地磁场矢量测量

6.2　地磁场矢量测量

地磁场模量的测量解决了许多问题，取得了巨大的成效。如果能够取得地磁场矢量的信息，即除了地磁场模的大小之外，还有矢量方向的信息，磁测还会取得更大的成效。关于航空磁场矢量测量，国外进行了零星的试验工作；国内一些资深专家提出了建议，即在物探新探测器的研究方面，“使已研究的超导磁场测量仪实用化并可测分量。”^［11］“逐步实现航空、地面、井中磁场分量和梯度测量。”^［12］还有一些地磁学家很早以前就呼吁进行航空矢量磁测。为此，要使用矢量磁力仪如磁通门磁力仪、超导磁力仪；另一方面还要测定矢量磁力仪的方位，磁测的精度主要取决于测定方位的精度。要使磁测达到一定的精度，对于定向的要求是很严格的。例如，当总磁场为55 000nT，磁倾角为60°，在向北飞行时如果俯仰角误差为0.1°，可以引起约100nT的磁场分量误差。进行传统的航空磁测时，测量TMI而不管磁场传感器的方向如何，可以称为航空模量磁测。若要进行航空矢量磁测，一方面要使用可以测量磁场在某一方向上的分量的矢量磁力仪，另一方面还要解决矢量磁力仪的定向问题。这个是更重要、更难解决的技术问题，或许定向问题在卫星磁测中比在航空磁测中容易解决一些，如美国的MAGSAT卫星、丹麦的Oersted卫星和德国的CHAMP卫星上都装有磁通门磁力仪测量地磁场的3个分量（丹麦、德国的卫星另外还有欧弗豪泽质子磁力仪测量地磁场的模量，同时对磁通门磁力仪进行标定）。而卫星的姿态由星光照相机［star camera或Advanced Stellar Compass（ASC）］确定。星光照相机的定向精度为弧秒级（1弧秒＝0.000 291°），CHAMP卫星的定位精度为4弧秒，约0.001 16°。确定模量异常的精度为1～3nT，确定分量异常的精度为2～6nT。卫星飞行高度300～400km，在我国大陆和海域发现了几个大范围的磁异常，幅值在10nT上下，作者曾画出分量图并作出解释，详见第2章。

最近，德国地球科学研究中心（Geo Forschungs Zentrum Potsdam，GFZ）的Th’ebault改进和开发了一种分析由不同观测平台获得的磁测数据的方法。这种方法的理论根据是在球形锥体内拉普拉斯方程式的解，称为改进的球冠谐和分析（Revised Spherical Cap Harmonic Analysis，RSCHA）。RSCHA利用不同高度的数据，包括地面、航空和卫星磁测数据，构建区域模型。用这种分析方法，利用三个地磁台和重复观测站、航空磁测和CHAMP卫星的数据，构建了覆盖德国全境的区域模型，绘制了详细的岩石圈磁场三个分量的等值线图。北向分量x、东向分量y和垂直分量z等值线图上等值线间距为20nT，异常幅度变化范围为±260nT。

作者认为，利用Th’ebault提出的RSCHA方法，汇集我国地磁台观测数据、航空磁测数据和德国CHAMP卫星磁测数据，构建我国岩石圈磁场模型，绘制岩石圈磁场三分量图，供地质调查、矿产普查和科学研究使用，与研究开发航空矢量硬件相比，是比较容易实现的方案，所得结果可能对研究大地构造有帮助^［13］。

由于矢量磁力仪严格的定向要求在技术上很难实现，航空矢量磁测系统迟迟未出现。在21世纪伊始，澳大利亚科学家在装有航空重力梯度测量（AGG）系统FALCONTM的飞机上，同时搭载一套航空矢量磁测系统，成功地进行了探矿工作，引起地球物理学家的关注。在航空模量磁测中，为了进行补偿，在飞机上安装3个互相垂直的磁通门磁力仪，固定在机身上测量地磁场矢量的三个分量，但是由于没有关于飞机姿态的信息，不能进一步处理和解释分量测量数据，将结果转换为地理坐标系内的分量值。现在由澳大利亚BHP Billiton公司和美国Lockheed Martin公司共同开发了用于勘查矿产的航空重力梯度测量（AGG）系统FALCONTM。FALCONTM是BHP Billiton Innovation Pty Ltd.公司的注册商标，英文falcon是猎鹰、隼的意思。FALCONTM是美国出口管制产品。最近，澳大利亚BHP Billiton公司想用FALCONTM在中国进行探矿飞行，美国不允许。FALCONTM稳定平台上的惯性仪器为通门磁力仪提供了飞机姿态的信息：航向、俯仰、横滚的角度。根据其他系统的性能推测，FALCONTM稳定平台的定向精度约为10弧秒（0.0028°），由固定在机身上三个磁通门磁力仪测出的三个分量（纵向、横向、向下）数据，利用惯性仪器提供的飞机姿态信息，通过换算可得到地理坐标系中的磁场矢量的北向、东向、向下三个分量。航空矢量磁测在西澳大利亚Rocklea条带状含铁建造地区取得了良好的地质效果。航空矢量磁测目前噪声水平在50～100nT范围内，正在不断改进中，有关人员还申请了专利。

关于矢量磁测和张量梯度测量，澳大利亚知名的科学家物理学博士Cathy Foley女士认为，航空矢量磁测测量磁场的各个分量，如果没有噪声，则能较准确地确定磁化强度，但应用中噪声为±60nT。而张量梯度测量只需少数几条测线甚至一段测线即可直接准确地测定磁化强度。此外，USGS的科学家认为，非常大的地磁场矢量妨碍直接测量目标异常矢量，直接测量目标异常矢量要求以实际上达不到的精度恢复矢量传感器的姿态。例如，利用最好的姿态恢复系统，矢量磁力仪只能得到约5nT的地球坐标系中的分量准确度。张量梯度测量可回避这个难题，勿需传感器排列姿态如此精确的数据，即可提供矢量信息［14～16］。