海洋磁力探測技術的應用研究

摘 要：海底管線主要包括供水、供油、供氣、排污等鐵質(zhì)、水泥質(zhì)的管線和供電、通信等電纜和光纜，均存在明顯的磁異常狀況，可以用來快速準確探明海底管線的平面位置和走向，其優(yōu)點是顯而易見的，并且完全不受海底管線的埋深限制。但是，由于磁法勘探的基礎是海底管線與周圍介質(zhì)的磁性差異，這種差異容易受到管線埋深和周圍介質(zhì)的影響，另外，鑒于磁法勘探的深度確定是通過數(shù)學計算或正反演擬合而得，故其在縱向深度的探測精度需要其他更加直接的方法驗證，比如人工探摸驗證，或者采用其他的物探方法進行驗證。

關鍵詞：海洋；磁力；探測技術

1 工作原理

1.1 海洋磁力測量技術

光泵磁力儀建立在塞曼效應基礎之上，下圖所示為光泵磁力儀原理框圖。一個裝有堿金屬蒸氣的容器（吸收室）是光泵磁力儀的核心部件。光源產(chǎn)生的光線經(jīng)過透鏡、濾鏡和偏振片后形成紅外圓偏振光，偏振光隨即通過吸收室，之后光束聚焦在一個紅外光檢測器上。

圖1 光泵磁力儀原理框圖

紅外圓偏振光進入吸收室后，光子將撞擊到堿金屬原子。如果堿金屬原子擁有相對于光子合適的自旋方向，光子將被捕獲并使得堿金屬原子從一個能級躍遷到另一個高能級，光子被捕獲使得光束強度被削弱。一旦大多數(shù)堿金屬原子已經(jīng)吸收過光子并處于不能再吸收其它光子的狀態(tài)，則吸收室所吸收的光線將大幅度減少，并將有最多的光線擊中光檢測器。

這時如果有具特定頻率的震蕩電磁場進入吸收室內(nèi)，原子將被重新激發(fā)至能夠吸收光子的方向上，這時將有最少的光線擊中光檢測器。這個特定頻率被叫做拉莫爾頻率（f），拉莫爾頻率與環(huán)境磁場有著精確的比例關系，因而可以通過測量光檢測器上光強度最弱時的震蕩電磁場的頻率來測量環(huán)境磁場T的大小。即

T=Kf （1）

式中T為被測環(huán)境磁場，f為拉莫爾頻率，K為比例因子。K對于特定的堿金屬來說為一常數(shù)，K因堿金屬的不同而改變。

當外磁場T變化時，改變此震蕩電磁場的頻率，使其始終維持通過吸收室的光線最弱，即使震蕩電磁場的頻率自動阻蹤外磁場的變化，從而實現(xiàn)對外磁場T的連續(xù)自動測量。

1.2 淺地層剖面儀工作原理

淺地層剖面的基本原理是聲學原理。聲波是物質(zhì)運動的一種形式，由物質(zhì)的機械運動而產(chǎn)生，通過質(zhì)點間的相互作用將振動由近及遠地傳播。聲波在不同類型的介質(zhì)中具有不同的傳播特征，當巖土介質(zhì)的成分、結(jié)構(gòu)和密度等因素發(fā)生變化時，聲波的傳播速度、能量衰減及頻譜成分等亦將發(fā)生相應變化，在彈性性質(zhì)不同的介質(zhì)分界面上還會發(fā)生波的反射和透射。因此，人們利用這一原理研制了淺地層剖面儀，用于探測聲波在巖土介質(zhì)中的傳播速度、振幅及頻譜特征等信息并推斷相應巖土介質(zhì)的結(jié)構(gòu)和致密、完整程度，并做出相應評價。

2 磁力探測具體應用

2.1 海洋磁力探測

海洋磁力儀，對金屬物體或構(gòu)件的磁化率最強，可用于檢測鋼管或鐵管等管道是否存在并測定其平面位置。采用磁力儀進行管線探測，根據(jù)磁力儀在探測時產(chǎn)生的不同磁化強度和物體在地磁場中所引起的磁場變化 （即磁異常），通過這些磁異常的空間分布特征、分布規(guī)律及其與磁性、體 （場源） 之間的關系，從而達到尋找場源 （探測目標體） 的目的，并提供場源的位置、埋深及規(guī)模等相關信息。

操作步驟：

數(shù)據(jù)讀取：

一旦主機進行循環(huán)顯示，讀數(shù)也將穩(wěn)定地輸出讀取。實際顯示的頻率數(shù)值也許在某一些值上與地圖所示的值有所不同，這個并不重要。重要的是數(shù)據(jù)讀取穩(wěn)定且當發(fā)生變化時，人們能夠知道是由于金屬目標物造成的。如果人們在有噪聲干擾（例如電臺、變電站等發(fā)出的電子噪聲）的陸地上進行儀器操作，數(shù)據(jù)讀取的數(shù)據(jù)將發(fā)生紊亂。磁力儀在水中的探測效果要比在陸地上好，那是因為除了船舶沒有別的干擾產(chǎn)生。

拖拽牽引：

在甲板上解開拖纜，在船舷外緩慢下放拖魚，牽引時速為 1-2MPH（英里/小時）。緩慢的釋放拖纜，以防纜繩打結(jié)。防止纜繩在拖拽過程中極度扭曲。不要將纜繩系掛在夾板上。不要將纜繩纏繞在電機附近，或者從電機附近穿越。電機產(chǎn)生的大量電子干擾噪聲，很容易不電纜接收，從而引起數(shù)據(jù)的不穩(wěn)定。在航行拖拽快要結(jié)束時，不要進行非常大的轉(zhuǎn)向掉頭操作，但保證一個合適的航速將有效地防止拖魚沉到水底。在時速 2MPH，牽引長度為 150 的情況下，拖魚大約在 20英尺的水深中拖行。

