Магнітометрія

Магнітометрія

Магнітометрія – науковий напрямок з галузі природничих наук, який займається вивченням магнітного поля Землі з метою дослідження внутрішньої будови планети, її еволюції, сучасних геодинамічних процесів та взаємного впливу в космічній системі “Земля – Місяць – Сонце – космічний простір ”.

Прикладним розділом магнітометрії є магніторозвідка, об’єкт дослідження якої – аномальне магнітне поле, обумовлене неоднорідним розподілом в літосфері геологічних утворень з різними магнітними властивостями. Основні задачі магніторозвідки – картування геологічних утворень та пошуки і розвідка родовищ корисних копалин, вивчення екологічного стану середовища, агрогеофізичні дослідження та інше.

Метою навчальної дисципліни "магнітометрія" є подання студентам фундаментальних знань про планетарне магнітне поле, його основні параметри та зміни в часі, вихідні фізичні закони, що лежать в основі теоретичної бази магнітометрії, привити студентам навички її застосування для вирішення геологічних задач.

Завдання курсу: вивчення фізико-математичних основ магнітометрії, конструкції геофізичної апаратури, підходів до рішення прямих та обернених задач, прийомів якісної та кількісної інтерпретації, областей застосування магнітометрії, основ комплексування геофізичних методів при різного виду зйомках, пошуках та розвідці родовищ корисних копалин, екологічних дослідженнях.

Предметом навчальної дисципліни "Магнітометрія" є магнітне поле Землі, його розподіл в просторі і зміни в часі, джерела, апаратура і методика його вимірів, магнітні властивості гірських порід, методика обробки та інтерпретації результатів магнітометричних вимірів.

Магнітометрія включає теоретичну частину та лабораторний практикум.

Виконанню та засвоєнню останнього присвячені розроблені «Методичні вказівки з виконання лабораторних робіт з курсу “Магнітометрія”», зокрема, частина 1 «Методика і апаратура магнітометрії» та частина 2 «Інтерпретація магнітометричних даних».

Основні теоретичні положення

Магнітне поле Землі є силовим полем. Наявність останнього зумовлена фізико-геологічними процесами у внутрішніх оболонках планети (ядрі, мантії, літосфері) та в атмосфері (іоносфері). Воно змінюється на поверхні Землі та в навколоземному просторі. У прикладній магнітометрії магнітне поле Землі характеризують повним вектором магнітної індукції Т, в геомагнетизмі його позначають Вт. В першому наближенні, геомагнітне поле (ГМП) є полем диполя, із віссю, нахиленою до осі обертання Землі під кутом приблизно 11.5 градусів. Геомагнітне поле змінюється з часом як за амплітудою, так і за напрямком. Вказану особливість поля називають магнітними варіаціями. Крім того, МПЗ може змінювати полярність. Це явище називають інверсіями поля, на протязі геологічної історії вони відбувалися неодноразово. Таким чином, магнітне поле біля поверхні Землі визначається фізичними процесами в надрах Землі, геологічною будовою літосфери та магнітними варіаціями, координатами точок спостереження. В системі одиниць СІ магнітне поле Землі (величину повного вектора магнітної індукції Т) вимірюють у "теслах" (Тл). У прикладній магнітометрії в основному використовується також кратна одиниця вимірювання магнітної індукції - нанотесла: 1 нТл = 10-9 Тл. В системі одиниць СГС, що використовувалась раніше, основною фізичною характеристикою магнітного поля Землі приймалась напруженість поля, одиниця вимірювання – Ерстед (Е), і кратна їй одиниця – гама (), співвідношення: 1 =10-5Е. Інша характеристика – магнітна індукція, вимірювалась в Гаусах (Гс). Напруженість поля та його індукція в названій системі одиниць чисельно рівні: 1Гс = 1Е (нагадуємо, індукція та напруженість поля мають різний фізичний зміст). Формально, при аналізі магнітного поля Землі, яке представлено в одиницях напруженості (система СГС) та одиницях індукції (діюча система СІ), керуються співвідношенням: 1 Гс = 10-4 Тл,1 = 1 нТл.

