магниторазведка. Магниторазведка
 Скачать 469.57 Kb.
|
|
остаточная намагниченность I n , т. е. специфическое свойство пород, несущее в себе информацию об изменении магнитной восприимчивости при из- менении величины намагничивающего поля и температуры. С увеличением температу- ры магнитная восприимчивость у ферромагнетиков возрастает, достигая максимума при критической температуре или точке Кюри, которая у разных минералов изменяется от 400 до 700 °С. Когда температура превышает точку Кюри, магнитная восприимчи- вость уменьшается практически до нуля. Следствием этого является принципиальное ограничение глубинности магниторазведки, так как с глубиной температура возрастает и на глубине 20—50 км в зависимости от строения, величины теплового потока и теп- лопроводных свойств горных пород достигает точки Кюри. Благодаря так называемой коэрцитивной силе ферромагнитные минералы, остывая, сохраняют остаточную намаг- ниченность I n . Она характеризуется отношением Q= I n / I i , которое изменяется от 0 до 100 и может быть как положительным, так и отрицательным. Значение Q велико для ферромагнитных минералов, меньше для магматических пород, еще меньше для мета- морфических и близко к нулю для осадочных пород. Основной вклад в создание аномалий магнитного поля вносят ферромагнитные минералы и содержащие их горные породы. Так как в целом магнитная восприимчи- вость горных пород изменяется в больших пределах (в миллионы раз), то интенсив- ность аномалий магнитного поля варьирует от долей до сотен тысяч нанотесл. Для ре- гистрации подобного поля необходима специальная аппаратура, имеющая и высокую чувствительность, и большой динамический диапазон измерений. 3.2 Аппаратура для магниторазведки 3.2.1 Принципы измерений геомагнитного поля Измерения магнитного поля Земли и его вариаций проводят как на стационарных пунктах — магнитных обсерваториях, которых насчитывается на Земле около 150, так и во время магниторазведочных работ. При абсолютных определениях полного вектора напряженности магнитного поля определяют, как правило, три элемента магнитного поля (например, Z, D, Н ). Для этого применяют сложные трехкомпонентные магнит- ные приборы - магнитные теодолиты и вариационные станции, которые ведут запись автоматически. При геологической разведке измеряют абсолютные Т и относительные по отно- шению к какой-нибудь исходной (опорной) точке ΔT, ΔZ элементы. Если исследуемая площадь невелика (несколько десятков квадратных километров), то нормальное поле можно считать постоянным и равным полю на исходной точке, оно принимается за ус- 93 ловный нуль. При больших площадях исследования следует учитывать изменение нор- мального магнитного поля Земли. Приборы для магнитной разведки (магнитометры) характеризуются разнообрази- ем принципов устройства. В настоящее время в основном используют четыре типа маг- нитометров — оптико-механические, феррозондовые, протонные и квантовые. 3.2.2 Оптико-механические магнитометры Принцип действия оптико-механических магнитометров основан на взаимодейст- вии магнитных полей Земли и постоянного магнита, служащего чувствительным эле- ментом (датчиком) таких приборов. В зависимости от ориентации оси вращения посто- янного магнита, его магнитного момента и напряженности магнитного поля Земли по- стоянный магнит занимает определенное положение относительно горизонтальной или вертикальной плоскости. Изменение напряженности магнитного поля Земли приводит к соответствующему изменению угла наклона постоянного магнита (при прочих рав- ных условиях). Для повышения точности определения угла наклона системы применя- ют специальные оптические устройства. В магнитометрах, измеряющих приращение вертикальной составляющей магнит- ного поля Земли ΔZ , т. е. ее изменение по сравнению со значением в начальной точке, ось вращения постоянного магнита устанавливают горизонтально и ориентируют по направлению вектора Н . При таком положении чувствительной системы на вращение постоянного магнита будет действовать только вертикальная составляющая магнитного поля Земли, так как горизонтальная составляющая совпадает с осью вращения. Для по- вышения чувствительности прибора к малым изменениям вертикальной составляющей ΔZ постоянный магнит должен располагаться примерно горизонтально. Это достигает- ся уравновешиванием действия вертикальной составляющей ΔZ силой тяжести посто- янного магнита, если центры его вращения и тяжести не совпадают. При