地磁学实验指导书.docx

地 磁 学 课 程 实 验 指 导 书 熊仲华 防灾科技学院 2017 年 03 月 目 录 实验一 K 指数报告的制作 ………………………………………………………………2 实验二 磁暴报告的制作 …………………………………………………………………8 实验三 磁偏角磁倾角观测及观测数据处理……………………………………………11 1 实验一 K 指数报告的制作 一、识别非Ｋ变化 所谓非Ｋ变化是指一天之中由持续存在的场源所引起的规则地磁变化，我们称之为“规则日变化 SR” 。规则日变化 SR 的形态特征并不是一个固定模式,因此，摸索和掌握识别 SR 形态的客观标准是 K 指数 量算中的关键问题。 当前在 K 指数测定中识别 SR 形态的客观标准基本上取决于三个因素: 一是掌握 SR 出现形态的全球特征; 二是掌握有关识别 SR 的实用规则;三是掌握识别本台所出现的 SR 形态的实际经验。 第一、二因素是指南，或说是帮助观测者在判断 SR 形态出现疑惑的情况时,尽可能地减少主观性。因 素三在测定 K 指数中是最重要的，而获得个人经验的有效方法之一是观测者需要反复对比本台长期的磁照 图资料，熟知不同季节中本台 SR 出现的形态和它的逐日变化。 二、SR 出现的全球特征 如图 1,由于 SR 主要是起源于与太阳光辐射作用相关的高空稳定电流体系的规则变化, 所以随着电流 体系的强弱变化、及其与测点相对位置的变化,造成 SR 的形态基本有三种类型: R 型(一个极值)、T 型(二 个极值)、F 型(三个极值)。另外,有时由于作用于南北半球的电流体系的互相侵入, 还会造成 SR 出现短时 的、小小的次极大情况。 图1 在磁纬 25±15°带出现的典型 SR 电流体系模型及相应的日变 左图为电流体系,右图为 H 的日变化 SR 。(摘自 Mayaud 的文章) 三、识别 SR 的实用规则 1. 根据磁照图上记录曲线的平静段部分进行平滑以得到一个可能的 SR 形式。 所谓平静段是指无突然变化的各个记录段，它是引导观测者平滑处理地磁扰动记录的一个依据，据此 而得到一个连续的平滑变化形态就是一个可能的 SR 形式。我们用它作为测量Ｋ变化的零水准,好像Ｋ变化 2 是叠加在这一平滑的 SR 上的变化。这一个可能的 SR 形式是指观测者所熟知本台站可能出现的多种 SR 形状 中的一种。 图 2 是亚极光带的费雷德里克斯堡台 1960.3.21～24 四天的 H 记录， 虚线是根据平静段平滑的 SR 形态。 图2 用平滑化处理亚极光带的费雷德里克斯堡台 1960.3.21～24 日 H 记录的 SR (虚线)形态 用平滑化处理记录的过程中要避免两种极端做法：一是对难以识别的、不明显平静段,不能套用平均 Sq 变化的方法来代替,也不能参照其前一天的 SR 形态或采用其前后两天的两个 SR 形态作平均来代替。在 SR 不 易识别的情况下,就用直线代替,千万不能凭主观 想象。 另一种是不能依照记录变化的总趋势画一条平滑曲线来当做当日的 SR ， 因为还应考虑平滑的Ｋ变化和 SR 次级变化的存在。如低纬度地区的地磁扰动相对较低，因此平滑化设计 SR 较容易，但 SR 的次级变化也 有较多的显示， 如不注意很容易当做Ｋ变化来对待。 如图 3 是低纬度的檀香山台 1959.6.13～16 的 H 记录， 6 月 14 日 8～11 时(LT)；6 月 16 日 14～17 时(LT)都为 SR 的次级变化。 图3 用平滑化设计低纬度的檀香山台 1959.6.13～16 日 H 记录的 SR 中的次级变化形态 显然,依靠记录的平静部分定出某日的 SR 时, 鉴别 SR 的精度将取决于这些平静段的存在和它们的持续 时间, 所以 SR 的精度是与地磁活动度成反比的。即记录含有足够的平静段时，光滑后得出的一条曲线可代 表一个基本正确的 SR 图像；要是活动水平增加时，虽然也可根据总趋势光滑出一条曲线，但这条曲线只能 表示这天的 Sd 图像。 2. 磁暴的扰后效应平滑化时可当做小幅度的 SR 来处理；如果连小幅度的 SR 都识别不出来，就以直线表 示非Ｋ变化。 磁暴后的 H 记录不同于正常日子,一般是主相期恢复较迅速,而且呈曲线恢复；在恢复相内恢复速度缓 3 慢且呈线性恢复，但在有扰动时这种恢复往往不明显。很多磁暴时的地磁扰动十分复杂，往往有很多 Sd 的 变化成分掺杂在其中。图 4 和图 5 分别是关岛(Φ=4.0°N,Λ=212.9°E)和檀香山(Φ=21.1°N,Λ=266.5°E)台的 磁暴发生日及其以后 3 天的 H 磁照图。这些图在一般的台站都是常见的,它们清楚地显示了 Sd 的负效应大 到大部分或甚至全部湮没正常日子 SR 显示的程度，在部分湮没时，该日的 SR 只呈现小幅度的图像，在全 部湮没时，当日的非Ｋ变化只能用直线代替。 1958.9.25～28 日关岛台(Φ=4.0°N，Λ=212°E) 图4 图5 H 分量的磁照图虚线为非Ｋ变化 1958.9.24～27 日檀香山台(Φ=21.1°N，Λ=266.5°E) H 记录的磁照图虚线为非Ｋ变化 扰后效应本质上是一种原来造成磁暴的赤道环电流在外层大气圈中的衰减现象，其本身并不产生新的 扰动的能量，严格地说不存在地磁活动。因此，在实践中，K 指数是不能用于扰后效应的精确测量的。在 处理上就把它与正常状态下 SR 综合的效应当做非Ｋ变化。