1、 地质雷达 地磁研究 核磁共振 CT地质雷达工作时，在雷达主机控制下，脉冲源产生周期性的毫微秒信号，并直接馈给发射天线，经由发射天线耦合到地下的信号在传播路径上遇到介质的非均匀体（面）时，产生反射信号。位于地面上的接收天线在接收到地下回波后，直接传输到接收机，信号在接收机经过整形和放大等处理后，经电缆传输到雷达主机，经处理后，传输到微机。在微机中对信号依照幅度大小进行编码，并以伪彩色电平图/灰色电平图或波形堆积图的方式显示出来，经事后处理，可用来判断地下目标的深度、大小和方位等特性参数。探地雷达记录的回波曲线五孔小桥的探地雷达伪彩色图公路下的脱空检测剖面 检测公路面层厚度 检测沥青砼层间粘结情
2、况 检测水泥砼面层与稳定基层间的脱空 目前，公路部门检测面层厚度的标准方法是按一定频度随机取芯，一般为每公里每车道5个。我们所做的计算机模拟研究表明，按这一频度随机取芯无法对面层厚度做出客观的总体评价，只有当取芯频度达到每公里70个以上时，其评价才是可靠的。但这样的取芯频度将招致对面层的严重破坏，是不现实的。而地质雷达的连续无损检测却能很好地克服这一矛盾。 地质雷达检测面层厚度的关健在于精度。而提高精度的关健在于高精度的自动层位拾取和准确的波速提取。经过努力，我们成功地解决了这些问题。现在沥青砼面层厚度的检测精度一般小于3mm，个别情况达到5mm左右。检测结果分别以直观的图形方式和公路界贯用的
3、表格方式提供给用户。典型的沥青面层剖面典型的沥青面层剖面 在公路建设中，高精度、高密度的厚度数据不但能准确计算工程用料，杜绝偷工减料行为；而且还能为技术人员适时调整上覆层的设计厚度提供可靠依据，以保证总厚度达到设计要求。 Scans沥青上面层沥青下面层沥青中面层地面基层编号样点位置雷达检测结果(cm)芯样实际厚度(cm)误差(cm)1K55+460.59.869.62+0.242K55+692.011.6811.83-0.153K55+832.512.4512.60-0.154K55+900.5标定用芯样12.205K55+983.511.5911.60-0.016K56+043.012.63
4、12.65-0.02 沥青砼面层通常都是分23层辅设的。层间是否密实（即粘结好坏）直接关系到路面在使用过程中是否会发生上覆层剥离。目前公路界有关层间密实的问题尚无有效的检测手段，只能通过个别钻孔芯样进行分析。地质雷达则能较好地解决这一问题。从物探的角度来讲，上、下沥青砼间的电性差相当小，因此，如果上、下层粘结密实，则层间电磁波反射非常弱；反之，若层间粘结不密实，则实际上在层间形成了一个孔隙度较高的过度带，从而使层间反射明显增强。因此，分析层间电磁波反射信号的强弱即可定性甚至半定量地评诂上、下层间的粘结情况。表明沥青层间粘结情况的剖面表明沥青层间粘结情况的剖面 为某高速公路中、下面层的一个地质雷
5、达短剖面。由图可见，M点左侧层间反射很弱，说明层间粘结密实；而M点右侧层间反射增强，说明层间粘结不好。两侧钻孔芯样证实了上述结论的正确性。Scans 基层沥青中面层沥青下面层地面M201401601 因基础处理不当，刚性路面下部常会出现局部脱空现象。若不及时处理就会造成断板，增加路面养护的难度和成本。从地球物理的角度来讲，脱空实际上就是在面层和基层介质之间形成了一个薄夹层。从物性上来讲，夹层有两种类型：若夹层为空气，则为低速层中的高速夹层；若夹层充水，则为高速层中的低速夹层。无论哪种类型，都会引起明显的强反射，只是极性不同。因此，若在预期出现层间反射的部位出现明显的强反射，则基本可判定为面层与
