تحقیق مقاله میدان مغناطیسی زمین

مقدمه

پس از پایان جنگ جهانی دوم، دولتها برای جبران خسارت جنگ روی به منابع طبیعی آوردند با شروع جنگ سرد مکتشفان بدنبال منابع مطمئن در کشورهای نزدیک آمریکا بودند که کانادا بهترین کشور بود هم از نظر وسعت و هم از نظر منابع معدنی.

فلزات پایه مانند مس، سرب، روی و نیکل، از طرفی شرایط بد آب و هوایی از قبیل سرمای زیاد و یخبندان در قسمتی از سال اکتشافی را سخت می کرد و مهمترین عامل فاکتور زمان بود که تأخیر در هر مرحله باعث موکول شدن ادامه عملیات به فصل بعدی شود از طرفی روشهای کند ژئوفیزیکی نیز به این تأخیر کمک می کرد.

ژئوفیزیک به دلیل ویژگیهایی که دارد کم هزینه بودن و بیشترین سرعت بهترین راه برای برداشت بود اما متدهای گراویتی بدلیل دیگر مشکلات کنار گذاشته شد و روشهای قدیمی مغناطیس بدلیل وجود منبع میدان، وجود الکترود و تفسیر پیچیده کمتر استفاده شد. همین عوامل بعدها باعث توسعه روشهای ژئوفیزیکی شد، اولین تلاش برای استفاده از هواپیما در برداشت های EM توسط (1946) Hans land berg و این سیستم شامل 2 سیم پیچ که در کابین هلیکوپتر می‎باشد و تنها برای توده های مدفون در عمق 5 متری می‎باشد.

از طرفی با روی کار آمدن کامپیوتر سرعت و دقت محاسبات پیچیده این روش به عنوان سریعترین و بهترین روش بکار گرفته شد.

نیاز به کشف توده های عمیق باعث شد تا پس از دهه 1970 مطالعات و طراحی هایی در این زمینه صورت بگیرد. در این مسیر موفقیتهای (INPUT) (Induced Pulse Transient) (القا پالس زودگذر) چشمگیر بوده در دهه 1980 عمده شرکتهای معدنی بدنبال اکتشاف طلا بودند. در هر حال نیاز اورانیوم و فلزات پایه در نیمه دهه 1980 باعث شد روشهای اکتشاف عمیق استفاده شود شرکتهای Spectrem , Questem , Geotem در سال 1990 اقدام به ارائه این خدمات کردند.

فصل سوم

مبانی مغناطیس سنجی و تئوری

مقدمه:

میدان مغناطیسی زمین از دیرباز نظر محققان را به خود جلب کرده بود. همیشه این حقیقت که سوزن مغناطیسی شده آویزان از نخ همیشه در یک راستا قرار می‎گیرد دانشمندان را به فکر وامی داشت. تا اینکه ژیلبرت نظریه خود را حدود سه قرن پیش مبنی بر اینکه زمین مانند یک مغناطیس بزرگ و تا اندازه ای بی قاعده عمل می‌کند. این نظریه به همراه نظریه نیوتن در مورد گرانش را می‎توان پایه های ژئوفیزیک دانست. در واقع به کمک ژئوفیزیک می‎توان کانسار مدفون در زمین را با اطمینان مدلسازی کرد.

مطالعات ژئوفیزیکی بر مبنای خاصیت فیزیکی مورد اندازه گیری به دو دسته کلی تقسیم می‎شوند. روشهایی که میدانهای طبیعی زمین را اندازه گیری می‌کنند (روشهای استاتیک) که عبارتند از روشهای ثقل سنجی، مغناطیسی سنجی، تلوریک، پتانسیل خودزا و رادیومتری و روشهایی که از میدانهای مصنوعی ایجاد شده استفاده می‌کنند (روشهای دینامیک) که شامل دو دسته مهم می باشند. روشهای الکتریکی و روشهای لرزه نگاری، روشهای استاتیک نسبت به روشهای دینامیک سریع و کم خرج هستند و عموماً در اکتشاف نیمه تفصیلی و شناسایی ساختمانی زمین شناسی استفاده می‎شوند و بیشتر اطلاعات کیفی بدست می دهند. در روشهای دینامیکی با مطالعه تغییرات میدان مصنوعی ایجاد شده در اثر حضور مواد مختلف می‎توان آنالیزهای بهتر و مشخص تری همراه با تفسیرهای کمی و کیفی انجام داد. روشهای دینامیک اغلب وقت گیر و پرهزینه هستند ولی تجارب علمی و نتایج بدست آمده، کاربرد موفقیت آمیز این روشها را ثابت کرده است.

3-1-2- میدان مغناطیسی زمین

شکل میدان مغناطیسی در سطح زمین بطور تقریب معادل شکلی است که با قرار دادن یک آهنربا کوچک ولی پرقدرت در مرکز زمین بوجود می‎آید به شرط آنکه قطب شمال مغناطیسی این آهنربا رو به جنوب بوده و نسبت به محور چرخش زمین  مایل باشد. اگر میدان کاملاً منظم بود، خطوط نیرو در قطب محور مغناطیسی قائم و در استوای مغناطیسی افقی می بود. استوای مغناطیسی دایره عظیمه ای است که نسبت به استوای واقعی  مایل است. (به شکل زیر توجه شود.)

