Принципы работы магниторазведочной аппаратуры

Оптико-механические магнитометры

Принцип действия оптико-механических магнитометров основан на взаимодействии магнитных полей Земли и постоянного магнита, служащего чувствительным элементом (датчиком) таких приборов. В зависимости от ориентации оси вращения постоянного магнита, его магнитного момента и напряженности магнитного поля Земли постоянный магнит занимает определенное положение относительно горизонтальной или вертикальной плоскости. Изменение напряженности магнитного поля Земли приводит к соответствующему изменению угла наклона постоянного магнита (при прочих равных условиях). Для повышения точности определения угла наклона системы применяют специальные оптические устройства

Феррозондовые магнитометры

Основой конструкции феррозонда (чувствительного элемента) феррозондового магнитометра служит электрическая катушка, намотанная на удлиненный стержень из ферромагнетика, обладающего малой коэрцитивной силой и большой магнитной проницаемостью в слабых магнитных полях (например, из сплава железа и никеля — пермаллоя). В отсутствие внешнего магнитного поля при пропускании через генераторную (первичную) катушку переменного электрического тока частотой f и амплитудой, достаточной для создания поля возбуждения, превышающего уровень насыщения сердечника, в измерительной (вторичной) катушке возникает ЭДС удвоенной частоты 2f. При наличии внешнего постоянного магнитного поля, составляющая которого вдоль оси стержня отлична от нуля, в наведенной ЭДС будет преобладать частота, совпадающая с частотой поля возбуждения f.

Протонные магнитометры

Принцип действия протонных или ядерных магнитометров основан на явлении свободной прецессии протонов в земном магнитном поле. После определенного электромагнитного воздействия на протонсодержащий датчик протоны прецессируют вокруг направления земного магнитного поля с угловой скоростью ω, пропорциональной полной напряженности магнитного поля Земли Т: ω = aT, где a — коэффициент пропорциональности, который равен гиромагнитному отношению ядра (отношению магнитного момента ядра к механическому)

Квантовые магнитометры

В квантовых магнитометрах, предназначенных для измерения абсолютных значений модуля индукции магнитного поля, используют так называемый эффект Зеемана. В электронной структуре атомов, обладающих магнитным моментом, при попадании в магнитное поле происходит расщепление энергетических уровней на подуровни, с разницей энергии и, соответственно, частотой излучения пропорциональной модулю полного вектора магнитной индукции в точке наблюдения. Чувствительным элементом магнитометра является сосуд, в котором имеются пары цезия, рубидия или гелия. В результате вспышки монохроматического света (метод оптической накачки) электроны паров переводятся с одного энергетического подуровня на другой. Возвращение их на прежний уровень после окончания накачки сопровождается излучением энергии с частотой, пропорциональной величине магнитного поля.

15.Обработка и интерпретация магнитной съёмки.

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 магниторазведки рассчитывают аномальные магнитные поля лишь самих тел с разными геометрическими параметрами, магнитными свойствами и направлением намагниченности.

Основные выводы из анализа решений прямых задач магниторазведки

Большой объем выполненных аналитических решений прямых задач магниторазведки на основе уравнений для разнообразных моделей (пласты, контакты, эллипсоиды и др.) с наклонной намагниченностью позволяют сделать следующие выводы об особенностях аномального магнитного поля над разными геологическими объектами.

1. Знак аномалий ΔZa и ΔTa определяется знаком намагниченности I = ΔχTср+In, т. е. зависит от знака относительной магнитной восприимчивости, направления полного вектора напряженности современного магнитного поля Земли Tср и направления остаточной намагниченности In. В целом в северных широтах (почти для всей территории страны) при прямой намагниченности, близкой к вертикальной, центральные части аномалий расположены над центрами магнитных масс и выделяются положительными аномалиями (при Δχ > 0). При наличии обратной намагниченности относительно современного геомагнитного поля центральные аномалии отрицательны (Δχ < 0).

2. Экстремальные значения магнитных аномалий находятся над центром крутозалегающих намагниченных объектов или смещаются от него в сторону над пологозалегающими объектами и при наклонном их намагничении. В последних случаях их верхние кромки оказываются между основным максимумом и сопряженным минимумом ΔZa (рис.3.5). Экстремальные значения аномалий прямо пропорциональны магнитному моменту (I·s, I·V) намагниченности тел и обратно пропорциональны первой-третьей степени глубины их залегания.

3. Форма магнитных аномалий связана с формой создающих их объектов: изометрические аномалии наблюдаются над изометрическими объектами, эллипсоидальные — над вытянутыми. Однако в отличие от аномалий силы тяжести Δg, которые бывают одного знака, аномалии вертикальной составляющей магнитного поля ΔZa бывают одного знака над телами с глубокозалегающими нижними кромками или двух знаков при неглубоком залегании нижних кромок.

