海洋地球物理與海底構(gòu)造學(xué) (32)

1、第二章 海底構(gòu)造的地球物理研究方法 2.3 重磁測量 2.重磁測量原理二、磁法測量原理二、磁法測量原理 實(shí)質(zhì)：實(shí)質(zhì)：通過分析通過分析海底地殼中不同巖、礦石之間海底地殼中不同巖、礦石之間的的磁性差異，探測和研究天然磁場及人工磁場的變化（磁磁性差異，探測和研究天然磁場及人工磁場的變化（磁異常），探查地質(zhì)構(gòu)造和礦產(chǎn)資源。異常），探查地質(zhì)構(gòu)造和礦產(chǎn)資源。 主要用途：主要用途：探查海底地質(zhì)構(gòu)造和深部構(gòu)造、大洋探查海底地質(zhì)構(gòu)造和深部構(gòu)造、大洋磁條帶和構(gòu)造演化、磁條帶和構(gòu)造演化、勘查含油氣構(gòu)造，勘查含油氣構(gòu)造，尋找海底尋找海底含磁性含磁性礦物的各種金屬礦與非金屬礦。礦物的各種金屬礦與非金屬礦。地球磁場：地球

2、磁場：地球磁場是偶極型的，近似于一個(gè)磁鐵棒放到地球中心，它的N極大體上對著南極而產(chǎn)生的磁場形狀。當(dāng)然，地球中心并沒有磁鐵棒，而是通過電流在導(dǎo)電液體核中流動的發(fā)電機(jī)效應(yīng)產(chǎn)生磁場。（1）地球磁場）地球磁場表征磁性的基本物理量：表征磁性的基本物理量：磁場強(qiáng)度磁場強(qiáng)度H H、磁化強(qiáng)度、磁化強(qiáng)度M M、磁化率、磁化率、磁導(dǎo)率磁導(dǎo)率、真空磁導(dǎo)率、真空磁導(dǎo)率0 0、磁感應(yīng)強(qiáng)度、磁感應(yīng)強(qiáng)度B BMH0(1)000(1)()BHHHMBHM巖石的總磁化強(qiáng)度巖石的總磁化強(qiáng)度M M、感應(yīng)磁化強(qiáng)度、感應(yīng)磁化強(qiáng)度MiMi、剩余磁化強(qiáng)度、剩余磁化強(qiáng)度Mr Mr （地磁（地磁場總強(qiáng)度場總強(qiáng)度T T ）irrMMMTM地磁要

3、素：地磁要素：地磁場總強(qiáng)度地磁場總強(qiáng)度T、磁北方向、磁北方向H、磁傾角、磁傾角I、磁磁偏角偏角D：222222cossincossinHTIZTIXHDYHDTHZXYZZtgIHXtgDY內(nèi)源場：內(nèi)源場：地球基本磁場地球基本磁場中心偶極子磁場中心偶極子磁場T0 + 非偶極子磁場非偶極子磁場Tm 磁異常場：磁異常場：Ta（2）磁異常與巖礦磁性）磁異常與巖礦磁性外源場外源場: 穩(wěn)定磁場穩(wěn)定磁場Tse 變化磁場變化磁場T地磁場構(gòu)成：地磁場構(gòu)成：內(nèi)源場外源場內(nèi)源場外源場0maseTTTTTT磁異常：磁異常：磁法勘探中，因?yàn)榻鉀Q地質(zhì)問題的對象、測區(qū)范圍、磁法勘探中，因?yàn)榻鉀Q地質(zhì)問題的對象、測區(qū)范圍、場

4、源深度不同，對磁異常場的選取是相對的。場源深度不同，對磁異常場的選取是相對的。因而，正常場和因而，正常場和異常場是相對的。異常場是相對的。巖礦的磁性：巖礦的磁性：順磁性順磁性在外磁場在外磁場H作用下，順磁性物質(zhì)原子作用下，順磁性物質(zhì)原子磁矩順外磁場方向排列。磁矩順外磁場方向排列。抗磁性（逆磁性）抗磁性（逆磁性） 在外磁場在外磁場H作用作用下，抗磁性物質(zhì)的磁化率下，抗磁性物質(zhì)的磁化率為負(fù)值，且很小。為負(fù)值，且很小。鐵磁性鐵磁性 磁化強(qiáng)磁化強(qiáng)度與磁化場呈非線性關(guān)系度與磁化場呈非線性關(guān)系不可逆的磁滯回線。不可逆的磁滯回線?？勾判耘c順磁性物質(zhì)的磁化抗磁性與順磁性物質(zhì)的磁化鐵磁性物質(zhì)的磁滯回線鐵磁性物質(zhì)

