3.7 Магнітотелуричні методи

Магнітотелуричні методи ґрунтуються на вимірах варіацій (змін в часі) природного електромагнітного поля Землі космічного походження (3.2). Серед групи магнітотелуричних методів найбільш використовуваними в практиці прикладних геофізичних досліджень є магнітотелуричні зондування (МТЗ), магнітотелуричні профілювання (МТП) та метод телуричних струмів (МТС). Перший із них відноситься до класу зондувань, два інших – до класу профілювань.

Магнітотелуричне зондування (МТЗ). Основу магнітотелурічних зондувань складає індукційний принцип, що ґрунтується на явищі скін-ефекту – пропорційній залежності глибини проникнення електромагнітного поля від періоду коливань.

В методі МТЗ на одній точці виконується реєстрація (як правило цифрова) варіацій п’яти компонент магнітотелуричного поля - двох електричних E_x, E_y і трьох магнітних Н_x, Н_y, Н_z. Тривалість запису варіацій може коливатися від 2 до 5-6 годин в залежності від інтенсивності МТ- поля і його спектрального складу. При реєстрації варіацій датчиками електричного поля слугують приймальні лінії MN розміром 0,2–1 км, заземлені на кінцях неполяризовними (інколи свинцевими) електродами, а магнітного – магнітоелектричні магнітометри або магнітні індукційні датчики. Вибір системи координат на точці підпорядковується правилу: за координатний напрямок x приймається той напрямок розмотки однієї із приймальних ліній MN, який є ближчим до географічного напрямку “захід - схід”, відповідно за y - напрямок розмотки ближчий до географічного напрямку “південь - північ”.

Отримані записи варіацій МТ – поля (телуро – і магнітограми) підлягають обробці (як правило комп’ютерній ), в процесі якої виконується їх спектральний аналіз. В результаті спектрального аналізу зареєстрованих варіацій виділяються монохроматичні гармонійні складові МТ-поля в широкому діапазоні періодів – від 0,01 – 0,1 с до декількох хвилин. В рамках моделі плоского електромагнітного поля для кожної спектральної складової визначається модуль Z і фаза _Т=ArgZ імпедансу Z магнітотелуричного поля:

.

За модулем Z розраховується ефективний (позірний) опір напівпростору :

.

В укрупненій системі одиниць (електричне поле вимірюється в мВ/км, а магнітне - в гамах ()), яка зазвичай використовується при магнітотелуричних дослідженнях, розрахунок _T ведеться за наступною формулою:

.

Залежності ефективного опору _T, фази імпедансу _Т і його модуля Z від кореня квадратного із періоду , отримані за результатами спектрального аналізу, називаються кривими МТЗ – амплітудною, фазовою і імпедансною відповідно. Для візуалізації кривих МТЗ виконуються їх графічні побудови: амплітудна і імпедансна криві будуються на логарифмічних бланках модуля 6,25 см, а фазова – на напівлогарифмічних (абсциса відкладається в логарифмічному масштабі, ордината _Т – у пропорційному в 1 см 10). Завдяки скін-ефекту, криві МТЗ несуть інформацію про глибинну структуру геоелектричного розрізу і є вихідними даними, що підлягають інтерпретації з метою вивчення геоелектричної будови розрізу. Особливу увагу приділяють амплітудним кривим ефективного опору , адже вони, як і криві позірного опору в методах зондувань на постійному струмі, візуально відображають структуру геоелектричного розрізу (рис. 3.33).

Криві МТЗ у випадку наявності в основі розрізу ізолятора (_п=∞) або ідеального провідника (_п=0) мають інтервали періодів, на яких імпеданс Z МТ-поля і ефективний опір _T залежать від узагальнених характеристик геоелектричного розрізу. Ці інтервали, відповідно, називаються інтервалом S і інтервалом Н. За проведеними у вказаних асимптотичних інтервалах лініями S і Н (рис. 3.33) досить просто визначити сумарну поздовжню провідність до ізолюючої, чи глибину до покрівлі високопровідної основи розрізу. Для цього на проведеній асимптотичній лінії вибирається довільна точка і визначаються її координати – абсциса _T та ордината . Узагальнені характеристики розрізу S і Н розраховуються за формулами:

.

