磁异常解释中的剩余磁化问题

矿矿石结晶颗粒大, 多为多畴结构。因此, 岩石中只 要含有少量具有 SD 和 PSD 结构的磁铁矿颗粒, 其 剩余磁化就可能与磁铁矿矿石的磁化 ( Ii 加 Ir ) 相 当。我们可以说, 火山岩以剩磁为主, 磁铁矿矿石以 感磁为主。国内有的地质找矿专家也有这种认识。
文献 [ 6] 的作者总结了 20世 纪与磁异常地质 解释有关的岩石磁学研究成果, 既有基本理论的阐 述, 又有大量表示研究成果和实际数据的图表, 文中 地球物理与地质结合紧密。笔者建议从事磁异常解 释的物探工作者和地质工作者, 仔细研读这篇文章, 可能对工作和学习有所帮助。
2 强磁性火山岩的磁性与磁铁矿矿石磁性 相当
洋壳和陆壳岩石中普遍存在剩余磁化。 20 世 纪五六十年代各国大规模进行航空磁测, 发现了一 些幅度达数千纳特的异常, 打钻验证, 有一些没有见 到磁铁矿矿体, 见到的是具有强剩余磁化的火山岩。 国外有这种情况, 国内也有这种情况。
在我国大、小兴安岭地区, 广泛分布许多类型的 火山岩, 有的磁性很强, 如玄武岩, Ir = 25 A /m, Q = 25。特别令人惊奇的是, 有的酸性火山岩, 流纹斑岩 和玄武岩, 磁性一样强, Ir = 25 A /m, Q = 25, 而其磁 铁 矿的 含量只有 1% 上下。在 大、小兴安岭地 区执
通常按经验法则说, 岩石的磁化率取决于磁性 铁矿 (主要是磁铁矿 )的含量。火 成岩的磁性由酸 性岩石到基性 岩石逐渐增 强, 侵入 岩的 Q 值 低, Q 值在 1上下, 喷出岩的 Q 值高, 特别是玄武岩, 其最 高的 Q 值接近 100; 沉积岩的磁性很弱。以上说的 是一般情况, 也有许多例外的情况, 因此特别注意要 具体情况具体分析, 分别对待。
测。在两处火山岩地区, 在异常场和正常场上两条 地磁场随时间变化曲线完全 一致, 没 有什么差别。 另外两 处是磁性铁矿体: 一处 磁化率为 4∀ # 0. 06 S I, Q 为 0. 06~ 0. 7; 一处磁化率为 4∀ # 0. 1 SI。在 两处磁铁矿体地区, 在异常场和正常场上两条地磁 场随时间变化曲线有明显的差别, 对于 Pc3微扰, 幅 度的差别一处达 0. 035, 一处达 0. 2。 P c3微扰的特 点: 幅度约 0. 5 ~ 1 nT, 随着地磁纬度增加, 幅度变 大; 周期范围 10~ 45 s; 持续时间几小时, 白天特别 是地方时中午出现。此外, 如果用人工交变磁场作 用于上述 具有感 应磁化 的磁 性体 上方, 也会 产生
目前, 国内有几个地方对于低缓磁 异常 ( 深部 磁性体引起的磁异常 ) 进行深钻验证, 见到了磁铁 矿体, 获得了可喜的成果。但是, 上面提到的历史经 验值得注意。过去, 将浅部强磁性火山岩引起的磁 异常当作磁铁矿体引起的磁异常, 钻探落空, 现在, 对于一个由深部磁性体引起的磁异常, 也应该慎重 考虑它可能是磁铁矿体引起的, 也可能是强磁性火 山岩引起的。因此, 如何区分 矿 与 非矿 异常这 个老问题, 仍然是一个值得注意, 需要研究的问题。
我国磁铁矿 矿石磁铁矿的铁含量大约为 30% ~ 40% , 磁铁矿矿石一般以感应磁化 Ii 为主。Ii 的 数值在 ( 10~ 100) A /m 范围内, 与其他国 家 (如澳 大利亚 ) 的铁矿相比, 磁性不算很强。磁铁矿矿石 的 Q 值在 0. 1~ 0. 8之间, 个别情况 Q > 1[ 5] 。
20世纪 60年代初, 光泵磁力仪刚研制出样机, 美国地球物理学家 S. H. W ard和研制仪器厂家的人 员利用两台铷光泵磁力仪, 分辨力约 0. 01 nT, 在一 个小型致密块状磁铁矿体露头附近, 一台放在磁异 常处, 一台放在正常场处, 同时观测地磁场的短周期 微扰, 发现周期为 20~ 30 s的微扰, 在磁异常处记 录到的幅度要比在正常场处记录到的大 30% 以上。 这一观测结果说明, 在铁磁性矿体附近, 发生了微扰 的磁 放 大 现象 [ 12] 。接着, N. E. G oldste in 和 S. H. W ard在美国西部 4个磁异常区进行了观测和研 究。两处有火山岩分布: 一处为火山玻璃, 剩余磁化 大约为 200 A /m; 另一处为熔结凝灰岩。分别在两 处异常场和正常场上设置铷光泵磁力仪进行同步观