5、的磁滯回線 地殼巖石的磁性：地殼巖石的磁性：沉積巖沉積巖磁性較弱，磁性較弱，火成巖火成巖具明顯的天然剩具明顯的天然剩余磁性，磁化率隨巖石基性增強(qiáng)而增大。余磁性，磁化率隨巖石基性增強(qiáng)而增大。變質(zhì)巖：變質(zhì)巖：具鐵磁具鐵磁-順磁順磁性與鐵磁性兩組。性與鐵磁性兩組。影響巖石磁性的主要因素：影響巖石磁性的主要因素：鐵磁性礦物含量、磁性礦物顆粒鐵磁性礦物含量、磁性礦物顆粒大小、溫度與壓力。大小、溫度與壓力。巖石的剩余磁性：巖石的剩余磁性：巖石在成巖過程中，獲得的剩余磁化強(qiáng)度，巖石在成巖過程中，獲得的剩余磁化強(qiáng)度，稱為巖石的剩余磁性。它是巖石磁性的重要組成部分稱為巖石的剩余磁性。它是巖石磁性的重要組成部分。

6、由于形成由于形成剩余磁性的磁化場、礦物成分、溫度及化學(xué)反應(yīng)不同，剩余磁性剩余磁性的磁化場、礦物成分、溫度及化學(xué)反應(yīng)不同，剩余磁性的類型、特點(diǎn)也不同，有的類型、特點(diǎn)也不同，有原生剩磁（熱剩磁、碎屑剩磁、化學(xué)剩原生剩磁（熱剩磁、碎屑剩磁、化學(xué)剩磁）次生剩磁（粘滯剩磁、等溫剩磁）磁）次生剩磁（粘滯剩磁、等溫剩磁）等。等。巖石剩余磁性的地質(zhì)意義巖石剩余磁性的地質(zhì)意義1）解釋磁測資料，區(qū)分礦與非礦異常。）解釋磁測資料，區(qū)分礦與非礦異常。2）古地磁學(xué)研究，通過測定原生剩磁，研究古磁場）古地磁學(xué)研究，通過測定原生剩磁，研究古磁場方向、強(qiáng)度和演變規(guī)律。方向、強(qiáng)度和演變規(guī)律。3）研究大陸漂移、板塊構(gòu)造、海底擴(kuò)張

7、、古地理環(huán)）研究大陸漂移、板塊構(gòu)造、海底擴(kuò)張、古地理環(huán)境與古氣候分析。境與古氣候分析。 我國目前海洋磁測中主要使用拖曳式船，用質(zhì)子我國目前海洋磁測中主要使用拖曳式船，用質(zhì)子旋進(jìn)式磁力儀進(jìn)行測量。旋進(jìn)式磁力儀進(jìn)行測量。 工作時(shí)將探頭拖曳在船后的海面下數(shù)米，用纜將工作時(shí)將探頭拖曳在船后的海面下數(shù)米，用纜將探頭連接到船上的儀器主體部分，儀器主體與記錄儀探頭連接到船上的儀器主體部分，儀器主體與記錄儀連接，在航行中進(jìn)行測量。連接，在航行中進(jìn)行測量。 取數(shù)速度視航速而定，一般應(yīng)保證一百米有四至取數(shù)速度視航速而定，一般應(yīng)保證一百米有四至五個(gè)測點(diǎn)，以便對百米寬的磁異常也能提供出研究的五個(gè)測點(diǎn)，以便對百米寬的磁

8、異常也能提供出研究的信息。海磁測量的參量與所用儀器與航磁類似。信息。海磁測量的參量與所用儀器與航磁類似。（3）海洋磁測方法）海洋磁測方法（一）海上試驗(yàn)工作（一）海上試驗(yàn)工作船體影響試驗(yàn)：船體影響試驗(yàn)：主要是探頭與船體之間拖曳距離的試驗(yàn)。首先讓船只沿磁子午線往返拖曳航行，并不斷改變拖曳距離；在噪聲增加情況下，記錄的抖動度不變，即為最佳距離。一般地，船體長100m，3000t測量船拖曳長度約為300500m。除進(jìn)行拖曳距離試驗(yàn)外，還應(yīng)進(jìn)行方位測量，常選擇在平靜磁場區(qū)進(jìn)行。先拋設(shè)八方位固定的無磁性浮標(biāo)，船沿八方位通過浮標(biāo)；當(dāng)探頭經(jīng)過浮標(biāo)時(shí)，記錄當(dāng)時(shí)的測量數(shù)值和時(shí)間；經(jīng)日變校正后做出方位曲線圖，提供作

