Краткое руководство по работе с геофизическими приборами: магнитометром м - 27 и гравиметром "Дельта - 2"
Настоящее пособие предназначено для ознакомления студентов третьего курса, планирующих обучаться на кафедре физики Земли, с физическими принципами действия магнитометра М-27 и гравиметра "Дельта-2". Также предполагается приобретение студентами практических навыков работы с этими приборами.
Геофизические методы разведки (ГМР) широко применяются в различных областях прикладной геофизики: от поиска полезных ископаемых и разведки нефтеносных и газоносных структур до трассирования крупных разломов, определения контуров и морфологии поверхности интрузивных массивов, определения границы блоков фундамента и изучения его рельефа. ГМР обеспечивают решения некоторых задач глобальной (большой) геофизики, например, изучения глубины и рельефных особенностей границы Моха.
Каждый метод основан на взаимодействии конкретной физической системы с определенными геофизическими полями: гравитационным, магнитным, электромагнитным, а также с полями различных сейсмических волн.
На первом этапе любого ГМР осуществляется измерение геофизических параметров, как раз и являющееся результатом взаимодействия чувствительной системы прибора с этими полями. Разработка, проектирование и изготовление макетов геофизических приборов – важнейшая задача инженерной геофизики.
Выбор гравиметра именно "Дельта-2" и магнитометра М-27 для целей студенческой практики обусловлен, прежде всего, общностью физических принципов измерения приращений Δg – приращений ускорения силы тяжести и Z-составляющей магнитного поля Земли. В основу обоих
приборов положен известный принцип компенсации полных полей с помощью "измерительных" пружин и магнитов, т.е. используется "нулевой" способ регистрации определяемых величин, обеспечивающий минимальные систематические погрешности. Кроме того, достоинством обсуждаемых приборов являются достаточно высокая точность и простота в обращении с ними.
Настоящее руководство содержит техническое описание обоих приборов, а также краткую инструкцию по их эксплуатации.
Магнитометр м - 27
Полевой, переносный, высокоточный магнитометр М-27 предназначен для измерения приращений ΔZ – вертикальной составляющей магнитного поля Земли. Магнитометр используется при магнитных съемках с целью разведки и поисков полезных ископаемых, геологического картирования и детализации магнитных аномалий.
ЗАМЕЧАНИЯ
1. Перед началом работы необходимо тщательно изучить руководство и инструкцию по эксплуатации магнитометра. Завод изготовитель гарантирует безотказную работу только при условии строгого соблюдения правил данной инструкции.
2. Во время работы оператор (наблюдатель) не должен иметь при себе ферромагнитные предметы, искажающие измеряемое магнитное поле.
3. Категорически запрещается переносить прибор, держа его за оптическую трубу.
4. Во избежание обрыва растяжки КАТЕГОРИЧЕСКИ ЗАПРЕЩАЕТСЯ переносить
прибор с одной точки наблюдения на другую в разаретированном состоянии.
5. При работе с магнитометром в полях с Н-составляющей, большей 0,3 Э, прибор необходимо ориентировать (осью магнитной системы) перпендикулярно магнитному меридиану с точностью ± 20°.
ТЕХНИЧЕСКИЕ ДАННЫЕ МАГНИТОМЕТРА М-27
1. Измерительная шкала магнитометра имеет 600 делений. Цена деления шкалы 10 γ/дел. Точность отсчета по шкале соответственно ± 5 γ.
2. Диапазон измерения изменений магнитного поля Z не менее чем от 14000 γ до 82000 γ; измерения осуществляются путем плавной и ступенчатой компенсаций со следующими значениями (при настройке в поле Z = + 48000 γ):
а) плавная компенсация - 6000 γ ± 30 γ,
б) ступенчатая компенсация не менее ±31000 γ (на 12 диапазонах); приращение каждой ступени (диапазона) составляет 51000 γ ± 800 γ; магнитометр настраивается на заводе-изготовителе приблизительно на 300 делений измерительной шкалы.
3. Температурный коэффициент магнитометра не превышает ± 0,5 γ/°С в поле настройки.
4. Время единичного измерения (при некотором навыке работы с прибором) около 1 минуты, без учета времени на переход к следующей точке наблюдения.
5. Габариты магнитометра без треноги не превышают:
по высоте - 290мм,
по ширине - 150мм,
по длине - 180мм.
Магнитометр хранится и транспортируется в металлическом футляре, а тренога в брезентовом чехле. Масса комплекта: без упаковки не более 7кг, а в упаковке не более 10кг.
