地球物理勘探概论：第一章 岩(矿)石物性与各类矿床的地球物理特征课件.ppt

第一章 岩（矿）石物性与各类矿床的地球物理特征,地球物理勘探以岩石、矿石（或地层）与围岩的物理性质差:密度、磁化性质、导电性、放射性等异为基础。,第一节 岩（矿）石的密度,三大岩类物质循环,一、岩矿石的密度,各类岩石的密度表,（一）岩（矿）石密度的一般规律,1.火成（岩浆）岩密度变质岩密度沉积岩密度,根据长期研究的结果，认为决定岩、矿石密度的主要因素为：,组成岩石的各种矿物成分及其含量的多少；岩石中孔隙度大小及孔隙中的充填物成分；岩石所承受的压力等。,2.火成岩（2.53.6 g/cm）,（1）主要取决于矿物成分及其含量的百分比，由酸性基性超基性岩，随着密度大的铁镁暗色矿物含量增多密度逐渐加大。（2）成岩过程中的冷凝、结晶分异作用也会造成同一岩体不同岩相带，由边缘相到中心相，密度逐渐增大。（3）不同成岩环境(如侵入与喷发)也会造成同一岩类的密度有较大差异，同一成分的火成岩密度，喷出岩小于侵入岩。（4）年代老的岩体的密度小于新岩体的密度。,喷出岩 2.52.6 g/cm,侵入岩 2.72.9 g/cm,基性、超基性岩 3.03.6 g/cm,火成岩成分和密度的关系,沉积岩的密度主要取决于岩石的孔隙度及岩石所处的构造部位：,（1）沉积岩一般具有较大的孔隙度，如灰岩、页岩、砂岩 等，这类岩石密度值主要取决于孔隙度大小，干燥的岩 石随孔隙度减少密度呈线性增大；（2）孔隙中如有充填物，充填物的成分(如水、油、气等)及 充填孔隙的百分比也明显地影响着密度值；（3）随着成岩时代的久远及埋深加大，上覆岩层对下伏岩层 的压力加大，这种压实作用也会使密度值变大。,3.沉积岩（1.62.7 g/cm）,4.变质岩（2.62.8 g/cm）,变质岩的密度一般大于原岩的密度；变质程度越深，密度越大；动力变质而使岩石破碎，则密度减小。,变质岩的密度与矿物成分、含量和孔隙度均有关，这主要由变质的性质和变质程度来决定；通常，由于重结晶等作用，区域变质作用将使变质岩比原岩密度值加大；经过变质的沉积岩，如大理岩、板岩和石英岩比原生石灰岩、页岩和砂岩更致密些。由于变质作用的复杂性，所以这类岩石的密度变化显得很不稳定，要具体情况具体分析,变质作用与变质岩,5.矿石,金属矿：很大，一般大于岩石的平均密度（2.7 g/cm）非金属矿：其 小于岩石的平均密度（2.7 g/cm）,根据有关地球物理资料，推测地球内部物质密度变化如下图所示：,（二）地球内部的密度分布,二、岩石、矿石标本的密度测定,设标本在空气中的重量为P1,在水中的重量为P2，水的密度为0则有：（P1-P2）g=V0g,第二节 岩矿石的磁性,一、物质的磁性,任何物质的磁性都是带电粒子运动的结果。,又叫逆磁性、反磁性。一些物质的原子中电子磁矩互相抵消，合磁矩为零。当受到外加磁场作用时,电子轨道运动会发生变化,而且在与外加磁场的相反方向产生很小的合磁矩,如H2O,SiO2,AlCI2。,（一）抗磁性（逆磁性）,抗磁性物质的原子（离子）的磁矩应为零,即不存在永久磁矩。当抗磁性物质放入外磁场中，受到外磁场作用后，电子受到洛仑兹力的作用，外磁场使电子轨道改变，其运动轨道绕外磁场做旋转（拉莫尔旋进），感生一个与外磁场方向相反的磁矩，表现为抗磁性。所以抗磁性来源于原子中电子轨道状态的变化。,K:磁化率，表征物质受磁化的难易程度,抗磁性,顺磁性是指有些物质可以受到外部磁场的影响产生同指向的磁场的特性。这样的物质具有正的磁化率。与顺磁性相反的现象被称为抗磁性。