Естественного переменного электромагнитного поля Земли
Министерство образования Российской федерации
Петрозаводский государственный университет
Кольский филиал
А.А. Жамалетдинов
Электроразведка с применением вариаций
естественного переменного электромагнитного поля Земли.
(учебно-методическое пособие)
Апатиты - 2011.
Рецензент: доктор физико-математических наук В.Ю. Семенов
УДК 550.837.
Электроразведка с применением вариаций переменного естественного электромагнитного поля Земли. Учебно-методическое пособие А. А. Жамалетдинов, 2012, 74 стр.
В пособии кратко изложены физические и теоретические основы электроразведки методом магнитотеллурического и аудиомагнитотеллурического (МТ-АМТ) зондирования, описаны основные приемы анализа амплитудных и фазовых кривых МТЗ-АМТЗ, приведено решение одномерной прямой задачи МТЗ и рассмотрены основные приемы анализа МТЗ в условиях двумерно-неоднородных сред. Особое внимание уделено методам экспресс-интерпретации данных на основе асимптотических подходов, дифференциальных и алгебраических трансформаций. В заключительной части руководства дано описание основных типов измерительной аппаратуры МТЗ, методики полевых работ и приведены практические задания по интерпретации результатов МТЗ-АМТЗ. Настоящее учебно-методическое пособие написано по опыту преподавательской работы на горном факультете Апатитского филиала Петрозаводского государственного университета и на геологическом факультете Санкт-Петербургской горной академии.
Пособие предназначено для студентов, обучающихся по специальностям 011200 «Геофизика», 650600 «Горное дело», 070600 «Физические процессы горного и нефтегазового производства» и 014300 «Физика Земли и планет».
Печатается по постановлению Редакционно-издательского совета Петрозаводского государственного университета в качестве учебно-методического пособия.
Содержание
стр
Предисловие ……………………………………………………. 3
1. Введение ………………………………………………… 4
2. Природа и основные типы магнитотеллурических вариаций 10
2.1. Низкочастотные МТ-вариации ……………… 11
2.2. Вариации АМТ-диапазона. …………………… 13
3. Математическая модель магнитотеллурического поля… 15
4. Импеданс, кажущееся сопротивление и вектор Визе…….. 19
5. Модель Тихонова-Каньяра………………………………. 25
6. Нормальная модель магнитотеллурического поля……… 27
6.1. Фазовый фронт.…………………………………….… 34
6.2. Фазовая скорость. ………………………………….. 35
6.3. Глубина проникновения МТ поля…………………. 35
7. Горизонтально-слоистая модель………………………… 36
8. Обработка результатов МТЗ …………………………….. 43
8.1. Амплитудные кривые МТЗ ………………………. 44
8.2. Фазовые кривые МТЗ …………………………… 46
8.3. Тензор импеданса …………………………………. 48
9. Двумерная модель МТЗ…………………………….…… 50
10. Интерпретация кривых МТЗ …………………………. 56
10.1. Асимптотический анализ ………………………. 56
10.2. Дифференциальные трансформации …………. 60
10.3. Алгебраические трансформации …………… 63
10.4. Решение обратной задачи методом
контролируемой трансформации кривых МТЗ… 64
11. Методика и аппаратура МТЗ-АМТЗ …………….…. 66
12. Контрольные вопросы ………………………………… 72
13. Задание для самостоятельной работы………………….. 74
14. Использованная литература…………………………… 78
Предисловие
Основные положения теории и методики электромагнитных зондирований с применением естественных переменных электромагнитных полей обстоятельно изложены в целом ряде фундаментальных учебников, изданных как в России, так и за рубежом. Среди отечественной учебной литературы по магнитотеллурическим методам электроразведки, прежде всего, следует отметить книги Б.М. Яновского, М.Н. Бердичевского, Л.Л. Ваньяна, В.И. Дмитриева, А.А. Ковтун, М.С. Жданова и многих других. Написанные на высоком теоретическом уровне, они, как правило, охватывают широкий круг проблем, из которых студенту, при самостоятельном изучении, бывает сложно выделить материал, отвечающий содержанию программы лекционного курса и принятому преподавателем стилю изложения материала. Дополнительную сложность представляет то обстоятельство, что большая часть из известных и утвержденных для преподавания учебников являются уже библиографической редкостью, а новые учебники не издаются.
