钻头产生的干扰磁场对岩芯磁化影响的探讨

樊罡一，谢浩然，葛坤朋，王宇钦，刘 洋，李 静

（1.东华理工大学核资源与环境国家重点实验室，江西南昌330013；2.东华理工大学地球物理与测控技术学院，江西南昌330013）

古地磁学工作在我国发展迅速，广泛应用于地质和地球物理的各个领域，如地质构造、地球动力学、工程和水文地质、地球磁场起源、考古和环境保护等。通过对岩石与各类沉积物的磁性样品的粒度含量、磁性成分等变化特征进行研究，可认识各类磁性记录和磁化过程和机制，分析此类物质所携带的剩磁记录，可以获取岩石与各类沉积物形成时地磁场的相关信息，对理解地球动力学过程和地质构造等问题有重要影响。通过对此类数据反演，可以获取人类生存息息相关的信息，如气候变化、全球环境、人类对环境作用等[1-3]。

古地磁学实验前，首先要进行野外采集实验所需的样品，样品的品质对古地磁学至关重要。其样品一般为采集古地磁标准样品，但在裂隙较多的地区或者岩芯样品等，需要采集古地磁小样品，小样品无匹配钻头，常需要使用市面上的打孔器[4]。市面上的打孔器钻头使用的材料为传统的高速工具钢、硬质合金、PCD和PCBN等材料[5]。钻头自身并不是无磁材料，在使用的过程中会产生一个干扰磁场，实验室研究的样品磁性普遍较弱，易受到各种磁干扰的影响，但这种影响程度如何，是一个尚未引起足够注意但十分重要的问题，它直接影响到已有研究成果的可靠性和未来的研究，目前鲜见专门的研究报道，文献极少。

采样装置钻头形状似柱状磁化体，故本文计算的柱状磁化体磁场的物理原理出发[6]，通过建立合理的数学模型，进行计算，定量评估了钻头产生的次级干扰磁场的影响，探究了微古地磁岩芯定向采样装置对岩石样品采集的可靠性。

1 柱状磁化体所产生的磁场

1.1 磁场原理

据磁荷理论[7]。可知垂直磁化后的柱体底面和顶面分别布有正负电荷，即为柱状磁化体，点磁荷在空间所处的任意一点产生的磁场H是：

式中：r——由偶极子中心指向计算点矢径r的模；

rˆ——r的单位向量；

q——点磁荷的磁荷量。

因在真空中(或者空气中可以近似为)：

柱状磁化体表面附近的磁场变得更为复杂，同时，由于假设磁偶极子存在奇点(r=0时)和柱状磁化体产生的磁场大小始终为有限，故此刻磁偶极子假设不再适用。在理论上，柱状磁化体由于长期暴露在地磁场下而被磁化，故可以认为柱状磁化体被地磁场均匀磁化而成的磁化体。进而假设柱状磁化体地磁场沿负Z轴磁化柱状磁化体，既可以等效为磁化体。

1.2 确定柱状磁化体的等效磁荷面密度

为求此磁化体在其空间中任意处所产生的磁场大小与方向，需知磁化体的磁荷面密度σ，一般情况下，可以使用磁力仪的测量得到此样品在假设为磁偶极子情况下的磁矩为M。

再由静磁场理论中的一个非常重要结论：

式中：n——极化体表面的法向量；

Pm——磁化强度矢量。

又：

式中：j——磁化强度矢量。

对于均匀磁化的物体：

式中：V0——磁化体的体积。

1.3 采样装置钻头形状的磁化体产生的磁场

采样装置钻头形状似柱状磁化体(图1)，可采取上文1.1假设，磁偶极子存在奇点(r=0时)，磁偶极子假设不适应。将采样装置钻头形状磁化体看成被地磁场均匀磁化的磁化体。采样装置钻头形状磁化体沿负Z轴被地磁场磁化，即可以等效为磁化体。

图1 直角坐标系下采样钻头形状磁化体

采样钻头的形状由上面一层薄圆柱形薄片与下方的一个同心外径与上方直径相同的薄壁空心圆柱组合而成，因此根据此形状与磁荷理论的观点，可得垂直磁化后的钻头底面和顶面分别分布着正负磁荷。由于上边薄片的厚度相对下方空心圆柱的高度是一个小量，所以在进行计算时，可只考虑有上方圆柱薄片的上表面与下方空心圆柱的下部圆环参与，上下表面磁荷总量的绝对数值大小相等，顶底面的磁荷面密度满足：

式中：σ1——上表面磁荷面密度；

σ2——下表面磁荷面密度；

R——外径；

r——内径。

2 磁场计算及结果分析

2.1 磁荷面密度计算

对于套管型钻头，其实有两个磁荷面密度，分别为σ1和σ2，二者之比为套管上下面积之反比。为了求得该磁化体在空间中任意处产生的磁场大小与方向，需已知磁化体的磁荷面密度σ，使用Bartington MS2磁化率仪的测量，得到了等效10cm2下的磁化率xm。

