магниторазведка. Магниторазведка
 Скачать 469.57 Kb.
|
|
3.3.2 Аэромагнитные и гидромагнитные съемки Магниторазведка от других геофизических методов отличается наибольшим при- менением съемок в движении. Аэромагниторазведка. Аэромагнитные съемки проводят с помощью самолетов или вертолетов, на которых устанавливают, в основном, протонные, феррозондовые, реже квантовые автоматические магнитометры. Для исключения или существенного снижения влияния магнитного поля носителя на показание прибора чувствительный элемент буксируют на трос-кабеле в выносной гондоле или устанавливают на длинной выносной штанге. Полеты проводят со скоростью 100—200 км/ч на постоянной высоте 50—200 м или с обтеканием рельефа местности. Благодаря высокой производительно- сти аэромагнитных работ с их помощью исследуют магнитное поле больших террито- рий суши и акваторий. Для учета вариаций магнитного поля при аэромагнитных съемках создают специ- альную опорную сеть из опорных маршрутов. Рядовые профили разбивают перпенди- кулярно к опорным и на точках пересечения профилей с опорными маршрутами прово- дят корреляцию значений наблюденного поля. Рекомендуется в начале и в конце рабо- чего дня делать залеты на специальном контрольном маршруте длиной до 10 км, а все рабочие маршруты привязывать к нему. По результатам контрольных наблюдений (число контрольных маршрутов 5—10%,) определяют среднюю квадратическую по- грешность наблюдений [см. формулу (3.6)]. Она, как правило, в 5—10 раз больше, чем при полевых съемках, что объясняется, главным образом, нестабильностью положения чувствительного элемента магнитометра и влиянием неучтенной составляющей маг- нитного поля самолета. Конечным результатом аэромагнитной съемки чаще всего являются аномальные значения вектора напряженности магнитного поля Земля ΔT a . Графики ΔT a обычно по- лучают при обработке информации с помощью бортовых или экспедиционных ЭВМ. Часто в результате аэромагниторазведкн строят карты графиков и карты ΔT a Гидромагнитные съемки. Гидромагнитные съемки можно выполнять как на спе- циальных судах, так и попутно на кораблях любого тоннажа. Влияние металлического корпуса и других магнитных помех резко уменьшается благодаря тому, что датчик бук- 98 сируют на большом (свыше 100 м) удалении от корабля в специальной гондоле. Боль- шая автономность плавания при любом направлении движения, измерения магнитного поля на больших (15—25 узлов) скоростях корабля способствовали магнитной съемке значительных площадей океанов и морей. Профили (галсы) привязывают по штурманским картам с использованием радио- геодезических и спутниковых станций. Сложность гидромагнитной съемки связана с учетом вариаций, особенно когда исследуемый участок акваторий удален на сотни и тысячи километров от береговых МВС. В этом случае применяют методы косвенного учета вариаций путем фильтрации из наблюденного магнитного поля аномалий, период которых равен, например, периоду суточных вариаций. В результате гидромагнитной съемки строят графики аномального магнитного поля по галсам ΔT a , а на участках площадных работ — карты графиков, изредка карты аномалий ΔT a 3.3.3 Другие виды магнитных измерений В магниторазведке применяют также такие специальные методы, как микромаг- нитная и подземная съемки, скважинные наблюдения, изучение магнитных свойств об- разцов, в том числе для палеомагнитных исследований. Микромагнитная съемка. Микромагнитной съемкой называют высокоточную ( ε до ± 1 нТл) наземную магнитную съемку небольших участков (сотни квадратных мет- ров) с равномерной и густой сетью точек наблюдения (5х5, 3х3, 1х1 м). Используют высокоточные полевые магнитометры (ядерные, квантовые). Для исключения вариаций работы проводят таким образом, чтобы через несколько замеров на рядовых точках снимать отсчет на одном и том же опорном (контрольном) пункте (КП). По графику изменения магнитного поля на КП во времени в