6、基层脱空。根据振幅与脱空间距的关系做进一步分析，则可进一步估算脱空距离。有脱空现象的水泥砼剖面有脱空现象的水泥砼剖面 某一级公路上所做的一段地质雷达剖面，在A、B、C三处强反射部位钻孔取芯，均发现面层与基层有明显的脱空，脱空距离为0.30.8cm。这一技术不仅可用于日常公路养护，也可用于老的刚性路面改造工程。Scans ABC地面水泥砼层稳定层 由于地下水的长期作用，有些重要设施（如机场跑道）的地基会发生局部空洞或较大范围的孔隙带，从而严重危胁这些设施的安全使用。地质雷达不但能在无损的前提下检测到这些空洞或孔隙带，指导灌浆加固工程，而且还能检测加固效果。在虹桥机场和黄山机场等基础加固过程中，地
7、质雷达发挥了重要作用。M点右侧为末灌浆部分，面层以下的基础部分存在明显的强能量的杂乱反射带，而基层与底基层间没有明显的反射界面，这是基层内部存在严重孔隙带的明显特征；M点左侧为已灌浆部分，其面貌与右侧截然不同，基层内部的杂乱反射基本消失，基层与底基层之间形成了比较稳定的反射界面，面层与基层的反射也有所增强，说明经过灌浆后基层中的碎石与水泥浆形成了一个无孔隙的整体，完全达到了灌浆的预期目的。Scans6014012011M 由于空气与水对电磁波的特殊性，理论上地质雷达能够发现诸如水坝裂缝、蚁穴、管涌通道等多种水坝隐患。 利用地质雷达探测坝体隐患尚处探索阶段。上述试验只是针对模拟隐患，无论是隐患本
8、身还是探测条件都较实际情况理想。对地质雷达而言，在坝体隐患探测方面最大的困难在于穿透能力不足（尤其在雨季）和地表干扰难以避免。 Scans 地质雷达用在水泥砼构件检测上主要有两个方面，一是砼内部缺陷的检测；二是砼内部钢筋密度的检测。因其对耦合条件要求不严，所以它比常用的超声法更为方便、可靠。图6为一水泥砼板的地质雷达剖面，其上钢筋分布情况清晰可见。值得指出的是，其上亮点大小并不简单地对应钢筋的粗细。要评估钢筋的直径，还须经过大量的模型实验，以确定反射强度与钢筋直径的关系。水泥砼板内钢筋影像图水泥砼板内钢筋影像图水泥砼板内钢筋影像图水泥砼板内钢筋影像图钢筋水泥砼板表面 地球可视为一个磁偶极，其中
9、一极位在地理北极附近，另一极位在地理南极附近。通过这两个磁极的假想直线（磁轴）与地球的自转轴大约成11.3度的倾斜。地磁场的成因或许可以由发电机原理解释。地球的磁场向太空伸出数万公里形成地球磁圈。 地球磁圈对地球而言有屏障太阳风所挟带的带电粒子的作用。地球磁圈在白昼区(向日面)受到带电粒子的力影响而被挤压，在地球黑夜区(背日面)则向外伸出。 地磁场是由外源磁场和内源磁场共同组成的。 外源磁场由太阳磁场、宇宙射线等外部因素影响产生。但外源磁场在地磁场中占的比例极小。 内源磁场由地球本身产生。内源磁场的形成假设内源磁场的形成假设 地表有基本均匀的磁感强度B。 利用磁场的环路定理沿左图中红线作积分就
10、得到了一个宏观环电流I0（右图虚线）。H dl = I0 根据古地磁研究，地磁的正负极性交替改变多次，在过去的七千六百万年中，已确定发生过170余次，每次反向时，地磁场强度在数千年间减弱至零，然后向反向极性方向增强，维持数万至数百万年后又再发生极性反向。 地球磁场正反交替每一时期延续约数十万年，称之为一个世（epoch）。研究表明研究表明:地球磁场平均每地球磁场平均每50万年翻转一次，而最近一次的翻转发生在万年翻转一次，而最近一次的翻转发生在78万年前。由于一百多年来磁场不断减弱，人们不禁担心，地球磁场万年前。由于一百多年来磁场不断减弱，人们不禁担心，地球磁场的又一次的又一次“大变脸大变脸”地
11、磁要素地磁要素：T， I， D ，Z， H（X，Y）地磁要素（正北）（磁子午线）（正东）Z0 xyHTDI为了描述地磁场，将地面上任一点的地磁场总强度在一确定直角坐标系为了描述地磁场，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。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。T为该点地磁场总强度。直角为该点地磁场总强度。直角坐标轴坐标轴x指向地理正北，指向地理正北，Y轴轴指向东，指向东，z轴垂直向下。轴垂直向下。T在在三个坐标轴上的投影分别为三个坐标轴上的投影分别为北向分量北向分量X、东向分量、东向分量Y和垂和垂直分量直分量