ПРИНЦИП РАБОТЫ МАГНИТОМЕТРА
Чувствительным элементом магнитометра М-27 является постоянный (подвижной) магнит с зеркалом, вращающийся на горизонтальной металлической растяжке. При измерении Z-составляющей магнитного поля применяется метод полной компенсации поля Z полями компенсационных магнитов. Момент полной компенсации определяется визуально с помощью отсчетного устройства.
Под действием измеряемого приращения ΔZ подвижной магнит отклоняется на угол, пропорциональный величине этого поля. Вращательный момент, создаваемый измеряемым приращением ΔZ, уравновешивается суммой вращательных моментов, создаваемых полями компенсационных магнитов и момента кручения растяжки.
Индикатором полной компенсации магнитного поля является подвижной магнит, установленный в горизонтальное положение. Для приведения его в горизонтальное положение применяются плавная и ступенчатая компенсации измеряемого поля с помощью измерительного и диапазонного магнитов.
Компенсация ΔZ производится вращением измерительного винта.
При полной компенсации поля, что соответствует приведению подвижного магнита в горизонтальное положение, ориентировка магнитометра по азимуту не требуется, так как вращательный момент, создаваемый Н-составляющей, равен нулю. Это положение справедливо, если ось вращения подвижного магнита и его магнитная ось лежат строго в горизонтальной плоскости. Установка магнитометра, удовлетворяющая этому условию, осуществляется с помощью двух уровней, отрегулированных на заводе-изготовителе. Однако на практике полностью достичь этого не удается: между осью вращения подвижного магнита и горизонтальной плоскостью существует некоторый угол α, а между магнитной осью подвижного магнита и горизонтальной плоскостью – угол i (рис. 1). В этом случае Н-составляющая может влиять на показания магнитометра.
Рис.1. К выводу уравнения равновесия чувствительного элемента магнитометра М-27.
Для оценки этого влияния рассмотрим уравнение равновесия чувствительного элемента.
MZ + MH (sin α sin ω – sin i cos ω) – М (Zи + Zк) – mgl sin (γ+ i) + 2G φ = 0, (1)
где: М - магнитный момент подвижного магнита;
Z и H -вертикальная и горизонтальная составляющие магнитного поля Земли (МПЗ);
Zи и Zк - компенсационные поля, создаваемые измерительным и диапазонным магнитами;
ω - угол (азимут), определяющий направление магнитной оси подвижного магнита;
α - угол наклона к горизонту оси вращения подвижного магнита;
i - угол наклона магнитной оси подвижного магнита к горизонту;
mg - вес чувствительного элемента;
l, γ - координаты центра тяжести чувствительного элемента;
G - постоянная кручения металлической растяжки;
φ - угол закручивания растяжки.
Из уравнения (1) можно определить поле Z-составляющей, перенеся все его члены,
не содержащие Z, в правую часть и разделив обе части уравнения на М.
Z = Zи + Zк – H (sin α sin ω – sin i cos ω) + (mgl / M) sin (γ+i) – (2G / M) φ (2)
Уравнение (2) показывает, что для устранения влияния Н-составляющей на показания прибора
необходимо скомпенсировать углы α и i, установив подвижной магнит строго в горизонтальное
положение. Влияние углов α и i, а, следовательно, и Н-составляющей, обнаруживаются по расхождению отсчетов, снятых по шкале при разной ориентировке магнитной оси подвижного магнита относительно основных азимутальных направлений. Введем обозначения: СкС –северный конец магнита "смотрит" на магнитный Север Земли, СкВ – магнит направлен на Восток, СкЗ - на Запад и СкЮ – на Юг.
При заводской настройке углы α и i сводятся к минимуму: расхождение в отсчетах прибора при ориентации его в любом азимуте от 0° до 360° не превышают 10 - 15 γ.В полевых условиях, для исключения влияния расхождения отсчетов, при правильной юстировке прибора, достаточно перед началом измерений установить уровни в горизонтальное положение. С помощью нивелировочных винтов столика и с помощью измерительного магнита подвижной индекс необходимо установить симметрично относительно нулевой линии.
При нарушении регулировки уровней, последняя может быть проведена в полевых условиях.
Поскольку влияние Н-составляющей на показания прибора исключается, его можно не ориентировать по компасу (поставляется в комплекте с магнитометром) и не снимать с треноги при переходе с одной точки наблюдения (пикета) на другую.
