海洋论坛▏刘迪仁等：海洋磁力测量技术的研究 - 海底地质矿产勘探仪

大佬陈 · 发表于海洋调查船 2024-5-20 09:29:51

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地磁场是地球重要的物理场，是既有大小又有方向的失量场。海洋的地磁场是海洋环境重要的组成部分，是海洋地球物理及海洋地质研究主要的内容。海洋磁力测量技术主要用于海底地质勘探、海洋矿产资源勘探、海洋沉船打捞搜救、海洋油线管道调查、海洋地磁导航、海洋目标探测、海洋地震前兆地磁信息研究等领域。近年来随着海洋磁力测量相关技术的不断发展，技术越来越成熟，应用范围越来广。

海洋磁力测量根据测量原理不同分为质子磁力仪、光泵磁力仪和磁阻式海洋磁力仪，各种磁力仪均有优缺点，其应用场合作业条件无法相互取代。海洋磁力测量技术：海洋磁力探测目标识别技术、海洋磁力测量磁补偿技术、海洋磁力测量数据处理技术、海洋磁力测量深海防水耐压防腐技术、海洋的磁力测量地磁匹配。磁测资料对编制海图、研究海洋地质和海底的资源都有重要作用。海洋磁测发现了海底条带状磁异常，为板块构造学说提供了重要依据。

一、海洋磁力测量技术的原理

地磁场是随时间和空间而变化的矢量场，采用地磁图与和地磁模型进行分析。地磁场用观测点为坐标系原点，其矢量要素：地磁分量X、地磁分量Y、地磁分量Z、地磁分量H、地磁偏角D、地磁倾角I和地磁总强度F。

磁力仪可分为绝对测量和相对测量。按仪器原理分为：质子磁力仪、光泵磁力仪、质子电子双共振磁力仪、磁通门磁力仪、偏角倾角磁力仪。

地磁场随时间变化，具有全球性。同一点的磁场也随太阳而变化。相对记录仪就是观测记录地磁场随时间变化的仪器。地磁球谐模型公式如下：

地磁场根据观测的空间分为：陆地、海洋、航空和卫星的磁测。陆地测量：磁偏角仪测量磁偏角D，质子磁力仪测总场F，磁通门磁力仪进行相对的测量；航空和卫星测量：质子磁力仪和光泵磁力仪测量磁场的绝对值，用三分量磁通门仪测量相对值。

海洋磁力测量技术属于弱磁场探测技术，其实质是测量海洋的地磁场，与陆地地磁场测量一样，可以分为绝对测量和相对测量。对于海洋环境调查，海洋地质资源勘探，海洋地磁基准测绘，海洋磁偏角测量，目标探测等绝大多数海洋磁力测量都是绝对测量，相对测量只适用于固定点相对日变化观测和船载导航三分量测量。

海洋磁力测量能够了解海底地质变化、海底结构改变的地球内部物理过程的海洋环境。随着对海洋资源开发和海底环境探测需求增加，特别是深海海洋资源调查和大洋地质勘探领域，需要更加先进精准的海洋磁力测量技术对磁异常进行研究和分析。

海洋磁力测量技术根据工作原理分为质子旋进测量技术、光泵测量技术、奥佛豪塞（Overhauser）测量技术和磁阻式等几种测量技术

⒈质子旋进海洋磁力测量技术

质子旋进海洋磁力测量技术通是绝对测量地磁总磁场强度T，其特点是稳定性好、精度高、温度系数非常小、探测无方向死区、探头适合全海域测量等特点。其技术原理如下：

探头内装有质子液体，在这些富含质子的液体中，在外磁场为零时，氢原子磁矩是任意取向的，在正常的地磁场下，其质子指向地磁场方向。在液体的周围加有强大的人造磁场（由线圈产生），此磁场引起液体内的质子自旋方向偏向一方，自旋的轴将转至人造的磁场方向上定向的排列。当人造磁场消失，质子在原有自旋惯性力和地磁场力的作用下，以相同的相位绕地磁场的方向进动旋进。质子的旋进切割容器的线圈，产生电感应电信号，电信号的频率和质子的旋进频率相同，而且质子的旋进频率与其当时的地磁场成正比，测量出旋进信号的频率，就能得到磁场的大小。

