НАТУРНОЕ СРАВНЕНИЕ МАГНИТОМЕТРОВ POS И SCINTREX

Л.А.Муравьев, институт геофизики УрО РАН, г.Екатеринбург

    Современные высокоточные протонные и квантовые пешеходные магнитометры находят все большее применение при выполнении магнитных съемок по традиционной методике. Ряд функциональных особенностей современных магнитометров:
- высокая точность (десятые-сотые доли нТл)
- непрерывный режим съемки,
- использование топопривязки точек наблюдения с помощью GPS,
- связь с компьютером
позволяют проводить магнитную съемку гораздо более оперативно и получать более детальную информацию [1,2]

    Кроме того, благодаря высокой точности указанных типов магнитометров возникает возможность их применения для долгосрочных режимных наблюдений магнитного поля, с целью:
- изучения пространственного распределения магнитных вариаций
- выявления отклика в магнитном поле на искусственное или естественное воздействие на какую либо геолого-геофизическую неоднородность среды [3],
- выполнения магнитных съемок методом искусственного подмагничивания, а также эффективного выявления этим методом неразорвавшихся боеприпасов.

    Заявляемая производителями магнитометров чувствительность намного превышает возможности аппаратуры, имевшейся в распоряжении геофизиков еще несколько десятилетий назад. Отсчетная точность российского магнитометра POS равна 0.001 нТл [4]. Как определить реальную чувствительность магнитометра - возможность выявления особенностей изменения геомагнитного поля? По нашему мнению, один из возможных способов - поставить датчики магнитометров рядом (в пределах нескольких метров друг от друга) и вести длительную запись вариаций геомагнитного поля (от нескольких часов до суток).

    В данном эксперименте, проведенном 2-4 апреля на территории обсерватории Арти (Свердловская область) было задействовано 7 датчиков, в скобках указаны их обозначения на графиках: градиентометр POS (2 датчика: grad1, grad2), градиентометр Scintrex (2 датчика: Scintrex1, Scintrex2), два пешеходных магнитометра POS (N91, POS91, 2007 года изготовления и N100, POS100, 2004 года), а также для сравнения использованы данные со стационарно установленного в обсерватории датчика аналогичного магнитометра POS (ARTI).

Установка магнитометров

    Датчики градиентометра POS-2 установлены крыше одного из немагнитных павильонов на жесткой штанге на расстоянии 1 м друг от друга и в 1 м от крыши. Одновременно с регистрацией вариации велась запись координат, определенных навигационным приемником GPS 12 map, подключенным к магнитометру. О результатах этого эксперимента смотри>>

    Датчики градиентометра Scintrex  установлены внутри того же павильона на жесткой штанге на расстоянии 1 м друг от друга, верхний датчик находился примерно в 1 м от крыши (2 метра от нижнего датчика градиентометра)

    Датчики магнитометров POS-1 N91 и N100 установлены каждый в своем немагнитном термостабилизированном павильоне. В данных павильонах ведется регистрация компонент геомагнитного поля механическими магнитометрами и цифровой станцией "Кварц"

Установка градиентометра POS	Установка градиентометра Scintrex	Установка магнитометра POS

Синхронизация времени и периодичность измерений

    Часы стационарного обсерваторского магнитометра (ARTI) синхронизованы с всемирным временем интернета через один из time-серверов. Для установки часов магнитомеров scintrex и одного из магнитометров POS использовано время, определенное по приемнику GPS каждого магнитометра. Значения точного времени перенесены на остальные магнитометры POS с помощью синхронизационного кабеля. Таким образом можно принять что часы всех участвующих в эксперименте магнитометров синхронизованы.

Все магнитометры POS были запущены в режим измерений раз в 3 секунды, начало измерений привязано к началу минуты. Периодичность записи градиентометром Scintrex составила раз в секунду. Для выполнения сравнений измерения Scintrex разбиты на три серии: "первая секунда из трех", "вторая из трех" и "третья из трех".

Записи вариации геомагнитного поля

    Первое, на что следует обратить внимание, это еще одно подтверждение искажения магнитного поля в момент поляризации датчика в магнитометрах POS.  Датчики градиентометров POS и Scintrex были расположены достаточно близко друг к другу, процесс поляризации длится чуть больше 1 секунды, и искажение магнитного поля отчетливо видно на записях серий "первая секунда из трех", "вторая секунда из трех". Зарегистрированный между 2 и 3 часами скачек градиента магнитного поля привязан к времени отключения градиентометра POS. На записи "третья секунда из трех" скачка не видно вовсе. Во всех дальнейших сравнениях участвует именно эта запись.

