海洋地球物理探测2地球物理方法的物质基础课件.ppt

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1、第二章 地球物理方法的物质基础,2.1 ：岩（矿）石的密度2.2 ：岩（矿）石的磁性2.3 ：岩（矿）石层的地震波速度2.4 ：岩（矿）石的电学性质,岩（矿）石的密度：是指岩（矿）石的致密程度，通常以单位体积物质的质量来表示，单位是：g/cm3或kg/m3。 自然界中的岩矿石的密度存在差异，这些差异是重力法的地球物理依据。,2.1 岩（矿）石的密度,大量测定和研究结果认为，决定岩石密度的主要因素有： 岩石中各种矿物成分及其含量； 岩石的孔隙度及孔隙中的充填物； 岩石所受的压力；,一、决定岩石、矿石密度的主要因素,对某种岩石来说，这三种因素的作用不一定同时都表现得十分显著。通常情况下，只有其中某

2、一种或二种因素起主导作用。,主要由矿物成分及其含量多少决定。,火成岩从酸性岩向基性岩过渡时，其密度值随着岩石中铁镁暗色矿物百分含量的逐渐增加而变大。,1、火成岩的密度,火成岩成分与密度的关系,根据sio2含量的多少，将火成岩分为： 超基性岩：66%，流纹岩，花岗岩,同一种侵入的火成岩体存在不同的岩相带：边缘相、过渡相和内相。 -边缘相：偏基性； -过渡相内相：岩性逐渐发育为偏酸性；,江西蒙山花岗岩和九岭花岗岩侵入体的不同岩相带的密度分布曲线表明：边缘相的密度要比过渡相和内相的密度大些。,不同岩相带的密度分布曲线,同类侵入岩体不同时期侵入，其矿物成分虽然相同，但含量变化时，密度也会有所不同。 对

3、于同源岩浆、尽管其化学成分可能一样，由于成岩环境不同，也可能形成不同的矿物和岩石，密度也不同。 侵入岩和喷出岩的密度有较大差异。,沉积岩的密度很大程度上取决于孔隙度，与物质成分的关系不明显。沉积岩一般具有较大的孔隙度，如灰岩、页岩、砂岩等的孔隙度可达30%40%。粘土的孔隙度可高达50%。,2、沉积岩的密度,孔隙度与密度关系曲线,石灰岩,砂岩,密度与孔隙度成反比关系，孔隙度变大，密度减小。,年龄：同一成分的沉积岩，由于成岩时代早晚的不同、经历的地质作用不同、造成岩石的孔隙度也不尽相同，则其密度也会有所差异。时代较老的沉积岩较时代新的同类岩石的密度要大。 构造：同一时代同类岩性的沉积岩，由于所受

4、地质作用条件的不同，在不同部位，其密度也会有所不同。,压力变化：一般而言，近地表的沉积岩由于受到的压力较小，其孔隙度较大，则密度较小；随着埋藏深度增加，上层负荷压力加大，孔隙度相应减小，密度增大；,3、变质岩的密度,与矿物的成分、含量和孔隙度均有密切的关系，主要由变质的性质和变质的程度大小来决定。,一般区域变质作用使变质岩的密度比原岩的要大。（例如，变质程度较深的片麻岩、麻粒岩等要比变质程度浅的千枚岩、石英片岩等岩石密度大） 动力变质作用使原岩结构遭受破坏，矿物被压碎，因而经这种变质作用后的岩石其密度叫原岩密度低。但动力变质作用若使原岩发生了硅化、碳酸盐化以及重结晶时，则变质后的密度较原岩大。

5、,1、岩矿石标本密度的测定： 通过直接测定岩（矿）石标本的密度大小，确定其所代表的岩性的密度，或确定它们之间的密度差。 测定方法：天平测定法；密度仪测定法；,二、密度的测定与估算,天平测定法,岩石标本,实现：阿基米德原理,标本在水中减轻的重量等于它排开同体积水的重量,空气中重量,水中重量,2、利用重力资料采用试验和计算的方法估算岩层、地层的平均密度 测定方法：重力试验剖面估计中间层密度； 最小二乘法估计地层密度； 利用竖井中重力测量结果计算地层平均密度；,方法原理,竖井中重力测量,第三章 地球物理方法的物质基础,2.1 ：岩（矿）石的密度2.2 ：岩（矿）石的磁性2.3 ：岩（矿）石层的地震波

