高精度磁法在矿产勘查中的应用

高精度磁法在矿产勘查中的应用摘要磁法勘探在大地构造识别和磁性矿体寻找方面有独到的优势，已经成为一种重要的地球物理勘探手段。本文主要介绍磁法勘探的基本原理，磁测数据的处理，磁性异常的解译等方面，结合实例论述高精度磁法在矿产勘查中的作用。1前言

磁法勘探是通过观测和分析由岩石和矿物等所引起的磁异常，进而研究地质构造和矿产资源的分布规律的一种地球物理方法。磁法勘探除了在大地构造和寻找磁性矿体方面有独到的优势，在探测地下热源、含水破碎带、地下管道、地下电缆、沉船等方面也取得了良好的效果[1]。磁法勘探具有轻便易行，效率高，成本低；工作领域广，不受地域限制，应用范围广的优点，因此是发展最早，应用广泛的一种地球物理勘探方法[2]。

1640年，瑞典人使用罗盘寻找磁铁矿揭开了人类磁法找矿的序幕[2]。1870年，瑞典人Thalen和Tiberg制造了万能磁力仪，磁法勘探作为一种地球物理方法得到了发展[3]。20世纪30年代，磁法勘探开始应用于我国的地质找矿试验工作，此后随着地质工作的不断深入开展以及现代数学物理理论与计算机科学的迅速发展，促进了磁法勘探的发展。由于磁法能在地面、海洋、空中以及卫星获取大量观测数据，可以提供莫霍面以上深部构造的大量信息，从而为大地构造分区、矿产资源的勘查以及基础地质研究提供重要的地球物理依据；另外在矿产勘查中应用磁法直接寻找磁铁矿及其共生的磁性矿产工作起到了其它方法不可替代的作用[4]。

随着国民经济对资源需求的增大以及地表矿产的日益减少，寻找隐伏矿床已经成为当前矿产预测工作的重要任务。自上个世纪以来，我国利用地面高精度磁法勘查铁矿的技术比较成熟，前人利用高精度磁法找矿成功的案例非常多[5,6,7]。本文主要介绍磁法勘探的原理、数据处理解译方法，讨论高精度磁法在矿产勘查中的效果。

2磁法勘探原理

2.1磁法勘探的物质基础

地球表面各处都有Z a磁场的存在为磁法勘探提供了物质基础[8]，而且地磁场

在地球表面的分布是有规律的，它相当于一个位于地心的磁偶极子的磁场，S极位于地理北极附近，N极位于地理南极附近，地磁轴和地理轴有一偏角。

为了研究空间某点的地磁场强度，通常选用直角坐标系统，其原点O选在观测点上，XOY平面为水平面，X轴指向地理北方，Y轴指向地理东方，Z轴垂直向下，如图1所示。

图1 地磁场坐标系统

地磁场强度一般用T来表示，它在X、Y、Z三个轴上投影分别为：北分量X，东分量Y，垂直分量Z。T在XOY平面上的投影称为水平分量H，其方向指向磁北。H与x轴的夹角称为磁偏角D，当H偏东时，D取正，反之取负。H 与T的夹角称为磁倾角I，T下侵时I取正，反之取负。上述X、Y、Z、H、T、D、I各量统称为地磁要素，它们之间的关系如下：

X=HcosD 式1

Y=HsinD 式2

Z=TsinI=HtgI 式3

H=TcosI 式4

T2=H2+Z2=X2+Y2+Z2 式5 分析这些关系可知，地磁要素中有各自独立的三组：I、D、H；X、Y、Z；

H、Z、D。如果知道其中一组，则其它各要素即可求得。在地磁绝对测量中通常测I、D、H三个要素。磁法勘探一般都是相对测量，地面磁法主要测Z的变化，

有时也测H和T；航空磁测主要测定T的变化。

2.2磁法勘探数据类型

在磁法勘探中，实测磁场总是由正常磁场和磁异常两部分组成。具体各部分磁场名称和来源见表1。

表1 实测磁场的组成和来源

在地面磁测中，主要测量磁测的垂直分量变化值Za，称为垂直磁异常。即

Za=Z-Z0式6 式中Z为实测垂直磁场强度，Z0为正常垂直磁场强度。

3磁测的野外工作方法

3.1磁法勘探的精度分类

磁法勘探一般分为普查、详查和精测三种。测网密度由工作比例尺来决定。测线的布置原则是测线必须大致垂直构造走向或地质体长轴方向，对于近似等轴状地质体的勘探可采用方格网。密度要求一般要有2-3条线测线，每条测线要有3-5个点通过异常。

磁测精度一般用均方误差来衡量，我国磁测工作采用三级精度标准：高精度，均方误差<5nT；中精度，均方误差为6-15nT；低精度，均方误差可大于15nT[9]。

3.2地磁场的日变观测

在高精度磁测时需要设立日变观测站，以便消除地磁场日变化和短周期扰动等影响，这是提高磁测质量的一项重要措施。

日变观测站，必须设在正常场或平稳场内，温差小、无外界磁干扰和地基稳固的地方。高精度磁测时，日变站有效作用范围一般为25km。

3.3岩矿石磁性参数的测量

测量岩矿石磁参数是磁法勘探必不可少的环节，在确定磁测任务时，要收集区内外的磁参数资料，并测定一定数量的岩矿石磁参数，作为设计的依据。在施工阶段，要在全测区内采集和测定岩矿石标本，并通过统计整理求得各类岩矿石的磁参数。

