Question

浅谈磁法勘探

Answer 1

1 磁法勘探基础

1.1 地磁要素

我们生活的地球是一个巨大的磁性体，它在周围的空间产生磁场，这个磁场称为地磁场。为了研究的方便，我们将地面上任一点的地磁场总强度在一确定直角坐标系下分解开，其中每一描述该点磁场特征的量都称为一个地磁要素。

如图1所示，地面上任意一点的地磁场总强度为T。直角坐标轴x指向正北，y轴指向东，z轴垂直向下。在三个坐标轴上的投影分别为北向分量X、东向分量Y和垂直分量z；在水平面内的投影H称为水平分量，它指向磁北方向；T与H间的夹角称为T的倾斜角I，当T下倾时I为正，反之为负；通过该点H方向的铅直平面称为磁子午面，它与地理子午面的夹角称为磁偏角D，磁北自地理北向东偏时，D为正，西偏时则为负。上面所述的T、Z、X、Y、H、I及D，这几个量都是表示该点地磁场大小或方向特征的物理量，都称为地磁要素。

通过几何关系不难得出

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上述7个量可分为三组，直角坐标系中有X、Y及Z，球坐标系中有H、D和I，柱坐标系中有Z、H和D。知道了其中一组就可求出其他几个量。

图1

1.2 地磁场的结构和磁异常

地磁场是一个复杂的磁场，它包含多种场源，有的分布在地球内部，有的位于地面之上。按场源和磁场的变化规律可将地磁场T表示为

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式中：T_si和T_se为稳定磁场；δT_i和δT_e为变化的磁场。T_s；起因于地球内部，占稳定磁场总量的90%以上，T_se起源于地球外部，仅占稳定磁场的1%以下；δT_e是变化磁场的外源场，约占变化磁场总量的2/3，δT_i为内源变化场，约占变化磁场总量的1/3。一般情况下，变化场为稳定场的万分之几到千分之几，偶尔可达到百分之几。通常所指的地球稳定磁场主要是内源稳定场，它由3部分组成，即有

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式中：T₀为中心偶极子磁场；T_m为非偶极子磁场，也称为大陆磁场或世界异常，这两部分的磁场之和又称为地球基本磁场，编制的世界地磁图大多为地球基本磁场的分布图。其中T₀场几乎占80%～85%，故它代表了地磁场空间分布的主要特征。T_a是地壳内的岩石矿物及地质体在基本磁场磁化作用下所产生的磁场，称为地壳磁场，又称为异常场或磁异常，是磁法勘探的重点研究内容。它可分解为x轴方向的水平分量H_ax、y轴方向的水平分量H_ay和沿z轴的垂直分量Z_a，这3个分量是磁法勘探的观测对象。

磁法勘探中，正常地磁场（正常场）和磁异常（异常场）是相对的概念，这和重力勘探中的基准场和重力异常的概念是类似的。正常场可认为是磁异常（即所要研究的磁场）的背景场或基准场。如在弱磁性或非磁性地层中要圈定强磁性岩体或矿体，通常将前者引起的磁场作为正常背景场，而后者产生的磁场为磁异常；如要在磁性岩层中圈定非磁性地层，这时可把磁性岩层的磁场作为正常场，而非磁性地层中的磁场相对变化为异常场。

磁法勘探中一个重要的量ΔT简述如下。

磁异常总强度T_a可以近似看成是磁场强度T与正常场T₀的矢量差，而ΔT则是T与T₀的模量差，即

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ΔT既不是T_a的模量，也不是T_a在T₀方向上的投影。根据三角形余弦定理有：

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经过变换，得到：

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这表明，当磁异常强度T_a不大时，可近似将ΔT看成是T_a在T₀方向上的投影。

1.3 地磁图

地磁要素是随时空变化的，要了解其分布特征，必须把不同时刻所观测的数值都归算到某特定的日期，国际上将此日期一般选在1月1日零点零分，这个步骤称之为通化。将经通化后的某一地磁要素值按各个测点的经纬度坐标标在地图上，再把数值相等的各点用光滑的曲线连接起来，编绘成某个地磁要素的等值线图，便称为地磁图。按编图范围，地磁图又可分为世界地磁图和局部地磁图两种（图2、图3）。另外，根据地磁要素随时间变化的观测资料，还可求出相应要素的年变化平均值，称为地磁要素的年变率。同样可以编制出相应年代的要素年变率等值线图。

