高精度磁法在礦產(chǎn)勘查中的應(yīng)用

高精度磁法在礦產(chǎn)勘查中的應(yīng)用摘要磁法勘探在大地構(gòu)造識別和磁性礦體尋找方面有獨到的優(yōu)勢，已經(jīng)成為一種重要的地球物理勘探手段。本文主要介紹磁法勘探的基本原理，磁測數(shù)據(jù)的處理，磁性異常的解譯等方面，結(jié)合實例論述高精度磁法在礦產(chǎn)勘查中的作用。1前言磁法勘探是通過觀測和分析由巖石和礦物等所引起的磁異常，進而研究地質(zhì)構(gòu)造和礦產(chǎn)資源的分布規(guī)律的一種地球物理方法。磁法勘探除了在大地構(gòu)造和尋找磁性礦體方面有獨到的優(yōu)勢，在探測地下熱源、含水破碎帶、地下管道、地下電纜、沉船等方面也取得了良好的效果[1]。磁法勘探具有輕便易行，效率高，成本低；工作領(lǐng)域廣，不受地域限制，應(yīng)用范圍廣的優(yōu)點，因此是發(fā)展最早，應(yīng)用廣泛的一種地球物理勘探方法[2]。1640年，瑞典人使用羅盤尋找磁鐵礦揭開了人類磁法找礦的序幕[2]。1870年，瑞典人Thalen和Tiberg制造了萬能磁力儀，磁法勘探作為一種地球物理方法得到了發(fā)展[3]。20世紀30年代，磁法勘探開始應(yīng)用于我國的地質(zhì)找礦試驗工作，此后隨著地質(zhì)工作的不斷深入開展以及現(xiàn)代數(shù)學物理理論與計算機科學的迅速發(fā)展，促進了磁法勘探的發(fā)展。由于磁法能在地面、海洋、空中以及衛(wèi)星獲取大量觀測數(shù)據(jù)，可以提供莫霍面以上深部構(gòu)造的大量信息，從而為大地構(gòu)造分區(qū)、礦產(chǎn)資源的勘查以及基礎(chǔ)地質(zhì)研究提供重要的地球物理依據(jù)；另外在礦產(chǎn)勘查中應(yīng)用磁法直接尋找磁鐵礦及其共生的磁性礦產(chǎn)工作起到了其它方法不可替代的作用[4]。隨著國民經(jīng)濟對資源需求的增大以及地表礦產(chǎn)的日益減少，尋找隱伏礦床已經(jīng)成為當前礦產(chǎn)預(yù)測工作的重要任務(wù)。自上個世紀以來，我國利用地面高精度磁法勘查鐵礦的技術(shù)比較成熟，前人利用高精度磁法找礦成功的案例非常多[5,6,7]。本文主要介紹磁法勘探的原理、數(shù)據(jù)處理解譯方法，討論高精度磁法在礦產(chǎn)勘查中的效果。2磁法勘探原理2.1磁法勘探的物質(zhì)基礎(chǔ)地球表面各處都有Za磁場的存在為磁法勘探提供了物質(zhì)基礎(chǔ)[8]，而且地磁場在地球表面的分布是有規(guī)律的，它相當于一個位于地心的磁偶極子的磁場，S極位于地理北極附近，N極位于地理南極附近，地磁軸和地理軸有一偏角。為了研究空間某點的地磁場強度，通常選用直角坐標系統(tǒng)，其原點O選在觀測點上，XOY平面為水平面，X軸指向地理北方，Y軸指向地理東方，Z軸垂直向下，如圖1所示。圖1地磁場坐標系統(tǒng)地磁場強度一般用T來表示，它在X、Y、Z三個軸上投影分別為：北分量X，東分量Y，垂直分量Z。T在XOY平面上的投影稱為水平分量H，其方向指向磁北。H與x軸的夾角稱為磁偏角D，當H偏東時，D取正，反之取負。H與T的夾角稱為磁傾角I，T下侵時I取正，反之取負。上述X、Y、Z、H、T、D、I各量統(tǒng)稱為地磁要素，它們之間的關(guān)系如下：X=HcosD式1Y=HsinD式2Z=TsinI=HtgI式3H=TcosI式4T2=H2+Z2=X2+Y2+Z2式5分析這些關(guān)系可知，地磁要素中有各自獨立的三組：I、D、H；X、Y、Z；H、Z、D。如果知道其中一組，則其它各要素即可求得。在地磁絕對測量中通常測I、D、H三個要素。磁法勘探一般都是相對測量，地面磁法主要測Z的變化，有時也測H和T；航空磁測主要測定T的變化。2.2磁法勘探數(shù)據(jù)類型在磁法勘探中，實測磁場總是由正常磁場和磁異常兩部分組成。