磁法勘探儀器方法簡(jiǎn)介.doc

第2章 ，磁法勘探儀器方法簡(jiǎn)介2.1 磁法勘探通過(guò)觀測(cè)和分析由巖石、礦石（或其他探測(cè)對(duì)象）磁性差異所引起的磁異常，進(jìn)而研究地質(zhì)構(gòu)造和礦產(chǎn)資源（或其他探測(cè)對(duì)象）的分布規(guī)律的一種地球物理勘探方法。測(cè)量地磁異常以確定含磁性礦物的地質(zhì)體及其他探測(cè)對(duì)象存在的空間位置和幾何形狀從而對(duì)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(chǎng)疊加在地球磁場(chǎng)之上引起地磁場(chǎng)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(jìn)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(chǎng)之間相互力矩作用原理，或利用感應(yīng)線圈以及輔助機(jī)械裝置。如機(jī)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(mén)的電子線路。如質(zhì)子磁力儀，光泵磁力儀，及磁通門(mén)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(jī)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(tái)上。工作時(shí)磁系旋轉(zhuǎn)軸（懸絲）應(yīng)是水平的，磁棒擺動(dòng)面嚴(yán)格垂直于磁子午面。打開(kāi)儀器開(kāi)關(guān)后，磁棒繞軸擺動(dòng)，它受到地磁場(chǎng)垂直強(qiáng)度力、重力、及懸絲扭力三個(gè)力矩的作用，當(dāng)力矩相對(duì)平衡時(shí)，磁棒會(huì)停止擺動(dòng)。如右圖所示，則平衡方程為：m Zcos()=P d cos(-)+2Z地磁場(chǎng)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(diǎn)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(jì)中偏轉(zhuǎn)角范圍很小，不超過(guò)2，可視=tan，則得 a=d cos（重心到支點(diǎn)沿磁軸方向距離）； h= d sin: （重心到支點(diǎn)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(dòng)標(biāo)線在標(biāo)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(shí)光系標(biāo)尺的讀格；s0磁棒水平時(shí)光系標(biāo)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(duì)測(cè)量。式中（Ph+2）/2fm是一個(gè)常數(shù)，它代表每一讀格的磁場(chǎng)值，叫做格值，以符號(hào)表示。格值的倒數(shù)是靈敏度，通過(guò)調(diào)節(jié)h以改變靈敏度。2.2.2 質(zhì)子旋進(jìn)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(jià)的性質(zhì)分析得知：水分子磁矩（即氫質(zhì)子磁矩）在磁場(chǎng)作用下繞地磁場(chǎng)旋進(jìn)，如圖2.11所示。它的旋進(jìn)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(chǎng)強(qiáng)。不管從經(jīng)典力學(xué)觀點(diǎn)，還是從量子力學(xué)觀點(diǎn)，此公式的來(lái)源均能得以論證。為方便起見(jiàn)，此處采用經(jīng)典力學(xué)的觀點(diǎn)，分析直角坐標(biāo)系中質(zhì)子磁矩的旋進(jìn)情況。設(shè)質(zhì)子磁矩M在地磁場(chǎng)T作用下有一力矩MT，于是，它和陀螺一樣，其動(dòng)量矩的變化率等于外加力矩，即 =磁矩的三個(gè)分量為：為分析方便，設(shè)Tz=T(地磁場(chǎng))；Tx=0;Ty=0.將此條件代入式（2.14），便得:對(duì)于（2.15）中的第一微分，得即顯然，式（2.16）為簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)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(duì)值是一個(gè)常數(shù)，并且在xy平面上旋進(jìn)。2.2.3 光泵式磁力儀光泵式磁敏傳感器是高靈敏磁測(cè)設(shè)備的核心部件。它是以某些元素的原子在外磁場(chǎng)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(cè)儀器，是目前實(shí)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(cè)儀器，它同質(zhì)子旋進(jìn)式磁敏傳感器相比有以下特點(diǎn):靈敏度高，一般為0.01nT量級(jí)，理論靈敏度高達(dá)10-210-4nT；響應(yīng)頻率高，可在快速變化中進(jìn)行測(cè)量；可測(cè)量地磁場(chǎng)的總向量T及其分量，并能進(jìn)行連續(xù)測(cè)量，而質(zhì)子旋進(jìn)式磁敏傳感器只能進(jìn)行點(diǎn)測(cè)。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(duì)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(shí)才能產(chǎn)生光泵作用。對(duì)He4、He3而言，因其本身是氣體狀態(tài)，無(wú)需加熱至恒溫，但需將它激勵(lì)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(jì)與制造儀器時(shí)，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(guó)防工程、空間磁場(chǎng)測(cè)量、地磁場(chǎng)微變測(cè)量、區(qū)分礦與非礦異常以及預(yù)報(bào)天然地震等廣泛的領(lǐng)域中。2.2.4 磁通門(mén)式磁力儀莫合金片的磁滯迥線特點(diǎn)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(guó)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(chǎng)(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(dāng)外磁場(chǎng)有微弱變化時(shí)候，就會(huì)引起磁感B的顯著變化，可以說(shuō)磁感應(yīng)強(qiáng)度B對(duì)外磁場(chǎng)H的變化有放大的作用，或者說(shuō)坡莫合金對(duì)外磁場(chǎng)感覺(jué)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(diǎn)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(wú)外磁場(chǎng)狀況下，當(dāng)初級(jí)線圈中供一個(gè)交流電壓E=Em*COSwt時(shí)，則在