图2 地球磁场强度分布图

图3 赤道和极域的分布图（磁偏角）

1.4 地球磁场是变化的磁场

叠加在地球基本场之上的变化磁场可分为两大类：一类是地球内部场源缓慢变化的长期变化场；另一类是主要起因于地球外部场源的短期变化场。长期变化场周期较长，一般可达几年、几十年、甚至更长。其变化机理还正在研究之中。短期变化场主要起因于地球外部的各种电流体系，它又可分为周期性和非周期性两类。周期性变化又称为平静变化，包括太阳静日变化和太阴日变化。非周期性变化又称扰动变化，如：磁暴、地磁脉动等。

2 磁法勘探方法及仪器简介

2.1 磁法勘探方法简介

自然界的岩石和矿石具有不同磁性，可以产生各不相同的磁场，它使地球磁场在局部地区发生变化，出现地磁异常。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。通过观测和分析由岩石、矿石（或其他勘测对象）的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）的分布规律的地球物理勘探方法称为磁法勘探。

磁法勘探是观测研究地下介质磁场变化的一种地球物理勘探方法。根据测得的磁场变化寻找具有磁性异常的岩矿体、埋设物体等的大小及位置。主要方法：有磁场强度法、磁梯度法等。

岩石磁性主要取决于铁磁性矿物的包裹体，最常见的铁磁性矿物有磁铁矿、钛磁铁矿、磁黄铁矿和磁赤铁矿。岩石、矿石的磁性由感应磁化强度和剩余磁化强度两部分组成。岩石、矿石受现代地磁场的磁化而产生感应磁化强度与现代地磁场强度的比值（即磁化率）表示其受磁化的难易程度。在形成过程中，岩石、矿石受到当时地磁场的磁化而获得磁性，称为剩余磁化强度。岩石、矿石磁性的差异是磁法勘探借以解决地质找矿问题的基础。

磁测工作按照观测磁异常的空间地域不同，分为地面磁测、航空磁测、海洋磁测和井中磁测。由于地球本身就是个大磁体，所以对磁力的预测值应进行校正，求出只与岩石矿物磁性有关的磁力异常。磁异常的观测数据的处理和改正，主要有正常场改正、日变改正、仪器的温度系数和零点漂移改正。作大面积磁测时，正常场的改正中，还应包括纬度改正。由此获得准确的异常值，常用等值线平面图和剖面图来表示。

一般铁磁性矿物含量愈高，磁性愈强。在油气田区，由于烃类向地面渗漏而形成还原环境，可把岩石或土壤中的氧化铁还原成磁铁矿，用高精度的磁力仪可以测出这种磁异常，从而与其他勘探手段配合，发现油气田。

2.2 磁法勘探仪器

测量磁场强度和方向的仪器统称为磁力仪。测量地磁场强度的磁力仪可分为绝对磁力仪和相对磁力仪两类。绝对磁力仪测定值的准确度由仪器本身确定，相对磁力仪测定值的准确度与绝对磁力仪比测后才能确定。常用的磁力仪有以下几种。

（1）地磁感应仪。测量地磁倾角的仪器。它是w.E.韦伯于是1837年根据电磁应原理制成的。测量精度可达数秒。

（2）磁偏计。测量地磁偏角的仪器。主要由磁系、悬丝、照准望远镜和水平度盘等组成。测量精度可达数秒。

（3）石英丝水平强度磁力仪。测量地磁场水平强度的相对磁力仪。它是丹麦学者D.拉库尔于1936年根据扭力矩与磁力矩平衡的原理设计制成的。仪器的主要部分是一条精制的石英丝和磁针。这种仪器可供野外地磁测量使用，也可供地磁台作地磁记录的校正。使用前必须先用绝对磁力仪对它的常数进行标定。

（4）零点磁秤。测量地磁场垂直强度的相对磁力仪。它是拉库尔于1942年根据重力矩与磁力矩平衡的原理，利用两根磁针间的相互作用制成的。

（5）磁通门磁力仪。测量地磁场强度和方向的相对磁力仪。仪器由独立的磁通门探头组合而成。每一个磁通门探头能独立地探头组合而成。每一个磁通门探头能独立地探知某一方向上地磁场的强度，把3个探头相互垂直地组合在一起，即可同时测出地磁场强度的3个分量。磁通门磁力仪是在第二次世界大战中为了从飞机上探测敌方潜艇而发展起来的，已在地磁台以及陆地磁测、航空磁测、卫星磁测等方面得到广泛应用。

