海洋磁力日变观测中的磁场变化

海洋磁力日变观测中的磁场变化

从地磁学可以看出，在高精度磁性勘探中，以24h为周期的地磁周变是一个严重的干扰领域，变化比较复杂，类型和影响较大。如在磁暴和强磁扰期间,严重的地磁扰动将覆盖在目标地磁异常信号之上,造成数据混淆。就海洋磁力探测而言,为了提高测量精度,消除日变干扰场,开展海洋磁力梯度测量是其中一种方法。由于实施海洋磁力梯度测量存在种种不便,目前国内较少进行类似活动,因此在进一步改进梯度测量仪器性能的同时,更多的海洋磁测过程中选择架设专门仪器进行地磁日变观测,获取连续、可靠的地磁总场变化资料,以便进行相应的改正。这些为了海上磁测工作而设立的观测站点除满足一定选址条件外,对所用仪器也有要求。为此,依据10年来在广东及海南沿海地区布设日变站的工作经验,对作为基站使用的美国G882磁力仪和加拿大Sentinel磁力仪,从工作原理、仪器技术性能及工作使用体会等多方面综合对比,从中选出更适合野外日变观测的仪器,有效提高日变站运转效率。1一般日变观测设备的日变观测1.1高灵敏度、高采样率的日变基网G882磁力仪将具有极高分辨率性能的铯光泵技术组合到低成本、小型化的系统中,其应用范围很广,既适合在浅水或深水中做专业磁力调查,也能在日变观测中具有对地磁总场测量的高灵敏度和高采样率。在作为日变基站使用时(如图1所示),系统一般通过110/220VAC电源供电,考虑观测点一般地处偏僻,市电供应不稳定,为了保证观测连续进行,通常加装发电机和不间断电源(UPS)。采集计算机与磁力仪之间的通信电缆采用的是标配长度为61m的凯夫拉(Kevlar)缆,两端连在接线盒上或磁力仪上,能够简单快速地连接电源及向计算机实时输出数据,而且可以使磁力仪传感器有效远离值班场所,避免干扰磁场。1.2磁力仪传感器观测方式该磁力仪由加拿大MarineMagnetic公司生产,是一种海陆两用的自容式长周期磁力监控基站。其耐压壳体内密封着一个电池包和一个低功耗、无指向性的Overhauser磁力仪传感器,采用氢核子应用技术中专门的核磁共振技术来测量地球磁场。用于水下观测时,该磁力仪基站需要借助浮球等其他附件以及锚块沉底系统,实现安全布放及回收。用于陆地观测时,Sentinel磁力仪与铝制三脚架基座配套使用(如图2所示),便于野外固定安装。无论哪种观测方式,都是先通过磁力仪上的RS232接口及数据电缆与电脑通信,对仪器进行工作参数配置、控制,最后实现数据传输。作为陆地基站观测时,完成设置后,拔掉RS232数据电缆,将磁力仪插入三脚架中即可自动开始记录数据,并存储到内部存储器中。2两种设备的比较2.1旋进式质压法深值采用Overhauser传感器的Sentinel磁力仪是在质子旋进式磁力仪基础上发展而来的。尽管它仍基于质子自旋共振原理,但在多方面与标准质子旋进式磁力仪相比有很大改进,具有无死区、传感器方向无需准直、带宽更大、耗电更少、高灵敏度(较标准的质子磁力仪高100倍)的特点。而采用铯光泵技术的G882磁力仪,其基本原理是建立在塞曼效应基础之上,通过测量光检测器上光强度最弱时的震荡电磁场的频率(即拉莫尔频率,该频率与环境磁场有着精确的比例关系)来测量环境磁场的大小。2.2sentgel磁力仪传感器的指向性及容忍度作为两种不同类型的磁力仪,技术性能指标方面有不少可以对比之处,从而能够对两者的综合性能有比较直观的认识。如表1所示,死区、采样率和梯度容忍度对仪器使用性能有较大影响。1)死区。死区是指磁力仪传感器方向相对于环境磁场方向的旋转角度,在这个角度内,传感器不能产生信号。G882磁力仪受光泵磁力仪原理的限制,死区问题无法消除。需要在架设时逐步调整G882磁力仪探头并固定某一朝向,使磁场信号进入传感器光轴与地面15°~75°夹角的有效区域内,且信号强度最大,从而避免传感器死区影响。相反,Sentinel磁力仪传感器没有指向性,可以随意架设,不用考虑磁场方向,只要不把磁力仪上下颠倒即可。2)采样率。根据海上作业任务需要,G882磁力仪常用的采样率可以在1个/s~10个/s之间设置(如水下考古磁探时,需要高密度数据反映局部磁场的微小变化)。由于使用外供电源,高采样率下的观测可以长时间进行。