6、速度2.4 ：岩（矿）石的电学性质,2.2 岩（矿）石的磁性,一、物质的磁性 二、岩（矿）石的磁性特征 三、岩石的剩余磁性 四、影响岩（矿）石磁性的主要因素 五、地质体磁化的消磁作用,一、物质的磁性,1、物质的磁性：任何物质的磁性都是带电粒子运动的结果。原子是组成物质的基本单元，它由原子核及其核外电子组成。 电子绕核沿轨道运动，具有轨道磁矩。电子还有自旋运动，具有自旋磁矩。磁矩的大小与各自的动量矩成正比。 原子核为带正电粒子组成，呈自旋运动，也具有磁矩，但数值很小； 原子总磁矩=电子轨道磁矩+自旋磁矩+原子核自旋磁矩的矢量和。,一个分子中有许多电子和原子核，分子磁矩是其中所有电子与原子核磁矩的

7、矢量和。,由于原子结构不同，各类物质在外磁场的作用下呈现不同的宏观磁性。 （1）、抗磁性（逆磁性）物质； （2）、顺磁性物质； （3）、铁磁性物质；,原子的各电子壳层中，电子成对出现，自旋方向相反，电子自旋磁矩相互抵消。轨道磁矩也因相邻轨道磁场的相互作用而抵消。因而原子核和电子磁矩的矢量和为零。 当受外磁场作用后，电子受到洛仑兹力的作用，其运动轨道绕外磁场作旋进而产生附加磁矩，其方向与外磁场相反，形成抗磁性。 当外磁场去掉后，附加磁矩随即消失，并与温度无关。,（1）、抗磁性（逆磁性）物质,原子的不同电子壳层中，含有非成对的电子，电子自旋磁矩未被抵消；原子核和电子磁矩的矢量和具有一定数值，即固有

8、磁矩。 在外磁场作用下，分子的固有磁矩方向转向外磁场方向，表现为顺磁性。外磁场越强，分子磁矩排列得越整齐。,（2）、顺磁性物质,（3）、铁磁性物质,其基本磁矩为电子自旋磁矩，轨道磁矩基本无贡献。 铁磁物质内包括很多自发磁化区域，称作磁畴。在无外磁场作用时，各磁畴的磁化强度矢量取向混乱，不呈磁性。当施加外磁场时，磁畴结构将发生变化，随着外磁场增加，通过畴壁移动和磁畴转动的过程显示出宏观磁性。,2、表示磁性的物理量,表征岩矿石磁性的物理量是： 磁化率; 感应磁化强度; 剩余磁化强度; 总磁化强度。,：磁化率：表征物质受磁化的难易程度；它是无量纲的物理量。 实际工作中，磁化率注以所用单位制，SI单位

9、制用SI()标明，CGSM单位制用CGSM()标明；两者关系为：1 SI()=1/4CGSM(),（1）磁化率和磁化强度,磁化强度M：物质被磁化后，一小体积内分子磁矩的矢量和将不再为零。单位体积内分子磁矩的矢量和表示物质磁化的程度，即为磁化强度。,它与磁场强度之间的关系为：M=B,磁化强度M的单位： SI：安/米（A/m）； CGSM：用CGSM（M）表示； 1A/m=10-3 CGSM（M）。,剩余磁化强度 ：岩矿石在生成时，处于一定条件下，受当时的地磁场磁化所保留下来的磁化强度，它与现代地磁场无关。,（2）感应磁化强度和剩余磁化强度感应磁化强度：位于岩石圈的岩体和矿体，它们受现代地磁场的磁

10、化而具有的磁化强度，表示为：,岩石的总磁化强度M为二者之和，即：,（3）总磁化强度,（1）、抗磁性（逆磁性）物质,-磁化率为不大的正值；-磁化率与绝对温度成反比，服从居里定律：,-磁化率为负值，且数值很小，约为10-5数量级。-与温度无关。,（2）、顺磁性物质,3、物质的磁性特点,C为居里常数，T为温度；,对未磁化样品施加磁场H的作用，随H值由零增至Hs，而后减至零；反向由零减至-Hs， 再由-Hs增至Hs，变化一周。磁化强度M沿着O，A，B，C，D，E，F，A变化，所形成的曲线称为磁滞回线。它表明铁磁性物质的磁化强度随磁化场变化，呈不可逆性。Hc称为矫顽磁力，不同铁磁性物质的Hc 的变化范围

