[科普中國(guó)]-海洋磁力測(cè)量

基本概念

在海面上通過(guò)磁力儀測(cè)量地磁強(qiáng)度的方法。它是以巖石的磁性差異為前提，根據(jù)磁異常場(chǎng)的特征及其分布規(guī)律，了解海底巖石磁性不均勻性，進(jìn)而推斷地殼結(jié)構(gòu)和構(gòu)造、洋底生成和演化歷史，以及勘查大陸邊緣地區(qū)的礦產(chǎn)分布。海洋磁力測(cè)量可分為面積測(cè)量和路線測(cè)量。在大陸架區(qū)石油普查中，為查明區(qū)域構(gòu)造和局部構(gòu)造的特征，采用面積測(cè)量;在大洋中，多采用寬間距的路線測(cè)量和小范圍的面積測(cè)量，以查明條帶狀磁異常的展布方向和磁性海山的磁場(chǎng)特征。海洋磁力測(cè)量廣泛使用質(zhì)子旋進(jìn)磁力儀。質(zhì)子磁力儀測(cè)量地磁場(chǎng)總強(qiáng)度值T，包括均勻磁化球體引起的磁場(chǎng)、大陸異常、區(qū)域和局部異常、船磁場(chǎng)影響和日變磁場(chǎng)影響。為了得到反映地殼上部結(jié)構(gòu)和構(gòu)造的磁場(chǎng)異常，對(duì)觀測(cè)值須進(jìn)行正常場(chǎng)校正、船磁校正和日變校正。1

意義在測(cè)量時(shí)，為防止船體和航行對(duì)儀器的影響，以及波浪的干擾等，儀器探頭要密封，放置在海面以下的一定深度。它對(duì)研究地磁場(chǎng)及其變化、海洋地質(zhì)構(gòu)造、礦產(chǎn)預(yù)測(cè)和國(guó)防建設(shè)都具有重要意義。目前國(guó)內(nèi)只有一家公司在自主研發(fā)海洋磁力儀，目前市場(chǎng)上所使用的都是國(guó)外的品牌。

發(fā)展歷史20世紀(jì)初，海洋磁力測(cè)量是用陸地上所用的磁測(cè)儀器和方法在非磁性的木帆船上進(jìn)行的，由于速度慢、精度低，沒(méi)有大規(guī)模的應(yīng)用。1956年制造出用于海上測(cè)量的質(zhì)子旋進(jìn)磁力儀，其測(cè)量方法簡(jiǎn)便、精度高、傳感器不用定向，從而奠定了海上磁測(cè)的基礎(chǔ)。從50年代末期以來(lái)，海上磁力測(cè)量蓬勃發(fā)展，目前航跡已遍布各大洋，尤其是在大陸架區(qū)，為發(fā)現(xiàn)和圈定大型含油氣盆地作出了貢獻(xiàn)。在各大洋區(qū)所發(fā)現(xiàn)的條帶狀磁異常十分壯觀，為海底擴(kuò)張說(shuō)提供了依據(jù)。中國(guó)已完成淺海地區(qū)中等比例尺的海上磁測(cè)。

用途海洋磁力測(cè)量成果有多方面的用途。

首先，對(duì)磁異常的分析，有助于闡明區(qū)域地質(zhì)特征，如斷裂帶展布、火山巖體的位置等。磁力測(cè)量的詳細(xì)成果，可用于編制海底地質(zhì)圖。世界各大洋地區(qū)內(nèi)的磁異常，都呈條帶狀分布于大洋中脊兩側(cè)，由此可以研究大洋盆地的形成和演化歷史。也是研究海底擴(kuò)張和板塊構(gòu)造的資料。

第二，磁力測(cè)量是尋找鐵磁性礦物的重要手段。

第三，在海道測(cè)量中，可用于掃測(cè)沉船等鐵質(zhì)航行障礙物，探測(cè)海底管道和電纜等。

第四，在軍事上，海洋地磁資料可用于布設(shè)磁性水雷，對(duì)潛艇慣性導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行校正。

最后，用各地的磁差值和年變值編成磁差圖或標(biāo)入航海圖，是船舶航行時(shí)，用磁羅經(jīng)導(dǎo)航不可缺少的資料。

因此，現(xiàn)在越來(lái)越多的國(guó)家都把海洋磁力測(cè)量作為海洋測(cè)量的重要內(nèi)容，把海洋地磁圖作為海洋區(qū)域的基本海圖之一。

