磁力仪与磁测工作方法

本篇分两章介绍获得磁力勘探中重要基础资料（磁异常与磁参数）的仪器与工作方法。磁力仪一章以近代电子式仪器为主兼顾机械式仪器，重点介绍基本原理与特点。磁测工作方法一章，在一般工作原则基础上加强航空、海洋、梯度与微磁测量工作，为扩大磁力勘探应用领域奠定基础。

第一章磁力仪

磁力勘探欲达到研究和勘查矿产资源之目的，必须准确测量磁异常的量值，这就需要有高精度的仪器。通常把磁力勘探进行磁异常数据采集及测定岩石磁参数的仪器，统称为磁力仪。

从上世纪至今，磁力勘探仪器经历了由简单到复杂，由利用机械原理到现代电子技术的发展过程。本章主要介绍几种不同类型磁力仪的基本原理。

第一节概述

一、磁力仪的类别

按照磁力仪的发展历史，以及它应用的物理原理，可分为：

第一代磁力仪它是应用永久磁铁与地磁场之间相互力矩作用原理，或利用感应线圈以及辅助机械装置。如机械式磁力仪、感应式航空磁力仪等。

第二代磁力仪它是应用核磁共振特性，利用高磁导率软磁合金，以及专门的电子线路。如质子磁力仪，光泵磁力仪，及磁通门磁力仪等。

第三代磁力仪它是利用低温量子效应，即超导磁力仪。

磁力仪按其内部结构及工作原理，大体上可分为：①机械式磁力仪如悬丝式磁秤、刃口式磁秤等；②电子式磁力仪如质子磁力仪、光泵磁力仪、磁通门磁力仪等。

磁力仪按其测量的地磁场参数及其量值。可分为：①相对测量仪器如悬丝式垂直磁力仪等，它是测量地磁场垂直分量Z的相对差值；②绝对测量仪器如质子磁力仪等，它是测量地磁场总强度T的绝对值；不过亦可测量相对值，或梯度值。

若按测量地磁要素或磁异常的不同，可分为：①测量地磁要素的仪器：如测量地磁倾角的地磁感应仪，测量地磁偏角的磁偏计，以及测量水平强度的地磁经纬仪等；②测量磁异常的各种相对测量磁力仪。

若从使用磁力仪的领域来看，它们可分为：地面磁力仪，航空磁力仪，海洋磁力仪，以及井中磁力仪。

若从测量磁参数的角度可分为：专门测量岩石磁参数的仪器有：无定向磁力仪、旋转磁力仪等；其它的质子、超导等磁力仪可兼测磁参数。

二、磁力仪的几个主要技术指标

技术指标是反映仪器总体性能的技术数据，通常包括：灵敏度、精密度、准确度、稳

定性、测程范围等等。

灵敏度 系指磁力仪反映地磁场强度最小变化的能力（敏感程度）。有时也称作分辨率。 对于用数码显示器读取磁场值的仪器（如质子磁力仪），在其读数装置上估读的最小可辨别的变化，称为显示灵敏度（或读数能力），如1nT/字，0.1nT/字等。由于仪器有一个噪声水平问题，因此灵敏度与显示灵敏度在概念上是有区别的。

精密度 它是衡量仪器重复性的指标，系指仪器自身测定磁场所能达到的最小可靠值。由一组测定值与平均值的平均偏差表示。在仪器说明书中叫自身重复精度。

准确度 系指仪器测定真值的能力，即与真值相比的总误差。

在磁法勘探工作中，通常把精密度与准确度不予区分，统称为精度。

第二节 机械式磁力仪

它是磁力勘探中最早使用的一类仪器。1915年阿道夫·施密特刃口式磁秤问世，20世纪30年代末，继而出现凡斯洛悬丝式磁秤，其后它们成为广泛使用的两种地面磁测仪器。

它们都是相对测量的仪器。因其测量地磁场要素的不同，又分为垂直磁力仪及水平磁力仪。前者测定Z 的相对差值，后者测定平面矢量H 在二个方位上的相对值。

一、悬丝式垂直磁力仪

仪器的核心部分由磁系组成。磁系主要是一根圆柱形磁棒，它悬吊在铬、镍、钛合金恒弹性扁平丝的，丝的一端固定于扭鼓，另一端固定于弹簧，压于压丝台上。工作时磁系旋转轴（悬丝）应是水平的，磁棒摆动面严格垂直于磁子午面。打开仪器开关后，磁棒绕轴摆动。它受到地磁场垂直强度力、重力、及悬丝扭力三个力矩的作用，当力矩相互平衡时，磁棒会停止摆动。