Метод МТЗ має суттєву перевагу над методами електричних зондувань на постійному струмі. Вона полягає в тому, що пласти високого опору, які є екранами для методів ВЕЗ і ДЗ, для магнітотелуричних полів є проникними. Отже методом МТЗ можна вивчати заекрановані високоомними екранами товщі.

В МТЗ, як і в зондуваннях на постійному струмі, має місце принцип еквівалентності. Для кривих МТЗ типу Н та А, як і для кривих ВЕЗ, характерна S₂-еквівалентність, а для кривих МТЗ типу К та Q, на відміну від кривих ВЕЗ, характерна h₂ - еквівалентність (еквівалентність за потужністю проміжного горизонту). Це означає, що якщо h₂=const, а ₂ змінюється в певних межах, то крива МТЗ залишиться практично незмінною.

При наявності в розрізі горизонтальних неоднорідностей імпеданс не є інваріантом по відношенню до системи координат. А тому, в теорії методу МТЗ використовується модель тензору імпедансу і розроблена методика визначення ефективного імпедансу [12], який є інваріантним параметром МТ поля і основною вихідною інформацією для розрахунку фазових і амплітудних кривих МТЗ.

Рисунок 3.33 Тришарові амплітудні криві МТЗ

типу Н з ρ₃=∞ (а) та К з ρ₃=0 (б) і їх асимптоти

На сучасному етапі значна увага в практиці методу МТЗ приділяється математичному моделюванню магнітотелуричних полів у горизонтально-неоднорідних середовищах. Неоднорідні середовища поділяють на дво- та тривимірні. Алгоритмічні і програмні розробки для моделювання МТ-полів у двовимірних середовищах нині мають практично промислове поширення, а для моделювання у тривимірних середовищах – знаходяться на початковому етапі їх впровадження у практику МТ-методів.

Інтерпретація даних МТЗ буває якісною і кількісною. На етапі якісної інтерпретації даних профільних МТЗ будуються часові розрізи модуля ефективного імпедансу Z_еф та ефективного опору _T, а також вертикальні глибинні розрізи ізоліній цих параметрів, при побудові яких ефективні глибини розраховуються за формулою потужності скін-шару: . Методика побудови часових і вертикальних розрізів аналогічна побудові вертикальних карт ізоом _П у методі ВЕЗ.

Часові і глибинні розрізи дозволяють виділити блоки порід з різними питомими опорами, встановити напрямок падіння геоелектричних границь, зафіксувати наявність розломів (за присутністю на розрізах вузьких градієнтних зон) та оцінити розповсюдження їх на глибину. При площових роботах методом МТЗ на етапі якісної інтерпретації будуються карти типів амплітудних кривих МТЗ, карти координат екстремумів кривих та інші побудови.

В арсеналі кількісної інтерпретації кривих МТЗ є ціла палітра традиційних способів: використання емпіричних зв’язків координат екстремумів кривих з параметрами горизонтів; визначення сумарної провідності S до високоомного горизонту і глибини Н до поверхні низькоомного горизонту за лініями S і Н; палеткова та автоматизована інтерпретація методом підбору. В результаті кількісної інтерпретації кривих МТЗ будуються геоелектричні розрізи вздовж профілів спостережень, а при площових роботах – карти потужностей і опорів того чи іншого горизонту, глибин залягання опорних горизонтів, сумарної поздовжньої провідності S та ін.

На етапі кількісної інтерпретації велике значення має математичне моделювання МТ-полів у неоднорідних середовищах. Результати такого моделювання дозволяють підібрати (за експериментальними даними) параметри неоднорідностей і врахувати їх спотворюючий вплив на криві зондування.

