Главная | Обратная связь

Порядок выполнения работы

Лабораторная работа №

ИЗУЧЕНИЕ КОРОТКОПЕРИОДНЫХ ВАРИАЦИЙ

МАГНТИНОГО ПОЛЯ ЗЕМЛИ

 

Цель работы:овладение техникой измерения короткопериодных вариаций магнитного поля Земли с помощью оптико-механического магнитометра М-27М.

 

Порядок выполнения работы

 

1. Ознакомиться с устройством оптико-механического магнитометра М-27М.

2. Выполнить измерения значений модуля вектора магнитной индукции магнитного поля Земли через 1 мин.

3. По полученным данным построить график вариаций магнитного поля Земли.

4. Оценить полученные результаты.

 

Информация о геомагнитном поле необходима для познания строения планеты, поисков и разведки полезных ископаемых, для морской и воздушной навигации.

В магнитном поле Земли выделяют стационарное магнитное поле и магнитные вариации.

По данным измерений установлено, что на общем фоне плавных значений выделяются ряд аномалий, по площади близких к материкам. Это мировые или материковые аномалии Т_М.

Т₀+Т_М=Т_Г, где Т₀ – поле однородного магнитного поля.

Т_Г – главное магнитное поле.

Существует 4 вида магнитных вариаций: вековые, годовые, суточные и магнитные возмущения.

«Вековой ход» - изменение из года в год при взятии среднего значения величины магнитного поля в 1 точке за год.

Кроме того, существуют понятия «годового хода», «суточного хода» (в зависимости от длительности солнечного освещения).

Магнитные возмущения – непериодические изменения магнитного поля, продолжающиеся от нескольких часов до нескольких дней.

Большие возмущения по интенсивности называются магнитными бурями.

Магнитные бури – самые интенсивные вариации земного магнетизма, возникающие в высоких широтах.

Причины: а) «векового хода» - физические или геологические процессы внутри Земли;

б) «годового» или «суточного хода» - вращение Земли вокруг Солнца и вокруг своей оси;

в) магнитных возмущений – изменение интенсивности солнечного излучения.

Основная характеристика магнитного поля – магнитная индукция Т [Тл].

 

Элементы магнитного поля – проекция вектора Т на горизонтальные и вертикальные плоскости, а также углы вектора по отношению к координатным осям.

Если ось х направить не географический север, ось у – на восток, ось z по отвесу вниз, то проекция вектора Т на ось z есть вертикальная составляющая и обозначается (см. рис.1). Проекция Т на горизонтальную плоскость называется горизонтальной составляющей Н, направление которой совпадает с магнитным меридианом, проекция Н на х есть северная составляющая, на ось у – восточная (западная) составляющая. Угол между х и Н есть склонение D. Угол между Т и горизонтальной плоскостью есть наклонение I.

H=T*cos I, z=T*sin I, T²=H²+z².

 

МАГНИТОМЕТР М-27М

Магнитометр М-27М в настоящее время является лучшим из отечественных оптико-механических приборов, предназначенных для измерения ΔZ. Первые приборы этого типа были выпущены заводом «Геологоразведка» в 1961 г. под маркой М-18, затем - под марками М-23, М-27 и М-27М.

Чувствительным элементом прибора служит постоянный маг­нит-индикатор 12 с зеркалом, укрепленный на горизонтальной нити-растяжке 10, кварцевой или металлической. При измерениях плоскость качания магнита тоже должна быть вертикальной. Но в отличие от М-2, измерение осуществляется здесь способом компенсации.

Сущность способа заключается в следующем. При изготовлении прибора магнит укрепляют на нити так, чтобы его центр тяжести оказался смещенным по отношению к оси вращения (нити) к юж­ному полюсу. Величину смещения и закручивание нити выбирают такими, чтобы на заводе в поле настройки Z₀^’ - 48 000 гамм маг­нитная ось магнита оказалась горизонтальной. При выполнении этого условия центр биссектора - светового блика от зеркала магнита-индикатора совместится с неподвижным индексом 5, видимым в поле зрения окуляра 6.

