磁法勘探-02-岩石的磁性ppt课件.ppt

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1、1第二章 岩石的磁性概述：概述： 岩石、矿物的岩石、矿物的磁性磁性, 是指其吸引铁、镍等物质是指其吸引铁、镍等物质的性质的性质。地壳内不同地质体之间存在的磁性差异。地壳内不同地质体之间存在的磁性差异,是开展磁法勘探工作的地球物理是开展磁法勘探工作的地球物理前提条件前提条件,也是对也是对磁测结果进行校正与解释不可缺少的参数。研究岩磁测结果进行校正与解释不可缺少的参数。研究岩石磁性石磁性,可以掌握岩石、矿物受可以掌握岩石、矿物受磁化的原理磁化的原理。了解。了解岩石、矿物的岩石、矿物的磁性的特征及其影响因素磁性的特征及其影响因素,便于正确便于正确确定磁法能够解决的确定磁法能够解决的地质问题地质问题,

2、以及对磁异常作出以及对磁异常作出正确的解释。有关岩石磁性的研究成果正确的解释。有关岩石磁性的研究成果,可直接用可直接用于解决某些于解决某些基础地质问题基础地质问题,如区域地层对比如区域地层对比,构造划构造划分等。分等。2 第第1 1节节 物质的磁性物质的磁性（1）.抗磁性（逆磁性抗磁性（逆磁性）3（2）.顺磁性顺磁性4（3）.铁磁性铁磁性5K 是热力学开式温度 减去273.16 就是常用的摄氏温度了 6 各种铁磁性的原子磁矩排列示意图各种铁磁性的原子磁矩排列示意图a-铁磁性；铁磁性；b-反铁磁性；反铁磁性；c-亚铁磁性亚铁磁性 磁畴内原子磁矩排列磁畴内原子磁矩排列在在同一方向同一方向，例如铁、

3、镍、钴即，例如铁、镍、钴即属于此类物质。属于此类物质。 磁畴内磁畴内原子磁矩排原子磁矩排列相反列相反，故磁化率很小，但具有，故磁化率很小，但具有很大的矫顽磁力很大的矫顽磁力。 或称铁淦氧磁性，或称铁淦氧磁性，磁畴内原子磁矩磁畴内原子磁矩反平行排列反平行排列，磁，磁矩互不相等，故仍具有自发磁矩。矩互不相等，故仍具有自发磁矩。此类物质具有较大的磁化率和剩此类物质具有较大的磁化率和剩余磁化强度余磁化强度。纯锰铁合金纯锰铁合金7一、表征磁性的物理量一、表征磁性的物理量 均匀无限磁介质，受到外部磁场均匀无限磁介质，受到外部磁场H的作用，该物质即被磁化，而衡量的作用，该物质即被磁化，而衡量物质被磁化的程度

4、，以物质被磁化的程度，以磁化强度磁化强度M表示表示，它与磁化场强度之间的关系为，它与磁化场强度之间的关系为 式中，式中， 是物质的磁化率，它表征物质受磁化的是物质的磁化率，它表征物质受磁化的难易程度难易程度，是一个无，是一个无量纲的物理量。实际工作中，磁化率仍注以单位，量纲的物理量。实际工作中，磁化率仍注以单位，SI单位制它用单位制它用SI（ ）标）标明，明，CGSM单位制，它用单位制，它用CGSM（ ）标明，两者的关系是）标明，两者的关系是1SI（ ）= CGSM（ ）。在二种单位制中，磁化强度）。在二种单位制中，磁化强度M的单位，分别是的单位，分别是A/m及及CGSM（M），二者的关系是）

5、，二者的关系是1A/m=0.001CGSM（M）。）。HMk41 第第2 2节节 岩岩( (矿矿) )石的磁性特征石的磁性特征8在在各向同性磁介质各向同性磁介质内部任意点上，磁化场内部任意点上，磁化场H在该点产生的在该点产生的磁感应强度磁感应强度（磁通密度）为（磁通密度）为 B= H 式中，式中，B以特斯拉（以特斯拉（T）为单位，）为单位， 是介质的磁导率是介质的磁导率H/m（亨利（亨利/米）。米）。 若介质为真空，则有若介质为真空，则有 B= 0H 式中，式中， 0是真空的磁导率。是真空的磁导率。令令 r= / 0（相对磁导率）得：（相对磁导率）得： 此式表明了此式表明了物质磁性（物质磁性（