航跡線設置：

沿著航跡線大約需要投放20個浮標且兩個浮標間距離 1000 英尺。讓測量航跡順著一個浮標到另一個浮標，直到完全覆蓋整個方格塊區(qū)域。為了雙重檢驗，可以在兩個浮標間進行二次復測。在完成第二次航測后，回收拖魚和所有的浮標（除了最外邊的4個浮標，以便作為參照）。接著在鄰接的方格塊內(nèi)，重復這個過程，直到完成整個區(qū)域的探測。

圖2 航跡線設置圖

目標定位：

小目標：（在一兩個循環(huán)周期內(nèi)持續(xù)都有小或大的磁力值變化）如果人們可以得到非常多的顯示有小金屬物的磁力值讀數(shù)，那么在顯示有最大的變化量的讀數(shù)時投放一個浮標，緊接著過了 50英尺后再投放第二個浮標。然后調(diào)轉(zhuǎn)船向并回收拖魚，用一根與拖纜相同長度的纜繩拖拽著第三個浮標。

測船反方向沿著1號和2號浮標的航跡線行駛。當3號浮標與1號浮標同一位置時，測船拋錨，此時測船就在目標物上方。

圖3 小目標定位圖

注：在下潛搜尋前，應該應用磁力儀進行多次不同路徑的探測校驗。

大目標：（在很多個循環(huán)周期內(nèi)持續(xù)都有小或大的磁力值變化）沿著參考直線開始讀取數(shù)據(jù)時，即投放第一個浮標。繼續(xù)保持相同的航向，當磁力儀探測不到目標后即投放第二個浮標。 調(diào)轉(zhuǎn)船向且從反方向沿著之前的航跡線行駛。人們將再次探測到目標。當再次探測不到目標隨即投放第三個浮標。

圖4 大目標定位圖

注：在這一點上，人們知道了目標物坐落在2號和3號浮標之間的中心區(qū)域，但人們卻不知道目標是坐落在左邊還是在右邊。接下來的一些探測路徑將指示出目標的位置。

在投放了3號浮標后，調(diào)轉(zhuǎn)船頭，航行到與2號和3號浮標航跡線的垂直正交線上。沿著這條航行參考線，當磁力儀探測到目標物時，立即投放4號浮標且繼續(xù)航行。當探測不到目標后，投放5號浮標。調(diào)轉(zhuǎn)船頭且沿著反方向航行。重復上一次的流程，當再一次探測不到目標后，投放第 6號浮標。回收拖魚，將測船在5號和 6號浮標之間拋錨，下潛搜尋目標。下圖折線最低點為磁力異常點。

圖5 磁力儀探測圖

2.2 淺地層剖面探測

由于磁法勘探的基礎是海底管線與周圍介質(zhì)的磁性差異，這種差異容易受到管線埋深和周圍介質(zhì)的影響，采用淺剖儀進行檢查復合。

淺地層剖面法探測采用船只作業(yè)，將儀器探頭固定于船側(cè)某一位置，開動船只低速在設計的測線上進行探測，并采用GPS-RTK進行同步定位，海上作業(yè)需進行潮位觀測及水深測量，以便準確判定目標管線的埋深在海域獲得的淺剖數(shù)據(jù)資料比較直觀，可以直接根據(jù)獲取的數(shù)據(jù)進行分析，并結(jié)合相關軟件和其他已知資料進行解釋判斷。

淺地層剖面探測海底管線，是一種通過聲波或超聲波探測的間接的地球物理探測方法，該方法對于有一定規(guī)模的海底管線的探測，無論其是否有掩護，探測效果都較好，特別是對于橫向的位置及埋深探測精度均很高，一般常用淺地層剖面探測管線以提供準確的平面位置及埋深；但是，對于平面位置不明確的管線，尤其是管徑小于0.5米以下的管線，采用淺地層剖面法進行效果不明顯。

探測結(jié)果

采用海洋磁力和淺剖兩種方法進行探測，海洋磁力觀測多處存在差異電磁信號，淺剖觀測影像圖也發(fā)現(xiàn)多處異常點，說明此區(qū)域確實存在電力管線。由于地磁日變化、船磁、波浪、海流、船速變化等來自外界的多種不確定因素的影響和管線性質(zhì)及管徑等直接因素影響。

3 結(jié)束語

衛(wèi)星、航空器和海洋船只等所采集到的海洋地磁測量數(shù)據(jù)對于直接尋找海底磁性礦產(chǎn)和研究海洋基底構(gòu)造與海底擴張等科學問題具有不可替代的作用。海洋磁測在發(fā)現(xiàn)海底各種掩埋、廢棄的鐵磁性物質(zhì)方面非常有效， 如戰(zhàn)爭遺留在海底的炸彈、水雷、沉沒的艦船和海底管線，甚至水下考古發(fā)現(xiàn)等。由于偵察潛艇的潛航與隱蔽（反潛技術）和水雷的布設（水下探查技術）與認識地磁場的關系十分密切，使得海洋地磁勘查在軍事方面的應用也凸顯出重要性。海洋地磁場的測量與研究越來越得到各方面的重視，海洋磁測技術的發(fā)展也非常迅速

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作者簡介：徐義超（1984-），男，江西省南昌市，測繪工程師，大學本科，研究方向：海洋測繪和GPS。