鉆頭產(chǎn)生的干擾磁場對巖芯磁化影響的探討

樊罡一，謝浩然，葛坤朋，王宇欽，劉 洋，李 靜

（1.東華理工大學(xué)核資源與環(huán)境國家重點實驗室，江西南昌330013；2.東華理工大學(xué)地球物理與測控技術(shù)學(xué)院，江西南昌330013）

古地磁學(xué)工作在我國發(fā)展迅速，廣泛應(yīng)用于地質(zhì)和地球物理的各個領(lǐng)域，如地質(zhì)構(gòu)造、地球動力學(xué)、工程和水文地質(zhì)、地球磁場起源、考古和環(huán)境保護等。通過對巖石與各類沉積物的磁性樣品的粒度含量、磁性成分等變化特征進行研究，可認識各類磁性記錄和磁化過程和機制，分析此類物質(zhì)所攜帶的剩磁記錄，可以獲取巖石與各類沉積物形成時地磁場的相關(guān)信息，對理解地球動力學(xué)過程和地質(zhì)構(gòu)造等問題有重要影響。通過對此類數(shù)據(jù)反演，可以獲取人類生存息息相關(guān)的信息，如氣候變化、全球環(huán)境、人類對環(huán)境作用等[1-3]。

古地磁學(xué)實驗前，首先要進行野外采集實驗所需的樣品，樣品的品質(zhì)對古地磁學(xué)至關(guān)重要。其樣品一般為采集古地磁標準樣品，但在裂隙較多的地區(qū)或者巖芯樣品等，需要采集古地磁小樣品，小樣品無匹配鉆頭，常需要使用市面上的打孔器[4]。市面上的打孔器鉆頭使用的材料為傳統(tǒng)的高速工具鋼、硬質(zhì)合金、PCD和PCBN等材料[5]。鉆頭自身并不是無磁材料，在使用的過程中會產(chǎn)生一個干擾磁場，實驗室研究的樣品磁性普遍較弱，易受到各種磁干擾的影響，但這種影響程度如何，是一個尚未引起足夠注意但十分重要的問題，它直接影響到已有研究成果的可靠性和未來的研究，目前鮮見專門的研究報道，文獻極少。

采樣裝置鉆頭形狀似柱狀磁化體，故本文計算的柱狀磁化體磁場的物理原理出發(fā)[6]，通過建立合理的數(shù)學(xué)模型，進行計算，定量評估了鉆頭產(chǎn)生的次級干擾磁場的影響，探究了微古地磁巖芯定向采樣裝置對巖石樣品采集的可靠性。

1 柱狀磁化體所產(chǎn)生的磁場

1.1 磁場原理

據(jù)磁荷理論[7]。可知垂直磁化后的柱體底面和頂面分別布有正負電荷，即為柱狀磁化體，點磁荷在空間所處的任意一點產(chǎn)生的磁場H是：

式中：r——由偶極子中心指向計算點矢徑r的模；

r?——r的單位向量；

q——點磁荷的磁荷量。

因在真空中(或者空氣中可以近似為)：

柱狀磁化體表面附近的磁場變得更為復(fù)雜，同時，由于假設(shè)磁偶極子存在奇點(r=0時)和柱狀磁化體產(chǎn)生的磁場大小始終為有限，故此刻磁偶極子假設(shè)不再適用。在理論上，柱狀磁化體由于長期暴露在地磁場下而被磁化，故可以認為柱狀磁化體被地磁場均勻磁化而成的磁化體。進而假設(shè)柱狀磁化體地磁場沿負Z軸磁化柱狀磁化體，既可以等效為磁化體。

1.2 確定柱狀磁化體的等效磁荷面密度

為求此磁化體在其空間中任意處所產(chǎn)生的磁場大小與方向，需知磁化體的磁荷面密度σ，一般情況下，可以使用磁力儀的測量得到此樣品在假設(shè)為磁偶極子情況下的磁矩為M。

再由靜磁場理論中的一個非常重要結(jié)論：

式中：n——極化體表面的法向量；

Pm——磁化強度矢量。

又：

式中：j——磁化強度矢量。

對于均勻磁化的物體：

式中：V0——磁化體的體積。

1.3 采樣裝置鉆頭形狀的磁化體產(chǎn)生的磁場

采樣裝置鉆頭形狀似柱狀磁化體(圖1)，可采取上文1.1假設(shè)，磁偶極子存在奇點(r=0時)，磁偶極子假設(shè)不適應(yīng)。將采樣裝置鉆頭形狀磁化體看成被地磁場均勻磁化的磁化體。采樣裝置鉆頭形狀磁化體沿負Z軸被地磁場磁化，即可以等效為磁化體。

圖1 直角坐標系下采樣鉆頭形狀磁化體

采樣鉆頭的形狀由上面一層薄圓柱形薄片與下方的一個同心外徑與上方直徑相同的薄壁空心圓柱組合而成，因此根據(jù)此形狀與磁荷理論的觀點，可得垂直磁化后的鉆頭底面和頂面分別分布著正負磁荷。由于上邊薄片的厚度相對下方空心圓柱的高度是一個小量，所以在進行計算時，可只考慮有上方圓柱薄片的上表面與下方空心圓柱的下部圓環(huán)參與，上下表面磁荷總量的絕對數(shù)值大小相等，頂?shù)酌娴拇藕擅婷芏葷M足：

式中：σ1——上表面磁荷面密度；

σ2——下表面磁荷面密度；

R——外徑；

r——內(nèi)徑。

2 磁場計算及結(jié)果分析

2.1 磁荷面密度計算

對于套管型鉆頭，其實有兩個磁荷面密度，分別為σ1和σ2，二者之比為套管上下面積之反比。為了求得該磁化體在空間中任意處產(chǎn)生的磁場大小與方向，需已知磁化體的磁荷面密度σ，使用Bartington MS2磁化率儀的測量，得到了等效10cm2下的磁化率xm。

