磁法勘探仪器和测量技术

第二讲磁法勘探仪器和测量方法一、磁法勘探仪器介绍1.概述2.机械式磁力仪3.磁通门磁力仪(磁饱和式磁力仪)4.质子旋进式磁力仪5.光泵磁力仪6.超导磁力仪二、磁法勘探工作方法1.磁测任务的确定2.磁测比例尺、测网和精度3.磁测的野外工作4.磁测资料的整理及图示主要介绍磁法勘探中的主要仪器和工作方法.仪器部分重点介绍仪器的原理,特点和应用条件.方法部分主要介绍工作的一般原则,注意事项,设计规范.第二讲磁法勘探仪器和测量方法一、概述[磁力仪]能进行磁异常数据采集及测定岩石磁性参数的仪器,统称为磁力仪.按工作原理分:机械式磁力仪和电子式磁力仪;机械式磁力仪:悬丝式磁称,刃口式磁称电子式磁力仪:磁通门磁力仪,核子旋进磁力仪,光泵磁力仪及超导磁力仪.第二讲磁法勘探仪器和测量方法一、概述磁力仪按测量磁场的空间领域分:地面磁力仪,航空磁力仪,海洋磁力仪和井中磁力仪.按测量的对象分:测量地磁场绝对值的磁力仪,测量地磁场随时间变化的磁力仪,测量空间中地磁要素相对变化的磁力仪.第二讲磁法勘探仪器和测量方法一、概述●磁力仪的绝对测量和相对测量实际应用中,磁发研究要应用的是磁异常,由于磁异常是空间矢量,以及地磁场总强度的模量差.实际野外工作中常测量Ta的分量,如垂直分量Taz,水平分量Tax,以及地磁场总强度的模量差ΔT.ΔT称总强度磁异常.为测量磁异常有两类办法,即进行相对测量和绝对测量.相对测量无需知道测点磁场的实际数值.只需测得测点相对于正常场中某一固定点的相对变化值.绝对测量要测得各点的实际磁场值.第二讲磁法勘探仪器和测量方法一、概述1、磁力仪的绝对测量和相对测量第二讲磁法勘探仪器和测量方法磁力仪的几个主要指标:灵敏度:磁力仪反映地磁场强度最小变化的能力(敏感程度),也称为分辨率.精密度:衡量仪器重复性的指标,指仪器自身测定磁场所能达到的最小可靠值.准确度:仪器测定真值的能力,即与真值相比的总误差.通常精密度与准确度统称为精度.稳定性:仪器测量获得稳定测量值的能力.测程范围:能测量重力值的最大范围.第二讲磁法勘探仪器和测量方法二、机械式磁力仪机械式磁力仪是一种应用最早的磁测仪器.最初仅是一种由矿山罗盘改造而成的灵敏度很低的仪器.1915年,阿道夫.施密特的刃口式磁力仪出现后,机械式磁力仪才广泛应用于磁法勘探工作.这类仪器都是相对测量仪器,其直接反映磁场变化的部分称为磁系.它的主要部分由一块精密的永久磁铁做成,利用力矩平衡原理来观测磁场,对磁场的测量类似于称的原理,又名磁称.第二讲磁法勘探仪器和测量方法目前适用的机械式磁力仪,因磁系旋转轴的不同,有悬丝式和刃口式磁力仪之分,悬丝式本世纪30年代出现,至今是我国常用的仪器.磁力仪因其测量的要素不同,又分为垂直磁力仪和水平磁力仪,但基本原理是相同的.垂直磁力仪:测量磁场的Z分量;水平磁力仪:测量平面矢量H在两个方位的分量.第二讲磁法勘探仪器和测量方法第二讲磁法勘探仪器和测量方法悬丝式垂直磁称悬丝式垂直磁称的中心部分是磁系，它相当于一个可绕水平轴转动的磁针。磁系组成:磁棒,金属悬丝,反光镜,温度补偿丝,灵敏度调节螺丝等,它们固定在铝框上.悬丝穿过铝框,将磁系悬挂起来,悬丝扁平,置于水平位置,两端固定于与仪器外科相连的支架上.磁棒SN的连线为磁轴，O‘为磁系的重心，O为悬丝通过的位置，即磁系的旋转轴.磁系绕O点转动.为测量地磁场垂直分量的相对值,使转轴水平地位于磁南北方位,以便磁系能在磁东西方位的铅直面内摆动,此时,水平磁场H在磁系转动面上的分量为零,对磁系不产生转动磁力矩.并且为了观测测垂直磁异常具有较高的灵敏度,磁棒近于水平放置,使垂直磁场产生转动磁矩最大.