磁法勘探(1-3).ppt

,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,普通物探,第二篇 磁法勘探,讲课教师,唐 杰,1、定义,磁法勘探是利用地壳内部各种岩(矿)石间的磁性差异所引起的磁异常来寻找有用矿产，查明地下地质构造的一种地球物理勘探方法。,前 言,地球的磁场,2,、发展史,磁法勘探是应用最早的地球物理方法。,我们的祖先最早发现磁石，并发明了指南针，证明地球表面存在着磁场；,梦溪笔谈（沈括，10311095）中写道：,“,方家以磁石磨针锋，则能指南，然常微偏东，不全南也,”,；,北宋时已将指南针用于航海（,“,舟师识地理，夜则观星，昼则观日，隐晦则观指南针,”,萍洲可谈）；,16,世纪末，英国,威廉,吉尔伯特,做过这样的实验，他把一块吸铁石磨制成圆球形，用小磁针测试这圆球面上的磁力分布。,结果发现，小磁针倾斜的情况与当时地面上实测的磁倾角很相似。,为此他断言，地球本身就是一个巨大的球形磁体，并且地球的磁性作用是从地球内部发出的。,从吉尔伯特那个时代开始,;,伦敦就开始了地磁场的系统观测，至今已逾,300,多年。,我国古代四大发明之一指南针，该图是司南和地盘复原模型,指南车的复原模型,一种用来辨认方向的仪器。车上有一小人，其手指的方向即为南方，传说司南、罗盘都是根据它而发明。,1640,年，,瑞典人,首次尝试用,罗盘,调查磁铁矿，开辟了利用磁场变化来寻找矿产的新途径。,直到,1870,年，,瑞典人泰朗,(,Thalen,),和铁贝尔,(,Tiberg,),制造了,万能磁力仪,后，磁法勘探才作为一种地球物理方法建立和发展起来。,1915,年,德国人施密特,（,Schmidt,）制成,刃口式磁称,，大大提高了磁测精度，使磁法不仅在寻找铁矿中起作用，同时还用来寻找其他矿产，并在圈定磁性岩体，研究地质构造以及寻找油田，盐丘中得到应用。,1936,年,前苏联人阿,阿,罗加乔夫,试制成功,感应式航空磁力仪,，大大提高了磁测速度和磁测范围，使磁法工作进入了一个新的阶段。,50,年代末和,60,年代初，,前苏联、美国,又相继把,质子旋进磁力仪,装于船上，开展了海洋磁测。,1950s，1960s，前苏联和美国将质子磁力仪,移装到船上，开展海洋磁测，其结果：,在海洋磁测和古地磁研究成果支持下：,复活了大陆漂移学说，发展了海底扩张和板,块构造学说；,推动了地学理论的大变革、大发展！,磁法勘探可分为地面磁测、航空磁测、海洋磁测和井中磁测,航空磁测是第二次世界大战后发展起来的方法。它不受水域、森林、沙漠等自然条件的限制，测量速度快、效率高，巳广泛应用于区域地质调查，储油气构造和含煤构造勘探（火烧区边界），成矿远景预测，以及寻找大型磁铁矿床等方面。,地面磁测应用最早，而今它一般是在航空磁测资料的基础上，进行更详细的磁测工作，用以判断引起磁异常的地质原因及磁性体的赋存形态。在地质调查的各个阶段都有广泛的应用。,海洋磁测是在质子旋进式磁力仪问世后才发展起来的。它是综合性海洋地质调查的组成部分。此外，还用于寻找滨海砂矿，以及为海底工程(寻找沉船、敷设电缆、管道)服务。,井中磁测是地面磁测向地下的延伸，主要用于划分磁性岩层，寻找盲矿等。其资料对地面磁测起印证和补充作用。,3,、分类,航空磁测,是第二次世界大战后发展起来的方法。,特点：,不受水域、森林、沙漠等自然条件的限制,测量速度快、效率高,广泛应用,于,区域地质调查、储油气构造和含煤构造勘查、成矿远景预测，以及寻找大型磁铁矿床等,地面磁测,应用最早，而今它是在航空磁测资料的基础上所作的更详细的磁测工作。,用以判断引起磁异常的地质原因及磁性体的赋存形态。在地质调查的各个阶段都有有广泛应用。,海洋磁测,是在质子旋进式磁力仪问世后才发展起来的。,它是综合性海洋地质调查的组成部分，此外、还用于寻找滨海砂矿，以及为海底工程,(,寻找沉船、敷设电缆、管道等,),服务。,井中磁测,是地面磁测向地下的延伸，主要用于划分磁性岩层，寻找盲矿等，其资料对地面磁测起印证和补充作用。,卫星磁测,把磁力仪放航天器上进行的地磁测量。,在很短的时间里，就可以取得某段时间内的整个地球磁场的资料。根据合适轨道的长期卫星磁测的资料，可以建立全球范围的地磁场模型，如国际参考磁场模式；研究地磁场的空间结构和时间变化；研究全球范围的磁异常情况；它还可以用作飞行器的姿态测量。卫星磁测是空间环境监测的重要组成部分,磁法勘探和重力勘探在理论基础和工作方法上有许多相似之处，但是它们之间也存在,些基本的差别。