Question

磁测仪器和磁法勘探野外工作方法

Answer 1

（一）磁力仪

磁力仪的种类很多，大致可分为两大类，即机械式磁力仪和电磁式磁力仪。

由于磁法勘探早期主要以勘探磁性较强的固体矿产为主，使用的仪器主要为机械式磁力仪（又称磁秤）。机械式磁力仪可分为刃口式和悬丝式两种，而每种又可分为垂直磁力仪（测量磁场强度垂直分量）和水平磁力仪（测量水平分量）。仪器的灵敏度一般为n×10nT，主要用于地面磁测。随着磁法勘探研究的深度和空间范围的不断扩展，近年来已经向地壳深部与向微磁、弱磁性的地质对象勘探转变，不仅在油气藏、地热、煤田等弱磁性领域扩大磁法的应用，而且在考古、环境污染、灾害预测等方面也有应用。这就要求磁测仪器具有较高的灵敏度，所以磁测仪器加速了发展速度，第一代磁力仪利用永久磁铁或感应线圈，如机械式磁力仪；第二代磁力仪应用高导磁性材料或原子、核子的特性以及复杂的电子线路，如质子磁力仪和光泵磁力仪；第三代磁力仪为利用低温量子效应制成的超导磁力仪。同时，磁性参数的综合利用方法，也从研究单一磁导参量和磁性参数向三分量、磁梯度和磁各向异性等多种磁性参数综合研究与利用方向发展。

在我国，继质子旋进式磁力仪问世以来，又相继出现了光泵式、感应式、低温超导式和高温超导式磁力仪。随着电子技术和计算机技术的飞速发展，促进了地球物理仪器的更新换代，弱磁测量仪器的灵敏度不断提高（n×10nT，1nT，0.1nT，0.001nT，10^-6nT）。高精度的弱磁测量可以带来新的地质信息，取得新的地质效果，促进磁法研究向深层次发展。

电磁式（高灵敏度）磁力仪主要包括磁通门磁力仪、质子旋进磁力仪、光泵磁力仪、感应类磁力仪和超导类磁力仪等。这些高灵敏度磁测量仪器由于其工作范围较宽（动态范围大），除可用于微弱磁信号的检测，如航空磁测、海洋磁测和井中磁测外，还可用于对磁测精度要求不高的地面磁法勘探中。下面介绍几种电磁式（高灵敏度）磁力仪。

1.质子磁力仪

质子旋进又称核子旋进（核旋）、核子（质子）自由旋进。这种磁力仪是核磁共振现象的理论和实验研究所取得的成果在地学仪器中的成功应用。其工作原理是：测磁探头内注有煤油、水、酒精、苯等富含氢原子的溶液，在强磁场的作用下，氢原子核，即质子的磁矩出现顺磁性，呈现宏观磁矩，在强磁场方向下做走向排列，这称为样品的极化。磁场越强，作用时间越长，极化作用越大。垂直地磁场的磁化场停止后，宏观磁矩绕地磁场总强度T做拉莫尔旋进，旋进频率和地磁场T的关系经过换算为

T=23.4872f（nT）

旋进讯号频率f和T成正比，T越大，讯号越强。目前质子磁力仪的测程一般是20000～100000nT。20000nT以下的讯号太弱，测量困难。

目前质子旋进磁力仪的灵敏度约为0.1nT。

2.光泵磁力仪

光泵磁力仪是一种高灵敏度和高精度的磁测设备，它是以元素的原子能级在磁场中产生蔡曼分裂为基础，再加上光泵技术和磁共振技术而制成。

现在以氦（He⁴）光泵磁力仪为例说明其原理。所谓光泵作用，是用氦灯照射气压较低的氦（He⁴）吸收室，产生亚稳态正氦的原子，这里原子都存在磁矩，光泵作用的结果是使原子的磁矩达到定向排列。