Настоящее учебно-методическое пособие охватывает лишь часть учебного курса по магнитотеллурическим методам электроразведки. Автор рассматривает его в качестве подготовительного, базового материала для усвоения студентами учебников из списка рекомендуемой литературы, в которых обстоятельно и полно изложены теория МТ-АМТ зондирований и методика интерпретации результатов. Автор преследовал своей целью сделать теорию и методику магнитотеллурических методов максимально доступной для студентов в процессе обучения и подготовки к экзаменам. Автор надеется также, что настоящее руководство будет полезно выпускникам в их дальнейшей практической деятельности в качестве наглядного справочного материала.
Автор глубоко признателен доценту физического факультета СПбГУ к.ф.-м.н. С.С. Крылову за прочтение рукописи и сделанные ценные замечания. При оформлении рукописи и подготовке ее к печати большую помощь оказали коллеги по работе к.ф.-м.н. А.Н. Шевцов и Т.Г. Короткова. Автор выражает им свою глубокую благодарность.
Введение
Магнитотеллурические (МТ) и аудиомагнитотеллурические (АМТ) методы электроразведки основаны на применении вариаций естественного переменного электромагнитного поля Земли (ЕЭМПЗ) для изучения глубинного строения земной коры и верхней мантии и поисков полезных ископаемых. Отличительной особенностью МТ-АМТ методов является отсутствие необходимости в применении генераторных устройств для возбуждения электромагнитного поля в земле. Источники магнитотеллурического и аудиомагнитотеллурического поля имеют естественное происхождение. Они связаны с магнитосферно-ионосферными процессами в околоземном пространстве и с атмосферной грозовой активностью.
История магнитотеллурических методов берет начало с 1912 г., когда французский геофизик Конрад Шлюмберже предложил использовать вариации естественного переменного электромагнитного поля Земли для геологических целей. Поскольку источники вариаций расположены в ионосфере и магнитосфере и их геометрия и интенсивность не могут быть определены достаточно точно, то он предложил использовать синхронные наблюдения вариаций магнитотеллурического поля в двух достаточно близко расположенных точках. В этом случае считается, что интенсивность первичного поля вариаций в обеих точках практически одинакова вследствие большой удаленности источников поля. Различия в интенсивности вариаций при этом объясняются различием геологического строения нижнего полупространства в точках наблюдения. Практически этот метод был опробован лишь в 1934 году, но широкого распространения не получил ввиду ограниченных аппаратурных возможностей и отсутствия надежной теоретической базы.
Датой рождения собственно магнитотеллурического метода принято считать 1950 год, когда была опубликована статья академика Андрея Николаевича Тихонова. В ней он впервые предложил использовать измерения входного импеданса для изучения электропроводности нижнего полупространства путем регистрации двух сопряженных (взаимно ортогональных) компонент магнитотеллурического поля (электрической и магнитной). Эта идея А.Н. Тихонова, основанная на более ранних исследованиях М.А. Леонтовича, была подхвачена и развита французским геофизиком Луи Каньяром, который впервые ввел понятие кажущегося сопротивления в практику МТЗ. Л. Каньяр первым построил кривые кажущегося сопротивления МТЗ, показав тем самым, что идеология и принципы интерпретации МТЗ могут быть построены по аналогии с методами постоянного тока, с методом ВЭЗ. Его статья, вышедшая в 1953 году, фактически содержала одномерную схему интерпретации МТЗ, близкую к современной.
Второе рождение магнитотеллурического метода электроразведки связано с исследованиями М.Н. Бердичевского, Б.Е. Брюнелли, А.А. Ковтун, Л.Л. Ваньяна, В.И. Дмитриева, М.С. Жданова. Ими была создана теория обработки и интерпретации МТЗ в условиях горизонтально-слоистых (одномерных) и горизонтально-неоднородных (2D и 3D) сред и разработана необходимая аппаратурно-методическая база для полевых наблюдений.
