(1) Magnetómetro
Hay muchos tipos de magnetómetros, que se pueden dividir aproximadamente en dos categorías, a saber, magnetómetros mecánicos y magnetómetros electromagnéticos.
Dado que los inicios de la exploración magnética se centraban principalmente en la exploración de minerales sólidos con fuertes propiedades magnéticas, los instrumentos utilizados eran principalmente magnetómetros mecánicos (también llamados balanzas magnéticas). Los magnetómetros mecánicos se pueden dividir en dos tipos: tipo de cuchilla y tipo de cable de suspensión, y cada tipo se puede dividir en magnetómetro vertical (mide el componente vertical de la intensidad del campo magnético) y magnetómetro horizontal (mide el componente horizontal). La sensibilidad del instrumento es generalmente n×10nT y se utiliza principalmente para estudios magnéticos terrestres. Con la continua expansión del alcance profundo y espacial de la investigación de exploración magnética, en los últimos años se ha producido un cambio hacia la exploración de la corteza profunda y los objetos geológicos micromagnéticos y débilmente magnéticos, y también tiene aplicaciones en arqueología y medio ambiente. contaminación, predicción de desastres, etc. Esto requiere que los instrumentos de medición magnéticos tengan mayor sensibilidad, por lo que los instrumentos de medición magnéticos han acelerado su desarrollo. Los magnetómetros de primera generación utilizan imanes permanentes o bobinas de inducción, al igual que los magnetómetros mecánicos de segunda generación utilizan materiales altamente permeables o características de los átomos, núcleos y; circuitos electrónicos complejos, como magnetómetros de protones y magnetómetros de bomba óptica; el magnetómetro de tercera generación es un magnetómetro superconductor fabricado mediante efectos cuánticos de baja temperatura. Al mismo tiempo, el método de utilización integral de parámetros magnéticos también se ha desarrollado desde el estudio de parámetros de permeabilidad magnética únicos y parámetros magnéticos hasta la investigación y utilización integral de múltiples parámetros magnéticos, como tres componentes, gradientes magnéticos y anisotropía magnética.
En mi país, desde la llegada del magnetómetro de precesión de protones, la bomba óptica, los magnetómetros superconductores de inducción, superconductores de baja temperatura y superconductores de alta temperatura han aparecido uno tras otro. Con el rápido desarrollo de la tecnología electrónica y la tecnología informática, se ha promovido la mejora de los instrumentos geofísicos y se ha mejorado continuamente la sensibilidad de los instrumentos de medición magnéticos débiles (n × 10 nT, 1 nT, 0,1 nT, 0,001 nT, 10-6 nT). La medición magnética débil de alta precisión puede aportar nueva información geológica, lograr nuevos efectos geológicos y promover el desarrollo en profundidad de la investigación magnética.
Los magnetómetros electromagnéticos (alta sensibilidad) incluyen principalmente magnetómetros fluxgate, magnetómetros de precesión de protones, magnetómetros de bomba óptica, magnetómetros de inducción y magnetómetros superconductores. Debido a su amplio rango de trabajo (gran rango dinámico), estos instrumentos de medición magnéticos de alta sensibilidad se pueden utilizar no sólo para la detección de señales magnéticas débiles, como los estudios aeromagnéticos, los estudios magnéticos marinos y los estudios magnéticos de pozos, sino también para los estudios magnéticos. Se están realizando exploraciones magnéticas en terrenos elevados con requisitos de precisión que no son altos. A continuación se presentan varios magnetómetros electromagnéticos (alta sensibilidad).
1. Magnetómetro de Protones
La precesión de protones también se llama precesión de nucleones (espín nuclear) y precesión libre de nucleones (protones). Este magnetómetro es una aplicación exitosa de los resultados de la investigación teórica y experimental sobre fenómenos de resonancia magnética nuclear en instrumentos de geociencia. Su principio de funcionamiento es: la sonda magnética se llena con una solución rica en átomos de hidrógeno como queroseno, agua, alcohol, benceno, etc. Bajo la acción de un fuerte campo magnético, el núcleo del átomo de hidrógeno, es decir, el momento magnético de el protón se vuelve paramagnético y presenta un momento magnético macroscópico. La alineación en la dirección de un campo magnético fuerte se llama polarización de la muestra. Cuanto más fuerte sea el campo magnético, mayor será el tiempo de acción y mayor será el efecto de polarización. Después de que se detiene el campo magnetizante del campo geomagnético vertical, el momento macromagnético realiza una precesión de Larmor alrededor de la fuerza total del campo geomagnético T. La relación entre la frecuencia de precesión y el campo geomagnético T se convierte en
T= 23.4872f (nT )
La frecuencia de la señal de precesión f es proporcional a T. Cuanto mayor es T, más fuerte es la señal. En la actualidad, el rango de medición de los magnetómetros de protones es generalmente de 20.000 a 100.000 nT. Las señales por debajo de 20000 nT son demasiado débiles y difíciles de medir.