,(1),就相对幅值而言，磁异常比重力异常大得多。我们知道，地壳厚度变化引起的重力异常最大，达,5600 g,u,，若正常重力以,9800000 g,u,计算，则最大重力异常值也仅为正常重力值的,千分之五,。强磁性体产生的磁异常高达,10,-4,T,，若正常地磁场强度按,0.5,10,-4,T,计，则最大磁异常可以比正常地磁场强度,大一倍；,(2),从地面到地下数十公里深度内所有物质的密度变化都会引起重力的变化，说明,重力异常反映的地质因素较多。但磁异常反映的地质因素却比较单一，,只有各类磁铁矿床及富含铁磁性矿物的其它矿床和地质构造才能造成地磁场的明显变化；,(3),密度体只有一个质量中心，而磁性体则有两个磁性中心,(,磁极,),，且它们的相对位置因地而异。当地质体置于不同的纬度区时，重力异常特征不变，而磁异常特征则要改变，,因此磁异常总是要比重力异常复杂一些。,4,、重力、磁法勘探的异同点,有关的磁学知识（复习）,（一）磁场（,Magnetic Field,）,磁性,：磁铁能吸引铁、钴、镍等物质的特性，称为磁性,磁性体,：具有磁性的物体；,磁极,：磁体中两个磁性最强的部位，指北的一极称为指北极或正磁极，用,N,表示，指南的一极称为指南极或负磁极，用,S,表示,;,磁荷,：正磁荷,集中在磁体的,N,极（,+,）负磁荷,集中在磁体的,S,极（）,磁力,：两个磁体的磁极之间的相互作用力；,两个点磁极间的相互作用力为：,r,F,F,磁场,：磁力作用的物质空间称为磁场,磁场强度,（,H,）：单位磁荷在磁场中所受的力，称为该点的磁场强度，用,H,表示，单位为,A/m,（安培,/,米）,r,方向为单位正磁荷在场中受力的方向,磁力线,：由磁体的正极出发终止于负极的封闭曲线,磁感应强度,B,，,根据毕奥,萨伐尔定律：恒定电流,I,的无限长直导线周围，距离为,a,的各点上该电流产生的磁场。,SI,制单位特斯拉（,T,），,1T,1Wb/m,2,，通常用较小的单位,nT,（纳特），,1nT,10,-9,T,在,CGSM,单位制中：用,（伽傌）为磁场强度的单位；两种单位制之间的关系为：,1 =1nT,（二）磁化,在外磁场作用下，没有磁性的物体获得磁性，称为磁化,1,、,磁偶极子,相距很近的两个等量异性磁极，作为一个整体称为磁偶极子。,称为,磁偶极矩,，方向由,负磁极指向正磁极,。,l,2,、磁化的本质,在外磁场作用下，物体中原子磁矩（,m,）趋外磁场方向定向排列的结果。,3,、,磁化强度,（,M,）或磁极化强度（,J,）,表示物体被磁化的,程度,。,磁化强度（,M,）,单位体积的总磁矩,磁极化强度（,J,）,单位体积的总磁偶极矩,在,SI,单位制中 与,m,、,J,与,M,之间的关系：,4,、面磁荷密度（）与,M,的关系,当物体磁化后，若磁体内各处的磁化强度大小相等，方向相同，则称该磁体为均匀磁化体。均匀磁化体内无磁荷分布，,仅在其表面有磁荷分布,。,H,+,+,+,M,由右图可见，若把小圆柱体看成磁偶极子，则有：,=,l=,s,l,另外由,J,的定义得：,=JV,=J,s,lsin=J,s,lcos,=,J cos=J =,o,M,n,n,5,、磁化强度（,M,）与外磁场（,H,）的关系,实验表明，当物体无限大时，则,M=,H,M,的方向与,H,的方向一致。,磁化率，表示物质被磁化的,难易程度,。,6,、,M,与,的单位,M,在,SI,单位制中：,A/m,在,CGSM,制中：,CGSM,关系为：,1A/,m=10 CGSM,-,3,在,SI,单位制中：,SI(,),在,CGSM,制中：,CGSN(,),关系为：,第一章 地球的磁场,第一节 磁法勘探的基础知识,1,、单位磁极,在,CGSM,单位制中规定，在真空中两个等量的点磁极，相互之间相距一厘米，作用力为一达因时，,m,1,或,m,2,称之为一个绝对单位，通常用,1CGSM,单位表示。,2,、磁场单位,为了表征磁场的大小，通常采用磁场强度的概念；,单位正磁量的点磁极，所受的力为一达因时，作为磁场强度的单位，我们称之为奥斯特,(Oe),；,磁法勘探实用的单位是,(,伽码,),。,1(,伽码,)=10,-5,Oe(,奥斯特）,3,、磁力线,由于磁场强度是一个矢量，而磁场又是一,个矢量场，我们为了描述场的性质，一般采,用磁力线的方法，形象的表示磁场空间的分,布。,磁力线处处与磁场强度矢量相切；,磁力线疏密的程度正比于磁场强度。