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加拿大GEM公司的磁力儀系列

磁法勘探(簡稱磁法)是通過利用磁法設(shè)備觀測和分析由巖石、礦石或其他探測對象磁性差異所引起的磁異常，進(jìn)而研究地質(zhì)構(gòu)造和礦產(chǎn)資源或其他探測對象分布規(guī)律的一種地球物理方法，是發(fā)展最早、運用最廣、技術(shù)最成熟的物探方法之一。

加拿大GEM公司是一家擁有三十多年歷史專的門研發(fā)和生產(chǎn)磁力儀的公司，其生產(chǎn)的磁力儀被公認(rèn)為磁力儀的標(biāo)準(zhǔn)系列，并銷往世界各地。自2005年授權(quán)北京歐華聯(lián)科技有限責(zé)任公司為中國區(qū)唯一代理至今承蒙國內(nèi)物探領(lǐng)域?qū)＜倚湃危呀?jīng)銷售了1000多臺各型號磁力儀，用戶單位達(dá)到200多家，是目前國內(nèi)使用最多的磁法設(shè)備之一，其運用領(lǐng)域囊括礦產(chǎn)勘探、石油天然氣構(gòu)造普查、地質(zhì)填圖、考古、地震預(yù)報等地球科學(xué)的各個分支學(xué)科。

GEM公司生產(chǎn)的磁力儀分地面勘探型磁力儀、航空磁力儀和監(jiān)測型磁力儀三大類型。

地面勘探型磁力儀有GSM-19T質(zhì)子磁力儀、GSM-19 Overhouser磁力儀和GSMP-35鉀光泵磁力儀三種，可根據(jù)勘探需求增加梯度模式、步行模式，甚低頻(VLF)、GPS模塊等功能。

航空磁力儀有GSMP-35A 航空磁力儀、GSM-90AV 甚低頻(VLF)航空磁力儀兩種，可選擇單探頭或雙探頭(垂向梯度)、三探頭或四探頭(垂向和水平梯度)等不同的飛鳥(探頭支架)，也可使用甚低頻(VLF)探頭。飛行器可選擇直升機或無人機。

監(jiān)測型磁力儀有GSM-90 Overhouser標(biāo)量磁力儀、GSM-19懸浮式dIdD矢量磁力儀和GSMP-20S3超高精度梯度儀三種，標(biāo)量磁力儀即總場測量儀，矢量磁力儀可以監(jiān)測磁偏角、磁傾角、地磁場分量等隨時間的變化。dIdD矢量磁力儀可以選擇Overhouser探頭或精度更高的鉀光泵探頭。

1GSM-19T質(zhì)子磁力儀

GSM-19T質(zhì)子旋進(jìn)磁力儀由于其價格低、精度高、穩(wěn)定性好等特征一直是使用最普遍的磁力儀。

圖1　GSM-19T磁力儀實時剖面顯示

1.1優(yōu)點

GSM-19T采用了大量新技術(shù)，因而不同于其他質(zhì)子旋進(jìn)磁力儀，例如：

(1)可在主機屏幕上實時顯示觀測磁場剖面圖；

(2)可任意設(shè)置點、線號及其增量；

(3)分辨率高達(dá)0.01nT,靈敏度達(dá)0.05nT，絕對精度±0.2nT在所有質(zhì)子磁力儀中水平最高；

(4)大容量存儲器(32M)，可存儲3,303,000個讀數(shù)；

(5)使用Walking Mag采集模式，可保證操作員在野外隨走隨采集磁場數(shù)據(jù)，從而獲得連續(xù)的觀測剖面，對近地表小異常體具有更高的分辨率；

(6)具有觀測質(zhì)量監(jiān)控功能，在測量過程中如果發(fā)觀某個觀測值質(zhì)量低劣，可以進(jìn)行重復(fù)觀測且無需重新設(shè)置點線號；

(7)可根據(jù)勘探任務(wù)配置梯度模式、步行模式、VLF探頭、GPS等附加功能，和VLF探頭同時使用可以同時獲取地下的磁場特征和電場特征。

1.2主要技術(shù)指標(biāo)

靈敏度0.15nT(1s采樣率)；

0.05nT(4s采樣率)

分辨率0.01nT

絕對精度±0.2nT(1s采樣率)

