Добавлен: 07.11.2023
Просмотров: 228
Скачиваний: 3
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
14. Формулы для расчета нормальных значений элементов геомагнитного поля. 23. Квантовые магнитометры. Особенности измерительной системы. Способы измерения. 71. Разновидности интерпретации результатов гравиметрических исследований. Задача 6Ответы: 14. Формулы для расчета нормальных значений элементов геомагнитного поля. Аналитические выражения составляющих поля Земли как поля однородно намагниченного шара справедливы лишь с точностью примерно до 25%. Как показали исследования ученых, магнитное поле Земли имеет более сложный характер вследствие непостоянства магнитного поля во времени и существования на земной поверхности участков, в пределах которых магнитное поле претерпевает резкие изменения.Учитывая сложность аналитического представления магнитного поля Земли, пользуются не теоретическими, а практическими данными, основывающимися на измерениях элементов земного магнетизма. С этой целью проводятся планомерные магнитные съемки.В России такая съемка, носящая название генеральной магнитной съемки, начата в 1931 г. Она охватила всю территорию Советского Союза, причем на европейской ее части съемка была площадной, по сети 20×20 или 20×30 км, а на азиатской — маршрутной, с расстояниями между точками 20-30 км. На каждой точке измерялись величины 
, 
и . Первые магнитные карты территории СССР были построены в 1936 г. С 1937 г. систематические магнитные съемки выполняются Институтом земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн Академии наук СССР (ИЗМИРАН).На основании измерений путем сглаживания изолиний или осреднения значений поля по определенным площадям строят карты элементов геомагнитного поля. Анализ этих карт показывает, что на общем фоне плановых изолиний, характеризующих поле Земли как поле однородно намагниченного шара, выделяется ряд крупных по размерам аномалий, соизмеримых с площадями материков, вследствие чего их называют материковыми. На поверхности Земли отмечается несколько материковых аномалий, одна из которых, Восточно-Азиатская, располагается на территории СССР, охватывая область Сибирской платформы (рис. 1). Это одна из крупнейших материковых аномалий планеты, четко выделяющаяся на картах всех элементов геомагнитного поля.
Так как определимая глубина источника материковых аномалий составляет доли земного радиуса, считают, что источник материковых аномалий находится внутри Земли. Это дает основание предполагать, что природа однородной намагниченности Земли и материковых аномалий одна и та же.Вследствие такой связи полей нормальным геомагнитным полем То(или главным магнитным' полем Земли) называют поле однородно намагниченного шара Тгплюс материковая аномалия Т2, т.е. То= Тх+ 1V Карты элементов геомагнитного поля, полученные на основании генеральной магнитной съемки, называются картами нормального поля, причем карты изолиний Т, Zи Н называются картами изодинам T, ZиH, карты изолиний склонения — картами изогон, изолиний наклонения — картами изоклин. Карты нормального поля по всем элементам геомагнитного поля составляют на середину определенного года, относят к определенной эпохе. Это объясняется тем, что магнитное поле Земли изменяется во времени. Как показывает анализ карт нормального поля, значения поля и скорость его изменения в различных точках земной поверхности неодинаковы. Рис. 1. Карта нормального поля 2-составляющей (Э) эпохи 1965 г.Скорость изменения нормального поля на единицу расстояния называется горизонтальным градиентом, а скорость изменения поля по высоте — вертикальным градиентом. Для территории России нормальный горизонтальный градиент составляющих магнитного поля изменяется от 2 до 7 гамм/км, а вертикальный градиент примерно от 20 до 30 гамм/км. Следовательно, при проведении магнитных съемок на значительных площадях необходимо учитывать изменения нормального поля. С этой целью в полученные результаты вводят поправку за нормальный градиент. Обычно учитывают горизонтальный градиент, а при высокоточных измерениях — и вертикальный градиент.В любой точке на поверхности Земли свободно подвешенная в пространстве магнитная стрелка ориентируется в направлении полного вектора напряженности магнитного поля. Полный вектор напряженности магнитного поля Т можно разложить (рис. 11) на вертикальную Z и горизонтальную Н составляющие; горизонтальная составляющая, в свою очередь, раскладывается на две составляющие —
Xи У. На рис.2 оси х и у направлены соответственно на географические север и восток. Угол между компонентами T и H называется углом наклонения, а угол Dмежду компонентами Н и X— углом склонения. Семь величин: Т, Z, Н, X, Y, Iи Dназываются элементами земного магнетизма. Они взаимно связаны между собой следующими соотношениями:Рис. 2 Элементы земного магнетизмаДля изучения пространственного распределения элементов геомагнитного поля проведены их измерения в разных точках на поверхности Земли. По измеренным значениям построены карты равных значений элементов. Линии равных значений напряженности магнитного поля (Т, Zили Н) называются изодинамами, линии равных значений угла магнитного склонения D— изогонами, линии равных значений угла магнитного наклонения I— изоклинами.