Способ магнитотеллурического зондирования

 

Использование: в геофизике при исследовании земной коры. Сущность изобретения: предварительно по временным вариациям пространственной структуры поля источников определяют область допустимых вариаций оперативных оценок горизонтальной неоднородности поля, в которой относительные возмущения оценки импеданса и/или адмитанса не превышают априори заданного уровня. У поверхности земли синхронно измеряют и регистрируют горизонтальные электрические и магнитные компоненты магнитоэлектрического поля e = e (,x), e = e (,y), h = h (,x), h = h (,у), и вертикальную магнитную компоненту h = h (,z) по этим данным формируют комплексные спектральные амплитуды измеряемых компонент на частоте ωE_x(ω), E_y(ω), H_x(ω), H_y(ω), H_z(ω).. По ним определяют импеданс и/или адмитанс подстилающей среды. По коэффициентам линейной связи комплексных амплитуд горизонтальных компонент с комплексной амплитудой вертикальной компоненты находят оперативные оценки горизонтальной неоднородности поля. Устанавливают оперативные оценки горизонтальной неоднородности среды соответствующие предварительно определенной области их допустимых вариаций. Для установления их диапазонов регистрации определяют импеданс и/или адмитанс подстилающей среды.

Изобретение относится к геофизическим методам исследования земной коры, в частности к мониторингу малых вариаций импеданса (или адмитанса) земной коры методами магнитотеллурического зондирования.

Известен способ магнитотеллурического зондирования [1] в котором используется контроль пространственной неоднородности поля источников геомагнитных пульсаций. Этот способ сохраняет свою применимость в условиях горизонтально-неоднородного строения подстилающей среды. По этому способу комплексные амплитуды четырех горизонтальных компонент магнитотеллурического поля E_x, E_y, H_x, H_y измеряются в исследуемом пункте ("полевой пункт") и дополнительном, достаточно далеко отнесенном "базовом" измерительном пункте; здесь E_x, E_y комплексные амплитуды электрических, а Н_x, H_y магнитных компонент поля соответственно. В базовом пункте в ходе достаточно длительных предварительных измерений с заданной точностью определяется значение импеданса, принимаемое за эталонное. О неоднородности поля источников в рабочей реализации магнитотеллурического поля, используемой для определения искомого импеданса в полевом пункте, судят по отклонению в этой реализации результата измерений импеданса в базовом пункте от эталонного. Базовый пункт должен быть отнесен от полевого на расстояние не менее толщины скин-слоя осадочного чехла.

Недостатком этого способа-аналога является необходимость введения дополнительного (базового) пункта с измерениями в нем E_x, E_y, H_x, H_y. Другой недостаток способа-аналога с контролем структуры поля по импедансу (адмитансу) на удаленной базе связан с естественным разбросом результатов одиночных измерений, когда допустимый разброс искомой оценки импеданса существенно меньше естественного разброса одиночных измерений. В этих условиях невысокая точность одиночных измерений импеданса не позволяет провести надежную отбраковку тех реализаций, в которых имело место недопустимое смещение оценки импеданса из-за неоднородности поля источников.

Известен также способ магнитотеллурического зондирования [2] принятый далее за прототип, в котором у поверхности Земли измеряют четыре горизонтальных и две вертикальных компоненты поля, обозначаемые соответственно через e_x, e_y, h_x, h_y и e_z, h_z, где e_x,y,z электрические, а h_x,y,z магнитные компоненты магнитотеллурического поля; по этим измерениям находят комплексные спектральные амплитуды пространственных компонент магнитотеллурического поля на частоте ω, обозначаемые E_x, E_y, Е для электрических и H_x, H_y, H для магнитных компонент соответственно; по указанным шести комплексным спектральным амплитудам пространственных компонент поля определяют горизонтальную неоднородность поля источников, характеризуемую скоростью горизонтального распространения геомагнитных пульсаций вдоль поверхности Земли, и соответствующие этой скорости импедансы, по которым затем судят об электрическом строении земной коры.

К недостаткам этого способа-прототипа следует отнести необходимость измерения компоненты Е (вертикальной электрической компоненты). Дело в том, что для обеспечения помехоустойчивости измерений Е в рабочей области периодов геомагнитных пульсаций (десятков-сотен секунд) по отношению к случайным зарядам гидрометеоров приходится проводить измерения Е_z в скважинах, что осложняет проведение измерений, например, при выполнении скважин в скальном грунте.