,（二）顺磁性,顺磁性,顺磁性物质的主要特征是：不论外加磁场是否存在，原子内部存在永久磁矩。,抗磁性,过渡族金属（如铁）及它们的合金和化合物所具有的磁性叫做铁磁性。法国P.E.外斯认为：铁磁体内部存在强大的“分子场”，即使无外磁场，也能使内部自发地磁化；自发磁化的小区域称为磁畴，每个磁畴的磁化均达到磁饱和。实验表明，磁畴磁矩起因于电子的自旋磁矩。,（三）铁磁性 Ferromagnetism,1.磁化强度与磁化场呈非线性关系。右图中HC 称为矫顽磁力。,磁滞回线,铁磁性,2.磁化率与温度的关系，服从居里-魏斯定律即：式中：C是居里常数，T是热力学温度,TC是居里温 度,当TTC，铁磁性消失，转变为顺磁 性。,铁磁性,3.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，磁畴结构发生变化;随外磁场增加,通过畴壁移动和转动的过程，显示出宏观磁性。,铁磁性,二、岩石、矿石的磁性特征,（一）表征磁性的物理量 1.磁化强度和磁化率 磁化强度：均匀无限磁介质受到外部磁场H的作用时，衡量物质被磁化程度的物理量，它与磁场强度H的关系为：M=kH 式中：k磁化率,它表征物质磁化的难易程度，是一个量纲为一的物理量。SI单位制用SI(k)标明，CGSM单位制用CGSM(k)标明,两者的关系是1SI(k)=1/4CGSM(k)。在两种单位中，磁化强度的单位,分别是A/m及CGSM(M),两者的关系是1A/m=10-3CGSM(M)。,2.磁感应强度和磁导率 在各向同性磁介质内部任意点上，磁化场H在该点产生的磁感应强度（磁通密度）为B=H式中：B 以T特（斯拉）为单位，是介质的磁导率，单位为H/m亨（利）/米；H以A/m（安/米）为单位。,令r=/0(相对磁导率)，有：B=H=0rH=0H+0（r-1）H=0（1+k）H=0（H+M)(k=r-1)上式为物质磁化与外磁场的关系。显然，在同一外磁场的作用下，空间为磁介质充填与空间为真空相比，B增加了kH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正比。磁介质的r=1+k是一个纯量。=0(1+k),3.感应磁化强度和剩余磁化强度 感应磁化强度：位于岩石圈中的地质体，处在约为0.510-4T的地球磁场的作用下；它们受现代地磁场的磁化，而具有的磁化强度，叫感应磁化强度（Mi），表示为：Mi=k(T/0)T:地磁场总强度（磁感应强度)；k是岩石、矿石的磁化率。,剩余磁化强度：岩石、矿石在生成时，处于一定条件下，受当时的地磁场磁化，成岩后经历漫长的地质过程，所保留下来的磁化强度，称作天然剩余磁化强度，它与现代地磁场无关。岩石的总磁化强度 M=Mi+Mr=k(T/0)+Mr 磁法勘探中，表征岩石磁性的物理量是:k（Mi）、Mr 及M。,（二）矿物的磁性 1.抗磁矿物与顺磁矿物：绝大多数矿物属顺磁性与抗磁性。常见矿物的磁化率,2.铁磁性矿物 自然界中不存在纯铁磁性矿物，最重要的铁磁性矿物当推铁钛氧化物，由FeO、Fe203、TiO3组合成的固熔体的主要矿物及其他磁性矿物,（三）各类岩石一般磁性特征 1.沉积岩的磁性 一般说来，沉积岩的磁性较弱，主要取决于副矿物的含量和成分，它们是磁铁矿、磁赤铁矿、赤铁矿，以及铁的氢氧化物。造岩矿物如石英、长石、方解石等，对磁化率无贡献。,2.火成岩的磁性（1）不同类型的侵入岩，其k平均值随着岩石的基性增强而增大。它们的磁化率数值分布范围宽。（2）超基性岩是火成岩中磁性最强的。