На карте имеется линия нулевых значений угла магнитного наклонения. Эта линия проходит через точки на поверхности Земли, в которых магнитная стрелка ориентируется в горизонтальной плоскости. Такие точки расположены на магнитном экваторе. Магнитный экватор не совпадает с географическим. С увеличением широты угол магнитного наклонения возрастает. В северном полушарии имеется точка, в которой северный (положительный) конец магнитной стрелки наклонен вертикально вниз (угол / = 90°). Эта точка называется южным геомагнитным полюсом. В южном полушарии расположена точка, в которой южный (отрицательный) конец магнитной стрелки направлен вертикально вниз. Эта точка называется северным магнитным полюсом. Магнитные полюса изменяют свое положение со временем.Полная напряженность геомагнитного поля увеличивается от магнитного экватора к полюсам от 0,42 до 0,70 Э. Магнитное поле, наблюдаемое на поверхности Земли, продолжается далеко в околоземное пространство: на высоте около 7000 км напряженность поля уменьшается до 1/8 значения поля на поверхности Земли.Непрерывная регистрация элементов геомагнитного поля в магнитных обсерваториях показывает, что магнитное поле непрерывно изменяется со временем. Обычно наблюдаются небольшие и достаточно правильные изменения поля в течение суток - суточные вариации, которые в отдельные дни могут достигать нескольких тысяч гамм по напряженности и нескольких градусов по склонению. Такие большие возмущения называются магнитными бурями. Магнитные бури могут продолжаться несколько дней и часто сопровождаются нарушением радиосвязи и полярными сияниями. Кроме того, существуют медленные вековые вариации геомагнитного поля, выражающиеся в том, что изолинии напряженности поля как бы медленно смещаются в западном направлении. Величина таких смещений составляет около 0,18° в год по долготе, т. е. изолинии как бы делают полный оборот вокруг Земли примерно за 2000 лет.
23. Квантовые магнитометры. Особенности измерительной системы. Способы измерения. Квантовые магнитометры основаны на принципе оптической накачки, разработанным для паров щелочных металлов (Cs, Rb, Na, K) и инертных газов.Квантовые магнитометры имеют следующие достоинства и недостатки:
Чувствительность - Неотъемлемая чувствительность к потенциальному полю в силу ядерных свойств калия. Очень узкие спектральные линии калия дают чувствительность, которая является максимальной среди всех магнитометров с оптической накачкой;Абсолютная точность - Уникальная абсолютная точность GSMP-30 (дисперсия ± 1,0 нТ между любыми датчиками GSMP-30) обеспечивает лучший выбор этого датчика для всех градиентометров. Широкие спектральные линии цезия существенно ограничивают определение абсолютной точности этих систем;Отсутствие необходимости в систематической градуировке - Датчики GSMP-30 не требуют периодической градуировки, так как относительное положение высокочастотной катушки возбуждения и оптическая ось не влияют на рабочую характеристику.Из-за конфигурации спектральных линий цезия относительное положение высокочастотной катушки и оптической оси очень важно и таким образом воздействуют на характеристики. Механические вибрации изменяют относительные положения, вызывая тем самым необходимость проведения регулярных градуировок или балансировок датчика.Безразличие к ориентации - преимущество GSMP-30:Разница в курсовой или ориентационной погрешности между отдельными датчиками приводит к ошибкам в измерении градиента, сопоставимым со значением магнитуды самого измеряемого градиента. Эта ошибка характерна для технологии датчиков цезиевых магнитометров(курсовая или ориентационная погрешность - амплитудная огибающая всей ошибки измерения интенсивности магнитного поля, возникающей в процессе изменения положения в пространстве ячейки с цезиевыми парами).Датчик GSMP-30, практически не имеющий погрешности в ориентации или курсовой погрешности, не вносит "помех" ориентации в измерения магнитного поля или магнитного градиента и в результате высокая чувствительность системы может реализоваться и в динамической и в статической окружающей среде.Область применения:Длительная устойчивость, высокая чувствительность, быстрая реакция на изменения магнитного поля делает GSMP -30 идеальным для широкого применения, например:определение местоположения боеприпасов и мин портативными средствами;наземная магнитная съемка и съемка магнитного градиента для археологических исследований, инженерно-геологических применений, для обнаружения захоронений, содержащих опасные отходы, а также проведение геологоразведочных работ на минеральное и углеводородное сырье;
, и . Первые магнитные карты территории СССР были построены в 1936 г. С 1937 г. систематические магнитные съемки выполняются Институтом земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн Академии наук СССР (ИЗМИРАН).На основании измерений путем сглаживания изолиний или осреднения значений поля по определенным площадям строят карты элементов геомагнитного поля. Анализ этих карт показывает, что на общем фоне плановых изолиний, характеризующих поле Земли как поле однородно намагниченного шара, выделяется ряд крупных по размерам аномалий, соизмеримых с площадями материков, вследствие чего их называют материковыми. На поверхности Земли отмечается несколько материковых аномалий, одна из которых, Восточно-Азиатская, располагается на территории СССР, охватывая область Сибирской платформы (рис. 1). Это одна из крупнейших материковых аномалий планеты, четко выделяющаяся на картах всех элементов геомагнитного поля.
