Полевая геофизика. Магниторазведка (лекция 2 ) презентация

Магнитометрическая или магнитная разведка – это геофизический метод решения геологических задач, основанный на изучении магнитного поля Земли.
Глубина исследования не превышает 50 км.
Применяется всех этапах геологоразведочных работ.

ГЛАВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ МАГНИТНОГО ПОЛЯ ЗЕМЛИ
Единицы измерения:
напряженность (Т):
СГС- эрстед (Э)= 105 (гамм)
СИ- ампер/метр
1 Э=(1/4π) · 103 А/м
магнитная индукция (B):
СГС-гаусс (Гс)
СИ- тесла (Тл)
1Тл=104 Гс
T –напряженность
Z – вертикальная составляющая T
Н – горизонтальная составляющая Т
J – угол наклонения
D –угол склонения
При магнитной разведке измеряют,
как правило, Z, H или T

КАРТА ВЕРТИКАЛЬНОЙ СОСТАВЛЯЮЩЕЙ НАПРЯЖЕННОСТИ (изодинам Z) МАГНИТНОГО ПОЛЯ ЗЕМЛИ
эпохи 1975 года

КАРТА ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ СОСТАВЛЯЮЩЕЙ НАПРЯЖЕННОСТИ (изодинам H) МАГНИТНОГО ПОЛЯ ЗЕМЛИ
эпохи 1975 года

Карта изопор Н для периода 1970-1975 г

Магнитные свойства горных пород
Основное влияние на структуру аномального магнитного поля оказывают:
- магнитная восприимчивость – каппа (χ)
- намагниченность (J).

Минералы делятся на три группы:
ДИАМАГНЕТИКИ – намагничивание происходит в направлении, противоположном действующему на материал внешнему магнитному полю
(вода, соль, нефть, кварц, кальцит, барит Au, Ag, Cu и др).
Магнитная восприимчивость (каппа-κ) характеризует способность горных пород к намагничиванию под воздействием внешнего магнитного поля.

ПАРАМАГНЕТИКИ – намагничивание происходит как в направлении внешнего магнитного поля, так и против поля.
Атомы слабо ориентируются – минералы становятся слабомагнитными.
После снятия поля – намагниченность исчезает,
остаточное поле не создается.
(Ильменит, пирит, биотит, плагиоклаз, доломит и др.)

ФЕРРОМАГНЕТИКИ – при снятии внешнего намагничивающего поля частично сохраняется намагниченность того же направления.
Большинство ферромагнетиков – соединения железа, широко представленные во многих породах.

Магнитная восприимчивость пара- и феррамагнетиков уменьшается с повышением температуры: , где
T- абс.температура
С- постоянная Кюри, при которой магнитная восприимчивость исчезает.
Точка Кюри (θ) у разных минералов меняется от + 400 до 700 °С ( что соответствует глубине ~50 км):
-магнетит θ = 578 °С
-гематит θ = 675 °С
- пирротин θ = 300-325 °С

Разведываемые геологические структуры и руды с магнитной
восприимчивостью χ залегают среди вмещающих пород с
восприимчивостью χо.
Поэтому, представляет интерес избыточная или эффективная магнитная восприимчивость ∆ χ
∆ χ= χ− χо
∆ χ может быть и +, и -.
При отличии ∆ χ от нуля возникают магнитные аномалии.
замеряют в естественном залегании и на образцах горных пород.
Единицы измерения – безразмерные единицы [ед. СГС]; [ед.СИ]

Определяется, в основном, концентрацией ферромагнитных минералов.
Кроме того: χ =f (размера кристалла ф.м. – χ – растет с увеличением зерен),
χ =f (формы включений ф.м. – менее магнитны г.п., где ферромагнитные минералы образуют изолированные включения)
Осадочные породы – наименее магнитны χ =5-10*10-5 СИ,
в т.ч. карбонатные и хемогенные χ =4*10-5 СИ,
Магматические породы: χ зависит от состава. Содержание ферромагнетиков повышается от кислых к основным и ультраосновным г.п.
- граниты: χ ср=0-0.4*10-3СИ,
- диориты: χ ср=2-4*10-3СИ,
- габбро: χ ср=2-8*10-3СИ,
- пироксениты χ ср=2-25*10-3СИ.
Ультраосновные породы: неизмененные разности – слабомагнитны, т.к.
большая часть Fe входит в состав силикатов.
Но при серпентинизации этих г.п. часть высвобождаемого Fe преобразуется в магнетит.

