[科普中國(guó)]-磁力勘探

起源

磁力勘探是應(yīng)用最早的地球物理方法。早在兩千多年前，我們的祖先就知道并利用了天然磁石的吸鐵性和指極性。

中國(guó)古代四大發(fā)明之一的指南針傳入歐洲后，1640年瑞典人首次嘗試使用羅盤尋找磁鐵礦，開辟了利用磁場(chǎng)變化來尋找礦產(chǎn)的新途徑。直到1870年，瑞典人泰朗（thalen）和鐵貝爾（Tiberg）制造了萬能磁力儀后，磁力勘探才作為一種地球物理方法建立和發(fā)展起來。1

發(fā)展1915 年德國(guó)人施密特( Schmidt) 制成刃口式磁秤，大大提高了磁測(cè)精度，使磁法不僅在尋找鐵礦中起作用， 同時(shí)還用來尋找其他礦產(chǎn)，并在圈定磁性巖體，研究地質(zhì)構(gòu)造以及尋找油田、鹽丘中也得到應(yīng)用。

1936 年蘇聯(lián)人阿· 阿· 羅加喬夫( A. A. Логачев) 試制成功感應(yīng)式航空磁力儀，大大提高了磁測(cè)速度和磁測(cè)范圍， 使磁法工作進(jìn)入了一個(gè)新的階段。

20 世紀(jì)50 年代末和60 年代初，蘇聯(lián)、美國(guó)又相繼把質(zhì)子旋進(jìn)式磁力儀移裝于船上，開展了海洋磁測(cè)。在海洋磁測(cè)和古地磁研究成果支持下，復(fù)活了大陸漂移學(xué)說，發(fā)展了海底擴(kuò)張和板塊構(gòu)造學(xué)說，從而推動(dòng)了地學(xué)理論的大變革和大發(fā)展。

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，磁力勘探儀器已從機(jī)械式， 發(fā)展到電子式。由于采用了近代物理學(xué)的質(zhì)子旋進(jìn)、磁通門、光泵與超導(dǎo)等原理，磁力儀精度提高了幾個(gè)數(shù)量級(jí)。隨著數(shù)字計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用，數(shù)據(jù)整理、觀測(cè)結(jié)果的處理和解釋，資料的存儲(chǔ)、成果的圖示等均產(chǎn)生了較大的變化。

由于儀器精度的提高，方法的不斷改進(jìn)和更新，解釋理論的不斷發(fā)展和完善，磁力勘探的工作領(lǐng)域?qū)⒏訌V闊。2

原理組成地殼的巖石有著不同的磁性，可以產(chǎn)生各不相同的磁場(chǎng)，它使地球磁場(chǎng)在局部地區(qū)發(fā)生變化形成磁異常。由于地球本身就是個(gè)大磁體，所以對(duì)磁力的預(yù)測(cè)值應(yīng)進(jìn)行校正，求出只與巖石礦物磁性有關(guān)的磁力異常。一般鐵磁性礦物含量愈高，磁性愈強(qiáng)。在油氣田區(qū)，由于烴類向地面滲漏而形成還原環(huán)境，可把巖石或土壤中的氧化鐵還原成磁鐵礦，用高精度的磁力儀可以測(cè)出這種磁異常，從而與其它勘探手段配合，發(fā)現(xiàn)油氣田。

根據(jù)對(duì)各種巖石的測(cè)定，火成巖、變質(zhì)巖磁性比較大，而沉積巖一般幾乎沒有磁性。因而通過測(cè)量磁力值的變化，就可以大致確定火成巖或變質(zhì)巖離地面的深淺。磁力勘探所用的儀器就是磁力儀，它的靈敏度很高，只要約有相當(dāng)于普通小塊吸鐵石的千分之一到萬分之一的磁性，就能被測(cè)量出來。飛機(jī)攜帶的航空磁力儀，可在不同高度的飛行中測(cè)量地面磁力值的變化，大大提高了工作效率。2

