WWW.LIB.KNIGI-X.RU
БЕСПЛАТНАЯ  ИНТЕРНЕТ  БИБЛИОТЕКА - Электронные материалы
 

Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 6 |

«Санкт-Петербургский филиал ИЗМИРАН Санкт-Петербургский государственный университет Центр геоэлектромагнитных исследований ИФЗ РАН Санкт-Петербургское отделение ЕАГО Материалы Пятой всероссийской ...»

-- [ Страница 1 ] --

Санкт-Петербургский филиал ИЗМИРАН

Санкт-Петербургский государственный университет

Центр геоэлектромагнитных исследований ИФЗ РАН

Санкт-Петербургское отделение ЕАГО

Материалы Пятой всероссийской школы-семинара

имени М.Н. Бердичевского и Л.Л. Ваньяна

по электромагнитным зондированиям Земли – ЭМЗ-2011

Книга 1

Санкт-Петербург

16-21 мая, 2011

ББК 26.2

УДК 550.3

Г35

Материалы Пятой всероссийской школы-семинара имени М.Н. Бердичевского и Л.Л.

Ваньяна по электромагнитным зондированиям Земли – ЭМЗ-2011. В двух книгах.

Книга 1.- СПб.

: СПбГУ, 2011 – 000 с.

Сборник содержит материалы V Всероссийской Школы-семинара по электромагнитным зондированиям Земли (Санкт-Петербург, 16-20 мая 2011 г.). Традиции школ-семинаров были заложены профессорами Марком Наумовичем Бердичевским и Леонидом Львовичем Ваньяном в 1969 году, когда была проведена первая Всесоюзная школа в г.Фирюза (Туркмения).

V Школа-семинар посвящена 100-летию электроразведки, ее главная тема – «Электромагнитные зондирования с контролируемыми источниками поля». В Школе принимали участие более 250 студентов, аспирантов, специалистов из 64 организаций России, дальнего и ближнего зарубежья. Материалы сборника объединены в 7 разделов, 6 из них соответствуют секциям Школы, в отдельном разделе представлены тематические лекции приглашенных докладчиков.

Главный редактор:



Сараев Александр Карпович, к.г.-м.н., СПбГУ

Организаторы:

Санкт-Петербургский филиал ИЗМИРАН Санкт-Петербургский государственный университет Центр геоэлектромагнитных исследований ИФЗ РАН Санкт-Петербургское отделение ЕАГО

1. Спонсоры:

Российский Фонд Фундаментальных Исследований Отделение физических наук РАН Отделение наук о Земле РАН ООО "Северо-Запад" ООО "МГУ-Геофизика" ООО "Сибирская геофизическая научно-производственная компания" ЗАО "Иркутское Электроразведочное Предприятие" ООО "ГеофизПоиск" ООО НПК "Элгео" ООО "НПП ЭРА" ООО "ВЕГА" Phoenix-Geophysics Ltd., Канада Advanced Geophysical Operations and Services Inc., Канада ОАО «ГМК «Норильский Никель»

ISBN Бердичевский Марк Наумович (1923-2009) Ваньян Леонид Львович (1932-2001)

ИЗ ИСТОРИИ СОВЕТСКИХ ШКОЛ ПО ЭМ ИНДУКЦИИ В ЗЕМЛЕ

История Всесоюзных школ-семинаров по электромагнитной (ЭМ) индукции, определивших развитие данной области геофизики, насчитывает более сорока лет. Инициаторами ”школьного” движения в конце 60-х годов стали молодые доктора наук М.Н Бердичевский, Л.Л. Ваньян и В.И. Дмитриев. Формат школ должен был объединить академическую, вузовскую и производственную общественность и предполагал не только лекции ведущих ученых и широкий спектр научных докладов по актуальным проблемам, но и возможность интенсивного неформального общения участников. К организации школ подключились институты АН СССР и союзных республик (ИЗМИРАН, ИОРАН, ИФЗ, МГКи др.), МГУ им.

М.В. Ломоносова, многие другие ВУЗы, НИИ и производственные организации СССР.

Первая Всесоюзная школа-семинар по ЭМ индукции в Земле г., Фирюза, Туркмения.

Вторая - 1973 г., Сухуми, Грузия.

Третья - 1974 г., Фирюза, Туркмения.

Четвертая - 1976 г., Звенигород, Московская область.

Пятая - 1978 г., Мукачево, Западная Украина.

Шестая - 1981г., Баку, Азербайджан.

Седьмая - 1984 г., Звенигород, Московская область.





Восьмая - 1987 г., Ирпень, Украина.

Девятая - 1988 г., Дагомыс, Сочи.

Традиция проведения масштабных школ по электромагнитной индукции возродилась в начале 2000-х гг. усилиями сотрудников Центра геоэлектромагнитных исследований ИФЗ РАН под руководством В.В. Спичака – в 2003 г. в Москве прошла Первая Всероссийская школа.