质子旋进海洋磁力测量可以是海洋日变站测量，也可以是拖曳式海洋磁力测量。拖曳式海洋磁力测量，根据探测目的不同，拖鱼可以设计成水平阵列式或垂直阵列式，用于探测海洋水平梯度或者垂直梯度，水平阵列式传感器探头既可以是前后阵列也可以是左右阵列，不同形式的阵列组合，探测数据实现的探测效果是不同的，为实现不同目标进行精准探测定位。

由于地球环境的变化，地球背景磁场噪声也越来越大。根据国家地震地磁台站的观测数据，陆地上地磁场的背景噪声接近0.1nT，海洋背景磁场其噪声比陆地小，但也≥0.05nT，因此，在实际应用中，海洋磁力仪的分辨率即使≤0.1nT为0.01nT或者0.001nT，其在海洋环境下探测到的海洋地磁场数据精度是同一量级。海洋质子磁力仪因其灵敏度达到0.1nT或0.01nT，探头无探测盲区，无温度系数，探头工作温度范围宽（-30℃～50℃）而广泛使用。

⒉光泵式海洋磁力测量技术

光泵式海洋磁力测量技术其本质为光泵磁力仪原理，建立在塞曼（Zeeman）效应的基础上。其原理是光谱灯产生的光线经过透镜、滤镜、偏振片后形成偏振光，偏振光再通过吸收室之后，光束聚焦在一个检测器上。偏振光的光子如果在吸收室撞到具有相对光子对应的自旋方向碱金属的原子，碱金属的原子将捕获光子发生能级的跃迁，当吸收室的碱金属气体吸收的光线达到一定量级时，吸收室吸收光线减少，此时光检测器检测到光线。这时在吸收室施加特定频率的振荡电磁场，碱金属的原子将重新被激发吸收光子，此时光检测器能检测到最少光线。根据拉莫尔频率和环境磁场的比例关系，通过测量光检测器光强最弱时振荡电磁场的频率即可获得环境磁场的大小。高性的铯光泵磁力仪因为其高灵敏度、高分辨率其探测到磁性目标的范围更广，甚至可以探测到太阳，能够发现各种大少不同的磁性体。

图1 光泵海洋磁力仪原理框图

⒊奥佛豪塞海洋磁力测量技术

奥佛豪塞（Overhauser）海洋磁力测量技术也是质子旋进式海洋磁力测量技术，通过质子和电子双共振实现。通过液体在射频磁场中达到质子极化，当富含质子的液体在特定低频射线中时，游离的电子被激发，能量传递给质子，产生进动信号。通过测量该信号对总磁场强度的变化，从而实现对海洋总磁场的测量。由于进动信号的测量和极化可同时进行，所以采样频率高。由于其无需施加强大的人工磁场来极化质子，因此其探头磁干扰小，能耗低。这种测量技术的优点是带宽大、耗电少、采样率高、没有死区、也没有方向误差、价格相对光泵便宜，其缺点是探头探环境的温度范围比质子海洋磁力仪窄，低温环境探测效果比质子海洋磁力仪差。

二、海洋磁力测量技术发展现状

海洋是地球最广阔的区域，占地球的70%，目前人类探索海底有95%未知的世界。21世纪的世纪，着力打造向海经济、海上丝绸之路，大力发展海洋磁力测量技术是海洋资源勘探的主要手段。