分類根據(jù)工作環(huán)境而言，磁力勘探可分為航空磁測(cè)、地面磁測(cè)、海洋磁測(cè)和井中磁測(cè)四類。

1、航空磁測(cè)是第二次世界大戰(zhàn)后發(fā)展起來的方法，它不受水域、森林、沙漠等自然條件的限制，測(cè)量速度快、效率高，已廣泛應(yīng)用于區(qū)域地質(zhì)調(diào)查，儲(chǔ)油氣構(gòu)造和含煤構(gòu)造勘查，成礦遠(yuǎn)景預(yù)測(cè)，以及尋找大型磁鐵礦床等方面；

2、地面磁測(cè)應(yīng)用最早也最廣泛，它是在航空磁測(cè)資料的基礎(chǔ)上做更詳細(xì)的磁測(cè)工作，用以判斷引起磁異常的地質(zhì)原因及磁性體的賦存形態(tài)。在地質(zhì)調(diào)查的各個(gè)階段都有廣泛的應(yīng)用；

3、海洋磁測(cè)是在質(zhì)子旋進(jìn)式磁力儀問世后才發(fā)展起來的，它是綜合性海洋地質(zhì)調(diào)查的組成部分。此外它還用于尋找濱海砂礦，以及為海底工程（尋找沉船、敷設(shè)電纜、管道等）服務(wù)；

4、井中磁測(cè)是地面磁測(cè)向地下的延伸，主要用于劃分磁性巖層，尋找盲礦等，其資料對(duì)地面磁測(cè)起印證和補(bǔ)充作用。1

任務(wù)磁力勘探的主要任務(wù)是：根據(jù)測(cè)得的磁異常來判斷確定引起該磁異常的磁性體的幾何參數(shù)( 位置、形狀、大小、產(chǎn)狀) 及磁性參數(shù)( 磁化強(qiáng)度大小、方向) 。

要完成磁力勘探解釋推斷的全部解釋任務(wù)，僅僅依靠數(shù)學(xué)計(jì)算是不夠的，還必須掌握可靠的地質(zhì)、物性及其他物化探資料，進(jìn)行綜合分析及解釋，才能得出比較符合客觀實(shí)際的地質(zhì)結(jié)論，為查明地下礦產(chǎn)資源或其他探測(cè)目標(biāo)體提供依據(jù)。2

工作方法磁力勘探工作通常包括以下四個(gè)階段。

1、 設(shè)計(jì)階段。接受任務(wù)后，首先要收集有關(guān)工區(qū)的地質(zhì)，地球物理等資料，并組織現(xiàn)場(chǎng)踏勘，編寫本區(qū)磁測(cè)工作的設(shè)計(jì)書，經(jīng)批準(zhǔn)后施工；

2、施工階段。包括儀器設(shè)備的性能檢查，測(cè)區(qū)測(cè)網(wǎng)的敷設(shè)、基點(diǎn)及基點(diǎn)網(wǎng)的建立、觀測(cè)磁異常、物性標(biāo)本采集和測(cè)定，質(zhì)量檢查、室內(nèi)整理計(jì)算及繪制各種野外成果圖件；

3、數(shù)據(jù)處理階段。根據(jù)所獲得的磁測(cè)資料及地質(zhì)任務(wù)，提出相應(yīng)數(shù)據(jù)處理方案，并進(jìn)行處理和正反演計(jì)算，為磁測(cè)異常的分析解釋提供資料；

4、解釋分析和提交成果報(bào)告階段。進(jìn)行定性、定量與綜合解釋，并按設(shè)計(jì)要求編寫成果報(bào)告。3

特點(diǎn)磁力勘探是發(fā)展最早、應(yīng)用廣泛的一種地球物理勘探方法。實(shí)踐表明它具有如下特點(diǎn)：

1、輕便易行、效率高、成本低， 在許多情況下效果良好；

2、工作領(lǐng)域廣、不受地域限制， 可廣泛應(yīng)用于空中、海洋、地面與鉆井中。已形成專門的衛(wèi)星磁測(cè)、航空磁測(cè)、地面磁測(cè)與井中磁測(cè)等工作系列，可以提供全球磁異常信息；

