Методика и обработка данных магнитного и гравитационного поля

ΔZ = кΔφ= с(п - п₀)

где к — коэффициент пропорциональности; с—цена деления шкалы прибора; п, п₀ — отсчеты по прибору в двух точках измерения, снимаемые с помощью специальных оптических устройств.

Для снижения погрешности  при ориентации по магнитному меридиану  используют компенсационный способ измерений. Для этого в приборе  имеется компенсационный магнит, жестко связанный с отсчетной  шкалой. Плавная компенсация осуществляется вращением этого магнита до тех  пор, пока постоянный магнит не установится  горизонтально. Момент компенсации  фиксируется с помощью особой оптической системы путем совмещения отраженного от зеркала на магните  и неподвижного горизонтального  индексов. Для расширения пределов измерения ΔZ существует второй, так называемый диапазонный магнит ступенчатой компенсации. Изложенный принцип измерения приращения вертикальной составляющей магнитного поля Земли реализован в современном наземном магнитометре М-27М. В зависимости от методики магниторазведочных работ погрешность измерений таким прибором составляет 2—5нТл.

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.

Феррозонд магнитометра состоит  из двух одинаковых пермаллоевых стержней, расположенных параллельно друг другу и ориентированных вдоль  измеряемой составляющей магнитного поля Земли. Обмотки катушек возбуждения  соединены последовательно таким  образом, чтобы переменное поле в  двух сердечниках было направлено противоположно. Для измерения внешнего магнитного поля (его составляющей, направленной вдоль оси стержней) обычно используют компенсационный метод, заключающийся  в компенсации постоянного магнитного поля Земли полем постоянного  регулируемого тока. По величине тока компенсации судят о напряженности  магнитного поля Земли вдоль оси  феррозонда. К таким приборам относится  аэромагнитометр АМФ-21. За счет погрешности  в ориентировке феррозонда погрешность  съемки таким магнитометром достигает  десятков нанотесл. При скважинньгх  работах применяют скважинный вариант  ферромагнитометра (например, ТСМК-30), позволяющего измерять составляющие магнитного поля АZ, АХ, АУ с погрешностью до ± 100 нТл.

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 ю, пропорциональной полной напряженности магнитного поля Земли Т:ω = аТ, где а — коэффициент пропорциональности, который равен гиромагнитному отношению ядра (отношению магнитного момента ядра к механическому).

Протонный магнитометр состоит  из магниточувствительного блока или  датчика (протонсодержащий сосуд с  водой, спиртом, бензолом и т. п., вокруг которого намотаны возбуждающая и измерительная  катушки); соединительных проводов; электронного блока (предусилитель, схема коммутации, умножитель частоты, частотомер и световой индикатор); регистрирующего устройства и блока питания. Рабочий цикл, т. е. время определения значений магнитного поля в каждой точке, складывается из времени поляризации датчика (для воды оно составляет 3— 8 с), времени переключения датчика и времени определения частоты сигнала, наведенного в катушке датчика (0,1—0,4 с). В зависимости от протонсодержащего вещества и точности определения частоты прецессии рабочий цикл составляет 1 —1 0с.

При небольшой скорости движения носителя магнитометра (наземный или  морской варианты) данные о магнитном  поле Земли Т получают практически непрерывно. При большой скорости, например при скорости самолета 350 км/ч, расстояние между замерами составляет 300 м. С помощью протонного магнитометра можно проводить магнитную съемку с использованием металлических носителей — кораблей или самолетов, обладающих собственным магнитным полем. При этом датчик магнитометра буксируют на кабеле, длина которого должна в несколько раз превышать продольные размеры носителя.

С помощью протонного магнитометра дискретно (1 раз в 1 —1 0 с) измеряют абсолютное значение магнитной индукции геомагнитного поля с погрешностью ± 1—2 нТл при низкой чувствительности (±45°) к ориентации датчика по магнитному меридиану, независимости от температуры и времени (отсутствует смещение нуля). Протонные магнитометры используют при наземных (например, отечественный магнитометр ММП-203) и морских (ММП-3) съемках, реже при воздушных съемках (МСС-214) и скважинных наблюдениях.