超基性岩体系在经受蛇纹石化时，辉石被蚀变分解成蛇纹石和磁铁矿，使磁化率增大，可达到几个SI（k）单位。（3）基性岩、中性岩，一般说来其磁性较超基性岩低。（4）花岗岩建造的侵入岩，普遍是铁磁顺磁性的，磁化率不高。（5）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。（6）火成岩具有明显的天然剩余磁性，其Q=Mr/Mi 称为柯尼希斯贝格比。不同岩石组成的Q值范围，可在0-10或更大范围内变化。,3.变质岩的磁性 变质岩的磁化率和天然剩余磁化强度的变化范围很大。按磁性，变质岩可分为铁磁顺磁性和铁磁性两类，其与原来的基质有关，也与其形成条件有关。由沉积岩变质生成的，称副变质岩，其磁性特征一般具有铁磁顺磁性；由岩浆岩变质生成的，称正变质岩，其磁性有铁磁顺磁性与铁磁性两种。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。,具有层状结构的变质岩，表现有磁各向异性。其Mr方向往往近于片理方向。磁化率各向异性可用下式来评价：式中：k是磁化率各向异性系数。在强变质沉积岩石中，k值可达1.01.5。,（四）影响岩石磁性的主要因素 1.岩石磁性与铁磁性矿物含量有关 2.岩石磁性与磁性矿物颗粒大小、结构有关（1）相对含量相同，磁化率与粒经成正比。（2）衡量剩磁大小的矫顽力HC，与铁磁性矿物颗粒成反比。喷出岩的剩磁常较同一成分的侵入岩的剩磁大。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乘分散状者磁性强。,3.岩石磁性与温度、压力有关（1）顺磁体磁化率与温度的关系由居里定律确定：（2）铁磁性矿物的磁化率与温度的关系，有可逆及不可逆两种。前者磁化率随温度增高而增大，接近居里点则陡然下降趋于零；加热和冷却的过程，在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，即不可逆。此外，温度增高还引起矿物矫顽力减小。铁磁体磁化，同时发生机械变形，其形状和体积的改变称为磁致申缩。岩石的剩余磁化强度随着岩石受压的增大而减小。,三、岩石的剩余磁性,（一）岩石剩余磁性的类型及特点 1.热剩余磁性（TRM）在恒定的磁场作用下，岩石从居里点以上的温度，逐渐冷却到居里点一下，在通过居里温度时受磁化所获得的剩磁，称热剩余磁性（简称热剩磁）。,热剩磁具有如下特点：（1）强度大，大致正比于外磁场强度，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,代表了成岩时的地磁场方向。（2）具有很高的稳定性，热剩磁的弛豫时间长。（3）实验证明，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和。即热剩磁服从叠加定律（特里埃第一定律）。（4）热退磁过程也服从叠加定律（特里埃第二定律）。岩石的热剩磁是古地磁研究的重要对象之一。,2.碎屑剩余磁性（DRM）沉积岩中含有从母岩分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，受当时的地磁场作用，会沿地磁方向定向排列，或者是这些磁性颗粒在沉积物的含水孔隙中转向地磁场方向。沉积物固结成岩石，保存下来的磁性称为碎屑剩余磁性（沉积剩余磁性，简称碎屑剩磁）。,特点：（1）强度正比于定向排列的磁性颗粒数目,比热剩磁小得多。