9、船體影響校正。探頭沉放深度試驗(yàn)：探頭沉放深度試驗(yàn)：船只航行時(shí)，拖曳于船后并浮在水面附近的探頭將船只航行時(shí)，拖曳于船后并浮在水面附近的探頭將激起水面浪花，且隨涌波上下浮動；從而增加儀器的噪聲，使記錄抖動度明激起水面浪花，且隨涌波上下浮動；從而增加儀器的噪聲，使記錄抖動度明顯加大，影響測量精度。因此，探頭必須在水下一定深度拖曳。根據(jù)船速快顯加大，影響測量精度。因此，探頭必須在水下一定深度拖曳。根據(jù)船速快慢，適當(dāng)在探頭上配重（無磁性），不斷觀測儀器的噪聲和記錄質(zhì)量，選擇慢，適當(dāng)在探頭上配重（無磁性），不斷觀測儀器的噪聲和記錄質(zhì)量，選擇最佳沉放深度。最佳沉放深度。（二）導(dǎo)航定位（二）導(dǎo)航定位 要求船舶

10、航跡與設(shè)計(jì)測線的左右最大偏差不超過測線距的十分之一。要求船舶航跡與設(shè)計(jì)測線的左右最大偏差不超過測線距的十分之一。同時(shí)航行中應(yīng)隨時(shí)修正航向，使航跡與設(shè)計(jì)測線基本吻合。一般使用無線電同時(shí)航行中應(yīng)隨時(shí)修正航向，使航跡與設(shè)計(jì)測線基本吻合。一般使用無線電導(dǎo)航系統(tǒng)時(shí)，系統(tǒng)與岸臺有關(guān)，與作業(yè)區(qū)和岸臺所在區(qū)的氣候關(guān)系極為密切導(dǎo)航系統(tǒng)時(shí)，系統(tǒng)與岸臺有關(guān)，與作業(yè)區(qū)和岸臺所在區(qū)的氣候關(guān)系極為密切。當(dāng)氣候不佳時(shí)，會影響工作。故采用衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是目前的最佳選擇。當(dāng)氣候不佳時(shí)，會影響工作。故采用衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是目前的最佳選擇。（三）磁日變觀測（三）磁日變觀測 由于磁日變站難以在海域測區(qū)內(nèi)設(shè)立，一般在近測區(qū)的海岸附近設(shè)立。由

11、于磁日變站難以在海域測區(qū)內(nèi)設(shè)立，一般在近測區(qū)的海岸附近設(shè)立。這時(shí)要注意海岸效應(yīng)，選擇平靜日變場地區(qū)設(shè)立日變站十分重要。如何真正這時(shí)要注意海岸效應(yīng)，選擇平靜日變場地區(qū)設(shè)立日變站十分重要。如何真正解決海磁的日變改正問題，人們提出應(yīng)用不受日變影響的海磁梯度測量資料解決海磁的日變改正問題，人們提出應(yīng)用不受日變影響的海磁梯度測量資料換算到換算到T的途徑，結(jié)果精度不理想。海磁日變改正問題仍需進(jìn)一步研究。的途徑，結(jié)果精度不理想。海磁日變改正問題仍需進(jìn)一步研究。 用海岸附近的陸地磁測來研究海上的日變，存在幅值變化較大和相位誤用海岸附近的陸地磁測來研究海上的日變，存在幅值變化較大和相位誤差大的風(fēng)險(xiǎn)。圖中磁日變圖

12、資料分別來自英吉利海峽外大陸坡上一個(gè)固定浮標(biāo)差大的風(fēng)險(xiǎn)。圖中磁日變圖資料分別來自英吉利海峽外大陸坡上一個(gè)固定浮標(biāo)所測的結(jié)果和距離約所測的結(jié)果和距離約400km的西南英國觀測站所測結(jié)果?？梢钥闯龊Ｉ系娜兆兊奈髂嫌^測站所測結(jié)果。可以看出海上的日變是岸上的兩倍。是岸上的兩倍。 磁性體的磁異常比同形狀物體的重力異常復(fù)雜的磁性體的磁異常比同形狀物體的重力異常復(fù)雜的多，磁性多，磁性不均勻不均勻的的不規(guī)則不規(guī)則地質(zhì)體的磁場分布難以利用地質(zhì)體的磁場分布難以利用數(shù)學(xué)方法計(jì)算。因此，在計(jì)算磁性體磁場時(shí)，常作如數(shù)學(xué)方法計(jì)算。因此，在計(jì)算磁性體磁場時(shí)，常作如下假設(shè)：下假設(shè)：（一）形狀規(guī)則簡單（一）形狀規(guī)則簡單（二

