Лабораторная работа №3 магнитОразведка

Цель работы: изучение основ магниторазведки и ознакомление с методами измерения элементов земного магнетизма

Теория

Магнитная разведка (магниторазведка) — основана на изучении изменений геомагнитного поля в пространстве, возникающих вследствие различной намагниченности горных пород и руд.

Б

Рисунок 2

ольшинство горных пород являются слабомагнитными или практически немагнитными, поэтому магнитное поле над такими комплек­сами горных пород имеет спокойный, слабопеременный характер. Повышенная намагниченность горных пород и руд обусловливает интенсивные магнитные поля, называемые аномальными. Изучение выявленных аномалий позволяет определить контуры распространения, форму и раз­меры, глубину залегания и другие параметры геологических тел. Таким образом, сущность магниторазведки заключается в измерении и последующем истолковании магнитного поля.

Земля представляет собой гигантский естественный магнит, вокруг которого распространяется магнитное поле—магнито­сфера. Очертания границы магнитосферы имеют сложную форму, напоминающую гигантскую медузу (рис. 1).

Измерение со спутников подтвердило, что магнитное поле Земли создается самой Землей. Происхождение магнитного поля остается до настоящего времени неясным. Современные теории геомагнетизма исходят из предположения, что геомагнитное поле создается и поддерживается за счет так на­зываемого динамо-механизма.

Общее магнитное поле Земли в каждой точке пространства характеризуется вектором напряженности Т, величина и на­правление которого меняются. Поэтому полный вектор напряженности магнитного поля Земли Т можно разложить на составляющие, которые называют элементами магнитного поля.

В

Рисунок 3 Элементы

геомагнитного поля

прямоугольной системе координат ось Ох горизонтальна и на­правлена на географический север С_г, ось Оу также горизонтальна и направлена на географический восток В_г, ось Oz вертикальна и направлена вниз (рис. 2). Полный вектор Т в большинстве случаев не совпадает ни с одной из осей координат.

Проекция вектора Т на горизонтальную плоскость называется горизонтальной составляющей Н, на вертикальную плоскость - вертикальной составляющей Z. Вертикальная плоскость, проходя­щая через вектор Т, называется плоскостью магнитного мери­диана. Следовательно, вектор Н всегда располагается в плоскости магнитного меридиана. Иногда горизонтальную составляющую Н разлагают на северную X и восточную Y

составляющие: .

Угол между вектором Н и осью Ох называется магнитным склонением D, которое имеет положительное значение, если вектор Н отклоняется от оси Ох к востоку, и отрицательное — к западу. Угол между вектором Т и плоскостью XOY называется магнитным наклонением и обозначается I. При наклоне вниз се­верного конца стрелки наклонение считается положительным, южного — отрицательным.

Величины Т, Н, Z, D, I — элементы магнитного поля. Связь между ними

; ; ; ; ;

Магнитного поле Земли имеет сложный характер и представляет сумму магнитных полей разного происхождения.

Т = Т_Д + Т_м + Т_р + Т_л

Поле, свя­занное с электрическими токами в ядре Земли, называют полем диполя Т_Д. Каждый материк сложен из различных горных пород и дополнительно создает материковое магнитное поле Т_м. Наличие на материках крупных геоло­гических форм обусловливает магнитные поля, называемые регио­нальными и обозначаемые Т_р. Мелкие рудные тела создают локальные поля Т_л.

Поле диполя и материковое поле (Т_Д+Т_М) обусловлены внут­ренними причинами, т. е. источниками, находящимися внутри Земли. Это поле еще называют нормальным магнитным полем Т₀= Т_Я + Т_М.. Сумма полей Т_р+Т_л зависит от геоло­гического строения и во всех пунктах разная; ее назвали маг­нитной аномалией и обозначают Т_а = Т_р+Т_л. Это поле — глав­ный объект исследований в магниторазведке и определяется как разность Т_а = Т – Т₀ .

В практике магниторазведочных работ понятие «нормальное поле» — величина относительная, так как каждая аномалия характеризуется своим собственным уровнем нормального поля в зависимости от геологических задач. Поэтому Т₀—это не модуль вектора, а некоторая арифметическая величина, определяемая в практике работ обычно на контрольном пункте, относительно которого ведется съемка.