对于氦光泵磁力仪而言，磁矩和外磁场F的磁共振频率，有如下关系：

F=0.03568426f₀（nT）

显然，f₀的频率比核旋的频率高得多。

光泵磁力仪的灵敏度可达0.01nT。

3.磁通门磁力仪

早期最原始的磁通门磁力仪，是激励线围绕在最里面，外面绕讯号线圈，反馈线圈为单片坡莫合金。这种探头的缺点是基波分量大，所以，后来变成双片的。这种探头，激励线圈顺接，讯号线围绕在外面。所以，没有外磁场存在时，两边的基波分量是抵消的，这就突出了二次谐波分量。必须记住，磁通门只有激励到饱和，才有讯号，讯号和磁场成比例。这种双片的典型探头，现在还在使用。

探头后来发展成闭合磁路，就是现在磁通门探头用的。最新研制的磁通门探头如图4-2所示。探头只有一组线圈，激励从两端加入，中心抽头既是讯号，又是反馈。所以，这一组线圈起到激励、讯号、反馈三种作用。如果两边的圈数相等，电感相等，分布电容相等，两边的干扰（包括基波分量）可以抵消。所以这种探头灵敏度虽低（2～4μV/nT），但非常稳定，1.8cm的探头，当激励频率为0.1～10Hz，噪声水平在1nT值。若用方波或正弦波激励，噪声水平还可以降低一些。用这种探头做成的磁力梯度仪，已经成功。

图4-2 磁通门探头

磁通门磁力仪的灵敏率为0.2nT。

4.超导量子磁力仪

超导磁力仪是现代磁力仪中灵敏度最高的仪器。它是以磁通量子为基准的磁力仪，Φ₀称为磁通量量子。有

Φ₀=h/2e=2.07×10^-15（Wb）=2.07×10^-2（nT·cm²）（4-7）

上式中：e为电子电荷量；h为普朗克常数；Φ₀只能取整数。磁通的分辨率高达10^-4Φ₀。

利用超导电性技术、超导量子干涉器件SQUID制成的磁力仪，灵敏度可高达10^-6nT，是对零磁测量的最好手段。可以测定心磁、脑磁、神经磁，是生物磁测的有力武器。超导磁力仪的量程也宽，可到几个特斯拉。另一特点是响应频率高，可从零到几十兆赫，所以，可测电磁波的磁分量，在地球物理学中，利用这种特性可制成航空磁梯度仪，可用于大地电磁法和磁测深中。在岩石磁学和古地磁学中，可以测定磁性十分微弱的岩石标本，分辨率为5×10^-8电磁单位。这种仪器的探头，需要液氦的低温条件，因此费用昂贵。

20世纪末，高温超导弱磁测量也得以开展。高温超导量子干涉器HTcrf·SQUID测弱磁技术已经达到了170fT的水平。超导磁力仪的灵敏度可达0.1pT。

5.磁性测定仪器

磁性测定有剩磁和感磁。测定剩磁的仪器现在主要是磁通门磁力仪，美国的DSM-1数字旋转式磁力仪，英国的Mini-spin都属于磁通门磁力仪。无定向磁力仪剩磁和感磁都能测。在这里，感磁主要是指磁化率。

磁化率测量仪由主机、电源及探头组成。野外探测器呈长杆形，装有振荡电路。振荡电路在长杆末端探头（传感器）的线圈里产生交变磁场，磁场强度较弱，不到100A/m。探头同时又接收处于磁场影响之内的物质返回的信息，而这一信息又是与物质的磁化率成比例的。信息以脉冲的形式传回主机，主机则显示其为磁化率值。主机可接上微机，进行数据处理。

野外测量的探头有两种类型：一种探头的传感器做成环形，直径近20cm，与探雷器相似，探测时需接触地面，有效探测深度约10cm；另一种探头的端部为尖形，直径1.5cm，必须与探测目标直接接触，或用钻头在表土上钻一小孔，把探头插入孔中测量。