可以证明，图2.1-1中Z 的变化D 2Z ΔθθΔθ可引起角的变化（），当角偏转范围不超过时，由Z ΔθθΔ角的变化引起的仪器读数变化与成正比。据此可利用引起的读数变化测量的值。

Z Δ

图2.1-1 悬丝式垂直磁力仪磁系工作原理图

θ放大并反映为活动标线在标尺上的偏离格数。 在仪器结构上，利用光系将偏转角设在基点上，地磁场垂直分量为，读数为；在测点上垂直分量为，读数为。则它们之间的垂直分量差值为

1Z 1s 2Z 2s （2.1-1） )(1212s s Z Z Z −=−=Δεε由上式表明，悬丝式垂直磁力仪，只能是用于相对测量。式中是一个常数，它代表每一个读格的磁场值，叫做格值。格值的倒数为灵敏度，通过调节h 以改变灵敏度，h 为重心p 点到支点垂直磁轴方向距离（见图2.1-1）。

二、其它机械磁力仪

机械式磁力仪，是我国20世纪60年代在引进的基础上，经不断研制、改进设计，其定型产品除CS -61型外，其它型号如表2.1-1所示。

2

表2.1-1 格值

稳定性 观测精度 测程范围 型号 名称 （nT/格）

（格） （nT ） （nT ） CSC-3 1

悬丝式垂直磁力仪 ＜0.5 ≤±5.0 ±2000 CR 2-69 1.8-2.2

刃口式垂直磁力仪 ≤0.3 ≤±2.0 ±3000 CSX 1-70 20-25

袖珍垂直磁力仪 ≤0.1 ≤±25.0 ±20000－±25000CSS-1 8-12

定向水平磁力仪 ≤0.1 ≤±5.0 ±16000－±32000CRT 1-69 2.0-2.5 地磁日变记录仪 ≤0.3 24小时内日变记录精度≤2.0

表中CSC-3型是采用零点补偿式，勿需罗盘定磁系方位，读数数字化，直读磁场值。

CR 2-69型则是利用重力矩与磁力矩的平衡原理，

以光系标尺上的读格，反映Z 的相对变化值。这些仪器在我国六、七十年代的磁力勘探工作中，曾发挥了重要的作用。

第三节 质子磁力仪

五十年代中期，帕卡德和互里安首先发现在一线圈内装满水溶液并向线圈通以强电流时，而当这极化电流突然中断后的大约一秒钟内，在线圈上就可测出音频信号，这信号的频率正比于外磁场，从而发明了V-4910质子旋进磁力仪。仪器在航空、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，可测量地磁场总强度T 的绝对值，或相对值、梯度值。

一、质子旋进及测量原理

（一）质子（核子）的旋进

质子磁力仪使用的工作物质（探头中）有蒸馏水、酒精、煤油、苯等富含氢的液体。水（H 2O ）宏观看它是逆磁性物质。但是，其各个组成部分，磁性不同。水分子中的氧原子核，不具磁性。它的电子，其自旋磁矩都成对地互相抵消了，而电子的运动轨道又由于水分子间的相互作用被“封固”。当有外界磁场加来时，因电磁感应作用，各轨道电子的速度略有改变，因而显示出水的逆磁性。此外，水分子中的氢原子核（质子），由自旋产生的磁矩，将在外加磁场的影响下，逐渐地转到外磁场方向。这就是逆磁性介质中的“核子顺磁性”。

当没有外界磁场作用于含氢液体时，其中质子磁矩无规则地任意指向，不显现宏观磁矩。若垂直地磁场T 的方向，加一强人工磁场，则样品中的质子磁矩，将按方向排列起来，如图2.1-2（a ）所示，此过程称为极化。然后，切断磁场，则地磁场对质子有0H 0H T p ×μ0H 的力矩作用，试图将质子拉回到地磁场方向，由于质子自旋，因而在力矩作用下，质子磁矩p μ将绕着地磁场T 的方向作旋进运动（叫做拉莫尔旋进），如图2.1-2（b ）所示。它好像地面上倾斜旋转着的陀螺，在重力作用下并不立刻倒下，而绕着铅垂方向作旋进运动的情景一样。

（二）测量原理

ω与地磁场T 的大小成正比，其关系为： 理论物理分析研究表明，氢质子旋进的角速度 （2.1-2） T p ⋅=γω

式中，p γ为质子的自旋磁矩与角动量之比，叫做质子磁旋比（或回旋磁比率），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是：