12、Z；T在在xoy水平面内水平面内的投影称为水平分量的投影称为水平分量H，它，它指向磁北方向；指向磁北方向；T与与H间的夹间的夹角称为磁斜角角称为磁斜角I，T与与X间的夹间的夹角称为磁偏斜角角称为磁偏斜角D。 世界地磁图基本上反映了来自地球核部场源的各地世界地磁图基本上反映了来自地球核部场源的各地磁要素随地理分布的基本特征。下图为磁要素随地理分布的基本特征。下图为1980年的年的地磁场水平强度地磁场水平强度H等值线图等值线图(单位为单位为nT)。从图中可。从图中可以看出，水平分量等值线大致是沿纬度线排列的曲以看出，水平分量等值线大致是沿纬度线排列的曲线族，线族，H值由赤道向两极逐渐减小至零。值由
13、赤道向两极逐渐减小至零。 从从1980年地磁场垂直强度年地磁场垂直强度Z等值线图等值线图(单位为单位为nT) 可以可以看出，看出，Z等值线也是大致沿纬度方向排列的曲线，不过等值线也是大致沿纬度方向排列的曲线，不过，Z的绝对值在赤道处最小，向两极逐渐增大。在磁赤的绝对值在赤道处最小，向两极逐渐增大。在磁赤道以北道以北Z0，表示垂直分量向下，在磁赤道以南，表示垂直分量向下，在磁赤道以南Z0，表示垂直分量指向上。表示垂直分量指向上。地磁场的基本分布特征地磁场的基本分布特征1.地球有两磁极（靠近地理两极）；地球有两磁极（靠近地理两极）；2. 在两极处，在两极处，I最大，最大，Z最大，最大，H=0；3.
14、在赤道处，在赤道处，I最小，最小，Z趋向于趋向于0，H最大；最大；4. H指向磁北，指向磁北，Z北半球向下，南半球向上；北半球向下，南半球向上；5.磁轴与地球旋转轴不重合，磁轴与地球旋转轴不重合，夹角约为夹角约为1150。 ；6.地球磁场类似于一磁偏极子或均匀磁化球体的磁场。地球磁场类似于一磁偏极子或均匀磁化球体的磁场。 地磁场很弱，最大地表磁场强度约为地磁场很弱，最大地表磁场强度约为6x10-5T。 而一个而一个2cm长的标定磁针的磁场强度就可达到长的标定磁针的磁场强度就可达到01T。 地磁学中习惯使用一个更小的单位地磁学中习惯使用一个更小的单位纳特纳特(nT)，过，过去也称做伽玛去也称做伽
15、玛()。 1=lnT=10-9T=10-5G 地磁现象涉及到的磁场强度范围可以超过地磁现象涉及到的磁场强度范围可以超过7个数个数量级：地面主磁场的强度是量级：地面主磁场的强度是105nT量级，强的局量级，强的局部磁异常可达部磁异常可达106nT，地磁场平静太阳日变化约，地磁场平静太阳日变化约为为102nT，扰动变化有时可达，扰动变化有时可达103nT，地磁脉动，地磁脉动的强度的强度般约为般约为10-2-101nT。 垂直强度垂直强度Z，由南到北从，由南到北从-0.110-4T增加至增加至0.5610-4T。 水平强度水平强度H，由南到北从，由南到北从0.410-4T减小至减小至0.2ll0-4
16、T。磁倾角磁倾角I，由南到北从，由南到北从-100增加至增加至+700。 磁偏角磁偏角D的零偏线约从新疆与西藏交界处向东南方向延的零偏线约从新疆与西藏交界处向东南方向延伸，穿过青海，并在兰州与成都之西折向西南方向，伸，穿过青海，并在兰州与成都之西折向西南方向，再穿过四川、贵州与云南，然后延伸至越南。零偏线再穿过四川、贵州与云南，然后延伸至越南。零偏线以东，以东，D由由00变化至变化至110(西西)，零偏线以西，零偏线以西，D由由00变化变化至至50 (东东)。中国地磁图中各地磁要素的分布特点：中国地磁图中各地磁要素的分布特点：三、地磁场随时间变化三、地磁场随时间变化1.长期变化（内因为主）2.
