2. Магнитные поля — что это? Физические основы магниторазведки.
2.1. Магнитное поле Земли.
Магнитное поле, измеряемое магнитометрами — это сумма полей от нескольких источников. Самая большая часть магнитного поля, конечно, поле Земли как планеты. Его величина плавно меняется от полюса до полюса и составляет величину порядка 40 000-50 000 нТл (нанотесла) для наших широт. Зарубежные геофизики используют единицу «гамма», численно равную принятой у нас нанотесле.
Рис.11. Магнитное поле Земли. Изолинии в сотнях тысяч нТл.
Второй по значимости фактор – геологический. В зависимости от содержания магнитных минералов (в первую очередь, магнетита), аномалии от геологических образований могут составлять от единиц нТл до тысяч нТл, при размерах в плане от первых метров до сотен и тысяч километров. Казалось бы, как на фоне таких мощных магнитных полей выделить слабые сигналы от археологических объектов? Оказывается, всё довольно просто. Коль скоро магнитные поля матушки-Земли, а также её крупных геологических образований меняются плавно, то идущему с магнитометром поисковику совершенно безразлично, что показывает прибор – значения поля меняются настолько медленно, что компактная, но интенсивная аномалия (а именно такими аномалиями фиксируются обычно объекты археологического поиска), вдруг выскочившая среди спокойного поля, сразу привлечёт его внимание. В 99,9% случаев это будет аномалия, вызванная т.н. «антропогенным фактором» — следами культурной (или не очень) деятельности человека. Оставшийся ничтожный процент может быть связан с залежами болотных железных руд либо с небольшим ожелезнением в осадочных породах. И то, и другое встречается очень редко. На руку поисковикам и тот фактор, что большая часть территорий, на которых они работают, покрыты мощным чехлом рыхлых немагнитных отложений, который совершенно сглаживает магнитное поле глубинных геологических образований (за счёт удалённости магнитометра от источника полей). В горных районах, где поля от скальных пород более интенсивны, поисковик легко отличит их по размерам в плане и просто визуально – скала есть скала.
Итак, с магнитным полем Земли мы справились. Вернее, с его постоянной, не меняющейся во времени, частью. Но нас подстерегает другая, более коварная помеха – магнитные поля, меняющиеся во времени, или геомагнитные вариации.
2. 2. Геомагнитные вариации
Происхождение временных вариаций магнитного поля космическое – это прямое или косвенное воздействие солнечного ветра на магнитосферу Земли. Но досаждает это явление геофизикам и поисковикам вполне по-земному: магнитное поле всегда, в любое время суток, и во всех точках планеты изменяет свою величину с разной скоростью и в разных пределах, искажая данные полевых измерений. Вариации поля условно делятся на солнечно-суточные, амплитудой 20-50 нТл, имеющие вид неправильной синусоиды с периодом в несколько часов и короткопериодные микропульсации, имеющие периоды от нескольких секунд до десятков минут, а амплитуды от единиц до десятков нТл.
Рис. 12. Геомагнитные вариации. Суточные, микропульсации и магнитная буря.
Способы борьбы с этим видом помех давно разработаны геофизиками, и они настолько же эффективны, насколько и громоздки. В разведочной геофизике, где, как правило, достаточно аппаратуры и специалистов, на участке просто устанавливается второй, неподвижный, прибор (он называется магнитовариационной станцией). Станция измеряет эти самые вариации, величину которых потом, при обработке на компьютере, вычитают из показаний полевых приборов, перемещаемых по исследуемой площади. Но что же делать поисковикам, располагающим только одним прибором? Ну, во-первых, если вы ищете достаточно серьёзные вещи – допустим, крупную военную технику или даже стрелковое оружие, то аномалии от этих объектов будут превосходить по амплитуде даже солнечно-суточные вариации, и вы их не пропустите. Однако если ваши объекты залегают достаточно глубоко, то аномалии от них будут не только сглаженные, но и малоамплитудные. Тут уж, как говорится, не поможет «ни бог, ни царь и ни герой» — величина полезного сигнала может оказаться меньше величины помехи. Единственный выход – использование не магнитометра, а градиентометра, показания которого не подвержены ни вариациям, ни влиянию геологических образований. Но об этой аппаратуре мы поговорим ниже. А поисковику с магнитометром придётся смириться с тем, что часть артефактов окажется за пределами его технических возможностей.
Третий вид магнитных вариаций – магнитные бури. Они происходят с частотой примерно один раз в месяц, одновременно по всей планете, и достигают амплитуды от сотен до многих тысяч нТл. Геофизики узнают об этом явлении от оператора своей магнитовариационной станции, и в такой день (или дни) полевые работы не проводятся – запрещены «Инструкцей по производству магниторазведочных работ», т.к. в этом случае получается только брак. Поисковик, скорее всего, тоже не сможет работать – показания прибора будут постоянно меняться, даже если прибор неподвижен. Продолжительность магнитных бурь – от нескольких часов до нескольких дней (редко).
2.3. Намагниченность.
Магнитные аномалии обусловлены двумя видами намагниченности: индуцированной и остаточной.
Индуцированная намагниченность проявляется как реакция материала на воздействие внешнего магнитного поля (например, поля Земли). Убрать или изменить внешнее поле – исчезнет или изменится индуцированная намагниченность. Для предметов, представляющих поисковый интерес, этот вид намагниченности большого значения не имеет – основную часть магнитных аномалий обеспечивает остаточная намагниченность. Как следует из названия, это намагниченность связана с историей образования материала, из которого предмет состоит. Вызвана она поведением доменов – крошечных кусочков вещества, имеющих магнитные свойства. В неком исходном состоянии домены (и их векторы намагничивания) ориентированы в пространстве хаотично, и суммарное поле предмета невелико. Если же предмет (горную породу, либо кусок железа) расплавить, домены обретут подвижность и ориентируются по внешнему магнитному полю (например, по полю Земли). При охлаждении они останутся в этом положении, и предмет обретёт суммарную, гораздо более сильную, намагниченность. Вот это и есть остаточная намагниченность (поэтому её иногда называют термоостаточной), которая обеспечивает 90% интенсивности всех наблюдаемых магнитных аномалий.
2.4. Аномалии магнитного поля.
Если предмет имеет приблизительно изометричную форму (т.е. ширина и длина его отличаются не более, чем в 2-4 раза), то магнитная аномалия в на расстоянии 3-4 радиусов от него имеет вид аномалии от магнитного диполя (рис.3). Поле диполя затухает обратно пропорционально кубу расстояния от магнитометра до тела. Вертикальный и горизонтальный градиенты поля на таком расстоянии примерно одинаковы. Соотношение положительной и отрицательной частей аномалий зависит от направления вектора остаточной намагниченности объекта и от положения самого объекта в пространстве.
Рис. 13. Поле магнитного диполя в виде изолиний и в виде графиков по маршрутам, пересекающим аномалию
Если предмет сильно вытянут (трубопровод, трос и т.д.), то графики над ним (при поперечных маршрутах) будут иметь вид графика на final traverse рис.13. Зависимость амплитуды и ширины аномалии от размера и глубины залегания тела показаны на рис. 14. Очевидно, что при одинаковой намагниченности малое тело, залегающее на небольшой глубине, может давать аномалию той же амплитуды, что и большое, однако будет отличаться своей шириной. Обратите внимание, что градиент поля (скорость изменения в пространстве) также будет отличаться – у близповерхностного малого тела градиент больше.
Рис.14. Влияние размера и глубины тела на вид магнитной аномалии.