标本形状尽可能为等轴状(或立方体)，体积应为10cm×10cm×10cm为宜。4数据处理与解译

4.1数据处理方法

磁测取得的数据必须经过整理，以求出磁性地质体在各测点上产生的磁异常值。在强磁区工作时，只要算出测点相对于基点的磁场增量就可以认为是测点的异常值。在弱磁区工作时或精密磁测时，还要对计算的结果进行各种改正，具体改正项目见表2。

表2 磁测数据改正类型

在磁测精度要求较低时，日变改变、温度改正、零点改正可一并考虑，采用“混合改正”。测区较大时，还要进行纬度改正。

另外磁异常的转换处理是磁法勘探解释理论的一个重要组成部分，目前磁异常的转换处理主要有圆滑、划分异常、磁异常的空间转换、分量换算、导数换算、不同磁化方向之间的换算以及曲面上磁异常转换等。

最后将改正后的数据绘制成各种图件，如剖面图、剖面平面图、等值线平面图等，以供定性、定量解释时使用。

4.2数据解译

4.2.1几种简单形体的磁异常特征

磁异常数据的解译是一个反演的过程，即已知磁异常形状来反推引起磁异常的地质体的形态、分布特征等。因此，必须熟悉一些基本的简单形体的磁异常特

征，才有可能进行磁异常的解译工作。下面简要介绍柱状体、球体、板状体、脉状体和接触带的磁异常特征。

（1）柱状体的Za曲线特征

在自然界中的火山颈、筒状体等均可看作为柱状体。在北半球向北倾斜的柱状体基本上都是顺轴磁化，磁化方向由柱顶指向柱底，即柱顶为负磁极，柱底为正磁极，其他地方无磁极分布。当柱体截面积很小并向地下延深较大时，柱底正磁极在地表产生的磁场可以忽略，这时就相当于一个负点磁极产生的磁场。在通过它正上方的剖面上，Za曲线的特征为在柱顶上方出现Za极大值，曲线两侧对称，且向两侧逐渐减小，远处趋于零，但不出现负值。柱顶上方的Za平面等值线特征是以柱顶在地面投影为圆心的一系列同心圆。若柱体延伸有限或斜磁化时，Za曲线呈不对称状，且在倾斜一侧，或在产生正磁荷的一侧出现负值。

（2）球体的Za曲线特征

自然界中的囊状体、透镜体、充有磁性矿物的溶洞都可以近似看作为球体。一个均匀磁化球体的磁场等效于一个磁偶极子的磁场。垂直磁化的Za异常曲线呈对称状，极大值在球心正上，两侧逐渐减小，且出现负值，远处趋于零。球顶上的平面Za等值线形状是以球心在地面投影为圆心的一系列同心圆，中间部分为正值，外围等值线为负值。斜磁化的Za异常曲线呈不对称状，两侧负值不相等，当磁化强度向右下倾斜时，Za极大值向左移，右侧负值幅度较大。其等值线形状倾斜侧变密，另一侧变疏。

（3）板状（脉状）体的Za曲线特征

自然界中的层状体、脉状体都可以近似地看作为板状体。当板状体的顶面埋深小于上顶面宽度时，为厚板，反之为薄板。薄板和厚板的磁场特征基本类似。当M的方向与层面平行时，称为顺层磁化，斜交时称为斜磁化。

当板状体无限延深且顺层磁化时，主剖面上Za曲线特征同单极的异常形态类似，只是异常梯度变缓，宽度增大。在平面上，Za等值线的形状呈条带状。在斜磁化时，Za异常曲线呈不对称状。当板状体倾角小于地磁场倾角时，Za曲线极大值向右偏移，左侧出现负值。在等值线平面图上，Za等值线呈具有一定走向的条带状，一侧为正值，另一侧为负值。

（4）接触带的Za曲线特征

垂直接触带走向的测线上，Za异常曲线的特征为在磁性岩层一侧出现正值，且延续较长范围，非磁性岩层一侧出现负值。

4.2.2定性解译

磁异常的形态受地质体的形态、磁性强弱、产状等影响。如果在等值线平面图上磁异常沿某一方向延伸较远，说明该磁性体为二度体，异常的长轴方向即为磁性地质体的走向。当磁异常无明显走向时，说磁性体可能为球、柱等二度体。磁性地质体的规模可根据异常范围大致确定。

在Za等值线平面图上，如果发现在正异常周围有负异常，一般为有限延伸的磁性地质体引起；如果只在一侧出现负值，则为无限延深斜磁化地质体引起；如果在正异常周围不出现负异常，则为顺层磁化无限延深的地质体。

