Магнитотеллурическое зондирование

Общие сведения о магнитотеллурическом поле Земли. Под магнитотеллурическим полем (МТ-поле) понимают переменную составляющую естественного электромагнитного поля Земли. Происхождение магнитотеллурического поля связывается с космическими и ионосферными процессами.

Переменные магнитные поля, связанные с токами в ионосфере и с деформацией магнитного поля Земли, индуцируют в Земле переменное электрическое поле, а поскольку горные породы обладают конечным сопротивлением, в Земле возбуждаются электрические токи (так называемые теллурические токи).

Многолетние наблюдения МТ-поля, выполняемые главным образом в обсерваториях, позволили выделить в этом поле колебания различного типа.

Пульсации относятся к классу короткопериодных колебаний МТ-поля (КПК). Их частотный спектр носит случайный характер и укладывается в диапазоне частот 10^-2—10 Гц с максимумом периода в интервале 10—60 с. Интенсивность (амплитуда) КПК для магнитного поля в средних широтах достигает нескольких нанотесл; для электрического поля — нескольких милливольт на километр.

Среди КПК выделяют устойчивые пульсации Р_с, представляющие совокупность квазисинусоидальных вариаций, непрерывно следующих друг за другом (рис. 4.30, а), и иррегулярные пульсации Р, проявляющиеся цугами (пачками) колебаний, разделенными во времени периодами относительно спокойного поля (рис. 4.30, б).

Бухтообразные возмущения DР-вариации) характерны единичными проявлениями, схожими по форме магнитограмм с береговыми очертаниями бухт (рис. 4.30,в). Их период — первые десятки — первые сотни минут. В высоких широтах амплитуды DР-вариаций достигают сотен нанотесл; в средних широтах — десятков нанотесл.

Мировые магнитные бури — вариации глобального характера с интенсивностью многие сотни нанотесл. Их причиной являются хромосферные вспышки на Солнце и сопутствующие им мощные потоки заряженных частиц, внедряющихся в приземное пространство.

Для разведочной геофизики наибольший интерес представляют вариации типа КПК, а при глубинных исследованиях также и DР-вариации.

В спектре переменного естественного электромагнитного поля Земли выделяется диапазон звуковых частот. Вариации поля в этом диапазоне связаны с грозовой деятельностью в атмосфере Земли и представляют собой совокупность импульсов (атмосфериков), каждый из которых является цугом квазисинусоидальных колебаний. Головные из них следуют с частотой около нескольких килогерц, а последующие (хвост атмосферика) с значительно меньшей частотой. Интенсивность атмосфериков возрастает в послеполуденное время. Летом она в несколько раз выше, чем зимой.

В каждой точке поверхности земли векторы и магнитотеллурического поля изменяются со временем не только по величине, но и по направлению.

Проекции концов векторов и на плоскость XOY в разные моменты времени называются годографами. Годографы векторов и представляя собой сложные фигуры — изомерные (нелинейная поляризация) либо сильно вытянутые в каком-либо направлении (квазилинейная поляризация). На рис.4.31 приведены годографы обоих
типов.

Удаленность источников магнитотеллурического поля от поверхности Земли позволяет считать это поле практически однородным в пределах площадей, линейные размеры которых не превышают нескольких десятков километров.

Пусть на поверхность однородного полупространства под углом е к ней падает плоская электромагнитная волна и, преломляясь, уходит в землю под углом d. Углы падения и преломления связаны между собой соотношением

, (4.48)

где k₁ и k₂ — волновые числа для воздуха и горной породы.

Волновое число среды зависит от круговой частоты поля (ω = 2πf ), магнитной проницаемости μ, проводимости γ и диэлектрической проницаемости ε среды:

(4.49)

Рис. 4.30. Типы вариаций магнитотеллурического поля: а – устойчивые,б – нерегулярные, в - бухтообразные.

При достаточно низких частотах поля k₁ = 0. Отсюда следует, что sin d О, т. е. d 0.

Таким образом, внутри геоэлектрического разреза плоская электромагнитная волна распространяется в вертикальном направлении. В неоднородных средах характер электромагнитного поля существенно зависит от параметров геоэлектрического разреза, что и обусловливает возможность извлечения из этого поля геологической информации.