,4,、磁学单位,（,nT,）,二、磁偶、磁矩和磁偶的磁场,1,、磁偶,不管是条形磁铁或是磁针，都是具有正负磁荷的两个磁极，它们是成对出现的，也就是说磁量相等而符号相反的两个点磁极，总是共同出现的。我们将成对出现的磁量相等而符号相反的两个点磁极称之为磁偶。,2,、磁矩,设有一磁量,m,，两极之间的距离为,l,的磁偶在均匀磁场,H,中，则磁偶所受到的力偶矩为：,M,mlH,，显然这时如,ml,越大，则力偶矩,M,越大，可见,ml,反映磁偶本身的特点，通常将这一物理量称之为磁矩，它表示在单位外加磁场中，磁偶所受的最大力矩，用,M,示：,M,ml,既然磁偶在磁场中表现出力偶矩，就有旋转方向的问题，其方向定为由负指向正，如图所示。,3,、磁偶所产生的磁场,如图所示，任一点,p,的磁场强度,H,，经数学计算，由下式表示：,三、磁化强度及面磁荷,上式说明，当磁化强度和磁荷面斜交时，磁性体面磁荷密度等于磁化强度在该面外法线方向的投影。,地磁场有两个磁极，其S极位于地理北极附近，N极位于地理南极附近，但不重合，磁轴与地球自转轴的夹角现在约为11.5度，1980年实测的磁北极位于北纬78.2度、西经102.9度（加拿大北部），磁南极位于南纬65.5度，东经139.4度（南极洲）。,长期观测证实，地磁极围绕地理极附近进行着缓慢的迁移。,1,、地磁要素,地磁场,T,在水平面,(xoy),上的分量，称为水平分量，以,H,表示。,H,的指向为磁北方向，磁北方向的延长线称为磁子午线。,T,和水平面之间的夹角表示,T,的倾角，称为磁倾角,I,。当,T,向下倾时，,I,为正，,T,向上倾时，,I,为负；,磁子午线,(,磁北,),和该点地理子午线,(,地理北,),之间的夹角称为磁偏角，以,D,表示，磁北自地理北向东偏，磁偏角,D,为正，反之，向西偏时，,D,为负。,水平分量,H,在,X,和,Y,轴上的分量，分别称为北向分量和东向分量，并分别以,X,和,Y,表示。,T,、,Z,、,H,、,I,、,D,、,X,、,Y,各量都是表示某点地磁场大小和方向特征的物理量，称为地磁要素,。,第二节 地磁要素及其分布特征,七个地磁要素之间的关系为：,2,、地磁场的单位,地磁场强度的单位通常以,“,奥斯特,”,表示，简写为,“,奥,”,，也可以用,“,Oe,”,表示；,磁法勘探中常用的单位用,“,伽傌,”,或,“,表示，,1,伽傌,10,-5,奥；,国际上统一使用,“,国际单位制,”,(,简称为,“,SI,”,),用,“,特斯拉,”,(,简称,“,特,”,),或以,“,T,”,表示磁感应强度,(B),的单位；,1,特,10,4,高斯，或,1,高斯,10,-4,特,1,纳特,(nT)=10,-9,特,(T),10,-5,高斯,1,伽傌,高斯和奥斯特分别表示介质中的磁感应强度和磁化场强度的单位，同属于,CGS,电磁单位制，二者有相同量纲，并且在真空、空气和水中的磁感应强度和磁化场强度的数值相等。,在表示空气或水中磁场的单位上，高斯和奥斯特可以通用。,地磁图及地磁要素分布的基本特征,地磁图,为了研究地磁要素在地表的分布特征，在世界各地建立了许多固定的测点（,地磁台,）及野外观测点，在这些点上测定地磁要素的绝对值，将地磁绝对测量的成果绘制成地磁要素的等值线图，这种图称为地磁图。,通常按要素分别绘制如下地磁图：,3,、世界地磁图,世界地磁图,T,世界地磁图,Z,世界地磁图,H,世界地磁图,I,世界地磁图,D,总磁场强度（,B,）等值线图,特征：等值线与纬度线近似平行，在磁赤道约,30000,40000nT,，向两极增大，在两极约为,60000,70000nT,垂直强度（,Z,）等值线图,特征：与纬度线大致平行，在磁赤道,Z=0,，向两极绝对值增大，约为磁赤道水平强度的两倍，磁赤道以北,Z0,，以南,Z0,水平强度（,H,）等值线图,特征：沿纬度线排列，在磁赤道附近最大，向两极减小趋于零，全球各点除两磁极区外都指向北,等倾（,I,）线图,特征：与纬度大致平行，零倾线在地理赤道附近，称为磁赤道，它不是一条直线，磁赤道向北倾角为正，向南为负,4,、地磁场的基本规律,(1),地球有两个磁极，分别位于地理南北两极附近。在,1980,年的世界地磁图上，北磁极位于,78.2,0,N,，,102.9,0,W,；南磁极位于,65.6,0,S,，,130.9,0,E,，在南、北两磁极处，磁倾角,I,分别为,90,0,，垂直强度,Z,有最大值、水平强度,H,为零、磁倾角,D,没有确定值。