Так как определимая глубина источника материковых аномалий составляет доли земного радиуса, считают, что источник материковых аномалий находится внутри Земли. Это дает основание предполагать, что природа однородной намагниченности Земли и материковых аномалий одна и та же.Вследствие такой связи полей нормальным геомагнитным полем То(или главным магнитным' полем Земли) называют поле однородно намагниченного шара Тгплюс материковая аномалия Т2, т.е. То= Тх+ 1V Карты элементов геомагнитного поля, полученные на основании генеральной магнитной съемки, называются картами нормального поля, причем карты изолиний Т, Zи Н называются картами изодинам T, ZиH, карты изолиний склонения — картами изогон, изолиний наклонения — картами изоклин. Карты нормального поля по всем элементам геомагнитного поля составляют на середину определенного года, относят к определенной эпохе. Это объясняется тем, что магнитное поле Земли изменяется во времени. Как показывает анализ карт нормального поля, значения поля и скорость его изменения в различных точках земной поверхности неодинаковы. Рис. 1. Карта нормального поля 2-составляющей (Э) эпохи 1965 г.Скорость изменения нормального поля на единицу расстояния называется горизонтальным градиентом, а скорость изменения поля по высоте — вертикальным градиентом. Для территории России нормальный горизонтальный градиент составляющих магнитного поля изменяется от 2 до 7 гамм/км, а вертикальный градиент примерно от 20 до 30 гамм/км. Следовательно, при проведении магнитных съемок на значительных площадях необходимо учитывать изменения нормального поля. С этой целью в полученные результаты вводят поправку за нормальный градиент. Обычно учитывают горизонтальный градиент, а при высокоточных измерениях — и вертикальный градиент.В любой точке на поверхности Земли свободно подвешенная в пространстве магнитная стрелка ориентируется в направлении полного вектора напряженности магнитного поля. Полный вектор напряженности магнитного поля Т можно разложить (рис. 11) на вертикальную Z и горизонтальную Н составляющие; горизонтальная составляющая, в свою очередь, раскладывается на две составляющие —
Xи У. На рис.2 оси х и у направлены соответственно на географические север и восток. Угол между компонентами T и H называется углом наклонения, а угол Dмежду компонентами Н и X— углом склонения. Семь величин: Т, Z, Н, X, Y, Iи Dназываются элементами земного магнетизма. Они взаимно связаны между собой следующими соотношениями:Рис. 2 Элементы земного магнетизмаДля изучения пространственного распределения элементов геомагнитного поля проведены их измерения в разных точках на поверхности Земли. По измеренным значениям построены карты равных значений элементов. Линии равных значений напряженности магнитного поля (Т, Zили Н) называются изодинамами, линии равных значений угла магнитного склонения D— изогонами, линии равных значений угла магнитного наклонения I— изоклинами.На карте имеется линия нулевых значений угла магнитного наклонения. Эта линия проходит через точки на поверхности Земли, в которых магнитная стрелка ориентируется в горизонтальной плоскости. Такие точки расположены на магнитном экваторе. Магнитный экватор не совпадает с географическим. С увеличением широты угол магнитного наклонения возрастает. В северном полушарии имеется точка, в которой северный (положительный) конец магнитной стрелки наклонен вертикально вниз (угол / = 90°). Эта точка называется южным геомагнитным полюсом. В южном полушарии расположена точка, в которой южный (отрицательный) конец магнитной стрелки направлен вертикально вниз. Эта точка называется северным магнитным полюсом. Магнитные полюса изменяют свое положение со временем.Полная напряженность геомагнитного поля увеличивается от магнитного экватора к полюсам от 0,42 до 0,70 Э. Магнитное поле, наблюдаемое на поверхности Земли, продолжается далеко в околоземное пространство: на высоте около 7000 км напряженность поля уменьшается до 1/8 значения поля на поверхности Земли.Непрерывная регистрация элементов геомагнитного поля в магнитных обсерваториях показывает, что магнитное поле непрерывно изменяется со временем. Обычно наблюдаются небольшие и достаточно правильные изменения поля в течение суток - суточные вариации, которые в отдельные дни могут достигать нескольких тысяч гамм по напряженности и нескольких градусов по склонению. Такие большие возмущения называются магнитными бурями. Магнитные бури могут продолжаться несколько дней и часто сопровождаются нарушением радиосвязи и полярными сияниями. Кроме того, существуют медленные вековые вариации геомагнитного поля, выражающиеся в том, что изолинии напряженности поля как бы медленно смещаются в западном направлении. Величина таких смещений составляет около 0,18° в год по долготе, т. е. изолинии как бы делают полный оборот вокруг Земли примерно за 2000 лет.
