مبانی روش­های مغناطیس سنجی

از سه قرن پیش معلوم بود که زمین به صورت یک مغناطیس بزرگ و تا اندازه اي نامنظم رفتار می کند و اگر یک قطعه مگنتیت را ازیک نخ آویزان کنیم، در راستاي معینی قرار میگیرد که شمال مغناطیسی است و در نزدیکی محور چرخش زمین قرار دارد. نخستین بار گیلبرت به این موضوع پی برد. تغییر این جهت ها در نزدیکی تودههاي آهن اولین بار موجب کشف تودههاي آهن گردید و اولین مقاله در این رابطه توسط تالن در سال 1879 با نام" آزمون کانسارهاي آهن با اندازه گیريهاي مغناطیسی" منتشر شد. مغناطیس سنجی قدیمی ترین شاخه ژئوفیزیک محسوب می شود و در چند دهه اخیر پیشرفتهاي قابل ملاحظه داشته است.

بطور کلی میدان مغناطیسی زمین از سه قسمت اصلی تشکیل شدهاست:

·               میدان اصلی زمین که منشاء داخلی دارد و عامل بوجود آورنده آن مواد مذاب و متحـرك داخـل هسـته زمین است.

·               میدان خارجی زمین که منشاء خارجی دارد و منشا آن یونسفر، تشعشعات خورشیدي و میدان­هاي مغناطیسی بین سیارهاي می­باشد.

·               میدان­هاي محلی که منشاء آنها وجود توده­هاي مغناطیسی مدفون در پوسته زمین می­باشد.

منشاء تغییرات میدان نیز همین نیروها می­باشند. تغییرات طولانی مدت میدان، منشاء داخلی داشته و تغییرات کوتاه مدت منشاء خارجی دارند.

هدف از برداشت­هاي مغناطیس­سنجی همان اندازه­گیري مقدار میدان محلی ناشی از توده­هاي مغناطیسی مدفون در پوسته می­باشد. این توده­ها مقدار و جهت بردار طبیعی زمین در آن نقطه را تغییر می­دهند و به این ترتیب می­توان به وجود آنها پی برد.

شکل1: القای مغناطیسی در توده زیرسطحی توسط میدان مغناطیسی زمین.

براي اندازه­گیري مقدار و جهت میدان در یک نقطه از دستگاه مغناطیس­سنج استفاده می­شود. مغناطیس­سنج­هاي فلاکس گیت، مؤلفه­هاي میدان را در سه جهت اندازه­گیري می­کنند. اما مغناطیس­سنج­ها­ي پروتون که امروزه در برداشت­هاي معدنی بیشترین کاربرد را دارند مقدار میدان کل را اندازه­گیري می­نماید. براي این­کار یک حسگر(سنسور) و یک واحد اندازه­گیري دیجیتال (کنسول) لازم است. سنسور یا بخش حساس در این مغناطیس­سنج­ها شامل یک استوانه که داخل آن با یک مایع غنی از اتم­هاي هیدروژن پر شده و توسط یک سیم پیچ احاطه شده، می­باشد.

شکل 2: سنسور، کنسول، و گیرنده GPS مگنتومتر پروتون.

سیم­پیچ توسط سیم­هاي رابط با بخش­هاي دیگر که شامل باتري، تقویت کننده، و شمارشگر فرکانس است، ارتباط دارد. در هر بار اندازه­گیري جریان ضعیفی در زمان از مرتبه ثانیه به سنسور القا شده و سپس بعد از قطع جریان، فرکانس میدان ثانویه القایی اندازه گیري می­شود. میزان این میدان به شدت مغناطیس زمین در آن نقطه بستگی دارد و به این ترتیب می­توان مقدار شدت کل میدان را در هر نقطه به دست آورد. دستگاه­هاي امروزي میدان را با دقت 1/0 نانوتسلا اندازه گیري می­نمایند.

مواد ازنظر مغناطیس شوندگی و مقدار ضریب خودپذیري مغناطیسی به سه دسته دیامغناطیس، پارامغناطیس و فرومغناطیس تقسیم می­شوند.در زیر تغییرات خودپذیري مغناطیسی براي تعدادي از سنگ­ها و کانی­ها آورده شده است (جدول 1). همان­طور که مشاهده می­شود میزان خودپذیری مغناطیسی مانیتیت (مگنتیت) در مقایسه با دیگر مواد بسیار بالا بود. این کانی به عنوان کانسنگ اصلی آهن در معادن شناخته شده است.

جدول 1: میانگین خودپذیری مغناطیسی برخی سنگ ها و کانی های متداول.