,(2),水平强度,(H),在地表上任何一点,(,除两磁极点外,),都指向北。垂直强度,(Z),在北半球指向下，为正值；在南半球指向球外,(,向上,),，为负值。说明地球磁极位于北半球的是,S,极，位于南半球的是,N,极。,(3),地球南北两磁极处的总磁场强度为,0.6,0.7,奥斯特，在磁赤道处的总强度为,0.3,0.4,奥斯特，前者约为后者的两倍，磁倾角随磁纬度按一定关系变化。这些特征和均匀,磁化球体或中心偶极的磁场分布特征基本一致。,(4),南磁极和北磁极与地球的地理南、北两极并不重合，可以认为是地球中心磁偶极子轴与地球转轴相斜交。,根据以上的规律，可以认为地球基本磁场的模式是一个位于地球中心并与地球转轴斜交的磁偶极子的磁场。磁轴和地轴斜交,1.5,0,的中心偶极子场与地磁要素分布吻合的最好。,地球磁偶极子场,非偶极子磁场垂直分量,（,5,）在偶极子场叠加有非偶极子的场,非偶极子磁场,从世界地磁图中减去地磁场的偶极子磁场，即可得到非偶极子磁场,。,由图可见：全球非偶极子磁场围绕着,几个正、负中心,分布，分布的,范围很大,（延伸可达数千公里）。,大陆异常的原因目前还没有明确的答案，但大多数学者认为起源于深部原因，如,地幔和地核界面的局部物质对流运动,所形成的,涡旋电流,产生的。,（,6,）磁极位置在缓慢移动,在约五亿年期间，古地磁极移动了约,90,0,，即平均每年移动,2,厘米。人们还发现，根据不同地块的岩石标本所确定的古地磁极迁移轨迹是不同的，这说明各地块的相对位置在不同地质时代变化很大，这就从古地磁方面提供了大陆漂移的证据。,地质时代古地磁极的迁移轨迹研究意义,中国地磁图,T,5,、中国地磁场的基本特征,中国地磁图,Z,中国地磁图,H,中国地磁图,I,中国地磁图,D,由我国编制的中国地磁图表明有以下特点：,垂直强度由南至北，,Z,值由,-0.10,奥增至,0.56,奥，,Z,值在我国境内的最大变化在,0.6,奥以上；,水平强度由南至北，,H,值由,0.4,奥降至,0.21,奥，,H,值最大变化在,0.13,奥以上；,磁倾角由南至北，,I,值由,-10,0,增至,+70,0,，,I,值最大变化在,80,0,以上；,磁偏角的零值线在我国中部偏西由北向南通过，经过甘肃省的安西和西藏自治区的得宗。零偏线以东，偏角度变化由,0,0,至,11,0,(,磁北西偏,),，零偏线以西，偏角变化由,0,0,至,5,0,。,我国境内地磁要素的地理分布,地球的磁场,存在地球周围的具有磁力作用的空间，称为磁场,（一）地磁场的构成,地磁场,（,B,）,稳定的磁场（内源场）,偶极子磁场（,Bs,N,）,非偶极子场（,Bm,）,磁异常（,Ba,）,基本磁场（,B,0,）,变化的磁场,B,（外源场）,长期变化的磁场,短期变化的磁场,静日变化,扰动变化,第三节 地磁场的解析表示,1,磁偶极子的磁位,如图所示，,m,和,m,表示磁偶极子的两个磁极强度；,2l,表示它们之间的距离；,p,表示任一空间点，它与偶极子中心,O,以及两磁极间的距离分别为,r,、,r,1,和,r,2,；,M,表示磁偶极子的磁矩，其大小为：,M,2ml,，方向由,-m,指向,m,。,磁偶极子在,p,点的磁位,U,等于其正负两磁极分别在该点的磁位,U,+m,及,U,-m,之和，可表示为：,1,、磁偶极子的磁位,泰勒级数展开,2,、地磁场的解析磁场表达式,2,、地磁场的解析表达式,3,、地磁场的垂向和水平梯度,白天比夜晚变化幅度大，夏季比冬季变化幅度大，平均变化幅度为数纳特至数十纳特。,太阴日变化幅度很微弱,变化磁场,平静变化,扰动变化,太阳静日变化,太阴日变化,磁扰,(,磁暴,),地磁脉动,可持续数天，幅度达数百至上千,nT,。,周期短，一般为,(0.2,100)s(,秒,),，振幅小，一般为为,(0.01,10)nT,。,1959,年,7,月,14,日磁暴曲线,第四节 地磁场随时间的变化,一、地磁场的长期变化,近几百年数据的统计分析：,（,1,）地球磁矩的衰减变化,（,2,）地球磁场向西漂移,（,1,、地球磁矩的衰减变化）,近,1000,年来,地磁场偶极矩大约减小了,25%,其中,17%,是近,400,年来减小的,.,1835年（高斯计算）为8.5*10,22,Am,2,1900年为8.32*10,22,Am,2,1980年为7.91*10,22,Am,2,2000年为7.78*10,22,Am,2,两千年后，接近0！