Магниторазведочная аппаратура

Приборы применяемые в магниторазведке носят название магнитометров и подразделяются на:

1. Оптико-механические;

2. Феррозондовые;

3. Протонные;

4. Квантовые.

Оптико-механические приборы. Принцип их устройства сходен с устройством гравиметров (рис. 34). На немагнитной металлической проволоке установлен основной магнит, который системой компенсационных магнитов приводится в горизонтальное положение и ориентируется по направлению вектора T. С компенсационными магнитами связаны юстировочные микрометрические винты, по которым производится отсчет показаний магнитной индукции в нанотеслах. В систему визуальных отсчетов входят оптические линзы (увеличительные и преломляющие). Недостаток оптико-механических магнитометров это сползание нуль пункта.

Рис. 34. Схема устройства оптико-механического магнитометра

1 - рама, 2 - металлическая нить, 3 – постоянный магнит,

4 – зеркало, 5 - диапазонный магнит, 6- компенсационный магнит, 7 - лимб

Феррозондовые приборы. Это приборы, в которых их основной элемент – феррозонд. Он состоит их двух индукционных катушек намотанных со встречной обмоткой на пермаллоевые стержни (материал с очень высокой магнитной проницаемостью). Встречная обмотка обеспечивает нулевую напряженность поля в отсутствии магнитных объектов (рис. 35).

Рис. 35. Схема феррозонда по типу второй гармоники

1,2 – пермаллоевые сердечники, Н₁, Н₂ – направление

переменного магнитного поля частотой ω₁,

Н – постоянная составляющая внешнего магнитного поля,

ω₂ – результирующая частота

Когда появляется магнитный объект, то за счет деформации магнитного поля, напряженность между катушками становится отличной от нуля. Одновременно в измерительной катушке _ наводится индукция, величина, которая пропорциональна намагниченным объектам.

Блок-схема аппаратуры феррозондового магнитометра приведена на рис. 36.

Рис. 36. Блок-схема феррозондового магнитометра

1 – феррозонд, 2- генератор, 3 - измеритель первичного сигнала,

4 - фазовращатели (компенсаторы напряжения и фазы), 5 – сумматор, 6 - кварцевый генератор (частотомер), 7 - регистрирующее устройство

Протонные магнитометры. В этих приборах используется физическое явление прецессия протонов, сущность которой в ориентации магнитных моментов протонов вдоль силовых линий магнитного поля. Датчик поля представляет собой сосуд, наполненный протонообразующей жидкостью (вода, спирт, бензол или их смеси). Вокруг сосуда намотаны генераторная и измерительная катушки. С помощью первой создается эффект поляризации протонов, а с помощью второй - изменение ориентации магнитных моментов вследствие деформации магнитного поля под действием тех или иных магнитных объектов. Прецессия выражается формулой

(35),

где Т - суммарный магнитный вектор,  частота, α- коэффициент, характеризующийся отношением механического и магнитного моментов.

Протонные магнитометры отличаются высокой точностью. У них, в отличие от феррозондовых, отсутствует сползание нуль-пункта. Блок-схема протонных магнитометров приведена на рис. 37.

Рис. 37. Блок-схема протонного магнитометра

Д.П. – датчик поля, Вх.У. – выходной усилитель, У – усилитель мощности, С – смеситель, УПЧ – усилитель промежуточной частоты, Д – детектор, ЭЗК – электронная записная книжка, ГПЧ – генератор промежуточной частоты, Б.П. – блок питания, П.Н. – преобразователь напряжения

Квантовые магнитометры. Это современные приборы, в основе которыхлежит то же уравнение прецессии (формула 35), что и для протонных магнитометров. Используется физическое явление Леемана. Сущность явления в переходе электронов на новый энергетический уровень под действием монохроматического света. Вспышка этого света называется накачкой. Под действием этого света электроны атомов отдельных элементов переходят на другой энергетический уровень, причем их магнитные моменты как и у протонов ориентируются вдоль силовых линий магнитного поля. После прекращения накачки (вспышки монохроматического света) электроны возвращаются на прежние уровни, но при этом выделяется энергия с частотой пропорциональной суммарному вектору магнитного поля Т. Сосуд (лампа) квантового магнитометра наполнен парами или цезия, или рубидия или гелия, которые являются насыщенными атомосодержащими объектами. Блок-схема приборов аналогична протонным магнитометрам.

В процессе проведения магниторазведочных работ обязательны вариационные наблюдения (непрерывные по времени измерения стационарным магнитометром, установленным на базе) с целью записи магнитных пульсаций (бурь). Погрешности результатов наблюдений вычисляются по разности измерений на контрольных точках:

(36),

где разность основных и контрольных замеров, n – общее количество контрольных точек.

Представление результатов магнитометрической съемки, как и в гравиразведке, производится в виде план графиков и карт изодинам (z,h), изогон (d), изоклин (I). Обязательно выполняется качественная и количественная интерпретация полученных материалов с последующим геологическим истолкованием магниторазведочных аномалий.

Качественная и количественная интерпретация выполняются по той же схеме что и в гравиразведке. Основой служит решение прямой и обратной задач магниторазведки.

Прямая задача.

Расчет распределения потенциалов магнитного поля производится по формуле:

(37),

где U - магнитный потенциал, I - интенсивность намагничивания, угол между точкой наблюдения и изучаемым объектом,  - магнитная проницаемость, r - расстояние между объектом и точкой наблюдения.

