ВВЕДЕНИЕ

ИСТОРИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

И СОВРЕМЕННОН СОСТОЯНИЕ МАГНИТОРАЗВЕДКИ

«Магнитный компас – прибор маленький, но без него Америка не была бы открыта!» – так говорят моряки. Продолжая эту мысль, можно сказать, что без компаса не было бы открытия железных руд, изучения внутреннего строения Земли и установления геологического возраста горных пород. О существовании компаса впервые упоминали китайцы, они описали применение компаса в морской навигации, которое приписывается к I в. н.э. Но английские историки установили, что первые упоминания о компасе в китайской литературе относятся к Х1 в. и в это же время появились сведения о применении компаса в навигации в Европе.

Во время своего первого путешествия в Новый Свет 14 сентября 1492 г. генуэзец Христофор Колумб в судовом журнале «Санта Мария» зарегистрировал отклонение магнитной стрелки от направления на астрономический север. Было установлено, что магнитная стрелка меняет свое направление при переходе из одного места в другое. В конце ХY в. в Европе стало известно, что магнитная стрелка отклоняется от магнитного меридиана и это отклонение меняется от места к месту. Эти факты послужили началом измерения одного из элементов земного магнетизма.

В России первым, кто обратил внимание на явления земного магнетизма, был М.В.Ломоносов. Он впервые высказал предположение о структуре земного шара как тела, состоящего из мельчайших разнородно намагниченных частичек, которые в совокупности образуют неоднородно намагниченный шар, что и объясняет неодинаковые значения отклонения в разных частях земного шара.

Большим событием в области изучения магнитного поля Земли было открытие основного закона магнитостатики французом Шарлем Югюстеном Кулоном. Он изобрел два способа измерения напряженности магнитного поля, основанных на наблюдениях периодов качания намагниченных маятников и закручивания нити крутильных магнитных весов (1784 г.). Разработанные Кулоном способы измерений в дальнейшем использовались в различных исследовательских экспедициях.

В течение ХYШ в. Российская академия наук наряду с морскими исследованиями вела измерения магнитного склонения в Центральной России, Сибири, на Урале и Кавказе.

Систематическая магнитная съемка на территории европейской части России начала проводиться в 70-х гг. ХIХ в. Результаты ее послужили основанием к созданию первых магнитных карт, по которым было установлено наличие крупной магнитной аномалии в Курской области. В дальнейшем, в 1889 г. в район КМА был направлен студент Петербургского университета Д.Д.Сергиевский, который произвел измерения магнитного поля в 166 пунктах в районе села Непхаево. Четырьмя годами позднее исследования на этой территории были продолжены, сомнений в достоверности полученных результатов не возникало, но вопрос о природе аномальных значений магнитного поля оставался открытым. Но только в двадцатых годах прошлого столетия началось всестороннее исследование Курской магнитной аномалии, которое привело к открытию богатейших залежей железной руды.

Для дальнейшего развития магниторазведки важное значение имели рекогносцировочные съемки в районе Кривого Рога, на Урале в районе гор Высокая, Магнитная и Благодать. Интенсивно проявляющиеся магнитные аномалии на Урале были объяснены наличием богатых железорудных залежей. Эти выводы геологического истолкования магнитных аномалий заинтересовали Д.И.Менделеева, занимавшего в то время пост директора палаты мер и весов и уделявшего большое внимание развитию производительных сил в стране. В 1899 г. он организовал специальную экспедицию на Урал.

К началу прошлого столетия магниторазведка хорошо себя зарекомендовала при поисках сильно магнитных руд, совершенствовалась аппаратура, значительно ускорились полевые магнитные измерения. К 20-м гг. исследователи научились обнаруживать и изучать слабые по интенсивности, хотя и значительные по занимаемому пространству, аномалии. Изучение этих слабых аномалий особенно оказалось полезным при нефтяных изысканиях. Такого рода аномалии отражает карта вертикальной составляющей напряженности магнитного поля по Западному Уралу, составленная по работам нефтяного института в Ленинграде (рис.1.).

В 1930 г. по инициативе проф. Н.Розе /25/ и под его руководством началась генеральная магнитная съемка, покрывшая за 10 лет магнитными пунктами (26 000) всю территорию России. Это позволило построить магнитные карты надежной точности, о чем раньше нельзя было и предполагать. За время работы экспедиции была организована учеба операторов и созданы новые приборы для съемки.