3-1-3- مفاهیم اصلی مغناطیس

3-1-3-1- نیروی مغناطیسی

رابطه نیروی مغناطیسی از قانون کولن برای قطبهای مغناطیسی بدست آمده و نمادگذاری آن تقریباً شبیه قانون نیوتن درباره نیروی گرانی است. این رابطه بدین صورت است:

(3-1)                                                                                         

F نیروی وارد بر m2 بر حسب دین، r فاصله قطبها برحسب سانتیمتر و جهت نیرو از m1 ، m2 است. قطب ها خودشان مجازیند، زیرا نمی توانند بصورت مجزا وجود داشته باشند و فقط به صورت زوج ظاهر می‎شوند.  تراوایی مغناطیسی است که کمیتی بدون بعد بوده و مقدار آن در خلاء دقیقاً برابر او در هوا نیز عملاً مساوی 1 است.

اگر دو قطب m2 , m1 هر یک به شدت یک emu در خلأ (emu ، واحد قطب مغناطیسی در سیستم تcgs) در فاصله یک سانتیمتری از یکدیگر قرار گیرند. نیروی بین آنها برابر یک دین است، برخلاف حالت گرانی که در آن نیرو همیشه ربایشی است، نیروی ایستا مغناطیسی موقعی ربایشی است که علامت قطبها مخالف یکدیگر باشند و زمانی رانشی است که علامتها یکسان باشند. براساس قرارداد قطبی که به سوی قطب شمال مغناطیسی زمین جذب شود (شمالجو) قطب مثبت و قطبی که به سوی قطب جنوب مغناطیسی زمین جذب شود، قطب منفی جنوبجو است.

3-1-3-2- قدرت میدان مغناطیسی

قدرت میدان مغناطیسی، نیروی وارد بر واحد قطب می‎باشد.

(3-2)                                                                                                   

که در آن  یک قطب مجازی در یک نقطه از فضا است. در سیستم cgs، H بر حسب ارستد، یعنی دین بر واحد قطب بیان می‎شود.

3-1-3-3- گشتاور مغناطیسی

قطبهای مغناطیسی همیشه به صورت زوج وجود دارند. جوهر اصلی مغناطیسی، دو قطبی مغناطیسی است. دو قطب با قدرت های +m و -m را فاصله l از یکدیگر جدا می‌کند، در این صورت گشتاور مغناطیسی چنین تعریف می شود:

(3-3)                                                                                               

گشتاور مغناطیسی برداری در جهت بردار واحد  از قطب منفی به سوی قطب مثبت است.

3-1-3-4- شدت مغناطیدگی

یک جسم مغناطیسی در یک میدان مغناطیسی خارجی در اثر القا مغناطیده می‎شود. شدت مغناطیدگی متناسب با قدرت میدان و جهت آن جهت میدان است و طبق تعریف عبارت است از گشتاور مغناطیسی در واحد حجم، یعنی

(4-3)                                                                                                   

در عمل این مغناطیدگی به حدی است که قطبهای مواد مغناطیسی را به خط می‌کند. بدین علت I اغلب قطبش مغناطیسی نامیده می‎شود.

3-1-3-5- خودپذیری مغناطیسی

درجه مغناطیدگی جسم را خودپذیری مغناطیسی آن مشخص می‎شود و به صورت زیر تعریف می‎شود.

(5-3)                                                                                                    

خودپذیری، پارامتری اساسی در کاوشهای مغناطیسی است، زیرا پاسخ مغناطیسی سنگها و کانیها را مقدار ماده مغناطیسی داخل آنها تعیین می‌کند و مقدار K در ماده مغناطیسی خیلی بیشتر از خود سنگها و کانیها است.

3-1-3-6- القای مغناطیسی

چنانچه جسم مغناطیسی در میدان خارجی H قرار گیرد، قطبهای داخلی آن در اثر میدان H کم و بیش در یک خط قرار می گیرند و خود میدان H را بوجود می آورند. این میدان باعث افزایش میدان کل در داخل جسم می‎شود. این میدان اضافی به شدت مغناطیسی بستگی دارد. طبق تعریف، القای مغناطیسی، B ، میدان کل در داخل جسم است که می‎تواند به صورت زیر نوشته شود.

(6-3)   (فرمول ها در فایل اصلی موجود است)                                                                          

(7-3)                                                                                                    

(8-3)                                                                         

که  رابطه بین خودپذیری و تراوایی مغناطیسی است. در واحدهای cgs، B برحسب گاوس می‎باشد که هم ارز ارستد است، پس  در سیستم cgs بدون بعد است.

واحدی که در روش مغناطیسی برای کاوش ژئوفیزیکی استفاده می‎شود گاما (هم ارز با نانوتسلا) می‎باشد که یک صد هزارم گاوس است.

آنچه در عملیات اندازه گیری می‎شود مقدار B است که پس از کم کردن H از آن مقدار مربوط به خاصیت مغناطیسی سنگها باقی می ماند که جهت اکتشاف مغناطیسی استفاده می‎شود.