3、巖石原生剩余磁化強(qiáng)度矢量與成巖時(shí)的地磁場(chǎng)有關(guān)，因而具有記錄成巖時(shí)地磁場(chǎng)的功能，有人稱之為古地磁場(chǎng)的記憶器。這是諸多物性參數(shù)中最為獨(dú)特的一個(gè)，從而可以把現(xiàn)代磁性觀測(cè)推測(cè)到地質(zhì)年代中的古地磁狀態(tài)， 成為將今論古的磁學(xué)證據(jù)；

4、應(yīng)用范圍廣。磁力勘探成功地應(yīng)用于直接尋找磁鐵礦及其共生礦床；廣泛地應(yīng)用于固體礦產(chǎn)、石油天然氣構(gòu)造的普查和不同比例尺的地質(zhì)填圖及深部、區(qū)域、全球構(gòu)造的研究；與其他物探方法配合應(yīng)用于煤田火燒區(qū)探測(cè)、地?zé)崽镞h(yuǎn)景預(yù)測(cè)、考古、探雷與探潛、核電及為大型水電建設(shè)提供基礎(chǔ)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)資料。探索性地應(yīng)用于水文工程地質(zhì)學(xué)問題中的圈定裂隙與滑坡監(jiān)測(cè)、油氣藏標(biāo)志的磁異常、磁性檢測(cè)和金屬礦成因的剩磁應(yīng)用等。1

應(yīng)用1、在區(qū)域和深部地質(zhì)地球物理調(diào)查中的應(yīng)用。

區(qū)域地質(zhì)測(cè)量( 又稱區(qū)域地質(zhì)調(diào)查) 是一項(xiàng)具有戰(zhàn)略意義的、綜合性的基礎(chǔ)地質(zhì)工作，是地質(zhì)工作的先行步驟。磁測(cè)是地質(zhì)調(diào)查和找礦時(shí)的綜合物探方法中的一種手段。因區(qū)測(cè)比例尺的不同， 對(duì)磁測(cè)任務(wù)的要求也不同。

1）1∶100 萬的區(qū)域地質(zhì)調(diào)查

小比例尺的區(qū)域地質(zhì)調(diào)查工作， 主要在地質(zhì)研究程度較低的地區(qū)進(jìn)行。與此相應(yīng)的磁測(cè)是同比例尺的航空磁測(cè)， 其主要任務(wù)是研究大地構(gòu)造， 進(jìn)行大地構(gòu)造分區(qū)； 研究與地殼運(yùn)動(dòng)密切相關(guān)的巨大斷裂； 獲取區(qū)域地質(zhì)礦產(chǎn)的初步資料， 研究燃料和金屬礦產(chǎn)總的分布規(guī)律， 其中主要是燃料礦產(chǎn)。小比例尺磁場(chǎng)圖能清晰反映地臺(tái)區(qū)、地槽區(qū)， 洋底、結(jié)晶基底的深坳陷區(qū)或其出露區(qū)的磁場(chǎng)特征， 可以用來推斷測(cè)區(qū)的大區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造。

2）1∶20 萬區(qū)域地質(zhì)調(diào)查

在中比例尺區(qū)域地質(zhì)調(diào)查中， 航磁工作的任務(wù)應(yīng)以地質(zhì)填圖、研究構(gòu)造和劃分成礦帶為重點(diǎn)。例如， 根據(jù)磁異常圈定侵入巖、噴出巖以及沉積巖和變質(zhì)巖， 確定接觸帶、斷裂帶、破碎帶， 編制基巖地質(zhì)圖和基底構(gòu)造巖相圖等。進(jìn)而根據(jù)控礦因素與局部異常的關(guān)系， 劃分出成礦遠(yuǎn)景區(qū)。

