梁連仲,黃濤,楊艷芳,趙杰,李過,許德樹

(1.北京奧地探測儀器有限公司,北京 100016;2.裝備項(xiàng)目管理中心,北京 100091;3.北京勘察技術(shù)工程有限公司,北京 100085)

0 引言

磁法勘探是物探方法中最古老的一種。從17世紀(jì)中葉利用磁羅盤直接找磁鐵礦開始?xì)v經(jīng)幾百年,磁法勘探用儀器發(fā)展歷經(jīng)磁秤﹑磁通門磁力儀、質(zhì)子旋進(jìn)磁力儀、光泵磁力儀、超導(dǎo)磁力儀[1]等。

直流質(zhì)子磁力儀是質(zhì)子旋進(jìn)磁力儀的一種,被廣泛用于地球磁場絕對場強(qiáng)的觀測,具體應(yīng)用于地質(zhì)、石油、冶金、煤炭等領(lǐng)域的地面磁法勘探,以及海洋和航空磁測的地面日變站、地震預(yù)報(bào)工作中地磁臺站的磁變觀測等。此外,高精度直流激發(fā)型質(zhì)子磁力儀可用于研究深部地質(zhì)構(gòu)造以及軍事測量等領(lǐng)域。

目前,GSM-19T標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)子旋進(jìn)磁力儀在全世界范圍內(nèi)銷量最大,其分辨率為0.01 nT,靈敏度達(dá)到0.05 nT,絕對精度±0.2 nT[4]。國內(nèi)研究直流質(zhì)子磁力儀的科研院所及生產(chǎn)廠家眾多,形成產(chǎn)品銷售的儀器也有很多類型,但儀器指標(biāo)均未完全達(dá)到GSM-19T的水平[3]。

1 直流質(zhì)子磁力儀原理

質(zhì)子旋進(jìn)磁力儀是利用富含氫質(zhì)子溶液的質(zhì)子核磁矩在地磁場中自由旋進(jìn)的原理制成的高靈敏度弱磁測量裝置[6]。

在穩(wěn)定磁場B0中,直流質(zhì)子磁力儀由直流極化電流通過繞在富含氫質(zhì)子溶液探頭的線圈,產(chǎn)生0.01 T左右的極化磁場H(與穩(wěn)定磁場B0垂直,形成總磁場B),氫質(zhì)子核磁矩在極化磁場H作用下沿總磁場B方向排列,當(dāng)極化磁場H消失時(shí),氫質(zhì)子核磁矩會圍繞穩(wěn)定磁場B0自旋的同時(shí)發(fā)生轉(zhuǎn)動(拉莫爾旋進(jìn)),在旋進(jìn)信號衰減結(jié)束前測出它的頻率,根據(jù)旋進(jìn)頻率與磁場強(qiáng)度的正比關(guān)系來測量磁場強(qiáng)度。其原理框圖見圖1。

圖1 直流質(zhì)子磁力儀原理框圖Fig.1 Principle diagram of DC proton magnetometer

2 直流質(zhì)子磁力儀組成

高精度直流激發(fā)型質(zhì)子磁力儀主要由磁傳感器、信號放大電路、測頻控制系統(tǒng)、定位授時(shí)系統(tǒng)等部分構(gòu)成。

2.1 主要技術(shù)指標(biāo)(表1)

表1 高精度直流激發(fā)型質(zhì)子磁力儀指標(biāo)

*測量準(zhǔn)確度是指在總場絕對強(qiáng)度50 000 nT時(shí)。

2.2 磁傳感器

磁傳感器作為地磁場的感應(yīng)器件,包含了極化線圈、測量線圈、極化溶液等[2],是整個儀器的核心部件,它的質(zhì)量優(yōu)劣會直接影響儀器測量精度。另外還有信號傳輸電纜、支桿等。

磁傳感器是在一個用絕緣材料制成的密封容器內(nèi)放入2個反向串聯(lián)的多層空芯線圈,在容器內(nèi)充滿富含氫質(zhì)子的溶液,其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 探頭結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Probe structure