凡能识别的，即使是幅度很小的 SR 形态都要给 以识别，识别不了的就以直线代替。 3. 在平滑过程中如有某些不确定性,致使有多种可能的平滑方法,平滑时就采用最简单的、 含推测性最 小的一种作为非Ｋ变化。 本规则的目的是保证在识别 SR 有疑点的情况下有其一致性,这是构成测量Ｋ指数客观性上最重要的因素, 对 K ＝2，3，4 时很有用。另外，也有助于某些观测者在缺乏一定的识别能力而陷于过分的犹豫不决时,不 要去寻求 SR 的太复杂的解释,减少工作的复杂化。图 6 是埃克代尔米尔和拉奎拉两个台的 H 记录， 图6 埃克代尔米尔和拉奎拉台的 H 记录。图中虚线代表可能的平滑化方法，空圈中的数字表示可能的作法， 而点划线为最简单的平滑化方法。 图中空圈中的数字表示几种可能的平滑方法。特别是下图中①的平滑方法,按照一般 SR 形态认为有一个极 小,主要考虑 11 ～16h 内有地磁扰动。用此极小来显示,则是观测者人为地补上这个极小。然而根据本规则， 4 为了减少人为臆测的因素， 只在 10 ～16h 之间作简单的两个平静段之间的连接,以②的形式定为该时间间隔中 的非Ｋ变化。 4. 如果记录曲线有小的起伏，只要这种小的起伏在开始和结束不含有突然变化。在 SR 存在的时间内 就可算作 SR 变化，而不必去考虑它还是否属于平滑的Ｋ变化(慢振荡)。 这条规则是在平静的日子里, 位于中低纬度(从中纬度到磁赤道 15°的范围内)的台站经常遇到的，并 在 SR 比高纬区有更多的次级变化时用到。图 7 表示了檀香山台 4 天较平静日子内,识别 SR 次级变化和Ｋ变 化的分析。在图 7（a）中, 10h 左右有一个次极小，由于其前后没有突然的起伏变化，可把这个极小变化 看作 SR 的次极变化。非Ｋ曲线在 7～16h LT 变化是它本身， 它包含的三个 K 指数都为零(注意该台地方时 为 165°W 标准时)。图 7（b）在 12h 左右虽然也像图 7.27a 那样有一个次极小，但由于在它的前后(10h 和 15h 左右)有一个较明显的、呈角点的变化。因此，把 10 ～15h 那段作为Ｋ变化。当然，在识别这段时 间内非Ｋ变化的形态时，会出现两种可能性：一种是按 10h 前的平静段和 15h 后的平静段各向中间趋势延 伸，于是在 12h 左右会有一个极大，这样的 SR 形态在这个台是经常出现的；另一种是从 9～17h 之间连一 光滑曲线(图中的虚线)。也许真正的 SR 可能非常不同于这样的形态，但这种连接最简单、且臆测风险最 小。图 7（c）中，11h 左右有一个次极小，因其前后无突然变化，可认为是 SR 的次级变化。然而，16h 30m 至 22h 的变化则为一 Sd 效应，图中虚线表示这一段时间上的非Ｋ变化。图 7.27d 中记录很平静，根据 平静段作出的 SR 如图所示，这种形态的 SR 在该台是很少见到的，由于平静段长而平滑，其可靠性也就较 大。注意，在判断是否属Ｋ变化的规则上，有无突然变化不是必要条件。上面讲的只是在 SR 存在的时间里 可以这样考虑；要是在 SR 经常出现的时刻，有时虽未发现突然变化，但其振幅和持续时间出现不协调现象， 那就要考虑为Ｋ变化。 图7 檀香山台较平静日子的 H 记录 图 8 中纬檀香山台（上）与高纬科列支台（下）H 记录对比 图 8 的上图是檀香山台 1958 年 4 月 7 日的 H 记录，在 16 ～17h 有一负的次级变化，在其前后也确无 突然变化，可是这一时刻是该台 Sd 经常出现的时刻，而且从其振幅来看，似乎持续期短了些，因此把该次 级变化作为Ｋ变化处理。与图 7.28 的下图，即高纬区的科列支台同日的 H 记录(Φ=64.6°N,Λ=256.5°E) 对比,在相应的时间里确实有一 Sd 变化。 在 K 指数测定中,目前识别非Ｋ变化的标准纯粹是以地磁变化形态学的分析为基础，不同的观测者之 5 间将必然存在着差异。据估计,若观测者在识别非Ｋ变化时谨慎的话,则在测定 K 指数的低量级范围(K ≤3) 内，量得 K 值的差异将不会超过一个单位。K 指数测定精度的这个限度，是地磁工作者都知道的。 四、确定 K 指数（手工方法） 1. K 量板。Ｋ量板是确定Ｋ指数的工具，如图 9 所示，纵线是时间线，其间隔与磁照图上的时间间隔 相等，共 3 小时;横线是Ｋ指数的数值线,每条数值线间的间隔都是不相等的，在中低纬度地区，它们分别 由 H 磁变仪的格值 SH 和Ｋ指数规定的各级 3 小时时段 H 分量 K 变化幅度的下限值 RH 来决定的。数值线间 隔 n 为: RH ( K ) n ＝ ───── SH (mm) ( K ＝0，1，2，...9) K 量板一般是用透明纸或胶片作成的。注意: ①因不同地域各级 K 指数与其相应 的 3 小时时段 K 变化幅度的下限值（RH）规定不同，故不同地域使用的 K 量板中每条 图 9 Ｋ量板 数值线间的间隔都是不相等的,即不同地域使用的 K 量板是不同的。②因 H 磁变仪的 标度值 SH 是可变化的， 所以地磁台上都会有一套与本台标度值 SH 变化范围相适应的 K 量板以供选用。 2. 确定 K 指数 认识本台的非Ｋ变化形态后，便可用 K 量板确定出各时段的 K 指数，具体操作方 法如下： ①认识本台的非Ｋ变化形态：以便掌握本台的非 K 变化趋势。 ②勾画非Ｋ变化的形态：根据识别 SR 的四条准则，用铅笔在当天的地磁记录上勾 划出非Ｋ变化(SR)的形态，如图 10a。 ③确定 3 小时时段 K 变化幅度：以世界时计，按 3 小时时段将一天的变化分为 8 个时段。找出每个时段内的 K 变化幅度 RH，即找出偏离由第 2 步勾画出的 SR 曲线最高 点和 最低点，并做出过此点的 SR 平行线，如图 10b。 图 10 K 指数量算 ④确定 K 指数：按时段顺序，分别在每个 3 小时时段内，用 K 量板 0 线对齐 RH 的高点(或低点)，取 RH 的低点(或高点)落在 K 量板上位置的下限读数为此时段的 K 指数，并将量算结果填入 K 指数报告。如图 10c 6 所示，12～15h 这一时段(第五时段)K 指数应为 3。注意：K 指数是整数！ 确定Ｋ指数的主要误差来源于: 不严格按《规则》正确识别规则日变化 SR 和消除非Ｋ变化;测量 K 指 数的具体方法可能尚存在不标准、不统一的地方。故在测定 K 指数中应注意: RH 是 H 记录曲线扣 除 SR 后得 到的,如图 11 中,第二个时段的幅度 RH 是 a 不是 a'。RH 在各三小时时段是独立的,如图 10c 所示。应用 K 量板时一定要使量板上的横线平行于基线,或垂直于时号线。 虽然用上述方法确定的 K 指数来表示一个地磁台的 3 小时地磁活动信息是十分粗糙的，但因由它所推 出的行星性活动指数 KP 是一个难得的、 十分重要的地磁指数,所以, K 指数的确定仍是地磁台站的一项重要 日常工作。 图 11 K 变化幅度 RH 的选取 K 指数报告 K 时段 指 判断 0～3 3～6 6～9 9～12 12～15 15～18 18～21 日期 数 21～24 Kmax 磁静 扰日 五、K 指数确定结果的检验 对 K 指数确定结果的检验方法有两种。 (1) 第一种检验方法：按年度逐台对各级 K 值进行频次统计，然后分别计算低 K、中 K 和高 K 指数在 测量总次数中所占的百分比，再将此比值同国际上的相应值进行比较。 (2) 第二种检验方法：为了防止人为地压低或抬高 K 值，以达到在一年内的低 K、中和高 K 指数的分 布符合要求的目的，可进一步进行下述的统计分析： 设 Kdij 为第 j 台的第 i 日的 K 指数日总和，求月均值 Kmj: n Kj ＝ Σ Kdij /n i=1 式中 n ＝28，30，31，即为 1 月中的天数。将参加统计的所有台站的月均值取平均，得该月的所有台的平 均值 Kp ，从而可逐台求出该月的差值： 7 ΔKj ＝Kj －Kp 如此逐月进行统计处理，按ΔKj 值的大小评定其质量。 这两种方法相结合，既可以使 K 指数测值的频次分布与国际上的测量结果相接近，又可防止人为因素 的干扰。 六、实验报告（实验一） 实验题目： K 指数报告制作 实验目的：学会制作 K 指数报告 实验要求: 量算 5 天记录的 K 指数,制作 K 指数报告 实验工具: 地磁记录,K 量板,铅笔, K 指数报告表 实验原理: 简述确定 K 指数的原则 实验步骤: 确定 K 指数的步骤 数 据 表: K 指数报告表 数据分析: 与标准结果进行比较,说明出现问题的原因 实验体会: 思 考 题： 1. K 指数是描述什么的指数？ 2. K 指数分几级？ 3. 用什么地磁记录来确定 K 指数？ 4. 确定 K 指数的分级指标是什么？ 5. K 指数大小与 H 的纯干扰变化幅度对应关系是唯一的吗？ 6. 用地磁记录确定 K 指数的关键是什么？ 7. 用地磁记录确定 K 指数的原则是什么？ 8. 确定地磁规则日变化 SR 的规则是什么？ 9. 在地磁记录上量算 K 指数用什么工具？ 实验二 磁暴报告的制作 一、地磁量板（普通量板） 普通量板如图 12。横线以零线为界分为上、下两部分，零线以上每两 条横线的间距为 10mm，共 120 mm；零线以下每两条横线的间距为 1mm，共 10mm ，读准到 1mm ，估读到 0.1mm。纵线为时间线，间距为 20mm，共 5 条， 此间距与磁照图上时间线间隔相同，它代表 1 小时；在最右端的两条纵线间 代表 15 分钟;零线上的每两条小竖线间代表 5 分钟。故时间可估读到 1 分钟, 以便量算磁场的巨烈变化。 8 图 12 普通量板 二、 磁暴报告的制作（手工方法） 当发现记录到磁暴时，应及时处理；每月应制作一份磁暴报告。这也是地磁观测数据处理中的重要工 作之一。 识别磁暴 如何从地磁记录中确定磁暴呢?我们可以采用如下原则: (1)考察记录曲线。首先观察记录曲线是否光滑,特别是 H 分量的记录（注意：在中低纬度地区， 是以 H 分量的记录为标准的）,若锯齿形变化特别丰富且整个变化幅度都很大,可能为磁暴。 (2)考察 K 指数。量算变化较大部分的各个 3 小时时段的 K 指数,若最大的 K 指数大于或等于 5 时, 可能为磁暴。 (3)考察磁暴形态。满足前两条后,要看整个变化是否具有磁暴的 3 个阶段,即是否满足磁暴的形 态特征。 (4)考虑磁暴的全球同时性 根据磁暴具有的全球同时性,可与周围的测点联系,考察是否各点都同时记录到了这一变化。 制作磁暴报告 磁暴报告如下表。按其内容要求制作方法如下： 磁 暴 报 告 (1)确定磁暴开始时刻。 在地磁记录（磁照图）中，找出 H 分量突然发生急剧增加变化的时刻（急始型），或出现较迅速 增加、变化剧烈、且周围测点同时出现剧烈变化的时间（缓始型），即为磁暴开始时间,如图 13a 中标 有 SC 箭头处为急始型的开始时刻；b 中标有 GC 处为缓始型磁暴的开始时间。