（2）形成碎屑剩磁的磁性颗粒来自火成岩,这些颗粒的原生磁性来自热剩磁，因此，碎屑剩磁比较稳定。（3）等轴状颗粒，其碎屑剩磁方向和外磁场（地磁场）方向一致。,3.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，称为化学剩余磁性（简称化学剩磁）。,特点：（1）在弱磁场中,其强度正比于外磁场强度。（2）有较高的稳定性。（3）在相同磁场中,化学剩磁强度只有热剩磁的几十分之一，但大于碎屑剩磁强度。上述三种剩余磁性，统称为原生剩磁。,4.黏滞剩余磁性（VRM）岩石生成之后，长期处在地球磁场作用下，随时间的推移，其中原来定向排列的磁畴，逐渐地弛豫到作用磁场的方向，这一过程中所形成的剩磁称为黏滞剩余磁性。特点：（1）强度与时间的对数成正比。（2）随温度增高，黏滞剩磁增大。,5.等温剩余磁性（IRM）在常温没有加热情况下，岩石受外磁场的作用（如闪电作用），获得的剩磁称等温剩余磁性，其大小和方向随外磁场变化。黏滞剩余磁性、等温剩余磁性，称为次生剩磁 地壳岩石具有的原生剩磁，即是磁法勘探，也是古地磁研究的对象。次生剩磁不能作为古地磁研究的“化石”。,（二）各类岩石剩余磁性的成英 1.火成岩剩磁的成因 热剩磁是形成火成岩原生剩磁的原因。2，沉积岩剩磁的成因 沉积岩的剩余磁性，是通过沉积作用和成岩作用两个过程形成的。前者形成碎屑剩磁，后者成岩作用经氧化和脱水过程,获得化学剩磁。故,沉积岩的剩磁系碎屑与化学剩磁。3.变质岩剩磁的成因 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，由沉积岩变质生成的副变质岩，它可能有碎屑剩磁与化学剩磁。,第三节 岩（矿石）的电性,（一）岩石、矿石导电机制 1.固体矿物的导电机制 金属导体 半导体 固体电解质。金属导体和半导体是电子导体，导电作用是通过其中的某些电子在外电场作用下定向运动来实现的。,一、岩石和矿石的导电性,（1）各种天然金属属于金属导体。金属导体的电阻率很低，一般10-6 m。（2）大多数金属矿物属于半导体，其电阻率高于金属导体，通常在10-6 m106 m之间。,（3）绝大多数造岩矿物（如辉石、长石、云母、方解石、角闪石、石榴子石等）在导电机制上属于固体电解质,它是由正、负离子靠静电力（离子键）结合的离子晶体。通常，固体电解质的电阻率很高,一般电阻率大于106m。,2.孔隙水的导电机制 天然岩石中的孔隙水含盐分（电解质），其溶于水形成电解液时，其中一部分电解质的正、负离子会彼此分开，并可在溶液中互不依赖的自由运动，即所谓电离或离解。故为离子导电。岩石孔隙水100m，通常在1m10m之间。,（二）影响岩石、矿石导电性的因数 1.岩石、矿石电阻率与其成分和结构有关。2.岩石、矿石电阻率与所含水分有关。3.电子导电矿物或矿石的电阻率随温度增高而上升；离子导电岩石的电阻率随温度增高而降低。4.在压力极限内,压力大使孔隙中的水被挤出来,则电阻率变大；压力超过岩石破坏极限，则岩石破裂，使电阻率降低。,（三）岩石、矿石的电阻率,二、岩石和矿石的自然极化和激发极化特性,一般情况下物质都是电中性的。但是，某些岩石和矿石在特定的自然条件下，在岩石中产生的各种物理化学过程作用下，岩石可以形成面电荷和体电荷。岩石的这一性质称为岩石极化。自然极化 激发极化,（一）岩石和矿石的自然极化特征 1.电子导体的自然极化,石墨,2.离子导体的自然极化由动电效应产生的流动电位所引起。（1）过滤电场。当地下水流过多孔岩石时，在地表就可以观测到过滤电场。