測量范圍20,000~120,000nT

采樣率60s+，5,4,3,2,1,0.5s，0.2s

梯度容差>7000nT/m

工作溫度-40～+50℃

圖2為中國地震局地球物理研究所使用22臺GSM-19T質(zhì)子磁力儀同步觀測三個小時所得數(shù)據(jù)，采樣間隔5s，采集時間為19:00~22:00，從采集結(jié)果可以看出，所有儀器曲線完全一致，包括細(xì)微的擾動都保持著高度的一致性，說明儀器穩(wěn)定性好，精度高。

圖2

圖3為每臺儀器同時刻數(shù)據(jù)減去所有儀器該時刻讀數(shù)平均值所成曲線，所得結(jié)果相當(dāng)于儀器運行過程中的白噪聲值，從圖中可以看出儀器噪聲值非常低，約0.1nT，且整個運行過程中非常穩(wěn)定。

圖3

2GSM-19 Overhauser高精度磁力儀

Overhauer磁力儀是運用GEM公司的獨特技術(shù)開發(fā)出來的高精度磁力儀，它具有比普通質(zhì)子磁力儀有更多的優(yōu)點，分辨率和靈敏度與光泵磁力儀相當(dāng)，但操作更簡單、使用更方便。它主要應(yīng)用于：

(1)高精度礦產(chǎn)資源探測；

(2)含油、氣盆地構(gòu)造探測；

(3)工程和環(huán)境勘探；

(4)地下埋藏物和管線探測；

(5)地震和火山前兆觀測；

(6)考古；

(7)對物質(zhì)磁性的高精度測量。

圖4　GSM-19 Overhauser磁力儀主機及探頭

2.1工作原理及特點

當(dāng)把特殊的含有不成對電子的液體與氫原子結(jié)合起來、并在射頻(RF)磁場的極化下產(chǎn)生Overhauser效應(yīng)。不成對的電子將其自身的極化強度傳輸給氫原子后，就產(chǎn)生了很強的進(jìn)動信號，這種進(jìn)動信號對總磁場強度值具有很高的靈敏度，并可用簡單的方程式表達(dá)。于是通過測量進(jìn)動信號，便可測出總磁場強度。

由于產(chǎn)生射頻(RF)磁場所需的能量很小，并且其頻段處于進(jìn)動信號頻率之外，從而消除了測量噪聲，所以O(shè)verhauser磁力儀功耗特別低，精度很高。射頻磁化過程和進(jìn)動信號的測量過程可以同步進(jìn)行，因此觀測效率高，可以高速采樣。

探頭內(nèi)充填屬于公司專利的溶有自由電子的富氫液體，從而增加了在射頻極化磁場作用下所產(chǎn)生的進(jìn)動信號強度。探頭方向性很小，在赤道附近也可對磁場進(jìn)行精確地測量，在野外測量時可以不必注意探頭的放置方向。

GSM-19 Overhouser磁力儀和GSM-19T磁力儀一樣可以配置梯度模式、步行模式、甚低頻探頭、GPS模塊等功能。

2.2主要技術(shù)指標(biāo)

靈敏度0.022nT(1s采樣率)

分辨率0.01nT

絕對精度±0.1nT

測量范圍20,000～120,000nT

采樣率60s+，5,4,3,2,1,0.5s，0.2s

梯度容差>10,000nT/m

工作溫度-40～+50℃

3GSMP-35鉀光泵磁力儀

3.1主要優(yōu)點

GSM-35鉀光泵磁力儀是目前精度和分辨率最高的勘探型磁力儀，有別于傳統(tǒng)光泵磁力儀使用氦或銫元素，本儀器使用的是鉀元素，因此相對于其他光泵磁力儀有諸多優(yōu)點。

(1)具有更高的靈敏度0.0025nT@1Hz；

(2)更高的采樣率，最高采樣率可達(dá)20Hz；

(3)更大的梯度容差35000nT/m；

(4)功耗低，每次充電可以連續(xù)使用16小時；

(5)既可測量總場，也可進(jìn)行梯度測量；

(6)儀器更加輕便，總質(zhì)量約4kg；

(7)按給定采樣率自動讀數(shù)，指定位置記錄點線號。

3.2主要技術(shù)指標(biāo)

靈敏度0.0025nT(1s采樣率)