23. Квантовые магнитометры. Особенности измерительной системы. Способы измерения. Квантовые магнитометры основаны на принципе оптической накачки, разработанным для паров щелочных металлов (Cs, Rb, Na, K) и инертных газов.Квантовые магнитометры имеют следующие достоинства и недостатки:
Достоинства
1. Возможность непрерывных измерений;2. Высокая разрешающая способность.Недостатки
1. Ориентационная и азимутальная погрешность;2. Температурный дрейф. Смещение нуль-пункта;3. Чувствительность к механическим воздействиям (удары, вибрация). Существуют следующие модели квантовых магнитометров:SmartMag;G-858;ММ-60М1;ММК-01;ВТСП-магнитометр;BVM-01;GSMP-30.Например: Калиевый магнитометр/градиентометр GSMP-30GSMP-30 представляет собой высокочувствительную систему из калиевого магнитометра и градиентометра, обеспечивающую уникальную чувствительность и абсолютную точность, обладая, кроме того, близкой к нулю ориентационной или курсовой погрешностью.GSMP-30 функционирует по принципу, аналогичному магнитометрам с оптической накачкой паров щелочного металла, как например цезиевый магнитометр, но предпочтение отдается уникальным ядерным свойствам калия.Не имеющая аналогов чувствительность системы GSMP-30 позволяет использовать магнитометры и градиентометры в тех областях, где требуется более высокая чувствительность, чем ее могут дать другие системы с оптической накачкой паров щелочного металла.Характеристики:Одним из важных преимуществ системы GSMP-30, состоящей из магнитометра и градиентометра с оптической накачкой является:практически никакой погрешности в ориентации;самая высокая чувствительность, которая может быть в портативных магнитометрах;абсолютная точность;быстрое включение и быстрый возврат в исходное положение, считанные секунды для GSMP-30, чтобы восстановить синхронизацию осциллятора после изменения ориентации из мертвой зоны в активную;быстрое отслеживание - GSMP-30 производит точные измерения изменений по частоте Лармора, вызванные изменениями поля в несколько тысяч nT в период выборки.Преимущества GSMP-30:Нечувствительность к ориентации - фактически нулевая курсовая погрешность, как следствие ядерных свойств калия;Чувствительность - Неотъемлемая чувствительность к потенциальному полю в силу ядерных свойств калия. Очень узкие спектральные линии калия дают чувствительность, которая является максимальной среди всех магнитометров с оптической накачкой;Абсолютная точность - Уникальная абсолютная точность GSMP-30 (дисперсия ± 1,0 нТ между любыми датчиками GSMP-30) обеспечивает лучший выбор этого датчика для всех градиентометров. Широкие спектральные линии цезия существенно ограничивают определение абсолютной точности этих систем;Отсутствие необходимости в систематической градуировке - Датчики GSMP-30 не требуют периодической градуировки, так как относительное положение высокочастотной катушки возбуждения и оптическая ось не влияют на рабочую характеристику.Из-за конфигурации спектральных линий цезия относительное положение высокочастотной катушки и оптической оси очень важно и таким образом воздействуют на характеристики. Механические вибрации изменяют относительные положения, вызывая тем самым необходимость проведения регулярных градуировок или балансировок датчика.Безразличие к ориентации - преимущество GSMP-30:Разница в курсовой или ориентационной погрешности между отдельными датчиками приводит к ошибкам в измерении градиента, сопоставимым со значением магнитуды самого измеряемого градиента. Эта ошибка характерна для технологии датчиков цезиевых магнитометров(курсовая или ориентационная погрешность - амплитудная огибающая всей ошибки измерения интенсивности магнитного поля, возникающей в процессе изменения положения в пространстве ячейки с цезиевыми парами).Датчик GSMP-30, практически не имеющий погрешности в ориентации или курсовой погрешности, не вносит "помех" ориентации в измерения магнитного поля или магнитного градиента и в результате высокая чувствительность системы может реализоваться и в динамической и в статической окружающей среде.Область применения:Длительная устойчивость, высокая чувствительность, быстрая реакция на изменения магнитного поля делает GSMP -30 идеальным для широкого применения, например:определение местоположения боеприпасов и мин портативными средствами;наземная магнитная съемка и съемка магнитного градиента для археологических исследований, инженерно-геологических применений, для обнаружения захоронений, содержащих опасные отходы, а также проведение геологоразведочных работ на минеральное и углеводородное сырье;