对于选定的钻头样品有：μ0为真空磁导率，大小为4π×10−7H/m；内径1.00cm，外径1.40cm，高3cm；磁化率仪测得多组磁化率系数，弱铁磁性钻头磁化强度为2.0A/m。

将样品的各数值带入公式（4）、(5)求得磁荷面密度σ1为2.51×10-6HA/m2。基于1.3物理原理，再由式（6）可求得σ2为5.12×10-6HA/m2。

2.2 多个水平层面产生的磁场

（1）将σ1和σ2应用于计算极化体的磁场分布得到Z=0时的XY平面等值线图（图2）。

图2XY平面内Z=0时岩石钻头总磁场强度绝对值等值线图(单位：10nT)

其中可看出在岩石进入的最高水平位置中(即深度为1.50cm)，受到的磁场的大小最中心约6000nT，比地磁场的25000～65000nT要小了一个数量级。同时随着向外部扩散，外部的磁场在边缘处约降为3500nT，因此对岩石的影响是可控的，通常也是可以忽略的。

（2）将σ1和σ2应用于计算极化体的磁场分布得到Z=−0.50cm时的XY平面等值线图（图3）。

图3XY平面内Z=-0.50cm时岩石钻头总磁场强度绝对值等值线图(单位：10nT)

与图2类似，外部磁场在边缘处约降到了4500nT，因此对于岩石的影响是可控，通常可以忽略的。

（3）将σ1和σ2应用于计算极化体的磁场分布得到Z=−1.00cm时的XY平面等值线图(图4)。

图4XY平面内Z=-1.00cm时岩石钻头总磁场强度绝对值等值线图(单位：10nT)

岩石进入的1/3平位置中(即深度为0.50cm)，其受到的磁场的大小最中心约为4500nT，比地磁场的25000～65000nT要小了一个数量级。同时向外部扩散，磁场是单调增大到7500nT的一个过程，这是因为根据上文所说，下边缘是一个空腔，上部和下部的场的叠加使得中心部分受到上部作用大，边缘处受到下部作用大，导致了随高度的下降，外部场的数值增大，中心场的数值减小，进一步造成了从内到外磁场强度的数值随之增大的状况发生，可看出最大值出现的位置相比前两张图的位置更加靠外，同时也证实了理论的正确性。由于磁场在整个区域之内的最大值为7500nT，所以对于岩石的影响是可控的，通常可以忽略不计。

2.3 垂直切面产生的磁场

将σ1和σ2应用于计算极化体的磁场分布得到X=0时的YZ平面等值线图（图5）。

图5YZ平面内X=0时岩石钻头总磁场强度绝对值局部等值线图(单位：10nT)

从图中可以看出，垂直切面图中，钻头的边界区域范围在3000～10000nT以内的数值，即使是最大值，也仅有平均地磁场范围中最小值的一半，岩石钻头是一个高度对称的结构，无论是哪个角度的切片，磁场的强度都如同图5所示的结果，在整个的岩石可以被取到的范围之内，所有位置的磁场均不足以使岩石本身的性质改变。

3 结果与讨论

根据本文分析，可得知不同的位置的岩石受到影响的整体情况。水平方向上，从进入0.50cm开始，向上每0.50cm为一层，共计算了三层。竖直方向上由于其高度对称的结构，无论是哪个角度的切片，磁场的强度均应相同。根据所有的数据可以分析得到在通常情况之下，磁性样品在岩石钻头中的下边一半范围之内是可接受的，比地磁场对其的影响小两个数量级以上。根据多种不同钻头材料产生的磁场不同，但同样可以基于大部分现有钻头的材料所得到的数据来看，同样对于岩石影响程度仍旧是在可接受范围内所产生的磁场峰值约为7500nT，相比较于地磁场的 25000～65000nT小了一个数量级，仍旧达不到对岩石样品有明显干扰。

本文通过对钻头产生的干扰磁场对岩芯磁化影响的研究，获得的主要结论如下：

（1）在野外工作中，可通过微古地磁岩芯定向采样装置来对岩石样采集，不会导致岩石样本自身的特性造成影响。从而保证实验获得数据的可靠性，扩展了古地磁学数据的采集量和多样性，进一步对地球物理学电磁法的发展起到了作用。

（2）在对文中列举出的岩石钻头的理论实验中，验证了计算柱状磁化体磁场的物理原理，证明了此种方法对于研究此类问题的优越性与可靠性，得以充分发挥后期数据处理的确定性。保证实验所获得的数据的可靠性。