對于選定的鉆頭樣品有：μ0為真空磁導(dǎo)率，大小為4π×10?7H/m；內(nèi)徑1.00cm，外徑1.40cm，高3cm；磁化率儀測得多組磁化率系數(shù)，弱鐵磁性鉆頭磁化強度為2.0A/m。

將樣品的各數(shù)值帶入公式（4）、(5)求得磁荷面密度σ1為2.51×10-6HA/m2?；?.3物理原理，再由式（6）可求得σ2為5.12×10-6HA/m2。

2.2 多個水平層面產(chǎn)生的磁場

（1）將σ1和σ2應(yīng)用于計算極化體的磁場分布得到Z=0時的XY平面等值線圖（圖2）。

圖2XY平面內(nèi)Z=0時巖石鉆頭總磁場強度絕對值等值線圖(單位：10nT)

其中可看出在巖石進入的最高水平位置中(即深度為1.50cm)，受到的磁場的大小最中心約6000nT，比地磁場的25000～65000nT要小了一個數(shù)量級。同時隨著向外部擴散，外部的磁場在邊緣處約降為3500nT，因此對巖石的影響是可控的，通常也是可以忽略的。

（2）將σ1和σ2應(yīng)用于計算極化體的磁場分布得到Z=?0.50cm時的XY平面等值線圖（圖3）。

圖3XY平面內(nèi)Z=-0.50cm時巖石鉆頭總磁場強度絕對值等值線圖(單位：10nT)

與圖2類似，外部磁場在邊緣處約降到了4500nT，因此對于巖石的影響是可控，通常可以忽略的。

（3）將σ1和σ2應(yīng)用于計算極化體的磁場分布得到Z=?1.00cm時的XY平面等值線圖(圖4)。

圖4XY平面內(nèi)Z=-1.00cm時巖石鉆頭總磁場強度絕對值等值線圖(單位：10nT)

巖石進入的1/3平位置中(即深度為0.50cm)，其受到的磁場的大小最中心約為4500nT，比地磁場的25000～65000nT要小了一個數(shù)量級。同時向外部擴散，磁場是單調(diào)增大到7500nT的一個過程，這是因為根據(jù)上文所說，下邊緣是一個空腔，上部和下部的場的疊加使得中心部分受到上部作用大，邊緣處受到下部作用大，導(dǎo)致了隨高度的下降，外部場的數(shù)值增大，中心場的數(shù)值減小，進一步造成了從內(nèi)到外磁場強度的數(shù)值隨之增大的狀況發(fā)生，可看出最大值出現(xiàn)的位置相比前兩張圖的位置更加靠外，同時也證實了理論的正確性。由于磁場在整個區(qū)域之內(nèi)的最大值為7500nT，所以對于巖石的影響是可控的，通常可以忽略不計。

2.3 垂直切面產(chǎn)生的磁場

將σ1和σ2應(yīng)用于計算極化體的磁場分布得到X=0時的YZ平面等值線圖（圖5）。

圖5YZ平面內(nèi)X=0時巖石鉆頭總磁場強度絕對值局部等值線圖(單位：10nT)

從圖中可以看出，垂直切面圖中，鉆頭的邊界區(qū)域范圍在3000～10000nT以內(nèi)的數(shù)值，即使是最大值，也僅有平均地磁場范圍中最小值的一半，巖石鉆頭是一個高度對稱的結(jié)構(gòu)，無論是哪個角度的切片，磁場的強度都如同圖5所示的結(jié)果，在整個的巖石可以被取到的范圍之內(nèi)，所有位置的磁場均不足以使巖石本身的性質(zhì)改變。

3 結(jié)果與討論

根據(jù)本文分析，可得知不同的位置的巖石受到影響的整體情況。水平方向上，從進入0.50cm開始，向上每0.50cm為一層，共計算了三層。豎直方向上由于其高度對稱的結(jié)構(gòu)，無論是哪個角度的切片，磁場的強度均應(yīng)相同。根據(jù)所有的數(shù)據(jù)可以分析得到在通常情況之下，磁性樣品在巖石鉆頭中的下邊一半范圍之內(nèi)是可接受的，比地磁場對其的影響小兩個數(shù)量級以上。根據(jù)多種不同鉆頭材料產(chǎn)生的磁場不同，但同樣可以基于大部分現(xiàn)有鉆頭的材料所得到的數(shù)據(jù)來看，同樣對于巖石影響程度仍舊是在可接受范圍內(nèi)所產(chǎn)生的磁場峰值約為7500nT，相比較于地磁場的 25000～65000nT小了一個數(shù)量級，仍舊達不到對巖石樣品有明顯干擾。

本文通過對鉆頭產(chǎn)生的干擾磁場對巖芯磁化影響的研究，獲得的主要結(jié)論如下：

（1）在野外工作中，可通過微古地磁巖芯定向采樣裝置來對巖石樣采集，不會導(dǎo)致巖石樣本自身的特性造成影響。從而保證實驗獲得數(shù)據(jù)的可靠性，擴展了古地磁學(xué)數(shù)據(jù)的采集量和多樣性，進一步對地球物理學(xué)電磁法的發(fā)展起到了作用。

（2）在對文中列舉出的巖石鉆頭的理論實驗中，驗證了計算柱狀磁化體磁場的物理原理，證明了此種方法對于研究此類問題的優(yōu)越性與可靠性，得以充分發(fā)揮后期數(shù)據(jù)處理的確定性。保證實驗所獲得的數(shù)據(jù)的可靠性。