6、B）与外磁场（）与外磁场（H）的定量关系）的定量关系。显然，在同一。显然，在同一外磁场外磁场H作用下。作用下。空间为磁介质充填，与空间为真空二者相比，空间为磁介质充填，与空间为真空二者相比，B增加增加了了 H项，即介质受磁化后所产生的附加场项，即介质受磁化后所产生的附加场，其大小与介质的磁化率成，其大小与介质的磁化率成正比。磁介质的正比。磁介质的 r=1+ 是一个纯量。是一个纯量。 与与 0二者之间的关系为二者之间的关系为 )() 1()1 () 1(00000MHHHHHBrrr)1 (09位于岩石圈中的岩体和矿体，处在约位于岩石圈中的岩体和矿体，处在约0.5 10-4(T)的地球磁场作用之

7、下，它的地球磁场作用之下，它们受们受现代地磁场的磁化现代地磁场的磁化(T)，而具有的，而具有的磁化强度，叫磁化强度，叫感应磁化强度感应磁化强度，它表示为，它表示为 式中，式中，T是地磁场的总强度，是地磁场的总强度， 是岩矿石的磁化率，它取决于岩矿石是岩矿石的磁化率，它取决于岩矿石的性质。的性质。岩、矿石在生成时，处于一定条件下，受岩、矿石在生成时，处于一定条件下，受当时当时的地磁场磁化，成岩后经的地磁场磁化，成岩后经历的地质年代，所保留下来的磁化强度，称作历的地质年代，所保留下来的磁化强度，称作天然剩余磁化强度天然剩余磁化强度Mr，它与现代地磁场它与现代地磁场无关。无关。岩石的总磁化强度岩石的

8、总磁化强度M，是由两部分组成，即，是由两部分组成，即磁法勘探中，表征岩石磁性的物理量是磁法勘探中，表征岩石磁性的物理量是 、 及及 。TMirriMTMMM)(iMrMM10其磁化率都很小，在磁法勘探中通常视为无磁性的。其磁化率都很小，在磁法勘探中通常视为无磁性的。其磁化率要比抗磁性矿物大得多，约二个数量级。其磁化率要比抗磁性矿物大得多，约二个数量级。二、矿物的磁性二、矿物的磁性11 自然界中不存在纯铁磁性自然界中不存在纯铁磁性矿物矿物。最重要的磁性矿物当推。最重要的磁性矿物当推铁铁-钛氧化物钛氧化物，它的三元系统如，它的三元系统如所示。由所示。由FeO、Fe2O3和和TiO2组合成的固溶体，

9、其主要组合成的固溶体，其主要矿物及其它磁性矿物，如矿物及其它磁性矿物，如所示。所示。 地壳中地壳中纯磁铁矿纯磁铁矿少见，大少见，大多由不同比例的铁、钛、氧组多由不同比例的铁、钛、氧组成复杂的因溶体，它是典型的成复杂的因溶体，它是典型的亚铁磁性亚铁磁性。磁铁矿不仅有较强。磁铁矿不仅有较强的磁化率，且有较强的剩余磁的磁化率，且有较强的剩余磁性，其变化范围较大。磁黄铁性，其变化范围较大。磁黄铁矿属铁矿属铁-硫二元系，它常见于汞、硫二元系，它常见于汞、砷、锑层控矿床。当砷、锑层控矿床。当0 x0.1时，时，它是反铁磁性，当它是反铁磁性，当0.1x0.25时，时，它是亚铁磁性。它亦分为它是亚铁磁性。它亦