La sensibilidad actual de los magnetómetros de precesión de protones es de aproximadamente 0,1nT.
2. Magnetómetro de bomba óptica
El magnetómetro de bomba óptica es un equipo de medición magnética de alta sensibilidad y alta precisión que utiliza los niveles de energía atómica de los elementos para generar magnetismo Zeiman en un campo magnético. Se basa en la división, junto con la tecnología de bomba óptica y la tecnología de resonancia magnética.
Tomemos ahora el magnetómetro de bomba óptica de helio (He4) como ejemplo para ilustrar su principio. El llamado efecto de bombeo óptico consiste en utilizar una lámpara de helio para iluminar una cámara de absorción de helio (He4) con baja presión para producir átomos de helio positivos metaestables. Todos los átomos aquí tienen momentos magnéticos. Orientar los momentos magnéticos de los átomos.
Para un magnetómetro de bomba de luz de helio, el momento magnético y la frecuencia de oscilación magnética del campo magnético externo F tienen la siguiente relación:
F=0,03568426f0 (nT)
p>Obviamente, la frecuencia de f0 es mucho mayor que la frecuencia del espín nuclear.
La sensibilidad del magnetómetro óptico de la bomba puede alcanzar los 0,01nT.
3. Magnetómetro Fluxgate
El magnetómetro Fluxgate más antiguo y primitivo tenía un cable de excitación alrededor de la parte más interna, una bobina de señal alrededor del exterior y una bobina de retroalimentación de un solo chip. aleación. La desventaja de este tipo de sonda es que el componente de onda fundamental es grande, por lo que más tarde se convirtió en una sonda de doble chip. Para este tipo de sonda, la bobina de excitación se conecta secuencialmente y el cable de señal rodea el exterior. Por lo tanto, cuando no hay campo magnético externo, los componentes de la onda fundamental en ambos lados se cancelan, lo que resalta el segundo componente armónico. Debe recordarse que la puerta de flujo solo producirá una señal cuando esté excitada hasta la saturación, y la señal es proporcional al campo magnético. Esta típica sonda de dos piezas todavía se utiliza en la actualidad.
La sonda posteriormente se convirtió en un circuito magnético cerrado, que es para lo que se utiliza ahora la sonda fluxgate. La sonda fluxgate recientemente desarrollada se muestra en la Figura 4-2. La sonda tiene un solo conjunto de bobinas y la excitación se agrega desde ambos extremos. La derivación central es a la vez una señal y una retroalimentación. Por tanto, este conjunto de bobinas desempeña tres funciones: excitación, señal y retroalimentación. Si el número de vueltas en ambos lados es igual, la inductancia es igual y la capacitancia distribuida es igual, la interferencia en ambos lados (incluido el componente de onda fundamental) se puede compensar. Por lo tanto, aunque la sensibilidad de esta sonda es baja (2~4μV/nT), es muy estable. Para una sonda de 1,8 cm, cuando la frecuencia de excitación es de 0,1~10Hz, el nivel de ruido es 1nT. Si se utiliza excitación de onda cuadrada o sinusoidal, se puede reducir el nivel de ruido. El gradiómetro magnético elaborado con esta sonda ha tenido éxito.
Figura 4-2 Sonda Fluxgate
La sensibilidad del magnetómetro fluxgate es 0,2nT.
4. Magnetómetro cuántico superconductor
El magnetómetro superconductor es el instrumento más sensible entre los magnetómetros modernos. Es un magnetómetro basado en cuantos de flujo magnético, y Φ0 se llama cuantos de flujo magnético. Sí
Φ0=h/2e=2.07×10-15 (Wb)=2.07×10-2 (nT·cm2) (4-7)
En la fórmula anterior: e es la carga del electrón; h es la constante de Planck; Φ0 sólo puede ser un número entero. La resolución del flujo magnético es tan alta como 10-4Φ0.
El magnetómetro fabricado con tecnología superconductora y el dispositivo de interferencia cuántica superconductor SQUID tiene una sensibilidad de hasta 10-6 nT, que es la mejor manera de medir el magnetismo cero. Puede medir el magnetismo del corazón, el magnetismo del cerebro y el neuromagnetismo. Es un arma poderosa para la medición biomagnética. Los magnetómetros superconductores también tienen un amplio rango de medición, que puede alcanzar varios Teslas. Otra característica es la alta frecuencia de respuesta, que puede oscilar entre cero y decenas de megahercios. Por lo tanto, la componente magnética de las ondas electromagnéticas se puede medir en geofísica, esta característica se puede utilizar para fabricar un gradiómetro aeromagnético, que se puede utilizar en magnetotelúrico. y campo magnético. En el magnetismo y paleomagnetismo de las rocas, las muestras de rocas con un magnetismo muy débil se pueden medir con una resolución de 5×10-8 unidades electromagnéticas. La sonda de este instrumento requiere condiciones de baja temperatura de helio líquido, por lo que es costosa.