質(zhì)子磁力儀的樣品是含有大量質(zhì)子的溶液,如水、煤油、酒精等。溶液要選擇橫向馳豫時(shí)間長的樣品,這樣能比較容易獲取信號。通常選用穩(wěn)定性好、絕緣、對漆包線和絕緣漆無腐蝕、無溶解作用的有機(jī)或無機(jī)介質(zhì),一般選用煤油。

探頭線圈包括極化線圈和檢測線圈,為了簡化探頭結(jié)構(gòu),極化線圈和檢測線圈共用[5]。為了獲得質(zhì)子旋進(jìn)信號,須給探頭中的樣品施加一個與被測磁場方向互相垂直的人工磁場,即在線圈中送入直流電流。根據(jù)煤油的橫向張弛時(shí)間,16 V電源電流約0.7 A,因此繞制線圈的銅漆包線選用規(guī)格為直徑0.5 mm。

為了消除人為的交變場干擾,采用雙線圈結(jié)構(gòu),兩個線圈反向串聯(lián),其電感總量L=L1+L2-2M,M是互感系數(shù)。當(dāng)有外部極化電流流經(jīng)線圈時(shí),兩線圈極化磁場F1、F2方向相反,每個線圈的質(zhì)子磁矩旋進(jìn)方向是相同的,但二者的初始相位相差180°,感應(yīng)電動勢的初始相位也相差180°,又因?yàn)榉聪虼?lián),感應(yīng)電動勢是疊加的。線圈的直流電阻R=R1+R2。根據(jù)線圈的電感量和電阻值,則探頭的品質(zhì)因數(shù)Q由公式(1)計(jì)算得:

(1)

2.3 信號放大電路

信號放大電路為儀器信號產(chǎn)生部分,其主要功能是對探頭的直流極化,實(shí)現(xiàn)微伏級微弱電壓信號的放大,主要組成有配諧電路、放大電路、整形電路等。

具體工作流程為:首先按照控制芯片提供的時(shí)序?qū)μ筋^進(jìn)行直流極化;極化結(jié)束后探頭線圈切換到測量電路,感應(yīng)拉莫爾旋進(jìn)信號,根據(jù)拉莫爾頻率調(diào)整配諧電路中電容值,使拉莫爾信號在串聯(lián)LC諧振回路中諧振,進(jìn)行初步信號篩選[1-6];經(jīng)過多級信號放大電路,使最初的微伏級拉莫爾信號放大到伏級,并抑制噪聲;最后信號經(jīng)過整形電路,由指數(shù)衰減的正弦信號轉(zhuǎn)變成幅值恒定、50%占空比的方波信號,直接由FPGA測量頻率。

配諧電路在全測程內(nèi)對探頭自動調(diào)諧,檢測旋進(jìn)頻率信號,使之達(dá)到一定幅度提高信噪比,使讀數(shù)更加穩(wěn)定;低噪聲放大電路把微弱的旋進(jìn)信號放大到足夠的幅度;整形電路通過過零比較器將旋進(jìn)信號轉(zhuǎn)換成同頻率的方波,與后續(xù)測頻電路匹配。

2.4 測頻控制系統(tǒng)

以ARM和FPGA為核心,外加功能性外圍電路,實(shí)現(xiàn)對信號的采集、存儲、顯示、傳輸?shù)裙δ堋０梢詼囟妊a(bǔ)償?shù)臏匮a(bǔ)晶振作為基礎(chǔ)時(shí)鐘,ARM芯片處理各模塊的控制和采集信號,FPGA芯片進(jìn)行頻率測量,以及4×4鍵盤和192×64點(diǎn)陣顯示屏等。

2.5 定位授時(shí)系統(tǒng)

實(shí)現(xiàn)野外磁測工作中測點(diǎn)定位,為計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)鐘校準(zhǔn)提供標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間。

3 應(yīng)用試驗(yàn)

