌操作员和仪器探头携带磁性物品。要注意地质、地形和干扰物的记录，以便分析异常时使用。如发现明显异常，要随时注意合理加密测线、测点，追索异常，以便准确地确定异常形态。 4、质量检查 质量检查的目的是了解野外所获得异常数据的质量是否达到了设计的要求。这是野外工作阶段贯彻始终的重要环节。 （四）梯度测量 在地面、航空、海洋磁测中直接进行磁场的垂直梯度或水平梯度测量，能获得更多反映场源特点与细节的资料，对磁异常的解释十分重要。 目前磁梯度测量常用两种方式：一种是水平磁梯度测量；另一种是垂直磁梯度测量。均是用两个探头以一定间隔水平或垂直放置测定其差值，使用的仪器类型有磁通门、质子旋进与光泵等磁力仪。 （五）微磁测量 微磁测量是指用高精度、密测点在特定小区或小带对磁场做精细测量，以研究其微细结构的一种专门性磁测工作，用以配合地质填图、研究表层岩面的细致构造、确定岩石隐伏矿化的地表标志、浮土磁不均匀性、考古与人文磁源探测等问题。 微磁测于20世纪50年代由德国学者提出，在地形较平坦处，选择一块大小为10m×10m到50m×50m的单元面积上做1m×1m到3m×3m测网点线距的磁测，一般要求单元测区内要有100个以上测点。单元区之间可以按一定间距间隔排列。在研究有明显走向的杂岩时可采用垂直于走向的矩形面积。在研究表层不均匀对高精度磁测结果的影响时，这些单元区的边长应小于基岩埋深，以便突出近地表地质体的影响。当研究浅盖层下基岩的结构特征时，要求基岩面无大起伏，且上覆盖层无微磁异常。测区大小和测网密度应视任务而定。 为保证微磁测的高精度应选择最佳观测高度，在测区内保持高度一致。最好在3、4个高度（0.2m、1m、2m、4m）上进行观测，然后对比结果加以选择。为了保证精度，除使用精度达0.1nT或更高精度的磁力仪外，还应建立高精度日变站以便作日变改正；或建立控制点，以便于短时间内核对仪器零点。 对测得的磁异常除做等值线图外，最好用统计整理的方法构制磁异常走向的方向玫瑰图以便更好地研究微磁异常的结构（管志宁等，1993）。 由于环境保护（对废弃掩埋物探测）与考古等工作的需要，近年有关国家开展了规模较大的高密度微磁测工作，如采用车拉多探头排列探测系统。在拖车上装有数个铯光泵磁力仪探头，探头离地高度仅为0.53m；由一磁性很弱的越野车牵引，采用全球定位系统做实时定位，进行了高密度高精度磁测；得到了测区内磁异常的细结构，定量给出了多个目标的位置、埋深、几何尺寸。 三、磁异常的解释推断与应用 磁法勘探在所有物探方法中是发展最早、应用最广泛的一种方法。不论是固体矿产的普查、详查，还是油气构造、煤田构造的普查，以及某些地质问题研究、地质填图等工作，磁法勘探都可不同程度地发挥作用。另，在工程地质、地震预报、考古等方面也能发挥其作用。 应用磁法勘探解决问题的前提条件是：①探测对象与围岩（或周围环境）有磁性差异。由这种差异引起的磁场变化，能为现代磁力仪测出来。②与探测对象无关的干扰因素产生的干扰磁场与探测对象产生的磁场相比，足够小或有明显的特征，可以被分辨或消除。只要满足这两个条件，就可用磁法勘探解决问题。 （一）磁异常解释的一般原则 （1）以地质为依据 以地质为依据，就是要充分占有地质资料，掌握已有地质规律，建立测区内可能有的几种地质模型，以此指导磁异常的正反演解释。在解释过程中要防止简单对比与凑合地质结论，要善于利用磁异常与地质资料不一致的地方，细致对比分析与深人解释，提出新的见解，进而深化地质解释。修正或提出新的地质结论。 （2）以岩石物性为基础 岩石物性是基础，是联系地质与地球物理场的桥梁，是减少磁异常反问题多解性的重要途径。可以说，没有扎实的物性资料，就没有可靠的地质解释。把地质规律与岩石物性结合起来就可以建立合理的物理—地质模，作为磁异常解释的初始模型。岩石物性虽有一般规律，但有更强的特殊性；必须总结出当地岩石的物性规律，不能盲目套用一般规律。