磁法勘探仪器方法简介

第二章，磁法勘探仪器方法简介
2.1 磁法勘探
磁异常，进而研究地质构造和矿产资源（或其他探测对象）的分布规律的一种地球物理勘探方法。

测量地磁异常以确定含磁性矿物的地质体及其他探测对象存在的空间位置和几何形状﹐从而对工作地区的地质构造﹑有用矿产分布及其他情况作出推断。

磁性岩体及矿体产生的磁场叠加在地球磁场之上﹐引起地磁场的畸变。

这种畸变一般称为地磁异常。

磁法勘探利用地下体不同矿体，岩体等物质的磁性不同，进而得出磁异常。

2.2 磁法勘探仪器
（1），第一代磁力仪。

它是应用永久磁铁与地磁场之间相互力矩作用原理，或利用感应线圈以及辅助机械装置。

如机械式磁力仪、感应式航空磁力仪等。

（2），第二代磁力仪。

它是应用核磁共振特性，利用高磁导率软磁合金，以及专门的电子线路。

如质子磁力仪，光泵磁力仪，及磁通门磁力仪等。

（3），第三代磁力仪。

它是利用低温量子效应，如超导磁力
2.2.1 机械式磁力仪
器工作原理
磁系主要是一根圆柱形磁棒，它悬吊在铬、镍、钛合金恒弹性扁平丝的中央，丝的一端固定于扭鼓，另一端固定于弹簧，压于压丝台上。

工作时磁系旋转轴（悬
丝）应是水平的，磁棒摆动面严格垂直于磁子午面。

打开仪器开关后，磁棒绕轴摆动，它受到地磁场垂直强度力、重力、及悬丝扭力三个力矩的作用，当力矩相对平衡时，磁棒会停止摆动。

如右图所示，则平衡方程为：
m Zcos(θ)=P d cos(β-θ)+2τθ
Z ——地磁场垂直分量；
m ——磁棒的磁矩；
P ——磁系受到的重力；
θ——磁棒偏转角；
d ——磁系重心到支点的距离；
β——d 与磁轴的夹角；
τ——悬丝的扭力系数。

上式经变换整理，并考虑到仪器设计中偏转角范围很小，不超过2°，可视θ=tan θ，则得
τθ2tan +-=Ph Pa mZ a=d cos β（重心到支点沿磁轴方向距离）；
h= d sin β: （重心到支点垂直磁轴方向距离）；
在仪器的结构上，利用光系将偏转角θ放大并反映为活动标线在标尺上的偏离格数。

由上图并考虑到θ角很小，可是tan2θ=2tan θ，则有
f s s 2tan 0
-=θ
f ——光系物镜的焦距；
s ——磁棒偏转θ角时光系标尺的读格；
s0——磁棒水平时光系标尺的读格。