11、较大。,在弱磁场作用下，铁磁性物质即可达到磁化饱和，其磁化率要比抗、顺磁性物质的磁化率大很多。主要的磁性特征：,磁化强度与磁化场呈非线性关系,（3）、铁磁性物质,铁磁性又分为三种类型：（1）铁磁性：磁畴内原子磁矩排列在同一方向，如铁、镍、钴等；（2）反铁磁性：磁畴内的原子磁矩排列相反，故磁化率很小，但具有很大的矫顽磁力；（3）亚铁磁性：磁畴内的原子磁矩反平行排列，磁矩互不相等，仍具有自发磁性。此类物质具有较大的磁化率和磁化强度。,各种铁磁性原子磁矩排列示意图,（1）铁磁性,（2）反铁磁性,（3）亚铁磁性,当 时，铁磁性消失，转变为顺磁性。但一般铁磁性体的居里温度很高。如铁为1043K，钴为13

12、88K。,磁化率与温度的关系服从居里-魏斯定律,当温度升高时，这类物质的磁化率逐渐增加，临近居里点时达到极大值；然后急剧下降，趋于零。居里点为铁磁性物质的磁化强度陡然降低，物质由铁磁性转为顺磁性的温度。,2.2 岩（矿）石的磁性,一、物质的磁性 二、岩（矿）石的磁性特征 三、岩石的剩余磁性 四、影响岩（矿）石磁性的主要因素 五、地质体磁化的消磁作用,二、岩（矿）石的磁性特征,1、矿物的磁性特征,由于岩石由矿物组成，所以岩石的磁性强弱与矿物的磁性有直接关系。（1）抗磁性矿物与顺磁性矿物 自然界中的绝大多数矿物属于顺磁性与抗磁性的。-抗磁性：岩盐、石膏、方解石、石英、石油、石墨、金刚石等;-顺磁性

13、：黑云母、辉石、角闪石、蛇纹石、石榴子石、褐铁矿等;,抗磁性矿物的磁化率都很小，在磁力勘探中通常视为无磁性的； 顺磁性矿物的磁化率要比抗磁性矿物大得多，约两个数量级；,（2）铁磁性矿物： 自然界中并不存在纯铁磁性矿物，最重要的磁性矿物当推铁-钛氧化物。 地壳中纯磁铁矿少见，大多由不同比例的铁、钛、氧组成复杂的固熔体，它是典型的亚铁磁性。磁铁矿不仅有较强的磁化率，且有较强的剩余磁性，其变化范围较大。铁-钛氧化物的三元系统如右图所示，由FeO、Fe2O3和TiO2组成的固熔体,其主要矿物及磁性见以下附表所示。,铁-钛氧化物的三元系统,铁磁性矿物磁化率表,沉积岩的造岩矿物如石英、长石、方解石等，对磁

14、化率无贡献。 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，其数值不大。 一般来说，沉积岩的磁性较弱。沉积岩的磁化率主要决定于副矿物的含量及成分，副矿物是：磁铁矿、磁赤铁矿、赤铁矿以及铁的氢氧化物。,2、各类岩石的磁性特征,（1）沉积岩的磁性：,侵入岩 不同岩石组（花岗岩、花岗闪长岩、闪长岩、辉长岩、超基性岩等），其磁化率平均值随着岩石的基性增强而增大，且其磁化率均具有数值分布范围宽的相同特征。 -超基性岩是火成岩中磁性最强的。超基性岩体在经受蛇纹石化时，辉石被分解形成蛇纹石和磁铁矿，使磁化率急剧增大，可达几个SI(k)单位。 -基性、中性岩，一般来说其磁性较超基性岩次之。 -花岗岩建造