用普通量板的时间线来确定 磁暴开始时间。注意：磁暴开始时间一律采用世界时（请考虑为什么？）。急始型磁暴开始时间准至“分 钟”（1979 年 9 月 8 日 04 点 50 分）；缓始型则准至“小时”（1988 年 1 月 2 日 4 点）。 图 13 磁暴的完整形态 （a）急始型磁暴；（b）缓始型磁暴 9 (2)确定磁暴终止时间。 确定磁暴终止时间的原则是：①磁场变化很平缓、恢复了原来平静的状态（规则日变化 SR 形态）； ②在连续 2～3 个时段内 K 指数都满足小于或等于 2 时,记录曲线开始变光滑。 满足上述条件的时间为磁暴终止时间,单位取到“小时”。如图 13a 中标有箭头处（（1979 年 9 月 8 日 18 点），此时间可由磁照图中的时号线得出。注意：磁暴终止时间也必须采用世界时记。 （3）确定磁暴类型。 根据本专题第一章第三节所讲内容，由磁暴初相形态分析磁暴是“急始型”？缓始型？如图 13a，从 04 点 50 分开始，H 分量突然发生急剧增加变化，故此磁暴为急始型磁暴；图 13b 中，从 04 点开始，H分 量出现较迅速增加、变化剧烈、且周围测点同时出现剧烈变化，则此磁暴为缓始型磁暴。 （4）确定急始变幅。 对急始型磁暴做此项工作。急始变幅是量取主要脉冲变幅，即磁场突然急剧变化的幅度。所以，如图 13a 中所示 a a′部分。用普通量板来量算其变化幅度毫米数（务必注意磁场变化的方向），换算成相应的要素 值，并填写在报告中（注意：三分量的急始在同一时刻）。 （5）确定最大活动程度。 最大活动程度是取整个磁暴期间(指磁暴开始到结束的整个时间段)的３小时时段 K 指数中最大的一个。 所以，首先应找出磁暴期间磁场变化最剧烈的部分，如图 13a 中 05 点 50 分至 11 点；然后，按量算 K 指数的方法，确定各时段的 K 指数，并选出最大的一个，按它所在的日期、时段、K 指数值填在报告中。 （6）确定活动程度。 活动程度是由最大活动程度确定的 Kmax 指数来决定的。根据磁暴报告说明来确定此磁暴活动程度是 m？ ms？ s？如图 13a， Kmax = 7，磁暴活动程度是 ms 。 （7）确定磁暴的最大幅度。 磁暴最大幅度系指整个磁暴期间(指磁暴开始到结束的整个时间段)D、H、Z 分量记录的磁场变化的最 高点与最低点之差。所以，首先应找出磁暴期间 D、H、Z 分量磁场变化的最高点与最低点，如图 13a，H 分量磁场变化的最高点为 05 点 50 分，最低点为 11 点；然后，用普通量板分别量算出两点间的幅度毫 米数，将毫米数换算成相应的要素值填写在报告中。 量算磁暴的主要问题是：要从大量磁暴记录中掌握各种类型磁暴的特点，提高识别磁暴的能力。 3. 磁暴分析结果检验 对磁暴分析结果的检验方法比较简单。由于磁暴是因太阳上发生带电粒子抛射而形成的。太阳活动经 日地空间耦合传到地球时，对高空各种电流体系的影响也不相同。再加上地壳部分产生的感应变化，使磁 暴的变化过程千奇百态。然而，根据磁暴是一种全球性的地球物理现象和磁暴的形态、持续时间和 K ≥5 等方面的特点和规律，将多个台站所分析的同一磁暴的各种参数排列在一起时，其规律十分明显，就能准 确地识别出磁暴的有与无，是与非。这便是检验磁暴分析结果的原理与方法。 三、实验报告（实验二） 实验题目：磁暴简报的制作 实验目的:学会制作磁暴简报 实验要求:量算 4 个磁暴记录,制作磁暴简报 10 实验工具:地磁记录,普通量板,K 量板,铅笔,磁暴简报表 实验原理:简述识别磁暴的原则 实验步骤:磁暴简报制作步骤 数据表: 磁暴简报 数据分析:与标准结果进行比较,说明出现问题的原因 实验体会: 思考题： 1.什么是磁暴？磁暴过程分为几个阶段？各阶段的名称及其地磁场变化的特点是什么？ 2.如何确定磁暴的类型及其开始的时间？ 3.确定磁暴结束时间的标准是什么？ 4.什么是磁暴的活动程度？分为几种？如何确定它们？ 5. 什么是磁暴的最大活动程度？由什么来确定它？ 6.什么是磁暴的最大幅度？ 实验三 磁偏角、磁倾角观测及观测数据处理 一、磁偏角、倾角观测原理 1. 磁偏角观测原理。磁偏角是磁北方向与地理北方向之间的夹角,且当磁北方向位于地理北方向以东 时,磁偏角规定为正。因此,如果把仪器置于观测点处,且仪器度盘中心即为观测点,只要在仪器的水平度盘 上找到通过度盘中心的磁北方向、地理北方向的位置,就可以通过这个水平度盘确定出观测点的磁偏角大 小。 通过观测点(仪器度盘中心)的磁北方向可以利用在水平面内自由旋转磁针（静止时所指的方向），也 可应用电磁感应原理等来确定。 通过观测点的地理北方向是借助于对已知真方位角的固定标志的观测来确定的,即在离观测点不远 (200m 左右)的地方设立一个固定标志,并用天文方法测定标志与其真方位角。所谓真方位角是指观测点与 标志连线方向与地理北方向间的夹角（顺时针转角）。这样,只要测量出通过度盘中心的标志方向,就能确 定出过观测点的地理北方向。如图 14 所示。 图 14 图 15 磁偏角的观测原理 11 I 观测原理示意图 若仪器水平度盘中心 O 落在观测点 P 上,度盘的刻度沿顺时针方向增加, H 为磁北方向, 其在度盘上的 读数为 M , S 为固定标志, 其在度盘上的读数为 N ′(N ′＞M )。已知标志的真方位角为 A , 则 地理北方向在度盘上的读数为 N。 