A finales del siglo XX también se llevaron a cabo mediciones magnéticas débiles superconductoras de alta temperatura. La tecnología de medición débil magnética del interferómetro cuántico superconductor de alta temperatura HTcrf·SQUID ha alcanzado el nivel de 170 pies. La sensibilidad de los magnetómetros superconductores puede alcanzar 0,1pT.
5. Instrumento de medición magnética
La medición magnética incluye el magnetismo residual y el magnetismo inducido. Los instrumentos utilizados para medir el magnetismo residual ahora son principalmente magnetómetros fluxgate. El magnetómetro rotatorio digital estadounidense DSM-1 y el británico Mini-spin son todos magnetómetros fluxgate. El magnetómetro no direccional puede medir tanto el magnetismo residual como el magnetismo inducido. Aquí, la susceptibilidad magnética se refiere principalmente a la susceptibilidad magnética.
El instrumento de medición de la susceptibilidad magnética consta de un host, una fuente de alimentación y una sonda. El detector de campo tiene forma de varilla larga y está equipado con un circuito de oscilación. El circuito de oscilación genera un campo magnético alterno en la bobina de la sonda (sensor) al final de la varilla larga. La intensidad del campo magnético es débil, inferior a 100 A/m. La sonda también recibe información devuelta por el material bajo la influencia del campo magnético, y esta información es proporcional a la susceptibilidad magnética del material. La información se transmite de regreso al host en forma de pulsos y el host muestra el valor de susceptibilidad magnética. La computadora principal se puede conectar a una microcomputadora para el procesamiento de datos.
Hay dos tipos de sondas para medición de campo: un tipo de sonda tiene un sensor en forma de anillo con un diámetro de casi 20 cm, que es similar a un detector de minas y necesita tocar el suelo durante la detección. , y la profundidad de detección efectiva es de aproximadamente 10 cm; el otro tipo El extremo de la sonda es puntiagudo y tiene un diámetro de 1,5 cm. Debe estar en contacto directo con el objetivo de detección o utilizar un taladro para perforar un pequeño agujero en el. la capa superior del suelo e inserte la sonda en el orificio para medir.
Si desea medir la susceptibilidad magnética del medio más profundo debajo de la superficie terrestre, necesita utilizar otro instrumento de medición de susceptibilidad magnética de campo, que se compone de un transmisor, un receptor, instrumentos electrónicos y un control. sistema. El transmisor y el receptor están instalados en ambos extremos de la barra transversal horizontal, y en el medio se encuentran los instrumentos electrónicos y los sistemas de control.
El campo magnético cambiante (campo magnético primario) emitido por el transmisor genera una corriente en el medio subterráneo, y la corriente a su vez genera un campo magnético (campo magnético secundario), que es recibido por el receptor de este, lo virtual y lo real. Se pueden obtener las componentes del campo magnético. La denominada componente imaginaria de un determinado componente del campo magnético se refiere a la amplitud de esa parte del campo magnético cuando la diferencia de fase entre el componente y el campo magnético primario es de 90°, y la amplitud de esa parte del campo magnético que está en fase con el campo magnético primario se llama componente real. Por lo tanto, el primero también se denomina componente desfasado y el segundo también se denomina componente en fase. Cuando este instrumento trabaja a baja frecuencia (alrededor de 4kHz), mide la componente real y puede obtener la susceptibilidad magnética del medio; cuando trabaja a alta frecuencia (alrededor de 40kHz), mide la componente imaginaria y puede obtener la conductividad del medio; medio. La longitud de la barra transversal se puede variar, lo que cambia la distancia entre el transmisor y el receptor y, en consecuencia, cambia la profundidad de detección.