наблюденные значения вносят поправ- ки за вариации и другие погрешности. После построения карты T a или ΔT a и ее стати- стической обработки можно построить «розы» направления изодинам, которые строят так же, как, например, «розы» ветров. Подземная магниторазведка. Подземные магнитные наблюдения проводят в горных выработках, где отсутствуют металлические конструкции (рельсы, металличе- ское крепление), а также провода с постоянным током. Их выполняют в виде деталь- ных профильных съемок по центру выработок с частым возвращением на КП и повы- шенным числом контрольных точек (свыше 15%,). Подземная магниторазведка предна- значена для выявления в межвыработочных и околовыработочных пространствах руд с повышенными или пониженными магнитными свойствами. Скважинная магниторазведка. Скважинная магниторазведка —э то измерения магнитного поля вдоль ствола скважины. Для таких наблюдений используют специаль- ные трехкомпонентные магнитометры (ТСМК-30) с обязательной фиксацией по верти- кали и горизонтали датчика, опускаемого в скважину на кабель-тросе. В связи с техни- ческими трудностями скважинные измерения магнитного поля имеют пониженную точность. Они позволяют устанавливать границы и магнитные объекты, располагаю- щиеся около скважины, а не только в ней. Измерение магнитных свойств образцов. Магнитную восприимчивость горных пород измеряют как на образцах, так и в их естественном залегании. С помощью аста- тических магнитометров МА-21, МАЛ-036 возможно изучение различных магнитных свойств, в том числе и χ , на образцах в полевых и стационарных условиях. Эти магни- тометры относят к классу оптико-механических. Принцип их действия основан на взаимодействии магнитного поля образца с полем двух или трех постоянных магнитов, имеющихся в чувствительной системе прибора. Чувствительная система астатических 99 магнитометров реагирует только на неоднородное магнитное поле близко (на фиксиро- ванном расстоянии) расположенного образца горной породы. По углу отклонения чув- ствительной системы от магнитного меридиана, расстоянию от образца до постоянных магнитов, объему образца и величине вертикальной составляющей магнитного поля в районе исследования рассчитывают магнитные характеристики образца ( χ и I n ). Отно- сительная погрешность измерений составляет 5%,. Для изучения магнитной восприим- чивости в лабораторных условиях и в естественном залегании горных пород применя- ют каппаметры ИМВ-2 или приборы КТ-3, КТ-5. Анализ остаточной намагниченности горных пород требует специальной методи- ки отбора образцов — из осадочных или вулканогенных толщ кубической формы (5х5х5 см или 2,4 x 2,4х2,4 см) с точной привязкой по горизонту и сторонам света (±1°). Для измерения остаточной намагниченности применяют приборы МА-21, ИОН-1 или ЛАМ-2. В результате довольно сложной и тонкой методики выделения первичной на- магниченности удается установить направление и величину остаточной намагниченно- сти. Число образцов или замеров на обнажении должно быть достаточным для после- дующего статистического анализа результатов определения характеристик магнитных свойств горных пород исследуемого геологического комплекса. По характеру постро- енных гистограмм распределения значений магнитного параметра определяют его наи- более вероятное значение, степень однородности магнитных свойств комплекса. Дан- ные о магнитной восприимчивости горных пород помогают выбрать правильную мето- дику магниторазведочных работ, провести более надежную и полную интерпретацию аномалий магнитного поля. Характер остаточной намагниченности позволяет судить о возрасте горных пород и их геодинамической истории, изучаемых при палеомагнитных исследованиях. 3.4 Интерпретация магнитных аномалий Поскольку в результате магнитной съемки получают аномалии, обусловленные намагниченностью тех или иных геологических объектов, а влияние магнитного поля Земли исключают введением поправок за нормальное поле, то в теории магниторазвед- ки рассчитывают аномальные магнитные поля лишь самих тел с разными геометриче- скими параметрами, магнитными свойствами и направлением намагниченности. 