直流質(zhì)子磁力儀器試驗(yàn)環(huán)境采用野外礦產(chǎn)地質(zhì)調(diào)查真實(shí)環(huán)境,滿足環(huán)境溫度-20 ℃～+55 ℃,海拔高度3000 m以下,地勢相對平緩,沒有人文活動、無線廣播或無線通信信號干擾的環(huán)境條件。

本次試驗(yàn)地點(diǎn)選擇在內(nèi)蒙古自治區(qū)錫林郭勒盟西烏珠穆沁旗境內(nèi)毛登礦集區(qū)。地表有第四系淺覆蓋,下伏二疊系大石寨組地層。大石寨組上段地層包括凝灰質(zhì)砂巖、粉砂巖、泥巖、硅質(zhì)巖及結(jié)晶灰?guī)r、內(nèi)碎屑灰?guī)r、含泥質(zhì)條帶生物碎屑灰?guī)r;大石寨組下段包括凝灰?guī)r、安山巖、流紋巖、火山角礫巖夾少量結(jié)晶灰?guī)r、硅質(zhì)泥巖。火山熔巖見突起構(gòu)造、皮殼構(gòu)造、龜裂紋、球泡構(gòu)造,區(qū)內(nèi)出露巖體有中粒輝長巖、輝綠巖,火山巖見有流紋巖、安山巖、玄武安山巖等。航磁推斷航磁異常主要與基性侵入巖,如輝長巖、輝綠巖有關(guān),也有可能與大石寨組內(nèi)的中基性火山噴出巖有關(guān)。

3.1 動態(tài)一致性觀測

參加一致性試驗(yàn)的儀器共有5臺,一臺GSM-19T儀器用于日變觀測。三臺直流質(zhì)子磁力儀用于一致性觀測,編號分別為1#、2#和3#。還有一臺中船重工715所的連續(xù)采集的光泵磁力儀采用點(diǎn)測方式參加一致性觀測。試驗(yàn)工作在毛登工區(qū)內(nèi)工作現(xiàn)場進(jìn)行,觀測點(diǎn)數(shù)為50個,測點(diǎn)部署見圖3,試驗(yàn)數(shù)據(jù)見圖4。

圖3 磁力儀一致性試驗(yàn)測點(diǎn)分布Fig.3 Distribution of measuring points for consistency testing of magnetometers

1. 1#儀器觀測曲線;2. 2#儀器觀測曲線;3. 3#儀器觀測曲線;4.光泵磁力儀觀測曲線圖4 四臺磁力儀一致性試驗(yàn)Fig.4 Consistency test of four magnetometers

要求各儀器的試驗(yàn)觀測結(jié)果無明顯系統(tǒng)誤差,用全部儀器重復(fù)觀測值算出的總觀測均方誤差值不大于±2.65 nT。本次參加一致性試驗(yàn)的4臺儀器一致性均方誤差達(dá)到±0.57 nT。單臺儀器動態(tài)試驗(yàn)結(jié)果如下:1#儀器動態(tài)觀測均方誤差為±0.43 nT;2#儀器動態(tài)觀測均方誤差為±0.24 nT;3#儀器動態(tài)觀測均方誤差為±0.14 nT;光泵磁力儀動態(tài)觀測均方誤差為±0.25 nT。

3.2 生產(chǎn)性試驗(yàn)磁測總精度

3.2.1 工作方法

橫跨試驗(yàn)區(qū)已知礦點(diǎn)和輝綠巖體,布設(shè)三條勘探線,每條測線長度為4620 m,測線間距為400 m,點(diǎn)距為20 m。布設(shè)高精度磁測總基點(diǎn)、分基點(diǎn)(日變站),以總基點(diǎn)為儀器校正點(diǎn)?？偦c(diǎn)為全測區(qū)的零點(diǎn)(即異常起算點(diǎn))?？偦c(diǎn)的位置經(jīng)實(shí)地勘測確定。

采用1臺GSM-19T磁力儀作為日變站,采樣時(shí)間為5 s。投入3臺直流質(zhì)子磁力儀試驗(yàn)樣機(jī)和2臺GSM-19T磁力儀進(jìn)行野外生產(chǎn),外加1臺光泵磁力儀。

