Известные методы регистрации параметров ГМП

Магнитное поле Земли характеризуется следующими основными параметрами: величинами магнитного склонения и магнитного наклонения и численными значениями напря­женности магнитного поля. Магнитное склонение представ­ляет собой угол между астрономическим (географическим) меридианом и магнитным меридианом. Астрономический меридиан - направление, определяющее истинное положение север - юг в данном месте. Магнитный меридиан - вообра­жаемая линия на земной поверхности, совпадающая с направ­лением земного магнитного поля. Магнитное наклонение ­- угол между горизонтальной плоскостью и направлением вектора напряженности магнитного поля. За единицу напря­женности магнитного поля принимают ампер на метр (А/м). Различают вертикальную и горизонтальную составляющие вектора напряженности магнитного поля. На магнитных полюсах вертикальная составляющая и вектор полной напря­женности поля равны друг другу. Горизонтальная составля­ющая равна нулю. У магнитных полюсов свободно подвешен­ная магнитная стрелка принимает вертикальное положение. На магнитном экваторе вектор напряженности магнитного поля направлен горизонтально, т. е. совпадает с горизонталь­ной составляющей по значению и направлению. Аналитический расчет напряженности магнитного поля Земли, за исключением, территории полюсов, дает приближенное значение из-за неучета ряда магнитных аномалий, и особенно, из-за сложности учета влияния магнитного поля верхних слоев атмосферы.

Измерения магнитного поля Земли и его вариаций проводят как на стационарных пунктах - магнитных oбсерваториях, которых насчитывается на Земле около 150, так и при магниторазведочных работах. Абсолютные определения полного вектора напряженности геомагнитного поля сводятся к измерению, как правило, трех его элементов (например,Z, D, H). Для этого применяют сложные трехкомпонентные магнитные приборы, которые называются магнитными теодолитами и вариационными станциями.

При геологической разведке измеряют абсолютные Z, T и относительные (по отношению к какой-нибудь исходной (опорной) точке ΔZ, ΔT) элементы.

Приборы для магнитной разведки (магнитометры) характеризуются разнообразием принципов устройства. В основном используются четыре типа магнитометров - оптико-механические, феррозондовые, протонные и квантовые.

Геомагнитное поле в каждой точке характеризуется вектором напряжённости, направление и величина которого определяются тремя ортогональными компонентами (северной, восточной и вертикальной) и модулем полного вектора, склонением (угол между горизонтальной компонентой и географическим меридианом) и наклонением (угол между полным вектором и горизонтом). Величина вектора напряжённости магнитного поля Земли измеряется в нанотеслах (нТл) и меняется от 6,8•10⁵ нТл на полюсах до 3•10⁵ нТл на экваторе. Геомагнитное поле в первом приближении можно представить полем однородно намагниченного шара, магнитный момент которого направлен под углом 11,5° к оси вращения Земли, или полем диполя. Полюсы геомагнитные (однородно намагниченного шара) и полюсы магнитные (реальные полюсы Земли) задают систему геомагнитных координат (широта геомагнитная, меридиан геомагнитный) и магнитных координат (широта магнитная, меридиан магнитный). Отклонения геомагнитного поля от поля диполя (шара) называют аномалиями (см. геофизическая аномалия).

Геомагнитное поле характеризуется неоднородной пространственной структурой и широким спектром вариаций. Это объясняется тем, что оно создаётся за счёт источников различной природы. Возникновение основных компонентов (96-99%) поля, согласно наиболее распространённой гипотезе, объясняется движением электропроводящего вещества в жидкой части ядра, которое приводит к самовозбуждению главного магнитного поля (ГМП). Изменения ГМП состоят из глобальных, к которым относятся уменьшение магнитного момента со скоростью 25 нТл в год, смещение к западу ("западный дрейф") со скоростью 0,2° в год и изменения (вековые вариации) с амплитудами 150-180 нТл в год, охватывающие крупные регионы. Характерное время вариаций ГМП от 20 до 2,4•10³ лет определяется из прямых наблюдений и археомагнитных данных; палеомагнитные наблюдения позволили выявить также смену полярности, т.н. инверсии, которые происходят через интервалы времени от 5•10⁵ до 5•10⁷ лет.