第二讲磁法勘探仪器和测量方法1、悬丝式垂直磁力仪及其工作原理第二讲磁法勘探仪器和测量方法重力矩:扭力矩:上式对于任何大小的i都满足,但实际设计时将倾角范围限制在±1.5o,测量时,最好读数i不超过±1.5o这时,MZcosi≈MZ,灵敏度Δi/ΔZ最大.第二讲磁法勘探仪器和测量方法i角较小时的测读系统第二讲磁法勘探仪器和测量方法2.刃口式垂直磁力仪工作原理与垂直磁称相似，仅磁系的结构上有差别。与弦丝磁称磁系的差别：1）两片相互平行的垂直放置的磁钢片代替磁棒；2）磁钢片中心贯穿一个石英磨制的三棱柱形的刃口，其尖端向下，尖端磨制成曲率非常小的的圆柱面，测定磁场时，扭动外壳上的开关旋钮使磁系下降，刃口两端落在磁系两侧的石英刀座上。刃口与刀座的接触点的连线是水平的。磁系受重力和磁力作用绕水平线转动。第二讲磁法勘探仪器和测量方法机械式磁力仪简介2)刃口式垂直磁力仪第二讲磁法勘探仪器和测量方法3）磁钢片N和S极两端长度对称于刃口，为使重心偏向于S极，在S极一端装一重荷－－纬度螺丝，调节它可使磁系磁轴保持在i小于等于正负1.5度的位置，由于纬度在不同地区，地磁场Z变化较大，需调节此重荷以保持磁系水平，使磁系在不同纬度地区可以进行工作，故称之为纬度螺丝。4）由于刃口磁称不用悬丝悬挂，无扭力矩的作用，在磁场变化读数超格时，使用辅助磁铁的磁场来抵消一部分外磁场的作用，以此扩大测程。因此，它在脚架上部装有安置辅助磁铁的设备。第二讲磁法勘探仪器和测量方法石英刃口性能稳定，不受温度影响，因此，刃口式磁称一般零点飘移小，精度高，但石英性能脆，易碰损，野外常用于测定地磁日变和岩石标本的磁性。第二讲磁法勘探仪器和测量方法3.机械式水平磁力仪水平磁力仪是用于测量水平磁异常沿某一方向的分量的仪器，从结构上分为：悬丝式和刃口式。悬丝式水平磁力仪的主要部分磁系与垂直式磁力仪的磁系相似，但磁棒是直立的，N极向下（在北半球使用）。同样，测定外磁场是通过磁力矩，重力矩和扭力矩的平衡来实现的。第二讲磁法勘探仪器和测量方法第二讲磁法勘探仪器和测量方法3.机械式水平磁力仪水平磁力仪测定水平磁场是通过磁系的磁力矩,重力矩和扭力矩的平衡关系实现的.磁力矩:设磁系摆动的方向是磁南北方向的铅直面,磁系平衡时磁轴线与垂直方向夹角为i,由于地磁场水平分量的作用,力矩大大小为:第二讲磁法勘探仪器和测量方法3.机械式水平磁力仪地磁场垂直分量的作用,力矩大大小为:而且,垂直磁场和水平磁场的力矩方向相反.重力矩:由于纬度螺丝的作用,磁系重心不通过磁轴和支点,而在指点的北下方.设重心与支点的距离为d,则作用于磁系上的重力距为:当纬度螺丝向北时,重力矩与水平磁力矩方向相反.第二讲磁法勘探仪器和测量方法3.机械式水平磁力仪扭力矩:当磁棒转动时i角时,悬丝也转动i角,则扭丝的扭力矩为:与水平磁力矩方向相反.磁系平衡时:通过测量各个角度,可以计算水平磁场.2)电子式磁力仪简介a)磁通门磁力仪(磁饱和式磁力仪)磁通门磁力仪又称为磁饱和式磁力仪,是利用具有高导磁率的软磁铁芯在外磁场作用下的电磁感应现象来测定外磁场的仪器.下边简单介绍偶次谐波电压饱和式磁力仪的原理和简化结构.仪器组成:坡莫合金探头,控制电路,电源.1、坡莫合金的磁化特点及磁灵敏元件的磁化现象坡莫合金与一般的铁磁性材料相比,具有很高的导磁率如,国产的1J86型坡莫合金,起始导磁率很小的矫顽磁力Hc和很小的饱和磁场Hs,因此,坡莫合金的磁滞徊线窄而陡,一般铁磁性材料的磁滞徊线宽而缓第二讲磁法勘探仪器和测量方法当外磁场有微小变化时,会引起磁感B的显著变化,可以说磁感B对外磁场H的变化具有放大作用,或说坡莫合金对外磁场感觉灵敏.由于坡莫合金的磁滞徊线窄而陡,所包含的面积小,可以近似看成一条直线,B随H的变化特点与一般铁磁性物质的表现不同.