用標(biāo)量磁力儀測定巖(礦)石標(biāo)本磁參數(shù)的幾個問題

梁　建，黃金輝，薛月芬，張　川

(1.中國冶金地質(zhì)總局地球物理勘查院，河北 保定 071051；2.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)地球物理與信息技術(shù)學(xué)院，北京 100083)

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用標(biāo)量磁力儀測定巖(礦)石標(biāo)本磁參數(shù)的幾個問題

梁建1,2，黃金輝1，薛月芬1，張川1

(1.中國冶金地質(zhì)總局地球物理勘查院，河北 保定 071051；2.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)地球物理與信息技術(shù)學(xué)院，北京 100083)

摘要：磁參數(shù)測量是磁法勘探中的一個環(huán)節(jié)，對進(jìn)行異常解釋起著至關(guān)重要的作用。文章指出了梯度測量方式只是利用磁力儀的“梯度模式”在測量過程中進(jìn)行日變改正。對高斯第一位置和高斯第二位置給出了明確的定義；指出高斯第一位置和高斯第二位置磁參數(shù)計算公式為何不同。討論了水平測定方法和傾斜測定法之間的關(guān)系。對于定向標(biāo)本指出了剩磁偏角和剩磁方位角的不同，并在最后給了最佳的測量方案。

關(guān)鍵詞：標(biāo)量磁力儀；磁參數(shù)；梯度；水平測量；傾斜測量

0引言

磁法勘探找礦是地球物理探礦的方法之一，是尋找磁鐵礦最主要的手段。巖礦石磁性的差異，是產(chǎn)生磁異常的地質(zhì)原因，是磁法勘探的地球物理基礎(chǔ)。因此要對磁異常進(jìn)行正確的地質(zhì)評價就必須對巖礦石的磁性參數(shù)進(jìn)行測定，掌握各種巖石的磁性強弱及其空間分布特征?？梢姭@得研究區(qū)內(nèi)的巖礦石的磁性參數(shù)在磁法勘探中是一項十分重要的工作，它對準(zhǔn)確的進(jìn)行磁異常地質(zhì)解釋具有重大意義[1]。

標(biāo)量磁力儀測量地球的總場強度(T)，在磁參數(shù)的測量工作中，用標(biāo)量磁力儀(如質(zhì)子磁力儀)測量巖石標(biāo)本產(chǎn)生的磁場來計算出巖石標(biāo)本的磁化率(κ)和剩余磁化強度(Mr)。

由于磁法勘查在各行業(yè)所定的規(guī)范也不盡相同，對磁參數(shù)測定的方法也不相同，測量過程中遇到的問題主要集中在以下4個方面：①總場測量方式和梯度測量方式；②高斯第一位置和高斯第二位置；③傾斜測定法和水平測定法；④定向標(biāo)本和非定向標(biāo)本。本文將對以上4個問題進(jìn)行討論。

1總場測量方式和梯度測量方式

磁性參數(shù)測量可以根據(jù)測量的方式分為總場方式和梯度方式。但很多工作人員迷惑于測量方式的概念，并不能進(jìn)行深刻的理解。

(1)總場測量。采用單探頭的總場測量裝置則必須要求在附近另設(shè)一臺測日變T0的同類儀器，將每次讀數(shù)Tl(l表示測量時標(biāo)本盒的六個面，本文中六個面以坐標(biāo)軸的方向±x、±y、±z來表示)進(jìn)行日變改正后才能算出標(biāo)本產(chǎn)生的磁場ΔTl(ΔTl=Tl-T0)。

(2)梯度測量。采用雙探頭的梯度測量裝置，靠近標(biāo)本的探頭(下探頭)測量正常場和標(biāo)本的疊加磁場，而遠(yuǎn)離標(biāo)本的探頭(上探頭)通常認(rèn)為不受標(biāo)本磁場影響，測量的是正常場。放置標(biāo)本時儀器梯度讀數(shù)(TH)即為標(biāo)本所產(chǎn)生的磁場[1]。

需要說明的是梯度方式測量中，我們所要的只是磁力儀在“梯度模式”下輸出的梯度讀數(shù)(即下探頭和上探頭的差值)，并不需要除以兩個探頭之間的距離求真實的磁場梯度值；只是利用儀器的“梯度模式”，其目的是進(jìn)行日變改正。在實際工作中多見誤將真實梯度值用來計算磁參數(shù)，因為探頭間距離通常小于1 m，導(dǎo)致磁參數(shù)計算值偏大，實際上是對這一概念理解錯誤而導(dǎo)致[2]。