1-1-8T 10)0000075.06751987.2(S p ×±=γ，则有

f πω2=又因f f T p

4874.232=⋅=γπ （2.1-3） 式中，T 以纳特（nT ）为单位。由式可见，只要能够准确测量出质子旋进频率f ，乘以常数，就是地磁场T 的值。

（a ） （b ）

图2.1-2 质子旋进示意图

（三）质子旋进讯号

从上述讨论得知，测定地磁场T 的量值，须使质子作自由旋进运动，为此要将质子磁矩极化，使之偏离T 的方向一个角度。

通常采用的极化方法是：在圆柱形有机玻璃容器内，装满富含氢的工作物质（如水等），容器置于线圈之中。线圈通以电流，使其内产生的极化（磁化）磁场，其方向沿线圈轴线，大致垂直于地磁场T 。切断电流后，极化线圈亦作为接收线圈，并调谐在旋进频率f 上。质子磁矩的旋进，将在接收线圈中产生感应电压信号，如图2.1-3所示。

m A n /104×H 0

图2.1-3 质子旋进讯号的衰减

在接收线圈内，感应讯号的电压为：

21)sin(sin )(1201T t e Tt T H Ck t V p p p ′−⋅=γθγ （2.1-4） 式中，C ——与线圈截面积、匝数、及容器的充填因子有关的系数。对于一定的探头装置C 是一个常数；

——质子（核子）磁化率；

p k ——极化磁场的强度；

0H θ——线圈轴线与T 之夹角；

——切断极化场时刻起算的时间；

1t 2/1T ′——衰减常数

分析式（2.1-4），可得：

1. 感应讯号的幅度与k H 成正比。k p p H 00是在极化磁场作用下，质子的磁化强度。为了获取强旋进讯号，一方面要选用单位体积内质子数目多的工作物质，另一方面使用极化电流，

产生强极化磁场，这也就提高了功率消耗。

2. 讯号幅度与质子旋进圆频率成正比。若地磁场弱（T 值小），则旋进圆频率T p γω=ω低，讯号幅度也就小。目前，质子磁力仪的测程一般是20000~100000nT ，相当于旋进频率由851.52Hz~4257.60Hz ，此频度范围对于地面、海洋、及航空磁测来说，一般是足够的。

3. 讯号幅度亦与有关。线圈轴线与T 的夹角θ2sin θ，在0°~90之间变化，其大小会影响旋进讯号的振幅，而与旋进频率无关。当4

πθ=，讯号幅度只降低到最大幅度的一半，因此对探头定向只要求大致与T 相垂直。但是，θ接近于零度，则是探头的工作盲区。

4. 旋进讯号是按指数函数规律衰减的正弦讯号，见图2.1-3，其频率为T p γω=，衰减常数为，它持续约几秒钟。感应讯号的衰减，与探头所处的磁场梯度有关，梯度越大，衰减愈快。可以精确地测定旋进频率（即测定地磁场值），所允许存在的地磁场最大梯度，叫做仪器的梯度容限。

2/1T ′二、质子磁力仪的组成与简要工作过程

以CZM-2型质子磁力仪为例，该仪器采用集成电路、程序控制，具有体积小、重量轻、数字显示、测程宽、抗干扰能力强、耗电量小、性能稳定、精度高等特点，为我国20世纪80年代中期的产品。它主要供地面磁测，日变站，地震预报中地磁台站的使用。

（一）仪器的组成

质子磁力仪一般是由仪器主机、探头及电池盒三部分组成。主机采用半密封结构，探头为全密封结构，采用防磁材料。

（二）质子旋进频率的测量

该磁力仪的测量原理框图，如图2.1-4所示。其测量部分主要是，能以2×10-5精度测量质子旋进讯号的数字式频率计，其频率范围为1360Hz~3040Hz （相对应磁场31942~71401nT ）。

图2.1-4 CZM-2型质子磁力仪测量原理方框图

当按动一次工作微动开关，在程序控制器的控制下，磁化系统开始工作，即有磁化电流流经探头，探头线圈产生n ×103A /m 的磁化磁场。数秒后磁化系统关闭，磁化场消失。质子磁矩在地磁场T 的作用下旋进，切割线圈在探头中产生感应讯号，适当选择探头配谐电容C ，使其和探头线圈电感L ，谐振在旋进频率f 上，可使选频放大器输入端获得最大的讯号。经选频放大后，送入倍频器，它将f 倍频128倍，再经电子门送入计数器，由显示器直接显示地磁场T 的量值。