ЛЕКЦИИ

К ИСТОРИИ СОВЕТСКИХ ШКОЛ

ПО ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ В ЗЕМЛЕ

Абрамова Л.М.1, Варенцов И.М.1, Пальшин Н.А.2 Центр геоэлектромагнитных исследований ИФЗ РАН, Троицк, Московская обл.; labramova@igemi.troitsk.ru Институт океанологии РАН им. П.П. Ширшова, Москва

–  –  –

История Всесоюзных школ-семинаров по электромагнитной (ЭМ) индукции, определивших развитие данной области геофизики, насчитывает более сорока лет.

Инициаторами ”школьного” движения в конце 60х-годов стали молодые доктора наук М.Н Бердичевский, Л.Л. Ваньян и В.И. Дмитриев. Формат школ должен был объединить академическую, вузовскую и производственную общественность и предполагал не только лекции ведущих ученых и широкий спектр научных докладов по актуальным проблемам, но и возможность интенсивного неформального общения участников. К организации школ подключились институты АН СССР и союзных республик (ИЗМИРАН, ИОРАН, ИФЗ, МГК и др.), МГУ им. М.В. Ломоносова, многие другие ВУЗы, НИИ и производственные организации СССР.

Первая всесоюзная школа-семинар по ЭМ индукции в Земле состоялась в 1969 году в Фирюзе (Туркмения). Поселок Фирюза расположен в красивом горном ущелье Копетдага близ Ашхабада. До присоединения Южного Туркменистана к России здесь была иранская территория, а в царское время - дачи высшей колониальной администрации. В этой живописной обстановке и открылась первая школа – ее участники запечатлены на фото под могучим платаном (рис. 1).

Рис. 1. Групповое фото участников Первой школы, Фирюза, Туркмения, 1969 г.

В работе школы участвовали представители 12 республик СССР. Ее формат предусматривал лекции по приоритетным направлениям науки, краткие научные сообщения по широкой тематике и дискуссии по актуальным проблемам и направлениям развития.

Вполне возможно, что ”райская” атмосфера окрестности Фирюзы в особой степени способствовала успеху первой школы. Факт, что здесь сформировалось ядро участников, продолживших плодотворное общение на следующих школах.

Важно отметить, что Первая всесоюзная школа по ЭМ индукции в Земле прошла на 3 года раньше одноименной Первой международной школы (1972 г., Эдинбург, Шотландия).

Вторая школа весной 1973 г. приехала на Кавказ в Сухуми в Дом композиторов.

Известно, что там было хорошо, но насколько хорошо, никто уже не может вспомнить… Третья школа в 1974 г. снова собралась, но уже в существенно расширенном составе, под платанами полюбившейся всем Фирюзы. Важную роль в ее организации и научной программе играли укрепившаяся туркменская научная группа, а также научные и производственные коллективы из других республик Средней Азии.

Четвертая школа состоялась весной 1976 г. под Москвой в Звенигороде в пансионате АН СССР, хорошо знакомом ученым-геоэлектрикам. Школа отмечала 25-летие магнитотеллурики - в 1950 году была опубликована основополагающая работа академика Андрея Николаевича Тихонова "Об определении электрических характеристик глубоких слоев земной коры". Доклад к торжественной дате сделал М.Н. Бердичевский.

Однако запомнилась звенигородская школа более всего яркой дискуссией с группой Д.Н. Четаева о правомерности и путях развития тихоновской модели МТЗ. Суть позиции Д.Н. Четаева заключалась в декларации ряда ограничений тихоновской парадигмы и призывах сосредоточиться на диагностике и изучении ее недостатков, в частности на организации массовых измерений вертикальной составляющей электрического поля.

Некоторые участники дискуссии доходили до полного отрицания тихоновской модели и сложившейся практики МТЗ. М.Н Бердичевский, Л.Л. Ваньян и В.И. Дмитриев активно противостояли этой позиции, проводя долгие часы на сцене актового зала, напоминая трех богатырей из русских былин. Они были конструктивны и прагматичны: отмечали переоценку оппонентами недостатков тихоновской модели (на эту тему ярко ”жонглировал” порядками физических величин Л.Л. Ваньян), указывали на естественные пути ее обобщения, не нарушающие основных принципов МТЗ (в этом направлении с моцартовской легкостью писал формулы В.И. Дмитриев) и, наконец, выделяли более насущные проблемы развития – исследование неоднородных сред, синтез возможностей МТ и МВ методов зондирования, согласование геоэлектрических моделей с данными геотермики и петрофизики (об этом со страстью, достойной Моисея, неоднократно говорил М.Н.

Бердичевский). Данная платформа в итоге стала доминирующей, а участники из производственных организаций обрели уверенность в применяемых методах. Итог дискуссии подвел на банкете Е.П. Харин ”Есть Ez, нет Ez – будем делать МТЗ!”. Яркость событий данной Школы, страстность и элегантность ведущих ученых в отстаивании своих научных убеждений, привлекли в геоэлектрику многих молодых ученых.

После звенигородской школы большая группа советских ученых участвовала в III Международной школе по ЭМ индукции в Земле (Шопрон, Венгрия, лето 1976 г.), там произошло сопоставление форматов и атмосфер двух важнейших собраний ЭМ геофизиков, способствующее совершенствованию традиций их проведения.

