磁法勘探儀器方法簡介.doc

第2章 ，磁法勘探儀器方法簡介2.1 磁法勘探通過觀測和分析由巖石、礦石（或其他探測對象）磁性差異所引起的磁異常，進而研究地質(zhì)構(gòu)造和礦產(chǎn)資源（或其他探測對象）的分布規(guī)律的一種地球物理勘探方法。測量地磁異常以確定含磁性礦物的地質(zhì)體及其他探測對象存在的空間位置和幾何形狀從而對工作地區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造有用礦產(chǎn)分布及其他情況作出推斷。磁性巖體及礦體產(chǎn)生的磁場疊加在地球磁場之上引起地磁場的畸變。這種畸變一般稱為地磁異常。磁法勘探利用地下體不同礦體，巖體等物質(zhì)的磁性不同，進而得出磁異常。2.2 磁法勘探儀器（1），第一代磁力儀。它是應(yīng)用永久磁鐵與地磁場之間相互力矩作用原理，或利用感應(yīng)線圈以及輔助機械裝置。如機械式磁力儀、感應(yīng)式航空磁力儀等。 （2），第二代磁力儀。它是應(yīng)用核磁共振特性，利用高磁導(dǎo)率軟磁合金，以及專門的電子線路。如質(zhì)子磁力儀，光泵磁力儀，及磁通門磁力儀等。（3），第三代磁力儀。它是利用低溫量子效應(yīng)，如超導(dǎo)磁力2.2.1 機械式磁力儀 器工作原理 磁系主要是一根圓柱形磁棒，它懸吊在鉻、鎳、鈦合金恒彈性扁平絲的中央，絲的一端固定于扭鼓，另一端固定于彈簧，壓于壓絲臺上。工作時磁系旋轉(zhuǎn)軸（懸絲）應(yīng)是水平的，磁棒擺動面嚴格垂直于磁子午面。打開儀器開關(guān)后，磁棒繞軸擺動，它受到地磁場垂直強度力、重力、及懸絲扭力三個力矩的作用，當力矩相對平衡時，磁棒會停止擺動。如右圖所示，則平衡方程為：m Zcos()=P d cos(-)+2Z地磁場垂直分量；m磁棒的磁矩；P磁系受到的重力；磁棒偏轉(zhuǎn)角；d磁系重心到支點的距離；d與磁軸的夾角；懸絲的扭力系數(shù)。上式經(jīng)變換整理，并考慮到儀器設(shè)計中偏轉(zhuǎn)角范圍很小，不超過2，可視=tan，則得 a=d cos（重心到支點沿磁軸方向距離）； h= d sin: （重心到支點垂直磁軸方向距離）；在儀器的結(jié)構(gòu)上，利用光系將偏轉(zhuǎn)角放大并反映為活動標線在標尺上的偏離格數(shù)。由上圖并考慮到角很小，可是tan2=2tan，則有f光系物鏡的焦距；s磁棒偏轉(zhuǎn)角時光系標尺的讀格；s0磁棒水平時光系標尺的讀格。由以上兩式得 由上式表明，懸絲式垂直磁力儀，只能用于相對測量。式中（Ph+2）/2fm是一個常數(shù)，它代表每一讀格的磁場值，叫做格值，以符號表示。格值的倒數(shù)是靈敏度，通過調(diào)節(jié)h以改變靈敏度。2.2.2 質(zhì)子旋進式磁力儀物理學(xué)業(yè)已證明物質(zhì)是具有磁性的。若以水分子（H2O）而言，從其分子結(jié)構(gòu)、原子排列和化合價的性質(zhì)分析得知：水分子磁矩（即氫質(zhì)子磁矩）在磁場作用下繞地磁場旋進，如圖2.11所示。它的旋進頻率f服從公式f=pT/2。式中p為質(zhì)子旋磁比；T為地磁場強。不管從經(jīng)典力學(xué)觀點，還是從量子力學(xué)觀點，此公式的來源均能得以論證。