（三）直读地磁场值

质子磁力仪，实际上是一个特殊的数字式频率计，其原理是计数器在单位时间内记下脉冲数目。

设t ——电子门开启的时间（记数时间）；f L ——倍频器输出的旋进讯号频率；N ——显示器的读数。

则 （2.1-5） t f k t f N L ⋅⋅=⋅=式中，k 为倍频器的倍频系数。

若要显示器读数，直接为地磁场T 的量值，则应有

（2.1-6） t f k f N T ⋅⋅===4874.23在式中k 、t 是待定常数，若选择倍频系数k =，则电子门开启时间（记数时间）为

s t 36699.0

4874.23== 本例中实际电路中取k =128，为此在计数器前面增加一级二分频。计数器输入讯号频率实际值为f L /2，相当于k =。因此，显示器的读数N 仍为地磁场T 的量值。

三、IGS-2/MP-4型质子磁力仪

它是我国已引进并批量生产的一种带微机处理的高分辨率质子磁力仪。以0.1nT 的分辨率进行总场和垂直梯度的测量。数据存在IGS/MP-4可扩展的固态存储器之中，标准内存12kRAM ，可扩展到192kRAM 。32字符数字显示，能在大多数情况下以完整的单词，确保清晰的（人机）联系。

MP-4质子磁力仪的特点：

1. 仪器测程范围宽，灵敏度、精确度高，梯度容限大。在磁场梯度变化较大的地方，亦能保证质子旋进讯号的测量。

2. 仪器轻便、灵活，能使它成为便携式、移动式、和基点式磁力仪，能自动测日变。

3. 借助键盘操作简便。32字符液晶显示器，即大部分情况下，能明瞭其表示的内容，而勿需借助代码表。

4. 仪器可连接通用打印机、调制解调器、磁带记录器和微型计算机完成数据处理。可直接在数字打印机上，打印数据表格和剖面图。

5. 按测网号、线号、点号组织数据而不考虑其读数的顺序。可扩展的固态存储器可保存几天的数据。

6. 不用外加微机进行自动日变校正。首先，须确保基点仪器与测点仪器的时钟同步，接RS-232C 适配器到每台仪器后面板上的数据接口插座，用互联电缆连接基、测点仪器。然后，操作键盘，滚动显示、输入基点磁场值，进行日变校正。

7. 有几种电源可供选择，仪器工作温度范围宽。

类似性能的仪器有GEOMETRICS 的G-856AX 型，可存取5700个测点读数或12000个日变值及有关数据处理功能。我国地质仪器生产的CZM-3型质子磁力仪，分辨率也达0.1nT ，测程3000~70000nT ，梯度容限，垂直梯度≤2000nT/m ，水平梯度≤1500nT/m ，192×点阵液晶显示，可存取2670个测点数，不少于33个小时（观测间隔30秒）日变值。

自20世纪60年代中期以来，法国、苏联、加拿大等国相继制成欧弗豪泽质子磁力仪。该仪器的探头一般有两个轴线互相垂直、且垂直地磁场的线圈，绕在盛有工作物质的有机玻璃容器外面，一个是高频线圈，产生射频磁场，频率等于电子顺磁共振频率，约为几十兆赫，另一个是低频接收线圈。在工作物质中，存在着电子自旋磁矩、及质子磁矩两个磁矩系统。在射频场的作用下，电子自旋磁矩极化，由于两种磁矩间的强相互作用，电子顺磁共振或电子的定向排列会导致核子的强烈极化，这种效应称为欧弗豪泽效应。因此质子磁矩沿地磁场方向磁化，可达很大数值，然后在垂直于地磁场方向上加一短促的脉冲磁场，叫做转向磁场，使质子磁矩偏离地磁场方向，质子即绕地磁场作旋进运动，测出旋进频率，即测出地磁场的量值。在欧弗豪泽效应作用之下，可用一个很小的探头即可得到很强的旋进讯号及很高的灵敏度，探头小还可提高梯度容限。由于射频场不间断的作用，因此产生一个不衰减的连续的质子旋进讯号，可以有很高的采样率甚至是连续地测定地磁场。

第四节 光泵磁力仪

50年代中后期由卡斯特拉提出一种磁场谐振的光泵方法，接着许多国家开展光泵磁力仪的研究。光泵磁力仪同质子旋进磁力仪一样，它也是属于磁共振类仪器。所不同的是它利用的原理是电子的顺磁共振现象，而质子旋进磁力仪利用的核磁共振。因为这类仪器普遍采用“光泵技术”，所以被称为光泵磁力仪或光吸收磁力仪。