Единицей измерения магнитного поля в СИ является тесла (Тл), в системе СГС — гаусс (Гс); 1 Гс = 10^-4 Тл. В практике магниторазведки - используется более мелкая единица магнитной индукции — нанотесла (нТл), 1 нТл = 10 ^-9 Тл.

Для определения магнитных аномалий необходимо изме­рить элементы геомагнитного поля. Приборы для измерения элементов геомагнитного поля называют магнитометрами, которые подразделяются на; наземные магнито­метры, аэромагнитометры, автомобильные магнитометры, морские маг­нитометры.

Измерения элементов геомагнитного поля могут быть абсо­лютными и относительными.

Для абсолютных определений модуля полного вектора на­пряженности геомагнитного поля используют приборы, в кото­рых измерения основаны на квантовых явлениях. Подобные приборы называются квантовыми магнитометрами.

Квантовые магнитометры основаны на хорошо известном в физике эффекте Зеемана, заключающемся в том, что уровни энергий атомов или ядер, обладающих магнитным моментом, в магнитном поле расщепляются на несколько подуровней— E₁, E₂ ... E_N . Разность энергий Е между подуровнями зави­сит от напряженности Т магнитного поля:

Е = hТ,

где  - отношение магнитного момента атома или ядра к мо­менту количества движения (механическому моменту); h—по­стоянная Планка.

Согласно законам квантовой механики частота перехода квантов  между энергетическими уровнями с энергиями соот­ветственно E₁ и E₂ выражается формулой

w=(E₁ – E₂ )/h

Частота перехода между зеемановскими подуровнями w = DЕ/h = T

Из этого выражения следует, что частота квантового пере­хода  пропорциональна напряженности магнитного поля. Если измерить частоту переходов, то мы определим напряженность магнитного поля

Эффекту Зеемана можно дать геометрическое истолкование, используя векторную модель ядра или атома: он представляет собой прецессию магнитного момента ядра или атома вокруг вектора напряженности магнитного поля Т. Частота прецессии зависит от напряженности геомагнитного моля. Ее можно измерить и затем пересчитать в абсолют­ные значения модуля полного вектора напряженности геомагнитного поля. Поскольку частота прецессии определяется через атомные константы, характеризующиеся чрезвычайно высокой стабильностью, чувствительность квантовых магнитометров оказывается очень высокой.

Д

Рисунок 4

ля относительных измерений вертикальной составляю­щей напряженности геомагнитного поля используют магнитомеханические магнитометры. Магниточувствительной системой прибора (рис. 3) служит постоянный магнит 3, укрепленный на горизонтально натянутой к раме 1 металличе­ской нити 2. Для наблюдения за положением магнита на его поверхности укреплено зеркало 4. Наблюдение выполняют че­рез оптическое устройство.

Под действием магнитного поля Земли магнит 3 отклонится на определенный угол. Измерения производят компенсацион­ным способом. Магнитное поле компенсируется полем постоян­ных магнитов. Плавная компенсация осуществляется поворотом вокруг своей оси магнита 6, жестко скрепленного с лимбом 7. Для частичной компенсации сильных магнитных полей служит диапазонный магнит 5. Индикатором полной компенсации поля является горизонтальное положение измерительного магнита 3, что фиксируется по совпадению ин­декса на магните с нулевой риской оптического устройства.

Задание

1. Изучить основы магниторазведки.

2. Изучить методы измерения элементов земного магнетизма.

3. По трем заданным преподавателем значениям элементов магнитного поля рассчитать остальные элементы.

Содержание отчета

Отчет должен содержать краткие теоретические сведения, результаты расчетов.

Контрольные вопросы

1. Что такое элементы земного магнетизма

2. Что представляет собой магнитное поле Земли

3. Назовите силовые и угловые элементы земного магнетизма

4. Чему будет равен Т если магнитное наклонение будет равно 0º и 90º.

5. Какие существуют методы измерений элементов земного магнетизма.