15、的侵入岩，普遍是铁磁-顺磁性的，磁化率不高。,（2）火成岩的磁性：,喷出岩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。由于喷出岩迅速且不均匀地冷却、结晶速度快，使磁化率离散性大。 具有明显的天然剩余磁性，Q=Mr/Mi，不同岩石组的Q值范围可从0-10或更大。,喷出岩,磁化率和天然剩余磁化强度，变化范围很大。按其磁性，变质岩可分为铁磁-顺磁性和铁磁性两类。它们与原来的基质有关，也与其生成条件有关。 -由沉积岩变质生成的岩石，其磁性特征一般具有铁磁-顺磁性。 -由岩浆岩变质生成的变质岩，其磁性有铁磁-顺磁性与铁磁性两组。其磁性与原岩的矿物成分、以及变质作用的外来性或原生型有关。,

16、（3）变质岩的磁性：,各类岩石的磁化率和天然剩余磁化强度,2.2 岩（矿）石的磁性,一、物质的磁性 二、岩（矿）石的磁性特征 三、岩石的剩余磁性 四、影响岩（矿）石磁性的主要因素 五、地质体磁化的消磁作用,岩石的剩余磁性： 岩石在成岩过程中获得天然剩余磁化强度，它是岩石磁性的重要组成部分。无论是磁力勘探还是古地磁测定，都要十分注意研究岩石的剩余磁性。由于形成剩余磁性的磁化历史（如磁化场、矿物成分、温度及化学反应等）的不同，剩余磁性的类型和特点也不同。,三、岩石的剩余磁性,在恒定磁场作用下，岩石从居里点以上的温度，逐渐冷却到居里点以下，在通过居里温度时受磁化所获得的剩磁，称热剩余磁性。（又称温度

17、顽磁性，简称热剩磁）。 应当注意热剩磁并非都是在居里温度时产生的，如令岩石自居里点逐渐冷却至室温且只在某一温度区间施加外磁场，由此得到的热剩余磁性称部分热剩磁。,1、岩石剩余磁性的类型和特点,热剩余磁性（TRM),特点：-强度大；在弱磁场中，热剩磁强度大致与外磁场强度成正比，并同外磁场方向一致。因此，火成岩的天然剩余磁化强度方向一般代表了成岩时的地磁场方向。-具有很高的稳定性，剩磁随时间衰减的现象称磁性弛豫。热剩磁的稳定表现为其弛豫时间很长。实验表明外磁场的变化，温度在200-300度内的热作用很难影响到热剩磁的变化。 -热剩磁服从叠加定律：总热剩磁是居里温度至室温，各个温度区间的部分热剩磁之

18、和。；-具热退磁现象，且热退磁过程也服从叠加定律。将已具有热剩磁的岩石标本，在零磁场空间内从室温加热到某一温度T1，然后冷却至室温则标本中T1温度以下的部分热剩磁全被清洗掉，称部分热退磁（或热清洗）。,碎屑剩余磁性（DRM） 沉积岩中含有从母岩风化剥蚀带来的许多碎屑颗粒，其中磁性颗粒（磁铁矿等）在水中沉积时，受到当时的地磁场作用，使其沿地磁场方向定向排列，或者是这些磁性颗粒在沉积物的含水空隙中转向地磁场方向，沉积物固结成岩后，按其碎屑磁化方向保存下来的磁性称碎屑剩余磁性（沉积剩余磁性，简称碎屑剩磁）。,特点：-强度正比于定向排列的磁性颗粒数目。其强度比热剩磁小的多。-形成碎屑剩磁的磁性颗粒大都

19、来自火成岩，这些颗粒的原生磁性来自热剩磁，因此，碎屑剩磁比较稳定。-等轴状颗粒，其碎屑剩磁方向与外磁场（地磁场）方向一致。,化学剩余磁性（CRM） 在一定磁场中，某些磁性物质在低于居里温度的条件下经过相变过程（重结晶）或化学过程（氧化还原），所获得的剩磁称作化学剩余磁性，简称化学剩磁。特点：-在弱磁场中，其剩磁强度正比于外磁场强度；-化学剩磁具有较高的稳定性。-在相同磁场中，化学剩磁的强度只有热剩磁强度的几十分之一，但它大于碎屑剩磁强度。,热剩磁、碎屑剩磁和化学剩磁又称原生剩磁。,粘滞剩余磁性（） 岩石生成之后，长期处于地球磁场作用下，随着时间的推移，其中原来定向排列的磁畴逐渐弛豫到作用磁场的

