2.2 Методи та прилади для вимірювання елементів геомагнітного поля

Геомагнітне поле є першим із фізичних полів, яке було зафіксоване за допомогою елементарних магнітних компасів і яке в подальшому широко використовувалось, зокрема мореплавцями.

Прилади, які використовуються у магніторозвідці для виміру модуля вектору магнітної індукції, або складових цього вектору, а також для вимірів їх приросту називаються магнітометрами.

Тривалий час основою приладів слугувала магнітна стрілка, потім були відкриті інші фізичні явища, що дозволило створити більш складні і точні сучасні прилади — ферозондові, квантові, протонні. Магнітометри, які призначені для безперервної реєстрації елементів земного магнетизму і укомплектовані спеціальними записуючими пристроями, називаються варіаційними станціями. В основі оптико-механічних магнітометрів лежить магнітна система (стрілка, голка), яка змінює своє положення в залежності від величини магнітного поля.

Чутливим елементом оптико-механічних магнітометрів є рухливий магніт циліндричної форми — магнітна система. Вона закріплюється на пружній нитці і обертається навколо осі. Якщо в приладі вісь обертання магніту горизонтальна, вимірюються значення Z (Z — магнітометр). Якщо вісь обертання вертикальна, то вимірюються значення Н (Н — магнітометр). Найпоширенішими оптико-механічними магнітометрами є прилади для вимірювань вертикальної складової магнітного поля Землі.

Якщо площину коливання рухливого магніту розташувати строго перпендикулярно до магнітного меридіана, то на нього будуть діяти вертикальна складова Z, сила ваги Р_р і пружна сила P (якщо магнітна система укріплена на пружній нитці). При цьому горизонтальна складова геомагнітного поля не буде створювати обертального моменту. Розглянемо детальніше принцип вимірювання вертикальної складової геомагнітного поля за допомогою оптико-механічного магнітометра (рис. 2.5).

Момент рівноваги відповідає рівності моментів сил:

або ,

Рисунок 2.5 Схема дії сили тяжіння і магнітної складової на магнітну стрілку при її рівновазі.

M - магнітний момент; Z - вертикальна складова магнітного поля; i - кут відхилення рухливого магніту від горизонталі; P_p - момент сили тяжіння; d - відстань від центру тяжіння магнітної системи до вісі обертання OS;  - кут між лінією OS та вісcю магніту; P_ - момент пружних сил кручення; c - коефіцієнт кручення нитки;  - кут закручування нитки.

Після перетворення:

,

позначимо:

Отримаємо:

Приріст вертикальної складової в двох точках 1 і 2:

Таким чином, приріст вертикальної складової між двома точками залежить тільки від кута відхилення магнітної осі системи від горизонтальної площини і практично задача зводиться до зняття відліку кута i. Це можна робити візуально, спостерігаючи кут відхилення системи від горизонту по шкалі (широко застосовувалися раніше магнітометри М-2, М-15, Н-ваги). Недоліком такого способу реєстрації магнітного поля є необхідність строгого орієнтування по сторонах світу. Недотримання цієї вимоги сприяє виникненню значних помилок за рахунок різного впливу Н. Уникнути їх можна, якщо змінити систему реєстрації кута повороту магнітної системи. Для цієї мети застосовують так звану компенсаційну систему відліку, використовуючи спеціальні компенсаційні магніти. З їхньою допомогою магнітна система на кожній точці вимірів виводиться в горизонтальне положення, і мірою вертикальної складової є величина поля компенсаційних магнітів. Різновидом магнітометра з вертикальною ниткою є астатичний магнітометр, який використовується для високоточних лабораторних визначень магнітних характеристик зразків гірських порід. На практиці широко застосовувались магнітометри такого типу М-18, М-23, М-27, М-27М

Ферозондовими є магнітометри, в яких вимір магнітного поля ґрунтується на особливостях намагнічування феромагнітних тіл (сердечників із магнітом’ягкого заліза) у зовнішньому полі. Основою ферозондового магнітометра є ферозондовий елемент, який являє собою електричну котушку із сердечником. Сердечник ферозонду виготовлений з магнітом`якого матеріалу пермалоя, що володіє властивістю миттєво реагувати на швидкі зміни магнітного поля, завдяки нелінійній залежності його магнітної проникності від намагнічуючого поля. Зазвичай чутливий ферозондовий елемент складається з двох однакових пермаллоєвих сердечників з обмотками збудження. Обмотки включені «назустріч» і підключені до джерела змінної синусоїдальної напруги з частотою струму ω=500-1000 Гц. За відсутності зовнішнього магнітного поля початкова намагніченість дорівнює нулю, і в котушках індукується змінне магнітне поле однакової частоти і форми, але протилежно спрямоване, тобто, за відсутності зовнішнього поля у вимірюваному ланцюзі сигнал відсутній. При накладенні зовнішнього магнітного поля створюється деяка початкова намагніченість пермалоя, і у вимірювальній обмотці буде виникати результуючий електричний струм з частотою 2ω, що є мірою зовнішнього магнітного поля. Перевагою методу є швидкість реєстрації магнітного поля. Тому ферозондові магнітометри часто встановлювалися на літаках. Зараз розроблено ферозондові високоточні магнітоваріаційні станції та градієнтометри.