3）1∶5 萬的區(qū)域地質(zhì)調(diào)查

大比例尺的區(qū)域地質(zhì)調(diào)查， 一般只在有區(qū)域成礦遠(yuǎn)景的地區(qū)進(jìn)行， 主要是深入研究區(qū)域成礦規(guī)律， 預(yù)測(cè)各類礦床的分布。

2、劃分不同巖性區(qū)和圈定巖體

由于磁異常是由不同地質(zhì)體間的磁性差異引起的， 所以某種地質(zhì)體的異常特征， 與地質(zhì)體的空間分布、形狀、產(chǎn)狀及磁性直接相關(guān)。理論和實(shí)踐表明: ①磁異常的位置和輪廓可以大致反映地質(zhì)體的位置和輪廓； ②磁異常的軸向， 一般能反映地質(zhì)體的走向； ③在地質(zhì)體出露和埋深較小的情況下， 其磁不均勻性常會(huì)使異常發(fā)生起伏變化； ④磁異常的強(qiáng)度和分布范圍會(huì)隨埋深而變化。除以上幾點(diǎn)外， 在圈定巖體和劃分巖性區(qū)時(shí)， 還應(yīng)注意不同巖石的地質(zhì)分布特點(diǎn)， 巖石磁性的變化規(guī)律及其相應(yīng)的磁場(chǎng)特點(diǎn)， 磁性體的磁化特點(diǎn)等。2

3、推斷斷裂、破碎帶及褶皺

用磁法能圈定斷裂帶、破碎帶， 是因?yàn)閿嗔训漠a(chǎn)生或者改變了巖石的磁性， 或者改變了地層的產(chǎn)狀， 或者沿?cái)嗔褞О橛泻笃诨蛲趲r漿活動(dòng)， 或者沿?cái)嗔褍蓚?cè)具有不同的構(gòu)造特點(diǎn)。

4、研究深部地質(zhì)構(gòu)造

已有系列方法利用區(qū)域磁測(cè)資料對(duì)區(qū)域構(gòu)造( 構(gòu)造分區(qū)、構(gòu)造格架、基底隆凹分布、斷裂分布等) 、磁性巖體分布、巖層填圖等作出解釋推斷， 并給出相應(yīng)的推斷圖。

5、成礦區(qū)的圈定和劃分

成礦區(qū)的圈定和劃分， 是一項(xiàng)地質(zhì)、地球物理資料相結(jié)合而進(jìn)行的一種綜合性研究工作。利用磁測(cè)資料時(shí)， 主要應(yīng)考慮兩方面的條件， 一是成礦和控礦條件； 二是礦與圍巖的磁性差異。即要綜合考慮地質(zhì)和地球物理的可能性。4

6、在石油、天然氣勘查中的應(yīng)用

磁力勘探是以測(cè)量磁場(chǎng)的微小變化為基礎(chǔ)的。磁性巖石的分布發(fā)生任何變化都會(huì)引起磁場(chǎng)的相應(yīng)變化。大多數(shù)沉積巖幾乎都是無磁性的， 而下伏火成巖和基巖通常是弱磁性的。根據(jù)磁測(cè)資料確定了基巖的深度， 也就確定了沉積物的厚度。因基底面起伏能在上覆沉積巖中產(chǎn)生有利于油氣聚集的構(gòu)造起伏， 確定基巖的起伏能為油氣勘查提供有用資料。

很長(zhǎng)一段時(shí)間， 不同比例尺( 主要是1∶50 萬、1∶20 萬) 的磁測(cè)在石油物探中的作用主要限于圈定沉積盆地、研究區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造特征和根據(jù)二級(jí)構(gòu)造異常確定油氣遠(yuǎn)景區(qū)等方面。隨著高精度航空磁測(cè)工作的開展， 構(gòu)造航磁不僅在查明區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造方面， 就是在尋找局部沉積構(gòu)造和油氣田方面也能起到重要作用。許多航磁局部異常已被后來的勘探工作證實(shí)為工業(yè)油氣田， 一些已被開發(fā)的油田上也有磁異常反映。5