具體各部分磁場名稱和來源見表1。表1實測磁場的組成和來源名稱來源實測磁場正常磁場偶極子場內(nèi)源磁場非偶極子場內(nèi)源磁場磁異常區(qū)域異常分布范圍較大的深部磁性巖層或構(gòu)造引起的局部異常分布范圍較小的淺部巖、礦體或地質(zhì)構(gòu)造引起的在地面磁測中，主要測量磁測的垂直分量變化值Za，稱為垂直磁異常。即Za=Z-Z0式6式中Z為實測垂直磁場強度，Z0為正常垂直磁場強度。3磁測的野外工作方法3.1磁法勘探的精度分類磁法勘探一般分為普查、詳查和精測三種。測網(wǎng)密度由工作比例尺來決定。測線的布置原則是測線必須大致垂直構(gòu)造走向或地質(zhì)體長軸方向，對于近似等軸狀地質(zhì)體的勘探可采用方格網(wǎng)。密度要求一般要有2-3條線測線，每條測線要有3-5個點通過異常。磁測精度一般用均方誤差來衡量，我國磁測工作采用三級精度標準：高精度，均方誤差<5nT；中精度，均方誤差為6-15nT；低精度，均方誤差可大于15nT[9]。3.2地磁場的日變觀測在高精度磁測時需要設(shè)立日變觀測站，以便消除地磁場日變化和短周期擾動等影響，這是提高磁測質(zhì)量的一項重要措施。日變觀測站，必須設(shè)在正常場或平穩(wěn)場內(nèi)，溫差小、無外界磁干擾和地基穩(wěn)固的地方。高精度磁測時，日變站有效作用范圍一般為25km。3.3巖礦石磁性參數(shù)的測量測量巖礦石磁參數(shù)是磁法勘探必不可少的環(huán)節(jié)，在確定磁測任務(wù)時，要收集區(qū)內(nèi)外的磁參數(shù)資料，并測定一定數(shù)量的巖礦石磁參數(shù)，作為設(shè)計的依據(jù)。在施工階段，要在全測區(qū)內(nèi)采集和測定巖礦石標本，并通過統(tǒng)計整理求得各類巖礦石的磁參數(shù)。標本形狀盡可能為等軸狀(或立方體)，體積應(yīng)為10cm×10cm×10cm為宜。4數(shù)據(jù)處理與解譯4.1數(shù)據(jù)處理方法磁測取得的數(shù)據(jù)必須經(jīng)過整理，以求出磁性地質(zhì)體在各測點上產(chǎn)生的磁異常值。在強磁區(qū)工作時，只要算出測點相對于基點的磁場增量就可以認為是測點的異常值。在弱磁區(qū)工作時或精密磁測時，還要對計算的結(jié)果進行各種改正，具體改正項目見表2。表2磁測數(shù)據(jù)改正類型改正名稱改正目的日變改變消除地磁場日變對觀測的影響溫度改正消除因溫度改變引起的磁力儀性能改變而使讀數(shù)受到的影響零點改正消除因儀器性能不穩(wěn)所產(chǎn)生的零點漂移在磁測精度要求較低時，日變改變、溫度改正、零點改正可一并考慮，采用“混合改正”。測區(qū)較大時，還要進行緯度改正。另外磁異常的轉(zhuǎn)換處理是磁法勘探解釋理論的一個重要組成部分，目前磁異常的轉(zhuǎn)換處理主要有圓滑、劃分異常、磁異常的空間轉(zhuǎn)換、分量換算、導(dǎo)數(shù)換算、不同磁化方向之間的換算以及曲面上磁異常轉(zhuǎn)換等。最后將改正后的數(shù)據(jù)繪制成各種圖件，如剖面圖、剖面平面圖、等值線平面圖等，以供定性、定量解釋時使用。4.2數(shù)據(jù)解譯4.2.1幾種簡單形體的磁異常特征磁異常數(shù)據(jù)的解譯是一個反演的過程，即已知磁異常形狀來反推引起磁異常的地質(zhì)體的形態(tài)、分布特征等。因此，必須熟悉一些基本的簡單形體的磁異常特征，才有可能進行磁異常的解譯工作。下面簡要介紹柱狀體、球體、板狀體、脈狀體和接觸帶的磁異常特征。（1）柱狀體的Za曲線特征在自然界中的火山頸、筒狀體等均可看作為柱狀體。在北半球向北傾斜的柱狀體基本上都是順軸磁化，磁化方向由柱頂指向柱底，即柱頂為負磁極，柱底為正磁極，其他地方無磁極分布。當柱體截面積很小并向地下延深較大時，柱底正磁極在地表產(chǎn)生的磁場可以忽略，這時就相當于一個負點磁極產(chǎn)生的磁場。