分辨率0.0001nT

絕對精度±0.1nT

測量范圍20,000～100,000nT

采樣率1、5、10、20Hz

梯度容差>35,000nT/m

工作溫度-40～+50℃

圖5　GSMP-35鉀光泵磁力儀

4GSMP-35A航空磁力儀

航空磁測由于其高效、經(jīng)濟等特點，越來越受到重視，同時也對儀器設(shè)備提出了更高的要求：更高的分辨率、更加豐富、詳細(xì)的信息、更高的定位精度、更安全的數(shù)據(jù)存儲等。

GSM-35A航空磁力儀使用的是目前分辨率最高的鉀光泵探頭，從而具有諸多優(yōu)勢：

(1) 分辨率更高，可達(dá)0.003nT@1Hz，有利于探測弱磁異常；

(2) 精度高，絕對精度為±0.1nT，高精度保證了高穩(wěn)定性；

(3) 采樣率高，最高可達(dá)20Hz，更有利于發(fā)現(xiàn)小異常體；

(4) 更高的梯度容差(35,000nT/m)和動態(tài)范圍(20,000～120,000nT)；

(5) 既可用直升機飛行也可用固定翼無人機飛行；

(6) 集成高精度GPS，定位精度可達(dá)1.5m。

5監(jiān)測型磁力儀

5.1GSM-90 Overhouser監(jiān)測型磁力儀

GSM-90 Overhouser磁力儀同樣使用了Overhouser技術(shù)，其精度、靈敏度等參數(shù)和GSM-19參數(shù)一致。不同點在于，GSM-90是一款專門用于地磁臺站地磁場總強度觀測的儀器，為了延長儀器使用壽命、降低功耗，儀器沒有配置顯示屏和存儲器，需要和電腦連接，并在電腦上對儀器進(jìn)行操作，儀器也會將采集到的數(shù)據(jù)直接上傳至電腦。

根據(jù)儀器最高采樣率不同，分為GSM-90F1和GSM-90F5，其最高采樣率分別為1個樣/秒和5個樣/秒。

該儀器具有穩(wěn)定性好(讀數(shù)漂移僅0.05nT/年)、精度高(絕對精度0.2nT)、功耗低(平均每次讀數(shù)功耗0.5W)等優(yōu)點，適合用于固定臺站的連續(xù)觀測，進(jìn)行火山活動、地震前兆等監(jiān)測。

工作模式：

(1) 臺站監(jiān)測模式(Observatory)：每5秒鐘讀取一次磁場值，連續(xù)讀取12次后計算并輸出平均值，即每分鐘輸出一個讀數(shù)；

(2) 固定采樣率監(jiān)測模式：按給定的采樣率進(jìn)行等間隔讀數(shù)，采樣率可在3600s～1s(90F1)或0.2s(90F5)之間設(shè)置。

圖6　GSM-90 Overhouser磁力儀

5.2GSM-19 dIdD矢量磁力儀

dIdD矢量磁力儀使用兩個相互正交的線圈，通過加入不同方向的偏移電流，可以監(jiān)測地磁總場強度、傾角和偏角變化，其中傾角和偏角為相對變化量，即相對于基準(zhǔn)值的變化。為了準(zhǔn)確計算某一時刻的各磁場要素，首先需要輸入探頭所在位置的磁偏角和磁傾角的基準(zhǔn)值。儀器的主要優(yōu)點是：

(1)一臺儀器即可完成傳統(tǒng)質(zhì)子(光泵)磁力儀+經(jīng)緯儀+磁通門磁力儀聯(lián)合方可完成的功能；

(2)溫度漂移小(0.1nT/℃ )，對環(huán)境要求低(相對于磁通門磁力儀)；

(3)穩(wěn)定性好(2nT/年)；

(4)采樣率高，可每秒循環(huán)采樣；

(5)只需給定探頭位置的磁偏角和磁傾角基準(zhǔn)值，即可實時測量、計算各地磁要素；

(6)自動化程度高，無需人工干預(yù)，實時顯示總場；

(7)偏角、傾角及磁場三分量曲線；

(8)有Overhouser探頭和鉀光泵探頭可選。

技術(shù)指標(biāo)參照GSM-19Overhouser磁力儀和GSMP-35鉀光泵磁力儀。

圖7　GSM-19 dIdD矢量磁力儀

(來源：北京歐華聯(lián)科技有限責(zé)任公司www.ouhualian.com)