Взаимодействие потока заряженных частиц (солнечного ветра) с ГМП приводит к образованию в пространстве, окружающем Землю, магнитосферы, в пределах которой возникают сложные токовые системы, создающие внешнее магнитное поле (ВМП). Эта часть поля наиболее динамична, его изменения имеют период от долей секунд до 11 лет и связаны с изменением солнечной активности.

Для изучения магнитного поля проводят магнитные съёмки (в основном магнитометрами) на суше, в океанах (на немагнитных судах или с датчиками, буксируемыми за судном), в воздушном пространстве (аэромагнитная съёмка), с 1964 — глобальные съёмки с искусственных спутников Земли. Результаты съёмок представляются в виде карт различных масштабов, на которых точки с равными значениями склонения, наклонения и напряжённости соединяются линиями равных значений (соответственно изогонами, изоклинами и изодинамами). Карты составляются для определенного момента времени (эпохи); на картах элементов указывается величина годовых изменений геомагнитного поля. Наряду с картами составляются аналитические модели. В 1968 в качестве стандарта при глобальных исследованиях была принята международная модель магнитного поля Земли. Координация исследований геомагнитного поля в глобальном масштабе осуществляется Международной ассоциацией по геомагнетизму и аэрономии.

Под действием геомагнитного поля магнитная стрелка располагается вдоль магнитного меридиана. Это явление с древнейших времён используется для ориентирования на местности, в геодезической и маркшейдерской практике и т.д. горные породы, содержащие ферромагнитные минералы, намагничиваются в геомагнитном поле, создавая аномалии, на основе изучения которых проводят поиски и разведку месторождений, геологическое картирование территорий (см. магнитная разведка, магнитный каротаж). На основе определения остаточной намагниченности горных пород восстанавливают историю геомагнитного поля (палеомагнитные реконструкции). По изменению остаточной намагниченности, обусловленной инверсией геомагнитного поля, расчленяют толщи осадочных или вулканических пород, уточняют датировку их возраста и последовательность геологических событий. Вариации ВМП используются для разведки полезных ископаемых и изучения внутреннего строения Земли (см. магнитотеллурические методы разведки). Изучение внешней (индуцирующей) и внутренней (индуцированной) частей поля позволяет судить о распределении проводимости внутри Земли.

Чувствительная магнитная система оптико-механических магнитометров состоит из магнита, который может вращаться либо вокруг вертикальной оси (подобно магнитной стрелке в компасе) для измерений приращений горизонтальной составляющей в двух точках (ΔH), либо вокруг горизонтальной оси для измерения приращений вертикальной составляющей (ΔZ). Углы отклонения, пропорциональные Δ H илиΔZ, определяются с помощью специальной оптической системы. Сняв отсчеты по магнитометру в двух точках (n и n₀), можно определить приращение, например, ΔZ=c(n-n₀), где с - цена деления магнитометра. Ее определяют путем градуировки с помощью эталонировочных магнитов. На этом принципе был построен магнитометр, названный весами Шмидта, применявшийся в магниторазведке для измерения ΔZ свыше 50 лет. Среди отечественных магнитометров к этому типу относились полевые приборы М-2, М-18, М-27, а также приборы для измерения магнитных свойств образцов М-14 и астатические магнитометры. Погрешности в определениях ΔZ с помощью таких магнитометров составляют нТл.

Измерителем поля в феррозондовом магнитометре является феррозонд (или магнитомодулярный датчик), представляющий собой катушку с ферромагнитным сердечником. Первичная обмотка сердечника возбуждается от вспомогательного звукового генератора частотой 200 гц. Под его воздействием меняется магнитная проницаемость материала сердечника, а это, вследствие законов индукции, приводит к тому, что во вторичной обмотке катушки возникает электродвижущая сила, пропорциональная вектору напряженности магнитного поля Земли, направленному вдоль оси сердечника.

