梁　建，黃金輝，薛月芬，張　川

(1.中國(guó)冶金地質(zhì)總局地球物理勘查院，河北 保定 071051；2.中國(guó)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(cè)定巖(礦)石標(biāo)本磁參數(shù)的幾個(gè)問(wèn)題

梁建1,2，黃金輝1，薛月芬1，張川1

(1.中國(guó)冶金地質(zhì)總局地球物理勘查院，河北 保定 071051；2.中國(guó)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(cè)量是磁法勘探中的一個(gè)環(huán)節(jié)，對(duì)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(cè)量方式只是利用磁力儀的“梯度模式”在測(cè)量過(guò)程中進(jìn)行日變改正。對(duì)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(jì)算公式為何不同。討論了水平測(cè)定方法和傾斜測(cè)定法之間的關(guān)系。對(duì)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(cè)量方案。

關(guān)鍵詞：標(biāo)量磁力儀；磁參數(shù)；梯度；水平測(cè)量；傾斜測(cè)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(duì)磁異常進(jìn)行正確的地質(zhì)評(píng)價(jià)就必須對(duì)巖礦石的磁性參數(shù)進(jìn)行測(cè)定，掌握各種巖石的磁性強(qiáng)弱及其空間分布特征。可見(jiàn)獲得研究區(qū)內(nèi)的巖礦石的磁性參數(shù)在磁法勘探中是一項(xiàng)十分重要的工作，它對(duì)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(cè)量地球的總場(chǎng)強(qiáng)度(T)，在磁參數(shù)的測(cè)量工作中，用標(biāo)量磁力儀(如質(zhì)子磁力儀)測(cè)量巖石標(biāo)本產(chǎn)生的磁場(chǎng)來(lái)計(jì)算出巖石標(biāo)本的磁化率(κ)和剩余磁化強(qiáng)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(duì)磁參數(shù)測(cè)定的方法也不相同，測(cè)量過(guò)程中遇到的問(wèn)題主要集中在以下4個(gè)方面：①總場(chǎng)測(cè)量方式和梯度測(cè)量方式；②高斯第一位置和高斯第二位置；③傾斜測(cè)定法和水平測(cè)定法；④定向標(biāo)本和非定向標(biāo)本。本文將對(duì)以上4個(gè)問(wèn)題進(jìn)行討論。

1總場(chǎng)測(cè)量方式和梯度測(cè)量方式

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

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

(2)梯度測(cè)量。采用雙探頭的梯度測(cè)量裝置，靠近標(biāo)本的探頭(下探頭)測(cè)量正常場(chǎng)和標(biāo)本的疊加磁場(chǎng)，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(chǎng)影響，測(cè)量的是正常場(chǎng)。放置標(biāo)本時(shí)儀器梯度讀數(shù)(TH)即為標(biāo)本所產(chǎn)生的磁場(chǎng)[1]。

需要說(shuō)明的是梯度方式測(cè)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(gè)探頭之間的距離求真實(shí)的磁場(chǎng)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(shí)際工作中多見(jiàn)誤將真實(shí)梯度值用來(lái)計(jì)算磁參數(shù)，因?yàn)樘筋^間距離通常小于1 m，導(dǎo)致磁參數(shù)計(jì)算值偏大，實(shí)際上是對(duì)這一概念理解錯(cuò)誤而導(dǎo)致[2]。

總場(chǎng)測(cè)量方式和梯度測(cè)量方式實(shí)際上是一致的，兩種方式都需要兩個(gè)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(chǎng)與磁力勘探》[1]只是給出了磁秤法測(cè)定磁參數(shù)的高斯第二位置的計(jì)算公式的推導(dǎo)過(guò)程；地礦行業(yè)磁測(cè)標(biāo)準(zhǔn)[2]中給出了用質(zhì)子磁力儀測(cè)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(shí)的計(jì)算公式。但對(duì)高斯第一位置和高斯第二位置沒(méi)有明確的說(shuō)明，高斯第一位置和高斯第二位置計(jì)算公式為何不同也未做說(shuō)明。

通常對(duì)野外采集的標(biāo)本使用質(zhì)子磁力儀測(cè)量它的磁化率κ和剩余磁化強(qiáng)度Mr時(shí)，把標(biāo)本產(chǎn)生的磁場(chǎng)看作是磁偶極子產(chǎn)生的磁場(chǎng)[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(chǎng)方向。此時(shí)標(biāo)本對(duì)探頭產(chǎn)生的磁場(chǎng)：

從圖1中可以看出，對(duì)于給定的r1，高斯第一位置實(shí)際上有兩個(gè)點(diǎn)，以r1為半徑的圓與地磁場(chǎng)方向的交點(diǎn)，通常選擇斜上方的點(diǎn)的位置。

圖1　磁偶極子感應(yīng)磁場(chǎng)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(chǎng)方向。此時(shí)標(biāo)本對(duì)探頭產(chǎn)生的磁場(chǎng)：

