磁卫星能探测到铁矿吗

2.3　磁卫星能探测到铁矿吗？

美国国家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）戈达德航天中心（Goddard Space Flight Center，GSFC）地球动力学实验室的Taylor T博士从事解释卫星磁异常与卫星重力异常的解释工作（NASA内从事地球科学的有1800多人）。Taylor T博士及其同事研究了俄罗斯的库尔斯克铁矿地区和瑞典基律纳铁矿地区的卫星磁异常。欧洲的一些地磁学家也作了一些研究工作。巨型的大地构造单元有明显的卫星磁异常，只有少数的卫星磁异常落在著名的铁矿地区，如上述库尔斯克和基律纳铁矿区，可能由于这些地区地壳在水平和（或）垂直方向上，铁含量增加的缘故^［11］。

2.3.1　俄罗斯的库尔斯克铁矿

俄罗斯的库尔斯克铁矿分布在俄罗斯西南部的别尔哥罗德州、库尔斯克州及奥廖尔州（由南到北绵延数百公里），面积12×10⁴km²，有多个矿区，是一个超大型铁矿，应该称为矿田。铁矿是受变质沉积铁矿床，成矿时代属古元古代晚期，矿体赋存于早前寒武纪库尔斯克变质岩群中，矿带延长600km，由许多铁矿体组成。含铁石英岩呈层状，厚200～400m，被几米至几十米沉积层覆盖，储量约500×10⁸t。在库尔斯克铁矿区磁异常特别强，磁偏角范围达±180°，而磁偏角正常值一般只有几度，这里地磁场的垂直分量异常为1～2Oersted［相当于（1～2）×10⁶nT］，北部的水平分量异常与垂直分量异常地面磁测结果见图22，这是不易见到的历史资料。这个铁矿是根据磁异常发现的隐伏铁矿，故又称库尔斯克磁异常（ΚурскаяΜагнитнаяΑномалия，ΚΜΑ；Kursk Magnetic Anomaly，KMA）铁矿。库尔斯克地区航空磁测结果见图23。

库尔斯克铁矿床产生的磁异常是MAGSAT测得的最大的异常，在350km高处测得的正异常峰值达27nT，见图24。后来，CHAMP磁卫星发射后，Taylor T博士又利用CHAMP测得的数据制作了库尔斯克铁矿区的卫星磁异常图，见图25，由图24及图25可见，两颗磁卫星测得的磁异常，异常形态、峰值等特征基本相同。CHAMP磁卫星发射后，德国地学研究中心（Geo Forschungs Zentrum，GFZ）以Maus S博士为首的科学家制作了一系列岩石圈磁场模型MF，图26是在库尔斯克铁矿区上方实测结果与MF1、MF2、MF3模型的对比曲线。

图2-2　库尔斯克磁异常北部水平磁力与垂直磁力异常图^［12］［单位：10⁵nT］

图2-3　库尔斯克地区磁异常图（库尔斯克在别尔哥罗德以北古布金以西）（引自http://ngdc.noaa.gov/geomag/data/Google_Maps/EMAG2/index.html）

图2-4　MAGSAT在库尔斯克上方测得的总场异常^［13］（高度350km，1980年）

图2-5　CHAMP在库尔斯克上方测得的总场异常^［14］（高度410km，2001年）

图2-6　CHAMP在库尔斯克上方测得的垂直磁力异常剖面图^［14］（MF1、MF2、MF3模型及球谐展开阶次，2002、2002、2004年）

2.3.2　磁法勘探的发祥地与瑞典基律纳（Kiruna）铁矿

2.3.2.1　磁法勘探的发祥地

19世纪上半叶，地磁学发展迅速，在理论方面，德国数学家、物理学家，高斯（Gauss K F）1830—1842年间对地球的磁场进行了深入研究。他提出了判断内源与外源的方法，确定测得的地磁场内源占主要份额，提出了用球谐函数表示地磁场分量的数学方法，至今仍采用。他还提出了测量地磁场的方法。

高斯和其他学者研制了一些测量地磁场的仪器与方法。1843年，冯·弗雷德（von Wrede）指出，J.冯·拉蒙（J.von Lamont）用来测量地球磁场变化的磁经纬仪（测量磁偏角、水平分量和垂直分量的仪器）也可用来发现磁性矿体，但是这个想法并未付诸实施。1879年泰良·罗伯特（Thalen Robert）教授撰写了“On Examination of Iron Ore Deposits by Magnetic Method”（用磁法研究铁矿床）。瑞典制造的泰良提贝格（Thalén–Tiberg）磁力仪提供了圈定地下磁性体位置、产状、深度的手段，用于勘查基律纳铁矿。磁法寻找矿产可以说发轫于瑞典。

20世纪初，1915年，德国施密特（Schmidt Adolf）制成精度很高的刃口式磁秤，磁法不仅用来找铁矿，而且用于地质填图和普查油气资源的工作中。作者在工作中曾使用过德国Askania公司和英国Hilger and Watts公司制造的施密特磁秤，这两种磁力仪制造工艺精良，读数清晰，灵敏度高。也见过苏联和日本制造的施密特磁秤，制作质量很差。我国于20世纪50年代制造了泰良提贝格磁力仪（称为M1型万能磁力仪），后来又制造了悬丝式磁力仪［东德范塞洛（Fanselou）设计］和刃口式磁力仪，悬丝式磁力仪性能与施密特磁秤性能相近，刃口式磁力仪制作较困难，比较“娇气”，用得不多，悬丝式磁力仪在物探工作中曾普遍采用，发挥了重要作用。20世纪五六十年代冶金部门的物探单位曾进口瑞典制造的M4型磁力仪。上述刃口式和悬丝式垂直磁力仪，测量时磁系（磁棒）放置在磁东西方位，瑞典M4型磁力仪测量时让磁系的北极大致朝南，此时灵敏度最高，利用一大一小两根辅助磁铁产生与外磁场相反的磁场，使磁系保持水平，读取辅助磁铁的磁场值即得到异常值，这里采用的是零点读数方法。M4的特点是灵敏度、精度高，轻便，测程宽，作者曾用M4在一个磁铁矿体的露头上测得1×10⁵nT的磁异常。高质量的磁力仪表明，磁法勘探发源地的瑞典人继承了他们的传统。