В связи с тем, что методы магнитотеллурического поля применяются преимущественно для изучения слоистых разрезов, основной в теории этих методов является задача о поле плоской электромагнитной волны, распространяющейся вертикально в слоистой среде с горизонтальными поверхностями раздела.

Рис. 4.31. Годографы векторов Е и Н магнитотеллурического поля при нелинейной (а) и квазилинейной (б) поляризации

В качестве основной характеристики плоской электромагнитной волны и степени воздействия на нее проводящей среды обычно пользуются отношением двух взаимно перпендикулярных компонент поля (например Ех к Нy), которое называется импедансом (Z = Ex/Hy):

. (4.50)

Магнитотеллурическое зондирование. Процесс магнитотеллурического зондирования заключается в изучении зависимости входного импеданса, измеряемого на поверхности Земли, от частоты магнитотеллурического поля.

Матнитотеллурическое зондирование представляет собой одну из модификаций частотного зондирования, основанную на изучении вариаций естественного электромагнит­ного поля Земли в широком диапазоне периодов. Сущность МТЗзаключается в одновременной регистрации компонентов магнитотеллурического поля Е_x, Е_y, Н_x, Н_y и Н_z на поверхности Земли и последующем спектральном анализе результатовизмерений.

Данная модификация относится к типу индукционных зондиро­ваний основанных на использовании скин-эффекта. Глубина про­никновения электрического тока зависит от периода вариаций. Компоненты поля, выделенные в диапазоне малых периодов(при относительно высокой частоте поля), несут информацию о верхней части разреза, а компоненты поля, найденные по длиннопериодным вариациям,— о глубоких горизонтах. Путем анализа поведе­ния гармонических составляющих магнитотеллурическогополя в широком диапазоне периодов можно составить представление об изменении электропроводности горных пород по вертикали, выде­лить в разрезе толщи пород, обладающие низким или высоким удельным сопротивлением, и определить глубину залегания опор­ных горизонтов.

Измерения выполняют установкой, расположенной на поверхности земли. Она состоит из двух взаимно перпендикуляр­ных датчиков электрического поля — приемных линий М₁N₁, М₂N₂, в которых используются обычные неполяризующиеся электроды (как в методе ЕП) и трех магнитометров-вариометров Н_x,Н_у, Н_z. Размещение датчиков поля показано на рис. 4.32. Длина приемных линий обычно состав­ляет 200—500 м.

Направление приемных линий и расположение магнитометров выбирают строго в соответствии с основными элементами залегания горных пород и тектоникой района. Одну из измерительных линий М₁N₁вытягиваютвдоль простирания пород для изучения продольной составляющей электрического поля, другую — вкрестпростирания для изученияпоперечной составляющей поля. На­правление, близкое к меридиональному,условно обозначают у,перпендикулярное к ему — х. Соответственно размещают и магни­тометры. Расстояниемежду ними должно быть не менее 8 м, а вся измерительная установка (центр зондирования) находится на уда­лении 25—30 м от измерительной лаборатории.

Наблюдения выполняют либо в отдельных пунктах по системе профилей, либо в нескольких пунктах одновременно. Для синхро­низации наблюдений в аппаратуре предусмотрены ра­диостанция и телевключатели. Короткопериодныевариации ре­гистрируют в течение одних,а иногда и нескольких суток. Наблю­дения выполняют в утренние часы и во второй половине дня. Длиннопериодныевариации записывают круглосуточно.

Входной импеданс слоистого разреза связан с параметрами этого разреза соотношением

, (4.51)

где R_п — т.н. приведенный импеданс n-слойного разреза, ; — частота поля; — магнитная проницаемость; k₁ — волновое число верхнего слоя.

Приведенный импеданс n-слойного разреза сложным образом зависит от волновых чисел, мощностей h_n и соотношения удельных сопротивлений каждого слоя:

(4.52)

Для однородной среды R_n = 1, т. е.