第二讲磁法勘探仪器和测量方法三、磁通门磁力仪(磁饱和式磁力仪)1、偶次谐波的产生及磁场测量原理第二讲磁法勘探仪器和测量方法在一个扁椭圆环状坡莫合金上绕有两个绕向相反,匝数相等的线圈,串在一起作为初级线圈.在整个椭圆环外绕一个输出线圈.在无外磁场作用时,在初级线圈中供一个交流电压:时,在坡莫合金中将产生一个交变磁场:三、磁通门磁力仪(磁饱和式磁力仪)第二讲磁法勘探仪器和测量方法由于H随时间变化,将引起B随时间变化,当-Hs<H<Hs时,B~H之间的曲线可以近似看成直线,因此,B随时间的变化是正弦波形.当|H|>|Hs|时,B达到饱和Bm,保持一个常数,故曲线顶部是平的.且正负半周的幅度相等,保持B>Bm的时间也相等,B曲线相当于一段失真的正弦曲线.此曲线可看成基波和三次谐波的合成.三、磁通门磁力仪(磁饱和式磁力仪)第二讲磁法勘探仪器和测量方法由于两个初级线圈匝数相等,方向相反,因而,通过输出绕组的总磁通量的变化为0,没有输出电压.有外磁场存在时,作用在坡莫合金片上的总磁场为:同样,在-Hs<H<Hs时,B~H曲线近于直线,这一段时间内B的变化近于正弦形.当H>Hs时,B达到饱和,由于磁场的变化是在外磁场Ho的基础上变化,所以在H与Ho同向时,B先达到饱和,保持Bm常值的时间长,当H与Ho反向时,B保持Bm常值的时间短.三、磁通门磁力仪(磁饱和式磁力仪)第二讲磁法勘探仪器和测量方法这时,B的曲线可以看成前边的基波,三次谐波和与外磁场相关的二次谐波组成.由于线圈绕组匝数相等方向相反,只存在奇次谐波时,线圈中的感应电压相互抵消,没有输出,而存在偶次谐波时,输出的电压即为二次谐波,而且,二次谐波电压与外磁场的强度和方向相关:三、磁通门磁力仪(磁饱和式磁力仪)第二讲磁法勘探仪器和测量方法三、磁通门磁力仪(磁饱和式磁力仪)将上边测量得到的非正弦周期输出信号,按付氏级数展开:第二讲磁法勘探仪器和测量方法三、磁通门磁力仪(磁饱和式磁力仪)由上边讨论知道,输出电压只是二次谐波,谐波对应的系数:第二讲磁法勘探仪器和测量方法四、质子旋进式磁力仪质子旋进磁力仪是根据煤油,水,酒精等含氢原子核(质子)在地磁场中产生一定频率的旋进作用的原理制成的.仪器感受外磁场的部分是一个充满了煤油或蒸馏水等碳氢氧化物溶液的圆柱体有机玻璃容器,外边绕有螺线管线圈,称为探头.探头中的煤油,蒸馏水等含氢物质,其分子中的电子轨道磁矩核自旋磁矩都成对地抵消了,只有氢原子核的自旋磁矩没有抵消.故氢原子显示出微弱的磁矩.在溶液中,氢的质子磁矩,在无外磁场时,任意指向.当含氢原子的溶液处于地磁场T中,这些质子的磁矩将在T的作用下,沿T定向排列.第二讲磁法勘探仪器和测量方法第二讲磁法勘探仪器和测量方法核子的进动和衰减示意图四、质子旋进式磁力仪在近于垂直地磁场T的螺旋管中通以电流(1A),使之产生与地磁场垂直的近50Oe的人工磁场,由于这一磁场远大于地磁场,原来沿地磁场方向排列的质子自旋轴都将转向人工磁场的磁化方向.在切断电流时,人工磁场突然消失,氢质子在原有的自旋惯性力和地磁场的磁力作用下,以相同的相位绕地磁场方向进动.这个现象与陀螺在自旋惯性力和地球重力的作用下,绕重力场的方向进动一样.质子在地磁场作用下产生旋进的现象称为质子的进动,也称为核子的进动.第二讲磁法勘探仪器和测量方法四、质子旋进式磁力仪在核子旋进的初期,由于所有的核子相位一致,显示出宏观磁矩,它周期性地切割绕在容器外的线圈,产生感应电信号,其频率与质子旋进频率相同.试验及理论计算表明,氢质子旋进的角速度ω与外磁场T的大小成正比:质子的磁旋比第二讲磁法勘探仪器和测量方法四、质子旋进式磁力仪质子的旋进现象,由于热干扰等作用,很快地消失,电感信号也按指数规律衰减.通过测量这个衰减过程,就可以得到上边公式中的旋进频率.