N = N ′- A (1) D = M - N 因此有: = A - (N ′- M ) 令: AM = N ′- M 则有: D = A - AM (2) 其中，AM 称为标志磁方位角,即标志方向与磁北方向的夹角。因此, 在这里磁偏角又可理解为标志的 地理方位角与磁方位角之差, 观测磁偏角的问题就转变为观测标志的磁方位角问题。 根据磁偏角的定义,利用观测已知方位角标志的磁方位角来确定观测点的磁偏角大小，即为磁偏角的 观测原理。 2.磁倾角测量原理 如图 15，图中的圆是一个位于磁子午面的竖直度盘，O 为刻度中心（代表测点），0 为度盘的 0 刻线，m 为传感器轴线。若 m 垂直于地磁场总强度（F）方向，则根据磁倾角定义，传感器轴 线与 0 线的夹角为磁倾角。所以，磁倾角得观测原理是：根据磁倾角定义，利用观测传感器轴线方向与度 盘 0 刻线的夹角计算磁倾角 I 大小。 二、磁通门原理 1. 软磁性材料。软磁性材料的磁化特性：磁滞回线描述了磁性材料的磁化过程，说明磁性材料的磁化 过程是非线性的，不同的磁性材料磁化所需的饱和磁场、产生的剩磁是不同的。如图 16（a） ，软磁性材料 的磁滞回线如同柳叶，即磁化所需饱和磁场很小、产生的剩磁却很大（或说极易被磁化、具有高导磁率）。 常用的软磁性材料为不同的合金，如坡莫合金、镍铁高导磁合金、铁氧体等。 图 16 DI 仪观测原理 2. 磁通门原理。如图 16（b），若将上述软磁性材料（一般取坡莫合金）作成跑道形磁芯，并在磁芯 周围绕两层线圈，内层是在磁芯的两臂各均匀地绕有线圈，称为激励线圈，通电（激励电流）使磁芯磁化， 具有很强磁性；外层是在整个磁芯外绕有线圈，称为接受线圈（或称检测线圈） ，检测感应电势。这就是 DI 仪的传感器，磁芯的轴线方向就是传感器的轴线方向。若没有外磁场作用，当给激励线圈通电后，磁芯两 臂的磁通量变化大小相等、方向相反，接受线圈中没有感应电动势，检测信号为零（零磁场）。在地磁场 12 作用下，若传感器轴线水平且垂直于磁子午面，或位于磁子午面内垂直于地磁场总强度 F，则接受线圈检 测信号为零；否则，接受线圈有感应电动势产生，检测信号不为零。所以，DI 仪传感器的方向性极强，用 它可以确定地磁场的方向。 三、磁通门磁偏角倾角仪（CTM—DI 仪） 磁通门磁偏角倾角仪也称为磁通门经纬仪，简称 CTM－DI 仪，属于电子式绝对观测仪，其用途是观 测测点、观测时刻的磁偏角（D）和磁倾角（I）大小。 磁通门磁力仪拥有很长的历史，第一台仪器出现在第二次世界大战之前。虽然，迄今已有 100 多种不 同的类型的仪器，但是，它们都是基于“软”磁性材料磁化的非线性特性，利用电磁感应原理来观测地磁 场及其变化。 1. CTM—DI 仪的整体结 如图 17 所示。DI 仪由三部分组成：传感器用来接受地磁场信息；检测器是 检零设备（如图 17（b）），输出显示传感器轴线方向与地磁场水平分量（或总强度）是否垂直；无磁经纬 仪（如图 17（a）和图 18）用来确定标志、地磁场水平分量或总强度的方向。 图 17 图 18 CTM－DI 磁力整体构成图 CTM－DI 磁力仪外形结构图 13 2.仪器技术指标 仪器的观测精度为≤±0.1′,无磁经纬仪的测角 精度为≤ ±3″,望远镜的放大倍数为 28 倍,适用温度为-20～+50 C°,分 辨率为 0.1nT, 检测器为数字显示 （输出以 nT 为单位， ×１０档输出范围为± 1999nT,×1 档输出范围为±199.9nT） 读 。数尺如图 27 所示,读数视场中有 “H”标记的为水平度盘, “V”标记的为垂直 度 盘。每 格1′, 图 18 CTM－DI 磁力仪读数镜 3.仪器工作流程 估读到 0.1′。 DI 仪的工作流程实际上是检测器的工作流程。传感器输出的感应信号，通过导线传 输到检测器，为了使检测器能反应出传感器轴线方向 0.1ˊ的变化，精心设计的工作流程如图 19。 图 19 检测器工作流程图 4、DI 仪的观测误差及观测精度 （1）DI 仪的观测精度。由 DI 仪观测原理可知，观测 D、I 就是确定地磁场方向在度盘上的位置，然 后计算 D、I 大小。所以，度盘的精度决定了仪器的观测精度。已知度盘刻度精度为 0.1ˊ，考虑到环境及 其他因素影响，仪器的观测精度一般为≤0.20ˊ，观测标准偏差为≤0.1ˊ。 （2）DI 仪的观测误差。①可以通过观测程序消除的误差。此类误差有两种： 一是望远镜轴与传感器轴线不平行引起的误差：因传感器是固定在望远镜上的，传感器轴线位置是用 望远镜轴线位置代表的。在观测中采用传感器在望远镜上和下两次观测取平均值的方法来消除此误差。 二是仪器转动中心与度盘刻度中心不重合引起的误差：这是水平和垂直度盘都存在的、仪器制作过程 中不可避免的。对于水平度盘，在观测中采用盘左盘右（或盘南盘北）两次观测取平均值方法来消除；对 于垂直度盘，在观测中采用盘东盘西两次观测取平均值方法来消除。 ②不能由观测程序来消除的误差，但应采取人为方法尽可能的减小。 ▼地磁场变化的影响: 在观测过程中 D 本身的变化是不规则的,当磁场变化较大甚至很剧烈时,观测中 检测器很难置零,因而会产生观测误差。为了克服和减少地磁场变化的影响,一是观测应在磁静日进行，二 是采用近零法观测。 ▼因仪器调整不当而引起的误差:例如:度盘没有真正调整水平;望远镜内影像没有真正调到目镜焦面 上;望远镜转轴不水平或镜内刻划线不竖直等等。需经常检查、认真调整仪器,使其影响达到微不足到的程 度。 ▼观测环境影响引起的误差。