（6）质子旋进磁力仪。测量地磁场总强度的绝对磁力仪。强磁场使水或碳氢化物中的质子极化，当强磁场突然去掉时，质子就以角速度ω绕地磁场旋进。测定质子的旋进频率即可算出地磁场总强度。这种仪器不怕震动，适于装载在船舶、气球、飞机、人造卫星等运载工具上使用。

磁力仪可分为磁通门磁力仪、质子旋进磁力仪（图4）、光泵磁力仪、超导磁力仪、霍尔效应磁力仪、磁阻效应磁力仪等六大类。

图5 质子磁力仪

3 磁法勘探的应用

磁法勘探适用于区域地质调查、磁铁矿勘察、煤矿火烧区探测、寻找地下热源、含水破碎带、地下金属管线、地下电缆、地下未爆炸弹、废弃金属障碍物、沉船、古代冶炼、制陶窑遗址、居民区的烧火坑遗迹和其他带有磁性的文物（如铁器、陶制品）等。

经常会遇到各种地下障碍物，如隐埋的爆炸物、矿渣、人防工程、旧建筑的基础、地下管线等，这些物体有的可能威胁建筑物的安全，有的可能使建筑物地下施工（如打桩、开挖、掘进等）受阻，有的可能造成地下管线的破坏。

3.1 隐埋爆炸物探测

隐埋爆炸物的探测是磁法勘探的重要应用领域，如探测以往战争中未爆的炸弹、地雷等。在实际应用中，探测二战时期的炸弹、隐藏的弹药库等均取得了成功，解除了隐患，为保证人民群众生命财产的安全提供了保证。上海市采用磁梯度法和不同高度磁测对比法，在强磁干扰背景下准确地分辨出铁磁性爆炸物所产生的异常，并通过初测、复测和终测，确保不遗漏爆炸物。自1978年起，先后在石化总厂和宝钢各期工程中，用磁法寻找隐埋爆炸物，共清除炸弹、炮弹和地雷等各种爆炸物2000多枚，总量约30多t，消除了工程建设中的隐患，保证了工程的安全。

1990年4月，在石化总厂涤纶厂三期工程轮胎及矿用帘子布原料车间建筑场地进行探测时，查出并排除6枚100磅炸弹，其中5号弹坑在挖出1枚炸弹后，经复测发现仍有磁异常存在，再经过降低高度的加测发现异常增大，断定坑内还有铁磁性物体，继续开挖结果，又挖出了1枚炸弹。

3.2 地下管线探测

地下管线，特别是金属管线的探测，为磁法勘探提供了一个新的领域。城市管网由于时间久远，档案不全，其走向及具体位置不清，给城市人民生活和建设施工带来隐患。一方面对已有管网容易造成破坏，另一方面由于管网的受损造成泄漏而给施工人员和居民及设备带来损失，所以查清地下管网的工作对城乡建设具有重要的意义。磁法勘探应用于地下管网的探测有其优势，实际应用中取得了很多的成果。20世纪80年代后期，上海市开始应用磁法勘探手段，为地铁一号线的各站台施工场地开展地下管线探测，取得良好的效果，保证了地铁施工的安全。之后，上海的许多重点市政工程建设、施工场地和厂区中，广泛运用磁法勘探技术开展地下管线探测，其中有杨浦大桥主墩工程、内环线和南北高架道路工程、石化总厂和高桥化工厂等。

3.3 掩埋煤气凝水井探测

上海煤气管道铺设，已有100多年的历史。至1992年，煤气管道总长2400多km。为了排除煤气管道内积存的凝结水，每隔一定距离必须设置1个凝水井，定期抽水疏通管道。但由于道路修建、房屋改造，凝水井被掩埋在沥青路面、人行道、街心花坛、绿化地带下面，有些在地面上的也已无法辨认，给定期抽水带来很大困难。上海自1989～1991年，成功地利用磁梯度法寻找出掩埋凝水井200多只，为煤气管道的正常疏通作出了贡献。

3.4 水域工程地质调查中的应用

1985年10月，上海市对延安东路越江隧道进行水上地球物理调查。调查手段采用测深、旁测声纳扫描、浅地层剖面和磁法，并用微波测距仪进行导航定位。通过磁法调查，发现9个磁异常点，其顶部与江面水面垂直距离为6～13.6m，后经潜水员水下探摸验证，确为沉船和建筑构件及江底电缆等。