航磁發(fā)現(xiàn)的不少局部異常為進(jìn)一步布置地震勘探工作提供了重要依據(jù)。目前， 磁測(cè)在油氣構(gòu)造普查中的作用， 至少表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1）能以相對(duì)少的投資， 在較短時(shí)間內(nèi)提供大面積反映區(qū)域與局部構(gòu)造信息的磁場(chǎng)資料；

2）可以比較詳細(xì)地確定進(jìn)一步投入比較昂貴的物探方法的工作地段；

3）預(yù)測(cè)油氣遠(yuǎn)景構(gòu)造。2

7、在固體礦產(chǎn)勘查中的應(yīng)用

磁測(cè)在固體礦產(chǎn)勘查中的作用主要是直接找礦和間接找礦兩方面。

磁測(cè)是作為找磁鐵礦床的方法而產(chǎn)生并長(zhǎng)期發(fā)展的。隨著磁測(cè)精度的提高和基本理論的發(fā)展， 磁測(cè)不僅能發(fā)現(xiàn)磁鐵礦床， 而且可能解決勘探方面的問題: 確定礦體的深度、產(chǎn)狀要素、磁化強(qiáng)度和估算磁鐵礦石的儲(chǔ)量。在這方面我國(guó)已有多個(gè)成功實(shí)例。

在間接找礦中， 主要是用磁測(cè)查找在空間上或成因上與成礦有關(guān)的地層、構(gòu)造、巖漿巖、蝕變巖石、礦化帶等控礦因素。此外， 利用所尋找礦種與磁性礦物的共生關(guān)系找礦，也屬于間接找礦。目前磁力勘探的間接找礦作用， 發(fā)揮的作用還很不夠。

磁測(cè)尋找磁鐵礦床的效果舉世公認(rèn)， 最為明顯。在尋找其他類型鐵礦， 以及銅、鉛、鋅、鎳、鉻、鉬、鋁土礦、金剛石、石棉、硼等各種金屬與非金屬礦床上， 雖然大都屬于間接找礦， 但也起到重要作用， 富有成效。

8、工程地質(zhì)和水文地質(zhì)研究

磁測(cè)工作在解決工程地質(zhì)和水文地質(zhì)問題方面， 尚處于試驗(yàn)研究階段。主要應(yīng)用于研究滑坡地段與發(fā)現(xiàn)喀斯特地帶、裂隙地帶。

9、其他方面的應(yīng)用

1）在煤田火燒區(qū)上的應(yīng)用

在許多煤盆地中， 在燃燒過的煤層上方有強(qiáng)磁異常。這是由于煤層中的氧化鐵和氫氧化鐵受高溫作用變成磁鐵礦的緣故。

2）在地?zé)嵴{(diào)查中的應(yīng)用

利用磁力勘探可以勾畫出地?zé)釁^(qū)的坳陷和基底構(gòu)造， 尋找控制地下熱水資源的構(gòu)造， 如斷層和火成巖體等?；鸪蓭r在正常情況下有一定磁性， 在熱水活動(dòng)范圍內(nèi)因熱蝕變作用而使磁性降低， 這有利于利用磁測(cè)圈定熱蝕變帶。故不同地質(zhì)成因的地?zé)幔?調(diào)查可得到不同磁異常特征。

3）在考古工作中的應(yīng)用

隨著高精度磁測(cè)工作的發(fā)展， 磁力勘探已成為探查古遺存空間分布的主要地球物理方法之一。由于古地磁學(xué)的發(fā)展， 使磁性地層學(xué)成為確定古遺存、古人類化石時(shí)代的重要手段。隨著第四紀(jì)沉積物磁性特征深入研究， 又為環(huán)境考古提供了新途徑。

