СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ СОСТАВЛЯЮЩИХ ВЕКТОРА МАГНИТНОГО ПОЛЯ ЗЕМЛИ С АЭРОНОСИТЕЛЯ
METHOD OF MEASURING VECTOR COMPONENTS OF EARTH'S MAGNETIC FIELD FROM AERIAL VEHICLE

Векторные съемки по сравнению с модульными обладают существенно большей информативностью. Однако, основной объем аэромагнитных исследований в мире приходится на модульные съемки. Это связано со значительными трудностями, возникающими при ориентации датчиков векторного магнитометра с высокой точностью. Применение сложных и дорогостоящих астроинерциальных систем и гиростабилизированных платформ, установленных вне магнитометрических систем, не может пока решить эту задачу с необходимой точностью.
Данные о векторном геомагнитном поле традиционно используются при решении широкого круга научных и прикладных задач. Это исследование физических процессов на земле и в околоземном пространстве; построение магнитной модели литосферы; геоисторический анализ магнитного поля океанов; поиск полезных ископаемых, в частности, месторождений нефти и газа, магнитных руд; морская и воздушная навигация. Навигация по магнитному полю - это наиболее древняя область его применения.
До настоящего времени, несмотря на появление новых высокоточных средств координирования, не утратили своего значения карты магнитного склонения для наземной, морской и воздушной навигации.
В настоящее время как в России, так и за рубежом самым распространенным видом измерений являются измерения модуля полной напряженности геомагнитного поля |T|. Это обусловлено относительной конструктивной простотой модульных магнитометров, возможностью измерений на подвижных платформах, в то время как для измерения компонент Z, H и D необходимо обеспечить ориентацию чувствительных магнитометрических датчиков в пространстве с высокой точностью порядка угловой минуты и выше, что достигается для съемок в движении с помощью технически сложных устройств-гиростабилизаторов, астроориентаторов и др.
Учитывая повышение точности магнитных съемок и появление новых более совершенных методов количественной геолого-геофизической интерпретации геомагнитного поля, необходимо перейти от модульных измерений к векторным.
Наличие векторной информации существенно обогащает интерпретатора возможностями определения параметров возмущающих объектов и, тем самым делает более однозначным решение обратной задачи магниторазведки.
Преимущество векторной информации перед модульной было показано также на примере разведки месторождений углеводородов и магнитных руд. Использование векторной информации позволяет более успешно локализовать источники и, тем самым, сократить объем съемочных работ.
Информативность векторных съемок гораздо выше, чем модульных и это очевидно, так как векторные съемки позволяют по наклонению - склонению найти направление на центр магнитных масс в разрезе, а по склонению - оценить направление с точки наблюдения на объект в плане. К примеру, может быть надежно вычислен объект, расположенный в стороне от профиля наблюдения, если склонение и ряд векторов указывают на объект.
Известны способы:
Трехкомпонентные векторные аэромагнитные съемки в Мировом океане и на континентах выполнялись Океанографической службой США по проекту "Магнит" в соответствии с программой Мировой магнитной съемки (Stockard Н., 1971). Оперативные наблюдения были начаты в 1953 г. в Северной Атлантике. За 15 лет (1953-1967 г.г.) измерения были выполнены на профилях общей протяженностью 3 млн. км, причем 75% этого материала было предназначено для использования в общей магнитной картографии и 25% - для решения специальных геологических задач.
Измерения T выполнялись с помощью трехкомпонентного магнитометра с феррозондовыми датчиками, при этом измерительный датчик автоматически ориентировался вдоль силовых линий поля. Наклонение определялось с помощью потенциометрической схемы, регистрирующей повороты измерительного датчика Т-магнитометра относительно горизонтальной плоскости, в качестве которой использовалась маятниковая система. Непрерывные измерения магнитного склонения выполнялись с помощью наблюдений с астрокомпасом и одновременных наблюдений за углом между вертикальной плоскостью, проходящей через ось датчика, и вертикальной плоскостью, совпадающей с продольной осью самолета.
Инструментальная погрешность наблюдений модуля T составляет ±15 нТл, наклонения I - ±0.1° и склонения D - ±0.4°. По полученным данным вычислялись значения H и Z.
