实验1-磁力仪认识实验.doc

《应用地磁学》课程实验指导书

应用地磁学课程实验指导书
（ 试 用 ）

李淑玲

中国地质大学（北京）
地球物理与信息技术学院

目 录
前言 ……………………………………………………………………………… 2
一、磁测仪器认识……………………………………………………………… 3
1、 交通位置 ………………………………………………………………… 3
2、 地貌地质 ………………………………………………………………… 3
3、 物性与异常 ……………………………………………………………… 3
二、磁异常正演计算…………………………………………………… 3
1、 仪器使用要求 …………………………………………………………… 4
2、 仪器的测试 ……………………………………………………………… 4
三、磁异常处理与转换计算………………………………………………… 5
1、 磁测精度选择 …………………………………………………………… 5
2、 异常踏勘 ………………………………………………………………… 5
3、测区、测网和基点敷设 ………………………………………………… 5
四、磁异常反演计算………………………………………………………… 6
1、 一般要求 ………………………………………………………………… 6
2、 测量要求 ………………………………………………………………… 6
3、 日变观测 ………………………………………………………………… 6
4、 基点观测 ………………………………………………………………… 6
5、 测点观测 ………………………………………………………………… 6
6、 精测剖面观测 …………………………………………………………… 7
7、 检查观测 ………………………………………………………………… 7
8、记录要求 ………………………………………………………………… 7
五、实习报告 ………………………………………………………………… 10

前 言
磁法勘探本身是一门实践性很强的学科，通过课堂学习，大家已初步掌握了其基本理论，但学习磁测工作方法技术及仪器操作等尚需通过教学实习来完成。
通过教学实习应达到以下目的：
1、巩固和加深对课堂理论教学的认识；
2、初步进行野外工作方法技术的基本训练，了解和熟悉磁法野外工作的全过程，掌握磁异常资料的采集、整理及解释的基本技能；
3、培养实事求是的科学态度和严肃认真的工作作风。
希望师生共同努力，圆满、顺利地完成这次教学实习任务。

编 者
2003年6月

《应用地磁学》课程实验指导书

姓 名：
学 号：
指导教师：
实验地点：
实验日期：
第10页
实验一：磁力仪认识

一、实验目的
1、了解垂直悬丝式磁力仪和质子磁力仪的测量原理
2、学习操作质子磁力仪，了解质子磁力仪进行地磁测量的应用范围、工作模式、性能特点，为野外磁测教学实习奠定基础。
二、实验内容
1、垂直悬丝式磁力仪的测量原理
2、质子磁力仪的测量原理
3、质子磁力仪野外磁测相关情况介绍，进行仪器实际操作
三、实验原理
1、垂直悬丝式磁力仪的测量原理
1）仪器的核心部分由磁系组成（如图1）。
磁系主要是一根圆柱形磁棒，磁棒上方固定一个平面镜，它们悬吊在铬、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，当力矩相互平衡时，磁棒会停止摆动。此时Z的变化可引起角的变化（），当角偏转范围不超过时，由角的变化引起的仪器读数变化与成正比。据此可利用引起的读数变化测量的值。β
θ
θ
θ
o
S
N
P
S
S0
f

图1 悬丝式垂直磁力仪磁系工作原理图
2）光系放大系统：
除磁系外，仪器在结构上利用光系（与磁棒固定在一起的平面镜）将偏转角放大并反映为活动标线在标尺上的偏离格数。在两个测量点，利用入射光线在平面镜不同偏转角度的情况下出射光线角度不同，反映在标尺上有偏离格数差。
3）读数原理
设在基点上，地磁场垂直分量为，读数为；在测点上垂直分量为，读数为。则它们之间的垂直分量差值为。
式中为格值，它代表每一个读格的磁场值，格值的倒数为灵敏度，通过调节h以改变灵敏度，h为重心p点到支点垂直磁轴方向距离。
因此，悬丝式垂直磁力仪用于相对测量，是利用重力矩与磁力矩的平衡原理，以光系标尺上的读格，反映Z的相对变化值。
4）思考问题：
A、悬丝式垂直磁力仪磁棒的支点在中心吗？
由于在北半球磁系的N极受到向下的磁力作用，若要保持磁系的相对水平，则磁棒的支点要靠近N极，才能达到重力矩与磁力矩的平衡；在南半球时，磁棒的支点要靠近S极。
B、扭鼓起什么作用？
角偏转范围不超过时，由角的变化引起的仪器读数可反映在标尺上，如果测点与基点之间相对磁场值很大，偏转角过大会超过标尺的测量范围，需要利用扭鼓调节弹簧的弹力矩，扩大测程范围。
2、质子磁力仪的测量原理
以GSM-19T型质子磁力仪为例，介绍质子磁力仪的测量原理
1）工作物质
质子磁力仪使用的工作物质（探头中）有蒸馏水、酒精、煤油、苯等富含氢的液体。物质中的氢原子核（质子），由自旋产生的磁矩，将在外加磁场的影响下，逐渐地转到外磁场方向，具有逆磁性介质中的“核子顺磁性”。
2）极化与拉莫尔旋进
当没有外界磁场作用于含氢液体时，其中质子磁矩无规则地任意指向，不显现宏观磁矩。若垂直地磁场T的方向，加一强人工磁场，则样品中的质子磁矩，将按方向排列起来，此过程称为极化。然后，切断磁场，则地磁场对质子有的力矩作用，试图将质子拉回到地磁场方向，由于质子自旋，因而在力矩作用下，质子磁矩将绕着地磁场T的方向作旋进运动（叫做拉莫尔旋进）。
3）旋进频率f与地磁场T的关系
氢质子旋进频率f与地磁场T的大小成正比，其关系为：