13、）均勻磁化（二）均勻磁化（三）單個(gè)磁性體（不考慮多個(gè)磁性體之間的相互影響）（三）單個(gè)磁性體（不考慮多個(gè)磁性體之間的相互影響）（四）觀測面水平（四）觀測面水平（五）（五）Mi與與Mr同方向同方向（4）磁性體的磁異常）磁性體的磁異常磁性體磁場的基本公式：磁性體磁場的基本公式：計(jì)算磁性體磁場的方法有多種，計(jì)算磁性體磁場的方法有多種，可以用重磁位場的可以用重磁位場的泊松方法、體積分方法、面積分方法。泊松方法、體積分方法、面積分方法。重磁位場的泊松公式重磁位場的泊松公式：當(dāng)密度當(dāng)密度和磁偶極矩均為常數(shù)時(shí)，物和磁偶極矩均為常數(shù)時(shí)，物體的體的重力位重力位U和和磁力位磁力位A之間有如下的泊松關(guān)系之間有如下的泊

14、松關(guān)系UMGdvrrMAdvrGUVV414113 若已知物體引力位，利用泊松公式可計(jì)算磁若已知物體引力位，利用泊松公式可計(jì)算磁場各分量的表達(dá)式：場各分量的表達(dá)式： 這是利用給定磁性體的引力位導(dǎo)出磁場表達(dá)這是利用給定磁性體的引力位導(dǎo)出磁場表達(dá)式的基本公式。式的基本公式。 444000zzzyzyxzxazyzyyyxyxayzxzyxyxxxaxUMUMUMGZUMUMUMGHUMUMUMGH水平圓柱體的磁場：水平圓柱體的磁場：設(shè)，二度水平圓柱橫截面積設(shè)，二度水平圓柱橫截面積S，中心埋深為中心埋深為R，有效磁化強(qiáng)度為，有效磁化強(qiáng)度為Ms，有效磁化傾，有效磁化傾角角is，由由泊松公式泊松公式得其

15、剖面磁場表達(dá)式：得其剖面磁場表達(dá)式：)22cos(2)22sin()(sinsin)(12sin2cos)()(12cos2sin)()(12222220222220222220sssssssasssaiRxixRiIRxmTiRxixRRxmHiRxixRRxmZ二度水平圓柱不同有效磁化傾角二度水平圓柱不同有效磁化傾角is時(shí)，時(shí)，剖面剖面磁場磁場Za、Ha曲線曲線 對于垂直磁化，對于垂直磁化， is=I=90，磁場表達(dá)式為：磁場表達(dá)式為： 此時(shí)，此時(shí)，Za為對稱曲線，當(dāng)為對稱曲線，當(dāng)x=0時(shí)，時(shí)， Za最大值最大值， Ha=0：assasaZRxxRmTRxRxmHRxxRmZ2222202

16、220222220)(2)()(22)(2)(20max2 RmZsa 對于水平磁化，對于水平磁化，is=0，磁場表達(dá)式為：磁場表達(dá)式為： 此時(shí)，此時(shí)，Ha為對稱曲線，當(dāng)為對稱曲線，當(dāng)x=0時(shí)，時(shí)， Ha最小值最小值， Za=0：aasasaasaHZRxxRmTZRxxRmHHRxRxmZ2222202222202220)(2)()(2)()(2220max2 RmHsa例：海底光纜路由調(diào)查中的磁測結(jié)果例：海底光纜路由調(diào)查中的磁測結(jié)果C2C 光纜路由調(diào)查中SeaSPY磁力儀探測到的光纜磁異常曲線由于海底光纜路由海域存在著已經(jīng)敷設(shè)過的海纜(包括海底通訊電纜、電力電纜和光纜等) ,經(jīng)過歲月的變遷,這些海纜在海域中的坐標(biāo)有了變化,有的是否還存在也不明確;另外,過去敷設(shè)海纜時(shí)的定位儀存在較大的誤差,為了探明光纜路由線交匯的海底電纜的精確位置,必須對光纜路由進(jìn)行探測。在C2C 歐亞光纜路由調(diào)查中,使用加拿大MarineMagnetics 公司生產(chǎn)的SeaSPY海洋磁力儀進(jìn)行勘察。圖是當(dāng)磁力儀探頭穿過海纜時(shí)測得的磁異常曲線,磁異常幅值一般可達(dá)幾十到上百n T 。水平薄板狀體的磁場水平薄板狀體的磁場水平薄板磁場表達(dá)式：水平薄板磁場表達(dá)式：)()(2cos)h(2sin2sinsin2)()(cos)h(sin22)