Однако, поскольку для создания горизонтальной площадки на самолете применено маятниковое устройство, обладающее некоторой инерцией, то для исключения влияния качки самолета на результаты измерений, значения осреднялись за 100 секунд, то есть за время, вдвое превышающее период собственных колебаний самолета (примечание: 100 секунд - это для самолета ИЛ-18 путь примерно равный 10000 м, что не допустимо для решения геологических задач).
Компонентная аэромагнитная съемка была выполнена Государственной обсерваторией Канады. С помощью трехкомпонентного феррозондового магнитометра измерялись горизонтальные составляющие: одна, направленная вдоль продольной оси самолета (X), другая - перпендикулярно (Y), а также вертикальная составляющая. Стабилизация измерительных элементов магнитометра относительно горизонтальной плоскости осуществлялась с помощью двухгироскопного гирогоризонта, третий гироскоп стабилизировал систему датчиков относительно диаметральной плоскости самолета. По измеренным значениям X и Y вычислялся магнитный курс самолета и H с помощью специального решающего устройства. Инструментальная ошибка составляет, по оценке авторов, ±(10-20) нТл, но реальная погрешность данных в океане, в основном из-за привязки, точность которой равна 3-5 миль, не лучше ±0.5° по склонению и ±100 нТл по силовым составляющим (Serson Р.Н., Mack S.Z., Whitham K.A., 1957).
Государственной обсерваторией Канады были засняты часть Северного Ледовитого океана, Атлантический океан от Гренландии до побережья Норвегии и часть Арктики. В первых двух случаях расстояние между маршрутами -90-100 миль, высота полета порядка 5 км, точность наблюдений ±0.4° по склонению, ±(60-90) нТл по Н, ±(45-50) нТл по Z и ±(40-60) нТл по T. Для Канадского сектора Арктики расстояние между маршрутами составляло 40 миль, высота полета изменялась в пределах 2.4-5.8 км, средняя высота 3.7 км.
6
В 1961-1964 г.г.была проведена компонентная аэромагнитная съемка Японии. Общая площадь, охваченная съемкой, составляет примерно 3·10 км. Измерялась горизонтальная составляющая, склонение и модуль полного вектора. Погрешность съемки составляла
±20 нТл по T, ±100 нТл по Z и H, ±0.2 по склонению (Fujita N.G., 1968; Nagata Т., 1971).
В 1978 г. вновь была выполнена трехкомпонентная аэромагнитная съемка Японии. Она проводилась на высоте 4.7 км над уровнем моря. Измерения выполнялись протонным магнитометром; X, Y и Z измерялись через каждые 30-60 с, T - через каждые 4 с, погрешность съемки составляет несколько десятков нТл по силовым составляющим и менее 0.1 - по склонению.
В таблице 1 приведены сведения о некоторых векторных магнитных съемках, выполненных в различные годы на различных носителях. Все эти примеры показывают, что существующие методы выполнения векторных съемок не удовлетворяют требованиям, предъявляемым к точностям съемок, по которой можно выполнять интерпретацию с построением геологических разрезов.
Таблица 1
Страна, год выполнения съемки, авторы
Основные характеристики съемки
Аэромагнитные съемки
Океанографическая служба США, 1953-67 г.г. /Stockard H., 1971/
Инструментальная погрешность
T - ±15 нТл
I - ±0,1°
D - ±0,4°
Государственная обсерватория Канады /Serson Р.Н., Mack S.Z., Whitham К.A., 1957/
Инструментальная погрешность по силовым составляющим ±10-20 нТл,
Реальная - ±100 нТл
D - ±0,5°
Государственная обсерватория Канады (съемки СЛО, Арктики)
T - ±40-60 нТл
Н - ±60-90 нТл
Z - ±45-50 нТл
D - ±0,4°
Япония, 1961-64 г.г. /Fujita N.G., 1968; Nagata T., 1971/
T - ±20-30 нТл
H, Z- ±100 нТл
D - ±0,2°
Япония, 1978
Силовые составляющие ±n·10 нТл (несколько десятков нТл)
D - ±0,1°
Основными погрешностями при векторных измерениях являются курсовая и креновые девиации и аппаратурная погрешность. Последняя обычно имеет сравнительно малую величину и на первых порах не рассматривается.