以花岗岩为例，在不同地区不同围岩环境中，磁性可以是弱磁或无磁，也可以是中等或较强磁性。 （3）循序渐进，逐渐深化 由于不同比例尺、不同网度和精度的磁测工作其解决地质问题的重点和深度不一样，一般应遵循由粗到细、由区域到局部逐渐深人细致的原则，尽量借鉴地质、地球物理条件相似地区的解释经验与方法，指导待研究区的解释工作。 （4）定性与定量、正演与反演、平面与剖面解释相结合 定性与定量解释的结合可以使两者互为补充，逐渐深化；正演和反演相结合可以不断修改补充原有解释模型，减少反演解释的多解性；平面解释与剖面解释相结合，一方面利用曲型剖面的精细解释、控制修正平面解释，另一方面也可利用平面解释的总体规律来指导剖面模型建立。达到相互借鉴、相互补充、提高解释成果质量的目的。 （5）综合解释 为了克服磁异常反问题的多解性以及磁法勘探应用的局限性.有条件时能应尽可能进行综合地质、地球物理解释、这样才能正确确定异常的地质原因，提高地质效果。 （6）多次反馈，不断修正 由于地质现象的复杂性。对其认识很难一次完成，对解释工作也是如此。它主要反映在两个方面，一是在解释过程中应通过多次正反演、多次反馈不断修改物理—地质解释模型。使解释结果最佳符合当前地质、地球物理资料；二是每当补充新的资料，或通过验证发现新问题，则又应利用反馈的资料再解释。故解释工作是一个不断反馈、解释、不断深化的过程。
（二）根据磁异常推断断裂、破碎带及褶皱 用磁法能圈定断裂带、破碎带，是因为断裂的产生或者改变了岩石的磁性，或者改变了地层的产状，或者沿断裂带伴有后期或同期岩浆活动，或者沿断裂两侧具有不同的构造特点。断裂或断裂带上的磁异常，按其特征可分为以下几种。 （1）断裂的磁异常特征 沿断裂有磁性岩脉（岩体）充填，这时沿断裂方向会有高值带状异常（或线型异常带）分布。若沿断裂方向因岩浆活动不均匀，可能产生断续的串珠状异常。有些断裂破碎带范围较大，构造应力比较复杂，既有垂直变位也有水平变位和扭转现象。在这种情况下会造成雁行排列的岩浆活动通道，因此在这类构造上就会出现雁行状异常带。 在断块活动比较复杂的地区，可见到放射状异常带组，每一个线性异常，都标志一条断裂岩浆活动线。 （2）深大断裂的磁异常特征 深大断裂是一种特殊的断裂类型。这种断裂常是两个不同大地构造单元的分界线；断裂切割地球的硅铝层，甚至更深；断裂活动和岩浆活动具有多轮回性，它多半是现代地震的活动带。它是一个宽度可达几十千米，长几百千米的复杂断裂束，是一个宽大的岩浆剧烈活动通道。 在深大断裂带内，近乎平行的断裂线成组出现，磁异常也是如此。图2-19是郯城一file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/ksohtml/wps_clip_image-17155.png庐江深大断裂的磁场图，该断裂长约800 km，宽30~50km，其磁异常以正异常形式出现。 深大断裂带常可能是一个巨大的金属成矿带，如长江中下游深大断裂带就是一个金属矿成矿带。 （3）断层的磁异常特征 断层也是一种断裂构造。规模较大的断层，沿断层两面盘发生了明显的相对位移。一个磁性层或磁性体当其为断层错开时，不论是上下错动还是水平错动，当断距较大时都会使磁异常发生明显变化。一般上盘的磁异常强度小，而范围小；下盘的磁异常反映为缓、宽、弱和较平稳。若为水平错动，磁异常等值线会发生扭曲，异常轴向发生明显变化。 | | file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/ksohtml/wps_clip_image-3662.png |