В основі роботи квантових магнітометрів лежить явище розщеплення енергетичних рівнів атомів рідких або газоподібних речовин у магнітному полі (ефект Зеємана). Схематично його можна пояснити в такий спосіб. Атоми речовини з визначеним магнітним моментом при переміщенні їх у магнітному полі здобувають додаткову енергію ΔЕ, пропорційну його величині. Вимірювання магнітного поля, засновані на даному принципі, найбільше просто виконати, вивчаючи явища резонансного поглинання енергії зовнішнього випромінювання при опроміненні робочої речовини квантами електромагнітного випромінювання оптичного діапазону (звідси і назва відповідних приладів). Як робочу речовину часто використовують пари цезію (Cs). Резонансні явища в описаному методі вивчають шляхом виявлення резонансної частоти за допомогою спеціальних радіосхем. Квантові магнітометри відрізняються високою чутливістю, практичною відсутністю зсуву нуль-пункту. Випускають прилади як для пішохідної зйомки, так і аеромагнітометри.

Протонні (ядерно-прецесійні) магнітометри ґрунтуються на явищі прецесії магнітних моментів протонів (ядер атомів водню) у магнітному полі. Принцип дії цих приладів наступний. Ядра водню (протони) характеризуються певним магнітним моментом і спіном і мають здатність робити обертальні рухи (прецесувати) навколо зовнішнього магнітного поля Т з частотою ω, пропорційній величині цього поля ω=υТ, де υ — постійна. Конусоподібне обертання ядра навколо вектора подібно обертанню дзиги, що одержала бічне обертання навколо вертикальної осі. В якості матеріалу для створення ефекту прецесії використовують рідини, які багаті протонами (вода, спирт та ін.). Посуд з такою рідиною поміщають у котушку, у якій створюється магнітне поле, перпендикулярне земному магнітному полю. Магнітні моменти протонів орієнтуються уздовж цього поля. Потім струм, що збуджує поле, вимикають, і протони “зорієнтовуються” уздовж напрямку земного магнітного поля і прецесують довкола нього з частотою, яка пропорційна його величині. При цьому в котушці індукується змінний електричний сигнал з тією же частотою. Він фіксується вимірювальною установкою і є мірою величини земного магнітного поля. Сучасні ядерно-прецесійні магнітометри широко використовуються при магнітних зйомках усіх видів — від наземної до супутникової.

Вимірювання в магніторозвідці можуть бути абсолютними і відносними. При абсолютних вимірюваннях безпосередньо виміряються повні значення модулів векторів чи , значення схилення D чи нахилення І. При відносних вимірюваннях визначається приріст елементів магнітного поля в просторі чи в часі. Отримана величина ( ) порівнюється з відомою величиною того ж параметру на опорних точках (n₀). При відносних вимірюваннях величину А, що спостерігається, обчислюють по формулі: , де - різниця відліків; ε — ціна поділки приладу.

В даний час у магніторозвідці найбільше широко застосовуються вимірювання , а також відносні вимірювання і їх варіації в часі .

Оптико-механічні магнітометри служать для вимірювання ; ферозондові — і трьох взаємно перпендикулярних складових вектора (X, У, Z). Квантові і протонні магнітометри використовують для вимірювання Т і . До переваг протонного магнітометра, крім абсолютного характеру вимірювань, необхідно віднести високу точність (до ±0,1 нТл); практичну відсутність дрейфу нуль-пункту і необхідність точного орієнтування датчика в просторі, можливість дистанційних вимірювань; магнітометр може розташовуватися на рухомій платформі. Разом з тим йому органічно характерні певні недоліки, які необхідно мати на увазі при експлуатації: дискретність вимірів (для виконання одного вимірювання необхідний час (від часток секунди до декількох секунд); зміни магнітного поля чи помітні варіації призводять до істотного ослаблення ефективного сигналу.

Ядерно-прецесійний магнітометр дозволяє визначити лише модуль , але не встановлює його напрямок, що ускладнює процес інтерпретації одержуваної інформації. Це змушує в ряді випадків використовувати інші спеціальні пристрої для вимірювання складових .