17、短期变化变化规律：磁矩变小，磁极西向飘移太阳日变化平静变化太阴日变化年变化磁暴不规则变化干扰变化湾形变化，沟形变化短周期变化地磁场构成(94 )TIseTHHHH总磁场）内源场, %(外源场，6%)+(变化场）0HwHAHRHaHqHdH（偶极场）（大陆极场）（异常磁场）（区域场）（局部场）长期变化短期变化（平静变化）（干扰变化） 随着先进测试仪器的出现,实验手段(尤其是岩石磁学方法) 的不断发展,以及数据分析和检验方法的不断完善,获得的古地磁数据质量也有所提高。Van der Voo (1990) 和程国良(1993) 等提出了古地磁数据可靠性的判据,对近年来古地磁学的研究有很大的促进作用,
18、使数据的可靠性大大增强。 1) 恢复未知地块相对大陆的运动演化史; 2) 揭示大陆增生和造山带的形成机制;在普通构造地质学中的作用则是研究与大型断裂带有关的块体相对运动,并重建构造运动的发展史。 磁化率（标量，张量） 各项异性磁组构岩石矿物组成及改造 剩余磁化强度：岩石在形成时受当时地磁场磁化而保留下来的磁化强度。xryzJJJJ古地磁地磁场+岩石磁性磁法勘探区域地磁场的成因1.地壳 结晶基底：大陆（花岗岩，片麻岩），大洋（玄武岩类）地壳上部磁源引起（固结）居里面相关 居里面：岩石圈中铁磁性矿物因温度达到居里点温度失去磁性而变成顺磁性的一个等温面横向不均匀性.上地幔途径：通过地幔岩成分及所处物
19、理条件计算得到；直接测定标本（幔岩包裹体）。岩石磁组构内容1.岩石磁组构：利用岩石磁化率的各项异性研究岩石组构。2.岩组学：利用岩石组构推测它们在形成时环境和经历的过程的专门学科。3.内容：磁性颗粒或晶格定向排列或其他有规律的组合磁化率各项异性4.应用：岩石磁各项异性与磁组构表示方法1.矿物结晶磁各项异性2.形状磁各项异性3.结构磁各项异性（一）岩石磁各项异性成因类型 方向磁化率：反映磁化强度在外磁场方向上投影与外磁场强度的比值成为外磁场方向的方向磁化率。表示磁组构图件参数 平均磁化率 磁化率各项异性度 磁面理 磁线理 磁化率椭圆扁率 1.参数 方向磁化率：反映磁化强度在外磁场方向上投影与外磁
20、场强度的比值成为外磁场方向的方向磁化率。图件P频谱图磁组构弗林图解椭圆形状磁化率张量主方向赤平投影图应 用（一）沉积岩（二）侵入岩（三）磁化率椭球作为应力作用显示器（四）韧性剪切带分析 应用古地磁研究区域地质构造：岩石形成时获得原始剩磁以后，如果发生构造运动，致使处于构造不同部位的岩石之间改变了它们生成时期的相对位置。这样，保存在岩石中和稳定的原生剩磁也随着岩石载体一起改变其空间位置，如果测定现代处于构造各个不同部位的岩石中的稳定剩磁方向，找出它们之间方向相对变化的规律，就可以反过来推断和验证该构造运动发生的方式和方向。多数学者认为我国东部著名的庐江深大断裂是左旋平移断层；但是对平移的时间和距