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.

С помощью квантового магнитометра измерения Т проводят с погрешностью ±(0,1—1) нТл при слабой чувствительности к ориентации датчика, высоком быстродействии и стабильности показаний (незначительное смещение нуля). Основными отечественными квантовыми магнитометрами являются приборы следующих марок: наземные (пешеходные) М-33 и ММП-303, морской КМ-8, аэромагнитометр КАМ-28.

В магнитометрах для съемки в движении (морских, воздушных или  автомобильных) регистрацию магнитной  индукции ведут автоматически, практически  непрерывно. Профили привязывают  различными способами (радионавигационными, с помощью аэрофотосъемок и т. п.). Результаты наблюдений представляют иногда в аналоговой форме в виде магнитограмм, но чаще - в цифровой форме, обеспечивающей последующую обработку  информации на бортовых ЭВМ или в  экспедиционных вычислительных центрах.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Методика.

Методика - это целая совокупность тесно связанных принципов, объясняющих  выбор тех или иных решений  при проведении работ в зависимости  от геологической задачи, имеющихся  материальных и людских ресурсов. Эти решения касаются выбора конкретной аппаратуры, проектной точности съемки, густоты сети наблюдений, направления  профилей, способа обработки данных и представления результатов  исследований.

Наземная съемка. Чаще всего применяется пешеходная съемка, реже для перемещения между пунктами используют автотранспорт. Обычно используется площадная съемка, при которой некоторый участок покрывается сетью наблюдений.

Гравитационное поле. Одним из важнейших этапов методики является выбор масштаба съемки. От него зависит и густота сети, поскольку расстояние между профилями на итоговой карте не должно превышать 1 см в масштабе съемки. Например, при проведении разведочной съемки в масштабе 1:10000 расстояние между профилями должно составлять не более 100 м. Шаг по профилю (т.е. расстояние между точками профиля) либо равен расстоянию между профилями (при квадратной съемке), либо меньше него, но не более чем в 5 раз (при прямоугольной съемке). Профили располагаются вкрест ожидаемого простирания объектов аномальной плотности. Длина профиля должна в 5 - 10 раз превышать ширину искомых тел.

Съемки проводятся рейсами, начинающимися и заканчивающимися на опорных пунктах. Часть рейса  между двумя опорными пунктами называется звеном. Опорная сеть разбивается  для учета сползания нуль-пункта и нахождения абсолютных значений ускорения  силы тяжести. Она включает до 5 - 10% от общего числа точек наблюдения, равномерно распределенных по площади. Точность определения  ускорения силы тяжести на опорных  точках должна в 1,5 - 2 раза превышать  точность рядовых наблюдений. Это  достигается использованием более  высокоточных приборов, многократными  измерениями на опорных точках, сокращения промежутка времени между измерениями  на соседних точках путем использования  транспорта. При создании опорной  сети от 50 до 100% всех наблюдений должны составлять повторные (контрольные).

Для контроля точности рядовой  съемки используются повторные наблюдения на контрольных точках, составляющих не менее 5 - 10 % от общего числа точек. По ним рассчитывается среднеквадратичная ошибка рядовой сети.

Магнитное поле. Методика, т.е. способ проведения магниторазведочных работ, сводится к выбору вида съемок, их масштаба, направления профилей, густоты точек наблюдения, точности измерений и способа изображения результатов.

Различают три вида наземных магнитных съемок: 1) картировочно - поисковые, 2) поисково-разведочные, 3) разведочные (или детальные). Остановимся на краткой характеристике этих видов съемок.

Целью картировочно-поисковых  магнитных съемок является решение  задач крупномасштабного геологического картирования (масштабы 1 : 50 000, 1 : 25 000, 1 : 10000), а также непосредственные поиски железосодержащих руд. Съемка ведется по системам профилей, маршрутов, расстояния между которыми меняются от 200 до 500 м. Расстояния между точками не менее 50 м.