由以上两式得
)()(22121212s s s s fm ph Z Z Z -=-+=-=∆ετ
由上式表明，悬丝式垂直磁力仪，只能用于相对测量。

式中（Ph+2τ）/2fm 是一个常数，它代表每一读格的磁场值，叫做格值，以符号ε表示。

格值的倒数是灵敏度，通过调节h 以改变灵敏度。

2.2.2 质子旋进式磁力仪
物理学业已证明物质是具有磁性的。

若以水分子（H 2O ）而言，从其分子结
构、原子排列和化合价的性质分析得知：水分子磁矩（即氢质子磁矩）在磁场作用下绕地磁场旋进，如图2.1——1所示。

它的旋进频率f 服从公式f=γp T/2π。

[式中γp 为质子旋磁比；T 为地磁场
强]。

不管从经典力学观点，还是从量子力学观点，此公式的来源均能得以论证。

为方便起见，此处采用经典力学的观点，分析直角坐标系中质子磁矩的旋进情况。

设质子磁矩M 在地磁场T 作用下有一力矩M ×T ，于是，它和陀螺一样，其
动量矩的变化率等于外加力矩，即
T M dt p
d ⨯=
P M P γ=
[]T M p dt p d p dt M d ⨯==γγ=z y x z y x
T T T M M M k j i
磁矩的三个分量为：
[][][]
⎪⎪⎭⎪⎪⎬⎫-=-=-=x y y x p dt dM z x x z p dt
dM y z z y p dt
dM T M T M T M T M T M T M z
y
x
γγγ
为分析方便，设T z =T(地磁场)；Tx=0;Ty=0.将此条件代入式（2.1——4），
便得:
⎪⎪⎭⎪⎪⎬⎫=-==0dt dM x p dt
dM y p dt
dM z
y
x
T M T M γγ
对于（2.1——5）中的第一微分，得
x P dt dM p dt M d M T y
x
222γγ-==
即
02222=+x p dt M d M T x
γ
显然，式（2.1——6）为简谐运动方程，其解为：
⎪⎭⎪⎬⎫=+-=+=常数Z t p y t p X M T A M T A M )sin()cos(ϕγϕγ 同理：
常数==+=A M M M y x 22
从式（2.1——7）可看出，M Z 是常数，磁矩M 在z 轴上的投影是不变的；磁矩M 在x
轴的投影是按余弦规律变化的；磁矩M 在y 轴是按正弦规律变化的。

由图2.1——2可以看出：磁矩M 在xy 平面上的绝对值是一个常数，并且在xy 平面上旋进。

2.2.3 光泵式磁力仪
光泵式磁敏传感器是高灵敏磁测设备的核心部件。

它是以某些元素的原子在外磁场中产
生的塞曼分裂为基础,并用光泵和磁共振技术研制成的。

利用光泵传感器做成的磁测仪器，是目前实际生产和科学技术应用中灵敏度最高的一种
磁测仪器，它同质子旋进式磁敏传感器相比有以下特点:
灵敏度高，一般为0.01nT 量级，理论灵敏度高达10-2～10-4nT ；响应频率高，可在快
速变化中进行测量；可测量地磁场的总向量T 及其分量，并能进行连续测量，而质子旋进式磁敏传感器只能进行点测。

利用光泵磁敏传感器做成的磁力仪的种类甚多。

按共振元素的不同,可分为氦(He)光泵
磁力，其中又分为He 3、He 4光泵磁力仪；碱金属光泵磁力仪，其共振元素有铷(Rb 85、Rb 87)、铯(Cs 133)、钾(k 39)、汞(Hg)等。

对碱金属而言，受温度影响较大，如铯(Cs 133)元素在恒温43。

左右，方可变成蒸汽状态，而只有在蒸汽状态时才能产生光泵作用。

对He 4、He 3而言，因其本身是气体状态，无需加热至恒温，但需将它激励使其处于亚稳态，才能产生光泵作用。

这些条件在设计与制造仪器时，必须予以重视。

光泵磁力仪一经出现，即引人注目，到目前为止，除在地球物理勘探外，还应用于国防工程、空间磁场测量、地磁场微变测量、区分矿与非矿异常以及预报天然地震等广泛的领域中。

2.2.4 磁通门式磁力仪
莫合金片的磁滞迥线特点
坡莫合金与一般的铁磁性物质比较，具有很高的导磁率(u=dB/dH)，比如国产IJ86型的
坡莫合金，起始导磁率u0=150000CGSM 单位。

很小的矫顽磁力(Hc)和很小的饱和磁场(Hs)，因此坡莫合金的磁滞回线窄而且陡，但是一般的铁磁性物质的磁滞回线宽而且缓，如图3--l
和3--2所示。

分析坡莫合金的磁滞迥线可以知道，当外磁场有微弱变化时候，就会引起磁感B的显著变化，可以说磁感应强度B对外磁场H的变化有放大的作用，或者说坡莫合金对外磁场感觉灵敏。

由于坡莫合金磁滞迥线所包含的面积很小，可以近似地看成一条曲线，B随H 的变化特点就与一般铁磁性物质所表现者有所不同了。

2.偶次谐波的产生
在无外磁场状况下，当初级线圈中供一个交流电压E=Em*COSwt时，则在坡莫合金中将产生一个交变磁场表达式如下：
H= 一H m coswt其中H m>H s 饱和磁场
由于H随时间变化将引起B随时间变化，当一Hs<H<HS时，B--H曲线可以近似看作直线，故在这一段时间B随时间的变化是正弦波形。

当H≥Hs时，B达到饱和值Bm，保持一个常值，因此曲线顶部是平的，并且正负半周的振幅相等，保持B>Bm的这段时间也相等。

从B曲线来看，相当于一段失真的正弦曲线。

此曲线可以看成由基波和三次谐波合成。

如图3--3所示。