在通過它正上方的剖面上，Za曲線的特征為在柱頂上方出現(xiàn)Za極大值，曲線兩側(cè)對稱，且向兩側(cè)逐漸減小，遠處趨于零，但不出現(xiàn)負值。柱頂上方的Za平面等值線特征是以柱頂在地面投影為圓心的一系列同心圓。若柱體延伸有限或斜磁化時，Za曲線呈不對稱狀，且在傾斜一側(cè)，或在產(chǎn)生正磁荷的一側(cè)出現(xiàn)負值。（2）球體的Za曲線特征自然界中的囊狀體、透鏡體、充有磁性礦物的溶洞都可以近似看作為球體。一個均勻磁化球體的磁場等效于一個磁偶極子的磁場。垂直磁化的Za異常曲線呈對稱狀，極大值在球心正上，兩側(cè)逐漸減小，且出現(xiàn)負值，遠處趨于零。球頂上的平面Za等值線形狀是以球心在地面投影為圓心的一系列同心圓，中間部分為正值，外圍等值線為負值。斜磁化的Za異常曲線呈不對稱狀，兩側(cè)負值不相等，當磁化強度向右下傾斜時，Za極大值向左移，右側(cè)負值幅度較大。其等值線形狀傾斜側(cè)變密，另一側(cè)變疏。（3）板狀（脈狀）體的Za曲線特征自然界中的層狀體、脈狀體都可以近似地看作為板狀體。當板狀體的頂面埋深小于上頂面寬度時，為厚板，反之為薄板。薄板和厚板的磁場特征基本類似。當M的方向與層面平行時，稱為順層磁化，斜交時稱為斜磁化。當板狀體無限延深且順層磁化時，主剖面上Za曲線特征同單極的異常形態(tài)類似，只是異常梯度變緩，寬度增大。在平面上，Za等值線的形狀呈條帶狀。在斜磁化時，Za異常曲線呈不對稱狀。當板狀體傾角小于地磁場傾角時，Za曲線極大值向右偏移，左側(cè)出現(xiàn)負值。在等值線平面圖上，Za等值線呈具有一定走向的條帶狀，一側(cè)為正值，另一側(cè)為負值。（4）接觸帶的Za曲線特征垂直接觸帶走向的測線上，Za異常曲線的特征為在磁性巖層一側(cè)出現(xiàn)正值，且延續(xù)較長范圍，非磁性巖層一側(cè)出現(xiàn)負值。4.2.2定性解譯磁異常的形態(tài)受地質(zhì)體的形態(tài)、磁性強弱、產(chǎn)狀等影響。如果在等值線平面圖上磁異常沿某一方向延伸較遠，說明該磁性體為二度體，異常的長軸方向即為磁性地質(zhì)體的走向。當磁異常無明顯走向時，說磁性體可能為球、柱等二度體。磁性地質(zhì)體的規(guī)?？筛鶕?jù)異常范圍大致確定。在Za等值線平面圖上，如果發(fā)現(xiàn)在正異常周圍有負異常，一般為有限延伸的磁性地質(zhì)體引起；如果只在一側(cè)出現(xiàn)負值，則為無限延深斜磁化地質(zhì)體引起；如果在正異常周圍不出現(xiàn)負異常，則為順層磁化無限延深的地質(zhì)體。磁異常幅值的大小與地質(zhì)體的磁化強度成正比，且隨地質(zhì)體的體積增大而增加。當M和體積一定時，磁異常隨地質(zhì)體的埋深加大而減小，且曲線梯度小，異常范圍加寬。另外，根據(jù)磁異常等值線平面圖還可以圈定地質(zhì)體在地面投影位置。當Za曲線呈對稱狀時，高值帶一般出現(xiàn)在磁性地質(zhì)體正上方。當異常曲線不對稱時，極大值相對于地質(zhì)體中心有偏移，這是地質(zhì)體中心在地面的投影位于極大值和較小值之間。4.2.3定量解譯（1）特征點法該法主要用于簡單形體求解。對于無限延深順軸磁化的柱體，頂面埋深h有如下關(guān)系：x1/2=0.766h，式中x1/2為原點（極大值點）到半極值點距離。無限延深順層磁化的板狀體頂板埋深h則有：h=x1/2。水平圓柱中心埋深h為：h=x0，式中x0為極大值點到Za曲線零值點的距離。（2）切線法切線法為一種近似的經(jīng)驗方法。其特點是，方法精度不高但快速。具體做法是通過曲線極大值、極小值及曲線兩翼拐點分別做五條切線，如圖2所示。利用拐點切線與極值點切線交點的橫坐標來求磁性體埋深h，其關(guān)系式為h=0.5[0.5(x1-x2)+0.5(x3-x4)]式7式中x2、x3為極大值點切線與拐點切線交點的橫坐標；x1、x4分別為兩個較小值點切線與拐點切線交點的橫坐標。