 

Рис. 1. Схема устройства магнитометра М-27

1 - пружинные амортизационные стойки; 2 - магнит плавной ком­пенсации; 3 - осветительные зер­кала; 4 - отсчетная шкала; 5 - неподвижный индекс; 6 - окуляр; 7 - призмы; 8 - биссектор; 9 - объективы; 10 - металлическая нить подвеса; 11 - магнит ступен­чатой компенсации; 12 - магнит-индикатор с зеркалом; 13 - маг­нит температурной компенсации; 14 - юстировочный магнит

 

 

При установке прибора в другой точке с полем Z = Z₀^’ + ΔZ' магнит-индикатор окажется наклоненным к горизонту, что при­ведет к смещению биссектора. Измерение сводится к компенса­ции поля ΔZ' полем Z_K, создаваемым двумя постоянными маг­нитами - магнитом плавной компенсации 2 и магнитом ступенча­той компенсации 11. При точной компенсации, когда Z_K = - ΔZ' = Z - Z₀^’, биссектор снова совместится с неподвижным индексом. Величину Z_K определяют по положению компенсацион­ных магнитов. Положение магнита 2 определяется величиной отсчета по шкале 4, магнита 11 - знаком и номером ступени, занятой им. При проведении съемок наблюдения выполняют на съемочной точке (Z_K) и в нормальном поле (Z_K0). Искомое значе­ние ΔZ находят по разности показаний прибора на этих точках Z_K - Z_K0 = Z - Z₀^’ - (Z_o - Z₀^’)= ΔZ. Шкала 4 у всех приборов этой группы имеет оцифровку от нуля до 600 дел. Цена деления близка к 10 гамм/дел.

При переходе к компенсационному способу при измерениях отпадает необходимость задавать плоскости качания широтную ориентировку. Поскольку в момент компенсации магнит-индика­тор горизонтален, Н-составляющая вектора земного магнитного поля не может изменить его положение. Следовательно, влияние Н-составляющей на показания прибора оказывается исключенным и измерение может быть выполнено при любой ориентировке при­бора по азимуту.

Приборы этой группы выгодно отличаются от прибора М-2. Они характеризуются более высокой чувствительностью и стабиль­ностью нуль-пункта, что обеспечивает повышение точности изме­рений. Средняя квадратическая погрешность этого времени - 3-5 гамм. При работе с этими приборами сокращается время наблюдений на точке, так как их не нужно ориентировать, не надо подбирать компенсирующие магниты. Время измерений на точке - не более 1 мин. При переходе с точки на точку приборы переносят, не отделяя их от штативов.

Отличительные особенности отдельных марок приборов за­ключаются в следующем.

У магнитометра М-18 магнит-индикатор был укреплен на квар­цевой нити. Прибор не имел арретира. Магнит ступенчатой ком­пенсации имел ±8 ступеней; среднее значение цены одной ступени было около 3000 гамм, диапазон измерений 21-75 тыс. гамм. Магниты 2 и 11 были обеспечены автоматической компенсацией изменений их магнитных моментов, связанных с колебанием температуры. Приборы М-18 имели высокую точность, но оказались непрактичными - у многих приборов возникали обрывы нити.

Магнитометр М-23 и приборы последующих марок имели ме­таллическую нить подвеса и были снабжены арретирами. У при­бора М-23 появились магнит температурной компенсации 13 и компенсирующий его поле котировочный магнит 14.

Магнитометр М-27 отличается от М-23 более ши­роким диапазоном измерений, лучшей температурной компенсацией и лучшей герметизацией. Прибор характеризуется меньшими раз­мерами и массой. Исключен осушитель с силикагелем. Магнит 11 имеет ±6 ступеней по 5000±500 гамм/ступень. Прибором можно измерять величину Z, изменяющуюся от 18 до 81 тыс. гамм.

Магнитометр М-27М называют всеширотным, что связано с даль­нейшим увеличением диапазона измерений. У М-27М магнит 11 имеет ±14 ступеней со средней ценой около 5000 гамм/ступень. Диапазонный магнит одновременно выполняет роль магнита тем­пературной компенсации. Он укреплен на биметаллической пла­стинке. Исключен юстировочный магнит. Улучшена герметизация и увеличена жесткость корпуса прибора.

У всех приборов рассматриваемой группы оптическая система включает: осветительные зеркала 3 (см. рис. 1), призмы 7, объек­тивы 9 и окуляр 6. В окуляре видны: неподвижная нить 5, изо­бражение биссектора 8 и шкала 4.