⒈国外海洋磁力测量技术发展现状

自《联合国海洋法公约》发布以后，世界各国来越重视海洋资源的调查和相关技术的研究，海洋磁力测量技术得到快速发展。

海洋磁测是用船只携带仪器进行海洋地磁测量。有3种方法：无磁船上安装地磁仪器测量；用船只拖曳磁力仪测量；磁力仪沉入海底后进行观测。美国卡内基研究所先后用专门装备起来的船只和卡内基号无磁性船，在太平洋、大西洋和印度洋等海域进行了测量，取得了大量的磁偏角、磁倾角和水平强度资料。

苏联的曙光号无磁船完成了印度洋、太平洋和大西洋的测量，得到了大量的海洋地磁资料。国外采用质子旋进磁力仪安置在海底直接测量地磁场，同时在海洋表面测量，得到海洋地磁场的垂直梯度值。目前国外海洋磁力仪主要有美国Geometrics公司生产的G801、G877和G881铯光泵海洋磁力仪和加拿大MarineMagnetic公司生产的SeaSPY系列Overhauser海洋磁力仪、法国GeomagSARL公司生产的SMMⅢ海洋磁力仪、加拿大GEMSystem公司生产的GSM-19M海洋磁力仪、美国JWFishers公司Proton4海洋磁力仪等。其采样率和灵敏度越来越高，探测范围和仪器稳定性越来越好。

⒉国内海洋磁力测量技术发展现状

国内海洋磁力测量起步较晚，目前发展速度很快，中国的海洋磁力测量主要有北京市京核鑫隆科技有限责任公司生产的JHC-188T拖曳式质子旋进磁力仪等，测量地磁总强度，实现，360°探测；JHC-898海洋日变站，仪器的技术指标基本和国外先进的海洋磁力仪相当。

三、海洋磁力测量技术的应用

海洋磁力测量是海洋地球物理调查的重要内容，在海洋的研究、工程都得到应用，在军事上，海洋磁力测量在探潜、反潜、目标探测、舰船导航及磁差校正、舰船消磁、地磁导航和沉船打捞等具有重要的战略意义；在海洋工程方面，在光缆调查、海底油气管线调查、找寻海底磁性物体、海湾大桥、隧道工程、电厂选址工程的可行性研究等方面磁法勘探已经得到广泛的应用。

⒈海洋磁力测量技术在海洋工程上的应用

⑴海洋磁力测量技术在海底光缆铺设的应用

海洋磁力的探测是通过探测海底线缆引起的磁场变化，实现对海缆探测和定位。能探测埋设较浅小于1米海缆，实验证明在地磁场25000nT-65000nT时其异常达50nT，因此可探测海底电力电缆、通信电缆和光缆。其他的采用饱和式磁力仪探测、质子磁力仪探测、光泵磁力仪探测等方法其均可达到很好的探测精度，能够对海缆故障点和敷设路由进行探测和定位。

⑵海洋磁力测量技术在海底油气管线维修的应用

我国海洋石油产业发展迅速，建立了很多石油平台并铺设了大量的海底管线（输油管线、输气管线及注水管线等），由于海水腐蚀、海洋生物损害等，部分管道出现损害和抗力衰减，危害正常的石油采集及传输，会造成油气泄露，产生巨大的经济损失并会对环境产生巨大的危害，因此探测现有海底管线铺设现状及准确位置对海底管线及时维修和实时更新十分重要。利用海洋磁力测量技术能够对油田平台周边海底管线进行探测，并有良好的探测效果，由于海底管线基本都是较粗的铁质管，其产生的磁场比较大，有几十到几百的磁异常，探测效果明显。

⑶海洋磁力测量技术在海底废弃军火方面的应用

在海洋战争中，近海遗弃的水雷和炮弹，对海洋工程和正常工作构成威胁。因此采用磁力测量技术对海洋工程施工和在未知海域航行进行前期探测排查十分重要。通过布设较密的观测网，能够及时发现磁异常点，进行排查处理，为海洋区域的安全提供保障。

