磁法勘探仪器

磁法勘探第三章磁测仪器第一节概述第二节机械式磁力仪第三节质子磁力仪第四节其他类型磁力仪第一节概述从原理上说，凡是与重力、磁力有关的物理现象都可以用于设计制造重力仪与磁力仪，并用它们来测定重力值和磁力值。但是重磁勘探要求能测量重力场和磁场的微弱变化，在重力测量中要求能测量出重力全值10-7～10-9量级变化，在磁力测量中，要求能测量出0.1～1nT的磁场变化，它相当于平均地磁场值的1/50万～1/5万。因此要求重力仪与磁力仪要有高灵敏度、高精度等良好的性能。按照磁力仪的发展历史，以及应用的物理原理，可分为：第一代磁力仪它是根据永久磁铁与地磁场之间相互力矩作用原理，或利用感应线圈以及辅助机械装置制作的，如机械式磁力仪、感应式航空磁力仪等。第二代磁力仪它是根据核磁共振特征，利用高磁导率软磁合金，以及复杂的电子线路制作的，如质子磁力仪、光泵磁力仪及磁通门磁力仪等。第三代磁力仪它是根据低温量子效应原理制作的，如超导磁力仪。磁力仪按其内部结构及工作原理，大体上可分为：①机械式磁力仪。如悬丝式磁秤、刃口式磁秤等；②电子式磁力仪。如质子磁力仪、光泵磁力仪、磁通门磁力仪等。磁力仪按其测量的地磁场参数及其量值，可分为：①相对测量仪器，如悬丝式垂直磁力仪等，它是测量地磁场垂直分量的相对差值；②绝对测量仪器，如质子磁力仪等，它是测量地磁场总强度的绝对值；不过亦可测量梯度值。若从磁力仪使用的领域来看，它们可分为：地面磁力仪、航空磁力仪、海洋磁力仪以及井中磁力仪。MP4质子磁力仪格值仪CS2－61G型悬丝磁力仪CSX1-70型袖珍磁力仪CZM-20高灵敏度磁力仪ENVI质子磁力仪CZJ-1型井中质子磁力仪ZC-206便携式智能磁力仪G856AF(F)便携式质子磁力仪G858便携式铯光泵磁力仪§2.2磁力仪几种磁力仪的主要技术指标：第二节机械式磁力仪机械式是磁法勘探中最早使用的一类仪器。1915年阿道夫·施密特刃口式磁称问世，20世纪30年代末，相继出现凡斯洛悬丝式磁称，其后它们成为广泛使用的二种地面磁测仪器。它们都是相对测量的仪器。因其测量地磁场要素的不同，又分为垂直磁力仪及水平磁力仪。前者测量Z的相对差值，后者测量平面矢量H在二个方位上的相对值。一、CS2-61型悬丝式垂直磁力仪仪器工作原理磁系主要是一根圆柱形磁棒，它悬吊在铬、镍、钛合金恒弹性扁平丝的中央，丝的一端固定于扭鼓，另一端固定于弹簧，压于压丝台上。工作时磁系旋转轴（悬丝）应是水平的，磁棒摆动面严格垂直于磁子午面。打开仪器开关后，磁棒绕轴摆动，它受到地磁场垂直强度力、重力、及悬丝扭力三个力矩的作用，当力矩相对平衡时，磁棒会停止摆动。如右图所示，则平衡方程为：2mZcos()Pdcos()Z——地磁场垂直分量；m——磁棒的磁矩；P——磁系受到的重力；θ——磁棒偏转角；d——磁系重心到支点的距离；β——d与磁轴的夹角；τ——悬丝的扭力系数。悬丝式垂直磁力仪磁系工作原理图2mZPatanPhadcoshdsin02sstanf上式经变换整理，并考虑到仪器设计中偏转角范围很小，不超过2°，可视θ=tanθ，则得（重心到支点沿磁轴方向距离）；在仪器的结构上，利用光系将偏转角θ放大并反映为活动标线在标尺上的偏离格数。由上图并考虑到θ角很小，可是tan2θ=2tanθ，则有f——光系物镜的焦距；s——磁棒偏转θ角时光系标尺的读格；s0——磁棒水平时光系标尺的读格。（重心到支点垂直磁轴方向距离）；022PaPhZ(ss)mfm21212122PhZZZ(ss)(ss)fm由以上两式得在仪器安装调试好后，其m、P、a、h、f、τ均为常数。设在基点上，地磁场垂直分量为Z1，读数为s1；在测点上垂直分量为Z2，读数为S2，则它们之间的垂直分量差值为由上式表明，悬丝式垂直磁力仪，只能用于相对测量。式中（Ph+2τ）/2fm是一个常数，它代表每一读格的磁场值，叫做格值，以符号ε表示。