С тех пор учеными разработаны новые методы исследования, собран и обобщен огромный материал по распределению магнитного поля на поверхности Земли, развилось направление исследования прикладного характера – магнитная разведка, получившая благодаря трудам российских ученых теоретическое обоснование и широкое практическое применение.

Прошли годы, и сегодня магнитометрические исследования как для поисков месторождений полезных ископаемых, так и для решения многочисленных специализированных задач остаются востребованными во всем мире. Стали более совершенными магнитоизмерительные приборы, действующие на основе микропроцессорных систем и снабженные мощными запоминающими устройствами, обеспечивающими связь с обрабатывающими комплексами. Освоение и внедрение новой высокоточной техники поднимает магниторазведку на новую ступень развития, что способствует решению традиционных геологических задач и появлению широких возможностей при литологическом расчленении слабомагнитных осадочных, вулканогенно-осадочных, вулканических и метаморфических образований.

Открываются новые возможности изучения нефтегазоносных бассейнов, выделения нефтеперспективных площадей и отдельных типов нефтеносных структур, проведения гидрогеологических работ, инженерно-геологических и археологических изысканий.

Расширились возможности применения магниторазведки и для обнаружения рудных полезных ископаемых, картирования и расчленения слабомагнитных разновидностей горных пород: гематитовых, мартитовых, сидеритовых и гетитовых руд, бокситов, алмазоносных кимберлитов, марганцевых руд осадочного типа, сульфидных руд цветных и редких металлов, золотоносных, алмазоносных и вольфрамоносных россыпей.

Магнитометрические измерения используются широким кругом научно-производственных организаций при решении специализированных задач: трассирования трубопроводов, поисков затонувших судов, неразорвавшихся авиабомб и подземных снарядов, прогнозирования землетрясений, проведения исследований погребенных объектов культурного наследия.

Для повышения качества, экономической и геологической эффективности магниторазведочных работ совершенствуется и методика наблюдений. Для повышения информативности при решении различных поисково-разведочных и прикладных задач стали применяться компонентные магнитометры, обеспечивающие многофункциональность действия, одновременно измеряющие модуль и градиент магнитного поля. Их конструкция позволяет вести исследования в условиях интенсивных помех как естественного, так и искусственного происхождения.

Рис.1. Карта изодинам Z Западного Урала по данным Н.Розе (1930 г.)

Глава 1

ФИЗИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ МАГНИТНЫХ

ИЗМЕРЕНИЙ

1.1. Природа магнетизма

Явление магнетизма было открыто еще в древности как поле постоянных магнитов. Долгое время магнетизм, как особая форма материи, объяснялся моделью Кулона, представляющей совокупность зарядов двух знаков. И до сих пор это открытие находит применение в научных теоретических исследованиях и разработке выводов. После открытия Эрстедом магнитного поля токов и последующих исследований ряда других физиков была установлена полная эквивалентность свойств магнитных полей токов и магнитов. По теореме Ампера, магнитное поле замкнутого постоянного тока можно рассматривать как поле диполя, состоящего из магнитных зарядов положительного и отрицательного знаков. Ампером была высказана мысль о появлении при наличии магнитов электрических молекулярных токов, которые создают магнитное поле. Но это не свободные макроскопические токи, а микроскопические связанные токи, циркулирующие в пределах отдельных молекул вещества. Предположение Ампера в дальнейшем получило подтверждение.

Всякое вещество в природе является магнетиком, оно способно под действием магнитного поля намагничиваться и приобретать собственный магнитный момент. Магнетиками называются вещества, которые при внесении их во внешнее поле изменяются так, что сами становятся источниками дополнительного магнитного поля. Намагниченное вещество создает магнитное поле В₁, которое накладывается на первичное поле В_о. Оба поля в сумме дают результирующее поле

В = В_о + В_1. (1.1)

Намагничивание тел Ампер объясняет циркулированием в молекулах вещества круговых токов (молекулярных токов). Токи обладают магнитными моментами, которые создают в окружающем пространстве магнитное поле. В отсутствие внешнего поля молекулярные токи ориентированы беспорядочно, вследствие чего обусловленное ими результирующее поле равно нулю. Суммарный магнитный момент тела в этом случае равен нулю. Под действием внешнего магнитного поля магнитные моменты молекул приобретают преимущественную ориентацию в одном направлении, вследствие чего магнетик намагничивается и его суммарный момент становится отличным от нуля. Магнитные поля отдельных молекулярных токов уже не компенсируют друг друга, и возникает поле В₁. Это явление открыто экспериментально Фарадеем в 1845 г.