НАМАГНИЧЕННОСТЬ (J) горных пород характеризует их способность создавать магнитное поле и численно равна:
где -магнитный момент тела или образца
горных пород;
V - объем исследуемого тела.
Единицы измерения: в СГС –безразмерные единицы
в СИ – А/м

Горная порода под воздействием напряженности магнитного поля
Земли приобретает индукционную намагниченность (Ji ).
Где Ji -индукционная (наведенная) намагниченность
- полный вектор магнитного поля Земли
N – коэффициент размагничения
(для тонкого пласта N= 4π; для тонкого цилиндра N = 0)
Для горных пород небольшой магнитной восприимчивости (χ)

Магнитные свойства горных пород
При намагничении горных пород во время их образования (застывания, осадконакопления - при переходе т. Кюри, в древнем магнитном поле) возникает и сохраняется остаточная намагниченность ( ) .
Поэтому, суммарная намагниченность геологического тела равна сумме векторов: , где
-суммарная намагниченность геологического тела
-индукционная (наведенная) намагниченность
-остаточная намагниченность

Нормальное магнитное поле Земли
Источником магнитного поля Земли является сама Земля.
В первом приближении его структура может быть представлена
в следующем виде (аналитическая формула для шара):
где -дипольная составляющая магнитного поля Земли
-планетарные аномалии
- главное магнитное поле Земли
- региональная и локальная магнитные аномалии (они
обусловлены разнонамагниченными породами литосферы)

Дипольная составляющая главного магнитного поля Земли представляет собой поле диполя, как если бы большой намагниченный брусок поместили в ядре Земли.

Магнитная стрелка, закрепленная на горизонтальной оси, покажет направление силовых линий магнитного поля.
В экваториальной области векторы напряженности параллельны дневной поверхности, а в полярных наклонены под большим углом к горизонту.

Ось магнитного поля отклонена от географической оси
(оси вращения Земли) на 11.50 – МАГНИТНОЕ СКЛОНЕНИЕ (D)

Линии магнитного поля пересекают поверхность Земли под разными углами.
Угол между линией горизонта и направлением линий магнитного поля – МАГНИТНОЕ НАКЛОНЕНИЕ (I)
Наклонение “I” положительно, когда стрелка ниже линии горизонта; отрицательно – когда выше.
I = 00 на экваторе
I = +900 на магнитном северном полюсе
I = -90 на магнитном южном полюсе.
Пусть: I –наклонение
φ - географическая широта
tg I =2tg φ (1)

На дневной поверхности напряженность дипольной составляющей будет иметь вид:
где
М-магнитный момент Земли =1,15х 1022 (А/м2)
R- расстояние до центра Земли (6,37х 108 см)
φ – магнитная широта точки наблюдения
φ = φа ± D, где φа –астрономическая широта
D- магнитное склонение (+-восточное;--западное)
тогда

T= 60 000 nT
T=30 000 nT
Напряженность магнитного поля изменяется в пределах:
- от 30 000 нТл на экваторе
- до 60 000 нТл на магнитных полюсах

Нормальное магнитное поле для реальной Земли
где -поле однородного намагниченного шара (диполя);
-поле материковых аномалий (глубина выше
700км) ( λ –долгота, φ-широта);
-поле аномалий векового хода (t-геологическое
время)
-отражается на картах нормального
поля соответствующей эпохи
- отражается на карте изопор (векового хода)

Вариации геомагнитного поля – связанные с солнечной активностью.
Вариации геомагнитного поля, связанные с процессами в недрах Земли и гравитационным влиянием крупных планет Солнечной системы.
ВАРИАЦИИ МАГНИТНОГО ПОЛЯ ЗЕМЛИ