(2) Métodos de trabajo de campo
1. Diseño de la red de medición y métodos de observación de campo
La exploración magnética generalmente se divide en estudio general, estudio detallado y estudio preciso. Tres tipos. La densidad de la red de medición de campo depende principalmente del objetivo que se detecta y está determinada por la escala de trabajo. El censo se utiliza para comprender las características geológicas estructurales regionales, dividir grandes masas rocosas o comprender la ubicación, el alcance y la aparición de estructuras locales, etc. La red de estudios generalmente se implementa a una escala de 1:200.000 o 1:100.000. Se utiliza una investigación detallada para comprender la morfología estructural y la distribución de los cuerpos geológicos. Generalmente, para el trabajo se utiliza una escala de 1:50.000 o 1:10.000. Los levantamientos de precisión tienen como objetivo descubrir específicamente la ocurrencia y existencia de una determinada estructura o cuerpo geológico. Generalmente, se utiliza una escala de 1:500 o 1:5000 y la distancia entre los puntos de medición se puede condensar a 2 m × 5 m. El principio de disposición de la red de reconocimiento es que la línea de reconocimiento debe ser aproximadamente perpendicular a la tendencia estructural y a la dirección del eje largo del cuerpo de detección. Para la exploración de cuerpos de detección aproximadamente equiaxiales, se puede utilizar una cuadrícula. Los requisitos de densidad generalmente requieren de 2 a 3 líneas topográficas, y cada línea topográfica debe tener de 3 a 5 puntos que pasen por anomalías.
La precisión del estudio magnético generalmente se mide mediante el error cuadrático medio. El trabajo de estudio magnético de mi país adopta estándares de precisión de tres niveles: alta precisión, el error cuadrático medio es inferior a 5 nT, precisión media y el error cuadrático medio es 6 ~; 15nT; baja precisión, el error cuadrático medio puede ser mayor que 15nT. La precisión del estudio magnético de un área de trabajo generalmente se determina mediante observaciones sistemáticas repetidas. El error cuadrático medio se calcula en áreas no anómalas y el error relativo promedio se utiliza en áreas anormales y áreas con grandes gradientes de campo magnético. En trabajos de hidrología y geología de ingeniería, los requisitos de precisión del levantamiento magnético generalmente deben estar por encima de la precisión media.
En el trabajo de campo del estudio magnético, dado que el magnetómetro es relativamente liviano, generalmente se utiliza un grupo de dos personas para realizar observaciones punto por punto en la red de medición dispuesta. Se debe establecer una estación de observación del punto base cerca del área de estudio, y las mediciones del punto de base deben realizarse todos los días al inicio y al final del trabajo. Su función es convertir los resultados de la observación en el área de estudio a un nivel unificado (corrección). . Además, deberían establecerse estaciones de observación de la variación diurna para eliminar la influencia de perturbaciones de períodos cortos en el campo geomagnético. El punto base y la estación de observación de la variación diurna deben seleccionarse en un lugar con poco ruido de interferencia.
2. Clasificación de los resultados de la observación
Los datos obtenidos del estudio magnético deben clasificarse para encontrar las anomalías magnéticas producidas por el cuerpo magnético en cada punto de medición. Cuando se trabaja en un área magnética fuerte, siempre que se calcule el incremento del campo magnético del punto de medición con respecto al punto base, se puede considerar como un valor anormal del punto de medición. Cuando se trabaja en un campo magnético débil o se realizan mediciones magnéticas precisas, se deben realizar varias correcciones en los resultados calculados. Los elementos de corrección general incluyen:
1) Corrección de la variación diurna, cuyo objetivo es eliminar el impacto de la variación diurna del campo geomagnético en las observaciones.
2) La corrección de temperatura tiene como objetivo eliminar el impacto en las lecturas causado por los cambios en el rendimiento del magnetómetro causados por los cambios de temperatura.
3) La corrección del punto cero tiene como objetivo eliminar la deriva del punto cero causada por el rendimiento inestable del instrumento.
Cuando los requisitos de precisión del levantamiento magnético son bajos, las tres correcciones anteriores se pueden considerar juntas y se utiliza la "corrección híbrida". Cuando el área de medición es grande, también se requiere la corrección de latitud.
Dado que los instrumentos de medición magnéticos de alta precisión no se ven afectados por la deriva del punto cero y la temperatura, no hay necesidad de corrección de temperatura ni corrección del punto cero. Considerando que el alcance de la investigación en estudios ambientales y de ingeniería no es demasiado amplio, generalmente no se realiza la corrección de latitud.
Finalmente, los datos corregidos se dibujan en varios dibujos, como diagramas de sección transversal, diagramas de plano de sección transversal, diagramas de plano de contorno, etc., para su uso en explicaciones cualitativas y cuantitativas.
3. Introducción al método de trabajo del estudio aeromagnético
En el estudio aeromagnético, el magnetómetro se instala en la aeronave para medir el valor ΔT y el instrumento registra de forma continua y automática. La altura de vuelo y la densidad de la red de medición varían según la escala de trabajo. Al volar, primero vuele de acuerdo con la línea de base y luego ingrese al vuelo de la línea de medición.
Los resultados de la medición deben corregirse (variación diurna, deriva del punto cero, latitud, deflexión, corrección de la posición de la línea cero, etc.) y finalmente dibujarse en el plano de perfil ΔT y el plano de contorno a varias escalas.