    Сопоставления разностей между показаниями датчиков одного прибора (т.е. градиента для двух приборов, scintrex и POS) выявляют разный характер регистрации поля. Ширина "шумовой полоски" Scintrex существенно меньше (0.05 нТл) чем для POS (до 0.15 нТл). В записи Scintrex практически отсутствуют выбросы свыше 0.1 нТл от локального среднего значения, а в записи POS такие выбросы есть. Однако датчики POS находились заведомо дальше от потенциальных "техногенных" помех в павильоне (сетевые наводки и т.д.), если такие помехи вообще могут быть в немагнитном павильоне (термостабилизационных реле в данном павильоне нет). Таким образом отдельные выбросы на записи POS скорее всего связаны именно с процессами в аппаратуре, а не особенностями изменения геомагнитного поля.

    Записи разности между датчиками Scintrex отчетливо выявляют дрейф в первые часы эксперимента, который по всей видимости является температурным. Датчики квантовых магнитометры, таких как Scintrex являются термостабилизированными, и колебания внешней температуры, как оказалось, вызывают небольшие колебания температуры внутри датчика и, как следствие, дрейф измеренного значения поля. В инструкции к магнитометру Scintrex, так же как и Geometrics указано на необходимость прогрева (20 мин) перед измерениями. Косвенно на то что выявленный эффект - именно температурный дрейф говорят факты: прибор был занесен с улицы (температура около 0) в теплый но не термостабилизированный павильон Процесс установления температуры вполне мог длиться до нескольких часов. Плавное уменьшение разницы между показаниями датчиков начиная с 3 часов может быть объяснено повышением температуры от ночной к утру.

Разность между двумя датчиками градиентометра Scintrex, первая секунда из трех	Разность между двумя датчиками градиентометра Scintrex, вторая секунда из трех
Разность между двумя датчиками градиентометра Scintrex, третья секунда из трех	Разность между двумя датчиками градиентометра POS

    Рассмотрение разностей между вторым датчиком Scintrex и остальными приборами позволяет определить, что описанному выше дрейфу был подвержен именно первый датчик. То есть сопоставление показаний датчика 2 градиентометра Scintrex с обоими датчиками градиентометра POS а также с обсерваторским магнитометром POS не выявляют какого либо дрейфа, а в разности между датчиком 1 градиентометра Scintrex и датчиком 1 градиентометра POS этот дрейф присутствует.

Разность между датчиком 2 градиентометра Scintrex и датчиком 1 градиентометра POS	Разность между датчиком 2 градиентометра Scintrex и датчиком 2 градиентометра POS
Разность между датчиком 2 градиентометра Scintrex и показаниями обсерваторского магнитометра POS (ARTI)	Разность между датчиком 1 градиентометра Scintrex и датчиком 1 градиентометра POS

    Интересный сюрприз преподнес нам магнитометр с заводским номером 100, который был изготовлен в 2004 году, в сравнении с аналогичным но только что изготовленным магнитометром N91. Оба магнитометра были установлены в павильонах с постоянной температурой, на одинаковых твердых основаниях. Однако зарегистрированный дрейф датчика N100 относительно других датчиков превысил 1 нТл, и носил нерегулярный характер. Примеры приведены на рисунках ниже. Причина этого дрейфа не ясна, изменением температуры он не может быть объяснен, а величина этого дрейфа является самой большой из выявленных во всех проведенных нами ранее аналогичных экспериментах.

Сопоставление магнитометров POS N100 и N91	Сопоставление магнитометра POS N100 и одного из датчиков градиентометра (grad2)

    Наиболее стабильным в данном эксперименте оказался магнитометр POS N91. Ниже приведены разности между ним и датчиками других магнитометров. Для сравнения выбраны приборы, показавшие наименьший дрейф (градиентометр POS, датчик 2 градиентометра Scintrex и обсерваторский магнитометр POS ARTI)

Сопоставление магнитометра POS N91 и одного из датчиков градиентометра POS (grad1)	Сопоставление магнитометра POS N91 и одного из датчиков градиентометра POS (grad2)

Сопоставление магнитометра POS N91 и одного из датчиков градиентометра Scintrex (grad1)	Сопоставление магнитометра POS N91 обсерваторского магнитометра POS (ARTI). Наименьшая из всех ширина шумового разностного сигнала (0.05 нТл)

Выводы

В данном эксперименте по одновременному наблюдению вариации геомагнитного поля магнитометрами различных типов удалось уверенно разделить влияние тех или иных факторов на каждых из датчиков и тип магнитометров. В проводимых нами ранее аналогичных экспериментах, где регистрировались разности между показаниями двух или максимум трех магнитометров выявлялись аналогичные явления, но невозможно было установить, вблизи какого из датчиков находится источник изменения магнитного поля.