光泵磁力仪所利用的元素是氦、汞、氮、氢以及碱金属铷、铯等，由于采用磁共振元素不同而分为氦磁力仪和碱金属磁力仪；按采用的电路不同可分为自激式磁力仪和跟踪式磁力仪。光泵磁力仪之所以能测量磁场，是基于上述元素在特定条件下，能发生磁共振吸收现象（或叫光泵吸收），而发生这种现象时的电磁场频率与样品所在地的外磁场强度成比例关系。只要能准确测定这个频率，外磁场（地磁场）强度便可算得。这类磁力仪的灵敏度达到0.01nT ，国土资源部航空物探遥感中心研制的HC-85跟踪式氦光泵磁力仪的灵敏度优于0.01nT ，已成为我国上世纪末的主要航空磁力仪。

一、光泵磁力仪的物理原理

（一）塞曼、能级跃迁

原子内部轨道电子与原子核之间、电子与电子之间，有着相互作用，以及电子自身的运动，使得原子具有一定的能量，称为原子的内能总能量。原子的内能是取不连续的能级分布。原子能级的分布，已为原子光谱学的研究实践所证实。

按照量子力学的概念，原子能级依次由主量子数n ，角量子数L ，内量子数J （与L 及电子自旋量子数S 有关），以及总角量子数F （与J 及核自旋量子数I 有关）来决定。 电子的绕核运动、电子自旋、及原子核自旋，使之均具有一定的磁矩，其磁矩的大小与各自的动量矩成比例。则原子磁矩是它们的矢量和。

原子磁矩在磁场的作用下，具有新的能量，此附加能量是量子化的，与其磁量子数m F 有关，m F 取值为0，±1，±2，……±F 。因此，原子在外磁场中，由于受到磁场的作用，同一个F 值的能级，可成（2F +1）个磁次能级，叫做塞曼。相邻磁次能级之间的能量差与外磁场成正比，这就为测定地磁场T 提供了可能。

原子中所有电子的能量之和越小，原子越稳定，此时原子的状态，称为基态。当电子从外界得到能量或向外界放出适当的能量时，即从一个能级跃迁到另一个能级，原子能级的变化，称为原子的跃迁。跃迁时两能级之间的能量差应满足玻耳频率条件，即

（2.1-7） hf E E E n m mn =−=Δ式中，h 为普朗克常数，f 为跃迁频率。

当原子受到外界满足玻耳频率条件的电磁波作用，则发生受激跃迁，它既可使原子由低

能级跃迁至高能级，也可由高能级跃迁到低能级，在射频范围内（f = 106—1011H z ）以受激

跃迁为主。当原子未受外界影响，从高级向低能级的跃迁，称为自发跃迁，在光波范围（f 10

13= —1015H ）内，以自发跃迁为主。

z 能级跃迁，须遵守跃迁选择定则，即只有满足下述量子数变化条件的能级之间，才发生跃迁。即：

0,1,1,0,1=±=±=±=F m F J L ΔΔΔΔ

或 1,1,0,1,0,1±=±=±=±=F m F J L ΔΔΔΔ（二）光泵作用

4在光泵磁力仪中，有的以氦为工作物质。如图2.1-5所示，He 原子的基态是1s ，利用0

高频放电使其由基态过渡到亚稳态23s 1，利用波长（埃）（相当于2o A 75.1083=λ33P s 1→21的辐射频率）的D 1线右旋圆偏振光照射，使之激发跃迁。但是，23s 1中m J =+1的磁次能级上的原子，因不满足跃迁选择定则，不能吸收D 3P 1线激发到21的任何能级上去。而m J =0，-1磁次能级上的原子，被激发跃迁到23P 1（m =1，0）的能级上。仅停留10-8J 秒后又以等几率（按

选择定则），跃迁回到23S 1,0±=ΔJ m 1+=J m P τ的各磁次能级（含），经过1时间后，则亚

稳态234S 的磁次能级上。实现了He 1+=J m 1中的原子可能全部集中于原子磁矩在光作用下的定向排列，即光学取向。这种利用光能，将原子的能态泵激到同一个能级上的过程，就叫做光泵作用。

