Общие замечания о применении теории магнитного поля в магниторазведке

15.01.2017

Магниторазведка является одним из многих методов решения разнообразных геологических задач, начиная от мелкомасштабного геологического картирования до разведки некоторых рудных месторождений, прежде всего — магнетитовых руд. Целесообразность включения метода в общий комплекс работ зависит от поставленных геологических задач, геологической и географической обстановки и соответственно от ожидаемой экономической эффективности метода. В наибольшем объеме геологические исследования ведутся с целью обнаружения месторождений полезных ископаемых, оценки их промышленного значения и условий эксплуатации. Крупномасштабные геологические исследования производятся также при изысканиях железнодорожных трасс, при проектировании каналов, туннелей, при выборе мест заложения плотин, электростанций и других крупных сооружений.
Многообразие задач в различных условиях требует применения многих методов изучения: визуальных геологических наблюдений, геофизических и геохимических наблюдений, буровых и горных работ. На различных этапах изучения геологического строения и поисков месторождений полезных ископаемых различные методы применяются в определенной последовательности в соответствии с конкретными условиями.
Во всех случаях магнитным методом решаются только частные вопросы из общей народнохозяйственной задачи, полное решение достигается согласованным применением различных методов.
По результатам магнитных измерений составляются карты аномального магнитного поля в различных вариантах, обзор которых в большинстве случаев приводит к важным геологическим заключениям. К числу последних относятся заключения о простирании геологических образований, границах раздела пород различной намагниченности, о местоположении и размерах крупных (для данного масштаба съемки) массивов интрузий и контактовых зон, о площадях развития эффузивных образований, о наличии зон разломов, об относительной глубине крупных блоков и многие другие. При крупномасштабной съемке, применяемой при поисках и разведке рудных месторождений, по магнитному полю выделяются перспективные площади, к которым приурочены месторождения (зоны разломов, контактовые зоны и другие благоприятные для поисков условия), а в случае высокой намагниченности руд устанавливается местоположение рудных тел, дается заключение об их размерах и положении в пространстве.
Перечисленные, а иногда и более сложные геологические заключения даются в процессе обзора карт на основе известных закономерностей в распределении магнитного поля намагниченных геологических образований и опыта применения метода. Чтобы определить, например, контуры намагниченного тела, дать заключение о падении тела пластовой формы, определить смещение одного блока относительно другого и т. д., необходимо иметь представление о распределении поля в пространстве. Магнитное поле любого намагниченного геологического тела представлено на поверхности измерений положительными и отрицательными значениями; соотношение между ними очень сильно меняется в зависимости от глубины залегания, размеров, формы и положения тела в пространстве, широты местности и ориентировки тела относительно магнитного меридиана. При рассмотрении карт крупных площадей всегда возникают трудные вопросы о нахождении общих контуров единой аномалии, представленной двумя знаками, так как на карте изображается сложное поле, созданное не изолированным одним намагниченным телом, а многими телами различных размеров, различной намагниченности и расположенных на различных уровнях.
В настоящей главе рассматриваются аналитические выражения напряженности поля некоторых тел простейших форм в предположении однородной намагниченности тела, расположенного в немагнитной среде. Пользуясь этими выражениями, можно решить обратную задачу математической физики: по заданной на плоскости напряженности поля над телом известной формы вычислить параметры, определяющие заданную функцию. Найденные способы решения поставленной задачи нашли очень широкое применение в магниторазведке при вычислении глубины и элементов залегания тел, создающих изолированные аномалии. Следует заметить, что параметры, входящие в аналитическое выражение напряженности поля, не всегда совпадают с теми величинами, которые нужно определить при геолого-поисковых и разведочных работах. Покажем это на примере напряженности поля над шаром. В аналитическое выражение напряженности поля входит магнитный момент и координаты точек относительно центра шара, которые и могут быть вычислены. Залежей в форме шаров не бывает, но при определенной глубине залегания такие рудные тела, как бокситовые, заполняющие карстовые воронки, создают поля, очень близкие к полю шара. Можно найти и другие примеры. В этих случаях столь важные при поисках и разведке вопросы, как глубина залегания верхней кромки и размеры рудного тела, по магнитному полю определить нельзя, вычисляется только магнитный момент и глубина залегания центральной точки тела. Ho магнитный момент равен произведению объема тела на величину намагниченности. Последняя может быть известна по определениям на ранее разведанных рудных телах либо после вскрытия данного тела, после чего определяется его объем. В случае залежей пластовой формы крутого падения в аналитическое выражение входят параметры, строго совпадающие с глубиной и элементами залегания пласта. Обязательным условием для удовлетворительного применения готовых формул, вытекающих из аналитических выражений напряженности поля, является достаточно обоснованное представление о форме тела, возникающее на основе общего рассмотрения карты магнитного поля.