10、分为 型和型和 型，后者磁化率较大。型，后者磁化率较大。 12 一般来说，沉积岩的一般来说，沉积岩的磁性较弱磁性较弱，如表所示。沉积岩的磁，如表所示。沉积岩的磁化率主要决定于化率主要决定于副矿物的含量及成分副矿物的含量及成分，它们是磁铁矿、磁赤，它们是磁铁矿、磁赤铁矿、赤铁矿以及铁的氢氧化物。其造岩矿物如石英、长石、铁矿、赤铁矿以及铁的氢氧化物。其造岩矿物如石英、长石、方解石等，对磁化率无贡献。方解石等，对磁化率无贡献。沉积岩的天然剩余磁性，与由沉积岩的天然剩余磁性，与由母岩剥蚀下来的磁性颗粒有关母岩剥蚀下来的磁性颗粒有关，其数值不大。，其数值不大。三、各类岩石的一般磁性特征三、各类岩石的一般

11、磁性特征13依据火成岩的产出状态，又可分为依据火成岩的产出状态，又可分为侵入岩侵入岩和和喷出岩喷出岩。的不同岩石组（花岗岩、花岗闪长岩、闪长岩、辉长岩、超的不同岩石组（花岗岩、花岗闪长岩、闪长岩、辉长岩、超基性岩等），其平均值，随着基性岩等），其平均值，随着岩石的基性增强而增大岩石的基性增强而增大。它们的磁化率，。它们的磁化率，均具有数值分布范围宽的相同特征。均具有数值分布范围宽的相同特征。是火成岩中磁性最强的。超基性岩体在经受是火成岩中磁性最强的。超基性岩体在经受蛇纹石化蛇纹石化时，时，辉石被分解形成蛇纹石和磁铁矿，使辉石被分解形成蛇纹石和磁铁矿，使磁化率急剧增大磁化率急剧增大，可达几个，可

12、达几个SI（ ）单位。单位。，一般来说其磁性较超基性岩次之。一般来说其磁性较超基性岩次之。，普遍是铁磁，普遍是铁磁-顺磁性的，磁化率不高。顺磁性的，磁化率不高。在化学和矿物成分上与同类侵入岩相近，其磁化率的一般特在化学和矿物成分上与同类侵入岩相近，其磁化率的一般特征相同。征相同。由于喷发岩迅速且不均匀的冷却，结晶速度快，使磁化率离由于喷发岩迅速且不均匀的冷却，结晶速度快，使磁化率离散性大散性大。具有明显的天然剩余磁性具有明显的天然剩余磁性，使，使Q=Mr/Mi称为柯尼希斯贝格比。称为柯尼希斯贝格比。不同岩石组的不同岩石组的Q值范围，可从值范围，可从010或更大。或更大。14 变质岩的磁化率和天

13、然剩余磁化强度，其变化范围很大。变质岩的磁化率和天然剩余磁化强度，其变化范围很大。按其磁性，按其磁性，变质岩可分为铁磁变质岩可分为铁磁顺磁性和铁磁性顺磁性和铁磁性两类，与原来的基质有关，也与其两类，与原来的基质有关，也与其生成条件有关。由沉积岩变质生成的，称生成条件有关。由沉积岩变质生成的，称水成变质岩水成变质岩，其磁性特征一般，其磁性特征一般具有铁磁具有铁磁顺磁性；由岩浆岩变质生成的，称顺磁性；由岩浆岩变质生成的，称火成变质岩火成变质岩，其磁性有铁，其磁性有铁磁磁顺磁性与铁磁性两组。这和原岩的矿物成分，以及变质作用的外来顺磁性与铁磁性两组。这和原岩的矿物成分，以及变质作用的外来性或原生性有关

14、。性或原生性有关。 具有层状结构的变质岩，表现有磁各向异性。其具有层状结构的变质岩，表现有磁各向异性。其Mr方向往往近于片方向往往近于片理方向。磁化率各向异性可用下式来评价理方向。磁化率各向异性可用下式来评价 式中，式中， 是磁化率各向异性系数。在强变质沉积岩石中，值最大可达是磁化率各向异性系数。在强变质沉积岩石中，值最大可达1.01.5。平均最小最大15 根据实验资料和理论计算，侵入岩的磁化率与铁磁性矿物含量之间存根据实验资料和理论计算，侵入岩的磁化率与铁磁性矿物含量之间存在在统计相关统计相关关系，如图所示。由图可见，该曲线明显地分为两部分。在铁关系，如图所示。由图可见，该曲线明显地分为两部

