① 磁法勘探
(一)磁法勘探方法簡介
磁法勘探是利用地殼內各種岩(礦)石間的磁性差異所引起的磁場變化(磁異常)來尋找有用礦產資源和查明地下地質構造的一種物探方法。應用磁法勘探在研究大地構造、了解基底起伏、圈定火成岩體和尋找含水破碎帶等方面均取得了良好的效果,廣泛地應用於地熱資源勘探中。
1.地磁場
在地球上任何一處,懸掛的磁針都會停止在一定的方位上,這說明地球表面各處都有磁場存在,這個磁場被稱為地磁場。地磁場在地球表面的分布是有規律的,它相當於一個位於地心的磁偶極子的磁場,S極位於地理北極附近,N極位於地理南極附近,地磁軸和地理軸有一偏角,常稱為磁偏角。
為了研究空間某點的地磁場強度,通常選用直角坐標系統,其原點O選在觀測點上,xoy平面為水平面,X軸指向為地理北方,Y軸指向為地理東方,Z軸垂直向下。
地磁強度一般用T表示,它在X,Y,Z3個軸上的投影分量分別為: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。地磁場各分量的方向與坐標軸方向一致時取正,反之取負。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下傾時I取正,反之取負。上述X,Y,Z,H,T,D,I各量統稱為地磁要素,它們之間的關系如下:
沉積盆地型地熱田勘查開發與利用
分析這些關系可知,地磁要素中有各自獨立的3組:I,D,H;X,Y,Z;H,Z,D。如果知道其中一組,則其他各要素即可求得。在地磁絕對測量中通常測I,D,H3個要素。磁法勘探一般都是相對測量,地面磁測主要測Z的變化,有時也測H和T;航空磁測主要測定T的變化。
描述磁場的單位,在國際單位制中為特斯拉(T),在磁法勘探中常用它的十億分之一為單位,稱為納特(nT),即1nT=10-9T。
2.磁異常
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。其中正常磁場又由地磁場的偶極子場和非偶極子場(大陸磁場)組成。而磁異常則是地下岩、礦體或地質構造受地磁場磁化後,在其周圍空間形成,並疊加在地磁場上的次生磁場。其中含分布范圍較大的深部磁性岩層或構造引起的部分,成為區域異常;而由分布范圍較小的淺部岩、礦體或地質構造引起的部分,稱為局部異常。
如實測磁場為T,正常磁場為T0,則磁異常Ta可表示為
Ta=T-T0 3-5
在航空磁測中,大多測量地磁場總強度T和正常磁場強度T0的模數差ΔT,即
ΔT=|T|-|T0| 3-6
在地面磁測中,主要測量磁場的垂直分量變化值Za,稱為垂直磁異常,即
Za=Z-Z03-7
式中:Z為實測垂直磁場強度;Z0為正常垂直磁場強度。
3.岩(礦)石的磁性
自然界的各種岩石具有不同的磁性,即使同種岩石,由於礦物成分、結構特點不同,其磁性也不相同。岩石之間的磁性差異是磁法勘探的物理基礎。
岩石的磁性由磁化率和磁化強度表示。磁化率M表示單位體積所具有的磁矩,岩石的磁化強度分為兩部分,即
M=Mi+Mr 3-8
式中:Mi為感應磁化強度,表示各種岩石在現代地磁場的磁化下所具有的磁性,Mi主要決定於岩石的磁化率(k)和地磁場強度(T),其關系式為
Mi=kT 3-9
Mr為剩餘磁化強度,表示各種岩石在地質歷史條件下被古地磁場磁化所保留下來的磁性。Mr基本上不受現代磁場的影響而保持著其固有的數值和方向。古地磁學研究證明,幾乎所有的火成岩和大部分陸屑沉積岩都具有剩餘磁化強度。