Несмотря на сходство гравитационных и магнитных аномалий, обусловленное сходством законов Ньютона и Кулона, которыми они определяются, структура магнитных аномалий сложнее, чем гравитационных. Это объясняется тем, что установленная в теории связь между магнитным и гравитационным потенциалами выражается как связь производной функции и самой функции. Известно, что график производной функции имеет более сложную форму, чем график самой функции. Кроме того, если Δg всегда вертикально, то ΔTa может иметь любой угол наклона.

4. Часто при неглубоком залегании магнитных масс плановое положение боковых границ объектов контролируется зонами повышенных горизонтальных градиентов.

5. Существуют аналитически или эмпирически установленные связи между абсциссами характерных точек аномальных кривых магнитного поля и параметрами магнитных масс. Это позволяет для определенного класса моделей аналитически решать обратную задачу.

Интерпретация данных магниторазведки

Интерпретация результатов магниторазведки включает геофизическую интерпретацию и геологическое истолкование, тесно связанные между собой. Первым этапом является качественная интерпретация аномалий магнитного поля, позволяющая по морфологии аномального поля судить о плановом положении тех или иных геологических или структурных элементов, а имея общие сведения о магнитных свойствах горных пород и геолого-структурном строении, установить их природу.

Второй этап — количественная интерпретация или решение обратной задачи магниторазведки—имеет целью определение количественных параметров разведываемых геологических объектов. В целом подход к геологической интерпретации магнитных аномалий с учетом отмеченных особенностей тот же, что и в гравиразведке.

Качественная интерпретация. При качественной интерпретации карт, карт графиков и графиков ΔTa и ΔZa ведут их визуальное описание и сравнение с геологическими данными, а результаты используют для дальнейшей количественной интерпретации или дополнительных геофизических работ. На картах изодинам выявляют и коррелируют аномалии, соответствующие одним и тем же объектам, намечают плановое расположение контактов различных пород, прослеживают контуры тех или иных структур или включений. Изометрическим аномалиям (аномалии с примерно одинаковыми поперечными размерами на карте) соответствуют изометрические в плане геологические объекты, вытянутым изодинамам (длина аномалий в 5 раз и более превышает ширину) соответствуют геологические структуры и отдельные слои вытянутой формы.

Если для вертикально намагниченных тел поле аномалий ΔZa имеет один знак, то это свидетельствует о большой глубине залегания другого полюса намагниченных пород. Если же глубина залегания нижней части мало отличается от глубины залегания верхней, то вокруг интенсивной аномалии, связанной с верхним полюсом, будет наблюдаться слабое поле другого знака, обусловленное нижним полюсом намагниченных пород, при падении пород в ту сторону, где площадь распространения слабых аномалий больше. Участкам с высокими горизонтальными градиентами аномалий вертикальной составляющей геомагнитного поля часто соответствуют контакты пород с разными магнитными свойствами.

При качественной интерпретации выявляют региональные крупные аномалии, связанные со структурно-тектоническим строением района, и локальные аномалии, приуроченные к местам нахождения магнитных руд и отдельных слоев с повышенными магнитными свойствами.

Для разделения аномалий разной природы, глубины залегания, намагниченности существуют математические методы анализа магнитных аномалий с использованием ЭВМ, основанные на разного рода трансформациях, которые предназначены для подчеркивания одних аномалий и сглаживания других. Такие же приемы используют при обработке данных гравиразведки. Можно отметить следующие особенности способов трансформации магнитных аномалий. В способе вычитания из наблюденного аномального поля вычитают поле геологических структур или объектов, не имеющих отношения к решаемой геологической задаче. Для этого из дополнительных источников надо знать их геометрические и физические свойства, решить прямые задачи и полученные аномалии вычесть из наблюденного поля. Трансформацию наблюденного аномального магнитного поля часто проводят с помощью частотной селекции, когда разделяют аномалии с разной пространственной частотой: длиннопериодные аномалии соответствуют объектам с большими поперечными размерами и глубинами залегания, а короткопериодные — с меньшими.

При усреднении аномалий по оптимально выбранному числу точек (пикетов наблюдения) можно подчеркнуть аномалии тем больших размеров и глубины, чем больше число таких точек или радиус усреднения.

Аналитические продолжения полей, т. е. пересчеты в верхнее и нижнее полупространства, облегчают качественное выделение региональных и локальных аномалий. Имея набор карт с разными уровнями (высотами и глубинами) пересчета, можно выбрать те, которые в наилучшем (наглядном) виде отражают структуры или объекты, представляющие наибольший интерес для решаемой задачи. Подчеркиванию локальных аномалий способствуют вторые и высшие производные магнитного потенциала. При этом вертикальные производные локализуют верхние кромки возмущающих объектов, а горизонтальные — их боковые границы и контакты.

При обработке карт графиков (корреляционных планов) магнитных и других геофизических аномалий используют также различные статистические методы.

