1、第二章 海底构造的地球物理研究方法 2.3 重磁测量 2.重磁测量原理二、磁法测量原理二、磁法测量原理 实质：实质：通过分析通过分析海底地壳中不同岩、矿石之间海底地壳中不同岩、矿石之间的的磁性差异，探测和研究天然磁场及人工磁场的变化（磁磁性差异，探测和研究天然磁场及人工磁场的变化（磁异常），探查地质构造和矿产资源。异常），探查地质构造和矿产资源。主要用途：主要用途：探查海底地质构造和深部构造、大洋探查海底地质构造和深部构造、大洋磁条带和构造演化、磁条带和构造演化、勘查含油气构造，勘查含油气构造，寻找海底寻找海底含磁性含磁性矿物的各种金属矿与非金属矿。矿物的各种金属矿与非金属矿。地球磁场：地球磁
2、场：地球磁场是偶极型的，近似于一个磁铁棒放到地球中心，它的N极大体上对着南极而产生的磁场形状。当然，地球中心并没有磁铁棒，而是通过电流在导电液体核中流动的发电机效应产生磁场。（1）地球磁场）地球磁场表征磁性的基本物理量：表征磁性的基本物理量：磁场强度磁场强度H H、磁化强度、磁化强度M M、磁化率、磁化率、磁导率磁导率、真空磁导率、真空磁导率0 0、磁感应强度、磁感应强度B BMH0(1)000(1)()BHHHMBHM岩石的总磁化强度岩石的总磁化强度M M、感应磁化强度、感应磁化强度MiMi、剩余磁化强度、剩余磁化强度Mr Mr（地磁（地磁场总强度场总强度T T）irrMMMTM地磁要素：地
3、磁要素：地磁场总强度地磁场总强度T、磁北方向、磁北方向H、磁倾角、磁倾角I、磁磁偏角偏角D：222222cossincossinHTIZTIXHDYHDTHZXYZZtgIHXtgDY内源场：内源场：地球基本磁场地球基本磁场中心偶极子磁场中心偶极子磁场T0+非偶极子磁场非偶极子磁场Tm 磁异常场：磁异常场：Ta（2）磁异常与岩矿磁性）磁异常与岩矿磁性外源场外源场:稳定磁场稳定磁场Tse 变化磁场变化磁场T地磁场构成：地磁场构成：内源场外源场内源场外源场0maseTTTTTT磁异常：磁异常：磁法勘探中，因为解决地质问题的对象、测区范围、磁法勘探中，因为解决地质问题的对象、测区范围、场源深度不同，
4、对磁异常场的选取是相对的。场源深度不同，对磁异常场的选取是相对的。因而，正常场和因而，正常场和异常场是相对的。异常场是相对的。岩矿的磁性：岩矿的磁性：顺磁性顺磁性在外磁场在外磁场H作用下，顺磁性物质原子作用下，顺磁性物质原子磁矩顺外磁场方向排列。磁矩顺外磁场方向排列。抗磁性（逆磁性）抗磁性（逆磁性）在外磁场在外磁场H作用作用下，抗磁性物质的磁化率下，抗磁性物质的磁化率为负值，且很小。为负值，且很小。铁磁性铁磁性 磁化强磁化强度与磁化场呈非线性关系度与磁化场呈非线性关系不可逆的磁滞回线。不可逆的磁滞回线。抗磁性与顺磁性物质的磁化抗磁性与顺磁性物质的磁化铁磁性物质的磁滞回线铁磁性物质的磁滞回线 地
5、壳岩石的磁性：地壳岩石的磁性：沉积岩沉积岩磁性较弱，磁性较弱，火成岩火成岩具明显的天然剩具明显的天然剩余磁性，磁化率随岩石基性增强而增大。余磁性，磁化率随岩石基性增强而增大。变质岩：变质岩：具铁磁具铁磁-顺磁顺磁性与铁磁性两组。性与铁磁性两组。影响岩石磁性的主要因素：影响岩石磁性的主要因素：铁磁性矿物含量、磁性矿物颗粒铁磁性矿物含量、磁性矿物颗粒大小、温度与压力。大小、温度与压力。岩石的剩余磁性：岩石的剩余磁性：岩石在成岩过程中，获得的剩余磁化强度，岩石在成岩过程中，获得的剩余磁化强度，称为岩石的剩余磁性。它是岩石磁性的重要组成部分称为岩石的剩余磁性。它是岩石磁性的重要组成部分。由于形成由于形
6、成剩余磁性的磁化场、矿物成分、温度及化学反应不同，剩余磁性剩余磁性的磁化场、矿物成分、温度及化学反应不同，剩余磁性的类型、特点也不同，有的类型、特点也不同，有原生剩磁（热剩磁、碎屑剩磁、化学剩原生剩磁（热剩磁、碎屑剩磁、化学剩磁）次生剩磁（粘滞剩磁、等温剩磁）磁）次生剩磁（粘滞剩磁、等温剩磁）等。等。岩石剩余磁性的地质意义岩石剩余磁性的地质意义1）解释磁测资料，区分矿与非矿异常。）解释磁测资料，区分矿与非矿异常。2）古地磁学研究，通过测定原生剩磁，研究古磁场）古地磁学研究，通过测定原生剩磁，研究古磁场方向、强度和演变规律。方向、强度和演变规律。3）研究大陆漂移、板块构造、海底扩张、古地理环）研