,磁极倒转(?),磁极倒转,在测定岩石的剩余磁性时，发现相当一批岩石的磁化方向与现在的地磁场方向相反，于是就推测地磁场发生了,180,的改变，原来的磁北极转变为磁南极，磁南极则变成了磁北极。这种现象被称为地磁极倒转或地磁场翻转。事实证明，在地球历史上确实发生过这种变化，而且还一再地发生。,从,1940s,开始，由于军事上的需要对海底磁场进行了系统的观测发现以大洋脊为中心，两侧对称地交替分布着正磁极性,(,磁极与现代的一致,),与反磁极性,(,磁极与现代相反,),的两类岩石；离扩张中心越远，岩石年龄越老,.,为地球科学中的板块构造理论的出现，提供了重要的依据。,随着取得的资料增多，逐步建立了以不同时期地磁极翻转为主要特征的地磁年代表。一种地磁极性期平均可持续,22,万年,(,短的仅持续,3,万年，长的可达,500,万年,),。每次磁极倒转过程仅持续数百年到上千年，此时表现为磁场强度大幅度减弱，磁极缓慢转动，直到完全翻转，才达到稳定。,地磁场极性倒转的发现极大地推动了古地磁学的发展,在全球广泛开展了对火山岩、沉积岩、海底和湖底沉积的古地磁测量,.,（黄土沉积的古地磁研究带着我国独有的特色）由此产生的,“,地磁极性年表,”,，为地质学提供了一个独立的时间标尺,.,(2)地球磁场的向西漂移,Halley,在,300,多年前就已经注意到的地磁场西漂现象；（后来通过对地磁图的研究，比较容易发现）,目前,人们普遍承认的西漂速度是每年约,0.18,，周期约,600,年,地磁场除了西漂外,还有更缓慢的北漂,.,二、地磁场的短期变化,地磁场的短期变化基本上可以分为两种类型。,一种变化是连续出现的、比较有规律并有确定周期的变化；,另一类变化则是偶然发生的、短暂而复杂的变化。,这两种类型的变化主要来源于地球外部的不同原因。前者称为平静变化，来源于电离层内长期存在着的电流体系的周期性变化。后者称为扰动变化，由于磁层结构、电离层中电流体系、太阳辐射等变化所引起。,1,、太阳静日变化,24,小时的周,期与地球相,对太阳的自,旋有关,高空电离,层中的涡,旋电离体,系，很可,能就是主,要场源.,地磁日变,平均变化幅度为几纳特至几十纳特,特点：,24小时为一周期；,变化依赖地方时，同一磁纬度，变化形态和幅值很相似；同一经度不同纬度，变化差异很大；,白天变化大，夜晚变化小；,夏季的变化幅度大，冬季的幅度最小，春秋居中,2,、扰动变化,（,1,）磁暴,磁扰（幅度大的称磁暴）：无周期，变化,范围大，（磁暴往往是全球性的）；,（,2,）地磁场的微脉动,地磁脉动：地磁场的微扰变化，具有准周,期,地磁场起源（,参考,）,地球磁场起源问题一直是一个没有解决的,重大地球物理难题。,大量的地磁资料，丰富的地磁现象强烈地,吸引着长于理性思维，爱好寻根问底的数,学家、物理学家,地球磁场：令科学家着迷,地磁场起源,从,1600,年英国人吉尔伯特（,Gilbert,）提出,（假说）：地球磁场起源与地球内部，像个永,久磁铁；,1839,年,德国著名数学家,Gauss,把位场理论,用于地磁场研究，从而奠定了近代地磁学的数,学基础,Gauss,的计算指出,地磁场主要起源于地球,内部,.,这一结论看起来与,200,多年前,Gilbert,的猜想不谋而合,但,Gauss,的结论是依据严,格的位场理论的,是对,Gilbert,假说的物理证,明,.,地磁场起源,物理学家不满足于,“,地磁场起源于地球内部,”,这,一简单论断,他们更感兴趣的是,:,“,地球内部,”,究竟是什么地方,?,那里的物质处于怎样的物理状态,?,发生着怎样的物理过程,?,人类怎样认知发生在这些不可到达地区的过程,?,类似的过程是否在其他天体内部也存在,?,地磁场起源,从,1600,年英国人吉尔伯特提出永久磁化理,论,400,多年来，至少有,10,多种地磁起源假,说或理论问世，但大多数假说还没来得及,发展就被放弃。目前，只有地核发动机理,论得到普遍承认和深入研究。,地磁场起源,对地磁场起源理论的基本要求 物理上合,理：符合电磁学、力学、热力学等基本规,律；,回答地磁场基本问题,地磁场起源,地磁场基本问题,（,1,）为什么地球会有磁场？,（,2,）为什么地磁场会长期存在（至少为地,球年龄的,70%,）？,（,3,）为什么地磁场中偶极子场占优势？,（,4,）为什么地磁场长期缓慢变化，而变化,又不大？,（,5,）为什么平均地磁轴与地球自转轴相吻,合？,地磁场起源,地磁场基本问题,（,6,）为什么地磁场极性会倒转？