Методи вимірювання елементів геомагнітного поля

Вимірювання елементів земного магнетизму мають багатостолітню історію та розвиваються, видозмінюються та удосконалюються за прогресом експериментальної фізики. Довгий час використовували для цього магнітну стрілку, потім були відкриті інші магнітні явища, які дозволили створити більш складні і точні сучасні прилади – ферозондові, квантові та протонні. Всі ці прилади, зовсім різні за своїми характеристиками та принципом роботи, називають магнітометрами.

Магнітометри, призначені для безперервної реєстрації елементів земного магнетизму та оснащені спеціальними пристроями запису, називають варіаційними станціями.

У основі магнітних вимірювань, в основу яких покладено використання магнітної стрілки, закон Кулона. Призначені для цього магнітометри називають оптико-механічними.

Чутливим елементом оптико-механічних магнітометрів є руховий магніт циліндричної форми - магнітна система. Вона кріпиться на пружній нитці та обертається навколо вісі. Якщо у приладі вісь обертання магніту горизонтальна, вимірюють значення Z (Z - магнітометр). Якщо вісь обертання вертикальна та вимірюється значення вертикальна, то вимірюються значення Н (Н - магнітометр). Найбільш розповсюдженими оптико-механічними магнітометрами є прилади для вимірювань вертикальної складової магнітного поля Землі.

Якщо площина хитання рухомого магніту розташувати чітко по перпендикуляру до магнітного меридіану, то на нього будуть діяти вертикальна складова Z, сила тяжіння РР та пружна сила Рj (якщо магнітна система закріплена на пружній нитці). При цьому горизонтальна складова геомагнітного поля не буде створювати обертального моменту. Розглянемо детальніше принцип вимірювання вертикальної складової геомагнітного поля за допомогою оптико-механічного магнітометра (рис. 6).

Момент рівноваги відповідає рівності моментів сил:

 

РZ=РР+Рj або MZ cos i=Pd cos (b-i)±,

 

де М – магнітний момент; Z – вертикальна складова магнітного поля; і – кут відхилення рухомого магніту від горизонталі; РР – момент сили тяжіння; d – відстань від центру ваги магнітної системи до вісі обертання OS; b - кут між лінією OS та віссю магніту; Рj -момент пружних сил крутіння; с – коефіцієнт крутіння нитки; - кут закручування нитки.

Після перетворень:

,

 

позначимо: ; ; .

 

Отримаємо: .

 

Приріст вертикальної складової в двох точках 1 та 2:

 

.

 

Таким чином, приріст вертикальної складової між двома точками залежить від кута відхилення магнітної вісі системи від горизонту і практично задача зводиться до зняття відліку кута і. Це можна зробити візуально, спостерігаючи кут відхилення системи від горизонту по шкалі (широко застосовані раніше магнітометри М-2, М-15, Н-ваги). Недоліком такого способу реєстрації магнітного поля є необхідність чіткої орієнтації за сторонами світу. Недотримання цієї вимоги може призвести до значних похибок за рахунок різного впливу c. Цього можна не допустити, змінивши систему реєстрації кута повороту магнітної системи. З цією метою застосовують так звану компенсаційну систему відліку, використавши стаціонарні компенсаційні магніти. З їхньою допомогою магнітна система на кожній точці вимірювань виводиться у горизонтальне положення, і мірою вертикальної складової є величина поля компенсаційних магнітів.

На цьому принципі розроблені магнітометри типу М-27М. Астатичний магнітометр є різновидом магнітометра з вертикальною ниткою та використовується при лабораторних визначеннях магнітних характеристик зразків гірських порід з високою точністю.

Найпростіший ферозондовий елемент який використовується у якості чутливої системи ферозондових магнітометрів, являє собою електричну котушку з осердям, яка живиться змінним струмом. Осердя ферозонду виготовлено з магніто-м’якого матеріалу пермалою який має властивість миттєво реагувати на швидкі зміни магнітного поля, завдяки нелінійній залежності його магнітної проникності від поля, яке намагнічує. Звичайним є чутливий ферозондовий елемент, який складений з двох однакових осердь з обмотками збудження. Обмотки увімкнути “назустріч” і під’єднані до джерела змінної синусоїдальної напруги з частотою струму w=500¸1000 Гц. При відсутності звонішнього магнітного поля початкова намагніченість дорівнює нулю і у котушках індукується змінне магнітне поле однієї частоти та форми, але протилежно спрямоване, і тому вони взаємно нейтралізують одне одного, тому за відсутності зовнішнього магнітного поля створюється початкова намагніченість пермалою і у вимірювальній обмотці буде виникати підсумковий електричний струм частотою 2w, який є мірою зовнішнього магнітного поля. Перевагою методу є швидкість реєстрації магнітного поля. Тому ферозондові магнітометри нерідко встановлюються на літаках. Ферозонди використані у наземних магнітометрах М-17, М-29, аеромагнітометрах АММ-13, АСГ- 48М, свердловинних магнітометрах.