在某些油气盆地，在沉积地层中常存在磁性标志层；因岩石受力发生弯曲，磁性层也随之褶皱，而形成背斜和向斜。一般背斜轴部上方会出现高值正异常；向斜两翼上方为升高的正异常，而在向斜轴部为相对低的平缓异常。当背斜轴部被剥蚀掉时，其异常类似于两个相隔一定距离，倾斜方向不同的板状体异常叠加。 采用高精度航磁进行油气勘查，常常观测到区域磁异常背景上数纳特的局部磁异常，它们可能为基底构造小范围突起。图2-20所示在强度接近百纳特的区域异常极大值带上叠加局部正异常（3～4 nT），反映局部隆起。该局部隆起构造位于大型堤状隆起的顶部。 在金属矿区磁测时，常常发现高值磁异常带呈现U字或V字型的平面等值线特征。即呈喇叭状，一端撒开，一端收敛，此为向斜状矿床的特征。在高值异常带所包围的范围内为宽缓的正值或不太强的负值高值异常带周围为低值等值线所封闭。高值异常带的收敛端即向斜的封闭端之北侧常有强烈的伴生负值异常。图2-21即为此类异常的一个实例。 （三）根据磁异常寻找金属矿和非金属矿 （1）产在火山岩中的铁矿 file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/ksohtml/wps_clip_image-32570.png此类铁矿在我国统称为梅山式铁矿，可以分成两类。一是玢岩侵人火山岩中，分布在火山岩断陷盆地中间，以磁铁矿石为主；另一是玢岩侵人盆地基底层中，主要分布于火山岩断陷盆地边部或隆起断块中，以假象赤铁矿矿石为主。火山岩磁性比磁铁矿通常要小；考虑到火山岩磁场的干扰，用1:5万或1:2.5万比例尺航磁可发现铁矿异常。江苏某铁矿产于辉长闪长玢岩和黑云母安山岩接触带内即为此类矿典型一例，矿异常见图2-22。异常呈椭圆状file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/ksohtml/wps_clip_image-22972.png达7000nT，异常南西陡而东北缓，反映矿体向北东方向侧伏。地表岩石磁性不强，不能引起该常异。结合重力file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/ksohtml/wps_clip_image-4433.png推断其为矿体引起。经验证证实了推断的正确。 （2）铜矿和铜镍矿 使用磁测找铜，一般分两种情况：一是含铜磁铁矿床；另一种是铜矿床中局部含有磁铁矿或磁黄铁矿。 对于含铜磁铁矿床，铜与铁共生，使用磁测找铁间接找铜。如湖北某地，在进行1:20万比例尺航磁测量时，曾在一条测线上发现强度较大的磁异常。开始按铁矿勘探，后在强磁异常旁侧的次级低缓磁异常找到了深部含铜磁铁矿，才肯定了该矿床的工业价值。 file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/ksohtml/wps_clip_image-26738.png对于矽卡岩型铜矿和超基性岩中的铜镍矿，往往局部含有磁铁矿或磁黄铁矿。这时磁测仍是找这两种矿的有效手段。由于铜矿体的范围往往超过磁性矿物范围，所以磁测不能用来圈定矿体范围。超基性岩中的铜镍矿，磁异常除作为找矿的标志外，还用来圈定超基性岩体。如甘肃某铜镍矿产于二辉橄榄岩—辉石橄榄岩的超基性岩中，矿石中含有大量磁黄铁矿，磁化率比超基性岩大4倍左右。经1：10万航磁发现异常，经地磁检查后发现在矿区外围两个1000nT左右的异常，图2-23。根据异常的错动，推测有平推断层。经钻探后在异常50～100 m深处见到了岩体和矿。现已成为我国大型的铜镍矿产地之一。 （四）滑坡构造研究 在所研究的滑坡地带，微磁测可按单条走向剖面、小面积、小地带等三种方式进行。微磁测的目的，是研究岩石块体的原生和次生组织结构及其随时间的变化情况。如对整个滑坡地带的岩石块体状况进行评价，则应从分水岭或远离台地的部位直至通向斜坡下部的条带开展微磁测（带内网度2 m×lm）。 