Девиация, или зависимость интенсивности магнитного поля самолета от его ориентировки в магнитном поле Земли, является существенной помехой, Девиация, или зависимость интенсивности магнитного поля самолета от его ориентировки в магнитном поле Земли, является существенной помехой, которую необходимо компенсировать в полете или учесть после вылета. Девиация создается магнитными полями носителя, датчика магнитометра и их питающими линиями. Вектор девиационных помех обычно не совпадает с вектором постоянного магнитного поля Земли. Поэтому величина девиации зависит от ориентации носителя в магнитном поле Земли и его интенсивности. Основной вклад в девиацию модуля T обычно вносит курсовая составляющая. Креновые девиации начинают проявляться в компонентах.
Недостатком этих способов являются их низкие точности измерения компонент, необходимость сглаживания измеренных компонент и соответственно потеря тонкой структуры поля, и ограниченные точностные возможности.
Отклонения поля за счет продольных и поперечных кренов могут быть использованы для оценки углов крена-тангажа носителя. Для оценки этих кренов можно использовать два датчика, один из которых располагается вблизи от магнитных масс и амплитуда креновой девиации на нем максимальная, другой расположен вдали и амплитуда его креновой девиации минимальная. По разности показаний этих двух датчиков можно оценить амплитуду креновых девиаций для их учета в компонентных измерениях.
1
2
1
2
1
2
1
2
1
<mrow><mi>δ</mi><msub><mi>Z</mi><mn>1</mn></msub><mo>=</mo><msub><mi>Z</mi><mn>1</mn></msub><mo>−</mo><msub><mover accent="true"><mi>Z</mi><mo>˜</mo></mover><mn>1</mn></msub></mrow>
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>Z</mi><mo>˜</mo></mover><mn>1</mn></msub></mrow>
Предлагается способ измерения компонент магнитного поля Земли (МПЗ) с аэроносителя, содержащий трехкомпонентный (векторный) магнитометр, установленный на самолете в хвостовой его части или в выносном хвостовом коке (штанге), удаленный от помех самолета на максимально возможное расстояние. Для определения поправки в измеренное поле за наклоны (крен-тангаж) самолета устанавливается второй векторный магнитометр, который устанавливается ближе к центру самолета и, соответственно, ближе к магнитным его массам. Производят синхронные измерения каждой из компонент магнитного поля обоими магнитометрами, вычисляют зависящие от наклонов самолета разницы показаний каждой из компонент (ΔХ=X-X, ΔY=Y-Y, ΔZ=Z-Z). По корреляции этой разницы со случайными отклонениями (например,
) других составляющих от плавно изменяющегося МПЗ
(например, сглаженное в радиусе 1÷2 высот аэросъемки поле Z, более точно можно выбирать по критерию Аббе с надежностью 95%) находят корреляционные зависимости (например, между δZ и ΔX и ΔY и т.д. для каждой составляющей и строят δZ=aΔX+b) для учета в эти составляющие соответствующих поправок по разности первой составляющей ΔX или второй ΔY (по максимальной корреляции), и так делают последовательно для каждой составляющей, и по найденным зависимостям учитывают поправки в измеренные значения компонент.
Если имеются иные средства для оценки крена-тангажа самолета, то они используются в качестве нулевого приближения и вычисляются поправки в измеренные значения поля. Если поправки за нулевое приближение крена-тангажа самолета учтены то с помощью предлагаемого способа производится оценка добавочных поправок, которые в конечном итоге суммируются с нулевым приближением и в измеренные значения вводится суммарная поправка.
Предложенный способ направлен на получение технических средств, с помощью которых можно будет выполнять высокоточное геолого-геофизическое картирование акваторий и территорий с аэроносителей, проводить поиски месторождений полезных ископаемых, осуществлять навигацию судов и самолетов и другие научно-исследовательские и поисковые работы в задаче освоения прибрежных территорий и шельфовой зоны России с высокой надежностью. Высокая надежность результатов выполняемых с помощью предлагаемых технологии и технических средств будет обеспечена благодаря тому, что интерпретация компонент X, Y и Z будет выполняться с большей надежностью в отличие от интерпретации модуля вектора T. Надежное измерение компонент может быть выполнено с помощью предлагаемого способа.
В ФГУП «ВНИИОкеангеология им. И.С. Грамберга» выполнены измерения компонент МПЗ с помощью лабораторного макета квантовых аэромагнитометров на акватории Ладожского озера и показано, что предлагаемый способ является наиболее эффективным и на сегодняшний день. Во время эксперимента над Ладожским озером впервые в практике векторных съемок достигнуты точности измерения силовых компонент в полете ±5 нТл.
Технический результат: повышение точности аэромагнитных векторных съемок.