全面積觀測以直流質(zhì)子磁力儀為主,配以2/3工作量的同類儀器檢查,和一定量的高精度GSM-19T磁力儀質(zhì)量檢查,點(diǎn)測觀測每測點(diǎn)讀數(shù)2～5次,然后計(jì)算各臺儀器在該測點(diǎn)上的平均值。

3.2.2 高精度磁測異常特征

在3條測線上,分別做了直流質(zhì)子磁力儀和光泵磁力儀的高精度磁測,見圖5。通過對比可以看出二者比較吻合。由于質(zhì)子磁力儀是人工點(diǎn)測,點(diǎn)距20～40 m,對異常細(xì)節(jié)的刻畫不如連續(xù)采集儀器;而光泵磁力儀則對異常細(xì)節(jié)刻畫更好些,尤其對異常臨界峰值點(diǎn)記錄更準(zhǔn)確,且對諸如鐵絲網(wǎng)等人為干擾也有如實(shí)記錄。

圖5 不同磁力儀的磁測剖面Fig.5 Magnetic measurement profiles of different magnetometers

地面高精度磁測結(jié)果,航磁異常圖上的雙峰主異常依然存在,但主異常峰值上出現(xiàn)了異常細(xì)節(jié)。在該雙峰主異常的南側(cè)和北側(cè),還發(fā)現(xiàn)3個磁異常,其中北端的磁異常表現(xiàn)為低緩異常。測線磁測剖面特征見圖6。

圖6 直流質(zhì)子磁力儀磁測剖面特征Fig.6 Magnetic profile characteristics of DC proton magnetometer

從各條測線上看,Line100線可識別的磁異常有2個,分別位于116～156點(diǎn)和236～270點(diǎn)之間,異常強(qiáng)度變化分別為450 nT和350 nT。這2個磁異常均表現(xiàn)為尖峰狀態(tài),預(yù)示著磁源埋藏深度很淺。這一特點(diǎn)在光泵連續(xù)觀測磁力儀測量結(jié)果中表現(xiàn)更為清楚。顯示該線剝蝕劇烈,磁源規(guī)模不大。這一尖峰異常地表地質(zhì)出露安山巖,推斷異常由噴出的安山巖引起。

Line140線可識別的磁異常有4個,分別位于256～276點(diǎn)、352～372點(diǎn)、392～442點(diǎn)和472～512點(diǎn)之間,異常相對強(qiáng)度變化分別為600 nT、320 nT、120 nT和50 nT。這4個磁異常自南向北逐漸由尖峰狀態(tài)變成平緩高值,是磁源埋藏深度逐漸加深的表現(xiàn)。其中最南端的尖峰異常與Line100線236～270點(diǎn)之間的磁異常呼應(yīng)。根據(jù)地表見安山巖的特點(diǎn),推斷是由安山巖板狀體引起。

Line180線主要識別出2個磁異常,分別位于352～372點(diǎn)和382～442點(diǎn)之間,異常相對強(qiáng)度變化分別為480 nT和160 nT。第1個磁異常表現(xiàn)為尖峰狀態(tài),預(yù)示著磁源埋藏深度很淺,第2個磁異常表現(xiàn)得平緩,是磁源埋藏深度逐漸加深的表現(xiàn)。其中第2個磁異常與Line 140線392～442點(diǎn)之間的磁異常呼應(yīng)。根據(jù)地表見安山巖的特點(diǎn),推斷是由安山巖板狀體引起。

4 結(jié)語

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步,人們對磁測精度的要求也在不斷提高。質(zhì)子磁力儀于20世紀(jì)50年代中期問世,在地面、海洋及航空等領(lǐng)域均得到了應(yīng)用,現(xiàn)階段國際上普遍使用的GSM-19T質(zhì)子磁力儀處于同類儀器最高水平。國內(nèi)生產(chǎn)企業(yè)及科研機(jī)構(gòu)在激烈的競爭中還需加大科研力量投入,不斷提高儀器的技術(shù)指標(biāo),逐漸趕超國際先進(jìn)水平。