由以上研究工作得出：小面积的微磁测（在与所有滑坡构造交切的小带内进行微磁测效果更好），可以研究滑坡构造岩石的次生组织结构，可以预测滑坡过程的发展，圈定滑坡发育中有潜在危险的地区。 （五）在煤田火烧区上的应用 在许多煤盆地中，在燃烧过的煤层上方有强磁异常。这是由于煤层中的氧化铁和氢氧化铁受高温作用变成磁铁矿的缘故。 煤层露头自燃发火经历为低温氧化、自热、着火与遍燃、燃烧、降温熄火。按发生发展的进程，则煤层火区可分为五个带：①吸附水蒸发带；②挥发物涌出带；③发火带；④燃烧带；⑤还原熄灭带等。煤层经过燃烧，顶底板及其夹矸受到强烈的高温作用而形成烧变岩。顶底板中的铁质多数是赤铁矿、黄铁矿、菱铁矿、褐铁矿等，随着烧变岩的形成它们大部分转变成磁性矿物。由于这种作用是从300～800℃高温下冷却发生，因而获得热剩磁，且其磁化方向与冷却时的地磁场方向相同。火区观测到的磁异常就是由该温差顽磁性所引起。由此推测：还原带的烧变岩正处于降温阶段，尚未降到正常温度，所以只能得到部分热剩磁；熄灭带比还原带得到更多热剩磁，故推知后者的磁性要强于前者；发火与燃烧带尚未获得热剩磁。存在这样的磁异常特征：熄灭带磁异常最强；从熄灭带到燃烧磁异常逐渐减弱；在涌水带和水蒸发带上观测不到磁异常。 （六）在考古工作中的应用 由于古地磁学的发展，使磁性地层学成为确定古遗存、古人类化石时代的重要手段。随着第四纪沉积物磁性特征深入研究，又为环境考古提供了新途径。 有史以来、史前期的古遗存（古遗址、墓葬、建筑等）、古人类化石本身、所处地层的磁性与周围环境有所差异，这种差异就构成磁学考古的基础。这种差异的起因如下。 （1）被火烧过的泥土制品、土壤、石块等可获得较强的磁性。这类物质因热作用的化学变化及获得热剩磁，而使磁性增强。火烧过的物质要比一般土壤的磁性高出1～2个数量级。 （2）有机质的腐烂使土壤获得较强磁性。这是由于有机质腐烂的过程中氧化还原作用使赤铁矿变为磁铁矿的结果。 （3）人为翻动过的土壤或夯土，因土质结构、密度等发生变化，以及掺人人工制品（陶片、烧土等）的残渣、颗粒等都可使其与周围天然沉积物之间出现磁性差异。如夯土磁化率增大，掩埋沟穴的虚土磁性相对减弱。因而在夯土的墓葬、墙基等上部可观测到明显的正（高）磁异常，其沟、穴上有负（低）异常。 （4）天然沉积物的颗粒在沉积过程中，受重力、水动力及地磁场力的控制，沉积物的磁化率将是各向异性的。其磁化率椭球的长轴file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/ksohtml/wps_clip_image-12260.png将平行于水平的沉积面，在河相沉积情况下file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/ksohtml/wps_clip_image-24515.png轴向为水流控制。这可以用来研究沉积物在形成时的水流方向。另外，沉积物在沉积及磁性获得的过程中与气候（如气温）环境相关，这种相关性在较厚的沉积剖面上显示出来。 考古对象因以不同方式获得磁性，这就为实现空间、时间及环境考古等提供了物理前提。 习题 1、什么是磁法勘探？ 2、磁异常的起因是什么？ 3、磁法勘探它具有何特点？ 4、沉积岩、火成岩及变质岩的磁性有什么区别？ 5、那些因素可以影响岩石的磁性？ 6、磁法勘探工作通常分哪几个阶段？ 7、地面磁测有那几个步骤？ 8、什么是微磁测量？ 9、磁异常解释的一般原则有哪些？ 10、磁法勘探都能解决哪些地质问题？
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雷达卡
发表于 2012-3-12 20:35
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