,（,6,）为什么地磁场倒转频率很大？,（,7,）为什么没有占优势极性？,等等,一个成功的地磁场起源理论,回答这些问题；,不仅解释过去，还要预言未来地磁场趋势,地磁场起源,为什么其它一些行星、卫星也有磁,场？这些磁场是否可以用统一机制,来解释？,地磁场起源,主要地磁起源理论：,磁化理论；感应理论；电流理论；,波动理论；发动机理论,地磁场起源,永久磁化理论（,吉尔伯特，,1600,）：,根据地球表面磁场类似一个地心磁,偶极子产生的磁场 永久磁化理论,因为：,均匀磁化球体,=,中心磁偶极子,地磁场起源,永久磁化理论（,吉尔伯特，,1600,）,问题：地球的平均磁化强度应为,80A/m,，（达到天然岩石的上限）,20km30km,以下地温达到居里,点（约,600,度），失去磁性，,故 地壳岩石磁化强度高达,600A/m（不可能！）,地磁场起源,巨体旋转理论（布莱克特，,1947,）,他注意到，地球、太阳和室女星座,78,号星的磁矩与转矩之比很接近,地磁场起源,巨体旋转理论（布莱克特，,1947,）,存在,未知的,物理定律：,巨大天体具有机械转矩与磁矩成正,比。依次说明地磁场的起源。,为此，他专门设计了无定向磁力,仪，测量随地球转动的纯金球的微,弱磁场，实验结果否定。,地磁场起源,磁暴感应理论（查特里，,1956,）,磁暴经常发生，起源于磁层环电流。,他认为：磁暴的反复发生，形成了地,磁场。,问题：磁层环电流是由于地磁偶极子场,存在产生的；,即使不考虑它，要形成今天这样的地磁,偶极子场，需要,100,亿年以上（地球只,有,50,多亿年）。,地磁场起源,旋转电荷理论（,1900,）,漂移电流理论（,1955,）,残余电流自由衰减理论（,1883,）,热电效应理论（,1939,）,电池效应（,1958,，,1990,）,地核发动机理论（,1919,，,1946,，,1949,）,地磁场起源,地核发动机理论（,1919,，,1946,，,1949,）,1919,年拉莫尔提出天体磁场起源的发动机,假说（,像太阳这样的旋转天体怎样成为,磁性体？,）,地磁场起源,地核发动机理论（,1919,，,1946,，,1949,）,2000,年,Bruce A.Buffett,在巨型计算机上,花了,2000,多小时（复杂的偏微分方程组，,在给定边界条件和初始条件下，求解地核,内地磁场、速度场、密度场、温度场等的,变化）,得到模拟结果：,地磁场起源,存在：,能源问题尚难定论；,重要参数（如地核环流场强度、粘性）难,以准确估计；,地核流动状态众说纷纭，等等,发动机理论和数值模拟需要发展完善,地磁场起源,运动的、动力的、宇宙的,地核的运动,月球无磁场,（现在）,地磁场起源,爱因斯坦说：地球磁场起源是物理,学上最困难的问题之一！,第五节 地磁场的结构和磁异常,1,、地磁场的构成,T=T,0,+T,m,+T,a,+T,T,0,:,中心偶极子磁场，也称均匀磁化地球的磁场；,T,m,:,大陆磁场或世界异常；,T,m,T,0,:,地球基本磁场；,T,a,：异常场或磁异常；,T:,变化磁场，主要是外源变化磁场。,2,、正常场和磁异常,（,1,）正常场,可以认为是磁异常（即所要研究的磁场）的背景或基准场。,（,2,）磁异常,由研究对象的磁性所引起的磁场。,正常场和磁异常是相对的。,3.地磁场的构成,地磁场,（,B,）,稳定的磁场（内源场）,偶极子磁场（,Bs,N,）,非偶极子场（,Bm,）,磁异常（,Ba,）,基本磁场（,B,0,）,变化的磁场,B,（外源场）,长期变化的磁场,短期变化的磁场,静日变化,扰动变化,其中：,磁异常,消除了各种短期变化的磁场后，,实测地磁场,与,基本磁场之差值,，称为,磁异常,。,场源：,地壳中被地磁场磁化了的,岩石、岩体、矿体或地质构造。,区域异常,局部异常,场源：,范围较大的深部磁性岩、矿体及地质构造；,特征：,异常分布,范围较大、幅值小、变化平缓；,场源：,范围较小的浅部磁性岩、矿体及地质构造；,特征：,异常分布,范围小、强度大、变化陡；,异常,一、物质的磁化,第二章 岩矿（石）的磁性,第一节 物质的磁性,二、物质的磁性,1,、磁化率,试验表明，同一物质磁化强度与磁化磁场成正比，即：,J=T,比例系数,叫做物质的磁化率，它表示物质磁化的难易程度，,值越大，说明越易磁化。,2,、抗磁性：,0,的物质。,3,、顺磁性：,0,的物质。,4,、铁磁性物质,（,1,）磁滞回线；,（,2,）剩余磁化强度,J,r,。