磁异常幅值的大小与地质体的磁化强度成正比，且随地质体的体积增大而增加。当M和体积一定时，磁异常随地质体的埋深加大而减小，且曲线梯度小，异常范围加宽。

另外，根据磁异常等值线平面图还可以圈定地质体在地面投影位置。当Za 曲线呈对称状时，高值带一般出现在磁性地质体正上方。当异常曲线不对称时，极大值相对于地质体中心有偏移，这是地质体中心在地面的投影位于极大值和较小值之间。

4.2.3定量解译

（1）特征点法

该法主要用于简单形体求解。对于无限延深顺轴磁化的柱体，顶面埋深h 有如下关系：x1/2=0.766h，式中x1/2为原点（极大值点）到半极值点距离。

无限延深顺层磁化的板状体顶板埋深h则有：h= x1/2。

水平圆柱中心埋深h为：h=x0，式中x0为极大值点到Za曲线零值点的距离。

（2）切线法

切线法为一种近似的经验方法。其特点是，方法精度不高但快速。具体做法是通过曲线极大值、极小值及曲线两翼拐点分别做五条切线，如图2所示。利用拐点切线与极值点切线交点的横坐标来求磁性体埋深h，其关系式为

h=0.5[0.5(x1-x2)+0.5(x3-x4)] 式7 式中x2、x3为极大值点切线与拐点切线交点的横坐标；x1、x4分别为两个较

小值点切线与拐点切线交点的横坐标。

图2 切线法原理

（3）选择法

该方法也称理论曲线与实测曲线对比法。它是根据实测曲线和地质资料分析，初步确定地下磁性体的产状、体积及埋深，然后利用理论公式计算出其异常曲线，并用此理论曲线与实测曲线进行对比，如果两曲线基本特征一致，说明原确定的磁性体参数符合实际情况；若差别较大，需要进一步修改有关参数，再计算理论曲线，再对比，以逐步逼近实测曲线，直至两曲线吻合为止。此时假定的各种参数即为实测磁性体参数。

在磁异常的解释推断中，还广泛采用了磁异常数据处理方法，如磁异常的化极处理、上下延拓和线性滤波、求导等。

总结起来，磁法勘探的主要工作流程有：1磁场数据采集；2数据处理；3信息解译、提取（定性）；4半定量、定量解译；5成果表达。

5实例分析：建平某铁矿深部探测

5.1探测目的

自上个世纪以来，我国利用地面高精度磁法勘查铁矿的技术比较成熟，前人利用高精度磁法找矿成功的案例非常多。辽宁建平某铁矿产于沉积变质岩中，为了探寻深部矿体，增加资源储量进行了高精度磁法探测。由于矿体以磁铁石英岩为主，矿石品位高，主要矿石矿物为磁铁矿，磁性强。围岩主要为绿泥石片岩，磁性较弱。矿体与围岩存在明显的磁性差异，因此在该区选用高精度磁法寻找深

部隐伏矿体具备较好的地球物理前提。

5.2测网布设

根据现场情况，共布置34条测线，测线走向大致可分为南北向和北东向两大类。测线距10米，测点距10米，共完成高精度磁法剖面3370米，探测点405个。

5.3探测结果

为了使异常更为明显，对磁异常进行化极处理[10]。图3为整个区域的磁异常△T等值线平面图，磁场背景值T0取54454nT，在图中存在4个高磁异常区，分别为A、B、C、D区。实测中A区域最高异常值在55500nT左右，则异常值△T最大值为1000nT左右；B区域最高异常值在60000nT左右，则异常值△T 最大值为5500nT左右；C区域最高异常值在60800nT左右，则磁异常△T最大值为6300nT左右；D区域最高异常值在56200nT左右，则磁异常△T最大值为1700nT左右。

为了消除地表以及近地表浅层磁性体的干扰，压制浅部异常，突出深部异常，进行了不同高度的向上延拓处理[11]。图4为整个区域的磁异常△T上延25米的等值线平面图，上延后A区△T异常最高值为640nT，B区△T异常值最高值为880nT，C区△T异常值最高值为800nT，D区△T异常值最高值为800nT。

上延25米后A区域磁异常△T的高值异常在图4中更加明显，且其高值异常区范围较图3中有所增大，表明A区域的高磁异常是由深部地质体引起的。上延25米后B、C、D区域的高磁异常区连为一个整体，为一个约呈北偏东60度的高磁异常带。结合野外测定的矿体露头的产状（走向北偏东62度，倾向南东，倾角80度），以及高磁异常分布情况，推测B、C、D区域位于一个连续的矿带中。

上延25米后B区域磁异常△T的高值区范围较图3中变化不大，但在图4中△T最高值位于B区域中，表明B区域的矿体向下有一定的延伸范围。上延25米后C区域的磁异常值△T高值区范围显著变小，说明C区域的异常为浅部因素引起的。上延25米后D区域的磁异常值△T较图3中变化不大，比较稳定，有一定的见矿潜力。因此为了增加矿山资源储量，需要在A、D区域继续开展探矿工作。

图3 磁异常△T等值线平面图

图4 上延25米后磁异常△T等值线平面图

参考文献

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