Современная магниторазведочная аппаратура

Современная магниторазведочная аппаратура

Полевые магнитометры бывают следующих видов:

• 1 оптико-механические
• 2 феррозондовые
• 3 протонные, в т. ч. оверхаузоровские
• 4 квантовые. Оптико-механические магнитометры уже давно не производятся, феррозондовые выпускаются для исследования скважин и специальных применений, поэтому в данном обзоре они не участвуют.

Немного теории Протонные магнитометры основаны на принципе свободной прецессии ядер атомов водорода в магнитном поле. Протоны, имея собственный спин и магнитный момент, прецессируют (вращаются) в магнитном поле Земли вокруг его направления с частотой, определяемой соотношением Лармора {Larmor}:

f = (г/2р)T.

где f — частота прецессии протона [Гц], г — гиромагнитное отношение ядра (атомная константа), T — полный вектор напряженности геомагнитного поля.

Рис.

Следовательно, измерив частоту прецессии можно определить модуль магнитного поля. В качестве рабочего вещества для наблюдения прецессии может быть использована любая протонсодержащая жидкость. В датчиках магнитометров обычно используют: водный раствор спирта, керосин, гептан, метанол и др. Для обнаружения прецессии рабочее вещество повергают интенсивной поляризации внешним магнитным полем Н, примерно перпендикулярно к полю Т. При этом происходит преимущественная ориентация магнитных моментов протонов по направлению приложенного поля. Поле Н с напряженностью порядка 100 Э создают постоянным электрическим током, пропускаемым через специальную катушку, окружающую рабочее вещество. После быстрого выключения тока поляризации результирующий вектор ядерного намагничения начинает прецессировать вокруг поля Т, наводя в катушке ЭДС, в виде затухающей синусоиды.

Измерив частоту сигнала нетрудно вычислить модуль геомагнитного поля по формуле:

T = 23.4874f [нТл].

Продолжительность поляризации и измерения определяется временем соответственно продольной (t1) и поперечной (t2) релаксации протонсодержащего вещества. Для керосина t1? t2 и составляет около 0.7 сек, для других веществ времена релаксации больше.

Рис.

Оверхаузеровские магнитометры основаны на той же связи прецессии протонов с внешним полем, но в них используется другой способ возбуждения — принцип динамической поляризации или эффект Оверхаузера {Overhauser}. Здесь рабочее протонсодержащее вещество содержит добавку специальных свободных радикалов с неспаренными электронами, делающих состав парамагнитным. При воздействии на него радиочастотного поля порядка 60 МГц (катушка 1) создаются условия электронного парамагнитного резонанса, т. е. максимального поглощения энергии переменного поля. При этом возникают сильные внутренние магнитные поля приводящие к поляризации вещества и согласованной ориентировке протонов по полю Т. Для возбуждения прецессии, с помощью постоянного тока во второй катушке, создают нарастающее поворачивающее поле, перпендикулярное Т. После отключения тока, в той же катушке наводится ЭДС сигнала. Измерение частоты сигнала можно производить одновременно с процессом поляризации, что позволяет сократить цикл измерений.

Квантовые магнитометры основаны на принципе оптической накачки, разработанным для паров щелочных металлов (Cs, Rb, Na, K) и инертных газов. Сущность заключается в облучении их поляризованным монохроматическим светом, длина волны которого соответствует одной из спектральных линией используемого элемента.

Рис.

Возбуждаясь, атомы уходят на верхние уровни и через короткое время (?1 мкс) скапливаются на одном энергетическом подуровне, переходы с которого запрещены. Ориентировка их магнитных осей будет одинаковой, что приведет к прецессии электронов относительно геомагнитного поля на частоте Лармора, как в протонных магнитометрах. В результате прецессии будет колебаться и интенсивность света. Если сигнал с фотоэлемента усилить и подать на катушку, намотанную на колбе с рабочим веществом, то получим автоподстраиваемый резонансный осциллятор. Измерив его частоту можно рассчитать величину поля Т.

Существуют некоторые нюансы в теории и много вариантов схемотехнических реализаций.

Таблица. Достоинства и недостатки рассмотренных типов магнитометров.

Рис.

Обзор современных полевых магнитометров За рубежом большинство магнитометров для полевой геофизики выпускают 3 фирмы:

• *GEM Systems (Канада)
• *Geometrics (США)
• *Scintrex Ltd. (Канада) — модели серии GSM-19, GSMP-40
• — модели G-856, G-858
• — модели ENVI, SMARTMAG, NAVMAG

В России современные оверхаузеровские магнитометры и датчики POS-1 изготовляет лаборатория квантовой магнитометрии УГТУ-УПИ. Полевая модификация магнитометра называется MMPOS-1 (на фото), градиентометра — MMPOS-2.

Основные характеристики приборов представлены в сравнительной таблице:

Рис.

Современные магнитометры имеют кроме основных функций множество дополнительных, облегчающих или дополняющих магнитную съемку. Так у большинства моделей реализована непрерывная запись в движении (Walking), которая может быть дополнена системой спутниковой навигации GPS (у дорогих моделей она встроеная — int. GPS). Все имеют точные встроенные часы, для синхронизации результатов с вариационной станцией и могут сами выступать в такой роли. У всех имеется значительная внутренняя память, интерфейс связи, для пересылки полевых данных в компьютер и специализированное программное обеспечение для обработки. Встроенный графический дисплей позволяет наблюдать визуально график магнитного поля в процессе съемки и множество другой служебной информации. При дополнительной комплектации системой VLF (радиоприемник сверхдлинноволновых станций) появляется возможность проводить одновременно с магниторазведкой еще и электропрофилирование. Все выпускаемые модели опционально имеют возможность работать в режиме градиентометра (при установке второго датчика), при этом к названию прибора добавляется обычно индекс «G» (например: GSM-19G, G-856GX).

Основные характеристики приборов представлены в сравнительной таблице:

Таблица.