Количественная интерпретация. Определение глубины, размеров, точного местоположения, углов падения геологических тел, создавших магнитные аномалии, является основной целью количественной (расчетной) интерпретации или решения обратной задачи магниторазведки. Математическое решение обратной задачи магниторазведки неоднозначно, так как похожие аномалии могут быть созданы геологическими телами разной формы, размеров и интенсивности намагничения. Для однозначной интерпретации магнитных аномалий и, в частности, приближенного определения размеров тел необходимо априорно знать интенсивность и направление намагничения тел.

Существует несколько методов решения обратной задачи, примерно таких же, как в гравиразведке. Простейшим из них является метод характерных точек. Для его применения используют так называемые интерпретационные профили, т. е. графики ΔZa или ΔTa, полученные над четкими аномалиями, не очень осложненными влиянием соседних тел, которые проводят вкрест простирания аномалии. Исходя из формы, знака (для ΔZa) и другой априорной информации, выявленные геологические объекты аппроксимируют простейшими геометрическими моделями (стержень, шар, вертикальный пласт, горизонтальный цилиндр и др.) однородно намагниченных тел. На графиках ΔZa, ΔTa находят абсциссы характерных точек (максимумом, полумаксимумов, минимумов, нулевых значений для ΔZa и др.) и с помощью полученных выше формул или аналогичных формул, взятых из справочников,определяют глубины залегания верхних кромок или центров и магнитные моменты аномалообразующих объектов. Зная по измерениям на образцах I, можно оценить их поперечные размеры или объемы. Чем больше форма геологические структур и тел приближается к форме простейших геометрических моделей, тем ниже погрешность получения результатов интерпретации, которая может достигать 20—30 %. Большое значение имеет использование всей геологической информации о районе исследований, что позволяет выбрать наиболее приемлемую модель намагниченных тел. В общем случае, когда неизвестна форма тел, создающие магнитные аномалии, оценку глубины залегания верхней кромки можно получить методом касательных. На графиках ΔZa проводят касательные, параллельные оси x, через максимум, минимумы (если они есть), а также касательные вдоль границ аномалий через точки перегиба. Далее находят точки пересечения всех касательных и определяют абсциссы точек пересечения х₁, х₁', x₂, х₂'. Если на кривой минимумов нет (аномалии одного знака), то за точки х₁ и х₁' принимают точку пересечения наклонных касательных с осью x. Приближенную глубину залегания верхней кромки тела, создающего данную аномалию, рассчитывают по следующим формулам:

h = (x₁ – x₂) / 2, h’ = (x¹’ – x²’) / 2

Среднее арифметическое из двух полученных значений h и служит для оценки глубины залегания верхней кромки тела. В зависимости от формы, поперечных размеров и глубины залегания истинная мощность может изменяться от 0,5h, когда размеры тел больше глубины их залегания, до 1,5h, если размеры тел меньше глубины их залегания.

При наличии сложных аномалий, обусловленных интерференцией от ряда объектов, применяют интегральные методы в которых по площадям под графиками или изолиниями аномалий оценивают общие магнитные моменты, центры возмущающих структур, а иногда глубины залегания их верхних кромок. С помощью специальных палеток или ЭВМ методами сравнения или подбора наблюденную кривую сравнивают с теоретической. Используя априорную геолого-геофизическую информацию, выбирают или рассчитывают графики аномалий для разных параметров модели. Те из них, которые дают наилучшее совпадение, принимают за возможный вариант геологогеофизического строения изучаемого района.

Геологическое истолкование результатов магниторазведки

Геологическое истолкование результатов магниторазведки — один из ответствен ных этапов интерпретации. Оно сводится к решению тех или иных геологических задач с помощью качественной и количественной интерпретации результатов магнитной съемки с использованием всего имеющегося материала о геологическом строении. При этом необходимо установить связи между магнитными аномалиями и литологией, тектоникой, полезными ископаемыми.

Сложность проблемы геологического истолкования данных магниторазведки объясняется неоднозначностью и приближенностью решения обратной задачи, поскольку прямые задачи решены для намагниченных тел правильной формы (стержень, шар, пласт, цилиндр и многие др.), в то время как реальные тела могут существенно отличаться от них. Вторым затруднением при интерпретации является необходимость определения интенсивности намагничения пород по образцам, что не всегда можно сделать даже приближенно. Наконец, неоднородность и разный угол намагничения пород, влияние остаточного намагничения древних эпох и ряд других причин также снижают точность интерпретации. Все это приводит к тому, что часто ограничиваются лишь качественной интерпретацией, а на полученные количественные параметры смотрят как на приближенные, дающие возможность лишь оценить глубину и размеры намагниченных тел.

Рациональный комплекс магниторазведки с гравиразведкой и другими геофизическими методами (в зависимости от геолого-геофизических особенностей района исследований) позволяет провести геологическое истолкование результатов более точно и достоверно.