總場測量方式和梯度測量方式實際上是一致的，兩種方式都需要兩個探頭，有很好的一致性。

2高斯第一位置和高斯第二位置

《地磁場與磁力勘探》[1]只是給出了磁秤法測定磁參數(shù)的高斯第二位置的計算公式的推導(dǎo)過程；地礦行業(yè)磁測標(biāo)準(zhǔn)[2]中給出了用質(zhì)子磁力儀測定巖礦石標(biāo)本磁參數(shù)的高斯第一位置和高斯第二位置時的計算公式。但對高斯第一位置和高斯第二位置沒有明確的說明，高斯第一位置和高斯第二位置計算公式為何不同也未做說明。

通常對野外采集的標(biāo)本使用質(zhì)子磁力儀測量它的磁化率κ和剩余磁化強度Mr時，把標(biāo)本產(chǎn)生的磁場看作是磁偶極子產(chǎn)生的磁場[1]：

(1)高斯第一位置定義

磁探頭與標(biāo)本連線平行于地磁場方向。此時標(biāo)本對探頭產(chǎn)生的磁場：

從圖1中可以看出，對于給定的r1，高斯第一位置實際上有兩個點，以r1為半徑的圓與地磁場方向的交點，通常選擇斜上方的點的位置。

圖1　磁偶極子感應(yīng)磁場中的高斯第一位置與高斯第二位置Fig.1　The first and the second Gauss position inthe induced magnetic field of the magnetic dipole

(2)高斯第二位置定義

磁探頭與標(biāo)本連線垂直于地磁場方向。此時標(biāo)本對探頭產(chǎn)生的磁場：

上式中負(fù)號表示與地磁場的方向相反。從圖1中可以看出，對于給定的r2，這樣的點有無數(shù)個，以r2為半徑的圓與磁力線的交點。但實際上更多時候我們只取和標(biāo)本等高的正東或正西方向的交點中的一個(A或B)。

使用高斯第一位置和高斯第二位置感應(yīng)磁場表達(dá)式，就可以推導(dǎo)出對梯度測量方式的第一位置和第二位置不同的計算公式與規(guī)范相同。

(1)梯度測量方式的第一位置計算公式

設(shè)未放置標(biāo)本前梯度讀數(shù)為ΔT0，放置標(biāo)本后在x軸的正反方向兩個讀數(shù)為ΔT+x和ΔT-x，則有：

上面兩式中Mix和Mrx分別為標(biāo)本x軸方向上的感應(yīng)磁化強度和剩余磁化強度。

將上面兩式相加后得到：

將前面兩式相減可以得到：

在標(biāo)本翻轉(zhuǎn)以后得到相應(yīng)的ΔT+y、ΔT-y、ΔT+z和ΔT-z，其磁化率κ和剩余磁化強度Mr的計算公式如下[2]：

上兩式當(dāng)中，r為標(biāo)本中心到探頭中心距離；V為標(biāo)本體積；ΔT0為當(dāng)?shù)氐卮艌隹倧姸戎?，單位nT；ΔTl為(l=±x,±y,±z)標(biāo)本產(chǎn)生的磁場值，單位nT。

需要說明的是：①計算κ時，只要V和r3單位相同(例如r的單位為cm，則V為cm3)；如果T0和ΔTl單位相同(例如T0和ΔTl都為nT)即可。②計算Mr的公式V和r3單位相同之外，要求ΔTl的單位必須是nT，否則后面所乘的指數(shù)項就需要做相應(yīng)改變。③用第一位置測定時，各讀數(shù)應(yīng)滿足下式，因為只有這樣才能保證所計算得到的磁化率值為正值。

(2)梯度測量方式的第二位置計算公式

用同樣的方法可推導(dǎo)出高斯第二位置的計算公式：

圖2　高斯第一位置的傾斜測定法(a)和高斯第二位置的水平測定法(b)Fig.2　Tilt measurement method for the first Gaussposition (a) and horizontal measurement methodfor the second Gauss position (b)