Целью поисково-разведочных  магнитных съемок является детализация  аномалий картировочно-поисковых съемок: выявление тектонических нарушений, оценка размеров, формы и положения рудных тел. Поисково-разведочные съемки выполняются в масштабах 1 : 10 000, 1 : 5 000, 1 : 2 000, 1 : 1 000. Съемка осуществляется по системам профилей, удаленных на расстояния 50 - 200 м, с шагом наблюдений от 10 до 50 м.

Целью детальных разведочных  магнитных съемок является выяснение  размеров, формы и положения включений пород с различными магнитными свойствами, разведка рудных месторождений, детальное геологическое картирование. Масштабы съемок от 1 : 2 000 и крупнее, а расстояния между профилями могут изменяться от 10 до 100 м. Расстояния между точками наблюдений меняются от 5 до 20 м в зависимости от размеров рудных тел, их глубины и интенсивности намагниченности.

Подходы к выбору сети наблюдений такие же, как и в гравиразведке.

Помимо наземных съемок, существуют также морские, авиационные, подземные и скважинные съемки.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Построение карт.

После полевых работ все  результаты измерений записываются в текстовый документ (*.txt) или в excel (*.xls). Построение карт реализовывается в различных программах - ArcGIS , Geosoft, Surfer и т.д.

Результатами съемки являются карты и карты графиков аномального магнитного поля и поля силы тяжести. Вводятся поправки ( магнитное поле: поправки за вариации, так же вычитаются значения нормального поля; гравитационное поле: значения в редукции Буге).

Качество построенных  карт и их кондиционность, определяется, прежде всего, точностью съемки и  густотой сети наблюдения. Для оценки точности съемки проводятся повторные  наблюдения в объеме 5-10% от общего количества точек измерения, как правило, по секущим профилям, и рассчитывается среднеквадратическая ошибка измерений.

Точность съемки увеличивается  при минимизации ошибок. Суммарная  ошибка съемки складывается из аппаратурной точности прибора, координатной ошибки, ошибки оператора и ошибки интерполяции. Ошибка съемки приводит к ошибкам интерпретации.

К большому сожалению, на практике сети съемочных геофизических

профилей нередко оказываются  нерегулярными и выполненными с  редкой плотностью. Материалы подобных съемок для построения карт и интерпретации полученных данных предварительно редуцируют на регулярную сеть, что, строго говоря, является некорректной процедурой. Для этого используется множество различных способов. Так, например, программа ArcGIS имеет 4 способа редуцирования, программа Geosoft – 6, а программа Surfer – 12. Каждый из этих способов имеет различные модификации и обладает своими специфическими недостатками.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Интерпретация.

Геологическую интерпретацию результатов геофизических исследований проводят с целью дать обоснованное решение геологических задач, поставленных проектом работ, и извлечь из материалов съемки наиболее полную информацию об особенностях геологического строения изучаемого участка.

При интерпретации результатов  гравиразведки и магниторазведки  очень важно установить геологическую природу отдельных аномалий или аномальных зон и попытаться выяснить, какие геологические процессы привели к образованию объектов, обладающих аномальной намагниченностью или плотностью по отношению к вмещающим породам. Поэтому, приступая к интерпретации, необходимо, чтобы был собран весь возможный материал о геологическом строении участка, магнитных и плотностных свойствах различных пород, участвующих в его строении.

Вначале выполняют качественную интерпретацию: дают описание структуры поля, выделяют отдельные области с однотипным полем, например, нормальным, спокойным, повышенным или пониженным или резко возмущенным и т.п. Характеризуют отдельные аномалии – указывают их интенсивность, форму, размеры, простирание и на базе опыта проведения работ в подобных районах делают предположительное заключение о природе аномалий, т.е. о происхождении и составе пород, слагающих возмущающие объекты. Однозначное решение указанной задачи не всегда возможно. Поэтому желательно найти не один, а несколько возможных вариантов решения и попытаться выделить наиболее вероятностные из них. Такое выделение во многих случаях оказывается возможным, так как разные по природе источники аномалии могут различаться глубиной залегания, формой и размерами тел, намагниченностью, плотностью, а также другими физическими свойствами. В связи с этим необходимо выполнять количественную интерпретацию с целью определения перечисленных выше параметров.