15、分。在铁磁性组分含量小于磁性组分含量小于0.001，铁磁体为稀有颗粒，即属于深色矿物中的杂质，铁磁体为稀有颗粒，即属于深色矿物中的杂质，磁化率磁化率和和铁磁性矿物含量铁磁性矿物含量之间未发现有规律的关系。在铁磁性组分含量大之间未发现有规律的关系。在铁磁性组分含量大于于0.01，铁磁效应主要是由大颗粒磁铁矿（钛磁铁矿）造成的，这些岩，铁磁效应主要是由大颗粒磁铁矿（钛磁铁矿）造成的，这些岩石的和之间，呈有规律的相关关系。石的和之间，呈有规律的相关关系。 一般情况下，一般情况下，岩石中铁磁性矿物含量愈多，磁性也愈强岩石中铁磁性矿物含量愈多，磁性也愈强。四、影响岩石磁性的主要因素四、影响岩石磁性的主要

16、因素16 实验结果表明，实验结果表明，在给定的外磁场作用下，铁磁性矿物的相对含量不在给定的外磁场作用下，铁磁性矿物的相对含量不变，其颗粒粗的较之颗粒细的磁化率大变，其颗粒粗的较之颗粒细的磁化率大。可用于衡量剩磁大小的矫顽力，。可用于衡量剩磁大小的矫顽力，与铁磁性矿物颗粒大小的关系恰相反，如下图所示与铁磁性矿物颗粒大小的关系恰相反，如下图所示,表明随铁磁性矿物颗表明随铁磁性矿物颗粒的增大，呈减小的相关关系。喷发岩的剩磁常较同一成分侵入岩的剩磁粒的增大，呈减小的相关关系。喷发岩的剩磁常较同一成分侵入岩的剩磁大。大。 此外，铁磁性矿物在岩石中的此外，铁磁性矿物在岩石中的结构结构，对其磁化率也有影响。

17、当磁性矿，对其磁化率也有影响。当磁性矿物相对含量、颗粒大小都相同时，物相对含量、颗粒大小都相同时，颗粒相互胶结的比颗粒呈分散状者磁性颗粒相互胶结的比颗粒呈分散状者磁性强强。 17 高温与高压高温与高压，对矿物和岩石的磁性会产生影响。顺磁体磁化率与温度，对矿物和岩石的磁性会产生影响。顺磁体磁化率与温度的关系，已由的关系，已由居里定律居里定律确定。确定。 铁磁性矿物的磁化率与温度的关系，有铁磁性矿物的磁化率与温度的关系，有可逆型及不可逆型可逆型及不可逆型。前者。前者磁化磁化率随温度增高而增大率随温度增高而增大，接近居里点则陡然下降趋于零，加热和冷却过程，在，接近居里点则陡然下降趋于零，加热和冷却过

18、程，在一定条件下磁化率都有同一个数值。后者其一定条件下磁化率都有同一个数值。后者其加热和冷却曲线不相吻合，即不加热和冷却曲线不相吻合，即不可逆可逆，它是温度增高后不稳定的那类铁磁性矿物的特征。此外，温度增高还，它是温度增高后不稳定的那类铁磁性矿物的特征。此外，温度增高还能引起矿物矫顽磁力的减小。能引起矿物矫顽磁力的减小。 岩石磁化率与温度的相依关系比单纯矿物岩石磁化率与温度的相依关系比单纯矿物复杂，岩石的复杂，岩石的k-t曲线与铁磁性矿物的成分有关。曲线与铁磁性矿物的成分有关。如下图。曲线具有跃变形状，此特征代表岩石如下图。曲线具有跃变形状，此特征代表岩石中不同居里点的几种矿物。中不同居里点的

19、几种矿物。 岩石的居里温度岩石的居里温度Tc分布仅与特磁性矿物成分有关，而与矿物的分布仅与特磁性矿物成分有关，而与矿物的数量、大小及形状无关。数量、大小及形状无关。 18 岩石在自然界中岩石在自然界中成岩时期的地磁场作用成岩时期的地磁场作用下所获得的剩下所获得的剩余磁性，称为余磁性，称为天然剩余磁性天然剩余磁性，通常用，通常用NRM（Natural Remanent Magnetism）表示，它是岩石磁性的重要组成部）表示，它是岩石磁性的重要组成部分分,因此因此, 它是磁法勘探及古地磁学的研究对象。岩石获得它是磁法勘探及古地磁学的研究对象。岩石获得天然剩磁，不仅是地磁场作用的结果，也与岩石形成