4 一种值得进行试验研究的区分 Ii 与 Ir 的 方法
苏联地磁学家 ∀ ! ∀ 扬诺夫于 1936年发表 了一篇论 文, 题 目 是 地 磁 要素 在 异常 场 中的 变 化 。扬氏指出, 在地磁场中产生的磁异常, 其磁场 源 ( 磁性体 ) 的感应磁化与作为磁化磁场的地磁场 成比例, 当地磁场发生变化时, 磁异常也会随之而变 化。因此, 在磁异常处地磁要素的变化与正常场处
摘 要: 磁铁矿矿石与强磁性火山岩磁性有明显的差别, 前者以感应磁化为主, 后者以剩 余磁化为主。推荐一种利用
地磁场变化磁场确定磁 异常源磁性特征的方法, 评论了几种涉及由剩余磁化 引起的磁异常的解释方法。
关键词: 岩石与矿石的磁性; 区分 感磁和剩磁; Z ietz A ndreasen方法; 赫耳比希矩法; L eli v re O ldenburg 方法
1 感应磁化与剩余磁化
磁化强度 I由感应磁化 Ii 与剩余磁化 Ir 合成: I = Ii + Ir, I、Ii 和 Ir 都是矢量。 Ii = ∣ H ∣, 是磁 化率, 是一个常数, H 是外磁场 或磁化磁场。当 H 存在时, 才产生 Ii, 当 H 消失时, Ii 随之消失。由此 容易理解, 当 H 变化时, Ii 也随之而变化。 Ir 是外 磁场消失 后磁化 强度残 留的 部分, 它 不受弱 磁场 (如地磁场这样的磁场 )的影响, 持久保留。 Ir 记录 了磁性矿物形成时地 磁场的方向, 可以说是 磁化 石 。对 Ir这种类型的磁化的研究, 创建了一门新
第 35卷第 1期 2011年 2月
物探与化探
GEOPHY SICA L & GEOCHEM ICAL EX PLORAT ION
Vo .l 35, N o. 1 F eb. , 2011
磁异常解释中的剩余磁化问题
张昌达 1, 董浩斌2
( 1. 中国地质大学 地球物理与空间信息学院, 湖北 武汉 430074; 2. 中国地质大学 机械与电子信 息学院, 湖北 武汉 430074 )
半个世纪以来, 勘探地球物理学家一直在探讨 判断、估算或反演剩余磁化方向的方法。起初采用 定性的或半经验的方法, 进而采用多种先进的定量 方法。在研究反演问题时, 由不考虑剩磁到把磁化 矢量当作未知数进行反演。由于越来越多的勘探地 球物理学家意识到剩磁这个问题的重要性, 特别是 近 10年来, 许多科学家投入了这方面的研究工作, 掀起了一个小高潮。
3 火山岩与磁铁矿矿石磁性的差别
由以上提到的情况看到, 一个地区的基性火山 岩的磁性与酸性火山岩的磁性相同; 不同地域的同 一类岩石, 磁性不同; 但磁铁矿含量相差悬殊的岩石 与矿石的磁化强度有时却可以相当。这由于决定岩 石磁性的因素很多, 机制很复杂, 不能按经验法则来 估计岩石的磁性, 也不能把在某一地区得到的磁异 常与地质单元的相关关系引用到另一地区, 应该深 入了解决定岩石矿石磁化强度的诸因素, 从实际情 况出发, 大量测定岩石标本的磁性, 或根据磁力异常 估算出磁性体的总体磁性, 作为解释工作的基础资 料, 还应该对岩石磁学有比较深入的了解。
中图分类号: P 631
文献标识码: A
文章编号: 1000- 8918( 2011) 01- 0001- 06
通过判断、估算或反演, 求得剩余磁化的方向具 有重要的意义。笔者将在下面论证: 其一, 磁铁矿矿 体的磁异常主要由感应磁化引起, 而火山岩磁异常 主要由剩余磁化引起, 如果判定磁异常是由剩余磁 化引起, 则这个异常就不应作为勘探铁矿的对象; 其 二, 许多反演方法和处理方法 ( 如化向磁极处理 RT P) , 需要知道研究区地磁场的方向; 其三, 在不能 采集标本来测定剩磁时, 由磁异常求得剩余磁化方 向, 可为古地磁研究提供重要的数据。
磁铁矿是一种亚铁磁性的矿物。法国物理学家 路易. 奈 耳 ( Lou is N e l) 建 立和 发 展了 反 铁磁 性 ( 1932) 、亚铁磁性 ( 1948) 和超反铁磁性 ( 1961) 的分 子场理论, 在岩石磁性、磁畴和畴壁的理论等领域也 都有突出贡献。他在 1955年发表的长篇论文 ! ! !
