Magnetometria - geo-ndt.agh.edu.pl

Magnetometria

Do bezinwazyjnych metod pomiaru, pozwalających na identyfikację występowania obiektów niedostępnych, należy również magnetometria. Metoda ta, w odróżnieniu od wykrywaczy LEM oraz aparatury georadarowej, opiera swoje działanie na analizie anomalii samoistnych, naturalnych zjawisk fizycznych tj. ziemskiego pola magnetycznego. Zacznijmy jednak od początku.

Pole magnetyczne Ziemi

Pole magnetyczne, nierozerwalnie złączone z polem elektrycznym, wytwarzane jest na skutek ruchu ładunków elektrycznych oraz prądu elektrycznego. Jest to tzw. magnetyzm makroskopowy, który w literaturze naukowej uznaje się za najbardziej prawdopodobne wytłumaczenie istnienia ziemskiego pola magnetycznego. Prądy elektryczne, które płyną w stopionym jądrze Ziemi, unoszą olbrzymie ilości ładunków elektrycznych, co skutkuje wytwarzaniem wewnątrz i wokół naszej planety pola magnetycznego.

Ziemię można zatem utożsamiać z jednorodnie namagnesowaną kulą, posiadającą dwa bieguny magnetyczne. Ich położenie nie jest jednak tożsame z położeniem biegunów geograficznych (Rys. 1). Na powierzchni Ziemi linie łączące dwa bieguny magnetyczne nazywamy południkami. Kąt pomiędzy południkiem magnetycznym a geograficznym nazywamy deklinacją D.

Dla wybranego punktu na Ziemi natężenie ziemskiego pola magnetycznego jest wyznaczane jednoznacznie poprzez wektor T. W praktyce, wartość wektora T uzyskujemy pośrednio, poprzez wyznaczenie jego składowej poziomej Hp, lub pionowej Z. Kąt pomiędzy wektorem T a składową Hp nazywamy inklinacją I (Rys. 2). Wartości obydwu kątów, deklinacji i inklinacji, możemy mierzyć za pomocą busoli.

Jak wykazano, ziemskie pole magnetyczne zmienia się w czasie. Wędrówka biegunów w ciągu roku może wynosić nawet 10-15 km.

Magnetometria poszukiwawcza

Ciała znajdujące się w zasięgu działania pola magnetycznego podlegają zjawisku indukcji tego pola czyli tzw. namagnesowaniu. Stopień namagnesowania zależy od wartości wektora natężenia T oraz podatności magnetycznej substancji . Miara tego parametru wprowadza podział ciał na:

diamagnetyki
paramagnetyki i antyferromagnetyki
ferromagnetyki.

Pole magnetyczne najmocniej oddziałuje z ferromagnetykami, przez co powodują one zaburzenia natężenia pola, w którym się znajdują. Identyfikacja anomalii ziemskiego pola magnetycznego, zwana magnetometrią poszukiwawczą, pozwala zatem wnioskować o występowaniu w skorupie ziemskiej różnorodnych struktur i obiektów o właściwościach ferromagnetycznych m.in. rud metali, złóż krystalicznych, żył magmowych czy stosunkowo płytko zalegających obiektów archeologicznych, reliktów historycznych a także elementów podziemnych sieci uzbrojenia terenu.

Metody pomiarów magnetycznych

Nowoczesne czujniki pozwalają na pomiar:

całkowitego natężenia pola magnetycznego (skalar)
trzech składowych pola kierunkowego (wektor)
gradientu całkowitego natężenia pola lub jego składowych.

Wielkość natężenia pola magnetycznego w geofizyce jest określana w jednostkach zwanych nanoteslami (nT). Wartości natężenia pola magnetycznego dla kuli ziemskiej oscylują w granicach 25000 nT do około 70000 nT, dla terenu Polski zaś od 49000 nT do 51000 nT.

Mapę rozkładu anomalii ziemskiego pola magnetycznego na terenie Polski znajdziecie na stronach PIG – Państwowy Instytut Geologiczny:

Pole magnetyczne – Polska – PIG

Informacje dotyczące najdokładniejszej mapy anomalii ziemskiego pola magnetycznego dla całej planety znajdziecie na stronach ESA – European Space Agency:

Pole magnetyczne – Ziemia – ESA

W realizacji zadań magnetometrii poszukiwawczej najczęściej do pomiaru stosuje się magnetometry skalarne gradientowe tzw. gradiometry. Urządzenia te bazują na pomiarze różnicy natężenia pola magnetycznego pomiędzy parą czujników, rozmieszczonych względem siebie pionowo lub poziomo w stałej odległości. Dzięki temu duże, lokalne anomalie nie eliminują możliwości rejestracji mniejszych zaburzeń pola.