У наш час широко використовують квантові магнітометри. В основу роботи цих приладів закладено розщеплення енергетичних рівнів атомів рідких або газоподібних речовин у магнітному полі (ефект Зеемана). Схематично його можна пояснити наступним чином. Атоми речовини з певним магнітним моментом при їхньому розміщенні у магнітне поле отримують додаткову енергію DЕ, пропорційну його величині. Вимірювання магнітного поля, які грунтуються на охарактеризованому принципі, простіше виконувати, вивчаючи явища резонансного поглинання енергії зовнішнього випромінювання робочої речовини квантами електромагнітного випромінювання оптичного діапазону (звідси і назва відповідних приладів). В якості робочої речовини нерідко використовують пари цезію (Cs). Резонансні явища в описаному методі вивчають шляхом виявлення резонансної частоти, за допомогою спеціальних радіосхем. Квантові магнітометри характеризуються високою чутливістю, практичною відсутністю зміщення нуль-пункту. Вітчизняна промисловість налагодила випуск приладів як для пішої зйомки (М-33, ММП-303), так і аеромагнітометрів (ММ-305).

За останні роки у практиці магніторозвідки широко використовуються ядерно-професійні (протонні) магнітометри. Принцип дії цих приладів наступний. Ядра водню (протони) характеризуються повним магнітним моментом і спіном та мають здатність здійснювати обертальні рухи (прецесувати) навколо зовнішнього магнітного поля Т частотою w, пропорційної величині цього поля w=gТ, де g - стала. Конусоподібне обертання ядра навколо вектора подібне обертанню дзиги, яка отримала бічне обертання навколо вертикальної вісі. В якості матеріалу для створення ефекту прецесії використовують рідини багаті на протони (вода, спирт та інші). Посудину з такою рідиною розміщують у котушці, у якій створюється магнітне поле, перпендикулярне земному магнітному полю. Магнітні моменти протонів орієнтуються вздовж цього поля. Потім струм, який збуджує поле, вимикають і протони будуть намагатись розташуватись вздовж напрямку земного магнітного поля, прецесуючи навколо нього з частотою, пропорційною його величині. При цьому у котушку індукується змінний електричний сигнал такої ж частоти. Він фіксується вимірювальним пристроєм і є мірою земного магнітного поля. На практиці використовують пішохідні магнітометри М-20, М-32. НВО “Рудгеофізика” серйозно налагодила випуск приладу ММП-203, призначений для пішохідної зйомки, аеромагнітометр ЯМП-3, автомобільний протонний магнітометр МСС, морський магнітометр АМП-3 та інші. Сучасні ядерно-прецесійні магнітометри широко використовують для магнітних зйомок усіх видів від наземної до супутникової.

Вимірювання у магніторозвідці можуть бути відносними та абсолютними. Якщо здійснюють абсолютні вимірювання, то безпосередньо вимірюють повні значення модулів векторів та , значення схилення Д та нахилення І. Коли вони вимірюються, прилад не еталонується наперед. Якщо це відносні вимірювання, то визначають прирости або варіації елементів магнітного поля у просторі і часі. Величина (ni), яка визначається, порівнюється з відомою величиною того ж параметра на опорних точка (n0). Спостережну величину А у відносних вимірюваннях обчислюють за формулою:

 

А=ЕDn,

 

де Dn=ni-n0 – коефіцієнт відліку; Е – ціна поділки приладу.

У наш час у магніторозвідці найбільш широко застосовуються вимірювання , а також відносні вимірювання DZ, DТ та їхні варіації у часі sZ, sТ.

Оптико-механічні магнітометри призначені для вимірювання DZ, DН, sZ, sH; ферозондові DZ, DT та трьох взаємно перпендикулярних складових вектора Т (Х, У, Z). Квантові та протонні магнітометри використовують для вимірювання Т та DТ, sТ. До переваг протонного магнітометра, крім абсолютного характеру виконаних за його допомогою вимірювань, необхідно віднести високу точність (близько ± 0,1нТл); відсутність дрейфу нуль-пункту та необхідності орієнтації датчика у просторі, можливість дистанційних вимірювань; магнітометр може бути розміщений на рухомій платформі. Разом з тим йому органічно властиві певні недоліки, які необхідно мати на увазі при експлуатації; дискретність вимірювань (на виконання одного вимірювання частки секунди до декількох секунд); зміни магнітного поля або помітні варіації призводять до суттєвого послаблення ефективного сигналу. Ядерно-прецесійний магнітометр дозволяє визначити тільки модуль , але не визначає його напрямок, що додає труднощі у процесі інтерпретації отриманої інформації. Це вимагає в деяких випадках використовувати спеціальні пристрої для вимірювань складових .