第四章 第一节高精度磁法

第一节 高精度磁法
磁法勘探是一门较老、较系统的地球物理方法，广泛用于 地质找矿等领域。随着仪器测量精度、正反演数据处理精度的 提高，高精度磁测成为可能，它广泛用于弱磁问题，如环境调 查、灾害预报工作。环境与工程地球物理中要求磁法有较高的 精度，其探测目标更着重于浅层，甚至地表十米之内，主要研 究地下管道、电缆的深度、固体垃圾的污染等问题，公路、铁 路的走线和敷设，水库、水电站坝址的勘测等。另外，环境与 工程地球物理中的磁法，不只是磁场强度的测定，更重要的是 磁性测定。如磁化率的测定在土壤磁学、古地磁研究、城市大 气污染的调查、河流和海洋污染的研究、热电厂粉煤灰的研究 上都有着重要的作用。
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，有点像探雷器，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。
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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，叫做实分量，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。
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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。
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图4·1·2 磁通门探头
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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称作磁通量量子。
Φ0=h/2e=2、07×10-15( Wb )=2、07×10-2 nT·cm2 (4·1·7) 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做成的磁力仪，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，这 种特性使它在地球物理学中，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。
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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 ，在强磁场方向下作走向排列，这称作样品的极化。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作拉莫尔旋进，旋进频率和地磁场T的关系经过
1γ = 1nT
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2、地磁场的分布规律
根据各地的地磁绝对测量结果，可以绘制出地球表面各地磁要 素的等值线图。在世界地磁图上反映的地磁场分布规律为：两极处 ，Z = T = ±60000 ~ 70000 nT，H = 0，I = ±90°；赤道处， H = T = 30000 ~ 40000 nT，Z = 0，I = 0°；在北半球，Z、I 为正值，且自南向北逐渐增加，H自南向北逐渐减小，方向指向磁 北，T向下倾；在南半球，Z、I为负值，且自南向北绝对值减小， H自南向北增加，方向仍指向磁北，T向上倾。
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上世纪末，高温超导弱磁测量也得以开展。高温超导量子干涉器HTc rf·SQUID测弱磁技术已经达到了170 f T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。感磁在这里，主要是 指磁化率。
目录
内容简介 第一节 高精度磁法
一
基本概念
二 磁测仪器和磁法勘探野外工作方法
三
磁测数据的处理与解释
第四章 其它物探方法
内容简介
本章主要介绍了在水文、工程及环境地质工作 中常用的高精度磁法和具有简便、快速、经济等 优点的核磁共振技术、放射性探测, 以及直接找 水的地球物理新方法核磁共振和具有较强针对性 的地温测量、在井中进行探测的物探方法地球物 理测井等。
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 = 0.03568426 f0 ( nT )
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在我国境内，Z、H、I自南向北的变化范围为，Z：﹣10000 ~ 56000 nT；H：40000 ~ 21000 nT；I：﹣10° ~ 70°。D在我国东部和中部为负 ，西部为正，其变化范围为﹣11° ~ 5°。
遍布世界各地的地磁台长期观测结果表明，地磁场是随时间变化的，既有 日变、月变、年变、长期等周期性变化，也有磁扰、磁暴等短时间的非周期 性变化。
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（一）地磁场
在地球上任何一处，悬挂的磁针都会停止在一定的 方位上，这说明地球表面各处都有磁场存在，这个磁 场称为地磁场。地磁场在地球表面的分布是有规律的 ，它相当于一个位于地心的磁偶极子的磁场。S极位 于地理北极附近，N极位于地理南极附近，地磁轴和 地理轴有一偏角。
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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，还可以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
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一、基本概念
磁法勘探是利用地壳内各种岩(矿)石间的磁性差异所 引起的磁场变化(磁异常)来寻找矿产资源和查明地下地 质构造的一种物探方法。过去磁法勘探多用来研究大 地构造和寻找磁性矿体，近年来磁法勘探在水、工、 环方面的应用越来越广泛。比如在探测地下热源、含 水破碎带、地下管道、地下电缆等方面均取得了良好 的效果，现就基本原理进行简单地阐述。
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二、磁测仪器和磁法勘探野外工作方法
(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。
T = 23、4872 f ( nT ) (4•1•5)
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 ~ 100000 nT。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0.1 nT。
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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。
1、地磁要素
为了研究空间某点的地磁场强度
，通常选用直角坐标系统，其原点O
选在观测点上，xoy平面为水平面，
x轴指向地理北方，y轴指向地理东
方，z轴垂直向下，如图4·1·1所示。
地磁场强度一般用T来表示，它
在x、y、z三个轴上的投影分别为
：北分量X，东分量Y，垂直分量Z
。T在xoy平面上的投影称为水平分
(4•1•6)
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。
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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4·1·2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 ~ 4 μV/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。 磁通门磁力仪的灵敏率为0.2nT。
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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，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。
磁法勘探一般都是相对测量，地面磁测主要测Z的变化，有时也测H和T；航空磁测 主要测定T的变化。
磁场强度的单位，在国际单位制中为特斯拉 ( T )，在磁法勘探中常用它的十亿分之 一为单位，称为纳特 ( nT )，即
1nT = 10-9 T 过去习惯使用CGSM单位制中的伽玛 ( γ )，其与国际单位制的换算关系为
X = H cosD，Y = H sinD，Z = T sinI = H tgI
H = T cosI， T2 = H2+Z2 = X2+Y2+Z2
(4·1·1)
分析这些关系可知,地磁要素中有各自独立的三组：I、D、H；X、Y、Z；H、Z、 D。如果知道其中一组，则其他各要素即可求得。在地磁绝对测量中通常测I、D、H 三个要素。
量H，其方向指向磁北。地磁场各 分量的方向与坐标轴方向一致时取
正，反之取负。H与x轴的夹角称为
磁偏角D，当H偏东时，D取正，反 之取负，H与T的夹角称为磁倾角I ，T下倾时取正，反之取负。
图4·1·1 地磁场坐标系统
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上述X、Y、Z、H、T、D、I各量统称为地磁要素，它们之间的关系如下：