用第二位置測定時，各讀數(shù)應(yīng)滿足：

綜上可以看出，上述兩種測定方法計算公式的不同，實際上是因為不同測量位置處的磁偶極子的磁場不同而造成的。

3傾斜測定法和水平測定法

測定方法主要有傾斜測定法和水平測定法(圖2)。這里所說的傾斜或水平指的是標(biāo)本(盒)的放置方法。傾斜測定法是利用磁總場T0直接計算磁參數(shù)，水平測定法是將正?？倛鯰0，以磁傾角I0分解為垂直與水平分量，它們共同對標(biāo)本磁化，并用分量合成來計算磁參數(shù)。

對傾斜測定法論述較多[3-9]，目前為多數(shù)地勘單位采用。傾斜測定法沿襲磁秤法而來。磁秤法可以分為高斯第一位置、高斯第二位置和高斯第三位置。高斯第一位置和高斯第二位置都是利用磁秤測量磁場垂直分量來計算磁參數(shù)，所謂高斯第三位置則是將磁系翻轉(zhuǎn)，測量磁場水平分量來計算磁參數(shù)。因為標(biāo)量磁力儀測量地磁場總場，只要把現(xiàn)在的地磁總場看作是過去的垂直場就可以了，只是磁化場不再是垂直向下的，而是向北傾斜的[7]。因此傾斜法只有高斯第一位置和高斯第二位置。傾斜測定法需要事先知道地磁場傾角。

余惠祥在1992年提出了水平測定方法，對磁參數(shù)計算公式給出了詳細(xì)的推導(dǎo)過程[10]，并且該方法被石油天然氣行業(yè)的磁法勘探規(guī)范所采用。該水平測定法計算公式巧妙的省去磁傾角參數(shù)，故無需考慮地磁傾角。王慶乙等研究了水平測定法中的三種不同位置(第一位置、第二位置和第三位置)，并且指出了第二位置適用全球水平測定磁參數(shù)[11]；其第一位置和第三位置與磁秤法中的高斯第一位置和高斯第三位置并不同，但第二位置與高斯第二位置實際上是相同的位置，也就是余惠祥提出的水平測定方法。

4定向標(biāo)本和非定向標(biāo)本

對于非定向標(biāo)本而言，如果不考慮標(biāo)本自身形狀對標(biāo)本磁參數(shù)的影響，因為無需計算剩磁的傾角和偏角，無論是高斯第一位置還是高斯第二位置，無論標(biāo)本盒是傾斜放還是水平放，理論上得到的磁化率κ和剩磁大小Mr是一樣的。因為水平放置或者傾斜放置可以看成是標(biāo)本在標(biāo)本盒內(nèi)的“姿態(tài)”不同而已。

對于定向標(biāo)本，如圖3采用用右手坐標(biāo)系對標(biāo)本的x、y和z軸進(jìn)行定義。傾斜測量時，x軸正方向指向地磁場(T0)方向，y軸指向磁東。水平測量時，x軸正方向指向磁北方向，y軸指向磁東。但無論是傾斜放還是水平放，都可以使用得到的Mrx、Mry和Mrz值計算標(biāo)本的剩磁偏角、剩磁方位角和剩磁傾角，并且這樣做使得計算更加簡單。

圖3　定向標(biāo)本的放置[12]Fig.3　Placement of oriented specimens

以上三式中，剩磁偏角(φ)、剩磁方位角(φf)、剩磁傾角(θ)的單位都是弧度(rad)；θ為正值表示向下傾，θ為負(fù)值表示向上傾。

使用已經(jīng)計算得到的Mrx、Mry和Mrz計算標(biāo)本剩磁方向(在水平面投影)的方位角(或偏角)更加方便可靠。避免了對多次測值相減的正負(fù)值進(jìn)行判斷以確定角度方位的繁瑣。

5結(jié)語

磁參數(shù)測量是磁法勘探中的一個環(huán)節(jié)，對進(jìn)行異常解釋起著至關(guān)重要的作用，看似簡單，但卻有著實際的意義。對現(xiàn)有的測量磁參數(shù)的方法進(jìn)行細(xì)致的解讀，對獲得合理的、可靠的測定數(shù)據(jù)具有一定的指導(dǎo)作用。通過對比分析發(fā)現(xiàn)，使用梯度方式更加方便；而使用高斯第二位置的水平測定法具有優(yōu)勢，該方法無需知道當(dāng)?shù)氐牡卮艃A角；對于定向標(biāo)本使用已經(jīng)計算得到的Mrx、Mry和Mrz計算標(biāo)本剩磁方向的方位角(或偏角)，能使角度的判斷更加簡便。

參考文獻(xiàn)：

[1]管志寧. 地磁場與磁力勘探[M]. 北京: 地質(zhì)出版社, 2007: 78-81.