перемещении прибора из одной точки в другую приращение вертикальной составляющей магнитного поля ΔZ будет связано с изменением угла наклона системы Δφ (если Δφ ≤ 1,5°) соот- ношением ΔZ = k Δφ= c(n – n 0 ) (3.5) где k — коэффициент пропорциональности; с —цена деления шкалы прибора; п, n 0 — отсчеты по прибору в двух точках измерения, снимаемые с помощью специальных оп- тических устройств. Для снижения погрешности при ориентации по магнитному меридиану исполь- зуют компенсационный способ измерений. Для этого в приборе имеется компенсаци- онный магнит, жестко связанный с отсчетной шкалой. Плавная компенсация осуществ- ляется вращением этого магнита до тех пор, пока постоянный магнит не установится горизонтально. Момент компенсации фиксируется с помощью особой оптической сис- темы путем совмещения отраженного от зеркала на магните и неподвижного горизон- тального индексов. Для расширения пределов измерения ΔZ существует второй, так называемый диапазонный магнит ступенчатой компенсации. Изложенный принцип из- мерения приращения вертикальной составляющей магнитного поля Земли реализован в современном наземном магнитометре М-27М. В зависимости от методики магнитораз- ведочных работ погрешность измерений таким прибором составляет 2—5нТл. 3.2.3 Феррозондовые магнитометры Основой конструкции феррозонда (чувствительного элемента) феррозондового магнитометра служит электрическая катушка, намотанная на удлиненный стержень из ферромагнетика, обладающего малой коэрцитивной силой и большой магнитной про- 94 ницаемостью в слабых магнитных полях (например, из сплава железа и никеля — пер- маллоя). В отсутствие внешнего магнитного поля при пропускании через генераторную (первичную) катушку переменного электрического тока частотой f и амплитудой, дос- таточной для создания поля возбуждения, превышающего уровень насыщения сердеч- ника, в измерительной (вторичной) катушке возникает ЭДС удвоенной частоты 2f . При наличии внешнего постоянного магнитного поля, составляющая которого вдоль оси стержня отлична от нуля, в наведенной ЭДС будет преобладать частота, совпадающая с частотой поля возбуждения f . Феррозонд магнитометра состоит из двух одинаковых пермаллоевых стержней, расположенных параллельно друг другу и ориентированных вдоль измеряемой состав- ляющей магнитного поля Земли. Обмотки катушек возбуждения соединены последова- тельно таким образом, чтобы переменное поле в двух сердечниках было направлено противоположно. Для измерения внешнего магнитного поля (его составляющей, на- правленной вдоль оси стержней) обычно используют компенсационный мегод, заклю- чающийся в компенсации постоянного магнитного поля Земли полем постоянного ре- гулируемого тока. По величине тока компенсации судят о напряженности магнитного поля Земли вдоль оси феррозонда. К таким приборам относится аэромагнитометр АМФ-21. За счет погрешности в ориентировке феррозонда погрешность съемки таким магнитометром достигает десятков нанотесл. При скважинньгх работах применяют скважинный вариант ферромагнитометра (например, ТСМК-30), позволяющего изме- рять составляющие магнитного поля AZ, АХ, АУ с погрешностью до ± 100 нТл. 3.2.4 Протонные магнитометры Принцип действия протонных или ядерных магнитометров основан на явлении свободной прецессии протонов в земном магнитном поле. После определенного элек- тромагнитного воздействия на протонсодержащий датчик протоны прецессируют во- круг направления земного магнитного поля с угловой скоростью ω , пропорциональной полной напряженности магнитного поля Земли Т : ω = aT , где a — коэффициент про- порциональности, который равен гиромагнитному отношению ядра (отношению маг- нитного момента ядра к механическому). Протонный магнитометр состоит из магниточувствительного блока или датчика (протонсодержащий сосуд с водой, спиртом, бензолом и т. п., вокруг которого намота- ны возбуждающая и измерительная катушки); соединительных проводов; электронного блока (предусилитель, схема коммутации, умножитель частоты, частотомер и световой индикатор); регистрирующего устройства и блока питания. Рабочий цикл, т. е. время определения значений магнитного поля в каждой точке, складывается из времени поля- ризации датчика (для воды оно составляет 3— 8 с), времени переключения датчика и времени определения частоты сигнала, наведенного в катушке датчика (0,1—0,4 с). В зависимости от протонсодержащего вещества и точности определения частоты