格值的倒数是灵敏度，通过调节h以改变灵敏度。第三节质子磁力仪§2.2磁力仪质子磁力仪于五十年代中期问世，在航空、海洋及地面等领域均得到了应用。它具有灵敏度、准确度高的特点，可测量地磁场总强度T的绝对值，或相对值、梯度值。一、（一）质子(核子)的旋进质子磁力仪使用的工作物质(探头中)有蒸馏水、酒精、煤油、苯等富含氢的液体。水(H２O)宏观看它是逆磁性物质。但是，其各个组成部分，磁性不同。水分子中的氧原子核，不具磁性。它的10个电子，其自旋磁矩都成对地互相抵消了，而电子的运动轨道又由于水分子间的相互作用被“封固”。当有外界磁场作用时，因电磁感应作用，各轨道电子的速度略有改变，因而显示出水的逆磁性。此外，水分子中的氢原子核(质子)，由自旋产生的磁矩，将在外加磁场的影响下，逐渐地转到外磁场方向。这就是逆磁性介质中的“核子顺磁性”。当没有外界磁场作用于含氢液体时，其中质子磁矩无规则地任意指向，不显现宏观磁矩。若垂直地磁场T的方向，加一个强人工磁场H０，则样品中的质子磁矩，将按H0方向排列起来，如图所示，此过程称为极化。然后，切断磁场H０，则地磁场对质子有μｐ×T的力矩作用，试图将质子拉回到地磁场方向，由于质子自旋，因而在力矩作用下，质子磁矩μｐ将绕着地磁场T的方向作旋进运动(叫做拉莫尔旋进).质子旋进示意图（二）测量原理理论物理分析研究表明，氢质子旋进的角速度ω与地磁场T的大小成正比，其关系为：式中，为质子的自旋磁矩与角动量之比，叫做质子磁旋比(或回旋磁比率)，它是一个常数。根据我国国家标准局1982年颁布的质子磁旋比数值是：,则有式中，T以纳特(nT)为单位。由式可见，只要能准确测量出质子旋进频率f，乘以常数，就是地磁场T的值。pTp811p2.67519870.000007510Ts2f223.4874pTff（三）质子旋进讯号从上述讨论得知，测定地磁场T的量值，须使质子作自由旋进运动，为此要将质子磁矩极化，使之偏离T的方向一个角度。在接收线圈内，感应讯号的电压为：21)sin(sin)(1201TtpppeTtTHCtVC——与线圈截面积、匝数及容器的充填因子有关的系数。对于一定的探头装置C是一个常数；χρ——质子(核子)磁化率；H０——极化磁场的强度；θ——线圈轴线与T之夹角；t１——切断极化场时刻起算的时间；1/T２——衰减常数。质子旋进信号的衰减结论：1、感应讯号的幅度与χρH０成正比。χρH０是在极化磁场作用下，质子的磁化强度。为了获取强旋进讯号，一方面要选用单位体积内质子数目多的工作物质，另一方面使用大极化电流，产生强极化磁场，这也就提高了功率消耗。2、讯号幅度与质子旋进圆频率ω＝χρＴ成正比。若地磁场弱(T值小)，则旋进圆频率ω低，讯号幅度也就小。目前，质子磁力仪的测程一般是20000~100000nT，相当于旋进频率由851.52~4257.60Hz，此频率范围对于地面、海洋及航空磁测来说，一般是足够的。3、讯号幅度亦与sin2θ有关。线圈轴线与T的夹角θ，在0～90°之间变化，其大小会影响旋进讯号的振幅，而与旋进频率无关。当θ=π/4，讯号幅度只降低到最大幅度的一半，因此对探头定向只要求大致与T相垂直。但是，θ接近于零度，则是探头的工作盲区。4、旋进讯号是按指数函数规律衰减的正弦讯号，其频率为ω=γpT，衰减常数为1/T２，它持续约几秒钟。感应讯号的衰减，与探头所处的磁场梯度有关，梯度越大，衰减愈快。可以精确地测定旋进频率(即测定地磁场值)，所允许存在的地磁场最大梯度，叫做仪器的梯度容限。质子磁力仪主要用于矿产资源勘查、或地质填图，也可用于环境、城市工程、考古或海上打捞作业。质子磁力仪的特点1仪器测程范围宽，灵敏度、精确度高，梯度容限大。在磁场梯度变化大的地方，亦能保证质子旋进讯号2仪器轻便、灵活，可作为便携式、移动式和基3借助键盘操作简便。4仪器可连接通用打印机、调制解调器、磁带记录器和微型计算机完成数据处理。可直接在数字打印机上，打印数据表格和剖面图。