,5,、居里温度,据实验资料表明：介质的磁化串和温度之 间有如图所示的关系曲线，从图可见，磁化率随着温度的增加而增大，当温度达到一定值时，磁化率急剧下降，直至到零，这时的温度称为居里点,。,利用这一性质可以求地壳的磁性下界面，了解地壳的地温变化,。,(一)岩、矿石磁性的构成,岩、矿石的磁性与,矿物的磁性,密切相关，岩、矿石大多含有磁性矿物，各类岩、矿石所含磁性矿物的种类和数量都不相同，因而存在,磁性差异,。,研究表明，岩、矿石的磁化强度,M,由两部分组成：,感应磁化强度,(,简称感磁,),，以,Mi,表示：被现代地磁场磁化后取得,天然剩余磁化强度,(,简称剩磁,),，以,Mr,表示：岩、矿石形成前后，受当时地磁场磁化后保留下来的。,剩余磁化强度与现代地磁场无关,，其方向与岩、矿石形成时的地磁场方向一致。,第二节 岩矿（石）的磁性,天然剩余磁化强度与岩、矿石的形成过程和磁化经历有关。,感应磁化强度则决定于岩、矿石的磁化率,和现代地磁场强度,H,M,i,的方向大多与现代地磁场的方向一致。地磁场是一个弱磁场，磁性矿物受弱磁场的磁化时，,M,i,处于磁滞回线的线性部分，故,可视为常量。,地磁场强度,H,在地球各地都是恒定值，因此岩、矿石磁性研究的主要内容是磁化率和天然剩余磁化强度。,岩、矿石受当时地磁场的作用 经历了构造变动，剩磁的方向变化,现代地磁场作用 总磁场强度是,M,i,与,M,r,的合矢量,（二）岩、矿石的磁化率,各种岩、矿石按其磁化特征也可分为逆磁性、顺磁性和铁磁性三类,1,、逆磁性矿物,（磁化率）很小，一般为,SI,（,）,常见矿物有：岩盐、石膏、方解石、石英、大理石、石墨、金刚石及长石,-,2,、顺磁性矿物,SI,（,）,常见矿物有：黑云母、角闪石、辉石、蛇纹石、及石榴子石等。,-,这两类矿物的,值都很小，可以认为是无磁性的。,3,、铁磁性矿物,及,Mr,都很大；,常见矿物有：磁铁矿（,Fe,3,O,4,）、钛磁铁矿、磁赤铁矿、磁黄铁矿等。,岩石的磁性主要由这一类矿物来决定。,自然界中几乎所有磁性矿物都是,亚铁磁性物质,，并不存在,“,纯,”,铁磁性矿物。例如磁铁矿、钛铁矿、磁黄铁矿等，都是铁的氧化物或硫化物，它们的,值很大，可以产生明显的磁异常。为叙述方便起见，我们将这些矿物统称为,“,铁磁性,”,矿物。,岩（矿）石磁性的一般特征,1,、火成岩磁性变质岩磁性沉积岩磁性,2,、火成岩,由酸性中性基性超基性，磁性由弱强。,同一成分的火成岩其磁性不同，喷出岩磁性侵入岩磁性；,不同时代的同一成分火成岩其磁性不同，年代新的磁性年代老的磁性；,同一成分岩体的不同岩相带磁性不同，由边缘相过渡相中心相，磁性由强弱；,具有明显的天然剩余磁性。,3,、变质岩,其磁性与原来基质有关,也与生成条件有关。,正变质岩,(,从岩浆岩变质而成的）,磁性副变质岩（,从沉积岩经变质而成的）,磁性；,层状结构的变质岩，往往具有,磁的各向异性,，即顺着层面方向的磁化率大于垂直层面方向的磁化率。,4,、沉积岩,沉积岩的磁化率主要决定于副矿物,(,磁铁矿、磁赤铁矿、赤铁矿等）的含量及成分。,及,Mr,都很小，磁性很弱，通常认为它是无磁性的岩石。,5,、,非金属矿,磁性很弱,可视为无磁性的。,6,、,金属矿,除前述的磁铁矿、钛磁铁矿、磁黄铁矿、方黄铜矿及磁赤铁矿具有强磁性外，其它绝大多数金属矿亦可看成是无磁性的。,岩、矿石的天然剩余磁化强度,一般来讲：岩、矿石的,M,r,与它们的,有关，,大的岩、矿石，其,M,r,亦强。,故火成岩的,M,r,一般都较大，不少情况下，,M,r,M,i,；,沉积岩的,M,r,很小，且,M,r,M,i,。,至于岩、矿石,剩磁的方向,，对于岩浆岩来说，有的比较规则，有的很紊乱，还有,M,方向与现代地磁场方向相反的情况。沉积岩,M,，方向一般比较规则，但不同时代沉积岩的,M,r,方向并不一致。,岩、矿石天然剩磁所包含的种类较多，各种类型的剩磁有,不同的成因,。,岩石剩磁的类型与特点,热剩磁（,TRM,）,在恒定磁场作用下，岩石从居里点以上温度逐渐冷却到居里点以下,在通过居里温度时受磁化所获得的剩磁。,碎屑剩磁（,DRM,）,沉积物固结成岩后，按其碎屑的磁化方向保留下来的磁性。,化学剩磁（,CRM,）,在一定磁场中，某些物质在低于居里温度的条件下，经过相变和化学过程所获得的剩磁。,粘滞剩磁（,VRM,）,岩石生成之后，长期处于地磁场作用下，原来走向排列磁畴驰豫到地磁场方向上，所形成的剩磁。