Подготовка прибора к измерениям заключается в выполнении следующих операций.

1. Выверяют уровни путем выпрямления азимутальной кривой. Для этого по отсчетам Z_K, снятым на одной и той же точке (обычно контрольный пункт - КП) при разных ориентировках прибора по азимуту, строят азимутальную кривую. Практически за исходную принимают такую ориентировку прибора, при ко­торой индекс «С» (север магнита-индикатора) оказывается направленным примерно на магнитный север. Этой ориентировке приписывают азимут a = 0. Прибор нивелируют по цилиндрическим уровням, добиваются полной компенсации поля. Записывают по­казания прибора: знак и номер ступени и отсчет по шкале. По ним вычисляют Z_K, принимая для упрощения, что цена ступени равна 3000 гамм, а цена деления 10 гамм. Например, сняты данные: ступень +1, отсчет по шкале п = 320,3. В этом случае Z_K = 3203 гамм. Затем прибор поворачивают по часовой стрелке каждый раз примерно на 45°. При каждой ориентировке его ни­велируют и снимают показания. Вычисляют Z_K. Строят график Z_K = f(а).

Наклон оси вращения и магнитной оси лучше всего полностью устранить; тогда азимутальная кривая выпрямится и превратится в горизонтальную прямую. Иными словами, значение Z_K при лю­бом азимуте будет оставаться постоянным. Для устранения наклона оси вращения нужно сравнить показания Z_Kl и Z_K2 при а₁ = 90° и а₂ = 270°. Затем при а = 90° следует изменять наклон к го­ризонту оси вращения (вместе с прибором) до тех пор, пока пока­зание Z_K не окажется равным среднему из взятых двух.

Найденное положение прибора фиксируют уровнем, параллельным оси вращения. Так же устраняют наклон магнитной оси, а именно, сравнивают отсчеты Z_K3 и Z_K4 при а₃ = 0 и а₄ = 180°.

2. Определяют цену деления шкалы магнита плавной компенсации. Для этого прибор ставят на KП. На прибор устанавливают градуировочные кольца КГ-1. Для облегчения установки в комплекте КГ-1 предусмотрена специальная подстановка. При правильной установке колец их геометрическая ось будет вертикальной, а магнит-индикатор прибора окажется примерно в центре колец. Затем через кольца пропускают токи ±i и берут отсчеты п₁ и п₂. Цену деления вычисляют по формуле

где f - постоянная колец (ее значение указано на ободе колец).

3. Определяют цену каждой ступени переключателя диапазонного магнита. Для этого за исходную принимают ту ступень, при которой отсчет по шкале р₀ близок к 300. Запоминают этот отсчет. Затем включают соседнюю ступень и одновременно включают ток в градуировочных кольцах. Силу и направление тока подбирают такими, чтобы скомпенсировать изменение поля, обусловленное поворотом магнита ступенчатой компенсации. Иными словами, с помощью тока восстанавливают прежний отсчет по шкале п₀. Записывают силу тока i и постоянную колец f. Вычисляют цену ступени как if. Так же находят цену двух, трех и т. д. ступеней в сторону увеличения и уменьшения поля.

4. Определяют температурный коэффициент. У магнитометров М-18 и М-23 отжигают силикагель.

Работу на точке выполняют в изложенной ниже последовательности. Прибор устанавливают над точкой измерений. Ориентируют «на глаз». Нивелируют по уровням. Снимают показания Z_K. Записывают температуру и время наблюдений. Выбор ориентировки определяется тем, насколько хорошо выверены уровни. При строгой настройке, когда (β = 0 и i = 0, ориентировка может быть любой. В этом случае чаще ориентируют прибор севером магнита на восток. При нестрогой установке лучшей следует считать такую ориентировку, при которой Z_K зависит от азимута в наименьшей мере, а это будет при азимутах, когда азимутальная кривая имеет максимум или минимум.

При проведении съемки систематически контролируют нуль-пункт прибора. С этой целью в начале и в конце каждого дня берут отсчеты на КП и, кроме того, если есть опорная сеть, в процессе съемки выполняют наблюдения на опорных точках.

 

t, c

∆z, дел шкалы

Цена деления

диапазон