想要测量地表以下更深一点地方介质的磁化率，就需使用另一种野外磁化率测量仪器，它是由发射器、接收器、电子仪器和控制系统组成的。发射器和接收器分别装在水平横杆的两端，它们的中间是电子仪器和控制系统。发射器发射的变化磁场（一次磁场）在地下介质中产生电流，而电流反过来又产生磁场（二次磁场），并为接收器所接收，由此可得磁场的虚、实分量。所谓某磁场分量的虚分量是指该分量与一次磁场相位相差90°时的那部分磁场的振幅，而与一次磁场同相的那部分磁场的振幅，称为实分量。所以前者又称为异相分量，后者又称为同相分量。这种仪器在低频（4kHz左右）工作时，测量实分量，可求得介质的磁化率；而在高频（40kHz左右）工作时，测量虚分量，可求得介质的电导率。横杆的长度可以变化，亦即改变发射器与接收器之间的距离，相应地也就改变了探测的深度。

（二）野外工作方法

1.测网的布置及野外观测方法

磁法勘探一般分为普查、详查和精测三种。野外测网密度主要取决于所探测的目标，由工作比例尺来决定。普查是用于了解区域构造地质特征，划分大的岩体或了解局部构造的位置、范围及产状等，一般采用1∶20万或1∶10万的比例尺布置测网。详查是用来了解构造形态及地质体的分布状况，一般采用1∶5万或1∶1万的比例尺进行工作。精测是为了具体查清某构造或地质体的产状及赋存情况等，一般采用1∶500或1∶5000的比例尺，测点距可加密到2m×5m。布置测网的原则是测线必须大致垂直构造走向和探测体长轴方向，对于近似等轴状探测体的勘探可采用方格网。密度要求一般要有2～3条测线，每条测线要有3～5个点通过异常。

磁测精度一般用均方误差来衡量，我国磁测工作采取三级精度标准：高精度，均方误差小于5nT；中精度，均方误差为6～15nT；低精度，均方误差可大于15nT。一个工区的磁测精度，通常都是通过系统重复观测确定的，在非异常区计算均方误差，异常区和磁场梯度大的地区采用平均相对误差。在水文、工程地质工作中，磁测精度要求一般应在中等精度以上。

磁测野外工作，由于磁力仪比较轻便，一般采用两人一个台组，在布置好的测网上逐点进行观测。在测区附近必须设立基点观测站，每天在出工和收工时要进行基点测量，其作用是将测区内的观测结果换算到统一的水平（校正）。另外，还应设立日变观测站，以便消除地磁场短周期扰动的影响。基点和日变观测站应选择在干扰噪音小的地方。

2.观测结果的整理

磁测取得的数据必须进行整理，以求出磁性体在各测点产生的磁异常值。在强磁区工作时，只要算出测点相对于基点的磁场增量就可以认为是测点的异常值。在弱磁区工作或精密磁测时，还要对计算的结果进行各种改正。一般改正的项目有：

1）日变改正，目的是消除地磁场日变对观测的影响。

2）温度改正，目的是消除因温度变化引起磁力仪性能改变而使读数受到的影响。

3）零点改正，目的是消除因仪器性能不稳所产生的零点漂移。

在磁测精度要求较低时，上述三项改正可一并考虑，采用“混合改正”，测区较大时，还要进行纬度改正。

由于高精度磁测仪器无零点漂移和温度的影响，故无须做温度改正和零点改正。考虑到环境及工程测量中所调查的范围不是太大，一般也不进行纬度改正。

最后将改正后的数据绘制成各种图件，如剖面图、剖面平面图、等值线平面图等，以供定性、定量解释时使用。

3.航空磁测工作方法简介

在航空磁测中，磁力仪装在飞机上，多测量ΔT值，仪器是连续自动记录的。飞行高度、测网密度依工作比例尺不同而定。飞行时首先按基线飞行，然后进入测线飞行。

测量结果要进行各项改正（日变、零点漂移、纬度、偏向、零线位置改正等），最后绘制成各种比例尺的ΔT剖面平面图和等值线平面图。