21、离有不同的看法。地质研究所对断裂带东西侧的寒武纪、侏罗纪地层进行的古地磁测量。在断裂带东侧，复县早寒武世磁偏角338度，五莲晚侏罗世磁偏角7度，说明后者相对前者顺时针29度，断裂带两侧宿县早寒武世磁偏角42度，霍山晚侏罗纪磁偏角17度，则后来较前者逆时针旋转25度，上述资料表明，断裂带两侧地壳各自有着独立的运动方式，至少在侏罗纪前，两侧地层已发生过相对运动。 东侧复县地区为39.2度，西侧宿县地区40.8度，说明该时期两地基本处于同一纬度。目前，复县的纬度39.5度，宿县34度。对比表明，断裂西侧相对东侧可能向南移了6.8度，约800公里；考虑的与古纬度的误差（56度），则自寒武纪以来，断裂带
22、西侧南移至少100公里。 地磁传感器可用于检测车辆的存在和车型识别。这种利用车辆通过道路时对地球磁场的影响来完成车辆检测的传感器与目前常用的地磁线圈（又称地感线圈）检测器相比，具有安装尺寸小、灵敏度高、施工量小、使用寿命长，对路面的破坏小（有线安装只需要在路面开一条5毫米宽的缝，无线安装只需要在路面打一个直径55 毫米深150毫米的洞，当在检测点吊架或侧面安装时不用破坏路面）等优点，在智能交通系统的信息采集中必将起到非常重要的作用。 安装、维修方便，不必封闭车道、对路面破坏小，当在检测点吊架或侧面安装时不用破坏路面,维修时只需检查地磁传感器即可；检测点不易遭到破坏，不受路面移动影响； 地磁传感
23、器是利用地球磁场在铁磁物体通过时的变化来检测，所以它不受气候的影响； 通过对灵敏度的设置可以识别铁磁性物体的大小，可以大致判断出车辆的类型； 对非铁磁性物体没有反应，因此可以有效地减少误检。 地磁场的方向和强度自古以来不断变化着。被烘烤粘土的热剩磁性贮存了古地磁变化的信息。一般粘土中都有少量的磁性矿物 ,在受高温（700以上）后冷却时，被地磁场感应，产生与地磁方向相同的永久磁化，其强度正比于当时的地磁场强度，称为热剩磁性。只有在再受到高温时原有的剩磁性才会消失。古代的砖、瓦、陶瓷，以及遗址中的窑、炉、灶都受过高温具有热剩磁性。因此只要根据一系列年代明确的考古样品，定出古地磁随年代变化的实验曲线
24、，就可以定出未知年代的样品的考古年代。 实际的做法是：先采集受高温烘烤过的古代窑、炉、灶壁的样品，判断它们受过哪些扰动和磁性干扰，然后选出合适的部位，将顶部括成水平标出方向，用石膏固定后取出，带回实验室处理，清除磁性干扰，在特制的磁性测定仪中测出样品的磁偏角、倾角和强度。一次要取10多份样品，以便取平均值，缩小误差。 古地磁偏角和倾角随年代变化的实验曲线，许多地区已能划到 9000年以上。由于各个地区地磁参数的变化并不一致，一条实验曲线只能应用于方圆几百公里的范围，适用于取样的只有未被移动因而可知其方位的物品。 近年来研究建立地磁强度随年代变化的实验曲线的资料表明:二千几百年前最强的地磁场是现
25、在磁场强度的2倍，六千多年前的地磁场，强度只有现在的一半，变化的周期大约八、九千年。地磁场对宇宙射线起屏蔽作用，因此古地磁场强度的变化会导致大气中浓度的起伏，这与实验结果相符合。目前正在研究利用古地磁强度的变化进行断代的细节，这种研究至少会使古地磁断代更趋完善，而且适用的样品除了窑、炉、灶壁外，经移动的砖瓦、陶瓷的碎块也可以用了。 古地磁测定年代的误差还较大,其原因： 作为依据的实验曲线本身误差相当大，因为不容易得到精确可靠的“已知年代”样品。 某些年代范围内地磁场变化缓慢，不易定准。 样品受到其他类型的磁性干扰未能清除干净。虽然如此，研究和充实古地磁随年代变化的资料，仍然为考古断代所需要，而