裂隙电场 上升泉电场 河流电场 山地电场,（2）扩散吸附电场 当两种浓度不同的溶液相接触时，会产生扩散现象。溶质由浓度大的溶液移向浓度小的溶液里，以达到浓度平衡。正、负离子将随溶质移动，但因岩石颗粒的吸附作用，正、负离子的扩散速度不同，使两种不同离子浓度的岩石分界面上分别含有过量的正离子和负离子，形成电位差，这种电场称为扩散吸附电场。,（二）岩石和矿石的人工极化成因 1.电子导体的人工极化成因,在电流作用下，导体的“阴极”和“阳极”处双电层电位差相对于电极电位的变化值称为超电压。超电压的形成过程即是电极极化过程。顺便指出，除了电极极化过程外，通电时“阴极”和“阳极”处发生的氧化还原过程也是形成电子导体激发极化的因素之一。面极化 体极化,2.离子导体的激发极化成因 造岩矿物属离子导体。其激发极化与岩石激电效应和岩石颗粒和周围溶液界面上双电层结构有关。,双电层形变形成激发极化的速度和放电的快慢，决定于离子沿颗粒表面移动的速度和路径的长短，因而较大的岩石颗粒将有较大的时间系数（即充电和放电时间长），这是用激电法寻找地下含水层的物性基础。,（三）岩石和矿石的激发极化特征 1.时间特征 岩石、矿石激发极化分为两类。第一类是“面极化”，第二类是“体极化”，其特点是极化单元（指微小的金属矿物、石墨或岩石颗粒）呈体分布于整个极化体内，如浸染状金属矿石和矿化、石墨化岩石以及离子导电岩石均属这一类。上述两类极化的差别只具有相对意义。,2频率特征 当保持交变电流If*不变，而逐渐改变频率f时，电位差U将随之改变。这种在超低频段上（f=n10-2Hzn102Hz）电场随频率变化的现象，是岩石、矿石激发极化的结果。交流激电特性：,三、表征岩石和矿石介电极化的参数,在利用交变电场进行电法勘探的情况下，岩石、矿石的电性除显示出与电阻率有关的传导电流外，还显示与岩石、矿石介电常数有关的“位移电流”。绝大多数造岩矿物的相对介电常数不超过1011。然而，一些氧化物、硫化物和碳酸盐的r值可达20170（如金刚石）。,四、岩石和矿石的导磁性,导磁率表征物质在磁化作用下集中磁力线的性质。除极少数铁磁性矿物（磁铁矿、磁黄铁矿和钛铁矿）外，其他矿物的磁导率皆与0值相差很小。只当岩石或矿石中含有大量铁磁性矿物时，其相对磁导率r 才明显大于1。由于大多数岩石、矿石的相对磁导率值接近于1，而铁磁性岩、矿石的剩余磁性在观测交变电磁场时无影响，故在电磁法中，可以利用岩石、矿石导磁性的差异来寻找磁性铁矿或评价磁法异常。这时，方法所受干扰比按导电性找矿时所受干扰小得多。,第四节 岩石层的地震波速度,一、地震波在岩石中的传播速度,二、影响速度的主要因素 1.影响波速的基本因素是岩石的孔隙度。一切固体岩石都是由矿物颗粒构成的岩石骨架和充填有各种气体或液体的空隙组成，波在孔隙的气体或液体中传播的速度要低于在岩石骨架中的传播速度，孔隙度增大时，岩石密度变小，速度也要降低。,2.波速还与岩石的生成时代和埋藏深度有关。埋藏深、时代老的岩石要比埋藏浅、时代新的岩石的速度大。3.地表附近岩石受风化作用而变得疏松，波在其中传播速度很低，一般为400m/s1000m/s，这种地带称为低速带。,17:01:29,第五节岩、矿石的放射性,天然放射性核素在自然界的分布,一、放射性元素在地壳中的平均含量(克拉克值)自然界中广泛存在的放射性元素有数十种，其中有：(一)铀、钍及其衰变产物，为原子序数高于83的重元素的全核素，和一部分原子序数为8183的核素；(二)门捷列夫周期表中某些元素的同位素，如钾（）,铷（），钐（）等，它们的半衰期长、活度低；(三)由于宇宙射线轰击大气，发生核反应而形成的放射性核素，如碳（），氚（）等；(四)重元素核的自发分裂或人工分裂（核爆炸）所产生的放射性核素，如锆（），铯（），钌（）等。