На рис. 3.34 наведений приклад геофізичного розрізу по профілю, що перетинає Передкавказький прогин, і криві МТЗ, за якими побудована поверхня фундаменту. Як видно із рисунка поперечні криві (розраховані за поперечним імпедансом , де напрямок x співпадає з простяганням прогину) спотворені так званим крайовим гальванічним ефектом.

Рисунок 3.34 Криві МТЗ (а) і геофізичний розріз (б) по профілю, що перетинає Передкавказький прогин

1 – крива  ^; 2 – крива ^; 3–5 – положення поверхні фундаменту за кривими  ^, сейсморозвідкою і бурінням відповідно

Область застосування МТЗ. Магнітотелуричні зондування є основною модифікацією магнітотелуричних методів. Вони застосовуються при структурних дослідженнях в глибоких осадових басейнах, де потужність відкладів складає 3–10 км, а також для регіональних досліджень та вивчення глибинної електропровідності земної кори і верхньої мантії. Для вивчення глибинної будови Землі використовуються записи варіацій МТ-поля, отримані на опорних пунктах протягом декількох місяців. Вони забезпечують виділення спектральних складових з періодами від десятків секунд до годин і діб.

Застосування методу МТЗ на кристалічних масивах наштовхується на труднощі, пов’язані із значними спотвореннями кривих МТЗ за рахунок впливу субвертикальних границь поділу. Разом з тим, як свідчить практика, дані МТЗ з успіхом можуть використовуватися для картування глибинних розломів, що розділяють різні геологічні блоки. Наявність розломів чітко проявляється на часових розрізах ефективного імпедансу у вигляді присутності на них високоградієнтних субвертикальних областей.

Методи телуричних струмів (МТС) та магнітотелуричного профілювання (МТП). Методи МТС і МТП відносяться до модифікацій профілювання. У першому методі у відносно вузькому асимптотичному інтервалі періодів 10-100 с синхронно реєструються варіації електричних компонент Е_х, Е_у телуричного поля на базисній (стаціонарній в радіусі 30-50 км) точці, на якій глибина до ізолюючої основи розрізу та його сумарна поздовжня провідність відомі, та одній або декількох рядових (польових) точках, рівномірно розташованих на площі робіт. За результатами обробки даних спостережень найчастіше визначається телуропараметр , де та – ефективні (середні) за період значення напруженостей електричного поля відповідно на польовій та базисній точках. Побудовані карти цього телуропараметра якісно характеризують зміну сумарної поздовжньої провідності S надопорної частини розрізу (обернено пропорційна залежність). При відомій S на базисній точці вони можуть бути перераховані в карти сумарної поздовжньої провідності площі робіт, а останні, при відомому значенні середнього поздовжнього опору ρ_l ,– в структурні карти поверхні опорного горизонту за формулою Н=S∙ρ_l.

В методі МТП, як і при виконанні МТЗ, реєструються варіації всіх п’яти компонент електромагнітного поля (Е_х, Е_у, _,Н_х, Н_у, Н_z), але у такому ж як і в методі МТС вузькому асимптотичному інтервалі періодів. За результатом аналізу експериментальних даних визначається ефективний імпеданс Z_еф та сумарна поздовжня провідність надопорної частини геоелектричного розрізу: S=1/Z_еф. Отже результатами цих робіт є карти сумарної поздовжньої провідності та структурні карти глибин до поверхонь високоомних горизонтів. Інколи застосовується методика синхронної реєстрації варіацій на базисній і рядових точках. Така модифікація отримала назву комбінованого магнітотелуричного профілювання (КМТП).

Методи МТС та МТП характеризуються значно вищою продуктивністю, ніж метод МТЗ. При їх виконанні обов’язкова постановка в незначних об’ємах опорних магнітотелуричних зондувань. Методи можуть застосовуватися для вивчення рельєфу поверхні високоомних порід (кристалічного фундаменту, хемогенних відкладів та ін.), особливо при неглибокому (2-3 км) їх заляганні. На щитах метод МТП може застосовуватися для вивчення їх глибинної блоково-розломної тектоніки.