(二)盆地磁性特徵
華北盆地天津地區從太古宇結晶基底到第四系蓋層,都存在著縱向及橫向的磁性差。反映在磁場圖上,是區域背景值的相對升高或降低,曲線的平緩或密集,局部異常的大小,強弱及展布方向特點。這種反映正是磁異常解釋的依據。
根據有關物探資料,天津及周邊地區地層磁性參數見表3-2。
表3-2 天津周邊地區地層磁性參數
由表可見,天津及周邊區域地層磁性具有如下特徵。
在整個地層序列中,磁性呈相對的漸變過渡,以奧陶系為磁性的最低點,向老地層或新地層方向逐漸增高,而侏羅系的磁性表現出突變的性質。
根據磁性強弱將本區自上而下劃分為4個磁性層。
頂部弱磁性層,對應於新生界的粉砂、粘土、泥岩、砂質泥岩和中生界侏羅系砂礫岩、細砂岩。
中部強磁性層,對應中生界侏羅系的火山碎屑岩。
中部弱磁性層,對應古生界泥岩、灰岩、砂岩。
底部強磁性層,對應元古宇白雲岩和太古宇片麻岩、麻粒岩等。
磁力勘探結果是利用不同岩層磁性強弱首先作出磁力異常圖,對等異常曲線的形狀加以分析,推測得出一定的地質結論。
1)查明斷裂。異常表現為以下幾種形態。連續的正異常:在剖平圖上表現為連續的正異常帶,在平面上等值線則表現為有一定長度的梯度密集帶。斷裂形成時或形成後岩漿活動多次發生,岩漿沿斷裂向上侵入,這樣在斷裂的上方就形成了一定長度和一定強度的正異常。串珠狀線性異常:構造帶各處薄弱程度不同,岩漿侵入的寬窄和深度不同,航磁異常則反映為串珠狀的線性異常。線性強磁異常被錯開:從剖面圖和平面等值線圖都可看出,強磁異常軸有明顯錯動,這往往是平移斷層的反映。
2)了解基底起伏。由於老地層和覆蓋層有一定的磁性差異,所以航磁是了解基底起伏的有效手段之一,和重力方法有異曲同工之妙。二者可以互相參照,互相補充,從不同物理場反映了基底起伏。
3)圈定火成岩體。岩體是形成地熱田的重要因素之一,由於中酸性火成岩體有較強的磁性,根據航磁異常推斷,呈長軸狀的高磁異常皆為岩體之反映。
(三)天津地區磁場特徵與構造關系
從天津地區航磁ΔT等值線圖(圖3-2)上可以看出,研究區磁性高低相間分布,ΔT在-100～250nT之間,磁異常具有以下特徵:
1)武清區西北部磁力低,ΔT為-100nT,反映了武清凹陷的分布。
2)周良庄、爾王莊、胡連庄等地的磁力正異常,反映了滄縣隆起的位置;八里台附近的負異常,則反映了隆起區的斷凹-白塘口凹陷的位置;靜海縣磁力高,反映了大城凸起的分布。
3)沿寧河—漢沽—塘沽—大港一帶,出現多個正負相間的雜亂磁場區,反映了黃驊坳陷的分布,其中寧河縣附近的磁力正異常,反映坳陷區的凸起—寧河凸起的位置。
4)寶坻區南北磁力正負異常呈串珠狀分布,反映了寧河-寶坻斷裂的存在,同樣,天津市東北部以零等值線為界,磁力正負異常相間分布,反映了滄東斷裂的分布。
(四)重磁異常與地質剖面關系
圖3-3為重磁異常與地質剖面對比圖,剖面線以東經117°13'為界,自南向北,從天津市南部邊界到寶坻區。從圖中可以明顯地看出,隨著重力異常曲線的高低變化,地質剖面表現為凸凹相間,為正相關關系,在小韓庄凸起、潘庄凸起、王草庄凸起等處,重力異常值高,而在板橋凹陷、白塘口凹陷、武清凹陷等處,重力異常值則低。從圖中還可以發現,磁異常曲線與地質剖面的基底起伏基本對應一致,航磁異常曲線高基底表現為凸起,航磁曲線低基底則表現為凹陷,另外在白塘口凹陷附近,有磁性體存在。