2.2.1. Принципы измерений геомагнитного поля
2.2.2. Феррозондовые магнитометры
2.2.5. Аппаратура для измерения магнитных свойств горных пород
2.2.1. Принципы измерений геомагнитного поля
Измерения магнитного поля Земли и его вариаций проводят как на стационарных пунктах — магнитных обсерваториях, которых насчитывается на Земле около 150, так и во время магниторазведочных работ. При абсолютных определениях измеряют, как правило, три элемента магнитного поля (например, Z, D, Н). Для этого применяют сложные трехкомпонентные магнитные приборы — магнитные теодолиты и вариационные станции, которые ведут запись автоматически.
При геологической разведке измеряют абсолютные (Т) и относительные по отношению к какой-нибудь исходной (опорной) точке (ΔT, ΔZ) элементы магнитного поля. Приборы, используемые в магнитной разведке, называются магнитометрами. В настоящее время в основном применяют три типа магнитометров — феррозондовые, протонные и квантовые.
2.2.2. Феррозондовые магнитометры
Основой конструкции феррозонда (чувствительного элемента) феррозондового магнитометра служит электрическая катушка, намотанная на стержень из ферромагнетика, обладающего малой коэрцитивной силой и большой магнитной проницаемостью в слабых магнитных полях (например, из сплава железа, никеля и молибдена — пермаллоя). В отсутствие внешнего магнитного поля при пропускании через генераторную (первичную) катушку переменного электрического тока с частотой f и амплитудой, достаточной для создания поля возбуждения, превышающего уровень насыщения сердечника, в измерительной (вторичной) катушке возникает ЭДС удвоенной частоты (2f). При наличии внешнего постоянного магнитного поля, составляющая которого вдоль оси стержня отлична от нуля, в наведенной ЭДС будет преобладать частота, совпадающая с частотой поля возбуждения f.
Для измерения внешнего магнитного поля (его составляющей, направленной вдоль оси стержней) обычно используют компенсационный метод, заключающийся в компенсации постоянного магнитного поля Земли полем постоянного регулируемого тока. По величине тока компенсации судят о напряженности магнитного поля Земли вдоль оси феррозонда. К таким приборам относится аэромагнитометр АМФ-21. За счет погрешности в ориентировке феррозонда погрешность съемки таким магнитометром достигает десятков нТл при измерении ∆Z и до ±4,0 нТл при измерении ∆Т. При скважинных работах применяют специальный вариант ферромагнитометра (например, ТСМК-30), позволяющий измерять составляющие магнитного поля (∆Z, ∆Х, ∆Y) с погрешностью до ±100 нТл, и значение χ с точностью 5 %.
Принцип действия протонных, или ядерных, магнитометров основан на явлении свободной прецессии протонов в земном магнитном поле. После определенного электромагнитного воздействия на протоносодержащий датчик (с водой, спиртом, бензолом и др.) магнитные моменты протонов прецессируют вокруг направления вектора земного магнитного поля с угловой скоростью (ω), пропорциональной полной напряженности магнитного поля Земли Т: ω = aT, где a — коэффициент пропорциональности, равный гиромагнитному отношению ядра (отношению магнитного момента ядра к механическому).
В зависимости от протоносодержащего вещества и точности определения частоты прецессии рабочий цикл (время одного измерения) составляет от десятых долей до первых единиц секунд. В этом случае при небольшой скорости движения носителя магнитометра (наземный или морской варианты) данные о магнитном поле Земли (Т) получают практически непрерывно. При большой скорости, например при скорости самолета (350 км/ч), расстояние между замерами может составить 300 м.
При использовании металлических носителей магнитометров (кораблей, самолетов, вертолетов), обладающих собственным магнитным полем, датчик магнитометра буксируют на кабеле, длина которого должна в несколько раз превышать продольные размеры носителя.
С помощью протонного магнитометра измеряют абсолютное модульное значение геомагнитного поля с погрешностью от ±(0,01–2) нТл при низкой чувствительности (±45°) к ориентации оси датчика относительно перпендикуляра к вектору напряженности магнитного поля Земли и практическом отсутствии смещения нуля прибора. Протонные магнитометры используют при наземных (ММП-203, ММП-203М, ПОС, МИНИМАГ, ММПГ-1) и морских (ММП-3) съемках, реже при воздушных съемках (АМ-5, ММС-214) и скважинных наблюдениях.
В квантовых магнитометрах, предназначенных для измерения абсолютных значений модуля напряженности магнитного поля, используют так называемый эффект Зеемана. В электронной структуре атомов, обладающих магнитным моментом, при попадании в магнитное поле происходит изменение, приводящее к расщеплению энергетических уровней на подуровни, с разницей энергии и, соответственно, частотой излучения, пропорциональной модулю полного вектора магнитной индукции в точке наблюдения. Чувствительным элементом магнитометра является сосуд, в котором находятся пары цезия, рубидия или гелия. В результате воздействия специально отфильтрованного монохроматического света (метод оптической накачки) электроны паров переводятся с одного энергетического подуровня на другой. Возвращение электронов на прежний уровень после окончания накачки сопровождается излучением энергии с частотой, пропорциональной величине магнитного поля.
С помощью квантового магнитометра измерения Т проводят с погрешностью ±(0,1–1,0) нТл при слабой чувствительности к ориентации датчика по отношению к силовым линиям магнитного поля Земли, высоком быстродействии и стабильности показаний (незначительное смещение нуля) во времени. Основными отечественными квантовыми магнитометрами являются приборы следующих марок: наземные (пешеходные) М-33 и ММП-303, морской КМ-8, аэромагнитометр КАМ-28.
2.2.5. Аппаратура для измерения магнитных свойств горных пород
Магнитные свойства горных пород измеряют как на образцах, так и в их естественном залегании. С помощью астатических магнитометров МА-21, МАЛ-036 возможно изучение различных магнитных свойств, в том числе χ и In, на образцах в полевых или стационарных условиях. Эти магнитометры относят к классу оптико-механических. Принцип их действия основан на взаимодействии магнитного поля образца с полем двух или трех постоянных магнитов, имеющихся в чувствительной системе прибора. Чувствительная система астатических магнитометров реагирует только на неоднородное магнитное поле близко расположенного образца горной породы. По углу отклонения чувствительной системы от магнитного меридиана, расстоянию от образца до постоянных магнитов, объему образца и величине магнитного поля в районе исследования рассчитывают магнитные характеристики образца (χ и In). Относительная погрешность измерений составляет 5 %. Для изучения магнитной восприимчивости в лабораторных условиях и в естественном залегании горных пород применяют каппометры ИМВ-2 или приборы КТ-3, КТ-5.