为测定旋进信号需要注意以下几点:1)需用较大的人工磁场,使质子自旋磁矩的磁轴垂直指向地磁场的方向,这样可延长衰减的过程,使测量便于实现.通常,这个磁场大约50奥斯特,且保持3秒时间.2)需用较快的速度切断人工磁场,并在磁化切断的1秒钟之内将进动频率测完.因为进动在2-3秒内衰减消失.第二讲磁法勘探仪器和测量方法3)旋进衰减信号的延续时间还与被测点地磁场的均匀程度有关,当地磁场过大,取消地磁场后,核磁矩受不均匀磁场作用,质子旋进相位彼此发生差异,感应信号很快消失.因此,质子旋进磁力仪不适合地磁场梯度大的区域.4)探头轴线与地磁场方向的夹角改变时,信号的强度也改变.等于90度时,信号幅度最强,等于0度时,信号幅度为0,因此,需要探头大致定在东西方位.第二讲磁法勘探仪器和测量方法第二讲磁法勘探仪器和测量方法五、光泵磁力仪20世纪50年代,卡斯特拉提出一种磁场谐振的光泵方法,随后人们利用该原理研制磁力仪.光泵磁力仪与质子旋进磁力仪一样,属于磁共振类仪器.前者利用顺磁共振现象,后者利用核磁共振现象.因为这类仪器普遍采用光泵技术,称为光泵磁力仪.光泵磁力仪利用的元素为:氦,汞,氮,氢以及碱金属铷,铯等,因采用的元素不同光泵磁力仪分为:氦磁力仪和碱金属磁力仪.按采用的激发方式不同又分:自激式磁力仪,跟踪式磁力仪.光泵磁力仪之所以能测量磁场,是因为上述元素在特定条件下,能发生磁共振吸收现象(光泵吸收),而这种现象发生时的电磁场频率与样品所在地的外磁场强度成比例关系.第二讲磁法勘探仪器和测量方法五、光泵磁力仪[塞曼分裂]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)各磁次能级的现象,称为塞曼分裂.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.[能级跃迁]当电子从外界得到能量或向外界放出适当的能量时,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能级的跃迁.跃迁时两个能级之间的能量产应满足频率条件:第二讲磁法勘探仪器和测量方法五、光泵磁力仪[原子跃迁的选择定则]原子的能级之间不是任意跃迁的,只有满足以下量子数变化条件的能级之间才能发生跃迁,这就是跃迁选择定则.[光泵技术]经过一定条件的光照射,使原子的轨道电子吸收能量,按能级跃迁选择定则,使得各原子的外层电子都处在某同一能级上,这种技术称为光泵技术.第二讲磁法勘探仪器和测量方法五、光泵磁力仪五、光泵磁力仪若垂直外磁场方向加入一个射频电磁场,与已取向的原子的磁矩间相互作用,产生去去向效应,使通过吸收室的光强减弱.当外加交变磁场的频率等于两相邻次能级之间的塞曼跃迁频率时即发生共振,此时,去去向作用最强,透过吸收室的光最弱.跃迁频率与外磁场关系为:对于氦:第二讲磁法勘探仪器和测量方法第二篇磁法勘探第二章磁法勘探的仪器和工作方法第一节磁法勘探的仪器六、超导磁力仪1、超导现象第二篇磁法勘探第二章磁法勘探的仪器和工作方法第一节磁法勘探的仪器六、超导磁力仪2、超导磁力仪的原理第二篇磁法勘探第二章磁法勘探的仪器和工作方法第一节磁法勘探的仪器六、超导磁力仪2、超导磁力仪的原理第二篇磁法勘探第二章磁法勘探的仪器和工作方法第一节磁法勘探的仪器六、超导磁力仪3、超导磁力仪的特点第二讲磁法勘探仪器和测量方法二.磁测工作方法磁法勘探工作包括四个阶段:1)设计阶段2)施工阶段3)数据处理阶段4)解释分析和成果报告编写阶段工作设计设计内容:任务目的及要求,地质和地球物理特点,工作方法和技术,技术经济指标和生产管理,拟提交的成果资料测区和比例尺和测网的确定磁测精度的评价和确定第二讲磁法勘探仪器和测量方法