,等温剩磁（,IRM,）,在常温下，岩石受外部磁场作用（如闪电等）所获得的剩磁。,原,生,剩,磁,次,生,剩,磁,1,、热剩磁,TRM (Thermal RM),火成岩的剩余磁化方式主要是热剩磁。,所谓热剩磁就是炽热熔岩，其温度都在磁性矿物居里点,(500,一,700,0,C),以上，从地下喷出地面后在地磁场中冷却至常温的过程中，磁性矿物因受到当地、当时地磁场的作用，,而平行于地磁场的方向被磁化，其结果获得很强的剩磁，这种剩磁称为热剩磁。,热剩磁有以下几个特点：,（,1,）热剩磁的强度大。,弱磁场中，热剩磁比常温下用外磁场磁化后的剩磁,(,称为等温剩磁,),强几十至几百倍。,（,2,）热剩磁的方向与外场一致。,因此，火成岩的天然剩磁方向一般代表岩石形成时期的地磁场方向。,（,3,）在弱磁场中热剩磁的强度正比于外磁场感应强度,B,：,J,TRM,C,T,B,式中，,C,T,为比例系数。,因此，如能用实验方法确定,C,T,，就可根据火成岩的天然剩磁强度推算古地磁场强度。,（,4,）热剩磁主要在居里点附近获得。,在有外磁场存在时，将岩石从居里点,T,C,冷却，在冷却过程中不断测定岩石的剩磁强度，作出温度,T,与磁化强度,J,的关系曲线，,由图可见，热剩磁主要在居里点附近获得。,在外磁场存在时，从居里点冷却至室温所获得的全部热剩磁，,称为总热剩磁,(Total TRM),。,如果在冷却时，外磁场只在温度范围,T,1,一,T,2,内存在，在其他范围内外磁场消失，这样获得的剩磁，,称为温度,T,1,一,T,2,的部分热剩磁,(Partial TRM),。,实验发现任何范围内的部分热剩磁只与该范围的外磁场有关，不受其它范围的磁场的影响。,因此，,总热剩磁 是居里点至室温的各个相邻温度范围的部分热剩磁之和。,这叫做部分热剩磁的可加性。,如图,6.5.1,所示，温度由居里点,T,C,降至,T=500,0,C,的热剩磁是,T,C,600,0,C,和,600,500,0,C,的部分热剩磁的和。,由居里点,T,C,降至,0,0,C,的总热剩磁是,T,C,600,0,C,600,500,0,C,，,，,100,0,0,C,的部分热剩磁之和。,如果我们将标本从室温加热至温度,T,然后在零磁空间中冷却，根据部分热剩磁的可加性，,标本中温度,T,以下获得的部分热剩磁全部被清除掉。,用这种方法可退掉岩石形成后，在较低温度条件下获得的热剩磁，这称作部分热退磁或热清洗。,（,5,）热剩磁有很高的稳定性。,观测表明，岩石形成时的地磁场方向被完全,“,固定,”,在磁性矿物单畴中，在整个地质时期内保持不变。,岩石在弱磁场中获得的热剩磁具有很高的抗干扰能力。,外磁场的变化、温度在,200,300,0,C,内的热作用，很难引起热剩磁的变化。,沉积岩的剩磁主要有两种，一种是沉积剩磁，另一种是化学剩磁。,2,、,沉积剩磁,(DRM),岩石碎屑携带原已具有剩余磁性的矿物颗粒，在成岩,(,包括沉积、压实、固化等,),过程中，由于,地磁场的作用，使矿物颗粒的剩余磁性按着当时的地磁场方向取向并被固定下来的剩磁叫做沉积剩磁。,沉积剩磁很稳定。,3,化学剩磁,(CRM),某些矿物在地磁场坏境中,发生了化学变化或重新结晶，,也可能获得相当高的磁化强度。,矿物通过这种方式获得的剩磁就叫做化学剩磁。,化学剩磁的稳定性也是很高的，其方向与当时的地磁场方向一致，其强度与当时的地磁场强度成正比。,例如,:,赤铁矿变成磁铁矿时就可获得化学剩磁。,物质的磁性（磁滞现象）,影响岩、矿石磁性的因素,1,、铁磁性矿物含量,含量越高，岩石磁性越强，但二者并不呈简单的线性关系。,2,、铁磁性矿物颗粒形状、大小及在岩石中的相互位置,当铁磁性矿物含量一定时，颗粒越大，磁性越强；,当磁性矿物颗粒大小、含量都相同时，颗粒相互呈胶结状者比颗粒呈分散状者磁性强。,分散状,胶结状,3,、岩、矿石形状对磁性的影响,上式只适用于岩、矿体,无限大,的情况。,当,磁性体为有限体,时，被地磁场磁化后，在磁体内部要产生一个与外磁场相反的磁场（称为消磁场或退磁场），则要产生,消磁（或退磁）,作用，而使磁性体的,磁化强度减小,，亦即使岩、矿体的,磁性减小,。,M,i,Be,Bo,在强磁异常解释中应引起重视，必要时要作,消磁改正,。,4,、岩石磁性还与它们形成时的环境和各种地质作用有关。,例如，火山岩磁性较强，是因为岩石形成时岩浆冷却很快，保留了较大的剩磁。年轻的岩层往往比古老的岩层磁性强，是因