标志点应是经久牢固可靠的,否则其位置的移动会直接影响观测精度;标 志点应尽可能地远离观测点,且与观测点处于同一水平面上;另外地壳的变动以及地面气层水平方向的折光 现象等也会影响对标志的观测。 14 ▼测点周围磁性物质的存在会对观测精度产生影响,即使把它们放在"安全距离"以外,有时也不能认为 其影响可完全消除。 5.DI 仪的常见故障 DI 仪一般是经过严格检测后出厂的，较少出现故障，一旦出现某些故障，则应 求助于专业人员和专业设备。只有在出现以下几种情况时，用户可进行分析排除。 ①断线：由于观测时需经常活动传感器，故传感器输出线有可能断线，致使检测器无显示。此时，应 先检测线断部位并将其去掉，然后，打开传感器外壳，将断线原样焊好。 ②制动搬把锁不紧：水平和垂直制动搬把用久后有可能出现琐不紧的情况，此时应松开搬把侧面的螺 钉，拧紧搬把琐紧螺钉，然后再把搬把侧面的螺钉拧紧。 ③微动螺丝旋转手轮不起作用或作用不明显：这是微动手轮不居中造成的，应进行调节。对于水平微 动手轮，要求水平制动手把位于长椭圆形孔的中间；对于垂直微动手轮，要求微动手轮与螺杆之间有 2mm 左右的间隙。 ④蓄电池工作不正常：蓄电池充电时很快充满，放电时又很快放光，说明电池内阻增高、极板老化， 应更换电池。 为使仪器保持完好工作状态、延长使用寿命，应每隔 2～3 年由专业人员进行一次检测和保养。 四、磁偏角、磁倾角观测 1.观测前准备 （1）安放仪器：将 DI 仪中心放于测点。 （2）调整仪器：首先调整其底座水平，然后调节度盘读数的清晰度，最后打开自动补偿器锁紧轮。 （3）连接仪器： 将电源、DI 仪检测系统、传感器及无磁经纬仪连接好，注意接牢。 （4）检查电源：检查电源电压:测量电压为+9V,激励电压为 1.2～1.4V。 2.观测方法 使用 CTM—DI 仪观测磁偏角、磁倾角的方法有两种：指零观测和近零观测。 ①指零观测：指零观测按观测原理是在观测过程中使检测器读数精确为零，只从经纬仪的度盘读数来 计算 D 和 I 的观测。 ②近零观测：近零观测是利用 DI 仪检测器在近零区域输出线形的条件，将 DI 仪传感器轴调整到使检 测器输出最接近于零的整分位置，在整分钟时读取检测器的输出量，换算为经纬仪度盘读数的观测。 检测器的输出量与度盘读数的换算：换算关系与观测要素有关。 观测 D：如图 20 S 180×60 △D（′）= —— × —————— = 3438S/H H 3.1415926 （3） 观测 I：如图 21，设 S 为检测器的输出量，垂直度盘读数修正值△I 为： S 180×60 △I（′）= —— × —————— = 3438S/F F 3.1415926 15 （4） 图 20 水平度盘读数的修正值△D 换算 图 21 垂直度盘读数的修正值△I 换算 ③指零法观测与近零法观测的比较： ▼指零法观测的优缺点：优点为①由于观测直接利用检测器的零输出，所以，对仪器的线性度、格值 没有具体要求；②观测时间短。 缺点是①由于每次观测都需及时记录时间和读数，所以，观测需两个人来完成；②观测结果只依赖于度 盘读数，故难免存在读数误差。 ▼近零法观测的优缺点：优点是①由于观测时记录的是正分时检测器的读数，故可以保证观测数据与 记录数据在时间上的严格同步；②观测中度盘读数不足整分部分的读数是由检测器读数换算出的，故不仅 可以避免估读的误差，还可减轻观测者视觉上的疲劳；③大大降低了观测人员对 DI 仪传感器造成干扰的 可能性。 缺点是观测时间较长，对仪器线性度、格值等指标要求较高。 3.指零法观测及观测数据处理 ▼磁偏角观测与计算：如表 3.1。 ①观测标志： a. 将 DI 仪望远镜置于正镜位置(传感器位于望远镜上方，或记为“盘左”),观测标志,读记水平度盘 读数(记入标志盘左栏内)。 b. 将 DI 仪望远镜置于倒镜位置(传感器位于望远镜下方，或记为“盘右”),观测标志,读记水平度盘 读数(记入标志盘右栏内)。 ②观测磁北：打开检测器电源。 a. 松开垂直制动手把,将垂直度盘读数置于 90°位置, 并将 DI 仪置于正镜位置,锁上垂直制动手把。 b. 松开水平盘制动手把,将垂直盘放于北边(盘北),围绕 DI 仪垂直轴旋转底座， 使检测器显示为零,读 记此时水平度盘读数和时间(记入表面时;盘北向上栏内)。 c. 置垂直盘于南边(盘南), 围绕 DI 仪垂直轴旋转底座， 使检测器显示为零,读记此时水平度盘读数(记入 盘南向上栏内)。 d.松开垂直制动手把,将垂直度盘读数置于 270°位置,并将 DI 仪处于倒镜位置,分别置垂直盘于盘南、 盘北,重复 c、b,并读记水平度盘读数和时间(分别记入盘南向下、盘北向下、表面时栏内)。 ③观测标志：重复①。 ④计算磁偏角 D 及基线： a.计算观测磁北步骤 b、c 观测值的平均值； b.计算观测磁北步骤 d 中盘南、盘北观测值的平均值，此值与 a 值差 180°； 16 c.计算 a、b 的均值（L，以读数中小度数为均值的度数）和观测时间的均值； d.计算磁北方向读数 m：m = L ± 90°； e.计算标志观测均值：先计算步骤①观测值的平均值，再计算步骤③观测值的平均值，然后计算步骤 ①和③均值的平均值； f.计算真北方向读数 M：M 等于标志观测均值加（或减）标志方位角 g.计算磁偏角 D：D = m –M。 h.