Пятая школа проходила в 1978 г. на Западной Украине под г. Мукачево. Ее организовали сотрудники Физико-механического института и Львовского филиала математической физики института математики АН Украинской CCP. Она получила имя ”Школы мужества” из-за неожиданно холодного начала карпатской осени и спартанских условий проживания «школяров» в летних финских домиках спортбазы Львовского университета. Ночами температура опускалась низко - приходилось накрываться матрасами поверх одеял и применять весь спектр средств выживания, известных геофизикам. Зал заседаний и столовая были отделены от жилой зоны глубоким оврагом, поэтому “согревающиеся” подвергались ежедневному экстремальному терренкуру по скользкой глине. Несмотря на все тяготы жизни, у большинства участников остались яркие впечатления о красотах золотой осени в Карпатах и новых научных контактах. В программе школы впервые прошли интенсивные дебаты по проблематике синхронных наблюдений – аппаратурной и методической (здесь лидировали И.А. Безрук и А.С. Сафонов) и по методам обработки МТ данных (запомнились активность молодой команды Б.С. Светова и лозунг Г.Н. Ткачева ”Работать надо – Кендэлла читать”).

Шестая школа проходила в Азербайджане под Баку ранней осенью 1981 г. и была многочисленной – число участников перевалило за 200 (рис. 2). Доминантой обсуждения было развитие аппарата прямых и обратных задач МТЗ. В школе участвовало большое число представителей производственных организаций, показавших достигнутый за пятилетие после этапной звенигородской школы прогресс технологий электроразведочных работ и их результативность в самых разных геологических условиях. Школа запомнилась острой дискуссией М.Н. Бердичевского и Л.Л. Ваньяна о способах ЭМ возбуждения астеносферы – оказалось, что все зависит от модели нормального разреза, и этот момент определил практическую значимость этого понятия.

Рис. 2. Участники Шестой школы на экскурсии под Баку, осень 1982 г.

Седьмая школа в ноябре 1984 г. вернулась в гостеприимный Звенигород. Она также была весьма многочисленной. На ней подводились первые итоги интенсивного наступления на проблемы решения прямых и обратных задач в неоднородных средах, объявленного на предыдущей школе. Демонстрировался существенный прогресс в решениях 2D задач и конкурирующие результаты в 3D моделировании. Много докладов было посвящено результатам глубинных ЭМ зондирований с естественными полями. Параллельно с развитием международной программы ЭЛАС изучения ЭМ методами электрической астеносферы (координируемой Л.Л. Ваньяном), М.Н. Бердичевским была сформулирована программа построения карты коровых аномалий электропроводности территории СССР. С особой интенсивностью на данной школе обсуждались также вопросы теории и практики глубинных ЭМ зондирований с использованием мощных искусственных источников тока.

Восьмая школа (последняя из Всесоюзных) прошла на Украине, в уютном киевском пригороде Ирпень в начале 1987 г. Ее организовал Институт геофизики АН Украинской ССР. На ней подводились итоги геоэлектрических исследований в рамках международной программы КАПГ и обсуждались первые результаты построения карты коровых аномалий электропроводности СССР (рис. 3).

Рис. 3. В зале заседаний Восьмой - последней Всесоюзной школы, 1987 г., Ирпень (окрестности Киева).

Последнее в рамках СССР масштабное собрание геоэлектриков произошло осенью 1988 г. – страна принимала IX Международную школу-семинар по ЭМ индукции в Земле – это был знак мирового признания достижений советской ЭМ геофизики. В п. Дагомыс (Сочи) собралось около 200 участников практически со всех континентов. Советские ученые познакомились с элитой мировой науки, а международное сообщество оценило массовость и высокий научный уровень советских докладов. Эта школа стала катализатором развития нашей научной кооперации со многими зарубежными партнерами. Ее участники торжественно поздравили патриарха магнитотеллурики А.Н. Тихонова с недавним 80-летием (рис. 4).

С распадом СССР ”школьная” традиция прервалась более чем на 15 лет. Но и в это время проблематика методов ЭМ геофизики активно обсуждалась при поддержке РФФИ на серии московских тематических конференций, организованных МГУ и ИОРАН, и на регулярно проходивших семинарах им. Д.Г. Успенского. Кроме того, заметно выросло представительство российских ученых на Международных школах-семинарах по ЭМ индукции в Земле и таких признанных европейских собраниях, как Немецкий ЭМ коллоквиум, получивший сейчас имена П. Вайдельта и У. Шмуккера.

Рис. 4. Поздравление А.Н. Тихонова с юбилеем на IX Международной школе-семинаре по ЭМ индукции, Дагомыс, осень 1988 г.

В 2003 г. традиция проведения масштабных школ возродилась усилиями сотрудников Центра геоэлектромагнитных исследований ИФЗ РАН под руководством В.В. Спичака – в Москве прошла Первая всероссийская школа по электромагнитным зондированиям Земли. В этом году Пятую Всероссийскую школу им. М.Н. Бердичевского и Л.Л. Ваньяна принимает Санкт-Петербург (Петродворец) – так школы начинают путешествие по стране, как было в советское время. На школах мы всегда рады гостям из ближнего и дальнего зарубежья.