3.5 地质假说的验证

航磁为现代大地构造学说——板块学说的建立提供了充足的地球物理依据：因为海底是由地幔物质上升通过海岭涌出并向两边扩张而形成的，它边扩张，边冷却，当这些地幔物质在冷却过程中温度下降到自身居里点以下时，便获得了磁性，其方向与当时地磁场方向一致。由于地幔物质在扩张过程中，地磁场多次转向，而海底在凝固后其磁性是稳定的，因此，不断扩张的海底在不同时期具有不同的磁化方向。航磁异常发现的海底平移断层和条带状构造，圆满地解答了魏格纳提出的大陆漂移学说在力学方面的难题。

3.6 矿产勘查和地质填图应用

一般情况下，矿石中含有磁性矿物（常见的是磁黄铁矿，有时是磁铁矿），能引起磁异常。磁法勘探是用于寻找金属矿床或进行地质填图的一种物探手段，已有成熟的工作方法和经验。在成矿带、矿田预测研究中，地球物理勘查技术常用的区域资料有中、大比例尺（1∶10万～1∶5万）航磁（航空综合站）、重力，地面方法常用小比例尺（1∶5万～1∶2万）磁测。“八五”期间，利用综合物探技术在康古尔塔格成矿带找矿取得了重大突破，先后发现了石英脉型金矿、浅成低温热液型金矿、以铜为主的多金属矿及铜硫化物矿等类型矿床。

在矿床普查、勘探中，磁法常常与其他地球物理勘查技术配合使用，如：布格重力、电阻率法、自电（SP）、激发极化法（IP）、电磁法（TEM、CSAMT）、地震法和各种地下物探方法（包括井中物探和坑道物探）等。例如，天湖铁矿的发现和勘查过程中，地面磁法发挥了重要的作用；可可塔勒铅锌矿的找矿勘探史可归纳为：1∶20万化探扫面发现异常—1∶5万化探异常检查—1∶2万地质、磁法和激电扫面圈定异常范围—1∶2万TEM圈定矿体—TEM测深隐伏矿定位。该矿床的储量由小型变成大型，磁法勘探起了较大的作用。

3.7 煤田勘探及煤田火烧区探测

煤田地面物探目前应用磁法、重力、电法和地震四种。磁法和重力多在找煤和普查阶段使用，可以在隐伏煤田圈定含煤岩系范围，寻找含煤盆地，研究基底起伏等，也可以用以探测陷落柱，老窑采空区及确定煤层燃烧带。

磁法探测煤矿火烧区的实质是，煤层上覆岩石中一般含有大量的菱铁矿及黄铁矿结核，煤层自燃时，上覆岩石受到高温烘烤，其中铁质成分发生物理化学变化，形成磁性物质，并且保留有较强的磁性。烘烤后的上覆岩石的磁性随自燃温度升高而增强。早在20世纪60年代我国西北各省就用磁法结合电法勘探煤田火区，取得了一定成果。印度也利用此法确定Jharia煤田的自燃火灾区域范围，得到了十分满意的效果。俄罗斯、乌克兰也曾用此法确定煤田自燃火区范围。从这一方法的实质和目前应用的情况看，磁探测法主要用于煤田火区，而对于生产矿井自燃高温的探测应用较少，这主要是因为：①当自燃火源温度小于400℃时和烘烤时间短时，上覆岩石或煤层中就不能形成较高的磁性；且对于生产矿井而言，要处理的是煤自燃高温区域，自燃煤温较低和烘烤时间短，这样用磁法探测的效果并不理想。②对于生产矿井，井下高温区域周围铁磁性物质多，磁探测法则无法有效使用。③煤层顶底板和煤中分布的铁质结核不均匀，给磁测法探测自燃火区带来一定困难。

3.8 磁法在非金属矿及油气勘探中的应用

在油气资源勘探中，磁法勘探可用于研究测区内的大地构造，圈定一些面积较小、最有可能存在石油和天然气远景构造的区域，并在条件有利时直接发现这些构造。另外，近年有人提出在油田上空发现仔在高波数（高频）磁异常。认为这种异常反映近地表的磁铁矿，而磁铁矿是由氢氧化铁、氧化物或赤铁矿的还原形成。这种磁铁矿的形成被认为是石油渗出的直接结果，因而利用这种异常可以判定油气藏的存在。目前对此还在试验探索中。对于固体非金属矿床，通常不能采用直接方法找矿，而只能采用间接方法。例如，我们不可能用磁法勘探直接寻找金刚石矿，但赋存金刚石的金伯利岩爆破岩筒在磁测中可能会表现出磁性异常。所以，我们可以先寻找金伯利岩爆破岩筒，然后再进一步勘查岩筒的含矿特性。又例如，通过查找热液蚀变地段可以发现硫磺矿。