прецес- сии рабочий цикл составляет 1—10с. При небольшой скорости движения носителя магнитометра (наземный или мор- ской варианты) данные о магнитном поле Земли Т получают практически непрерывно. При большой скорости, например при скорости самолета 350 км/ч, расстояние между замерами составляет 300 м. С помощью протонного магнитометра можно проводить магнитную съемку с использованием металлических носителей — кораблей или само- летов, обладающих собственным магнитным полем. При этом датчик магнитометра буксируют на кабеле, длина которого должна в несколько раз превышать продольные размеры носителя. С помощью протонного магнитометра дискретно (1 раз в 1—10 с) измеряют абсо- лютное значение магнитной индукции геомагнитного поля с погрешностью ± 1—2 нТл 95 при низкой чувствительности (±45°) к ориентации датчика по магнитному меридиану, независимости от температуры и времени (отсутствует смещение нуля). Протонные магнитометры используют при наземных (например, отечественный магнитометр ММП-203) и морских (ММП-3) съемках, реже при воздушных съемках (МСС-214) и скважинных наблюдениях. 3.2.5 Квантовые магнитометры В квантовых магнитометрах, предназначенных для измерения абсолютных значе- ний модуля индукции магнитного поля, используют так называемый эффект Зеемана. В электронной структуре атомов, обладающих магнитным моментом, при попадании в магнитное поле происходит расщепление энергетических уровней на подуровни, с раз- ницей энергии и, соответственно, частотой излучения пропорциональной модулю пол- ного вектора магнитной индукции в точке наблюдения. Чувствительным элементом магнитометра является сосуд, в котором имеются пары цезия, рубидия или гелия. В ре- зультате вспышки монохроматического света (метод оптической накачки) электроны паров переводятся с одного энергетического подуровня на другой. Возвращение их на прежний уровень после окончания накачки сопровождается излучением энергии с час- тотой, пропорциональной величине магнитного поля. С помощью квантового магнитометра измерения Т проводят с погрешностью ±(0,1—1) нТл при слабой чувствительности к ориентации датчика, высоком быстро- действии и стабильности показаний (незначительное смещение нуля). Основными оте- чественными квантовыми магнитометрами являются приборы следующих марок: на- земные (пешеходные) М-33 и ММП-303, морской КМ-8, аэромагнитометр КАМ-28. В магнитометрах для съемки в движении (морских, воздушных или автомобиль- ных) регистрацию магнитной индукции ведут автоматически, практически непрерывно. Профили привязывают различными способами (радионавигационными, с помощью аэ- рофотосъемок и т. п.). Результаты наблюдений представляют иногда в аналоговой форме в виде магнитограмм, но чаще - в цифровой форме, обеспечивающей после- дующую обработку информации на бортовых ЭВМ или в экспедиционных вычисли- тельных центрах. 3.3 Методика магниторазведки Под методикой магниторазведки, как и гравиразведки (см. гл. 2), понимается вы- бор метода и аппаратуры, вида съемок и систем наблюдения, погрешности и формы представления материалов, направленных на получение кондиционного материала о распределении аномалий магнитного поля, с помощью которого можно решить постав- ленные геологические задачи. Основными методами магниторазведки являются полевые (наземные, пешеход- ные или автомобильные), воздушные (аэромагниторазведка), морские (гидромагнит- ные) съемки, а также подземные и скважинные наблюдения. По решаемым геологиче- ским задачам различают следующие виды магнитных съемок: а) региональные (аэро- магнитные и гидромагнитные), выполняемые в масштабах 1 : 200 000 и мельче и пред- назначенные для изучения глубинного геологического строения крупных территорий суши и акваторий; б) картировочные (аэромагнитные и полевые), проводимые в мас- штабах 1:100000 - 1:50000 и применяемые для решения задач геологического картиро- вания с оценкой перспективности изучаемых площадей на железорудные и другие по- лезные ископаемые; в) картировочно-поисковые (как правило, полевые), предназна- ченные для крупномасштабного геологического картирования (масштабы 1:50000 - 96 1:10000), а также непосредственных поисков железорудных и других полезных иско- паемых; г) поисково-разведочные и детальные (полевые, подземные и скважинные), при которых работы проводят в масштабах 1: 10000 и крупнее и решают задачи выяв- ления рудных тел, оценки их размеров, формы, положения, намагниченности. 