Другим недостатком способа-прототипа является то, что в нем скорость горизонтального распространения поля пульсаций, характеризующая горизонтальную неоднородность поля источников, определяют в предположении горизонтально-однородного разреза. В связи с этим этот способ ориентирован на весьма низкую горизонтальную неоднородность разреза, значительно более низкую, чем неоднородность поля источников, поскольку неоднородность разреза в горизонтальном направлении смещает начало отсчета горизонтальной фазовой скорости поля пульсаций, входящей в оценки импеданса разреза. Поэтому такой способ оказывается неприемлемым в условиях значительной горизонтальной неоднородности разреза, когда горизонтальная неоднородность разреза становится сопоставимой с горизонтальной неоднородностью поля источников, так как резко падает точность и достоверность измерений.

Техническая задача предлагаемого способа повышение точности и достоверности результатов измерений импеданса и/или адмитанса подстилающей среды в условиях существенной горизонтальной неоднородности разреза.

Техническая задача достигается тем, что в способе магнитотоллурического зондирования, состоящем в том, что у поверхности Земли синхронно измеряют и регистрируют горизонтальные электрические и магнитные магнитотеллурического поля e_x, e_y, h_x, h_y и вертикальную магнитную компоненту h_z, по этим данным формируют комплексные спектральные амплитуды измеряемых компонент на частоте wE_x(ω), E_y(ω), H_x(ω), H_y(ω), H_z(ω),, по комплексным спектральным амплитудам E_x(ω), E_y(ω), H_x(ω), H_y(ω) определяют импеданс и/или адмитанс подстилающей среды, а по коэффициентам линейной связи комплексных амплитуд горизонтальных компонент E_x(ω), E_y(ω), H_x(ω), H_y(ω) с комплексной амплитудой вертикальной компоненты H_z(ω) находят оперативные оценки горизонтальной неоднородности поля и согласно изобретению оценку искомого импеданса и/или адмитанса производят, исключая те реализации поля, для которых оперативные оценки горизонтальной неоднородности поля были вне области их допустимых вариаций, для чего предварительно по временным вариациям пространственной структуры поля источников определяют область допустимых вариаций оперативных оценок горизонтальной неоднородности поля, в которой относительные возмущения оценки импеданса и/или адмитанса не превышают априори заданного уровня.

Физической основой предлагаемого способа является приближенно линейная зависимость оперативных оценок горизонтальной неоднородности поля источников геомагнитных пульсаций от волновых чисел для источников k_x(ω), k_y(ω) при квадратичной зависимости вариаций импеданса (адмитанса) от k_x(ω), k_y(ω)..

В предлагаемом способе измеряются пять компонент поля E_x(ω), E_y(ω), H_x(ω), H_y(ω), H_z(ω),, а не все шесть, включая E_z(ω), как в прототипе. В качестве примера укажем, что при формировании оперативных оценок горизонтальной неоднородности поля источников по линейной связи H_z(ω) c E_x(ω), E_y(ω) (или с H_x(ω), H_y(ω)) в качестве таких оперативных оценок служат весовые коэффициенты W_x(ω), W_y(ω), где ; U_z(ω) комплексная амплитуда напряжения на выходе измерительного канала h_z, комплексные амплитуды на выходе e_x, e_y - каналов, или h_x, h_y каналов соответственно.

Реальные масштабы неоднородности поля источников геомагнитных пульсаций, характеризуемые обратными волновыми числами k^-_x¹(ω), k^-_y¹(ω) существенно больше величины скин-слоя δ(ω) в подстилающих породах. В этих условиях возмущения, вызываемые горизонтальной неоднородностью поля источников в коэффициентах связи линейно зависят от k_x(ω), k_y(ω),, а возмущения импеданса (или адмитанса ) квадратично зависят от k_x(ω), k_y(ω),, причем минимальная зависимость импеданса (адмитанса) от k_x(ω), k_y(ω), приходится наk_x, k_y=0} [3,4,5] В процессе измерений изменяется пространственная неоднородность поля источников, характеризуемая величинами k_x(ω), k_y(ω) и это приводит к вариациям как оперативных оценок W_x(ω), W_y(ω),, так и относительных возмущений импеданса (или адмитанса ), причем относительные вариации W_x(ω), W_y(ω),, будучи величинами первого порядка малости по k_x, k_y, существенно превышают относительные вариации импеданса (или адмитанса), которые являются малыми величинами второго порядка по k_x, k_y. Простой оценке величин k_x, k_y по коэффициентам связи W_x(ω), W_y(ω), препятствует влияние горизонтальной неоднородности среды, вносящее неизвестный априори начальный сдвиг в оценки коэффициентов W_x(ω), W_y(ω),. Определять этот начальный сдвиг, соответствующий k_x, k_y=0} нет необходимости, так как практически нас интересует область изменения коэффициентов W_x(ω), W_y(ω),, в которой вариации импеданса (или адмитанса ) достаточно малы. Наибольший размах вариаций W_x(ω), W_y(ω) при фиксированном уровне вариаций (или ) соответствует окрестности начального сдвига W_x(ω), W_y(ω) из-за горизонтальной неоднородности среды при k_x, k_y 0} Это позволяет на этапе предварительных измерений установить область допустимых вариаций оперативных оценок W_x, W_y, в которой относительные вариации импеданса (или адмитанса) не превышают априори заданного уровня в условиях существенной горизонтальной неоднородности среды.