由监控电子在塞曼次能级之间跃迁的拉摩频率的方法不同，光泵磁力仪分为跟踪式和自激振荡式两类，下面介绍跟踪式光泵磁力仪。

4图2.1-5 He （正氦）能级及光学取向示意图 图2.1-6 跟踪式光泵磁力仪探头装置示意图

二、跟踪式光泵磁力仪测定地磁场T

4它的探头装置示意如图2.1-6所示，氦灯内充有较高气压的He ，受高频电场激发后，发出10830.75单色光（D o A 1线），它透过凸镜、偏振片、及1/4波长片，形成1.08微米的圆偏振光照射到吸收室。光学系统的光轴应与地磁场（被测磁场）方向一致。吸收室内充有较低气压的He 4，经高频电场激发，其He 4原子变为亚稳态正氦，并具有磁性。从氦灯射来的圆偏振光与亚稳态正氦作用，产生原子跃迁。对于氦其跃迁频率f 与地磁场T 有如下关系：

⎪⎭

⎪⎬⎫=±==f T T T f P 035684.0)0003.002356.28(2或π

γ （2.1-8） 式中，T 以nT 为单位。这就是说，圆偏振光使吸收室内原子磁矩定向排列，此后由氦灯发出的光，可穿过吸收室，经凸镜聚焦，照射到光敏元件上，形成光电流。

在垂直光轴方向外加射频电磁场（调制场），其频率等于原子跃迁频率f o 由于射频磁场与定向排列原子磁矩的相互作用，从而打乱了吸收室内原子磁矩的排列（称磁共振）。这时，由氦灯射来的圆偏振光又会与杂乱排列的原子磁矩作用，不能穿透吸收室，光电流最弱，测定此时的射频f ，就可得到地磁场T 的值。当地磁场变化时，相应改变射频场的频率，使其保持透过吸收室的光线最弱，也就是使射频场的频率自动跟踪地磁场变化，实现对T 量值的连续自动测量。我国生产的HC-85、HC-2000型光泵磁力仪即为此类仪器，HC-2000型灵敏度达0.0025nT ，采样率：1-15次/秒，频率响应0~2HZ ，磁场工作范围：30000~70000nT ，三探头组合可测水平梯度。

GEOMETRICS 生产的G-858型铯光泵磁力仪采用自激式，其灵敏度当测速为1秒时达0.01nT ，测速为0.1秒，达0.05nT ，温漂0.05nT/C °，可选项同时使用水平及垂直梯度仪，GPS 差分和目标分析软件，是一种轻便式高精度磁力仪。

第五节 磁通门磁力仪

它又名磁饱和磁力仪，于1933年左右发明，最初用于军事目的的探测，如探潜、探雷。在地球物理勘探工作中，首先用于航空磁测，属第二代航磁仪器。随后，我国曾研制生产一定批量的CCM-1型、CCM-2及CCM-4型，磁通门磁力仪，用于地面磁测。

它利用高磁导率的坡莫合金，其磁通量密度（磁感应强度）B 与外磁场H 之间呈非线性关系，通过产生的电磁感应讯号，来测量。

T ΔZ Δ或偶次谐波测量原理

坡莫合金是一种高磁导率、矫顽力小的软磁性材料，它在外磁场作用下，极易达到磁化饱和，如图2.1-7所示。由图可见，外磁场H 的很小变化，即引起磁感应强度B 的很大变化，可以说它对磁场的变化起到了“放大”作用，亦即坡莫合金对外磁场变化很灵敏。

仪器探头装置，如图2.1-8所示。磁芯为闭合磁路，在其两边绕以匝数相同、绕向相反的激励绕组，其外绕以讯号绕组。对激励绕组给以交变电压，则有交变磁场作用于磁芯，其磁感应强度B 达到高度饱和。

图2.1-7 坡莫合金磁滞迴线 图2.1-8 探头结构图

1-磁芯；2-磁芯骨架；3-激励线圈；4-讯号绕组

当沿探头轴线方向，没有恒定外磁场作用时，则两边磁芯产生的B 1与B 2，其波形完全对称、相位相差180°如图 2.1-9所示。这时讯号绕组接收到整个磁芯的交变磁感应强度B ~=B 1+B 2=0，讯号绕组没有感应电压输出。

图2.1-9 外磁场为零时，B 波形图 图2.1-10 外磁场不为零时，B 波形图

当沿探头轴线，有恒定外磁场（比如地磁场T 或Z ）作用，则磁芯受二个磁场的磁化，其两边磁芯中的磁感应B ，在正、负半周内饱和程度不一，产生不对称的梯形波B 与B 12，如图2.1-10所示，两者相位仍差180°。这时讯号绕组接收的总磁通量B ~=B 1+B 2≠0，将有感应电压脉冲输出，其幅度与外磁场的大小成正比，相位与其极性相对应。