Магнитометр М-27 обладает высокой чувствительностью и с его помощью можно определять, при определенном навыке работы и отсутствии изменения магнитного поля порядка 1 - 2 γ в зависимости от ориентации. Чувствительность подвижного магнита регулируется на заводе-изготовителе, и равна 9 -10 γ на одну минуту дуги угла наклона при положении прибора СкВ или СкЗ.
КОНСТРУКЦИЯ МАГНИТОМЕТРА
Магнитометр М-27 является усовершенствованным вариантом магнитометра М-23. В комплект магнитометра входят: собственно магнитометр с оптической трубой и столиком, тренога, компас, футляр, чехол треноги.
Все узлы и детали магнитометра размещены в литом металлическом немагнитном корпусе. На рис.2 показан общий вид прибора, на рис.2, 3 и 4, 6 - две проекции магнитометра в разрезе и его вид сверху.
Рис.2. Общий вид магнитометра М-27.
Блок магнитов
Блок магнитов находится на дне корпуса. Все магниты (подвижной, измерительный, диапазонный, температурной компенсации и юстировочный) и их держатели закреплены на литом кронштейне.
Магниты изготовлены из викаллоя марки 52 КФТМ. Подвижной магнит подвешен в рамке, основанием 1 (рис. 3, 4), которой служит металлический стержень квадратного сечения, а боковыми сторонами пружинные амортизационные стойки 2 с втулками 3, в которых зажимаются концы металлической растяжки 4. На растяжке подвешена оправа 5, в которой закреплен подвижной магнит 6 стержневой формы с зеркалом 7. Зеркало приклеивается к верхней части оправы. Рамка с чувствительным элементом крепится на кронштейне 8.
При заводской настройке приведение подвижного магнита в горизонтальное положение осуществляется винтом 9, перемещающимся параллельно магниту.
Чувствительность магнитометра грубо регулируется натяжением растяжки, которое может изменяться с помощью винта 10, ввинченного в стойку 11. Концы растяжки дополнительно поджимаются плоскими пружинами 12. Точная регулировка чувствительности производится перемещением гайки-грузика 13 по винту 14.
Рис.3. Магнитометр в разрезе.
Для компенсации приращения вертикальной составляющей измеряемого магнитного поля и кажущегося поля, связанного с температурным "уходом" показаний магнитометра (компенсация температурного коэффициента) применяется несколько магнитов.
Плавная компенсация осуществляется измерительным магнитом в пределах 6000 γ. В измерительный блок входят: магнит 15 и шкала 16, укрепленные на кронштейне 8.
Шкала и измерительный магнит жестко крепятся на общей оси 17 прямозубого цилиндрического колеса, что исключает люфт и, следовательно, не вносит погрешность в измерения.
Если напряженность компенсируемого поля превышает по абсолютной величине 6000 γ, то пределы измерений расширяются введением ступенчатой компенсации, благодаря диапазонному магниту 18. Диапазонный магнит и переключатель ступеней компенсации - сектор 19 закреплены на одной втулке, которая может вращаться в кронштейне 8. Сектор 19 имеет 13 ступеней (-6, -5,...-1, 0, +1, +2,...,+6) и переключается оператором вручную. Положение переключателя, соответствующее "нулевому" диапазону, обеспечивает компенсацию в пределах 6000 γ, т. е. компенсация производится только измерительным магнитом. При включении диапазонного магнита пределы компенсации изменяются от 5900 γ на первом диапазоне до 4300 γ на шестом.
Рис.4. Магнитометр в разрезе.
Общий диапазон ступенчатой компенсации ±31000 γ. Погрешность, вносимая в отсчет при таком соединении диапазонного магнита с сектором +-1,5 деления.
При настройке магнитометра на 300-е деление шкалы, с учетом плавной компенсации ±3000 γ, диапазон измерения его будет равен ±34000 γ. Если необходимо, диапазон измерений можно расширить до ± 36000 γ за счет смещения настройки на 50-е или 550-е деления шкалы. В таком случае диапазон плавной компенсации расширяется до 5500 γ.
"Компенсация температурного коэффициента магнитометра" осуществляется компенсационным магнитом 20, укрепленным на биметаллической пластине 21. Положение магнита регулируется стопорной гайкой 22.
Компенсация вертикальной составляющей поля, создаваемого магнитом температурной компенсации, осуществляется юстировочным магнитом. Юстировочный магнит 23 может поворачиваться на оси 24 на 360°. После регулировки юстировочный магнит закрепляется в нужном положении гайкой 25.
Арретиры служат для установки подвижного магнита в нерабочее положение и предохранения растяжки от обрыва при переходе с одной точки наблюдения на другую и при транспортировке.