计算磁偏角基线 DB：根据偏角记录的标度值 SD、磁偏角观测时间内的记录相对基线的变化量 ND，按 公式：D B = D - SD·N D 计算磁偏角基线。 ▼磁倾角观测与计算：如表 3.1。 表 3.1 台名： 地磁偏角、倾角观测表 仪器号： 日 墩号： 年 月 日 观测者： 标志： 时 期： 间（UT） 时 钟： 磁 偏 探 头 位 盘 记录者： 角 D 观 测 北（N） 盘 南（S） 平 均 置 开始 向上 (1) º ˊ (2) º ˊ º ˊ 终了 向下 (4) º ˊ (3) º ˊ º ˊ 平均 mˊ= 标 标志 垂 直 志 盘 观 测 左 垂 直 盘 º ˊ m = mˊ±90º º ˊ 标志观测均值 º ˊ 右 开始 º ˊ º ˊ 标志方位角 º ˊ 终了 º ˊ º ˊ 真北方向 M º ˊ 磁北方向 m º ˊ º ˊ 平均 磁偏角 D 磁 时 间（UT） 探头位置 倾 盘 角 观 测 东（E） 盘 西（W） 平 均 开始 向上 (1) º ˊ (4) º ˊ º ˊ 终了 向下 (2) º ˊ (3) º ˊ º ˊ º ˊ º ˊ 平均 磁倾角 I= 计算： 复核： （1） 观测磁倾角。 a.松开水平制动手把,将 DI 仪放于正镜、盘西(垂直盘在西边)位置,并置水平盘于磁北位置(测 D 时已 确定好的 m 位置),锁紧水平制动手把。 b.打开电源,松开垂直制动手把,上下转动 DI 仪望远镜使检测器显示为零。读记此时的时间和垂直度 盘读数(记入表面时、向上盘西栏内)。 c.松开垂直制动手把,在垂直面内转动望远镜 180°,置经纬仪于盘西向下位置,重复②,读记垂直盘读 17 数(记入向下盘西栏内)。 d.松开水平制动手把,将 DI 仪水平旋转 180°,水平盘位于磁南（m+180°）位置,锁紧水平制动手把。 然后分别将垂直盘放于东边(盘东)向上、向下,重复②、③,读记垂直盘读数和时间(记入盘东向上、向下、 表面时栏内)。 e.关上检测器电源及 DI 仪自动补偿器锁紧轮。 （2）计算磁倾角及基线。由于以上各观测步骤（位置）所获度盘读数与磁倾角的关系不同，故磁倾 角的计算方法为： a.计算磁倾角 I：记录表内 [（3）+（4）-（1）-（2）]/4 + 90°= I e.计算磁倾角基线 IB：根据 H、Z 记录的标度值 SH 和 SZ、磁倾角观测时间内的记录相对基线的变化量 NH、NZ，按公式：IB = I - （SZ·NZ·cosI - SH·NH·sinI）计算磁倾角基线。 以上观测方法是为了克服各种误差来源而设计的,每一步骤都不可缺少。 三、近零观测 1.磁偏角观测与计算。 （1）观测：观测的步骤与指零法相同，只是在观测步骤 b、c、d 中，应为松开水平盘制动手把, 围 绕 DI 仪垂直轴旋转底座，使检测器显示接近零、水平度盘读数为整分，读记检测器显示读数 S 和观测时 间。观测记录实例如表 3.2。 表 3.2 近零法观测磁偏角记录实例 台站：武汉 仪器型号：CTM—DI 217 时钟：电子表 观测人员：王晨 位置 时间（UT） 度盘大数 开始 251°34.0′ 标志 71°34.0′ F 墩位： 墩位：3# 记录人员：王晨 检测器读数 修正值 天气：晴 日期：2000 年 5 月 20 日 改正后读数 A D 记录 标志方位角：347°47.15′ 盘 06h48m - 2.3 - 0.23 29.6 北 06 49 - 2.1 - 0.21 29.8 正 06 50 - 0.9 - 0.09 29.8 - 1.1 - 0.11 29.7 平均 - 1.6 - 0.16 盘 06 52 - 1.4 0.14 29.7 南 06 53 - 2.0 0.20 29.6 正 06 54 - 2.6 0.26 29.6 镜 06 55 - 3.3 0.33 29.5 平均 - 2.3 0.23 盘 06 56 1.7 0.17 29.6 南 06 57 4.0 0.40 29.5 倒 06 58 4.7 0.47 29.5 镜 06 59 4.8 0.48 29.4 平均 3.8 0.38 盘 07 00 5.2 - 0.52 29.5 北 07 01 3.9 - 0.39 29.5 倒 07 02 3.7 - 0.37 29.4 镜 06 51 350° 170° 170° 350° 21′ 19′ 13′ 15′ A′ 18 21020.84′ 10219.23′ 10213.38′ 29.78 29.60 29.50 21050.62 10248.83 10242.87 镜 07 03 2.3 - 0.23 平均 3.8 - 0.38 结束 251°34.0′ 标志 71°34.0′ 29.4 21014.62′ 29.45 21044.05 标志观测均值：251°34.0′ （2）计算：计算步骤与指零法相同，水平度盘读数修正值△D 计算如图 22，在第一、三位置 时，△D =3438S/H；在第二、四位置时，△D = -3438S/H。其中，H 为水平分量的近似值，修正值△D 的符 号取决于 DI 仪传感器磁轴方向的取向。 在观测记录实例中，以盘北正镜为例计算如下：武汉地磁台 H≈34000nT，则 修正值△D1=3438×（-1.6）/34000 = -0.16′ 修正后水平度盘读数 A1 = 350×60+21+△D1 = 21020.84′ 2.磁倾角观测与计算。 （1）观测：观测的步骤与指零法相同，只是在观测磁北的步骤 b、c、d 中，应为松开垂直制动手把, 上下转动 DI 仪望远镜使检测器显示接近零、垂直度盘读数为整分，读记检测器显示读数 S 和观测时间。 观测记录实例如表 3.3。 图 22 偏角观测中水平度盘读数修正值△D 的计算 表 3.3 近零法观测磁倾角记录实例 台站：武汉 仪器型号：CTM—DI 217 时钟：电子表 观测人员：王晨 位置 V 度盘大数 时间 （UT） 墩位：3# 记录人员：王晨 检测器 变化量 天气：晴 日期：2000 年 5 月 20 日 FHD记录 FHD记录 F H Z 改正后 读数 V 读数 F 墩位： 东 07h 05m 07 06 正 07 07 - 2.8 0.20 49281.3 34383.0 35299.7 07 08 - 2.8 0.20 49282.0 34383.7 35300.0 49281.30 34383.30 35299.43 盘 镜 13′ - 3.3 0.23 49281.0 34383.0 35299.3 - 2.9 0.20 49280.9 34383.5 35298.7 0.21 平均 盘 07 09 东 07 10 倒 07 07 镜 134° - 6.0 - 0.42 49281.8 34383.5 35299.9 - 7.5 - 0.52 49282.1 34383.2 35300.6 11 - 7.7 - 0.54 49282.7 .4383.6 35301.1 12 - 7.6 - 0.53 49282.6 34383.6 35300.9 49282.30 34383.48 35300.63 314° 14′ - 0.50 平均 盘 07 14 西 07 15 倒 镜 8053.21′ 225° 45′ 18853.50′ - 6.8 - 0.48 49283.3 34383.6 35301.9 - 5.9 - 0.41 49283.2 34383.7 35301.7 19 07 16 - 6.9 - 0.48 49284.0 34384.0 35302.5 07 17 - 6.0 - 0.42 49284.1 34384.7 35302.0 49283.65 34384.0 35302.03 - 0.45 平均 盘 07 19 西 07 20 正 07 07 镜 13544.55′ - 6.3 0.44 49284.4 34383.8 35303.3 - 6.4 0.45 49284.7 34384.0 35303.5 21 - 6.5 0.46 49284.8 34384.2 35303.4 22 - 6.5 0.46 49285.2 34384.5 35303.7 49284.78 34384.13 35303.48 45° 44′ 0.45 平均 2744.45′ （2）计算：计算步骤与指零法相同，垂直度盘读数修正值△I 计算如图 23，在第一、四位置时，△I = -3438S/F；在第二、三位置时，△I = 3438S/F。其中，F 为地磁场总强度的近似值，修正值△I 的符号取决 于 DI 仪传感器磁轴方向的取向。 图 23 磁倾角观测读数与磁倾角的关系 在观测记录实例中，以盘东正镜为例计算如下：武汉地磁台 F≈49000nT，则 修正值△I1= -3438×（-2.95）/49000 = 0.21′ 修正后垂直度盘读数 V1 = 134×60+13+△I1 = 8053.21′ 其他位置同样计算，得 I 的绝对值为： I = （V3 + V4 - V1 – V2）/4 + 90×60 = 2745.57′ 五、实验报告（实验三） 实验题目：磁偏角、磁倾角观测及观测数据处理 实验目的: 熟悉磁通门磁偏角倾角仪的观测原理、了解其结构，掌握观测磁偏角、磁倾角的方法 （指零法、近零法），学会观测资料的处理。 20 实验要求: 使用磁通门偏角倾角仪观测一个测点的磁偏角和磁倾角，并完成观测数据处理。 实验工具: 一台磁通门偏角倾角仪及其电源设备，计时工具，铅笔及观测记录表。 实验原理: 简述磁通门偏角倾角仪工作原理。 实验步骤: 说明观测步骤，并注明其在消除观测误差中的作用。 数 据 表: 磁偏角和磁倾角观测记录表（指零法、近零法各一张） 数据分析: 分析观测环境对观测结果的影响。 实验体会: 思考题： 1.简述磁通门偏角倾角仪的工作原理。 2.简述磁偏角、磁倾角的观测原理。 3.磁通门偏角倾角仪的观测误差来源有哪些？为什么？ 4.在实际观测中如何利用观测程序来消除和减小仪器的观测误差？ 5.使用磁通门偏角倾角仪观测磁偏角倾角大小的条件有哪些？ 近 零 法 观 测 磁 偏 角 记 录 表 台站： 仪器型号：CTM—DI 时钟： 观测人员： 位置 时间（UT） 开始 标志 天气： 记录人员： 检测器读数 修正值 标志方位角： 盘 北 正 镜 平均 盘 南 正 镜 平均 盘 南 倒 镜 平均 盘 北 倒 镜 度盘大数 墩位： 21 日期： 改正后读数 A 年 月 D 记录 日 A′ 平均 结束 标志 标志观测均值： D= 磁北观测均值 近 零 法 观 测 磁 倾 角 记 录 表 台站： 仪器型号：CTM—DI 时钟： 观测人员： 位置 时间（UT） 墩位： 天气： 记录人员： 日期： V 度盘大数 检测器读数 年 变化量 盘 东 正 镜 平均 盘 东 倒 镜 平均 盘 西 倒 镜 平均 盘 西 正 镜 平均 I= 22 月 日 改正后读数 V 7