5、按测网号、线号、点号组织数据而不考虑其读数的顺序。可扩展的固态存储器可保存几天的数据。6、不用外加微机进行自动日变校正。首先，须确保基点仪器与测点仪器的时钟同步，接RS２３２C适配器到每台仪器后面板上的数据接口插座，用互联电缆连接基、测点仪器，电缆插头中的一端带有开关，此开关须置于“REVERSE”(反向)位置。然后，操作键盘，滚动显示，输7、有几种电源可供选择，仪器工作温度范围宽。一、光泵磁力仪继质子磁力仪之后，20世纪50年代中期光泵磁力仪开始应用于地球物理工作。它是一种高灵敏度、高精度磁力仪。1、光泵磁力仪的物理原理(1)塞曼分裂、能级跃迁原子在外磁场中，由于受到磁场的作用，同一个F值的能级，可分裂成（2F+1）个磁次能级，叫做塞曼分裂。相邻磁次能级之间的能量差与外磁场成正比，这就为测定地磁场T提供了可能。当电子从外界得到能量或向外界能量时，即从一个能级跃迁到另一个能级，原子能级的变化，称为原子的的跃迁。(2)光泵作用在光泵磁力仪中有的以氦为工作物质,利用光能，将原子的能态泵激发到同一个能级上的过程，就叫作光泵作用。2、跟踪式光泵磁力仪测定地磁场T在光泵磁力仪的探头装置里，氦灯内充有较高气压的He4，受高频电场激发后，发出10830.75单色光，它透过凸镜、偏振片及1/4波长片，形成1.08的圆偏振光照射到吸收室。光学系统的光轴应与地磁场（被测磁场）方向一致。吸收室内充有较低气压的He4，经高频电场激发，其He4原子变为亚稳态正氦，并具有磁性。从氦灯射来的圆偏振光与亚稳态正氦作用，产生原子跃迁。其跃迁频率f与地磁场T有如下关系：(3-2-4)式中：T以nT为单位。这就是说，圆偏振光使吸收室内原子磁矩定向排列，此后由氦灯发出的光，可穿过吸收室，经凸镜聚焦，照射到光敏元件上，形成光电流。在垂直光轴方向外加射频电磁场（调制场），其频率等于原子跃迁频率f。由于射频磁场与定向排列原子磁矩的相互作用，从而打乱了吸收室内原子磁矩的排列（称磁共振）。这时，由氦灯射来的圆偏振光又会与杂乱排列的原子磁矩作用，不能穿透吸收室，光电流最弱，测定此时的射频f，就可得到地磁场T的值。当地磁场变化时，相应改变射频场的频率，使其保持透过吸收室的光线最弱，也就是使射频场的频率自动跟踪地磁场变化实现对T量值的连续自动测量。28.023560.000320.035pfTTTf或684二、超导磁力仪它是利用超导技术于20世纪60年代中期研制成的一种高灵敏磁力仪。其灵敏度高出其他磁力仪几个数量级，可达10-6nT，能测出10-3nT级磁场。它测程范围宽，磁场频率响应高，观测数据稳定可靠。在应用地球物理领域内，可制成航空磁力梯度仪；在地磁学中可用于研究地磁场的微扰；在磁大地电流法中可用于测量微弱的磁场变化；它还可用于岩石磁学研究。由于这种仪器的探头需要低温条件，常用装于杜瓦瓶的液态氦进行冷却，因此装备复杂，费用较高。但是，随着超导技术研究的不断进展，相信在不久的将来，在地球物理学中应用会多起来。超导磁力仪的基本原理：某些金属如锡、铅、锌、铌、钽和一些合金，当它们的温度降到绝对零度附近某一温度以下时，其电阻突然降为零值。这种在低温条件下，电阻突然消失的特性，称为超导电性，具有这种性质的物质叫超导体。电阻为零时的温度，称临界温度Tc，如锡（3.7K）、铅（7.2K）、铌（9.2K）。二、超导磁力仪1962年约瑟夫逊提出并经实验证实，在两块超导体中间夹着的绝缘层，超导电子能无阻地通过，绝缘层二端无电压降，此绝缘层叫超导隧道结（约瑟夫逊结），这种现象叫做超导隧道结的约瑟夫逊效应。超导磁力仪是利用约瑟夫逊效应测量磁场，其测量器件是由超导材料制成的闭合环，在一个或两个超导隧道结，结的截面积很小，只要通过较小的电流（10-4∼10-6），接点处就达到临界电流Ic（超过Ic超导性被破坏，即结所能承受的最大超导电流）。Ic对磁场很敏感，它随外磁场的大小呈周期性起