式中，T以纳特（nT）为单位。由式可见，只要能够准确测量出质子旋进频率f，乘以常数，就是地磁场T的值。
4）旋进频率的测定与地磁场读数
在圆柱形有机玻璃容器内装满富含氢的工作物质（如水等），容器外缠绕线圈。线圈通以电流，使其内产生的极化（磁化）磁场，其方向沿线圈轴线，大致垂直于地磁场T。而后切断电流，极化线圈亦作为接收线圈，并调谐在旋进频率f上。质子磁矩的旋进，将在接收线圈中产生感应电压信号。
每按动一次工作微动开关，在程序控制器的控制下，磁化系统开始工作，即有磁化电流流经探头，探头线圈产生n×103A/m的磁化磁场。数秒后磁化系统关闭，磁化场消失。质子磁矩在地磁场T的作用下旋进，切割线圈在探头中产生感应讯号，适当选择探头配谐电容C，使其和探头线圈电感L，谐振在旋进频率f上，可使选频放大器输入端获得最大的讯号。经选频放大后，送入倍频器，它将f倍频128倍，再经电子门送入计数器，由显示器直接显示地磁场T的量值。
总之，质子磁力仪实际上是一个特殊的数字式频率计，其原理是计数器在单位时间内（电子门控制）记下脉冲数目。
3、质子磁力仪野外磁测的相关情况
1）应用范围
■矿产勘查，如铁矿、铅锌矿、铜矿等
■配合矿区勘探，研究矿体的埋深、产状和连续性，研究矿体的形状、大小，估计矿床规模
■石油、天然气勘查，研究与油气有关的地质构造及大地构造等问题
■普查、详查、地质填图
■航空及海洋磁测的地面日变站
■断层定位
■考古
■水文
■工程勘查，如管线探测等
■地震前兆监测，火山观测以及其它环境及灾害地质工作
■小型铁磁物体的探测等
2）主要特点
■可进行地磁场总场测量及梯度测量（水平梯度或垂直梯度，需增配专用探头及探头架）
■可外接GPS，存储测点坐标值
■可用于野外作业，也可用做基站测量
■内置实时时钟，测量结果连同测量时刻一并存储，还能定时测量、存储
■大屏幕显示，全中文界面，自动显示磁场强度曲线，操作简单
■既可全量程自动调谐，也可人工调谐
■轻便便携，整套系统使用背包背带，一人即可完成全部测量任务
■具有RS-232C计算机接口
■专业地质软件可绘制等值线图、剖面图等
■内存大，可存24万个测点，带掉电保护功能。
■硬质铝合金外壳，专用防水接头，可适用于恶劣环境，防震、防雨
■信号质量适时监控，信号质量下降可及时发现以便采取措施补救
3）系统描述
本质子磁力仪利用质子旋进的原理，来测量地球磁场的磁场总量绝对值。它可以利用以下两种模式进行工作。
1 、单点模式：只使用一个传感器进行工作，它检测传感器所在位置的地球磁场总量的绝对值。
2 、自动模式：自动模式只使用一个传感器工作，它可以使仪器在设定的时间开始，以固定间隔的时间重复自动测量。其中仪器开始工作的时间和间隔时间可以通过软件来设置。这个功能主要是用于日变修正。
测量结果将会贮存在仪器的内存中，当关机或更换电池时，数据不会丢失。测量完毕回到室后，数据可以通过传输线下载至计算机中进行进一步处理。用软件可以将所测得数据进行日变修正，并可对修正后的数据进行进一步处理。文件为文本格式，用户可以使用其他软件进行处理，将测量结果绘出等值线图、剖面图等专业图，以供进一步分析使用，也可绘制出三维图使测量结果更加直观易读。
4）技术指标
测量范围： 25,000-80,000nT
测量精度：±1nT
分 辨 率： 0.1nT
梯度范围： 5,000nT/m
存贮数据： 245,760 个读数
存贮时间： 10 年
液晶显示：320×240 图型液晶
电脑接口： USB口,可直接作为U盘使用(WIN XP直接驱动)
RS-232C 串口（300-119200 波特率可选）
电源电压：内置可充电4AH锂电池
主机尺寸： 232 x 100 x 145mm
传 感 器：直径 70mm ，长 140mm
主机重量：包括电池 1.9 公斤
传 感 器： 0.8公斤
温度范围： -10 ℃到 +50 ℃
4、思考题：感应电压信号的强弱受哪些因素影响？
1） 感应讯号的幅度与kpH0成正比。kpH0是在极化磁场作用下，质子的磁化强度。为了获取强旋进讯号，一方面要选用单位体积内质子数目多的工作物质，另一方面使用极化电流，产生强极化磁场，这也就提高了功率消耗。
2） 讯号幅度与质子旋进圆频率成正比。若地磁场弱（T值小），则旋进圆频率低，讯号幅度也就小。目前，质子磁力仪的测程一般是20000~100000nT，相当于旋进频率由851.52Hz~4257.60Hz。
3）讯号幅度亦与有关。线圈轴线与T的夹角，在0°~90之间变化，其大小会影响旋进讯号的振幅，而与旋进频率无关。当，讯号幅度最大，接近于零度时是探头的工作盲区，因此对探头定向只要求大致与T相垂直。
4） 旋进讯号是按指数函数规律衰减的正弦讯号，衰减常数为，它持续约几秒钟。感应讯号的衰减，与探头所处的磁场梯度有关，梯度越大，衰减愈快。

四、实验报告
简要说明垂直悬丝式磁力仪和质子磁力仪的测量原理、各自测量的地磁要素、质子磁力仪野外磁测的工作模式。