20、过程天然剩磁，不仅是地磁场作用的结果，也与岩石形成过程密切有关，所以形成天然剩磁的机制是多种多样的。不同密切有关，所以形成天然剩磁的机制是多种多样的。不同的机制形成不同类型的剩磁，它们主要是：的机制形成不同类型的剩磁，它们主要是：热剩余磁性，热剩余磁性，化学剩余磁性，沉积剩余磁性和粘滞剩余磁性化学剩余磁性，沉积剩余磁性和粘滞剩余磁性。下面分别。下面分别加以叙述。加以叙述。 第第3 3节节 岩岩( (矿矿) )石的剩余磁石的剩余磁性性 19（1）. 热剩余磁性热剩余磁性TRM（Thermal RM） 将岩石加温至居里点（将岩石加温至居里点（600700）以上，然后在外磁场中冷）以上，然后在外磁场

21、中冷却至室温，结果获得很强的剩磁，这种剩磁称为却至室温，结果获得很强的剩磁，这种剩磁称为热剩磁热剩磁。火成岩火成岩是是由炽热的岩浆（由炽热的岩浆（8001200）在地磁场中冷却而成的，所以获得）在地磁场中冷却而成的，所以获得了热剩磁。热剩磁有以下几个特点：了热剩磁。热剩磁有以下几个特点：(1) 热剩磁的强度大。热剩磁的强度大。在弱磁场中，热剩磁比等温剩磁（即常温下用在弱磁场中，热剩磁比等温剩磁（即常温下用外磁场磁化后的剩磁）强几十至几百倍。外磁场磁化后的剩磁）强几十至几百倍。(2) 热剩磁的方向与外磁场一致。热剩磁的方向与外磁场一致。因此，火成岩的天然剩磁方向一般因此，火成岩的天然剩磁方向一般

22、代表岩石形成时的代表岩石形成时的地磁场方向地磁场方向。(3) 在弱磁场中热剩磁的强度正比于外磁场感应强度在弱磁场中热剩磁的强度正比于外磁场感应强度：因此可以用热剩磁强度推算古地磁场强度因此可以用热剩磁强度推算古地磁场强度(4) 热剩磁主要在居里点附近获得热剩磁主要在居里点附近获得。 (5) 热剩磁有热剩磁有很高的稳定性很高的稳定性。表现在弛豫时间很长，对于一定大小的表现在弛豫时间很长，对于一定大小的单畴，单畴，450 度时，度时，弛豫时间弛豫时间1000s，冷却至室温，弛豫时间增加至，冷却至室温，弛豫时间增加至1014a,TRMBCMT20(2).沉积剩余磁性沉积剩余磁性DRM（Deposit

23、ional RM） 沉积岩的剩磁来源于沉积剩磁（或称碎屑剩磁）沉积岩的剩磁来源于沉积剩磁（或称碎屑剩磁）。沉积岩中。沉积岩中含有从母岩剥蚀而来的含有从母岩剥蚀而来的磁性颗粒磁性颗粒，当这些颗粒在水中下沉时，就，当这些颗粒在水中下沉时，就象一枚小象一枚小“磁针磁针”那样，受到地磁场的定向排列作用，或者在岩那样，受到地磁场的定向排列作用，或者在岩石固化以前，小石固化以前，小“磁针磁针”在沉积物的含水孔隙中转至地磁场方向。在沉积物的含水孔隙中转至地磁场方向。当沉积物固结后，剩磁被固定在沉积岩中，这就是沉积剩磁，它当沉积物固结后，剩磁被固定在沉积岩中，这就是沉积剩磁，它有以下几个特点：有以下几个特点：