而Sentinel磁力仪由于使用内部可充电池包供电,过高的采样率将消耗更多电量,导致观测周期缩短,不能满足与海上测量作业同步的需求。资料显示,最小采样率设置为1个/min时,仪器可以连续工作2500h(约合104d)。事实上,受充电效能、背景磁场梯度等多种因素影响,当设置最小采样率时,仪器工作时间通常达不到性能指标(如2012年同时架设的两台仪器只分别工作了40d和52d)。3)梯度容忍度。对于远离技术支持和缺少器材保障的野外观测作业来说,仪器本身的可靠性显得很重要。虽然选址时尽可能地选择比较偏僻、干扰较少的地点,但不可避免会遇到异常情况带来的强磁干扰。若此时的干扰磁场梯度很大,质子旋进信号可能急剧下降导致仪器不能正常工作,对此,采用自记式的Sentinel磁力仪无法及时反馈出来。相比之下,G882磁力仪的梯度容忍度远大于Sentinel磁力仪,而且实时显示的数据界面便于第一时间发现缺测或强干扰情况,必要时通知海上船只安排补测,提高探测作业效率。2.3sentgel磁力仪变电站观测系统设计特点1)架设布放要求。现有测量规范对日变站选址有一定要求。由于G882磁力仪受到其与采集计算机之间通信电缆长度的限制,只能依赖所选值班场所能够远离变电站、供电线、无线电信号发射塔等磁干扰源。同时要考虑供电供水等生活保障条件,因此每次选址都要耗费较多精力进行前期勘察。而Sentinel磁力仪无需外接采集计算机、自动记录数据在内部存储器的特点,可以方便布设在远离民居、人畜不易到达的任意偏僻地点。这种布放优势是G882磁力仪基站不能比拟的。2)电力要求。电力供应问题是维持日变站正常运转的重要因素之一。如上所述,选址时会刻意选择在地处偏僻、交通不便的村落之中。据统计,每年观测期间,绝大多数站点都会发生因为乡村电力供应不足、电压不稳定而导致的不间断电源(UPS)失效甚至短路烧毁问题。就此而言,观测期间不依赖外部电力供应的Sentinel磁力仪基站更适合野外架设需要。3)人力资源要求。由图1所示的连接图可知,除了计算机外,G882磁力仪基站中还需要发电机、UPS、通信电缆等设备才能开展正常观测。虽然有研究表明,可以通过对各部件的改装、改造等措施,减轻系统重量(从数百kg减至数十kg),实现一定程度的便携化。但根据不同任务需要,迁站时,仍然显得该系统过于庞大、笨重,加上24h连续值守,每个站点至少需要4~5人。而Sentinel磁力仪采用无人值守工作方式,14kg的净重连同5kg的三脚架只需两个人即可轻松完成布放和回收。4)观测便利性。G882磁力仪基站使用通信电缆连接的工作方式,可以实时监控仪器状态和数据情况,尤其是异常情况引起的数据突变能够及时、准确记录,便于后处理时清晰还原当时情景。Sentinel磁力仪基站虽然可以单独布放、自主采集,但也缺少实时监控的有效手段。长度仅为1.5m的通信电缆只能用于测前的参数设置及测后的数据传输。观测当中若想有效判断仪器的工作状态,必须通过三脚架底座的LED状态指示灯(如图3所示,正常工作时闪烁绿灯,异常情况时闪烁黄或红灯,闪烁频率与设置的采样率相同)。但指示灯观测窗直径仅为1.2cm,离地面高度也只有12cm,人员需贴近仪器、保持跪伏姿态才能较为清楚地看见指示灯的闪烁情况。这样增加了监控难度,也容易给仪器造成人为干扰。5)性价比。两型仪器均为国外生产,一套G882磁力仪基站的引进价格约为一套Sentinel磁力仪基站的3倍。在满足观测精度要求的前提下,更为经济的Sentinel磁力仪基站能够用于更多的地磁日变观测点。所以从性价比的角度来看,Sentinel磁力仪基站占据一定优势。3sentgel磁力仪本文从工作原理、仪器技术性能、工作使用体会等方面,分别对作为日变观测中基站仪器使用的G882磁力仪和Sentinel磁力仪进行了对比分析。结果表明,Sentinel磁力仪采用自动记录数据到内部数据存储器中,无需数据电缆连接以及人员实时值守;使用内部可充电池包,可以减少对外部电力供应的依赖;没有指向性的传感器不用考虑磁场方向;仪器重量轻、体积小,便于基站布设和回收;对架设环境要求较低,容易放置在人畜不易到达的偏僻地点,远离强磁干扰。但是,Sentinel磁力仪也存在持续工作时间