① 磁法勘探
(一)磁法勘探方法简介
磁法勘探是利用地壳内各种岩(矿)石间的磁性差异所引起的磁场变化(磁异常)来寻找有用矿产资源和查明地下地质构造的一种物探方法。应用磁法勘探在研究大地构造、了解基底起伏、圈定火成岩体和寻找含水破碎带等方面均取得了良好的效果,广泛地应用于地热资源勘探中。
1.地磁场
在地球上任何一处,悬挂的磁针都会停止在一定的方位上,这说明地球表面各处都有磁场存在,这个磁场被称为地磁场。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,常称为磁偏角。
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轴指向为地理北方,Y轴指向为地理东方,Z轴垂直向下。
地磁强度一般用T表示,它在X,Y,Z3个轴上的投影分量分别为: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。地磁场各分量的方向与坐标轴方向一致时取正,反之取负。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下倾时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:
沉积盆地型地热田勘查开发与利用
分析这些关系可知,地磁要素中有各自独立的3组:I,D,H;X,Y,Z;H,Z,D。如果知道其中一组,则其他各要素即可求得。在地磁绝对测量中通常测I,D,H3个要素。磁法勘探一般都是相对测量,地面磁测主要测Z的变化,有时也测H和T;航空磁测主要测定T的变化。
描述磁场的单位,在国际单位制中为特斯拉(T),在磁法勘探中常用它的十亿分之一为单位,称为纳特(nT),即1nT=10-9T。
2.磁异常
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。其中正常磁场又由地磁场的偶极子场和非偶极子场(大陆磁场)组成。而磁异常则是地下岩、矿体或地质构造受地磁场磁化后,在其周围空间形成,并叠加在地磁场上的次生磁场。其中含分布范围较大的深部磁性岩层或构造引起的部分,成为区域异常;而由分布范围较小的浅部岩、矿体或地质构造引起的部分,称为局部异常。
如实测磁场为T,正常磁场为T0,则磁异常Ta可表示为
Ta=T-T0 3-5
在航空磁测中,大多测量地磁场总强度T和正常磁场强度T0的模数差ΔT,即
ΔT=|T|-|T0| 3-6
在地面磁测中,主要测量磁场的垂直分量变化值Za,称为垂直磁异常,即
Za=Z-Z03-7
式中:Z为实测垂直磁场强度;Z0为正常垂直磁场强度。
3.岩(矿)石的磁性
自然界的各种岩石具有不同的磁性,即使同种岩石,由于矿物成分、结构特点不同,其磁性也不相同。岩石之间的磁性差异是磁法勘探的物理基础。
岩石的磁性由磁化率和磁化强度表示。磁化率M表示单位体积所具有的磁矩,岩石的磁化强度分为两部分,即
M=Mi+Mr 3-8
式中:Mi为感应磁化强度,表示各种岩石在现代地磁场的磁化下所具有的磁性,Mi主要决定于岩石的磁化率(k)和地磁场强度(T),其关系式为
Mi=kT 3-9
Mr为剩余磁化强度,表示各种岩石在地质历史条件下被古地磁场磁化所保留下来的磁性。Mr基本上不受现代磁场的影响而保持着其固有的数值和方向。古地磁学研究证明,几乎所有的火成岩和大部分陆屑沉积岩都具有剩余磁化强度。
(二)盆地磁性特征
华北盆地天津地区从太古宇结晶基底到第四系盖层,都存在着纵向及横向的磁性差。反映在磁场图上,是区域背景值的相对升高或降低,曲线的平缓或密集,局部异常的大小,强弱及展布方向特点。这种反映正是磁异常解释的依据。
根据有关物探资料,天津及周边地区地层磁性参数见表3-2。
表3-2 天津周边地区地层磁性参数
由表可见,天津及周边区域地层磁性具有如下特征。
在整个地层序列中,磁性呈相对的渐变过渡,以奥陶系为磁性的最低点,向老地层或新地层方向逐渐增高,而侏罗系的磁性表现出突变的性质。
根据磁性强弱将本区自上而下划分为4个磁性层。
顶部弱磁性层,对应于新生界的粉砂、粘土、泥岩、砂质泥岩和中生界侏罗系砂砾岩、细砂岩。
中部强磁性层,对应中生界侏罗系的火山碎屑岩。
中部弱磁性层,对应古生界泥岩、灰岩、砂岩。
底部强磁性层,对应元古宇白云岩和太古宇片麻岩、麻粒岩等。
磁力勘探结果是利用不同岩层磁性强弱首先作出磁力异常图,对等异常曲线的形状加以分析,推测得出一定的地质结论。
1)查明断裂。异常表现为以下几种形态。连续的正异常:在剖平图上表现为连续的正异常带,在平面上等值线则表现为有一定长度的梯度密集带。断裂形成时或形成后岩浆活动多次发生,岩浆沿断裂向上侵入,这样在断裂的上方就形成了一定长度和一定强度的正异常。串珠状线性异常:构造带各处薄弱程度不同,岩浆侵入的宽窄和深度不同,航磁异常则反映为串珠状的线性异常。线性强磁异常被错开:从剖面图和平面等值线图都可看出,强磁异常轴有明显错动,这往往是平移断层的反映。
2)了解基底起伏。由于老地层和覆盖层有一定的磁性差异,所以航磁是了解基底起伏的有效手段之一,和重力方法有异曲同工之妙。二者可以互相参照,互相补充,从不同物理场反映了基底起伏。
3)圈定火成岩体。岩体是形成地热田的重要因素之一,由于中酸性火成岩体有较强的磁性,根据航磁异常推断,呈长轴状的高磁异常皆为岩体之反映。
(三)天津地区磁场特征与构造关系
从天津地区航磁ΔT等值线图(图3-2)上可以看出,研究区磁性高低相间分布,ΔT在-100～250nT之间,磁异常具有以下特征:
1)武清区西北部磁力低,ΔT为-100nT,反映了武清凹陷的分布。
2)周良庄、尔王庄、胡连庄等地的磁力正异常,反映了沧县隆起的位置;八里台附近的负异常,则反映了隆起区的断凹-白塘口凹陷的位置;静海县磁力高,反映了大城凸起的分布。
3)沿宁河—汉沽—塘沽—大港一带,出现多个正负相间的杂乱磁场区,反映了黄骅坳陷的分布,其中宁河县附近的磁力正异常,反映坳陷区的凸起—宁河凸起的位置。
4)宝坻区南北磁力正负异常呈串珠状分布,反映了宁河-宝坻断裂的存在,同样,天津市东北部以零等值线为界,磁力正负异常相间分布,反映了沧东断裂的分布。
(四)重磁异常与地质剖面关系
图3-3为重磁异常与地质剖面对比图,剖面线以东经117°13'为界,自南向北,从天津市南部边界到宝坻区。从图中可以明显地看出,随着重力异常曲线的高低变化,地质剖面表现为凸凹相间,为正相关关系,在小韩庄凸起、潘庄凸起、王草庄凸起等处,重力异常值高,而在板桥凹陷、白塘口凹陷、武清凹陷等处,重力异常值则低。从图中还可以发现,磁异常曲线与地质剖面的基底起伏基本对应一致,航磁异常曲线高基底表现为凸起,航磁曲线低基底则表现为凹陷,另外在白塘口凹陷附近,有磁性体存在。