,二 放射性核素在岩石中的平均含量 根据罗诺夫和雅洛谢夫斯基公布的资料，各类岩石体积占地壳总体积的百分比如下：岩浆岩64.5%左右，变质岩26.5%左右，沉积岩9%左右。（一）在各类岩石中,随着岩石酸性减弱，放射性核素的平均含量有规律地降低。中性岩与酸性岩约为1：2；基性岩与酸性岩约为1：4至1：5。（二）沉积岩中放射性核素含量变化范围较大。（三）泥质页岩中的U含量最高，盐岩、石膏中放射性核素含量最低。,（四）变质岩中放射性核素的含量，与变质前原来岩石的物质成分及变质过程有关。（五）沉积岩石中的含量普遍低于在酸性岩浆岩中的含量，酸性岩浆岩中的ThU比值（C/C）比其它岩石中的比值大。（六）岩石中放射性核素的平均含量还与岩石的地质年代有关。在同一地区，对同一类型的岩石，年代越新放射性核素含量越高;在不同地区,对于同一类型而年代不同的岩石,放射性核素的含量变化没有一定的规律。,三 放射性核素在天然水中的含量 水中的含量通常比岩石中低得多,并随着地区的不同而不同。由于钍及其化合物不易溶解,所以水中Th含量很低，约为岩石中Th含量的千分之一。鉴于此，辐射仪在宽阔水面上测得的照射率，可以视为是宇宙射线和仪器本底产生的。在与铀矿化有关的水（如U水、Ra水等)中，U、Ra含量及Rn浓度往往偏高。因此,在有利的地质条件下,水中U、Ra含量及Rn浓度相对增高,可作为一种找矿标志。,四、放射性核素在土壤及大气中的分布 对于某一地区而言，放射性核素在土壤中的分布往往有季节性变化。另外，植物中放射性核素的含量与土壤的化学成分密切相关。大气中主要是Rn。,第六节 各类矿床的地球物理特征,外生矿床的地质地球物理特性取决于风化壳的特征。风化壳的厚度一般在几m至30m，破碎带内可达150m。风化矿床的地质断面按物理性质可分为密度、磁化率和电阻率不同的三个基本层位。断面底层一般由高电阻率、磁性分异良好的致密火成岩和变质岩组成，这些岩层上面常覆盖着低电阻和无磁性的海相沉积层。原生砂矿床或含砂底层由于地质动力作用破坏，外力搬运、分选、沉积，在一定条件下富集成有经济价值的砂矿床。所有砂矿床的地质地球物理模型由两个基本层位组成：含砂层与下面的基岩，由于含砂层与基层在物质成分、结构构造、岩性、含水性、地质年代和经历都不相同，在电阻率、极化率、地震波速、磁性与密度等物理性质方面存在明显差异。,17:01:29,一、外生矿床成矿模式与地球物理特征,云南某盐矿,贵州某金矿综合信息剖析,二、内生矿床成矿模式与地球物理特征,内生固体矿床 可产出在造山前期 低槽，褶皱活化区、古老地台与地台活 化区。内生矿床一 般均与岩浆岩体及 其热液活动有关，主要可分为分异侵入体型、未分异侵入体型、伟晶岩云英岩型、矽卡岩型、碳酸盐岩型与裂隙交代细脉型等六种类型。这些矿床包括镍矿、钛磁铁矿、某些铬铁矿、铂矿，以及磷灰石霞石和稀土含铌的矿床。,1.分异侵入型矿床,（2）未分异侵入体型矿床。金伯利岩（角砾岩）型 山东某金刚石矿床：,（3）伟晶岩云英岩型矿床（4）矽卡岩型矿床,（5）碳酸岩矿床（6）裂隙交代细脉、网脉型矿床,三、变质岩成矿模式与物理特征,通过变质作用产生的矿床包括世界上的大型铁矿床、大型锰矿床、铁矿床。在非金属矿产中，变质成因的矿床有石墨、蓝晶石、矽线石、金云母、刚玉，压电石英、大理石、石英岩等许多矿床。,冀东某沉积变质铁矿,