3.4.1 Прямые и обратные задачи магниторазведки Прямая задача магниторазведки состоит в определении параметров магнитного поля (вычислении магнитных аномалий) по известным характеристикам магнитных масс: формы, размеров, глубины залегания, углов намагничения и магнитной воспри- имчивости. Обратная задача магниторазведки представляет собой количественный рас- чет параметров (форма, размеры, глубина залегания и др.) магнитных масс по заданно- му на профиле или площади распределению значений одного или нескольких элемен- тов магнитного поля Земли. Принципы, решения прямой задачи магниторазведки. Прямую задачу магнито- разведки решают с помощью закона Кулона: F = m 1 ·m 2 /μr 2 , где m 1 ,m 2 —взаимодейст- вующие с силой F массы, центры которых расположены на расстоянии r ; μ — магнит- ная проницаемость вмещающей среды. Так как практически все горные породы, за ис- ключением ферромагнитных железных руд, имеют μ = μ 0 , то в теории магниторазведки этот параметр считают постоянным и μ 0 = 4π 10 -7 Гн/м. Магнитных масс как самостоя- тельных субстанций в природе не существует, а магнитные свойства тел являются 100 следствием движения электрически заря- женных частиц в атомах вещества. Тем не менее, в теории магнетизма продолжают использовать закон Кулона, понимая под магнитной массой произведение интен- сивности намагничения I на площадь s намагниченного тела, перпендикулярную к вектору I: m=Is . Для облегчения реше- ния прямых задач в теорию магнетизма вводят по закону Кулона понятие магнит- ного потенциала точечной магнитной массы U T = m/μr, F T = - ∂U/∂r. (3.7) Так как намагниченные тела — это совокупности неразделяемых положи- тельных и отрицательных масс, то в тео- рию магнетизма вводят понятие магнит- ного диполя, т. е. совокупности двух рав- ных, близко (на расстоянии dl ) располо- женных магнитных масс противополож- ных знаков (± т) . Потенциал диполя dU легко получить, используя рис. 3.2 и считая, что длина диполя dl много меньше расстояний r, r 1 , r 2 до точек наблюдений, 2 2 2 2 1 2 1 cos cos cos 1 1 r IdV r dM r dl m r r dr m r r m dU µ θ µ θ µ θ µ µ = = ≈ ⋅ = − = (3.8) где dM = mdl = Idsdl = IdV — магнитный момент диполя; I — интенсивность намагничения диполя, направленная вдоль его оси; dl — длина; ds — площадь попе- речного сечения; dV = dlds -— элементарный объем; θ — угол между осью диполя и радиусом r , близкий (при dl << r ) к углам между диполями r 1 и r 2 . Из формулы (3.8) можно получить выражения для компонент напряженности магнитного поля диполя в плоскости (x, О, y) : T x = ∂(dU)/ ∂x = dM(2x 2 -y 2 )/(x 2 +y 2 ) 5/2 μ ; T y = ∂(dU)/ ∂y = dM 3xy/(x 2 +y 2 ) 5/2 μ При замене x 2 +y 2 = r 2 и x/r = cos θ выражение для полного вектора напряженно- сти магнитного поля диполя получает вид cos 3 1 3 2 2 2 µ θ r dM T T dT y x + = + = (3.9) На оси диполя ( θ = 0) и перпендикуляра к его центру, т. е. на экваторе ( θ = 90°), получаем напряженности T 0 = 2dM/μr 3 , T Э = dM/μr 3 . (3.10) Поскольку реальные намагниченные тела можно рассматривать как совокупность элементарных магнитных диполей с учетом свойства суперпозиции потенциалы и ано- мальные значения напряженности любого намагниченного тела при использовании вы- ражений (3.7)—(3.9) можно записать следующим образом: ∫∫∫ ∫∫∫ + = = V V V V dV r I T r dV I U 3 2 2 cos 3 1 , cos µ θ µ θ (3.11) Рис.3.2 Магнитный диполь 101 где интегрирование ведут по всему объему тела V . Уравнения (3.11) являются ос- новными в теории магниторазведки. Аналитические выражения с помощью (3.11) по- лучают лишь для тел простой геометрической формы и однородной (постоянной) на- магниченности. Для тел более сложной формы и, особенно, при переменной намагни- ченности