. (4.53)

Если среда немагнитна, т. е. ее магнитная проницаемость равна Гн/м, а удельное сопротивление выражено в ом-метрах, модуль импеданса на поверхности однородного полупространства

, (4.54)

где — удельное сопротивление полупространства, Т – период измеряемого сигнала в сек. Отсюда

. (4.55)

В случае слоистого разреза это выражение определяет некоторый эффективный параметр, имеющий смысл кажущегося удельного сопротивления. В данном случае его принято обозначать :

. (4.56)

В соответствии с выражениями (4.51) и (4.54)

. (4.57)

Это выражение связывает кажущееся сопротивление (величину, которая может быть определена в результате полевых наблюдений) с частотой магнитотеллурического поля и параметрами гёоэлектрического разреза.

Для диапазона частот, с которыми приходится иметь дело в магнитотеллурических методах, токами смещения можно пренебречь. Учитывая, что длина волны в первом слое:

, (4.58)

Выражение для k₁ можно преобразовать следующим образом:

. (4.58)

Тогда выражение выражение для ρ_Т будет зависеть от параметров:

, ,…….. ; (4.59)

, , ……..

Это соотношение определяет конструкцию палеток теоретических кривых МТЗ.

Из теории МТЗ следует, что ρ_т — величина комплексная, т. е. определяется амплитудой и фазой. Соответственно рассчитываются палетки удельного сопротивления и разности фаз между Е_х и Н_у .

Палетки амплитуд строят в двойном логарифмическом масштабе с модулем 6,25 см, причем по оси ординат откладывают , а по оси абсцисс — λ₁/h₁. Фазовые кривые строят в полулогарифмическом масштабе, причем по оси ординат в арифметическом масштабе откладывают , а по оси абсцисс— в логарифмическом масштабе λ₁/h₁. На рис. 4.33, а, б изображены палетки для интерпретации амплитудных и фазовых кривых МТЗ.

Внешне характер амплитудных кривых МТЗ сходен с кривыми зондирования методом сопротивлений, т. е. горизонтам с высоким сопротивлением отвечают максимумы на графиках , горизонтам с низким сопротивлением — минимумы. Четкость, с которой отдельные горизонты проявляются на графиках, зависит от их мощности и контрастности по удельному сопротивлению. Характерная особенность графиков — наличие дополнительного экстремума в высокочастотной части кривой и переход величины р._г через нулевое значение при λ₁/h₁ = 8. В точке с абсциссой 8 и ординатой 1 располагается крест палетки.

Для кривых МТЗ, так же как и для кривых зондирований методом сопротивлений, справедлив принцип эквивалентности, т. е. при определенных соотношениях параметров разреза кривые МТЗ совпадают в пределах заданной погрешности.

Рис. 4.33. Палетки для интерпретации данных МТЗ: а, б – палетки соответственно амплитудных и фазовых кривых для двухслойного разреза, в, г – амплитудные кривые для трехслойных разрезов типов Н и К.

Для разрезов типов Н, А справедлива эквивалентность по S₂ (так же как и для ВЭЗ). Для разрезов типов К и Q характерна эквивалентность по h₂, т. е. при изменении в некоторых пределах h₂ кривые МТЗ в разрезах таких типов практически совпадают. Из этого следует принципиальная возможность однозначного опреде­ления h₂ по кривым МТЗ К и Q с погрешностью, зависящей от области применимости принципа эквивалентности. Для установления этих границ Б. К. Матвеевым построены специальные номограммы, сходные по конструкции с аналогичными номограммами Пылаева.

Интерпретация двухслойных кривых МТЗ с помощью палеток заключается в том, что полевую кривую, построенную на прозрачном билогарифмическом бланке, накладывают на палетку и наилучшим образом совмещают с одной из теоретических кривых. При таком совмещении ордината креста палетки равна ρ₁ а его абсцисса Т связана с h₁ соотношением:

. (4.60)

В настоящее время обработка данных измерений производится на компьютерах по специальным программам. В програм­махпредусматриваются узкополосная фильтрация записей магнитотеллурическогополя, выделение гармонических составляющих Е_x, Е_y, Н_x, Н_y и Н_z для заданной последовательности периодов Т,вычисление импедансовZ_xy=Е_x/ Н_y; Z_yx=Е_y/Н_x; Z_xx=Е_x/Н_x; Z_yy=Е_y/Н_y, определение сдвига фаз между взаимно перпендикулярными составляющими Е_х и Н_у, Е_у и Н_х, а также вычисление кажущихся сопротивлений по формулам:

Дополнительные импедансыZ_xx, Z_yyи вертикальную состав­ляющую Н_z магнитного поля используютдля анализа неоднород­ности среды и выбора соответствующей методики интерпретации результатов наблюдений.