⑷海洋磁力测量技术在大型海洋工程选址的应用

大型的海洋工程必须确保其地基稳定可靠，与地面飞机场跑道类似，海上相关工程也需要对地磁环境进行测量，确保区域稳定性。应用海洋磁力测量技术既可以排查海底沉船残害遗物，又可以有效避免将重型工程建设在海底矿产之上，影响日后的开发使用。最重要的可以了解工程区域内的断层及其他的地质构造情况。利用海洋磁力测量的技术结合地震勘探及钻孔资料，对异常进行解释。

⑸海洋磁力测量技术在环境监测方面的应用

在海底及海面污染物堆积会对海洋生物和人们日常海洋活动产生严重的影响，因此各国都在积极开展海洋环境治理，相较于传统的密集取样，采用海洋磁力测量能够大范围、宽领域、多层次的对海洋环境污染情况进行较为全面的监测和掌控。

⒉海洋磁力测量技术在军事方面的应用

⑴海洋磁力测量技术在探潜的应用

海洋磁力测量技术可以有效获取到海里及海面磁变化信息，对海洋中的磁性物体（潜艇、水雷、舰船等）进行探测，可以在已知背景场的基础上对磁异常现象进行分析，探测潜艇活动情况，也可以采用大深度的直接目标探测识别，与航空磁力测量相结合，在背景场未知情况下探测潜艇。

⑵海洋磁力测量技术在潜艇消磁隐身的应用

探潜与反潜是海军重要课题，世界各国都投入巨大的精力实现潜艇消磁，以提高其生存能力，世界先进的航空磁力探测系统能够在潜艇的上方300～800m处实现进行准确的定位。潜艇消磁主要是控制减少潜艇的磁场，而且潜艇本身的磁场较大，消除其固定的磁场很难保证消磁效果。现代方法已采用磁抵消的技术，通过实时测量技术获取当前海域磁场信息，经过计算开展消磁设备来抵消潜艇磁性，达到磁隐身。

⑶海洋磁力测量技术在舰艇导航和武器制导的应用

地磁导航是海洋应用之一，海洋磁力测量的发展实现地磁导航与卫星定位、惯性导航结合，为导航及制导提供先进的导航选择，具有无源、无辐射、全天候、全海域、低能耗等优点。利用其准确、稳定、高效的特点，在各种船舶和潜艇行进过程中进行地磁定向，确定航向，将传感器测量的磁航向和磁方位角经过磁偏角修正后确定真正的地理航向，实现潜艇长航时水下航行。此外，还应用在走航式水雷导航系统和设备中。

四、结论与展望

海洋磁力测量技术的具体方法、规程、测试检验、信息处理等内容十分广泛，海洋磁力测量我们正处于发展阶段，测量任务艰巨。建设海洋强国，发展海洋经济，必需对我国海域进行全方位的海洋磁力测量，构建海洋磁力大数据系统，精准实时监测我国海域的地磁场，为海洋环境监测、海洋资源勘探、海洋防灾预警、海洋地磁导航、海洋目标探测定位提供高精度、高准确度、顶用符合实际的地磁场数据，将产生巨大的经济、社会、军事效益。

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【作者简介】文/刘迪仁汪蓉仪周勋，来自北京信息职业技术学院、北京市京核鑫隆科技有限责任公司。第一作者刘迪仁，1968年出生，男，男，教授级高级工程师，硕导，主要从事地球物理仪器的研究工作；作者汪蓉仪，女，1988年出生，主要从事地球物理仪器的研究工作。本文由基金项目赞助，自然资源部海洋环境探测技术与应用重点实验室开放基金（MESTA-2020-A003)。文章来自《中文科技期刊数据库（全文版）工程技术》，参考文章略，版权归出版单位与作者所有，用于学习与交流，本文编发已取得作者授权，转载也请备注由“溪流海洋人生”微信公众平台编辑与整理。

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