24、21(3).化学剩余磁性化学剩余磁性CRM（Chemical RM） 在一定磁场中，某些磁性物质在其居里点以下的温度，经在一定磁场中，某些磁性物质在其居里点以下的温度，经过化学过程过化学过程(氧化还原氧化还原)或相变过程或相变过程(重结晶重结晶)而获得的剩磁，称为而获得的剩磁，称为化学剩磁。化学剩磁。 将直径小于将直径小于1微米的赤铁矿粉末加热至微米的赤铁矿粉末加热至270340，在有外，在有外磁场时使它还原成磁铁矿，就获得平行于外磁场的剩余磁性，这磁场时使它还原成磁铁矿，就获得平行于外磁场的剩余磁性，这就是化学剩磁，它有以下几个特点：就是化学剩磁，它有以下几个特点：只要单畴颗粒足够大，只要单

25、畴颗粒足够大，化学剩磁的驰豫时间也非常长，磁性惊人地稳定。化学剩磁的驰豫时间也非常长，磁性惊人地稳定。22(4).粘滞剩余磁性粘滞剩余磁性VRM（Viscous RM） 岩石长期放置地磁场中获得的剩磁，称为粘滞剩余磁性岩石长期放置地磁场中获得的剩磁，称为粘滞剩余磁性。它有。它有以下几个特点：以下几个特点：裸露于地表的岩石裸露于地表的岩石,受昼夜及季节的温受昼夜及季节的温差变化的热骚动影响差变化的热骚动影响, 随时间增长随时间增长,会形成较强的粘滞剩磁。具有较会形成较强的粘滞剩磁。具有较大粘滞剩磁的岩石标本大粘滞剩磁的岩石标本,不宜用于古地磁研究不宜用于古地磁研究。(5). 等温剩余磁性等温剩余

26、磁性(IRM) 在在常温未加热常温未加热情况下情况下, 岩石因受岩石因受外部磁场的作用外部磁场的作用(如闪电如闪电)获得的获得的剩磁称等温剩余磁性。剩磁称等温剩余磁性。 等温剩余磁性等温剩余磁性不稳定不稳定,其大小和方向随外磁场其大小和方向随外磁场变化。变化。 粘滞剩余磁性与等温剩余磁性是岩石形成以后粘滞剩余磁性与等温剩余磁性是岩石形成以后,因受外部因素的因受外部因素的作用而获得的，因此称它们为作用而获得的，因此称它们为次生剩磁次生剩磁。23242526 岩岩 类类特特 点点 (磁性特征磁性特征) 岩岩 浆浆 岩岩(变变,强强,铁铁,大大) 沉沉 积积 岩岩(稳稳,弱弱,顺顺,小小) 变变 质

27、质 岩岩(原岩及变质条件原岩及变质条件)产产 状状侵入，喷出侵入，喷出 层状产出层状产出随原岩产状而定随原岩产状而定形形 成成 环环 境境岩浆泠却，降温降岩浆泠却，降温降压压常温常压常温常压增温增压增温增压结结 构构大部分为结晶的岩大部分为结晶的岩石，部分为隐晶质、石，部分为隐晶质、玻璃质玻璃质碎屑结构、泥质结碎屑结构、泥质结构、化学结构和生构、化学结构和生物结构等物结构等重结晶岩石，具粒重结晶岩石，具粒状、鳞片状、斑状状、鳞片状、斑状等各种变晶结构等各种变晶结构构构 造造多为块状构造。喷出多为块状构造。喷出岩具气孔状、杏仁状、岩具气孔状、杏仁状、流纹状等构造流纹状等构造各种层理构造，如各种层理构造，如斜层理、水平层理、斜层理、水平层理、交错层理等交错层理等大部分具片理构造，大部分具片理构造，部分为块状构造部分为块状构造标标 准准 矿矿 物物石盐、石膏等石盐、石膏等滑石、石墨等滑石、石墨等其其 它它不含生物化石，围不含生物化石，围岩有烘烤现象岩有烘烤现象,不不能形成褶曲构造能形成褶曲构造多含生物化石，可多含生物化石，可形成明显的褶曲形成明显的褶曲可有化石可有化石(副变质副变质岩岩)，可形成褶曲，可形成褶曲橄榄石等橄榄石等