Влияние солнечной активности

1. Кратковременные вариации от секунд до нескольких минут, связанные с изменением ультрафиолетового излучения (интенсивность до нескольких гамм)
2. Суточные вариации за счет положения Земли относительно Солнца (день, ночь)
(∆Z= 15-20 гамм; ∆H= 20-30 гамм)
3.Годовые вариации – через 11 лет, обусловлены магнитными бурями из-за повышения солнечной активности (интенсивность от 10 до 1 000 гамм)

Влияние крупных планет и внутренних процессов Земли
1.С периодов в 60 лет происходят вековые вариации за счет гравитационного влияния Сатурна и Юпитера.
2.С периодом 2000 лет происходит смещение во времени на запад центров мировых магнитных аномалий со средней скоростью 0,2о в год, обнаруженное по данным обсерваторских наблюдений.
3.С периодом 5000 лет изменяется напряженность геомагнитного поля. С 4-го тысячелетия до настоящего времени напряженность уменьшилась в 1,5 раза. Считается, что Земля находится в преддверии очередной инверсии.
4. С периодом 10 000-100 000 лет происходит изменение полярности магнитного поля Земли или инверсия.
Последняя инверсия произошла 70 000 лет назад.

Внутреннее строение Земли

Шкала обращений геомагнитного поля за последние 4.5 млн. лет.
Черное - нормальная полярность

Карта возраста пород океанического дна в Северной Атлантике
Полосовидные магнитные аномалии в Северо-
Восточной части Тихого океана.

Глобальная палеомагнитная реконструкция фанерозойского движения континентов по А. Смиту, Дж. Брайдену и Г. Дрюри (1973 г.). Кембрий-нижний ордовик (510 ± 40 млн. лет).

Измеренное поле в некоторой точке, в определенный момент времени можно представить суммой:
Тизм = Т0 + Та
Т0 -нормальное магнитное поле Земли
Та –поле аномалий
тогда Та = Тизм - Т0– вектор напряженности магнитного поля, обусловленного намагниченными геологическим телами в верхней части Земли.
Эти аномальные поля и геологические тела являются предметом и объектом магниторазведки.

АППАРАТУРА
Магнитостатические магнитометры
(механический магнитометр) основаны на измерении механического момента намагниченности (J).
Основное назначение магнитостатических магнитометров — измерение компонент и абсолютной величины напряжённости геомагнитного поля, градиента поля, а также магнитных свойств веществ.

Феррозондовый магнитометр-градиентометр Магнум

Магнитометр-градиентометр Магнум в работе

Индукционные магнитометры
Индукционные магнитометры применяются для измерения земного и космических магнитных полей, технических полей, в магнитобиологии и т. д.

Квантовые магнитометры
Приборы, основанные на свободной прецессии магнитных моментов ядер или электронов во внешнем магнитном поле и других квантовых эффектах (ядерном магнитном резонансе, электронном парамагнитном резонансе).

МАГНИТОМЕТР ПЕРЕНОСНОЙ КВАНТОВЫЙ ММ - 60М1

МАГНИТОМЕТР ПЕРЕНОСНОЙ ПРОТОННЫЙ
POS-1

Магнитометр
портативный
протонный
Минимаг

Внешний вид протонного магнитометра

Методика проведения магниторазведочных работ
Для выполнения поставленных геологических задач и получения
кондиционного материала о распределении аномалий магнитного
поля необходимо выбрать:
1. Метод (наземный, воздушный, морской)
2. Аппаратуру (тип магнитометра)
3. Вид съемки (региональный, поисковый, разведочный)
4. Систему наблюдений (маршрутная, площадная).
5. Допустимую погрешность (среднеквадратичная погрешность).
где -разница основного и контрольного
отсчетов на i-ой контрольной точке;
n- общее число контрольных точек.
6. Форму представления материалов (таблицы, графики, карты графиков, карты аномальных значений магнитного поля).

Горизонтальные масштабы графиков аномалий магнитного поля такие же, как и масштаб съемки.
Вертикальный масштаб графиков берут такими, чтобы значение 3ε не превышало 1 мм.
Сечение изолиний на картах аномалий магнитного поля составляет (2-3) ε.

Геологическое истолкование (интерпретация) результатов магнитной съемки
Обработка полученных материалов проводится в два этапа.
1 этап.
Качественная интерпретация материалов определяет местоположение, форму, размеры, простирание и интенсивность аномалии.

