地磁场观测

地磁场观测就是在观测点处使用专业的仪器测量地磁场的方向和量值或发现异常。最早的观测仪器是指南针和罗盘，19世纪的找矿者往往利用罗盘来发现异常，找出铁矿。

16.1.1 磁力仪

通常把进行地磁场数据采集及测定岩石磁参数的仪器统称为磁力仪。

20世纪50年代及其以前，地磁场观测所用仪器的工作原理是磁针在异常磁场作用下偏离正常地磁场的现象。它们的灵敏度都比较低，大约在10n T左右。

随着现代科学技术的发展，当前磁力勘探仪器已从机械式发展到电子式。并采用了近代物理学的质子旋进、磁通门、光泵与超导等原理制作磁力仪，使磁力仪的精度提高了几个数量级。野外工作中用得最多的是磁通门磁力仪、质子旋进磁力仪，而超导磁力仪主要用于实验室中弱磁样品测量。

1.磁饱和磁力仪（又名磁通门磁力仪）

仪器的核心部分是两个绕有线圈的铁心。铁心是由磁导率极高的磁性材料制成，其磁滞回线极窄，近似于一根曲线，容易在很弱的磁场里达到饱和磁化。

先在两个铁心上分别绕上初级线圈。两个绕有初级线圈的铁心应具有等同的电磁性质。将它们平行地放在一起，两个初级线圈反向串联，再在它们的外面绕以次级线圈。给初级线圈输入低频（50～1000Hz）恒稳交变电流，其强度足以使两个铁心在每个交变周期内正、反方向都达到饱和磁化。令两个铁心的磁感应强度分别为B1和B2，则这个系统磁感应总强度B=B1+B2，而次级线圈的感应电动势与d B/dt成正比。

令He为外磁场强度。当没有外磁场，即He=0时，由于两个铁心的初级线圈是反向的，所以它们的磁化场是反向对称的。因而它们的磁感应强度曲线也是反向对称，即B1=-B2，这时，次级线圈输出的电压为零。当外磁场He≠0时，两铁心的磁化场不对称，它们的磁感应强度曲线也不对称，即B1≠B2。于是一个铁心的磁化先达到饱和，次级线圈有电压输出，其值正比于d B/dt，因而产生电压脉冲，脉冲的强度与外磁场强度He成正比。

磁通门磁力仪的优点是能测量磁场各个分量，操作方便，重量轻，体积小；但缺点是两铁心不可能完全等同，且受到温度、冲击噪声等的影响。

磁通门磁力仪的灵敏度为0.2n T。我国开发研制的CCM4型磁通门磁力仪分辨率达1n T，量程±19999n T；CCT2型智能化磁通门磁力梯度仪分辨率达0.1n T，温度系数小于0.5n T/℃，稳定性在常温下4h平均漂移小于1n T/h。

2.质子旋进磁力仪

质子磁力仪在航空、海洋及地面等领域均得到了应用。它具有灵敏度、准确度高的特点，但只能测量地磁场总强度T的绝对值（或相对值）和梯度值。

设有一强磁场，其方向垂直于我们想要观测的地磁场的方向。氢原子核（质子）因自旋而有磁矩。当质子的磁矩被该强磁场极化时，质子就在垂直于地磁场方向的平面内旋进。而当极化磁场突然消失时，质子则在自旋惯性力和地磁场磁力的合力作用下绕地磁场方向旋进。此时，质子旋进（又称拉莫尔旋进）的角速度ω将与地磁场的总强度T成正比，即

ω=γpT（16-1）

式中，γp为质子的自旋磁矩与角动量之比，叫作质子磁旋比（或回旋磁化率），它是一个常数。根据我国国家标准局1982年颁布的质子磁旋比数值为

γp=（2.6751987±0.0000075）×108T-1S-1（16-2）

由式可见，只要能准确测量出质子旋进频率f（f=T-1），乘以常数就可求得地磁场的总强度T。用质子旋进磁力仪测量磁场强度，其观测精度与测定频率ω的精度相当。目前，ω的测定精度可达0.25×10-4，质子旋进磁力仪的灵敏度也达到0.1n T。

质子磁力仪的探头容器中有蒸馏水、酒精、煤油、苯等富含氢的液体，容器的外面绕以线圈。由于质子是一个运动的电荷，当其旋进时，在线圈中就感应产生随旋进频率的变化而变化的交变电压。准确测定交变电压的频率f，就可由下式求得地磁场的总强度T。

T=23.4874f（n T）（16-3）

理论分析表明，线圈轴线与T的夹角θ在0°～90°变化，其大小会影响旋进信号的振幅，而与旋进频率无关。当θ=π/4，信号幅度会降低到最大幅度的一半。因此，探头定向只要求大致与T相垂直。但θ接近于零度时，则是探头的工作盲区。