- получено еще одно подтверждение влияния процесса поляризации в датчике оверхаузеровского магнитометра POS на измерения вблизи него. Регистрируемый эффект имеется на расстояниях до нескольких метров от датчика, что выдвигает особые требования к расположению магнитометров в экспериментах по выявлению тектономагнитных сигналов, а также требования к стабильности часов приборов. Изначально синхронизованные часы магнитометров могут со временем разойтись и моменты измерения будут не совпадать. В таком случае в регистрируемый сигнал будет добавляться и определенный вклад от поляризации соседнего датчика (процессор датчика POS определяет поле как среднее по времени спадания релаксационного сигнала)

- обнаружен достаточно значительный по величине температурный дрейф квантового магнитометра Scintrex, обнаружены различия в характеристиках (дрейф, выбросы значений поля) между различными заводскими номерами одного по конструкции прибора POS, наиболее стабильной оказалась пара недавно изготовленных приборов.

- значение наименьшей величины разностного сигнала не отличается от определенного ранее значения [6], и составляет 0.05 нТл, по видимому это и есть предел выявления современными высокочувствительными магнитометрами особенностей изменения магнитного поля в реальных геолого-геофизических условиях, достижимый с применением определенных методических и аппаратурных решений.

Автор благодарит В.С.Иванченко, В.Носкевича, О.А.Кусонского, П.Бородина, А.Бебнева за помощь в проведении данного эксперимента. Фотографии автора.

Ссылки

1. МУРАВЬЕВ Л.А. Возможности высокочувствительных магнитометров POS в геофизических исследованиях // Материалы докладов XIV Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых <Ломоносов> / Отв. ред. И.А. Алешковский, П.Н. Костылев. [Электронный ресурс] - М.: Издательский центр Факультета журналистики МГУ им. М.В. Ломоносова, 2007. - 1 электрон. опт. диск (CD-ROM); 12 см. - Систем. требования: ПК с процессором 486 +; Windows 95; дисковод CD-ROM; Adobe Acrobat Reader. Электронная версия на сайте http://lomonosov-msu.ru/

2. МУРАВЬЕВ Л.А. Возможности высокочувствительных магнитометров POS при проведении геомагнитных съемок. // Уральский геофизический вестник - 2007. - N10, Электронная версия на сайте http://geo.web.ru/

3. МУРАВЬЕВ Л.А. Требования к точности синхронизации моментов измерения магнитного поля для выделения тектономагнитных сигналов. IV Уральская молодежная школа по геофизике. Учебно-научные материалы. - Пермь: Горный институт УрО РАН 2003.

4. Процессорный оверхаузеровский датчик POS-1 (ПОС-1) Руководство по эксплуатации. Лаб. КМ УГТУ. Екатеринбург, 2000. Электронная версия на сайте http://magnetometer.ru/

5. МУРАВЬЕВ Л.А. Сравнение метрологических характеристик пешеходных магнитометров POS и Geometrics // Современные проблемы геофизики. Седьмая Уральская молодежная школа по геофизике. Сборник материалов. Екатеринбург: УрО РАН,. 2006 г 94-98 с

Литература по тектономагнитным явлениям

6. SHAPIRO V.A., ABDULLABEKOV K.N. An attempt to observe a seismomagnetic effect during the Gasly 17 May 1975 earthquake // J. Geomagn. and Geoelectr. - 1978. - V. 30. - N 5. - P. 487-492.

7. АБДУЛЛАБЕКОВ К.Н. Исследование локальных изменения геомагнитного поля, связанных с упругими напряжениями в земной коре  Автореф. дисс. канд. физ.-мат. наук. - М., 1972.

8. АБДУЛЛАБЕКОВ К.Н., БЕРДАЛИЕВ Е.Б., МАКСУДОВ С.Х., МУМИНОВ М.Ю. Результаты магнитометрических наблюдений            Электрические и магнитные предвестники землетрясений // Под ред. В.П.Головкова. - Ташкент: Фан, 1983. - С. 7-44.

9. АНЦИЛЕВИЧ М.Г. Влияние Ташкентского землетрясения на магнитное поле //Ташкентское землетрясение 26 апреля 1966 г. - Ташкент, 1971. - С. -.

10. ГОХБЕРГ М.Б., ГУФЕЛЬД И.Л., ДОБРОВОЛЬСКИЙ И.П. Источники электромагнитных предвестников землетрясений // Докл. АН СССР. - 1980. - Т. 250. - N 2. - C. 323-326.

11. НАГМАТУЛАЕВ С.Х., ОСТАШЕВСКИЙ М.Г., ГУСЕВА Т.В., СКОВОРОДКИН Ю.П. Тектономагнитный эффект Исфарино-Баткинских землетрясений // Докл. АН ТаджССР. - 1978. - Т. 21. - N 4.