Магнитотеллурическиезондирования применяют при структур­ных исследованиях в глубоких осадочных бассейнах, где мощность морских отложений составляет 3—10 км, а также для региональ­ных исследований и изучения электропроводности глубоких частей земной коры и мантии.

МТЗ позволяет изучать глубинные геоэлектрические разрезы при наличии в надопорной толще не­проводящих экранов, поскольку последние не являются препят­ствием для электромагнитной волны. В этом их главное преиму­щество перед методом сопротивлений на постоянном токе.

Контрольные вопросы.

1. Физическая сущность метода естественного электрического поля (ЕП). Способы измерений и условия их применения.
2. Как определить все параметры двухслойного геоэлектрического разреза, если полевая кривая совпадает с палеточной кривой .
3. Физическая сущность и установки в методе электропрофилирования.
4. Чему равно значение потенциала в точке М от электродов А и В? (записать формулу). Покажите токовые и эквипотенциальные линии от электродов А и В.
5. Нарисуйте вид кривой ВЭЗ, если геоэлектрический разрез имеет вид: r₁=120 Ом*м , r₂=50 Ом*м , r₃=200 Ом*м, r₄=80 Ом*м. Какой это тип кривой и разрез?
6. Физическая сущность метода и установки, применяемые в методе ВЭЗ.
7. Покажите, какой вид имеют аномалии естественного поля (ЕП) над скоплениями сульфидов (съемка способом потенциала). Как определить, где находится рудный объект?
8. В чем разница между истинным и кажущимся удельными электрическими сопротивлениями ?
9. Что понимается под удельным электрическим сопротивлением и удельной проводимостью в электроразведке и каковы единицы измерения этих величин?
10. Запишите формулу для определения разности потенциалов между электродами MN от электрода А (электрод В можно считать удаленным на бесконечность). Покажите токовые и эквипотенциальные линии от электрода А.
11. В каких единицах измеряется значение коэффициента установки? Покажите - почему?
12. Для симметричной установки АМNB c коэффициентом k = 3.14 м на точке получено значение r_k = 52 Ом м. Чему будет равно значение r_k , если АМ=BN=40 м, MN=20 м, V=300mB, J=0.002 A?
13. Определите, в соответствии с вашим вариантом, можно ли считать указанную в табл.1 установку трехэлектродной, если среднее удельное сопротивление среды равно r_СР, и ток равен J. Питающий электрод можно считать удаленным на бесконечность, если его потенциал в точке N не превышает 3 % значения потенциала в этой точке от ближнего питающего электрода.

Таблица 1

1. Сущность электрического профилирования и зондирования (что общее и в чем отличие?).
2. Какие разрезы называются двухслойными, трехслойными и какими параметрами они характеризуются?
3. Почему кривые ВЭЗ изображаются в билогарифмическом масштабе?
4. В каких единицах измеряется истинное и кажущееся удельное электрическое сопротивление?
5. Что такое коэффициент установки и в каких единицах он измеряется?
6. Что понимается под качественной и что - под количественной интерпретацией кривых ВЭЗ?
7. Поясните сущность метода ВП. По каким признакам на графиках измеряемых параметров мы можем судить о наличии электронно-проводящего объекта?
8. Какие параметры измеряются и определяются в методе частотного зондирования (ЧЗ)? Чем метод ЧЗ отличается от ВЭЗ?
9. Поясните сущность магнитотеллурического зондирования. Чем здесь достигается изменение глубины исследования? Чем метод МТЗ отличается от ЕП?
10. За счет чего возможно применение методов электроразведки при поисках нефтегазовых залежей?