測(cè)量?jī)x器一、GB-6型海洋氦光泵磁探儀

GB－6型海洋氦光泵磁探儀是一種原子磁力儀，是一種高精度磁異常探測(cè)器，適合于航空及海洋地球物理勘探中高精度磁測(cè)量，也可用于航空磁異常探潛。該儀器具有數(shù)字化、模塊化、小型化和系統(tǒng)集成特點(diǎn)。用光泵技術(shù)制成的高靈敏度磁探儀，無(wú)零點(diǎn)漂移、不須嚴(yán)格定向，對(duì)周?chē)艌?chǎng)梯度要求不高，可連續(xù)測(cè)量等顯著優(yōu)點(diǎn)，可廣泛用于航空及海洋地球物理勘探；航空探潛及探雷等軍事目的。

該儀器已廣泛用于港口、航道、錨地等對(duì)泥下障礙物、管道探測(cè)及海纜路由調(diào)查、重要工程水域磁場(chǎng)測(cè)量等海洋工程開(kāi)發(fā)中，在海上和長(zhǎng)江中已完成數(shù)十次探測(cè)與定位、打撈作業(yè)。

二、海洋磁力測(cè)量廣泛使用核子旋進(jìn)磁力儀，它是利用氫質(zhì)子磁矩在地磁場(chǎng)中自由旋進(jìn)的原理來(lái)測(cè)量地磁場(chǎng)總向量的絕對(duì)值。煤油、水、酒精等都含有不?！白孕钡臍滟|(zhì)子，并產(chǎn)生一個(gè)“自旋”磁矩，稱(chēng)質(zhì)子磁矩。這些質(zhì)子在沒(méi)有外磁場(chǎng)作用時(shí)，其指向毫無(wú)規(guī)則，宏觀磁矩為零。當(dāng)含氫液體處在地磁場(chǎng)中，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間，磁矩的方向就趨于地磁場(chǎng)的方向。如果加一個(gè)垂直于地磁場(chǎng)T 的強(qiáng)人工磁場(chǎng)H0（大于100奧斯特），則迫使質(zhì)子磁矩趨于H0的方向。當(dāng)人工磁場(chǎng)突然消失，質(zhì)子磁矩受地磁場(chǎng)的作用，將逐漸回到T 的方向上去。因?yàn)槊總€(gè)質(zhì)子具有“自旋”磁矩，同時(shí)受地磁場(chǎng)T 的作用，就產(chǎn)生了質(zhì)子磁矩繞地磁場(chǎng)T 的旋進(jìn)現(xiàn)象，即所謂質(zhì)子旋進(jìn)。旋進(jìn)的圓頻率ω與地磁場(chǎng)總強(qiáng)度T的絕對(duì)值T成正比，即旋進(jìn)的頻率越高地磁場(chǎng)越強(qiáng)。

ω=νpT

式中ω=2πfp，fp為旋進(jìn)頻率；νp為磁旋比，νp=26751.3/（奧斯特·秒）。經(jīng)換算：T=23.4874fp(伽馬)（1伽馬=10-5奧斯特）。

由此可見(jiàn)，地磁場(chǎng)的測(cè)量可以轉(zhuǎn)化為旋進(jìn)頻率的測(cè)量。在電路中采用放大、倍頻和控制電子門(mén)開(kāi)啟時(shí)間的方法，可將測(cè)量結(jié)果直接以伽馬示出。

為了消除日變和海岸效應(yīng)的影響，在海洋質(zhì)子旋進(jìn)磁力儀的基礎(chǔ)上制造了海洋質(zhì)子磁力梯度儀。它的基本結(jié)構(gòu)是由兩臺(tái)高精度的同步質(zhì)子旋進(jìn)磁力儀、微分計(jì)算器、雙筆記錄器和由同軸電纜拖曳船后兩個(gè)一前一后的傳感器組成，傳感器間的距離大于 100米。磁擾動(dòng)場(chǎng)的影響，可由兩個(gè)相同傳感器獲得的總磁場(chǎng)強(qiáng)度差值中消除，實(shí)際上得到的是總磁場(chǎng)強(qiáng)度的水平梯度值。然后對(duì)水平梯度值進(jìn)行積分，得到消除了日變和海岸效應(yīng)的總磁場(chǎng)強(qiáng)度值。這樣，海洋質(zhì)子磁力梯度儀作大洋磁測(cè)就無(wú)須再設(shè)置日變觀測(cè)站，即可消除日變和海岸效應(yīng)的影響，因而比質(zhì)子磁力儀更適合于海上測(cè)量。

由于大氣受太陽(yáng)輻射的影響，引起電離層的變化，致使磁場(chǎng)發(fā)生短周期的變化，這種現(xiàn)象稱(chēng)為日變。由于海水和巖石之間,不同巖性的巖石之間有電導(dǎo)率的差異，致使大地電磁場(chǎng)在海陸和不同巖石之間的邊界發(fā)生畸變。這種畸變是一種不規(guī)則的磁擾，因地而異，尤其是在海溝和島弧地區(qū)更為明顯，這種現(xiàn)象稱(chēng)之為海岸效應(yīng)。