根据傅里叶级数分析，或是频谱分析仪器的实际观测得知，一个非正弦周期的脉冲讯号，可分解成一系列谐波分量时，其中频率为基波偶倍数的，叫做偶次谐波；频率为奇数倍的，就叫奇次谐波。

由坡莫合金的B -H 曲线，在范围内，二者的关系可由下式描述

s H H ≤ （2.1-9）

)(20bH a H B −=μ式中，a 、b 是常数，它取决于金属物质达到磁饱和的性质。

t H Z H m ωsin +=当给激励线圈施以磁场，作用于磁芯装置，则接收线圈中产生感应电压的量值，由下式给定

dt

dB A

e = （2.1-10）

式中，A 是与接收线圈有关的常数。

由（2.1-9）及（2.1-10）二式，可得e 由t ω2sin t ω3cos t ωcos 、、表达的关系式，说明输出电压中包含了一次谐波（基波）、二次谐波、及三次谐波。且二次谐波项的系数中包含了Z ，故只有外磁场Z ≠0时，才有二次谐波出现，其振幅正比于外磁场Z 的大小。

采用对称的磁芯装置，及线路设计，滤除一次谐波及三次谐波，在输出电压中保留二次谐波，通过测量其振幅来测定地磁场。

我国曾生产和使用CCK-1型航空磁通门磁力仪，及CCM-2型地面磁通门磁力仪。前者测量T ΔZ Δ，后者测量。它们均是利用偶次谐波的工作原理，在50-60年代航磁工作中起到一定作用，后因仪器的灵敏度不太高，被核旋、光泵航空磁力仪所代替。地面磁通门磁力仪由于测量Z Δ以及梯度，使用方便等特点，较多的用于铁矿勘察与地下或水中铁质埋藏物的探测。我国近期开发研制的CCM-4型磁通门磁力仪分辨率达1nT ，量程±19999nT ，工作环境温度；-10℃~+50℃，数据液晶显示，仪器轻便性能稳定。同时开发研制成的CCT-2型智能化磁通门磁力梯度仪，分辨率0.1nT/字，温度系数≤0.5nT/C °，稳定性：在常温下4小时平均漂移小于1nT/h 。用1926点阵液晶模块显示，可实时显示实测曲线，并与计算机联机后实现数据自动化处理。

第六节 超导磁力仪

它是利用超导技术，于六十年代中期研制成的一种高灵敏磁力仪又被称为SQUID 磁力仪（即超导量子干涉器件的缩写）。其灵敏度高出其它磁力仪几个数量级，可达10-5~10-6nT 。它测程范围宽，磁场频率响应高，观测数据稳定可靠。

在应用地球物理领域内，可制成航磁梯度仪。在地磁学中，可用于研究地磁场的微扰。在磁大地电流法与电磁法中，可用于测量微弱的磁场变化。它还可用于岩石磁学研究。

由于这种仪器的探头需要低温条件，常用装于杜瓦瓶的液态氦进行冷却，因此使得装备复杂，费用较高。但是，随着超导技术研究的不断进展，想信在不久的将来，在地球物理学中应用会多起来。

某些金属如锡、铅、锌、铌、钽和一些合金，当它们的温度降到绝对零度附近某一温度以下时，其电阻突然降为零值。这种在低温条件下，电阻突然消失的特性，称为超导电性，具有这种性质的物质叫超导体。电阻为零时的温度，称临界温度T c ，如锡（3.7K ）、铅（7.2K ）、铌（9.2K ）。

1962年约瑟夫逊提出并经实验证实，在两块超导体中间夹着10—30的绝缘层，超导电子能无阻地通过，绝缘层二端无电压降，此绝缘层叫超导隧道结（约瑟夫逊结），这种现象叫做超导隧道结的约瑟夫逊效应。

o

A o A 超导磁力仪是利用约瑟夫逊效应测量磁场，其测量器件是由超导材料制成的闭合环，有一个或两个超导隧道结，结的截面积很小，只要通过较小的电流（10-4~10-6A ），接点处就达

到临界电流I （超过I 超导性被破坏，即结所能承受的最大超导电流）

。I c c c 对磁场很敏感，它随外磁场的大小呈周期性起伏，其幅值逐渐衰减。临界电流I c ，也是透入超导结的磁通量Ф的周期函数。它利用器件对外磁场的周期性响应，对磁通量变化（与外磁场变化成正比）进行计数，已知环的面积，就可算得磁场值。