3.3.1 Полевая магнитная съемка Полевую, как правило, пешеходную магнитную съемку проводят с помощью пор- тативных магнитометров типа М-27М, ММП-203, ММП-303 и др. Она отличается дос- таточно высокой производительностью: в зависимости от детальности и категории ме- стности отряд из двух человек отрабатывает от нескольких десятков до двух сотен то- чек наблюдений за смену. Выбор системы наблюдений. Различают два вида магнитных съемок: маршрут- ные (профильные) и площадные. Первые применяют как при рекогносцировочных ис- следованиях для выявления общих закономерностей аномального магнитного поля пе- ресекаемых геологических структур и уточнения их границ, так и по интерпретацион- ным профилям при высокоточных съемках. Проводимые чаще площадные съемки, вы- полняемые по системе параллельных профилей, позволяют судить о форме и простира- нии аномалий магнитного поля на исследуемой площади. Принцип выбора профилей и шага съемки такой же, как в гравиразведке. Однако в связи с более сложной структурой аномального магнитного поля связь аномалий с параметрами искомых геологических объектов более сложная, поэтому сеть наблюдений должна быть более густой. Это, кстати, легче реализовать, так как магнитная съемка проводится быстрее, чем грави- метрическая. Расстояние между профилями берут примерно в 5 раз меньше длины, а шаг — в 5 раз меньше поперечных размеров разведываемых объектов. В целях стан- дартизации методики рекомендуется выбирать расстояния между пикетами 5, 10, 20, 25, 50, 100 м. Сеть наблюдений в зависимости от масштаба разбивают как инструмен- тально, так и визуально по аэрофотоснимкам с измерением расстояний шагами (с обя- зательным закреплением начала и конца каждого профиля с помощью инструменталь- ной привязки). Проектная точность зависит не только от масштаба съемки (расстояние между профилями должно составлять примерно 1 см в масштабе выдаваемой карты), но и в основном от величины ожидаемых магнитных аномалий, которые должны быть в 2—3 раза больше средней квадратической погрешности съемки. При работах с оптико- механическими магнитометрами, как и в гравиразведке, разбивают опорную сеть, на которую опираются рядовые пункты наблюдения. При работах с протонными и кванто- выми магнитометрами, у которых сползание нуля практически отсутствует, разбивать опорную сеть необязательно. Учет влияния вариаций. В отличие от гравиразведки при магнитной разведке необходимо вводить поправки за вариации магнитного поля, амплитуды и частоты ко- торых нередко сравнимы с амплитудами и формой аномалий за счет геологических не- однородностей. Для этого с помощью так называемых магнитных вариационных стан- ций (МВС) или обычных магнитометров того же типа, с которыми ведется съемка, на базе экспедиции ведут измерения напряженности магнитного поля. Зная время, ампли- туду вариаций и время замеров при полевых съемках, можно с помощью формулы (3.4) ввести поправки и рассчитать аномалии во всех пунктах наблюдения. Если район ис- следования занимает большую площадь, то используют данные двух-трех МВС или ре- зультаты записи вариаций в ближайших (до 500 км) обсерваториях. Если имеется опорная сеть, то ее можно использовать и для учета вариаций. Погрешность магнитной съемки и способы представления результатов. Кон- троль качества проведенных магнитных работ осуществляют путем постановки незави- 97 симых контрольных наблюдений, выполняемых в объеме до 5 %, от общего числа то- чек, желательно другим прибором и оператором и обязательно в другое время, напри- мер в конце полевого сезона. Среднюю квадратическую погрешность работ определяют по стандартной формуле ∑ = − ± = n i i n 1 2 1 2 δ ε (3.6) где δ — разница основного и контрольного отсчетов на i -й контрольной точке; п — общее число контрольных точек. В результате полевой магнитной съемки строят графики, карты графиков и карты абсолютных или относительных аномальных значений геомагнитного поля. Горизон- тальные масштабы такие же, как и масштаб съемки. Вертикальный масштаб графиков берут таким, чтобы значение ε не превышало 1 мм, а сечение изолиний на картах со- ставляло (2—3) ε . Обычно изолинии проводят через ±5, ± 10, ±20, ±50 нТл. В степных и полупустынных районах, доступных для автотранспорта, используют наземную автомобильную магнитную съемку. Магнитное поле Земли с точностью 3—5 нТл измеряют в движении путем буксировки чувствительного элемента магнитометра за автомобилем на расстоянии 5—6 м. |