地面磁梯度张量测量

6.3　地面磁梯度张量测量

测量地磁场矢量三个分量的空间变化率，是目前各国地球物理学家的研究和开发的热点，既关系到地球物理勘探，又关系到国防建设。测量地磁场矢量三个分量的空间变化率，使用矢量磁力仪（分量磁力仪），如磁通门磁力仪和超导磁力仪（SQUID），后者又分为高温（77K，使用液氮冷却）和低温（4K，使用液氦冷却）两种。两种超导磁力仪分别简写为HTS　SQUID和LTS　SQUID。SQUID受到科学家们的特别青睐。将SQUID设计成梯度装置，可测量地磁场矢量三个分量的空间变化率，测得所谓的磁梯度张量。利用张量梯度代替总磁场梯度有两个优点：一是由梯度张量算出的不变量等值线图易于解释；二是可利用偶极子追踪算法精确确定磁偶极子的深度和水平位置^［17］。

我们了解一些磁梯度张量的基本性质。三个互相垂直的轴上三个磁场分量的空间变化率，共九个值，是磁梯度张量G的要素：

其中B_x、B_y和Bz是以下矢量的三个分量：B＝B_a＋B_o。这里B_a是异常磁场，B_o是地球的主要磁场。

由于地球主要磁场的梯度一般比异常磁场的梯度小很多，而且还可以由IGRF模型算出，从测得的张量值中减去，张量G可看作只是由某种磁性体产生的磁场的梯度。虽然梯度张量有九个要素，由于在无源空间中B的散度和旋度均为零，因此有：

divB＝0　　　　　　　　　　　　　（6.1）

rot　B＝0　　　　　　　　　　　　（6.2）

或写为：

因而B_xx＋B_yy＋B_zz＝0；B_xyB_yx＝0，B_xzB_zx＝0，B_yzB_zy＝0，由此在九个要素中，只有五个要素是独立的。

可见，这个梯度张量是对称的，其迹为零，B_xy＝B_yx，B_xz＝B_zx，B_yz＝B_zy，traceG＝B_xx＋B_yy＋B_zz＝0。我们可以把这个张量旋转到另一个参考系，使非对角线元素为零，此时对角线元素是特征方程的根，或本征值，都是实数。特征方程的系数是正的，在转动中保持不变。这些系数即I₀、I₁、I₂不变量，可直接由张量要素计算（在任何坐标系中）：

在世纪之交，美国地质调查所USGS将固定在台站上观测、研究火山活动的张量磁梯度系统（Tensor Magnetic Gradiometer System，TMGS），并加以改装，进行证实原理的试验工作，结果表明这种TMGS可用来探测UXO效果良好。TMGS的基本传感器就是磁通门磁力仪，整个系统有12个磁通门磁力仪，见图61及图62^{［18～19］}。