測(cè)量方法海洋磁力測(cè)量可分為面積測(cè)量和路線測(cè)量。在大陸架區(qū)石油普查中，為查明區(qū)域構(gòu)造和局部構(gòu)造的特征，采用面積測(cè)量。大洋中，多采用寬間距的路線測(cè)量和小范圍的面積測(cè)量，以查明條帶狀磁異常的展布方向和磁性海山的磁場(chǎng)特征。

地磁日變觀測(cè)站應(yīng)選設(shè)在平靜磁場(chǎng)區(qū)，日變的基線值采取海上工作前某一天的靜磁日24小時(shí)平均值。根據(jù)觀測(cè)值做出日變曲線，供日變改正之用。

為消除船體感應(yīng)磁場(chǎng)和固定磁場(chǎng)對(duì)傳感器的影響，除加長(zhǎng)拖曳電纜外，還進(jìn)行方位測(cè)量，測(cè)量值經(jīng)日變改正后，得出方位曲線，提供船磁改正之用。由于不同緯度地區(qū)的磁傾角不同，同一條船在不同緯度地區(qū)的方位曲線也不相同。因此，應(yīng)盡量采用與測(cè)區(qū)緯度相近地區(qū)所做的方位曲線。

海洋磁異常的特征在大陸架和大陸坡上的磁異常屬大陸性的，它與磁性體的產(chǎn)狀關(guān)系密切，形成較為復(fù)雜的磁異常圖像。通過(guò)對(duì)磁異常的分析和解釋?zhuān)梢赃M(jìn)行構(gòu)造分區(qū)，確定沉積盆地的范圍和次一級(jí)的隆起和凹陷，大斷裂帶的展布和火成巖活動(dòng)區(qū)，進(jìn)而推斷礦床的分布。大洋盆地的磁異常特征與大陸截然不同，它表現(xiàn)為正負(fù)相間互相平行的條帶狀磁異?；蛴纱判院Ｉ?、海山鏈引起一系列高幅度的尖峰狀磁異常和由它組成的鏈狀磁異常。通過(guò)對(duì)條帶狀磁異常的分析，可以推斷大洋盆地的形成和年代。

測(cè)值校正質(zhì)子磁力儀在實(shí)際測(cè)量中的地磁場(chǎng)總強(qiáng)度值T,包括均勻磁化球體引起的磁場(chǎng)、大陸異常，區(qū)域和局部異常、船磁影響和日變磁場(chǎng)。為了得到反映地殼上部結(jié)構(gòu)和構(gòu)造的磁異常，對(duì)觀測(cè)值須進(jìn)行正常場(chǎng)校正、船磁校正和日變校正。

① 正常場(chǎng)校正。正常場(chǎng)包括均勻磁化球體引起的磁場(chǎng)和大陸異常，它們的起因與地球的外核有關(guān)。在海洋磁測(cè)中，國(guó)際上廣泛采用國(guó)際地磁參考場(chǎng)(IGRF)，此時(shí)地球的磁位為式中g(shù)嬘和h嬘稱(chēng)高斯系數(shù); P嬘(cosθ)稱(chēng)施密特形式的締合勒讓德函數(shù)；α為赤道半徑；γ為球心半徑；θ為從北極起算的余緯度；λ為從東起算的經(jīng)度。公式中所用的8階球諧函數(shù)的系數(shù)以及年變化率每10年公布一次。

②日變校正。根據(jù)地磁日變站或地磁臺(tái)的日變曲線進(jìn)行日變校正。若出現(xiàn)復(fù)雜的磁擾或磁暴而無(wú)法進(jìn)行校正時(shí)，要在測(cè)線上注明，以免在解釋推斷上帶來(lái)錯(cuò)誤。

③船磁校正（方位校正）。船磁校正是根據(jù)方位曲線進(jìn)行的。通常以主測(cè)線方向的校正值為零，對(duì)其他航向上的觀測(cè)值減去相對(duì)零線的方位偏離值。

經(jīng)過(guò)上述校正所得到的磁異常值ΔT加以圖示，做出海洋磁力測(cè)量的基本圖件：剖面圖、平面剖面圖和等值線圖。同時(shí)對(duì)磁異常進(jìn)行定性或定量的解釋?zhuān)浪愦判泽w的最小埋藏深度和視磁化率，進(jìn)而揭示地殼的磁性結(jié)構(gòu)和構(gòu)造。2