Магнитные свойства молекулы приобретают за счет магнитных свойств составляющих их атомов. Известно, что атом состоит из положительного ядра, окруженного отрицательными электронами. Движущийся электрон по орбите вокруг ядра с постоянной скоростью эквивалентен замкнутому контуру орбитального тока J:

J = e,

где e – абсолютная величина заряда электрона,  – частота его обращения по орбите. Орбитальный магнитный момент Р_m электрона равен

Р_m = J S n,

где S – площадь орбиты, n – единичный вектор нормали к плоскости орбиты.

Геометрическую сумму орбитальных магнитных моментов всех электронов атома называют орбитальным магнитным моментом μ атома. Кроме того, известно, что электрон еще обладает собственным моментом импульса, который ничего общего не имеет с его движением по орбите. Он ведет себя так, как будто постоянно вращается вокруг собственной оси. Это свойство называется спином электрона. Модуль спина электрона зависит от постоянной Планка h:

.

С этим внутренним моментом количества движения связан магнитный момент неизменной величины. Направление этого магнитного момента совпадает с направлением, ожидаемым для электрона, если его представить в виде отрицательно заряженного шара, вращающегося вокруг оси. Величина спинового магнитного момента всегда одинакова, внешнее поле может повлиять только на его направление.

Если спиновые моменты электрона могут свободно ориентироваться в веществе, то можно ожидать, что они легко расположатся в направлении приложенного поля В, т.е. сами выберут ориентацию энергии. Можно считать, что магнитные свойства вещества зависят от приложенного индуцированного поля.

В состав ядер атомов различных элементов входят еще и протоны. Их количество в ядре соответствует порядковому номеру элемента в периодической системе Д.И.Менделеева. Протон обладает положительным электрическим зарядом, численно равным заряду электрона. Масса протона в 1836.5 раза превышает массу электрона. В классической модели протон представляется как масса, несущая положительный заряд и вращающаяся вокруг собственной оси. Протон представляется в виде элементарной вращающейся массы, обладающей моментом импульса за счет вращения вокруг собственной оси. Вращение протона, несущего электрический заряд, создает кольцевой ток, который, в свою очередь, обуславливает магнитный момент, называемый собственным магнитным моментом, или спиновым магнитным моментом протона.

Движение элементарных частиц атома вещества в магнитном поле создает суммарный магнитный эффект, который является количественной характеристикой намагниченного состояния вещества. Эта векторная величина называется намагниченностью, она равна отношению магнитного момента макроскопически малого объема вещества υ к величине этого объема:

J = , (1.2)

где – магнитный момент атома, содержащийся в объеме υ. Другими словами, намагниченность есть объемная плотность магнитного момента магнетика.

Вещество, в котором содержится равномерно распределенное во всем объеме большое количество одинаково направленных атомных магнитных диполей, называется равномерно намагниченным. Вектор намагниченности J является произведением числа ориентированных диполей в единице объема и магнитного момента μ каждого диполя.

Рис. 1.1. Магнитное поле вокруг намагниченного цилиндра

Рассмотрим опытные исследования. Магнитное поле около намагниченного стержня, например стрелки компаса, очень похоже на электрическое поле электрически поляризованного стержня, который имеет избыток положительных зарядов на одном конце и избыток отрицательных зарядов – на другом. Получаем, что и магнитное поле имеет свои источники, которые связаны с ним таким же образом, как электрический заряд связан с электрическим полем. Один магнитный заряд можно назвать северным полюсом, а другой – южным.

На рис. 1.1 демонстрируется магнитное поле вокруг намагниченного цилиндра, видимое благодаря ориентации мелких кусочков никелевой проволоки, погруженных в глицерин. Исследования выполнены в физической лаборатории Пальмера Принстонского университета (Э. Парселл) /21/. Опыт показывает, что не удалось получить избытка изолированных магнитных зарядов одного знака, а наоборот, подтверждает, что заряды существуют в паре и между ними есть связь. Исследователи утверждают, что обычное вещество «сделано» из электрических зарядов, а не из магнитных.

Можно сделать вывод, что источником магнитного поля являются электрические токи. Это подтверждает мысль Ампера о том, что магнетизм можно объяснить существованием множества крошечных колец электрического тока, распределенных по всему веществу.