Елементи магнітного поля Землі

Елементами геомагнітного поля називають проекції вектора магнітної індукції Т на горизонтальну площину (горизонтальна складова Н) і вертикальну вісь (вертикальна складова Z), кути D (схилення) та I (нахилення), утворені цим вектором із координатними осями . Вертикальну площину, в якій лежить вектор Т, називають площиною магнітного меридіана (площина ОТН). Орієнтація вектора Н магнітного поля Землі збігається з магнітним меридіаном. Проекція Н на вісь ОХ вважається північною (чи південною) складовою Х, проекція Н на вісь ОУ – східною (чи західною) складовою У, а проекція вектора Т на вісь ОZ – вертикальною складовою Z. (система координат прямокутна, вісь ОХ орієнтована на географічну північ, вісь ОУ – на схід, вісь ОZ – вертикально вниз)

Кут D між площинами географічного й магнітного меридіанів називають кутом магнітного схилення І. Його відраховують від напрямку осі ОХ (напрямок на географічну північ) за годинниковою стрілкою у межах 0º - 180º і вважають при схиленні до сходу позитивним (східним), до заходу - негативним (західним). Кут I між вектором Т і горизонтальною площиною ХОУ називають кутом магнітного нахилення. Він відраховується від горизонтальної площини вниз у межах від 00 до 90º і приймається в цьому напрямку додатним і навпаки. Наприклад, кут І у північній півкулі додатний, у південній – від’ємний, бо вектор Т спрямований доверху. Величина й положення вектора Т в даній точці простору визначаються, як зазначалося, трьома величинами. На практиці застосовуються наступні:

1) три складові Х, У, Z (прямокутна система координат); 2) дві складові та один кут: Н, Z, D чи Н, Z, І (циліндрична система координат); 3) два кути та одна складова: D, І, Z чи D, І, Н (сферична система координат).

При вивченні розподілу повного вектора магнітної індукції Т (так звані векторні зйомки геомагнітного поля) біля земної поверхні вимірюють Н, D та І, тому що знання зазначених величин дає можливість обчислити всі складові вздовж координатних осей вектора Т та його величини:

У польовій магнітометрії, в залежності від поставленої задачі, вимірюють прирости ΔZ, Т, модуль T. Рідше – вектор Н, Н, а іноді – вектор Т.

Повний вектор геомагнітної індукції та його елементи закономірно змінюються на земній поверхні в залежності від координат, при цьому спостерігається ряд особливостей просторового розподілу вектора Т.

Магнітні полюси (північний та південний) – це такі точки земної поверхні, біля яких кут магнітного нахилення дорівнює 900, їх координати в кожен момент часу визначають експериментально. Магнітним екватором називають таку замкнену лінію біля земної поверхні, в кожній точці якої кут нахилення I дорівнює 00. Індукція магнітного поля в кожній точці поверхні Землі - векторна величина. Відповідно зрозуміло, що вектор Т на полюсах орієнтований вертикально, на екваторі - горизонтально. Якщо вважати Землю однорідно намагніченою кулею ( магнітним диполем), величина індукції ГМП на його полюсах приблизно у двічі більша, ніж на екваторі ( приблизно 0,65*10-4Тл та 0,35*10-4Тл відповідно). Для прикладної магнітометрії важливо знати швидкості змін елементів земного магнетизму по вертикалі та горизонталі. Ці величини називаються нормальними вертикальним і горизонтальними градієнтами. Вертикальний градієнт поля Z і Т змінюється від 20 до 30 нТл/км (у спокійному полі). Горизонтальний градієнт магнітного поля обчислюють по магнітних картах МПЗ. Для України горизонтальні градієнти Z і Т змінюються від 2 до 7 нТл/км.

Розподіл модуля повного вектора індукції магнітного поля Землі та його елементів біля земної поверхні, звичайно, зображають у вигляді графіків та карт ізоліній (карт рівних значень того чи іншого параметра). Ізолінії Т, Н чи Z називають ізодинамами (Т, Н чи Z-складової). Ізолінії рівних значень схилення називають ізогонами, нахилень – ізоклінами.

Для студентів старших років навчання. Основною метою є ознайомлення студентів з основами проведення наукових досліджень. Огірко І.В.