10.Методика польових магнітометричних досліджень.

Магнітна зйомка — основний вид досліджень у магніторозвідці. Вона покликана одержувати дані про розподіл параметрів геомагнітного поля на досліджуваній території і виявити магнітні аномалії. Визначення і опис аномалієутворюючих факторів дозволяє вирішити ті задачі, що мотивували постановку магніторозвідувальних робіт. Методика магніторозвідувальних робіт визначається геологічною задачею, умовами виконання робіт і характеристиками апаратури. Геологічна задача є визначальним чинником магніторозвідувальних робіт. Вона визначає їхню детальність і точність робіт.

За призначенням і масштабом магніторозвідувальні роботи підрозділяються на регіональні чи дрібномасштабні (1:200 000), картувально-пошукові, чи середньомасштабні (масштаб 1:50 000—1:100 000), детальні — пошуково-розвідувальні і розвідувальні (масштаб крупніше 1:25 000) і спеціальні. В залежності від розташування пунктів спостережень на досліджуваній території зйомки бувають площадними і профільними (маршрутними). За умовами проведення розрізняють наземні, повітряні, морські і підземні (свердловинні і шахтні), стратосферні та космічні зйомки.

Регіональні зйомки проводяться з метою дослідження характеру, інтенсивності, структури магнітного поля, його зв'язку з великими структурними елементами регіону. При цьому можливо виявлення крупних блоків, плутонів, глибинних лінеаментів та розломів, вивчення порід кристалічного фундаменту за їх магнітними властивостями та ін. Головним методом дослідження вважається аеромагнітна зйомка.

Картувально-пошукові дослідження проводяться для вирішення задач геологічного картування — простежування приконтактних зон, тектонічних ліній, виявлення дайкових поясів та окремих дайок, оконтурювання геологічних утворень, зокрема інтрузій та ефузивів, а також безпосередні пошуки залізовмісних порід і руд. Картувально-пошукові магнітні зйомки проводяться в масштабах 1 : 50 000, 1 : 25 000 та 1 : 10 000.

Профілі, звичайно, вибираються впоперек простягання структурних елементів. Відстані між ними визначаються масштабом робіт.

Пошуково-розвідувальні магнітні зйомки проводяться для деталізації аномалій, виявлених попередніми роботами, з’ясування характеру розташування в просторі рудних тіл тощо. Ці дослідження проводяться на стадії розвідувальних робіт з метою їх коригування й оцінки елементів залягання магнітних тіл. Оптимальним кроком спостережень при наземних зйомках вважається відстань, котра менша за передбачувану глибину залягання намагнічених порід і в декілька разів менша їхніх поперечних розмірів.

Спеціальні магнітні зйомки, як правило, виконуються на невеликих ділянках — для вирішення специфічних задач. Звичайно це високоточні детальні дослідження. До їхнього числа відноситься мікромагнітна зйомка. Вона застосовується тоді, коли досліджувані гірські породи залягають неглибоко (до 10 м), і може бути використана для вирішення задач структурного аналізу. На невеликих ділянках (приблизно 50х50 м) по щільній мережі (1х1, 3х3, 5x5 м) виконуються високоточні вимірювання (чи Т). Ділянки по можливості розташовуються рівномірно на території досліджуваного об'єкта. Результати мікромагнітної зйомки обробляються за спеціальною методикою, за допомогою якої знаходять так звані “троянди” вісей магнітних аномалій.

Для магнітних зйомок будь-якого виду мірою точності є середня квадратична похибка окремого вимірювання — , визначена серією повторних спостережень:

де n— число повторних вимірювань. При | |<5 нТл зйомка високоточна, при =(5—15) нТл — середньої точності;  >15 нТл — низької точності.

Вибір методики магніторозвідувальних робіт істотно залежить від характеристики апаратури. При зйомках підвищеної точності рекомендується розбити опорну мережу точок на такій відстані одна від одної, щоб можна було на них проводити вимірювання через 2—3 години. Крім врахування сповзання нуль-пункту магнітометрів опорні мережі, як і при гравіметричних зйомках, слугують для приведення всіх вимірюваних значень Z до єдиного рівня і для виключення нагромадження похибок вимірювань по рядовій мережі. Існують опорні мережі різного рангу — від рівня магніто-розвідувальної партії, призначені для використання протягом 1—2 польових сезонів, до регіональних опорних мереж. Останні слугують для забезпечення місцевих опорних мереж і аеромагнітних зйомок загальною метричною основою і приведення відповідних матеріалів до єдиного регіонального рівня.

При використанні абсолютних (протонних, квантових) магнітометрів, для яких практично відсутні зсув нуля і температурний дрейф, методика пішохідних магніторозвідувальних робіт (польових і камеральних) істотно спрощується. Зокрема, використання опорної мережі для врахування дрейфу нуль-пункту, введення ряду поправок не є обов'язковим.

Результати наземних магнітних зйомок представляють у вигляді карт графіків Z, Н, T, карт ізодинам Z, Н, Т, а також карт векторів Н. При побудові графіків складових геомагнітного поля найбільше доцільно застосовувати масштаб 1 мм=, де  - округлене значення середньоквадратичної похибки зйомки. При побудові карт ізодинам значення першої позитивної і першої негативної ізоліній у 2—3 рази більше середньо квадратичної похибки. Поле в інтервалі між цими ізолініями вважається нормальним, тому що при досягнутій точності зйомки його не можна зобразити більш детально графічно. Положення ізоліній визначається за правилами лінійної інтерполяції. При цьому можна не враховувати окремі точки, значення нуля в яких різко відмінне в порівнянні з оточуючими. Мінімальний перетин ізодинам дорівнює 3. Якщо через великі градієнти витримати однаковий перетин ізодинам неможливо, то збільшення виконується в арифметичній чи геометричній прогресії.