10、在特殊領(lǐng)域中的應(yīng)用

1）尋找隱伏爆炸物和為公安偵破工作提供線索；

2）潛艇探測(cè)

利用低空航磁可以發(fā)現(xiàn)海中潛艇， 潛艇雖經(jīng)消磁但還有一定強(qiáng)度的磁異常可以觀測(cè)到。為了識(shí)別潛艇， 需要在監(jiān)測(cè)的海域做高精度正常磁場(chǎng)背景的系統(tǒng)測(cè)量， 以便能與測(cè)量磁場(chǎng)實(shí)時(shí)對(duì)比來發(fā)現(xiàn)異常。

除上列應(yīng)用外， 磁力勘探在核電站選址與地震區(qū)劃的基礎(chǔ)地質(zhì)研究， 航磁與航空伽馬綜合測(cè)量研究區(qū)域放射性背景與巖性關(guān)系； 對(duì)人文廢棄物( 如垃圾掩埋場(chǎng)、廢礦堆、廢礦井) 、水中沉船與管道等探測(cè)均有較好效果。2

磁力勘探的發(fā)展趨勢(shì)21 世紀(jì)人類面臨資源( 能源) 緊缺、生態(tài)環(huán)境惡化、人口膨脹等重大問題， 作為地球物理方法中發(fā)展最早且應(yīng)用廣泛的磁力勘探如何迎接這一挑戰(zhàn)， 在解決這些重大問題中如何發(fā)揮作用是當(dāng)前地球物理學(xué)家所關(guān)注的熱點(diǎn)問題。磁力勘探結(jié)合學(xué)科發(fā)展的前景和我國(guó)經(jīng)濟(jì)與國(guó)防建設(shè)的需要， 對(duì)其發(fā)展趨勢(shì)概述如下：

1、發(fā)展高精度多參量、多用途磁測(cè)儀器， 提高綜合信息采集能力

1) 發(fā)展與應(yīng)用磁通門、質(zhì)子、光泵等梯度三分量( 全梯度) 磁力儀； 研制在特殊情況使用的測(cè)量探頭間距小的梯度磁力儀； 研制超導(dǎo)磁力梯度儀， 以滿足多方面的需要。

2) 研制高精度多分量( 包括矢量) 磁力儀， 用以研究復(fù)雜磁異常及場(chǎng)源目標(biāo)體的性質(zhì)與定位。

3) 研制高精度井中磁力儀， 以便發(fā)現(xiàn)并研究鉆井周圍空間中的弱磁性體。

4) 研制低空無人駕駛遙控遙測(cè)高精度航空磁力儀， 實(shí)現(xiàn)復(fù)雜地質(zhì)地形條件下的快速大比例尺磁測(cè)工作。

5) 研制高靈敏度磁性測(cè)量?jī)x， 以便在實(shí)驗(yàn)室和原位條件下， 以10 - 7 SI 單位的靈敏度研究巖石、礦石和土壤等弱磁性體的磁性。

2、研究高精度磁測(cè)方法技術(shù)， 拓寬磁測(cè)工作領(lǐng)域

1) 開展衛(wèi)星磁測(cè)方法技術(shù)研究； 發(fā)展低空無人駕駛航磁測(cè)量技術(shù)； 研究大測(cè)區(qū)航磁、海磁高精度磁日變改正方法。

2) 發(fā)展車載、船載高精度磁測(cè)方法技術(shù)； 發(fā)展高精度微磁測(cè)， 研究磁場(chǎng)微結(jié)構(gòu)。

3) 研究高精度井中三分量磁測(cè)方法； 改進(jìn)地下工程中的高精度磁測(cè)方法。

可以預(yù)見， 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展與磁力勘探廣泛深入的應(yīng)用， 磁力勘探從儀器、方法技術(shù)、解釋理論與應(yīng)用等各方面將全面提升到一個(gè)新水平， 必將在國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)與國(guó)防建設(shè)中發(fā)揮更大作用。2