Для измерения вертикальной составляющей феррозонд ориентируется по вертикали особым маятником, помещенным в кардановом подвесе. Последний снабжен демпфирующим устройством для быстрого затухания колебаний. Феррозонд подключается к измерительному блоку. В нем помещен звуковой генератор, переключатель поддиапазонов, переключатель компенсации магнитного поля, измерительный индикаторный прибор. Среди отечественных магнитометров к этому типу относится магнитометр М-17, предназначенный для измерения ΔZ с точностью до 1 5 нТл.

На феррозондовом принципе изготовлялись отечественные аэромагнитометры - АЭМ-49, АМ-13, АММ-13, АСТ-46, АМФ-21 и др. В аэромагнитометрах измерительный феррозонд с помощью особых карданных устройств и двух дополнительных взаимно перпендикулярных феррозондов устанавливается вдоль полного вектора напряженности магнитного поля Земли. Он помещается в специальной гондоле и буксируется за самолетом на кабеле длиной 40 - 50 м. Электрический сигнал с этого блока по кабелю попадает на пульт магнитометра, установленный на самолете, где усиливается электронным усилителем, выпрямляется и попадает на автоматическое компенсационное устройство и особый самописец. На ленте, кроме напряженности поля ΔT, записываются высота полета, марки времени, отметки ориентиров или синхронных аэрофотоснимков. Аэромагнитометры устанавливаются на самолетах легкого типа или на вертолетах. Погрешности измерений ΔT-аэромагнитометрами не превышают 20 нТл.

Чувствительным элементом протонного магнитометра является жидкость, богатая протонами (вода, спирт). Сосуд с этой жидкостью помещается внутри питающей (поляризационной) катушки, в которой с помощью постоянного тока от батарейки создается магнитное поле. Его надо направить перпендикулярно полному вектору магнитного поля Земли в данной точке (T). Жидкость "намагничивается" в течение примерно двух секунд, и все протоны, которые можно считать элементарными магнитиками, устанавливаются вдоль намагничивающего поля. Затем намагничивающее поле быстро выключается. Протоны, стремясь установиться вдоль вектора , колеблются (прецессируют) вокруг него и индуцируют в измерительной катушке очень слабую ЭДС, частота которой пропорциональна величине напряженности поля T. На этом принципе были изготовлены отечественные магнитометры: полевой (МПП-203) с погрешностью измерений T до 2 нТл, а также аэромагнитометр (МСС-214) и гидромагнитометр (ММП-3) с погрешностями порядка 3 нТл.

Под действием геомагнитного поля магнитная стрелка располагается в плоскости магнитного меридиана. Это явление с древнейших времён используется для ориентирования на местности, прокладывания курса судов в открытом море, в геодезической и маркшейдерской практике, в военном деле и т.д.

Исследование локальных магнитных аномалий позволяет обнаружить полезные ископаемые, в первую очередь железную руду (Магнитная разведка), а в комплексе с другими геофизическими методами разведки — определить место их залегания и запасы. Широкое распространение получил магнитотеллурический способ зондирования недр Земли, в котором по полю магнитной бури вычисляют электропроводность внутренних слоев Земли и оценивают затем существующие там давление и температуру.

Одним из источников сведений о верхних слоях атмосферы служат геомагнитные вариации. Магнитные возмущения, связанные, например, с магнитной бурей, наступают на несколько часов раньше, чем под её воздействием происходят изменения в ионосфере, нарушающие радиосвязь. Это позволяет делать магнитные прогнозы, необходимые для обеспечения бесперебойной радиосвязи. Геомагнитные данные служат также для прогноза радиационной обстановки в околоземном пространстве при космических полётах. Постоянство геомагнитного поля до высот в несколько радиусов Земли используется для ориентации и маневра космических аппаратов.

Геомагнитное поле воздействует на живые организмы, растительный мир и человека. Например, в периоды магнитных бурь увеличивается количество сердечнососудистых заболеваний, ухудшается состояние больных, страдающих гипертонией, и т.д. Изучение характера электромагнитного воздействия на живые организмы представляет собой одно из новых и перспективных направлений биологии.