為方便起見，此處采用經(jīng)典力學(xué)的觀點，分析直角坐標系中質(zhì)子磁矩的旋進情況。設(shè)質(zhì)子磁矩M在地磁場T作用下有一力矩MT，于是，它和陀螺一樣，其動量矩的變化率等于外加力矩，即 =磁矩的三個分量為：為分析方便，設(shè)Tz=T(地磁場)；Tx=0;Ty=0.將此條件代入式（2.14），便得:對于（2.15）中的第一微分，得即顯然，式（2.16）為簡諧運動方程，其解為：同理： 從式（2.17）可看出，MZ是常數(shù)，磁矩M在z軸上的投影是不變的；磁矩M在x軸的投影是按余弦規(guī)律變化的；磁矩M在y軸是按正弦規(guī)律變化的。由圖2.12可以看出：磁矩M在xy平面上的絕對值是一個常數(shù)，并且在xy平面上旋進。2.2.3 光泵式磁力儀光泵式磁敏傳感器是高靈敏磁測設(shè)備的核心部件。它是以某些元素的原子在外磁場中產(chǎn)生的塞曼分裂為基礎(chǔ),并用光泵和磁共振技術(shù)研制成的。利用光泵傳感器做成的磁測儀器，是目前實際生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)應(yīng)用中靈敏度最高的一種磁測儀器，它同質(zhì)子旋進式磁敏傳感器相比有以下特點:靈敏度高，一般為0.01nT量級，理論靈敏度高達10-210-4nT；響應(yīng)頻率高，可在快速變化中進行測量；可測量地磁場的總向量T及其分量，并能進行連續(xù)測量，而質(zhì)子旋進式磁敏傳感器只能進行點測。利用光泵磁敏傳感器做成的磁力儀的種類甚多。按共振元素的不同,可分為氦(He)光泵磁力，其中又分為He3、He4光泵磁力儀；堿金屬光泵磁力儀，其共振元素有銣(Rb85、Rb87)、銫(Cs133)、鉀(k39)、汞(Hg)等。對堿金屬而言，受溫度影響較大，如銫(Cs133)元素在恒溫43。左右，方可變成蒸汽狀態(tài)，而只有在蒸汽狀態(tài)時才能產(chǎn)生光泵作用。對He4、He3而言，因其本身是氣體狀態(tài)，無需加熱至恒溫，但需將它激勵使其處于亞穩(wěn)態(tài)，才能產(chǎn)生光泵作用。這些條件在設(shè)計與制造儀器時，必須予以重視。光泵磁力儀一經(jīng)出現(xiàn)，即引人注目，到目前為止，除在地球物理勘探外，還應(yīng)用于國防工程、空間磁場測量、地磁場微變測量、區(qū)分礦與非礦異常以及預(yù)報天然地震等廣泛的領(lǐng)域中。2.2.4 磁通門式磁力儀莫合金片的磁滯迥線特點坡莫合金與一般的鐵磁性物質(zhì)比較，具有很高的導(dǎo)磁率(u=dB/dH)，比如國產(chǎn)IJ86型的坡莫合金，起始導(dǎo)磁率u0=150000CGSM單位。很小的矯頑磁力(Hc)和很小的飽和磁場(Hs)，因此坡莫合金的磁滯回線窄而且陡，但是一般的鐵磁性物質(zhì)的磁滯回線寬而且緩，如圖3-l和3-2所示。分析坡莫合金的磁滯迥線可以知道，當外磁場有微弱變化時候，就會引起磁感B的顯著變化，可以說磁感應(yīng)強度B對外磁場H的變化有放大的作用，或者說坡莫合金對外磁場感覺靈敏。由于坡莫合金磁滯迥線所包含的面積很小，可以近似地看成一條曲線，B隨H的變化特點就與一般鐵磁性物質(zhì)所表現(xiàn)者有所不同了。2.偶次諧波的產(chǎn)生在無外磁場狀況下，當初級線圈中供一個交流電壓E=Em*COSwt時，則在