[2]秦藻瑚, 李仁豪, 齊文秀, 等. 中華人民共和國地質(zhì)礦產(chǎn)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DZ/T 0071—93, 地面高精度磁測技術(shù)規(guī)程[S].北京: 中國標(biāo)準(zhǔn)出版社, 1993.

[3]馬淑顏, 王喜臣, 禹惠民. 磁參數(shù)測量裝置的設(shè)計原理及操作[J]. 吉林大學(xué)學(xué)報, 2006: 36(專輯): 204-206.

[4]樊金生, 張云明, 郭文波, 等. 用質(zhì)子式磁力儀測定巖(礦)石標(biāo)本幾個問題的探討[C]. 陜西地球物理文集(十)——資源與災(zāi)害地球物理, 2011: 175-178.

[5]成正國. 用MP-4高精度質(zhì)子磁力儀測定巖(礦)石標(biāo)本磁性習(xí)[J]. 物探與化探, 1992, 16(2): 150-152.

[6]樊彥超. 用GSM-19T微機質(zhì)子磁力儀測定巖(礦)石標(biāo)本磁性參數(shù)的方法及磁性參數(shù)實際工作中的應(yīng)用[J]. 地球, 2014(7): 219-222.

[7]陳可明. 用CHD-6核子旋進(jìn)磁力儀測定巖石標(biāo)本磁參數(shù)的方法[J]. 物探與化探, 1983, 7(2): 98-104.

[8]王鐘, 梁錦文. 磁參數(shù)工作中的幾個問題[J]. 地質(zhì)與勘探, 1979, 3(1): 55-62.

[9]李才明, 李軍, 周拓宇. 用質(zhì)子磁力儀測定巖(礦)石標(biāo)本磁參數(shù)時應(yīng)注意的問題[J]. 礦物巖石, 2004, 24(1): 105-107.

[10]余惠祥. 質(zhì)子旋進(jìn)磁力儀測定巖(礦)石標(biāo)本磁參數(shù)的新方法[J]. 地質(zhì)與勘探, 1992, 28(12): 34-39.

[11]王慶乙, 徐立忠, 閆偉. 質(zhì)子磁力儀平測巖礦標(biāo)本磁參數(shù)的裝置與計算方法[J]. 物探與化探, 2013, 37(3): 508-511.

[12]楊占軍, 王春玉, 齊保智. 中華人民共和國石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 5771—2011, 地面磁法勘探技術(shù)規(guī)程[S]. 北京: 石油工業(yè)出版社, 2011.

Several problems for the scalar magnetometer-determined magnetic parameters of rock and ore specimens

LIANG Jian1,2，HUANG Jinhui1，XUE Yuefen1，ZHANG Chuan1

(1.China Metallurgical Geology Bureau geophysical prospecting Institute，Baoding 071051, Hebei, China；2.ChinaUniversityofGeosciences(beijing)，Beijing100083,China)

Abstract：Magnetic parameter measurement is a key link in magnetic survey and plays an important role in anomly interpretation. During gradient measurement gradient model is applied to make diurnal variation of the measured data. In this paper the first Gauss position and the second Gauss position is defined and the reason why calculation formula of the first Gauss position differs from that of the second Gauss position and the relationship between the horizontal and the tilt measurement discussed. For oriented samples the residual magnetic declination is different from the residual magnetic azimuth. The optimum magnetic measurement scheme is proposed.

Key Words：scalar magnetometer；magnetic parameters；gradient； horizontal measurement；tilt measurement

收稿日期：2015-09-07；改回日期：2015-12-28；責(zé)任編輯：王傳泰

基金項目：中國地質(zhì)調(diào)查局項目(編號：1212011140136)、青海省國土廳項目(編號：11-1-HK1)聯(lián)合資助。

作者簡介：梁建(1983—)，男，工程師，碩士研究生，從事航空物探綜合研究工作。

通信地址：河北省保定市陽光北大街139號，中國冶金地質(zhì)總局地球物理勘查院；郵政編碼：071051；E-mail：liangjian3661@foxmail.com

doi:10.6053/j.issn.1001-1412.2016.02.015

中圖分類號：P318.63，P631.22

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A