7、究大陆漂移、板块构造、海底扩张、古地理环境与古气候分析。境与古气候分析。我国目前海洋磁测中主要使用拖曳式船，用质子我国目前海洋磁测中主要使用拖曳式船，用质子旋进式磁力仪进行测量。旋进式磁力仪进行测量。工作时将探头拖曳在船后的海面下数米，用缆将工作时将探头拖曳在船后的海面下数米，用缆将探头连接到船上的仪器主体部分，仪器主体与记录仪探头连接到船上的仪器主体部分，仪器主体与记录仪连接，在航行中进行测量。连接，在航行中进行测量。取数速度视航速而定，一般应保证一百米有四至取数速度视航速而定，一般应保证一百米有四至五个测点，以便对百米宽的磁异常也能提供出研究的五个测点，以便对百米宽的磁异常也能提供出研究的
8、信息。海磁测量的参量与所用仪器与航磁类似。信息。海磁测量的参量与所用仪器与航磁类似。（3）海洋磁测方法）海洋磁测方法（一）海上试验工作（一）海上试验工作船体影响试验：船体影响试验：主要是探头与船体之间拖曳距离的试验。首先让船只沿磁子午线往返拖曳航行，并不断改变拖曳距离；在噪声增加情况下，记录的抖动度不变，即为最佳距离。一般地，船体长100m，3000t测量船拖曳长度约为300500m。除进行拖曳距离试验外，还应进行方位测量，常选择在平静磁场区进行。先抛设八方位固定的无磁性浮标，船沿八方位通过浮标；当探头经过浮标时，记录当时的测量数值和时间；经日变校正后做出方位曲线图，提供作船体影响校正。探头沉
9、放深度试验：探头沉放深度试验：船只航行时，拖曳于船后并浮在水面附近的探头将船只航行时，拖曳于船后并浮在水面附近的探头将激起水面浪花，且随涌波上下浮动；从而增加仪器的噪声，使记录抖动度明激起水面浪花，且随涌波上下浮动；从而增加仪器的噪声，使记录抖动度明显加大，影响测量精度。因此，探头必须在水下一定深度拖曳。根据船速快显加大，影响测量精度。因此，探头必须在水下一定深度拖曳。根据船速快慢，适当在探头上配重（无磁性），不断观测仪器的噪声和记录质量，选择慢，适当在探头上配重（无磁性），不断观测仪器的噪声和记录质量，选择最佳沉放深度。最佳沉放深度。（二）导航定位（二）导航定位 要求船舶航迹与设计测线的左右
10、最大偏差不超过测线距的十分之一。要求船舶航迹与设计测线的左右最大偏差不超过测线距的十分之一。同时航行中应随时修正航向，使航迹与设计测线基本吻合。一般使用无线电同时航行中应随时修正航向，使航迹与设计测线基本吻合。一般使用无线电导航系统时，系统与岸台有关，与作业区和岸台所在区的气候关系极为密切导航系统时，系统与岸台有关，与作业区和岸台所在区的气候关系极为密切。当气候不佳时，会影响工作。故采用卫星导航系统是目前的最佳选择。当气候不佳时，会影响工作。故采用卫星导航系统是目前的最佳选择。（三）磁日变观测（三）磁日变观测 由于磁日变站难以在海域测区内设立，一般在近测区的海岸附近设立。由于磁日变站难以在海域
11、测区内设立，一般在近测区的海岸附近设立。这时要注意海岸效应，选择平静日变场地区设立日变站十分重要。如何真正这时要注意海岸效应，选择平静日变场地区设立日变站十分重要。如何真正解决海磁的日变改正问题，人们提出应用不受日变影响的海磁梯度测量资料解决海磁的日变改正问题，人们提出应用不受日变影响的海磁梯度测量资料换算到换算到T的途径，结果精度不理想。海磁日变改正问题仍需进一步研究。的途径，结果精度不理想。海磁日变改正问题仍需进一步研究。用海岸附近的陆地磁测来研究海上的日变，存在幅值变化较大和相位误用海岸附近的陆地磁测来研究海上的日变，存在幅值变化较大和相位误差大的风险。图中磁日变图资料分别来自英吉利海峡
12、外大陆坡上一个固定浮标差大的风险。图中磁日变图资料分别来自英吉利海峡外大陆坡上一个固定浮标所测的结果和距离约所测的结果和距离约400km的西南英国观测站所测结果。可以看出海上的日变的西南英国观测站所测结果。可以看出海上的日变是岸上的两倍。是岸上的两倍。磁性体的磁异常比同形状物体的重力异常复杂的磁性体的磁异常比同形状物体的重力异常复杂的多，磁性多，磁性不均匀不均匀的的不规则不规则地质体的磁场分布难以利用地质体的磁场分布难以利用数学方法计算。因此，在计算磁性体磁场时，常作如数学方法计算。因此，在计算磁性体磁场时，常作如下假设：下假设：（一）形状规则简单（一）形状规则简单（二）均匀磁化（二）均匀磁化