1期
张昌达等: 磁异常解释中的剩余磁化问题
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地磁要素随时间的变化就有差异或畸变。太阳静日 变化 Sq、磁暴和 微扰会 引起这 种效应。扬氏 最先 ( 1938年 )利用地磁场随时间的变化来区分磁异常 是剩余磁化或感应磁 化引起的。他 在含铁石英岩 ( 库尔斯克磁异常 ) 附近观测到地磁场日变和其他 长周期变化幅度非常 之大。当时仪 器的灵敏度不
以流纹斑岩和磁铁矿矿石为例。按岩石磁学的 有关理论, 若岩石中含有不多的磁性矿物, 且主要是 磁铁矿, 岩石的磁性主要反映磁性矿物的微结构, 特 别是磁畴状态、颗粒大小和形状等因素。当磁铁矿 颗粒大小为 0. 05~ 1 m 时, 具有单 ( 磁 ) 畴 ( sing le dom a in, SD) 特征, 磁化是 均匀的朝着一个 方向, 因 此磁 性 最 强。颗 粒 大 于 20 m 时, 显 示 为多 畴 ( m u ltidom a in, MD) 结构, 颗粒中包含许多磁畴, 磁畴 的磁化方向各不相同。大于 1 m、小于 20 m 的颗 粒具有介于 SD 和 MD 颗粒 之间的性质, 称为膺单 畴 ( pseudosingle dom ain, PSD) 颗粒。单畴磁铁矿的 磁化强度比多畴结构磁铁矿的磁化强度大 2、3个数 量级。当岩石从高温经过居里点达到常温时, SD和 几微米大小的 PSD 颗粒能够获得稳定的很强的剩 余磁化 ( TRM ) , 比 MD颗粒所能获得的要大几个数 量级, 而且 Q 值很高。火山喷发时岩浆急剧冷却, 结晶颗粒细小, 磁铁矿多为单畴、膺单畴结构; 磁铁
收稿日期: 2010- 01- 29 基金项目: 863 项目 ( 2007AA 12Z129) 资助
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物探与化探
35 卷
行航空磁测, 飞行 高度 100 m, 磁异 常最 高可达 5 000 nT, 一般都有 3 000~ 4 000 nT, 与有名的鞍山铁 矿上空磁异常幅度相仿。有幅度很大的正异常, 有 幅度很大的负异常, 也有幅度很大的正负交替的异 常。在多处打钻验证未见铁矿, 后经研究确认磁异 常是各类火山岩引起 [ 1 - 3 ] 。在国内外其他地方也有 类似情况。美国许多地方有一种长英质凝灰岩 ( fe l sic ash flow tuffs) 也具有很强 的剩余磁化 [ 4] 。岩石 磁性的变化很大, 大、小兴安岭地区酸性火山岩磁性 很强, 我国南方有的地方的酸性火山岩磁性却很弱。
的重要的学科 ! ! ! 古地磁学。 两种磁化的比值 Q 称为柯尼希斯贝格比 ( Koe
n igsberger ( K nigsberger) rat io)Q = ∣ Ir ∣ /∣ Ii ∣。 柯氏比 Q 衡量感应磁化和剩余磁化的相对大小, Q 值小于 1表示以感应磁化为主, Q 值大于 1表示以 剩余磁化为主。剩来自百度文库磁化受岩石中磁铁矿的颗粒大 小 (是单畴颗粒还是多畴颗粒 )、形状和结构的影响 非常之大。
关于岩石磁学的若干理论见解 是岩石磁学的奠 基之作 [ 7] 。由于在反铁磁性和铁氧体磁性 ( 亚铁磁 性 ) 方面的基础研究, 路易 ∀ 奈耳获得了 1970年诺 贝尔物理学奖。路易 ∀ 奈耳是其研究成果直接与地 球物理学有关的两位同时获得诺贝尔物理学奖的科 学家, 另一位是瑞 典学者汉内斯 ∀ 阿尔文 ( H annes A lfv n) , 阿尔文的贡献是在磁流体力学方面。当铁 磁性物质在温度超过某一特定温度时, 铁磁性消失, 变成顺磁性物质, 这个特定温度称为居里点; 当反铁 磁性物质在温度超过某一特定温度时, 反铁磁性消 失, 变成顺磁性物质, 这个特定温度称为奈耳点。
高, 但仍能显 示: 在 已知的磁 化率很高 的 ( 感磁为 主 ) 岩石引起的磁异常附近, 可以观测到地磁场随 时间变化异常大的幅度; 而在剩余磁化很强的岩石 附近, 则观测不到地磁 场随时间变化 的幅度异常。 20世纪 70年代, 苏联地球物理学家在这方面还做 了一些工作 [ 8- 10 ] [ 11 ] 102- 104。