20世纪50年代以后，在地面磁测工作中，质子磁力仪逐渐取代了上述机械式磁力仪，但是在一些强磁异常地区，还可考虑使用机械式磁力仪^［15］。

2.3.2.2 瑞典基律纳（Kiruna）铁矿

瑞典矿物资源中以铁矿最丰富，已探明储量达36.5×10⁸t（一说为40×10⁸t），铁矿主要分布在北部高纬度的拉普兰地区，3/4集中在基律纳和耶利瓦勒地区。这种铁矿石含铁率高达60%～70%，铁矿石品位高，拿一块铁矿石就可以吸住铁钉、铁片。

在这一地区进行了大面积的航空磁测，发现有强异常（大于6000nT），基律纳地区是磁力高的中心，见图27。

图2-7 瑞典基律纳地区航磁异常图（引自http://ngdc.noaa.gov/geomag/data/Google_Maps/EMAG2/index.html）

瑞典基律纳地区，MAGSAT磁卫星也测得磁异常，在挪威海区主要是负异常，在陆地上主要是正异常（基律纳异常），极大值大于9nT，中心位于东经20°，北纬67°，靠近瑞典基律纳城，见图28。推断卫星磁异常的源头位于中、下地壳，这表明卫星磁异常不一定全是铁矿引起的^［16］。

图2-8　MAGSAT在瑞典基律纳铁矿上空测得的总场异常^［16］（高度400km）

最大的产生磁异常的源是俄罗斯库尔斯克磁性含铁石英岩建造，其磁异常甚至可在数百公里高度上，由磁卫星测到。MAGSAT磁卫星在库尔斯克铁矿区上方测得铁矿产生的一个明显的“牛眼形”异常，普遍认为是铁矿引起的。然而，大多数卫星磁异常是由大范围的磁性岩石引起的。在瑞典基律纳地区，MAGSAT磁卫星也测得了异常，前已提及，根据模拟的结果，这个异常是深部一个巨大的磁性体引起的，基律纳磁性铁矿对卫星异常的贡献，不过是极小的一部分［17～18］。

关于这两个异常，也有学者认为是巨大的磁性地质构造单元产生的边缘效应^［19］。

2.3.3　鞍（山）本（溪）铁矿如何？

我国鞍山—本溪地区铁矿分布于辽宁鞍山、本溪和辽阳三市，东西长85km，南北宽60km，面积约5000km²。铁矿床几乎全为“鞍山式”沉积变质型（受变质铁硅质建造型铁矿床）。有大型铁矿19处，合计保有铁矿石储量106.5×10⁸t。已开采的大型铁矿山有鞍山齐大山、大孤山、东鞍山、眼前山和本溪南芬、歪头山、北台以及辽阳弓长岭铁矿等，矿层厚度一般几十至百米，最厚可达350m，延长较稳定，个别矿层长可达几十公里以上。矿石中铁矿物与石英组成具有黑白相间的条带状、条纹状构造，品位不高（30%～40%），磁性很强。

航空磁测在鞍山上空磁异常强度在3000nT以上（记录超格），作者于20世纪60年代初配合董申葆教授“贫矿中找富矿”的研究工作，在鞍山做过几条磁测剖面，磁异常数值很高。如果说基律纳铁矿在卫星磁异常图上有反映，鞍本铁矿也应该有反映。作者仔细研读了GFZ根据CHAMP卫星磁测数据制作的MF6、MF7，未发现在鞍本地区有明显的异常。也许要进行专门的研究，作专门的数据处理后，才能得到可靠的结论。在根据EMAG2（分辨力2弧分，约3.7km，高度在大地水准面以上4km）绘制的异常图上，鞍山铁矿有明显的异常，而且正负异常相伴，辽阳位于负异常中，辽阳南面的正异常就是鞍山铁矿。辽阳东边的正异常是本溪铁矿群引起的。从异常特点看，从辽阳到通化，是一个铁矿成矿远景带，见图29。在《中国及其毗邻海域航空磁力ΔT异常图（1∶500万）》上（编图数据在地表以上1km），鞍本铁矿地区的磁异常看得更清楚一些。将图27与图29对比，中国鞍山铁矿与瑞典基律纳铁矿的总场异常形态相像，基律纳铁矿处在地壳内范围很广的磁性体的北缘，这个磁性体在卫星上产生了一个范围很广的异常，人们没有仔细分析，把这个卫星磁异常归属于基律纳铁矿。

我国有几位学者著文，把俄罗斯库尔斯克铁矿和瑞典基律纳铁矿当作卫星地壳磁场模型在矿产资源勘探方面的应用，取得了很大成效。实际上这两处铁矿早已发现并开采了几十年，现在学界讨论的问题是，根据卫星磁测数据建立的岩石圈磁场模型，是否反映了上述两个铁矿，这个问题现在还没有定论。比较可信的看法是，库尔斯克铁矿田在卫星磁异常图上有显示，而基律纳铁矿是否有显示则存疑。

图2-9　鞍本地区航磁异常图（引自http://ngdc.noaa.gov/geomag/data/Google_Maps/EMAG2/index.html）