Будем надеяться, что на новом пути ”школьные” традиции приумножатся, а “школьный” актив будет расширяться, и не будет стареть.

Информация по истории школ далеко не полная, а по некоторым – минимальная.

Большая просьба направлять воспоминания и фото о прошедших школах на адрес первого автора.

РАЗВИТИЕ МЕТОДОВ ЭЛЕКТРОРАЗВЕДКИ

В МОСКОВСКОМ УНИВЕРСИТЕТЕ

–  –  –

Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, Москва, dmitriev@cs.msu.su История прикладной геофизики, в частности электроразведки, в нашей стране тесно связана с Московским университетом имени М.В. Ломоносова. Огромный вклад в развитие теории и практики электроразведки внесли Александр Игнатьевич Заборовский (1894-1976) и Андрей Николаевич Тихонов (1906-1993).

Александр Игнатьевич Заборовский (1894-1976)

Профессор А.И. Заборовский является одним из создателей основных разделов прикладной геофизики, в первую очередь электроразведки, а также организатором геофизического образования в Москве и, в частности, в Московском университете.

В 1927-1929 годах А.И. Заборовский, уже опытный геофизик, проводил работы методом сопротивлений при изучении нефтяного месторождения в районе г. Грозного. Это были одни из первых электроразведочных нефтегазовых исследований. В этом же районе проводила работы, получившая широкий резонанс, фирма Шлюмберже.

В последующие годы А.И. Заборовский активно работал над развитием и применением методов электроразведки. Круг его научных интересов включал развитие теории и палеточных методов интерпретации данных метода ВЭЗ (вертикальных электрических зондирований) горизонтально-слоистых сред. Он провел оценку пределов действия принципа эквивалентности и исследовал влияние анизотропии.

А.И. Заборовским были приближенно решены прямые задачи о шаре и эллипсоиде в однородном электрическом поле и в поле точечных источников, что обеспечило создание научных подходов к интерпретации данных метода ЭП (электропрофилирования). Решив ряд прямых задач для естественно поляризованных тел простой формы (шар, цилиндр, пласт), он предложил приёмы количественной интерпретации данных метода ЕП (естественного поля).

В предвоенные годы А.И. Заборовский написал классический учебник по электроразведке (1943), а позднее - книгу, посвящённую переменным электромагнитным полям в электроразведке (1960). Эти работы послужили основой для развития и внедрения методов электроразведки.

А.И. Заборовский первым занялся подготовкой кадров в области геофизики. Он читал курсы геофизики, включая электроразведку, в 1923-1924 годах в Московской горной академии, а с 1926 года – на физико-математическом факультете МГУ. В 1930 году был создан Московский геологоразведочный институт, где благодаря усилиям А.И. Заборовского появился геофизический факультет, который он возглавил. Постепенно здесь сложилась мощная научная школа по рудной электроразведке. В 1944 году при его активном участии на геолого-почвенном факультете МГУ была открыта кафедра геофизики, которой он руководил в 1944-1949 и в 1955-68 годах.

В.А. Шевнин проводит практическое занятие по электроразведке

Кафедра геофизики геологического факультета МГУ активно вела разработку методов электроразведки. Работы А.И. Заборовского в области ВЭЗ, ЭП и ЕП легли в основу малоглубинной электроразведки, которая развивалась в МГУ его коллегами (А.А. Огильви, М.К. Крылов) и учениками (В.К. Хмелевской, В.А. Богословский).

В последние десятилетия в лаборатории малоглубинной электроразведки (В.А.

Шевнин, И.Н. Модин, А.А. Бобачев, Д.К. Большаков и другие) разрабатывались:

- методы компьютерной интерпретации данных ВЭЗ, сначала в рамках одномерных, а затем и в рамках двумерных и трехмерных моделей среды;

- проблемы учёта приповерхностных и глубинных искажений электрических полей;

- новые системы наблюдений методом сопротивлений при решении различных инженерногеологических, технических и археологических задач.

В настоящее время в лаборатории малоглубинной электроразведки ведётся разработка методики, аппаратуры и программного обеспечения для электротомографии и других методов сопротивлений (в том числе в акваторном варианте). Кроме того, прорабатываются вопросы комплексного применения методов сопротивлений, зондирования становлением поля, георадиолокации и других геофизических методов при решении широкого круга задач.

Научные исследования неразрывно связаны с учебным процессом, в работу вовлекаются аспиранты, магистранты и студенты кафедры геофизики. Помимо общего курса электроразведки и полевой учебной практики, которые проходят в бакалавриате, сотрудники лаборатории ведут курсы в рамках магистерской программы по малоглубинной геофизике.

Это курсы «геологическая интерпретация данных электроразведки», «электроразведка неоднородных и анизотропных сред», «геофизика твёрдых полезных ископаемых», «экологическая геофизика», «техническая геофизика».

Андрей Николаевич Тихонов (1906-1993)

Выдающийся математик и геофизик, академик А.Н. Тихонов первые работы по электроразведке выполнил в начале Великой Отечественной войны, когда Институт теоретической геофизики, в котором он тогда работал, был эвакуирован в Казань, а затем в Уфу. Институт развернул работы в Башкирии по поиску нефтяных месторождений.