برداشت­هاي مغناطیس­سنجی به سه صورت هوایی، زمینی و دریایی انجام می شود. به دلیل آنکه برداشت­هاي دریایی و هوایی پیچیدگی­ها و استانداردهاي خاص خود را دارد در اینجا به آن پرداخته نمی­شود. بطور کلی در هر برداشت مغناطیس­سنجی، ابتدا شبکه و روش برداشت طراحی و سپس عملیات صحرایی انجام می­شود که در ادامه به آن می­پردازیم.

اولین قدم در طراحی یک برداشت ژئوفیزیکی، جمع آوري اطلاعات مربوط به سابقه مطالعات انجام شده و کلیه داده­هاي ژئوفیزیکی موجود در رابطه با هدف موردنظر است. اطلاعات جانبی نظیر نحوه دسترسی به منطقه، فاصله تا ساختمان­هاي موجود، خطوط راه آهن، جاده­ها، تأسیسات الکتریکی، توپوگرافی و همچنین موقعیت لوله­ها، کابل­ها و تأسیسات بشري بایستی تهیه شوند. مهمتر از موارد مذکور، دسترسی به نقشه­ها، مقاطع و یا سایر اطلاعات مربوط به منطقه می­باشد. در برداشت داده­هاي مغناطیس از اساسی­ترین پارامترهاي انجام عملیات صحرایی، این است که مسأله به خوبی تعریف شود. براي این منظور چهار پرسش اساسی وجود دارد که بایستی به خوبی پاسخ داده شوند. این پرسش­ها عبارتند از:

·               عمق هدف چقدر است؟

·               هندسه هدف چگونه است؟

·               مشخصات مغناطیسی هدف چگونه است؟

·               محیط میزبان چیست؟

دو روش براي برداشت و آرایه داده ها وجود دارد: پروفیل زنی و تهیه نقشه.

در پروفیل زنی یک مقطع بر روي زمین اندازه­گیري می­شود. در تهیه نقشه یک شبکه بر روي زمین پیاده و برداشت می­شود. در طراحی شبکه برداشت، سه عامل را می­توان در نظر گرفت:

·               نوع یا شکل شبکه

·               فاصله خطوط برداشت

·               فاصله ایستگاه­ها روي هر خط برداشت

معمولاً داده­هاي حاصل از شبکه برداشت به صورت نقشه­هاي پربندي ارائه می شود. پروفیل­ها عمود بر توده موردنظر انتخاب می­شود و اگر توده پنهان باشد می­توان ساختارهاي زمین شناسی را مورد بررسی قرارداد و امتداد خطوط برداشت را عمود بر آنها انتخاب نمود. فاصله ایستگاه­ها نیز به گونه­اي انتخاب می­شود که بتوان به تعداد کافی از نهشته یا بی هنجاري موردنظر اثر ثبت نمود، در غیر این صورت ممکن است تفسیر داده به کلی دچار اشتباه شود. براي ساختارهاي دایره­اي امتداد برداشت اهمیت ندارد اما براي ساختارهاي میله­اي ارتباط بین امتداد پروفیل و امتداد ساختار با استفاده از احتمالات هندسی قابل بررسی است که در اینجا به آن پرداخته نمی­شود.

در هر مطالعه مغناطیس سنجی ضروري است که مقدار میدان در یک محل معین (ایستگاه مبنـا) بـه طـور مرتـب اندازه­گیري شود که بتوان با استفاده از آن، هم به طوفان­هاي مغناطیسی و هم به مقدار تغییرات روزانه میدان پی برد. تغییرات روزانه می­تواند تا 40 گاما یا بیشتر در روز نیز برسد.

پس از برداشت داده­های میدانی در هر نقطه از پیش تعیین شده، تصحیحات اولیه شامل تصحیح روزانه و IGRFبر داده ها اعمال می­شوند. در تصحیح روزانه اثر تصحیح روزانه تغییر میدان مغناطیس ناحیه­ای برداشته می­شود. در تصحیح IGRFنیز اثر میدان مغناطیس هسته زمین بسته به موقعیت و ارتفاع هر نقطه از مقدار اندازه گیری شده کسر می­شود. در ادامه با اعمال چندین عملگر ریاضی بر داده­ها می­توان به نقشه توزیع دوبعدی میدات مغناطیسی، نقطه بازماند، نقشه برگردان به قطب با هدف شناسایی موقیعت دقیق اهداف زیرسطحی و نقشه سیگنال تحلیلی با هدف شناسایی لبه اهداف زیرسطحی دست یافت (شکل 3). در نهایت بر اساس شدت تغییرات میدان مغناطیسی می­توان روند بی هنجاری­ها و ارتباط آنها با تغییرات زمین­شناسی و سنگ شناسی را تفسیر کرد و نقاط مستعد کانی زایی را تعیین کرد.

شکل 3: نمونه­ای یک نقشه مغناطیس سنجی.