圖2切線法原理（3）選擇法該方法也稱理論曲線與實測曲線對比法。它是根據(jù)實測曲線和地質(zhì)資料分析，初步確定地下磁性體的產(chǎn)狀、體積及埋深，然后利用理論公式計算出其異常曲線，并用此理論曲線與實測曲線進行對比，如果兩曲線基本特征一致，說明原確定的磁性體參數(shù)符合實際情況；若差別較大，需要進一步修改有關(guān)參數(shù)，再計算理論曲線，再對比，以逐步逼近實測曲線，直至兩曲線吻合為止。此時假定的各種參數(shù)即為實測磁性體參數(shù)。在磁異常的解釋推斷中，還廣泛采用了磁異常數(shù)據(jù)處理方法，如磁異常的化極處理、上下延拓和線性濾波、求導(dǎo)等?？偨Y(jié)起來，磁法勘探的主要工作流程有：1磁場數(shù)據(jù)采集；2數(shù)據(jù)處理；3信息解譯、提?。ǘㄐ裕?；4半定量、定量解譯；5成果表達。5實例分析：建平某鐵礦深部探測5.1探測目的自上個世紀以來，我國利用地面高精度磁法勘查鐵礦的技術(shù)比較成熟，前人利用高精度磁法找礦成功的案例非常多。遼寧建平某鐵礦產(chǎn)于沉積變質(zhì)巖中，為了探尋深部礦體，增加資源儲量進行了高精度磁法探測。由于礦體以磁鐵石英巖為主，礦石品位高，主要礦石礦物為磁鐵礦，磁性強。圍巖主要為綠泥石片巖，磁性較弱。礦體與圍巖存在明顯的磁性差異，因此在該區(qū)選用高精度磁法尋找深部隱伏礦體具備較好的地球物理前提。5.2測網(wǎng)布設(shè)根據(jù)現(xiàn)場情況，共布置34條測線，測線走向大致可分為南北向和北東向兩大類。測線距10米，測點距10米，共完成高精度磁法剖面3370米，探測點405個。5.3探測結(jié)果為了使異常更為明顯，對磁異常進行化極處理[10]。圖3為整個區(qū)域的磁異常△T等值線平面圖，磁場背景值T0取54454nT，在圖中存在4個高磁異常區(qū)，分別為A、B、C、D區(qū)。實測中A區(qū)域最高異常值在55500nT左右，則異常值△T最大值為1000nT左右；B區(qū)域最高異常值在60000nT左右，則異常值△T最大值為5500nT左右；C區(qū)域最高異常值在60800nT左右，則磁異?！鱐最大值為6300nT左右；D區(qū)域最高異常值在56200nT左右，則磁異常△T最大值為1700nT左右。為了消除地表以及近地表淺層磁性體的干擾，壓制淺部異常，突出深部異常，進行了不同高度的向上延拓處理[11]。圖4為整個區(qū)域的磁異?！鱐上延25米的等值線平面圖，上延后A區(qū)△T異常最高值為640nT，B區(qū)△T異常值最高值為880nT，C區(qū)△T異常值最高值為800nT，D區(qū)△T異常值最高值為800nT。上延25米后A區(qū)域磁異?！鱐的高值異常在圖4中更加明顯，且其高值異常區(qū)范圍較圖3中有所增大，表明A區(qū)域的高磁異常是由深部地質(zhì)體引起的。上延25米后B、C、D區(qū)域的高磁異常區(qū)連為一個整體，為一個約呈北偏東60度的高磁異常帶。結(jié)合野外測定的礦體露頭的產(chǎn)狀（走向北偏東62度，傾向南東，傾角80度），以及高磁異常分布情況，推測B、C、D區(qū)域位于一個連續(xù)的礦帶中。上延25米后B區(qū)域磁異?！鱐的高值區(qū)范圍較圖3中變化不大，但在圖4中△T最高值位于B區(qū)域中，表明B區(qū)域的礦體向下有一定的延伸范圍。上延25米后C區(qū)域的磁異常值△T高值區(qū)范圍顯著變小，說明C區(qū)域的異常為淺部因素引起的。上延25米后D區(qū)域的磁異常值△T較圖3中變化不大，比較穩(wěn)定，有一定的見礦潛力。因此為了增加礦山資源儲量，需要在A、D區(qū)域繼續(xù)開展探礦工作。圖3磁異常△T等值線平面圖圖4上延25米后磁異?！鱐等值線平面圖參考文獻[1]陳仲