Решение прямой задачи, как правило, производится для объектов простой геометрической формы. На рис. 38 приведены графики параметров магнитного поляZ_а и H_а над крутопадающим пластом бесконечного простирания.

Рис. 38. Форма графиков Z_а и H_а

над крутопадающим пластом

бесконечного простирания

Аномальные эффекты связаны в основном с верхней кромкой пласта, поскольку нижняя кромка находиться на достаточно большой глубине и ее влиянием можно пренебречь.

Обратная задача.

Решение обратной задачи предусматривает количественную интерпретацию с обязательным привлечением априорной информации. Типовой способ решения следующий:

1. Определяется h - глубина залегания объекта по эмпирической формуле:

h =1,3[X_{1/2z max}], (38),

где X_{1/2z max} - координата Х в точке 1/2z _max.

2. Определяется магнитная масса m объекта:

m=Z_max*h² (39)

3. Определяется интенсивность намагничивания:

I=*z (40),

где берётся по справочным таблицам или по натурным замерам.

4. Определяется площадь верхней кромки магнитного объекта:

S=m/I (41)

Для объектов сложной геометрической формы используются численные методы решения прямой и обратной задач в рамках 1D, 2D, 3D – инверсии. Существуют специальные компьютерные программы.

Области применения магниторазведки для решения геологических задач.

Магниторазведка относится к картировочным геофизическим методам, применяемым в основном для изучения региональных структур в комплексе с другими геофизическими методами. Очень эффективны методы аэромагниторазведки (дистанционные методы). В более крупных масштабах наземные магниторазведочные съемки выполняются при поиске и разведке рудных месторождений. При поисках нефтегазовых месторождений магниторазведка эффективна не во всех случаях. При решении экологических задач методами магниторазведки выявляются и картируются разливы нефти (активизируются магнитные свойства вследствие окисления), а также металлические нефтяные резервуары и трубы нефтяных и газовых магистралей.

• Проектное задание раздела 1-В

1)Охарактеризовать сущность и природу магнитных аномалий. Объяснить инверсию геомагнитных полюсов, как изменение направления геомагнитного поля на обратное с интервалами от 0,5 до 50 млн. лет

2) Составить картину формирования магнитного поля Земли, включая образование магнитных свойств, как способности горных пород намагничиваться под воздействием внешнего магнитного поля

3) Составить блок-схему и принцип действия современной магниторазведочной аппаратуры на основе прецессии, как перемещения магнитного момента ядра или атома вокруг вектора напряженности магнитного поля.

4) Составить алгоритм решения обратных задач магниторазведки и дать краткие пояснения однозначности или неоднозначности их решения.

5) Объяснить какие вариации магнитного поля Земли учитываются при проведении магнитных съемок.

6) Дать пояснение нормального геомагнитного поля земной поверхности.

7) Объяснить особенности аэромагнитных и аквальных съемок.

8) Объяснить назначение контрольных маршрутов.

7) Изложить методику обнаружения геологических объектов: последовательность и порядок измерения компонентов магнитного поля на точках маршрутных профилей.

9) Составить типовые модели геологических сред с включением натурных и техногенных объектов, характеризующихся неодинаковыми магнитными свойствами.

• Тесты рубежного контроля раздела 1-В

1.

Вопрос: Какие элементы магнитного поля изучают в магниторазведке?

Ответ: Полный вектор напряженности. Северная и восточная составляющие магнитного поля. Полный вектор T, вертикальная составляющая Z, горизонтальная составляющая Н, раскладывающаяся на составляющие Y и X, угол наклонения I и угол склонения D.

2.

Вопрос: На какие классы делятся вещества по их магнитным свойствам?

Ответ: Магнитные и немагнитные. Парамагнитные и ферромагнитные. Диамагнетики, парамагнетики с обособленной группой ферро-, ферри- и антиферромагнетиков. Классы ферро- и антиферромагнитных свойств.

3.

Вопрос: Каков принцип работы протонного (ядерного) магнитометра?

Ответ: На основе кручения нити с подвешенной магнитной массой. На основе прецессии, создающейся ядром водорода. На основе прецесии паров щелочного металла. На основе феррозонда.

4.

Вопрос: В каком виде изображаются результаты магнитных съемок?

Ответ: В виде карт и план-графиков. В форме геолого-геофизических разрезов. В виде таблиц измеренных значений магнитного поля.

5.

Вопрос: В чем заключается решение обратной задачи магниторазведки?

Ответ: В автоматизированной обработке данных. В подборе (сопоставлении) расчетного и наблюденного графиков. В выводе формул для заданного геологического объекта.

• Критерии оценки раздела 1-В

Контрольная работа.

• Литература к разделу 1-В

Основная:

1. Геофизика: учебник /Под ред. В.К. Хмелевского. - М.: КДУ, 2007. – С. 42-627.

2. Знаменский В.В. Общий курс полевой геофизики. Учебник. – М.: Недра, 1989. – С. 81-99, 105-131.

Дополнительная:

1. Федынский В.В. Разведочная геофизика. Учебное пособие. – М.: Недра, 1967. – 219-278.

2. Геофизические методы исследования. (Под редакцией В.К.Хмелевского). Учебное пособие. – М.: Недра, 1988. – С. 43-75.

3. Вахромеев В.С. и др. Петрофизика: Учебник для вузов. – Томск: Из-во Том. Ун-та, 1997. - С. 81-147.

4. Бондаренко В.М., Лумпов Е.Е., Лыхин А.А. Интерпретация геофизических данных. Учебное пособие. – М.: Из-во МГГА, 1993. С. 67-81.