Огромная территория между Волгой и Уралом была, по мнению геологов, перспективной на нефть, а в это время поиск новых месторождений был стратегической задачей. А.Н. Тихонов в составе одной из экспедиций института принимал непосредственное участие в полевых геофизических работах. С этого времени начинаются его работы в области разведочной геофизики. Вначале они были связаны с теорией интерпретации данных электроразведки на постоянном токе. А.Н. Тихоновым была доказана теорема единственности восстановления распределения электропроводности с глубиной по измерениям электрического поля на земной поверхности в зависимости от расстояния до источника поля.

Применительно к задаче интерпретации геофизических данных А.Н. Тихонов провел исследования по устойчивости обратной задачи. Из общих математических соображений она должна быть неустойчивой, но на практике решалась вполне устойчиво путем сопоставления экспериментальных кривых зондирования с рассчитанными. А.Н. Тихонов показал, что обратная задача будет устойчивой при выполнении определенных дополнительных условий на её решение. Эта работа явилась основой для разработки в 60–70-ые годы теории некорректно поставленных задач и методов их решения.

Применение методов постоянного тока при изучении глубоких слоев земной коры натолкнулось на большие трудности. В связи с поиском нефти в Западной Сибири, анализируя материалы полевых работ и пересматривая результаты зондирований на постоянном токе, А.Н. Тихонов пришел к выводу, что методы глубинного зондирования, основанные на применении постоянного тока, связаны с чрезвычайно большими погрешностями и что необходимо забраковать результаты многих поисковых партий.

Дело в том, что при измерении электрического поля сразу после включения постоянного тока возникают большие помехи, связанные с процессом становления поля, занимающим довольно длительное время. Если же измерения проводятся в течение довольно длительного времени, когда процесс становления уже закончился, то на результаты наблюдения накладывается другой вид помехи - естественное переменное поле Земли.

Стремление разобраться в физической стороне этого вопроса и найти возможности освободиться от возникающих ошибок позволило трактовать указанные помехи как самостоятельные физические процессы, которые могут быть использованы непосредственно для получения данных об электрических свойствах среды. Исходя из этого, А.Н. Тихоновым были предложены два новых направления в электроразведке: а) метод магнитотеллурического (МТ) зондирования, использующий естественное переменное электромагнитное поле Земли; б) метод становления электромагнитного поля, использующий процесс установления поля постоянного тока.

А.Н. Тихоновым было обосновано использование естественного электромагнитного поля Земли для получения геоэлектрического разреза. Естественное поле Земли изучалось и раньше, однако использовались или только электрические, или только магнитные компоненты поля. Предложенный А.Н.Тихоновым метод заключается в изучении частотной зависимости отношения электрической и магнитной составляющих электромагнитного поля на поверхности Земли (импеданса) для определения электрических свойств ее внутренних слоев. При этом фундаментальное значение имеет доказанная А.Н. Тихоновым теорема единственности обратной задачи. Им показано, что распределение электропроводности по вертикали однозначно определяется частотной зависимостью импеданса. При использовании широкого спектра частот появляется возможность судить об электрическом строении земной коры и мантии. Созданные новые методы позволили выявить неоднородности в диапазоне от первых метров до сотен километров. Принципиальным результатом для физики Земли явилось установление факта быстрого возрастания электропроводности с глубиной в верхней мантии, что отражает рост глубинной температуры.

А.Н. Тихоновым проведен также большой цикл работ по теории методов электроразведки, использующих искусственные поля. Им решена задача о становлении электромагнитного поля в слоистом полупространстве при включении тока в питающий провод, расположенный на поверхности среды; разработан универсальный метод расчета электромагнитных полей в слоистых средах; получены асимптотические формулы для электромагнитных полей в слоистых средах на больших расстояниях от источника (для этого было проведено исследование асимптотического поведения специального класса несобственных интегралов, содержащих бесселевы функции). А.Н. Тихоновым была решена задача о возбуждении электромагнитного поля в слоистой анизотропной среде и при достаточно общих условиях показана возможность однозначного определения внутренних свойств среды по наблюдениям на ее поверхности. Следует отметить, что в случае анизотропной среды использование переменного тока особенно существенно, поскольку при анализе строения земной коры на постоянном токе приходится сталкиваться с тем, что для всякой анизотропной среды можно найти изотропную среду, дающую на поверхности то же значение наблюдаемого электрического поля.

Позднее теория электромагнитных зондирований (ЭМЗ) активно развивалась в Московском университете на кафедре геофизики геологического факультета и в лаборатории математической физики факультета ВМК. Большую роль здесь сыграло сотрудничество М.Н.

Бердичевского, Л.Л. Ваньяна и В.И. Дмитриева. Исследования М.Н. Бердичевского были в основном связаны с развитием метода МТ-зондирования. Метод зондирования становлением поля и метод частотного зондирования развивал Л.Л. Ваньян. В.И. Дмитриев активно разрабатывал методы математического моделирования электромагнитных полей в неоднородных средах, а позднее, методы решения обратных задач ЭМЗ.