3.9 磁法在环境、考古中的应用

在古环境研究中已形成环境磁学。对黄土的环境磁学的研究可确定黄土形成时的古气候特征。在考古方面，磁法已有较成熟的应用。人类古文化遗迹和古墓往往具有不同于周围沉积物的磁性特征，特别是古代的窑、炉灶、砖墙、火灾现场、陶瓷器堆集处，具有较大的磁异常强度。运用磁法勘探可以探测古文化遗址的位置和埋深，以及古文化层的埋深和厚度等。

4 地面高精度磁法勘探简介

4.1 什么是地面高精度磁测

在地面进行的磁测称为地面磁测。地面磁测根据磁测精度的不同又分为精度低于5nT（纳特）的中、低精度地面磁测和精度高于5nT的高精度磁测。磁测总误差小于或等于5nT的磁测工作，统称为高精度磁测工作。

高精度磁测中，又据磁测总误差的大小分为5nT、2nT、1nT三个精度等级。

4.2 高精度地面磁测的特点

以间接找矿为主，应用范围较广。精度要求≤5nT，以电子式磁力仪为主，如质子磁力仪等。基本不受温度及机械振动影响。不需严格定向及调水平。工作效率较高，操作误差很小。以测地磁场总量异常（ΔT）为主，能作绝对测量。观测一次只需1～2s，自动记录。将观测值时间归一化。无需建立基点网传递场值及基点网联测。只进行日变及正常梯度（含高度）改正，改正自动化程度高。精度提高，信噪比相对降低，提取有效目标物异常成为解释推断前提。

4.3 高精度地面磁测的应用范围

高精度地面磁测可以寻找具备磁测前提的矿床、地层、控矿构造、有关蚀变岩石等，在构造研究、地质填图、直接和间接找矿、矿区勘探等多方面发挥作用。配合大、中、小比例尺区域地质调查提供研究基础地质资料。在成矿远景区的调查中寻找弱磁性矿产或进行间接找矿（如圈定岩体、划分地层、追踪断裂、寻找盲矿等），以圈出找矿靶区。其中包括贵金属，有色、多金属，黑色金属及具磁测找矿前提的非金属矿床等。配合矿区及外围普查勘探，对弱磁异常进行研究，为寻找深部隐伏矿提供线索。勘查油气矿床及煤田普查。在环境地质、水文地质及工程地质中应用。在寻找地下管线、爆炸物、考古、水上打捞等其他方面应用。

4.4 高精度地面磁测使用的质子磁力仪基本原理

目前我队使用加拿大的G SM一19T v6.0质子磁力仪进行高精度地面磁测。质子磁力仪，又称质子旋进磁力仪，其工作原理如下：

质子磁力仪探头中的工作物质为富含氢的液体，如水、酒精、煤油、甘油、苯等。氢原子核的质子是一种带有正电荷的粒子，本身在不停地自旋，具有一定的磁性。在外磁场作用下，自旋质子将按一定方向排列，去掉外磁场，则质子在地磁场作用下将以同一相位绕地磁场（T）旋进。研究证明，质子旋进频率（f）与地磁场（T）有T=23.4872f的关系（T单位为nT）。当测定出频率f后，即可计算出地球磁场总磁场强度T的数值。利用这一原理制成的仪器称为质子磁力仪或称质子旋进磁力仪、核子旋进式磁力仪。质子磁力仪具有精度高，稳定性好，温度影响小，没有零点掉格，自动化程度高等优点。

4.5 高精度地面磁测的精度要求

磁测精度是衡量野外磁测质量的主要标志，也是确定野外工作方法技术的依据，精度低影响工效和成本，故正确确定磁测精度是磁测工作设计中极为重要的环节。

规定用磁场观测精度的均方误差作为衡量精度的标准，均方误差大，表示磁测精度低，反之，磁测精度高。

采用何种磁测精度，首先要考虑磁测的地质任务，探测对象的最小有意义磁异常强度。据误差理论，大于3倍均方误差的异常是可信的。而据物探图件要求，要正确圈定磁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，故磁测精度通常由有意义的最弱异常极大值的五分之一到六分之一来确定。