第七节 测定岩石磁参数的专门磁力仪

磁力勘探一般可采用磁秤、质子磁力仪等测定岩石磁参数。但对于弱磁性的岩石需采用无定向磁力仪或旋转磁力仪等专门设计的仪器进行测定。

一、无定向磁力仪

我国曾生产一批WSW-1型无定向磁力仪，它主要用于古地磁标本测量。其核心部分磁系如图2.1-11所示。

图2.1-11 无定向磁系图

磁系放置于圆柱形磁屏蔽筒内，两个磁矩相等、极性相反的磁棒M 与M 12，其间距离150mm ，固定在一根长约170mm 的轻质铝杆上，用扭力系数近于零的悬丝，将铝杆吊起，如图2.1-11所示。由于磁系的总磁矩为零，因而它不受均匀磁场的影响，若悬丝的扭力系数为零，则磁系可静止在任意方位上，故称为“无定向磁系”。磁系对不均匀磁场却很灵敏。 若在磁系下部磁棒所在平面的中垂线上放置岩石标本，地磁场水平分量H 对磁系不起作用，此时受标本弱磁场h 作用，如图2.1-12所示，其平衡方程式为

τθθ=cos 1hM （2.1-11）

式中，h 是标本的磁场。一般偏转角θ很小，由（2.1-11）式有

τθ1M h

=∂∂ （2.1-12）

图2.1-12 无定向磁系受标本磁场作用 图2.1-13 单磁棒受磁场作用

由式可见，无定向磁系下部磁棒其磁矩M τ1一般较大，悬丝扭力系数非常小，所以其灵敏度很高，且愈小，灵敏度愈高。

τ若是单磁棒，如图2.1-13所示，则它既受标本磁场h 的作用，亦受地磁场H 的作用，其力矩平衡方程式为

τθθθ+=sin cos 111HM M h （2.1-13）

此式分别对θ与h 微分，并考虑偏转角，则有

0sin ,1cos == θθθ很小，即τ

θ+=∂∂11HM M h （2.1-14） 对比（2.1-12）与（2.1-14）两式可见，无定向磁系灵敏度要比单磁棒的灵敏度高得多。 无定向磁力仪一般由磁系、光泵、扭头、筒子、开关、标本架和底座等部分组成。标本架位于下部磁棒附近，其升降可用多头螺丝控制，可使待测标本的中心，快而准地同下部磁棒处于同一水平面内。标本到磁棒中心的距离可由标本架前的刻度尺读出。

旋转磁力仪是应用于岩石磁学和古地磁学中测定岩石磁性参数的高灵敏度仪器。

旋转磁力仪是根据电磁感应原理设计的。该仪器是将弱磁性标本放在由一对线圈组成的传感器里，以一恒定的角速度旋转标本，则传感器线圈中将产生感应交变电压。而电压的振幅取决于和旋转轴相垂直的磁化强度分量和旋转度。旋转磁力仪的原理框图如图2.1-14所示。

图2.1-14 旋转磁力仪原理框图

旋转磁力仪一般有传感装置、测试装置和电源三部分组成：

1. 传感装置：①驱动系统：由二个坡莫合金罩所屏蔽的直流马达驱动，并受一个晶体振荡器所控制，使其转速稳定。②旋转系统：旋转系统的轴镶在本系统的盒内，由两个轴承所支撑。样品支架卡在旋转轴上。③传感线圈：传感线圈的绕组是一个截面为正方形的环匝并灌入环氧树脂而成型的。当处于工作状态时，传感器就成了一个与赫姆霍兹线圈相似的系统。为了便于在支架上装卸样品，线圈可以倾斜。为了消除伪磁场的效应，用三层坡莫合金罩把传感器屏蔽。④支撑和弹簧系统：为了把机械振动对传感器的影响减小到最低限度，仪器设置了支撑和弹簧装置。

2. 测试装置：传感线圈产生的讯号经前置放大后，通过屏蔽后送入测试装置。这个讯号在这里经过具有可调增益性能的缓冲放大器到达具有几个档的量程选择器。讯号经位相屏蔽后再经放大送入同步的两个滤波器和两个检波器。然后由数字电压表测读。

3. 电源：包括一个带有平滑稳定装置的转换滤波器。

习 题

1. 质子旋进式磁力仪测量外磁场的基本原理：

2. 质子磁力仪，光泵磁力仪，磁通门磁力仪，测量外场原理的异同点？

3. 什么叫无定向磁系？

4. 测量磁参数的仪器有哪几种？分析说明各种仪器的特点。