Арретиры - это два вертикально перемещающихся "движка" с пружинами 26. "Движки" перемещаются качающимся рычагом 27, закрепленном на медном демпфере 28. Демпфер служит для быстрого успокоения колебаний подвижного магнита после разаретирования. Для амортизации при арретировании на рычаге прикреплена одним из концов плоская пружина 29, в другой конец которой упирается эксцентрик 30, сидящий на оси 31 ручки арретира.
Отсчетное устройство
Отсчетное устройство служит для снятия показаний магнитометра и состоит из оптической трубы, укрепленной в верхней части корпуса магнитометра и оцифрованной шкалы, конструктивно входящей в узел измерительного блока и находящийся в поле зрения окуляра. Оптическая труба 32 состоит из окуляра 33 14-ти кратного увеличения, объектива 34, служащего для получения автоколлимационного изображения подвижного индекса в фокальной плоскости окуляра, объектива 35, дающего изображение шкалы 16 в той же плоскости и зеркала 1, (рис.2) подсветки подвижного индекса.
При заводской настройке оба объектива можно перемещать вдоль оси оптической трубы для получения четких изображений подвижного индекса и шкалы в фокальной плоскости окуляра.
Рис.5. Шкала магнитометра М-27.
Призмы 36 предназначены для поворота луча подсветки шкалы, а призма 37 - для подсветки подвижного индекса. Отсчет по шкале берется в момент совмещения середины участка подвижного индекса, находящегося между двумя параллельными линиями, с нулевой неподвижной линией, находящейся в центре поля зрения окуляра (рис.5).
Корпус и кожух
В верхней части корпуса (рис.2) крепятся: термометр 4 (интервал измерения температуры от -30° до +40°), который измеряет температуру внутри корпуса, и по его показаниям, при необходимости, в результаты наблюдений вводится температурная поправка. Два цилиндрических уровня 3 служат для точной установки магнитометра в горизонтальном положении.
Для доступа внутрь магнитометра сбоку имеется съемная крышка 7 (рис.6). На боковые поверхности корпуса выведены: ручка арретира 5 (рис.4), имеющая два фиксированных положения, соответствующие рабочей и нерабочей позициям подвижного магнита. Позиция "А" соответствует арретированному, а "Р" – разаретированному (рабочему) состояниям; ручка поворота измерительного магнита 6, указатель поворота диапазонного магнита 1 и стопорная гайка 2 термокомпенсатора находятся там же.
Рис.6. Вид сверху в разрезе.
Под указателем поворота диапазонного магнита крепится шкала 3 с указателем ступеней компенсации.
Теплоизоляционный кожух изготовлен из тонкого алюминия с прокладкой из пенополистирола на внутренней поверхности. Он предназначен для защиты магнитной системы от резких колебаний температуры. Кожух состоит из двух половин, которые надеваются на корпус прибора и крепятся к нему невыпадающими винтами.
СТОЛИК
Столик 10 (рис.2) служит для установки магнитометра на треноге и ориентирования его по азимуту. Основание корпуса выполнено так, что позволяет вращать магнитометр на столике в пределах 360°, и соединяется с ним неснимаемым центральным винтом.
После установки в нужном азимуте магнитометр должен быть закреплен винтом 8. На столике расположены под углом 120° три нивелировочных винта 10, с помощью которых магнитометр устанавливается в горизонтальное положение. В нижней части столика находится амортизатор 11 с гайкой 12, служащие для соединения магнитометра с треногой.
ТРЕНОГА
На треноге устанавливается магнитометр со столиком и закрепляется на ней невыпадающим винтом 13 (рис.1) с ручкой. Во время переходов с одной точки наблюдения на другую, магнитометр с треноги не снимается.
Тренога имеет три раздвижные деревянные ножки 14 с металлическими башмаками на концах, для вдавливания ножек в грунт при установке магнитометра на точках наблюдений. Максимальная высота треноги - 1200мм, минимальная - 780мм.
КОМПАС
К магнитометру придается компас, служащий в случае необходимости для приблизительной ориентации магнитометра.
Азимутальный круг компаса разбит на 360°, цена одного деления 5°, точность отсчета 0,5 деления.
В нерабочем состоянии стрелка компаса арретируется передвижением пружины вокруг оси корпуса.
Компас выполнен в металлическом (немагнитном) корпусе с размерами: диаметр – 48 мм, высота – 12 мм.
И Н С Т Р У К Ц И Я П О Э К С П Л У А Т А Ц И И