ИЗОМЕТРИЧНЫЕ АНОМАЛИИ
(источник распространен на большую глубину)
Магнитная аномалия над кимберлитовой трубкой.
Измерения: Zа –наземные, ∆Т – с самолета на высоте 100м.
1- карбонатные породы; 2 –кимберлиты.

ИЗОМЕТРИЧНЫЕ АНОМАЛИИ
(источник небольшого распространения на глубину)
Магнитная аномалия над одним
из рудных тел Ангаро-
Илимского месторождения

ДВУМЕРНЫЕ АНОМАЛИИ
(источник распространен на большую глубину)
Магнитная аномалия над магнетитовым телом, залегающим на большой глубине. Изолинии даны в миллиэрстедах.
1- граниты, сиениты;2-диориты, габбро; 3-известняки; 4-магнетитовая руда; 5-рудные и безрудные скарны; 6-скважины
Геологический разрез и кривые
Zа и ∆g по линии АБ

ДВУМЕРНЫЕ АНОМАЛИИ
(источник небольшого распространения на глубину)
Магнитное поле Гуляйпольской
синклинали.
Изолинии даны в миллиэрстедах.
1-мигматиты; 2- песчаники;
3-сланцы верхней свиты;
4-железистые кварциты
с прослоями сланцев;
5-сланцы нижней свиты;
6-биотитовые гнейсы;
7-тектонические нарушения

Геологическое истолкование (интерпретация) результатов магнитной съемки
2 этап
Количественная интерпретация материалов проводится с целью определения параметров аномалеобразующих геологических тел: глубины залегания, размеров, мощности, угла падения.
Для практической реализации интерпретации в теории магниторазведки разработаны специальные приемы и методы, основанные на результатах решение прямых и обратных задач магниторазведки.

Прямая задача состоит в определении параметров магнитного поля по известных характеристикам магнитных масс (формы, размеров, глубины залегания, углов намагничения, магнитной восприимчивости).
Решение проводится с помощью закона Кулона: .
Под магнитной массой понимается произведение интенсивности намагничения (I) на площадь (s) намагниченного тела, перпендикулярную к вектору I: m=I·s

где dM =m·dl=I·ds·dl =I·dV- магнитный момент диполя
I = χΤ − интенсивность намагничения диполя, направленная вдоль оси;
dl –длина;
ds –площадь поперечного сечения;
dV=dl·ds –элементарный объем;
θ –угол между осью диполя и радиусом r.
Выражение для полного вектора
напряженности магнитного поля
диполя имеет вид:

Тогда на оси диполя (θ=0) т.е. на полюсах, и перпендикуляра к его центру (θ=90), т.е. на экваторе, получаем напряженности магнитного поля, равные соответственно:
(1) и (2)
С учетом свойства суперпозиции значения напряженности реального намагниченного тела можно записать следующим образом:
(3)

Уравнение (3) является основным в теории магниторазведки.
Оно справедливо лишь для тел простой геометрической формы и однородной намагниченности.
Для тел более сложных возможны лишь численные приближенные решения, получаемые с помощью ЭВМ.
Анализ решений прямой задачи служит основой для решения обратной задачи.

Определение параметров тел по наблюдённому (замеренному) полю называется решением обратной задачи.
Оно выполняется при моделировании методом подбора с помощью программ ЭВМ.

КОЛИЧЕСТВЕННАЯ ИНТЕРПРЕТАЦИЯ
Кривая Za и Ha над шаром (а),горизонтальным круговым цилиндром
(б), мощным вертикальным пластом (в), мощным наклонным пластом (г).

РЕШЕНИЕ ГЕОЛОГИЧЕСКИХ ЗАДАЧ
Понижение магнитного поля в зоне дробления и каолинизации диоритов:
изолинии Zа:1-положительные; 2-нулевые; 3- отрицательные

Априорная магнитогеологическая модель нефтяного месторождения по В.М. Березкину и др.
Графики 1-4 показывают возможные картины изменения магнитного
поля над залежами УВ
1- залежь УВ;
2- глинистые экраны;
3- коллектор;
4- вторичные магнитные объекты;
5- пути миграции УВ;
6- зоны неоднородности