3. 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 МТЗ заключается в одновременной регистрации компонентов магнитотеллурического поля Е_x, Е_y, Н_x, Н_y и Н_z на поверхности Земли и последующем спектральном анализе результатов измерений.

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 магнитотеллурического поля 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 М₁N₁ вытягивают вдоль простирания пород для изучения продольной составляющей электрического поля, другую — вкрест простирания для изучения поперечной составляющей поля. На­правление, близкое к меридиональному, условно обозначают у, перпендикулярное к ему — х. Соответственно размещают и магни­тометры. Расстояние между ними должно быть не менее 8 м, а вся измерительная установка (центр зондирования) находится на уда­лении 25—30 м от измерительной лаборатории.

Н аблюдения выполняют либо в отдельных пунктах по системе профилей, либо в нескольких пунктах одновременно. Для синхро­низации наблюдений в аппаратуре предусмотрены ра­диостанция и телевключатели. Короткопериодные вариации ре­гистрируют в течение одних, а иногда и нескольких суток. Наблю­дения выполняют в утренние часы и во второй половине дня. Длиннопериодные вариации 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 програм­мах предусматриваются узкополосная фильтрация записей магнитотеллурического поля, выделение гармонических составляющих Е_x, Е_y, Н_x, Н_y и Н_z для заданной последовательности периодов Т, вычисление импедансов Z_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 импедансы Z_xx, Z_yy и вертикальную состав­ляющую Н_z магнитного поля используют для анализа неоднород­ности среды и выбора соответствующей методики интерпретации результатов наблюдений.

Магнитотеллурические зондирования 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.