В конце 50-х годов начал активно внедряться метод теллурических токов (ТТ). С помощью этого метода в 60-е годы была исследована почти вся территория Западной Сибири, где по данным метода ТТ было найдено несколько месторождений углеводородов. Однако, с 1965-го года метод ТТ был вытеснен более совершенным методом магнитотеллурического профилирования (МТП). С современной точки зрения метод МТП также был не идеален по точности и производительности. Принцип его применения заключался в визуальном определении периода и амплитуды квазисинусоидальных колебаний по осциллографическим записям, выполняемым в ограниченном диапазоне периодов (10-1000 с). Однако, для времен начала 60-х годов это был большой шаг вперед, во многих отношениях ускоривший и удешевивший геологоразведочный процесс. Благодаря применению метода МТП было открыто крупнейшее в мире Уренгойское газовое месторождение. Этому методу посвящена книга Марка Наумовича Бердичевского “Электрическая разведка методом магнитотеллурического профилирования” (1968). В ней впервые описана теория обработки и интерпретации МТП и МТЗ с учетом влияния двухмерных и трехмерных неоднородностей среды. В ней он впервые ввел в рассмотрение тензор импеданса, импедансные полярные диаграммы, эффективный импеданс, продольную и поперечную поляризации поля. Все это и сегодня составляет фундаментальную основу магнитотеллурики [Пушкарев, 1997].
Для успешного внедрения метода МТЗ в практику нужно было решить два главных вопроса: повысить точность наблюдений и научиться делать спектральную обработку получаемых данных. Проблема точности была преодолена благодаря исследованиям профессора Б.Е. Брюнелли. Им в конце 50-х годов был создан магнитный вариометр (фотомагнитометр) с отрицательной обратной связью, решивший проблему регистрации быстрых вариаций геомагнитного поля с необходимой для практики точностью. Магнитометрами Брюнелли были оснащены первые магнитотеллурические лаборатории МТЛ-62 и МТЛ-71 с аналоговой (осциллографической) системой регистрации. В конце 60-х и в начале 70-х годов были созданы первые цифровые электроразведочные станции (ЦЭС-1 и ЦЭС-2) оснащенные вариометрами системы Б.Е. Брюнелли и высокочастотными индукционными датчиками. Они позволили проводить регистрацию компонент МТ поля на магнитную ленту и выполнять последующую обработку на основе теории цифровой фильтрации И.А. Безрука на вычислительных машинах типа «ЕС-24».
Дальнейшее развитие метода МТЗ происходило быстро и эффективно, благодаря всеобщей компьютеризации процессов измерения, обработки и интерпретации данных. В нашей стране и за рубежом было создано большое число компьютерных программ для математического моделирования МТЗ в двумерных и трехмерных средах, а также для обработки, анализа и интерпретации полевых данных этого метода. Фундаментальные достижения в области разработки теории МТЗ и основные принципы интерпретации данных в одномерных и в горизонтально-неоднородных средах изложены в упомянутой выше книге М.Н. Бердичевского “Электрическая разведка методом магнитотеллурического профилирования” (1968), а также в работах М.Н. Бердичевского и В.И. Дмитриева “Магнитотеллурическое зондирование горизонтально-однородных сред” (1992) и М.С. Жданова «Электроразведка» (1986).
В настоящее время принято выделять два вида магнитотеллурических методов – собственно магнитотеллурическую электроразведку (МТЗ, МТП), занимающую низкочастотный диапазон от 10-5 Гц (суточные вариации) до 1 Гц и аудиомагнитотеллурическую (АМТ) электроразведку, занимающую звуковой диапазон частот от 1 до 104 Гц. В обоих частотных диапазонах профилирующими являются методы электромагнитного зондирования – магнитотеллурические зондирования (МТЗ) и аудиомагнитотеллурические зондирования (АМТЗ), поскольку для них наиболее полно разработана методика полевых работ и теория интерпретации. Различные модификации МТ и АМТ профилирования являются частными элементами установок зондирования и базируются на общей с ними теории. Методы профилирования наиболее распространены в низкочастотной магнитотеллурике. Это – методы магнитотеллурического профилирования (МТП) и магнитовариационного профилирования (МВП), метод теллурических токов (ТТ) и др. Классификация методов электроразведки в поле естественных источников приведена ниже в таблице 1-1.
Следует отметить, что разделение методов измерения и обработки данных в магнитотеллурике на МТЗ и АМТЗ носит исторический характер, так как на первых этапах развития электроразведки измерения электрического и магнитного полей в разных частотных диапазонах осуществлялись с применением разных типов регистраторов. В методах МТЗ, МТП, МВП применялись относительно «медленные», инерционные магниточувствительные элементы на металлических или кварцевых нитях (кварцевые датчики системы Боброва, позднее - магнитные вариометры системы Б.Е. Брюнелли и др.).
Таблица 1-1.