Изучение рассмотренных выше естественных геофизических и техногенных физических полей проводится методами грави-, магнито-, электро-, сейсмо- и терморазведки, а также ядерной геофизики (см. разд. 2.3). При этом используется аппаратура, предназначенная для работ с одним или несколькими методами. Геофизическая аппаратура отличается разнообразием. Принципы измерения тех или иных параметров физических полей регулярно обновляются через 5-10 лет. Ведущей тенденцией непрерывно обновляющейся техники является повышение помехоустойчивости, точности, компьютеризация процессов измерения и предварительной обработки полученных материалов в ходе проведения работ.
Рассмотрим назначение, принципы устройства и краткую характеристику некоторых геофизических приборов, используемых в России в конце XX в.
4.2.1. Гравиметры и магнитометры. В гравиразведке основным методом является гравиметрическая (гравиметровая) съемка. Она проводится с помощью переносных гравиметров, предназначенных для измерения приращений (относительных значений) силы тяжести Δg т.е. разности между gH в любой наблюдаемой точке и величиной g в некоторой исходной опорной точке. В качестве опорных точек выбираются пункты гравиметрической сети страны, которые располагаются в городах и крупных населенных пунктах, а часто на базе экспедиций или партий. Величина Δg является разностью отсчетов по прибору во всех точках по сравнению с опорной.
Чувствительным (измерительным) элементом гравиметров является кварцевая пружина или кварцевая нить (иногда их комбинации), находящаяся в так называемом астазированном, или напряженно-неустойчивом упругом, состоянии. Эталонная масса
83
(грузик), подвешенная на пружине или нити, под действием силы тяжести отклоняется от положения равновесия. Разность таких отклонений на любом пункте наблюдения и на исходной точке, отсчитываемая по шкале специальной оптической системы, позволяет рассчитать Δg. Чувствительность современных гравиметров меняется от 0,1 до 0,005 мГал (1 Гал = 1см/с2), а величина Δg / g = 10-7 - 10-8.
В настоящее время распределение силы тяжести на суше и в океанах получают также с помощью наблюдений за траекториями спутников (альтиметрические наблюдения). Отклонение орбит спутников от теоретически рассчитанных для однородно-слоистого эллипсоида вращения, каким в расчетах представляется Земля, позволяет вычислить распределение силы тяжести на Земле. Для работы в океанах и на морях используются донные и набортные гравиметры.
Магнитные измерения проводятся с помощью наземных (полевых), самолетных, корабельных, скважинных магнитометров, предназначенных для определения относительных (приращений по отношению к опорному или исходному пункту) значений полного вектора напряженности геомагнитного поля (ТH , ΔTH) или полного вектора магнитной индукции (Т = μTH, где μ - магнитная проницаемость среды). Некоторые магнитометры предназначены для определения вертикальных составляющих вектора ТH (ZH, ΔZH).
Раньше напряженность геомагнитного поля измерялась в гаммах (1 γ = 10-5 Э, где 1 Э (эрстед) равен 103/4π А/м). Современными магнитометрами измеряется магнитная индукция, а единицей измерения считается нанотесла (нТл), равная 10-9 Тл. Так как реально магнитные съемки ведутся в немагнитной среде (μ = μ0 = 4π · 10-7 Гн/м), то магнитная индукция, равная 1 нТл, соответствует напряженности поля в 1 γ.
Исторически первыми для измерения ΔZH использовались приборы, действующие на основе взаимодействия магнитной стрелки с геомагнитным полем. При измерении ΔZH стрелка крепилась на горизонтальной упругой нити. Ее наклон, пропорциональный ZH, регистрировался с помощью оптической системы. Оптико-механические магнитометры такого типа обеспечивали чувствительность до 4 - 5 γ.
Магнитометры, работа которых основана на измерении нелинейной зависимости магнитной проницаемости ферромагнитных сплавов от величины намагничивающего поля, называются феррозондовыми. В них имеется "магнитный мост", состоящий из двух стержней, помещенных в катушки с обмотками, поверх которых расположена третья измерительная катушка. Если по проводам катушки пропустить ток известной амплитуды и частоты,
84
то в измерительной обмотке возникает электродвижущая сила (ЭДС), пропорциональная напряженности геомагнитного поля. Достигнутая чувствительность феррозондовых магнитометров ΔTH или ΔZH составляет 2 - 4 γ.
Работа ядерно-прецессионных (протонных) магнитометров основана на определении частоты прецессии протонов (ядер водорода) вокруг полного вектора напряженности геомагнитного поля, или магнитной индукции Т. Процесс измерения складывается из "подмагничивания" сосуда с водородосодержащей жидкостью (керосин, спирт), который помещается в обмотку катушки, питаемой от батарейки. Ядра водорода, являясь элементарными магнитиками, устанавливаются по полю, созданному электромагнитом. Если отключить батарейку, то протоны прецессируют, вращаясь, как юла,и устанавливаются вдоль вектора Т, индуцируя в катушке ЭДС, частота которой пропорциональна Т. Чувствительность протонных магнитометров составляет единицы нанотесла.
Приборы другого типа действуют на основе квантовых эффектов, заключающихся в изменении частоты электромагнитного излучения, возникающего при переходе электронов атомов вещества с одного энергетического уровня на другой (так называемый эффект Зеемана). Если посредством определенного воздействия "заставить" часть электронов в атомах подняться на верхний уровень, а затем убрать воздействие, то электроны синхронно опустятся на прежний уровень. В результате такого перехода возникают электромагнитные сигналы на частоте, определяемой квантовыми характеристиками вещества и напряженностью геомагнитного поля Т. Воздействие ("оптическая накачка") осуществляется освещением вспышкой света газов (пары цезия, рубидия). Магнитометры, основанные на этом принципе, называются квантовыми. Чувствительность подобных магнитометров при измерении Т около 1 нТл.
В аппаратуре для аэромагнитной и гидромагнитной съемок (феррозондовых, протонных, квантовых магнитометрах) ЭДС, получаемые на выходе датчиков, усиливаются и регистрируются на аналоговых (видимые ленты с измерениями параметров поля) или цифровых (сигналы записываются в цифровой форме, как в электронных вычислительных машинах) регистраторах.
85