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

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

(1)梯度測(cè)量方式的第一位置計(jì)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(gè)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(qiáng)度和剩余磁化強(qiáng)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(qiáng)度Mr的計(jì)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?chǎng)總強(qiáng)度值，單位nT；ΔTl為(l=±x,±y,±z)標(biāo)本產(chǎn)生的磁場(chǎng)值，單位nT。

需要說(shuō)明的是：①計(jì)算κ時(shí)，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(jì)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(xiàng)就需要做相應(yīng)改變。③用第一位置測(cè)定時(shí)，各讀數(shù)應(yīng)滿足下式，因?yàn)橹挥羞@樣才能保證所計(jì)算得到的磁化率值為正值。

(2)梯度測(cè)量方式的第二位置計(jì)算公式

用同樣的方法可推導(dǎo)出高斯第二位置的計(jì)算公式：

圖2　高斯第一位置的傾斜測(cè)定法(a)和高斯第二位置的水平測(cè)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(cè)定時(shí)，各讀數(shù)應(yīng)滿足：

綜上可以看出，上述兩種測(cè)定方法計(jì)算公式的不同，實(shí)際上是因?yàn)椴煌瑴y(cè)量位置處的磁偶極子的磁場(chǎng)不同而造成的。

3傾斜測(cè)定法和水平測(cè)定法

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

對(duì)傾斜測(cè)定法論述較多[3-9]，目前為多數(shù)地勘單位采用。傾斜測(cè)定法沿襲磁秤法而來(lái)。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(cè)量磁場(chǎng)垂直分量來(lái)計(jì)算磁參數(shù)，所謂高斯第三位置則是將磁系翻轉(zhuǎn)，測(cè)量磁場(chǎng)水平分量來(lái)計(jì)算磁參數(shù)。因?yàn)闃?biāo)量磁力儀測(cè)量地磁場(chǎng)總場(chǎng)，只要把現(xiàn)在的地磁總場(chǎng)看作是過(guò)去的垂直場(chǎng)就可以了，只是磁化場(chǎng)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(cè)定法需要事先知道地磁場(chǎng)傾角。

余惠祥在1992年提出了水平測(cè)定方法，對(duì)磁參數(shù)計(jì)算公式給出了詳細(xì)的推導(dǎo)過(guò)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(cè)定法計(jì)算公式巧妙的省去磁傾角參數(shù)，故無(wú)需考慮地磁傾角。王慶乙等研究了水平測(cè)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(cè)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(shí)際上是相同的位置，也就是余惠祥提出的水平測(cè)定方法。

4定向標(biāo)本和非定向標(biāo)本

對(duì)于非定向標(biāo)本而言，如果不考慮標(biāo)本自身形狀對(duì)標(biāo)本磁參數(shù)的影響，因?yàn)闊o(wú)需計(jì)算剩磁的傾角和偏角，無(wú)論是高斯第一位置還是高斯第二位置，無(wú)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?yàn)樗椒胖没蛘邇A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(duì)于定向標(biāo)本，如圖3采用用右手坐標(biāo)系對(duì)標(biāo)本的x、y和z軸進(jìn)行定義。傾斜測(cè)量時(shí)，x軸正方向指向地磁場(chǎng)(T0)方向，y軸指向磁東。水平測(cè)量時(shí)，x軸正方向指向磁北方向，y軸指向磁東。但無(wú)論是傾斜放還是水平放，都可以使用得到的Mrx、Mry和Mrz值計(jì)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(jì)算更加簡(jiǎn)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(shuō))、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(jì)算得到的Mrx、Mry和Mrz計(jì)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(duì)多次測(cè)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(yǔ)

磁參數(shù)測(cè)量是磁法勘探中的一個(gè)環(huán)節(jié)，對(duì)進(jìn)行異常解釋起著至關(guān)重要的作用，看似簡(jiǎn)單，但卻有著實(shí)際的意義。對(duì)現(xiàn)有的測(cè)量磁參數(shù)的方法進(jìn)行細(xì)致的解讀，對(duì)獲得合理的、可靠的測(cè)定數(shù)據(jù)具有一定的指導(dǎo)作用。通過(guò)對(duì)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(cè)定法具有優(yōu)勢(shì)，該方法無(wú)需知道當(dāng)?shù)氐牡卮艃A角；對(duì)于定向標(biāo)本使用已經(jīng)計(jì)算得到的Mrx、Mry和Mrz計(jì)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(jiǎn)便。

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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(xiàng)目：中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局項(xiàng)目(編號(hào)：1212011140136)、青海省國(guó)土廳項(xiàng)目(編號(hào)：11-1-HK1)聯(lián)合資助。

作者簡(jiǎn)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(yáng)光北大街139號(hào)，中國(guó)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(hào)：P318.63，P631.22

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A