В 1970-х – 1980-х годах М.Н. Бердичевским и В.И. Дмитриевым были решены 2D и 3D задачи магнитотеллурики и создана теория искажений данных МТ-зондирований. В последующие годы они вместе с Л.Л. Ваньяном и М.С.Ждановым, а также со своими учениками, разработали методику интерпретации МТ-данных, с использованием которой были построены глубинные геоэлектрические модели ряда регионов, а также изучено множество месторождений полезных ископаемых. Монографии М.Н. Бердичевского, В.И.

Дмитриева, Л.Л. Ваньяна и М.С. Жданова по теории магнитотеллурики стали настольными книгами специалистов в этой области.

М.Н. Бердичевский и Э.Б. Файнберг

В настоящее время на кафедре геофизики геологического факультета МГУ, в лаборатории электромагнитных зондирований имени М.Н. Бердичевского, продолжается развитие и опробование методов зондирования с использованием естественных полей и полей управляемых источников (А.Г. Яковлев, Н.С. Голубцова, В.А. Куликов, Н.Л. Шустов, П.Ю. Пушкарев). Основным полигоном служит район Барятинской магнитной аномалии в Центральной части Восточно-Европейской платформы. Среди современных направлений исследований можно выделить разработку методики 3D интерпретации МТ-данных, организацию измерений длиннопериодных вариаций МТ-поля, а также продолжение работы по составлению карты электропроводности северной Евразии, которая велась в 1980-х годах под руководством М.Н. Бердичевского.

Участники Всесоюзной школы-семинара по электромагнитным зондированиям М.Н. Бердичевский, Л.Л. Ваньян и В.И. Дмитриев организовали регулярные школысеминары по электромагнитным зондированиям, которые существенно помогли развитию научных и практических исследований в этой области. На этих семинарах читались лекции по теории и практике электромагнитных зондирований, а также заслушивались доклады о результатах работ, выполненных участниками семинара. В МГУ всегда уделяли большое внимание развитию учебного процесса подготовки специалистов-геофизиков.

В 1972 году В.И. Дмитриев по инициативе М.Н. Бердичевского разработал новый курс «Теория геофизических полей», который затем модернизировал и читал много лет на геологическом факультете МГУ М.Н. Бердичевский. В 1980 году, в связи с активным развитием методов решения обратных задач геофизики, на геологическом факультете МГУ был введен курс «Методы решения некорректно поставленных задач», который разработал и много лет читал В.И. Дмитриев. Эти два курса, наряду с курсом «Электроразведка» и полевой учебной практикой, в настоящее время проводятся для студентов-геофизиков геологического факультета МГУ сотрудниками лаборатории ЭМЗ.

В рамках магистерской программы по глубинной геофизике они дополнительно ведут курсы «Теория электромагнитных зондирований» (ранее его читал М.Н. Бердичевский в течение примерно сорока лет), «Морская электроразведка» (его в конце 1990-х годов вёл Л.Л. Ваньян), «Модели и методы магнитотеллурики» (по одноимённой книге М.Н.

Бердичевского и В.И. Дмитриева), «Геофизика твёрдых полезных ископаемых».

В.И. Дмитриев читает лекцию студентам Большой цикл работ на факультете ВМК и геологическом факультете МГУ был проведен по внедрению методов решения некорректно поставленных задач, которые имеют фундаментальное значение для геофизики, так как являются основой для разработки общих принципов интерпретации наблюдений и методов решения обратных задач геофизики. По существу к обратным задачам сводятся все задачи интерпретации геофизических наблюдений. При изучении объектов или явлений природы, недоступных для непосредственного изучения и определяемых характеристикой z, пользуются изучением их физически детерминированных проявлений u. В геофизических исследованиях u является наблюдаемым полем, а z – характеристикой среды. По известной характеристике z можно получить поле u Az, где A – оператор, устанавливающий функциональную связь между u и z. Обратной задачей является определение z по наблюдаемому полю u.

Такая обратная задача, как правило, относится к классу некорректно поставленных задач, так как малым изменениям u могут соответствовать сколь угодно большие изменения z. С этим явлением неустойчивости при решении обратных задач геофизики столкнулись достаточно давно, по существу уже на начальном этапе развития этой науки. Однако ни сущность этого явления, ни его масштабы и пути его преодоления не были по-настоящему ясны. Только после работ А.Н.

Тихонова стало ясно:

1) явление неустойчивости решений типично для любых обратных задач;

2) без использования специальных (регулярных) методов эти задачи практически не решаются;

3) построение приближенных решений обратных задач должно строиться на основе учета априорной информации о свойствах искомого решения и ошибках в наблюденных данных (помехи) и быть согласованным с этой информацией.

Эти идеи с успехом использовали в МГУ при решении обратных задач электроразведки. В настоящее время эта концепция освоена широкими кругами специалистов и является руководящей при создании автоматизированных методов машинной обработки геофизических наблюдений.