13、（三）单个磁性体（不考虑多个磁性体之间的相互影响）（三）单个磁性体（不考虑多个磁性体之间的相互影响）（四）观测面水平（四）观测面水平（五）（五）Mi与与Mr同方向同方向（4）磁性体的磁异常）磁性体的磁异常磁性体磁场的基本公式：磁性体磁场的基本公式：计算磁性体磁场的方法有多种，计算磁性体磁场的方法有多种，可以用重磁位场的可以用重磁位场的泊松方法、体积分方法、面积分方法。泊松方法、体积分方法、面积分方法。重磁位场的泊松公式重磁位场的泊松公式：当密度当密度和磁偶极矩均为常数时，物和磁偶极矩均为常数时，物体的体的重力位重力位U和和磁力位磁力位A之间有如下的泊松关系之间有如下的泊松关系UMGdvrrMA
14、dvrGUVV414113 若已知物体引力位，利用泊松公式可计算磁若已知物体引力位，利用泊松公式可计算磁场各分量的表达式：场各分量的表达式：这是利用给定磁性体的引力位导出磁场表达这是利用给定磁性体的引力位导出磁场表达式的基本公式。式的基本公式。444000zzzyzyxzxazyzyyyxyxayzxzyxyxxxaxUMUMUMGZUMUMUMGHUMUMUMGH水平圆柱体的磁场：水平圆柱体的磁场：设，二度水平圆柱横截面积设，二度水平圆柱横截面积S，中心埋深为中心埋深为R，有效磁化强度为，有效磁化强度为Ms，有效磁化倾，有效磁化倾角角is，由由泊松公式泊松公式得其剖面磁场表达式：得其剖面磁场
15、表达式：)22cos(2)22sin()(sinsin)(12sin2cos)()(12cos2sin)()(12222220222220222220sssssssasssaiRxixRiIRxmTiRxixRRxmHiRxixRRxmZ二度水平圆柱不同有效磁化倾角二度水平圆柱不同有效磁化倾角is时，时，剖面剖面磁场磁场Za、Ha曲线曲线 对于垂直磁化，对于垂直磁化，is=I=90，磁场表达式为：磁场表达式为：此时，此时，Za为对称曲线，当为对称曲线，当x=0时，时，Za最大值最大值，Ha=0：assasaZRxxRmTRxRxmHRxxRmZ2222202220222220)(2)()(22
16、)(2)(20max2 RmZsa 对于水平磁化，对于水平磁化，is=0，磁场表达式为：磁场表达式为：此时，此时，Ha为对称曲线，当为对称曲线，当x=0时，时，Ha最小值最小值，Za=0：aasasaasaHZRxxRmTZRxxRmHHRxRxmZ2222202222202220)(2)()(2)()(2220max2 RmHsa例：海底光缆路由调查中的磁测结果例：海底光缆路由调查中的磁测结果C2C 光缆路由调查中SeaSPY磁力仪探测到的光缆磁异常曲线由于海底光缆路由海域存在着已经敷设过的海缆(包括海底通讯电缆、电力电缆和光缆等),经过岁月的变迁,这些海缆在海域中的坐标有了变化,有的是否还
17、存在也不明确;另外,过去敷设海缆时的定位仪存在较大的误差,为了探明光缆路由线交汇的海底电缆的精确位置,必须对光缆路由进行探测。在C2C 欧亚光缆路由调查中,使用加拿大MarineMagnetics 公司生产的SeaSPY海洋磁力仪进行勘察。图是当磁力仪探头穿过海缆时测得的磁异常曲线,磁异常幅值一般可达几十到上百n T。水平薄板状体的磁场水平薄板状体的磁场水平薄板磁场表达式：水平薄板磁场表达式：)()(2cos)h(2sin2sinsin2)()(cos)h(sin22)()(cos2sin)h(2222222202222222022222220hbxhbxixbihxiImThbxhbxixbihxmHhbxhbxihixbmZsssssssaxsssa水平薄板磁异常剖面曲线水平薄板磁异常剖面曲线台阶状地质体的磁场台阶状地质体的磁场可以看作为有限延深、无限走向厚板的特例，其磁场可以由不同磁可以看作为有限延深、无限走向厚板的特例，其磁场可以由不同磁荷面磁场组合而成。荷面磁场组合而成。背斜状地质体的磁场背斜状地质体的磁场可以用磁荷面磁场叠加求和方法求其磁场：可以用磁荷面磁场叠加求和方法求其磁场：