26、且对研究地球物理现象和探讨地磁场的起源也具有重要意义。 地球磁场的变化有时会发展到极性倒转。岩石中一般也含有磁性矿物，在成岩过程中受到地磁场作用而被磁化产生剩余磁性。岩石的这种剩余磁性同样反映了岩石生成时期的地磁场方向。湖相沉积层和深海沉积层也由于混有磁性矿物的微粒，在沉积过程中取地磁方向显出沉积磁性，从而反映出沉积时期的地磁方向。 火成岩的年代可以用钾 -氩法断代和裂变径迹法断代测定，因此可定出过去出现地磁倒转现象时期的地质年代，并据以建立地磁极性倒转年表。反过来对于一个完好的沉积地层剖面，可以系统地测出每一层的沉积磁性，对照地磁极性倒转年表，就可以确定各个层位的地质年代。目前研究第四纪地质
27、和确定古人类遗址的年代，建立数百万年以来的地层年表，古地磁法是最有效的手段之一。类似于陀螺在重力场中的进动类似于陀螺在重力场中的进动 对于被磁化的自旋系统,再施加一个与静磁场垂直，以角频率0振荡的交变磁场B1，此时处于低能态的核磁矩吸收交变磁场的能量，跃迁到高能态，磁化强度相对于外磁场发生偏转，这种现象被称为核磁共振。 在外磁场中，质子受到电磁波（无线电波）幅射，只要电磁波的频率能满足两个相邻自旋态能级间的能量差E，质子就由低自旋态迁跃到高自旋态，发生核磁共振。质子共振需要的电磁波的频率与外磁场强度成正比。 实际测井时，以地磁场当成静磁场，通过下井仪首先把一个很强的极化磁场加到地层中，等氢核完
28、全极化后，再撤去极化场，则氢核磁化矢量便绕地磁场自由进动，在接收线圈中就可测到一个感应电动势。由于束缚水和可动流体的弛豫时间不同，所以束缚水、可动流体在接收线圈中产生的感应电动势的强弱和持续时间也不一样。测井前事先刻度出束缚水和可动流体的弛豫时间，这样束缚水、可动流体的信息就可直接在测井曲线上反映出来，即可直接计算出自由水、束缚水饱和度。 提供精确的物性参数提供精确的物性参数 综合常规测井资料进行油气水的定量评价综合常规测井资料进行油气水的定量评价 用于孔隙结构研究用于孔隙结构研究 用谱差分和谱位移法用谱差分和谱位移法 可区分油、气、水及流体的粘度。可区分油、气、水及流体的粘度。 估计流体粘度估计流体粘度 其它应用其它应用地层有效孔隙度、渗透率、束缚水饱和度孔隙度孔隙度 22.4%可动流可动流 体体 66.8%截止值截止值 28.2ms孔隙度孔隙度 21.9%可动流体可动流体 75.9%截止值截止值 12.9ms100%饱和100psi下离心100%饱和100psi下离心幅度幅度岩心离心前后弛豫时间谱岩心离心前后弛豫时间谱T2 弛豫时间弛豫时间 （ s）T2 弛豫时间弛豫时间 （ s）确定确定T T2 2截止值截止值岩心刻度核磁测井岩心刻度核磁测井T2T2截止值截止值可动流可动流体部分体部分束缚水束缚水部分部分