质子旋进磁力仪的优点是不需调水平及方位，因而适用的范围广，特别是海上与航空地磁测量。缺点是不能连续观测。

16.1.2 磁测工作方法

磁测工作按其观测环境（或磁力仪搭载平台）不同可分为地面磁测、航空磁测、海洋磁测、卫星磁测及井中磁测等。按其测量参量不同分为垂直磁异常、水平磁异常、总强度磁异常及各种梯度磁异常测量等。任何磁测工作，必须有合适的工作方法和技术，才能获得有价值的数据，从而为磁异常资料的分析解释和获得可靠的地质结论提供基础。

磁力勘探工作通常包括以下4个阶段。

1.设计阶段

接受任务后，在进行野外观测前，首先要收集有关工区的地质、地球物理等资料，并组织现场踏勘，根据已经了解到的有关探测目标的各种情况，包括目标的形状、大小、埋深、可能产生的异常幅度等，恰当地选择灵敏度与观测要求相匹配的观测仪器、测量方法和测网的密度（测线距及测点距）。然后编写工区磁测工作的设计书，经业主批准后施工。

2.施工阶段

包括施工前仪器设备的性能检查、测区测网的布设、基点及基点网的建立、磁数据的观测、物性标本采集和测定、质量检查、室内整理计算及绘制各种野外成果图件。

类似重力探测，为保证观测精度，控制观测过程中仪器零点位移及其他因素对仪器的影响，便于将观测结果换算到统一的水平，在磁法野外观测工作中要适当选取基点，建立基点网，对基点进行较高精度的观测。

基点可分为总基点、主基点及分基点。总基点和主基点是观测磁场的起算点。当测区面积很大而必须将它划分成几个分工区进行工作时，必须设立一个总基点。若干分工区的主基点形成一个基点网，进而根据情况需要可设立分基点网。

为保证基点观测精度，必须选用高精度仪器，在日变幅度小和温差较小的早晨或傍晚前短时间内进行闭合观测。

在高精度磁测时，如不设立分基点网进行混合改正，则必须设立日变观测站，以便消除地磁场周、日变化和短周期扰动等影响。

地磁场是随时间而变化的。这种地磁场随时间的变化必须从磁测中消除，才能得出反映我们寻找的目标所引起的局部异常。在出现磁暴时，当然应停止观测。

日变观测的仪器应与工作区所用的仪器是同一类型，这样得到的观测结果，才能相互对比。日变观测点应选择在远离人为磁干扰源（如输电线、电厂、工厂、公路、铁路等）的地方。在地磁场比较平静时，日变观测可每隔0.5～1h观测一次。

除日变改正外，磁测还有正常场改正和高度改正。当勘查的面积很小时，正常场改正值可以根据该区的地磁正常场取定一个数值。而正常地磁场垂向梯度一般都相当小，如T=50000n T时，垂向梯度只有-0.0235n T/m，因此在测区地形变化不大的情况下，高度改正常可忽略不计。

普通点观测就是按设计测线对一般测点进行观测。每天测线普通点观测都必须始于基点并且终于基点。如果工区建立了分基点网，要求测量过程中2～3h闭合一次分基点观测。

普通点观测完毕，还必须在整个工区选取一定的点数作为检查点进行检测，计算工区观测误差，对工区的观测质量进行评价。

3.数据整理阶段

根据所获得的磁测资料及地质任务，提出相应数据处理方案，并进行处理和正反演计算，为磁测异常的分析解释提供资料。

观测点的观测值是各种源产生的磁场的叠加，为得到研究人员感兴趣的磁异常，需要对观测结果进行校正处理。理论上说，这些校正包括正常场校正、正常地磁场水平与垂直梯度校正、日变校正。而水平梯度校正是与经、纬度有关的校正，垂直梯度校正就是高度校正，当在地面进行较低精度观测时，垂直梯度校正可忽略。

正常场校正用于消除地球内部场引起的磁场强度的空间变化，一般相当于重力值的纬度校正。由于计算正常磁力效应的数学表达式十分复杂，所以校正值一般由查地磁图来确定。

日变校正用于消除地磁场的日变影响。地磁场的日变值为10～100n T甚至更大一些，而磁测精度要比这个数量小得多，因此日变校正是项很重要的校正处理。

基点网平差就是消除基点网观测中出现的闭合差，具体实施办法与重力基点网平差相同。

4.解释分析和提交成果报告阶段

进行定性、定量与综合解释，并按设计要求编写成果报告。显示磁异常的基本图件有3种，即异常剖面图、异常平面等值线图和异常平剖图。