возможны лишь численные приближенные решения, получаемые с помощью ЭВМ. Анализ решений прямой задачи служит основой для решения обратной задачи. Рассмотрим решение прямой и обратной задач для некоторых простых тел: вер- тикального бесконечного стержня, шара, вертикального пласта и горизонтального ци- линдра бесконечного простирания при их вертикальной и однородной намагниченно- сти (вектор I постоянен внутри тела). Допущение вертикальной намагниченности не только упрощает решение задач, но и является вполне обоснованным, поскольку ин- дукционная намагниченность горных пород при широте, большей 50—60°, т. е. для большей части территории страны, близка к вертикальной. 3.4.2 Прямая и обратная задачи для вертикального бесконечного стержня Пусть на глубине h залегает вершина бесконечно длинного вертикального стерж- ня сечением s , однородно намагниченного вдоль оси z (рис.3.3). Его можно предста- вить как тело одного полюса m с интенсивностью намагничения I , направленной вдоль оси z , и магнитной массы m = Is . Так как нижний полюс расположен очень далеко, то его влиянием можно пренебречь и считать, что вся магнитная масса сосредоточена на вершине стержня. Поэтому поле этого стержня будет таким же, как и поле точечной массы, расположенной в центре его вершины, и решение прямой задачи можно полу- чить без вычисления интегралов (3.11). Потенциал стержня определяют непосредственно из выражения для потенциала точечной массы [см. формулу (3.9)], т. е. U ст = m/μr = Is/μ(x 2 +z 2 ) l/2 , а аномальные вер- тикальная, горизонтальная составляющие и полный вектор напряженности магнитного поля , ) ( , ) ( 2 2 2 3 2 2 2 3 2 2 CT CT CT CT CT CT CT H Z T h x Isx x U H h x Ish z U Z + = + − = ∂ ∂ − = + = ∂ ∂ − = µ µ (3.12) На рис 3.3, а приведены графики Z CT , Н CT , Т CT для I = I Z > 0 Рис.3.3 Магнитное поле вертикального стержня (а) и шара (б) 102 При x = 0 Z max = T max = Is/μh 2 , H X = 0, т. е. над стержнем наблюдаются одина- ковые максимумы Z СТ и Т СТ и нулевое значение Н СТ . При х → ± ∞ все составляющие стремятся к нулю. Путем подстановки в выражения (3.12) можно показать, что на гра- фиках горизонтальной составляющей при 2 h x ± = имеются экстремумы. В точке x=-h кривые Z CT и Н CT пересекаются. Для точки графика Z CT , в которой Z 1/2 = Z max / 2, полу- чаем следующее уравнение: 2 / ) /( 2 2 3 2 2 2 1 2 1 µ µ h Is h x Ish Z = + = При его решении получаем |x 1/2 |= 0.7h . Аналогично можно доказать, что абсцис- са точки, в которой T 1/2 = T max /2, |x 1/2 | = h . Очевидно, что в плане (на плоскости (xOy) над вертикальным бесконечно длинным стержнем изодинамы Z CT и Т CT представляют собой практически совпадающие по интенсивности и знаку (положительные при I > 0 ) концентрические окружности с одинаковым максимальным значением напряженностей над их центром. Обратную задачу магниторазведки для концентрических аномалий Z CT и T CT од- ного знака, соответствующих объектам типа вертикального стержня (штокообразные интрузии, кимберлитовые трубки и т. д.), решают следующим образом. Центр стержне- образного объекта залегает под экстремумами Z CT , T CT и перегибом (переход через ноль) графика Н CT . При использовании приведенных выше данных решения прямой задачи глубину залегания верхней кромки стержня можно рассчитать по формулам h = 1.3|x Z ½ |, h = |x T ½ |, h = 1,4|x H экс |, h = - x ZH пер , (3.13) где x Z ½ , x T ½ , x H экс , x ZH пер —абсциссы точек на графиках, в которых Z СТ = Z max / 2 , Т СТ = Т max / 2 , экстремум Н СТ , пересечение графиков Z СТ и Н СТ Зная глубину h , можно оценить величину магнитной массы m = Is по экстрему- мам кривых магнитных аномалий m = Z max μh 2 , m = T max μh 2 , m = 3,67 H max μh 2 (3.14) Так как I ≈ χT cp , где T cp — средняя напряженность геомагнитного поля, зная χ по измерениям магнитной восприимчивости образцов, легко получить площадь поверхно- сти стержня s=m/I . |