А.Г. Яковлев, М.Н. Бердичевский и В.К. Хмелевской на Александровской базе МГУ (2003) На кафедре геофизики геологического факультета МГУ большое внимание уделяется полевым практикам. С 1992-го года практики по глубинной, а с 1997-го года и по малоглубинной электроразведке проводятся на Александровской базе геофизических практик геологического факультета МГУ. Она располагается в д. Александровка Юхновского района Калужской области, примерно в 250 км к юго-западу от Москвы. На базе за счёт спонсоров, выпускников кафедры геофизики (основной из них – А.Г. Яковлев), создана вся необходимая инфраструктура для проживания и работы до 50 студентов и 20 сотрудников. Она включает четыре основных корпуса с жилыми комнатами, камеральными помещениями, библиотекой, музеем, столовой и складами, а также обсерваторский павильон, баню, летние домики, автономный генератор, средства связи (телефон, Интернет).

В рамках проектов развития МГУ пробурена, с полным отбором керна, 300-метровая скважина и приобретена каротажная аппаратура, а также аппаратура для непрерывного мониторинга геофизических полей. Компаниями «Северо-Запад» и «Геоскан-М»

предоставляется аппаратура для работы более чем десятью методами электроразведки.

Ежегодно, летом и зимой, на Александровской базе проходят геофизическую практику студенты МГУ, РГГРУ (бывший МГРИ) и университета «Дубна». Также здесь проводятся школы-семинары для специалистов и молодых учёных.

В ходе учебных практик решается целый ряд практических задач, таких как выявление зон пиритизации, картирование палеодолин, изучение гидрогеологических режимов рек Угра и Воря, исследование археологических объектов (городище «Александровка» и другие), картирование подземных коммуникаций базы. Глубинные электромагнитные зондирования в основном проводятся для изучения изменений осадочного чехла при переходе от Московской синеклизы к Воронежской антеклизе, а также для исследования проводящих зон в консолидированной земной коре, выявленных в районе мощной Барятинской аномалии магнитного поля Земли.

Преподаватели учебной практики по электроразведке на Александровской базе МГУ (2005) Помимо учебных, студенты-геофизики МГУ проходят три производственные практики. Они организуются на базе компаний «Северо-Запад», «Геоскан-М» и других. В ходе практик решаются поисково-разведочные задачи по изучению месторождений углеводородов и твёрдых полезных ископаемых, а также инженерно-геологические, гидрогеологические, геоэкологические, археологические и другие задачи.

В декабре 2010 году при геологическом факультете МГУ был создан научнообразовательный центр «Геофизика в геоэнергетике». Тематика его работы будет связана как с поиском и разведкой месторождений традиционных источников энергии (углеводородной, атомной), так и, в большей степени, с изучением внутреннего тепла земли, причём как в тектонически активных зонах (геотермальная энергия), так и в стабильных платформенных областях (петротермальная энергия).

Список литературы

1. Бердичевский М.Н. Электрическая разведка методом теллурических токов. Москва, ГОСТОПТЕХИЗДАТ, 1960.

2. Бердичевский М.Н. Электроразведка методом магнитотеллурического профилирования. Москва, Недра, 1968.

3. Бердичевский М.Н., Дмитриев В.И. Магнитотеллурическое зондирование горизонтально-однородных сред. Москва, Недра, 1992.

4. Бердичевский М.Н., Дмитриев В.И., Новиков Д.Б., Пастуцан В.В. Анализ и интерпретация магнитотеллурических данных. Москва, Диалог-МГУ, 1997.

5. Бердичевский М.Н., Дмитриев В.И. Модели и методы магнитотеллурики. Москва, Научный мир, 2009.

6. Бердичевский М.Н., Жданов М.С. Интерпретация аномалий переменного электромагнитного поля Земли. Москва, Недра, 1981.

7. Ваньян Л.Л., Бобровников Л.З. Электроразведка по методу становления магнитного поля. Москва, ГОСГЕОЛТЕХИЗДАТ, 1963.

8. Ваньян Л.Л. Основы электромагнитных зондирований. Москва, Недра, 1965.

9. Ваньян Л.Л., Дебабов А.С., Юдин М.Н. Интерпретация данных магнитотеллурических зондирований неоднородных сред. 1984.

10. Ваньян Л.Л., Шиловский П.П. Глубинная электропроводность океанов и континентов. Москва, Наука, 1983.

11. Дмитриев В.И. Электромагнитные поля в неоднородных средах. Москва, Издательство МГУ, 1969.

12. Дмитриев В.И., Захаров Е.В. Метод интегральных уравнений в вычислительной электродинамике.

Москва, МАКС Пресс, 2008.

13. Жданов М.С. Электроразведка. Москва, Недра, 1986.

14. Заборовский А.И. Переменные электромагнитные поля в электроразведке. Москва, Издательство МГУ, 1960.

15. Заборовский А.И. Электроразведка. Москва, ГОСТОПТЕХИЗДАТ, 1943.

16. Огильви А.А. Основы инженерной геофизики. Москва, Недра, 1990.

17. Работы А.Н. Тихонова по математической геофизике. Отв. ред. В.И. Дмитриев. Москва, ОИФЗ РАН, 1999.

18. Тихонов А.Н., Арсенин В.Я. Методы решения некорректных задач. Москва, Наука, 1986.

19. Хмелевской В.К. Основной курс электроразведки. Москва, Издательство МГУ, 1970 (ч. 1), 1971 (ч. 2), 1975 (ч. 3).