Пользуясь аналитическими выражениями напряженности поля над изолированными телами простейших форм, можно написать выражения над любым количеством тел различной формы в различном сочетании и найти способы вычисления входящих в эти выражения параметров. Однако трудности использования полученных выводов вполне очевидны: для успешного применения выводов требуется достаточно обоснованное предварительное представление не только о форме, но и о взаимном расположении совокупности тел.
При сложных магнитных аномалиях, когда поля одних тел накладываются на поля других, для вычисления глубины и элементов залегания намагниченных тел применяются приемы, заключающиеся в различных способах разделения аномалий с целью последовательного выделения простейших, к которым применимы относительно простые способы вычислений глубины, элементов залегания и намагниченности. Для выделения крупных аномалий, связанных с крупными геологическими образованиями, применяются методы осреднения поля по окружностям определенных радиусов или вычисление поля на плоскости, расположенной значительно выше поверхности наблюдений, когда поле относительно малых тел практически исчезает. Для выделения полей малых тел используется или разностное поле между первичным и осредненным, или по первичному полю находится трансформированное поле путем дифференцирования.
Способы вычисления глубины и элементов залегания намагниченных тел по готовым формулам, вытекающим из аналитических выражений поля над телами простейших форм, далеко не всегда применимы, так как очень многие поля создаются такими телами, форма которых даже весьма приближенно не может аппроксимироваться простейшими. Более широкие возможности возникают в результате трансформации наблюденного поля путем интегрирования или дифференцирования, а также путем вычисления напряженности тел выше или ниже поверхности наблюдений. Выбор способа трансформации зависит от характера поля и поставленных геологических задач.
Используемая в магниторазведке теория магнитного поля разработана в предположении однородной намагниченности отдельных геологических тел. В главе о магнитных свойствах горных пород указано, что отдельные образцы одного массива или рудного тела могут обладать резко различной намагниченностью, следовательно, в природных условиях рассматриваемое предположение не выполняется. Однако если изменения намагниченности беспорядочны, а среднее значение для укрупненных участков массива одинаково, то такая неоднородность при некотором удалении плоскостей измерений от массива не будет отражаться на магнитном поле и, следовательно, разработанная теория будет вполне приложима. Ho в природе существуют и закономерные изменения намагниченности пород в определенном направлении, например в плоскости эрозионного среза плутонов от центра к периферии, в зонах скарновых магнетитовых месторождений, в зонах гидротермальных изменений пород и т. д. Тщательное изучение намагниченности пород в названных условиях показывает, что изменения намагниченности происходят по закону, близкому к линейному. При таком изменении намагниченности нет нужды в разработке сложной теории для случая линейно возрастающей намагниченности. Достаточно построить кривые градиента поля по направлению, совпадающему с направлением возрастающей намагниченности, и рассматривать их как напряженность поля при однородной намагниченности, равной изменению реальной намагниченности в выбранном интервале. При дальнейшей разработке теории применительно к случаям изменения намагниченности по другим законам первоочередной задачей является выяснение закона изменения намагниченности по наблюденному полю, так как без этого математическая формулировка напряженности поля будет бесплодной.
Практическое применение выводов из теории магнитного поля намагниченных тел в значительной мере упрощается с помощью графики. Для общего ознакомления с изменениями магнитного поля над телами простейших форм при различном их положении в пространстве опубликованы атласы кривых. Для вычисления глубины и элементов залегания тел, ограниченных плоскостями или кривыми второго порядка, многими авторами опубликованы палетки, по которым находится нужное решение на основе совпадения наблюденной кривой напряженности поля с одной из теоретических. Обнаруженная в процессе исследования кривых связь между абсциссами некоторых точек кривых и глубиной залегания намагниченных тел послужила основой широко распространенного способа определения глубины по положению точек пересечения касательных к кривым в определенных точках. Все графические способы являются полезными в случаях, когда наблюдается простое, ничем не осложненное поле. При наличии сложных полей, которые являются преобладающими, необходимо пользоваться более сложными приемами, включающими тот или иной вид преобразования наблюдаемых полей.
В последние годы ведутся интенсивные работы по использованию современных электронно-вычислительных машин для вычисления глубины и элементов залегания намагниченных тел по магнитным аномалиям.