20、方向，所形成的剩磁称粘滞剩余磁性。特点：-它的强度与时间的对数成正比；-随着温度的增高，粘滞剩磁增大；裸露于地表的岩石受昼夜及季节温差变化的热骚动影响，随时间的增长会形成较大的粘滞剩磁。具有较大粘滞剩磁的岩石样品，不宜用于古地磁研究。,等温剩余磁性（IRM） 在常温没有加热的情况下，岩石因受外部磁场作用（如闪电作用），获得的剩磁称做等温剩余磁性。 特点： -等温剩磁是不稳定的，其大小方向随外磁场变化。 粘滞剩磁和等温剩磁两种剩磁是岩石形成之后受某些外部因素作用形成的，称为次生剩磁。 原生剩磁是磁力勘探和古地磁研究的对象。,火成岩：热剩磁是形成火成岩原生剩磁的原因。沉积岩：沉积岩剩磁是通过沉积作

21、用和成岩作用两个过程形成的，因而是碎屑剩磁和化学剩磁。,2、岩石剩余磁性的成因,变质岩：变质岩的剩余磁性与其原岩有关。由火成岩变质生成的正变质岩，它可能有热剩磁。由沉积岩变质生成副变质岩，它可能有碎屑剩磁与化学剩磁。,3.2 岩（矿）石的磁性,一、物质的磁性 二、岩（矿）石的磁性特征 三、岩石的剩余磁性 四、影响岩（矿）石磁性的主要因素 五、地质体磁化的消磁作用,四、影响岩（矿）石的磁性的主要因素,影响岩石磁性的主要因素：-岩石所含磁性矿物的类型与含量；-岩石所含磁性矿物的颗粒大小；-岩石所含磁性矿物的结构；-温度；-压力；,（1）岩石的磁性与铁磁性矿物含量的关系 一般来说，岩石中铁磁性矿物含

22、量越多，磁性越强。,（2）岩石磁性与磁性矿物颗粒大小的关系 实验表明，在给定的外磁场作用下，铁磁性矿物的相对含量不变，颗粒粗的较颗粒细的磁化率大。 可用于衡量剩磁大小的矫顽力Hc随铁磁性矿物颗粒的增大，呈减小的相关关系。喷出岩的剩磁常较同一成分的侵入岩的剩磁大。,（3）岩石磁性与磁性矿物结构的关系 铁磁性矿物在岩石中的结构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，颗粒相互胶结的比颗粒呈分散状者磁性强。,（4）岩石磁性与温度的关系1 抗磁性矿物的磁化率与温度无关； 顺磁性矿物的磁化率与温度的关系由居里定律确定； 铁磁性矿物的磁化率与温度的关系，有可逆性和不可逆型。前者磁化率随温度增高

23、而增大，接近居里点则陡然下降趋于零，加热和冷却过程，在一定条件下磁化率都有同一数值。后者的加热和冷却曲线不相吻合，即不可逆；它是温度增高后不稳定的那类铁磁性矿物的特征。此外，温度增高还能引起矿物矫顽磁力的减小。,（4）岩石磁性与温度的关系2 岩石磁化率与温度的相依关系比单纯矿物复杂。岩石的可-t曲线与铁磁性矿物的成分有关。曲线具有跃变形状，此特征代表岩石中含有不同居里点的几种矿物。岩石的居里温度分布仅与铁磁性矿物成分有关，而与矿物的数量、大小及形状无关。因此，热磁曲线可用于分析确定岩石中的铁磁矿物类型。温度增高，还导致岩石剩余磁化强度退磁。,岩石磁化率与温度的关系1-花岗闪长岩；2-黑云母角闪石花岗岩；3-闪长岩；4-黑云母花岗岩；,（5）岩石磁性与压力的关系 岩石磁化率及剩磁随着压力的增大而降低。在100MPa时，可降低10%-20%；在1000MPa时可降低50%。,2.2 岩（矿）石的磁性,一、物质的磁性 二、岩（矿）石的磁性特征 三、岩石的剩余磁性 四、影响岩（矿）石磁性的主要因素 五、地质体磁化的消磁作用,五、地质体磁化的消磁作用,如右图所示，设有限体为均匀有限磁介质，受外部磁场磁化，其两端表面将有面磁荷分布。它在有限体内部产生与磁化场H0 方向相反的磁场He，称为消磁场。消磁作用的影响： 影响磁化强度的大小和方向。,