Gradiometry wyznaczają natężenie pola magnetycznego w oparciu o różne zjawiska fizyczne, co wprowadza ich podział na:

kwantowe – bazujące na precesji (ruchu wirowym) cząstek elementarnym w jednorodnym polu magnetycznym. Ilość obrotów na sekundę jest wprost proporcjonalna do wartości zewnętrznego pola magnetycznego. Określenia wartości pola magnetycznego następuje poprzez wyznaczenie częstotliwości wirowania. Magnetometry kwantowe cechuje duża dokładność pomiaru pola magnetycznego rzędu 0,1 nT.
indukcyjne – tzw. Fluxgate, bazują na zjawisku histerezy magnetycznej. Pojedynczy czujnik składa się z małego, magnetycznie wrażliwego rdzenia owiniętego dwiema cewkami drutu. Zmienny prąd elektryczny, płynący przez jedną z cewek, powoduje naprzemienny cykl nasycenia magnetycznego; tj. namagnesowane, nienamagnesowane itd. zmieniając krzywą histerezy. Ciągle zmieniające się pole indukuje przepływ i zmiany napięcia prądu zmiennego w drugiej cewce. Stopień tych zmian zależy od natężenia pola magnetycznego tła, czyli występujących anomalii magnetycznych.

Rys 3 Schemat konstrukcji gradiometru. [3]

Rys 4 Schemat działania gradiometru. [4]

Rys 5 Przykład gradiometru typu Fluxgate. [5]

Badania magnetometryczne mogą być przeprowadzone wzdłuż linii profilu bądź w oparciu o prostopadłą siatkę pomiarową. Konturowanie wyników, zwykle ukazuje zakopane ferromagetyki jako anomalie dipolarne – „wzniesienia” wykresów natężenia pola magnetycznego, których zazwyczaj asymetryczny kształt zależy od kąta inklinacji oraz półkuli ziemskiej. Wielkość anomalii zależy natomiast od rozmiaru i głębokości lokalizowanego obiektu.

Magnetometry w pomiarach geodezyjnych

W pomiarach geodezyjnych zazwyczaj stosuje się magnetometry typu Fluxgate. Lokalizacja podlegają obiekty tj:

żelazne rurociągi
zasypane, żelazne elementy rurociągów np. zasuwy, hydranty, zawory
zakryte włazy studzienek
zbiorniki podziemne

Istotnym udogodnieniem współczesnych lokalizatorów jest możliwość eliminacji wpływu stałych czynników zaburzających (np. siatki ogrodzeniowe). Magnetometry będą szczególnie reagować na elementy punktowe, do których operator zbliża się i oddala. Reakcje sygnału magnetometru na elementy podziemnych elementów sieci uzbrojenia przedstawiono na Rys. 7

Inne obszary badań

W zadaniach z dziedziny geologii czy archeologii magnetometria poszukiwawcza bazowała początkowo głównie na kwantowych systemach pomiarowych. Magnetometr protonowy umożliwiał m.in. identyfikację złóż żelaza i niklu. Wprowadzenie na rynek magnetometrów cezowych oraz tych typu Fluxgate znacznie przyspieszyło akwizycję danych, otwierając możliwość przeprowadzenia efektywnych badań wielkoobszarowych w siatkach pomiarowych o rozmiarze oczka nawet 0.5 – 1.0 m. Dalszy rozwój techonologii m.in. możliwość wykorzystania systemów lokalizacyjnych GPS oraz systemów mobilnych m.in. UAV znacząco zwiększył potencjał automatyzacji akwizycji danych.

Magnetometria znalazła szerokie zastosowanie w:

lokalizacji starożytnych stanowisk archeologicznych
identyfikacja złóż rud metali m.in. żelaza, surowców skalnych, wysadów solnych, żył kwarcowych
identyfikacja żył i skał wylewnych w skałach osadowych
poszukiwania złóż ropy naftowej
poszukiwania niewybuchów

Źródła:

[1] http://home.agh.edu.pl/~bartus/index.php?action=efekty&subaction=arduino&item=24

[2] https://www.pgi.gov.pl/mogepl-home/o-monitoringu-geodynamicznym/magnetyka/9703-magnetyka.html/

[3] Ernenwein, E. G., & Hargrave, M. L. (2009). Archaeological geophysics for DoD field use: A guide for new and novice users. CORPS OF ENGINEERS WASHINGTON DC.

[4] Nawrocki, W., & Piasek, Z. (2006). Metody falowe lokalizacji infrastruktury i obiektów podziemnych: teorie, badania symulowane i eksperymentalne.

[5] https://popularelectronics.technicacuriosa.com/2017/03/16/inside-the-fluxgate-gradiometer/

[6] Swain, C. J. (2000). Reduction-to-the-pole of regional magnetic data with variable field direction, and its stabilisation at low inclinations. Exploration Geophysics, 31(2), 78-83.

[7] https://blog.mierzymy.pl/wykrywacz-magnetometryczny-szukamy-metalowych-zasuw-i-pokryw-studzienek-kanalizacyjnych/

[8] National Research Council. (2000). Seeing into the earth: Noninvasive characterization of the shallow subsurface for environmental and engineering applications. National Academies Press.

[9] Gocał J. (2010) Geodezja inżynieryjno-przemysłowa. Część III. Kraków: Wydawnictwo AGH.