Для наочності на плані ізодинам позитивну частину від нуля зафарбовують синім кольором, від’ємну — червоним. Позитивні ізодинами проводяться суцільними лініями, негативні — пунктирами. Нульова лінія — пунктиром із крапкою. Зауважимо, що така кольорова гамма застосовувалась у СРСР (а тепер – у країнах СНД), в той час як світова науково-виробнича спільнота прийняла протилежну шкалу, а саме – позитивні аномалії зафарбовують червоним, а від’ємні - синім кольором.

Представлення даних магнітних зйомок може бути у вигляді карт графіків вздовж профілів, або карт ізодинам аномалій магнітного поля. Як на карті графіків, так і на картах ізодинам міститься вся отримана при польових роботах інформація. На карті графіків чітко видно всі індивідуальні деталі кожної виявленої на окремому профілі аномалії, тому вона дозволяє надійно простежувати аномальні зони. Разом з тим, при великій кількості профілів карти графіків важко читаються. Це зобов’язано перетину графіків при великих значеннях напруженості. Карти ізодинам краще відображають відносно великі геологічні об'єкти, зони максимальних градієнтів тощо.

Протонные магнитометры основаны на принципе свободной прецессии ядер атомов водорода в магнитном поле. Протоны, имея собственный спин и магнитный момент, прецессируют (вращаются) в магнитном поле Земли вокруг его направления с частотой, определяемой соотношением Лармора: f = (γ/2π)T

где f - частота прецессии протона [Гц], γ - гиромагнитное отношение ядра (атомная константа), T - полный вектор напряженности геомагнитного поля. Следовательно, измерив частоту прецессии можно определить модуль магнитного поля. В качестве рабочего вещества для наблюдения прецессии может быть использована любая протонсодержащая жидкость. В датчиках магнитометров обычно используют: водный раствор спирта, керосин, гептан, метанол и др. Для обнаружения прецессии рабочее вещество повергают интенсивной поляризации внешним магнитным полем Н, примерно перпендикулярно к полю Т. При этом происходит преимущественная ориентация магнитных моментов протонов по направлению приложенного поля. Поле Н с напряженностью порядка 100 Э создают постоянным электрическим током, пропускаемым через специальную катушку, окружающую рабочее вещество. После быстрого выключения тока поляризации результирующий вектор ядерного намагничения начинает прецессировать вокруг поля Т, наводя в катушке ЭДС, в виде затухающей синусоиды. Измерив частоту сигнала нетрудно вычислить модуль геомагнитного поля по формуле: T = 23.4874f [нТл]

Продолжительность поляризации и измерения определяется временем соответственно продольной (t1) и поперечной (t2) релаксации протонсодержащего вещества. Для керосина t1 ≈ t2 и составляет около 0.7 сек, для других веществ времена релаксации больше.

Оверхаузеровские магнитометры основаны на той же связи прецессии протонов с внешним полем, но в них используется другой способ возбуждения - принцип динамической поляризации или эффект Оверхаузера {Overhauser}. Здесь рабочее протонсодержащее вещество содержит добавку специальных свободных радикалов с неспаренными электронами, делающих состав парамагнитным. При воздействии на него радиочастотного поля порядка 60 МГц (катушка 1) создаются условия электронного парамагнитного резонанса, т.е. максимального поглощения энергии переменного поля. При этом возникают сильные внутренние магнитные поля приводящие к поляризации вещества и согласованной ориентировке протонов по полю Т. Для возбуждения прецессии, с помощью постоянного тока во второй катушке, создают нарастающее поворачивающее поле, перпендикулярное Т. После отключения тока, в той же катушке наводится ЭДС сигнала. Измерение частоты сигнала можно производить одновременно с процессом поляризации, что позволяет сократить цикл измерений.

Квантовые магнитометры основаны на принципе оптической накачки, разработанным для паров щелочных металлов (Cs, Rb, Na, K) и инертных газов. Сущность заключается в облучении их поляризованным монохроматическим светом, длина волны которого соответствует одной из спектральных линией используемого элемента. Возбуждаясь, атомы уходят на верхние уровни и через короткое время (≈1 мкс) скапливаются на одном энергетическом подуровне, переходы с которого запрещены. Ориентировка их магнитных осей будет одинаковой, что приведет к прецессии электронов относительно геомагнитного поля на частоте Лармора, как в протонных магнитометрах. В результате прецессии будет колебаться и интенсивность света. Если сигнал с фотоэлемента усилить и подать на катушку, намотанную на колбе с рабочим веществом, то получим автоподстраиваемый резонансный осциллятор. Измерив его частоту можно рассчитать величину поля Т. Существуют некоторые нюансы в теории и много вариантов схемотехнических реализаций.

Достоинства и недостатки рассмотренных типов магнитометров

Тип	Достоинства	Недостатки
Протонные	Не боятся тряски и вибраций. Измерения не зависят от изменения внешних условий (температура, влажность, давление). Нет необходимости в точной ориентации датчика.	Цикличность измерений, из-за значительного времени преобразования. Нестабильность и пропадание сигнала при больших градиентах магнитного поля
Оверхаузера	Все положительные качества протонных магнитометров. Снижение времени измерения. Низкая погрешность, за счет повышения отношения сигнал/шум. Малый размер датчика.	Меньшее время жизни рабочего вещества. Появление систематической ошибки, за счет влияния блока СВЧ.
Квантовые	Возможность непрерывных измерений. Высокая разрешающая способность.	Ориентационная и азимутальная погрешность. Температурный дрейф. Смещение нуль-пункта. Чувствительность к механическим воздействиям (удары, вибрация).