Высокая чувствительность используемых оперативных оценок W_x, W_y к горизонтальной неоднородности поля источников позволяет осуществлять быструю отбраковку реализаций поля источников, не позволяющих осуществить достаточно точное измерение импеданса (адмитанса).

Реализуемость способа определяется существенно более высокими значениями относительных вариаций используемых в предлагаемом способе оперативных оценок пространственной неоднородности поля источников по сравнению с одновременно наблюдаемыми относительными вариациями оценок импеданса (или адмитанса) исследуемого разреза. В качестве примера укажем, что в наших наблюдениях при синхронной регистрации 5 компонент магнителлурического поля (e_x, e_y, h_x, h_y, h_z) оперативная оценка неоднородности поля источников W_x, связывающая комплексные амплитуды Н_z и E_x, изменялась в течение сеанса наблюдений в действительной части в пределах (-0,020)^oC(-0,053) условных единиц, в мнимой части в пределах (0,008^oC0,039) условных единиц, т. е. на десятки процентов от своего наибольшего по модулю значения. При этом относительные вариации адмитанса Y_ух, связывающего ту же компоненту E_x c H_y, не превышали 1,5 2,5 от 0,936 до 0,959 усл. ед. в действительной части, и от (-0,943) до (-0,959) усл. ед. в мнимой части. Данные приведены для периода Т≈15,6 с.

Измерения проводились в Астраханском регионе в полевом сезоне 1989 г. с помощью штатных станций ЦЭС-2 и полевого измерительно-вычислительного комплекса ИРЭ РАН, выполненного на базе ЭВМ "Электроника-60". Оперативная оценка пространственной неоднородности поля проводилась на скользящем временном интервале из 2-х и 3-х последовательных временных сегментов длительности T_сег.= (140·4) с= 560 с каждый, один сеанс измерений включает в себя до 12 сегментов (560сх12= 112 мин= 1 ч 52 мин). Данные об относительных вариациях адмитанса, где колебания существенно меньше, получены для временных интервалов, содержащих по 4 последовательных сегмента.

Приведенные данные иллюстрируют возможность проводить с помощью предлагаемого способа весьма точные (с точностью ≈1) измерения импеданса (или адмитанса) подстилающей среды в условиях значительной горизонтальной неоднородности разреза при надежном обнаружении реализаций с недопустимой горизонтальной неоднородностью поля на интервале времени, существенно меньшем, чем сеанс измерений.

Формула изобретения

Способ магнитотеллурического зондирования, состоящий в том, что у поверхности Земли синхронно измеряют и регистрируют горизонтальные электрические и магнитные компоненты магнитотеллурического поля e_x, e_y, h_x, h_y и вертикальную магнитную компоненту h_z, по этим данным формируют комплексные спектральные амплитуды измеряемых компонент на частоте ω E_x(ω), E_y(ω), H_x(ω), H_y(ω), H_z(ω), по комплексным спектральным амплитудам E_x(ω), E_y(ω), H_x(ω), H_y(ω) определяют импеданс и(или) адмитанс подстилающей среды, а по коэффициентам линейной связи комплексных амплитуд горизонтальных компонент E_x(ω), E_y(ω), H_x(ω), H_y(ω) с комплексной амплитудой вертикальной компоненты H_z(ω) находят оперативные оценки горизонтальной неоднородности поля, отличающийся тем, что оценку искомого импеданса (и/или адмитанса) производят, исключая те реализации поля, для которых оперативные оценки горизонтальной неоднородности поля были вне области их допустимых вариаций, для чего предварительно по временным вариациям пространственной структуры поля источников определяют область допустимых вариаций оперативных оценок горизонтальной неоднородности поля, в которой относительные возмущения оценки импеданса и/или адмитанса не превышают априори заданного уровня.