20. Хмелевской В.К. Электроразведка. Москва, Издательство МГУ, 1984.

21. Электроразведка методом сопротивлений. Под ред. В.К.Хмелевского и В.А. Шевнина. Москва, Издательство МГУ, 1994.

22. Электроразведка: пособие по электроразведочной практике для студентов геофизических специальностей. Под ред. Хмелевского В.К., Модина И.Н., Яковлева А.Г. Москва, Издательство ГЕРС, 2005.

23. Berdichevsky M.N., Dmitriev V.I. Magnetotellurics in the context of the theory of ill-posed problems. Tulsa, SEG, 2002.

24. Berdichevsky M.N., Dmitriev V.I. Models and methods of magnetotellurics. Berlin, Springer, 2008.

25. Berdichevsky M.N., Zhdanov M.S. Advanced theory of deep geomagnetic sounding. Amsterdam-OxfordNewYork-Tokyo, Elsevier, 1984.

26. Zhdanov M.S. Geophysical electromagnetic theory and methods. Amsterdam-NewYork-Tokyo, Elsevier, 2009.

ТЕОРИЯ И МЕТОДИКА ГЛУБИННЫХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ

ЗОНДИРОВАНИЙ С МОЩНЫМИ КОНТРОЛИРУЕМЫМИ

ИСТОЧНИКАМИ

Жамалетдинов А.А. 1,2

– Санкт-Петербургский филиал ИЗМИРАН, г. Санкт-Петербург, abd.zham@mail.ru

– Геологический институт Кольского научного центра РАН, г. Апатиты.

1. Введение Изучение строения и состава глубинных областей Земли является фундаментальной проблемой геологии и геофизики. В решении этой задачи ведущее положение традиционно занимает сейсморазведка. Наряду с этим значительные перспективы в этой области имеет современная геоэлектрика. Она позволяет дистанционно изучать электропроводность земных слоев на глубинах от первых десятков метров до многих сотен километров.

В преобладающем большинстве горные породы являются многофазными средами. В качестве основной фазы они включают минеральный скелет горной породы (как правило, плохо проводящий) и, в разных соотношениях, флюидную, электронно-проводящую и газообразную фазы. В зависимости от соотношения и свойств разных фаз электропроводность может нести информацию о флюидном режиме земных недр, вещественном составе и температуре. Электропроводность может нести также косвенную информацию о пористости и структурной организации токопроводящих каналов на глубине, о наличии зон частичного плавления и о реологических свойствах литосферы. Большое количество информативных признаков, наряду с широким диапазоном изменения величины удельного электрического сопротивления (от 10-5 до 1014 Омм) является достоинством и одновременно недостатком электроразведки, поскольку увеличивает многовариантность и неоднозначность решения обратной задачи. Одним из путей снижения неоднозначности обратной задачи является повышение надежности при определения функции отклика среды, или иными словами, повышение точности определения сигналов, приходящих в точку наблюдения из глубинных областей Земли.

В этом отношении зондирования с мощными контролируемыми источниками, обозначим их как CSEMS (Control Source ElectroMagnetic Sounding), обладают целым рядом преимуществ в сравнении с традиционным магнитотеллурическими зондированиями (МТЗ).

Главным преимуществом CSEMS является то, что положение и конфигурация контролируемого источника точно известны. Более того, он может быть расположен в оптимальных геологических условиях и с заданной ориентировкой излучающих линий относительно преимущественного простирания геологических структур. Заранее может быть выбран оптимальный частотный диапазон генераторного устройства, отвечающий нужному диапазону глубин в данной геоэлектрической обстановке. Современные мощные генераторные устройства и компьютеризированные цифровые измерительные системы позволяют накапливать и уверенно регистрировать полезный сигнал на фоне интенсивных промышленных помех. Процедура записи сигналов контролируемого источника достаточно оперативна. Надежность результатов регистрации определяется оператором непосредственно на полевой точке по соотношению «сигнал-шум» и по оценкам когерентности сопряженных компонент поля. Важным преимуществом зондирований с контролируемыми источниками является возможность анализа и интерпретации результатов по нескольким взаимно дополняющим параметрам – не только по входному импедансу, но и по отдельно взятым электрическим и магнитным компонентам и по их соотношениям. Наконец, зондирования с контролируемыми источниками позволяют использовать все преимущества совместного анализа гальванической и индукционной мод.

К недостаткам CSEMS следует отнести, прежде всего, высокую стоимость работ, связанную с необходимостью использования дорогостоящих генераторных устройств и питающих линий, повышенные требования к технике безопасности работ, а также низкую мобильность, обусловленную необходимостью перемещения генератора и питающих линий по мере изучения территории. Зондирования с контролируемыми источниками обладают ограниченной площадью облучения, так как по мере удаления от источника происходит ослабление поля и снижение точности. В то же время, по мере приближения к источнику происходит переход в ближнюю зону, где частотное зондирование теряет смысл, поскольку отклик среды перестает зависеть от толщины скин-слоя. К недостаткам CSEMS принято также относить сложность интерпретационных возможностей, особенно при переходе к анализу 2-х и 3-х мерных структур с учетом влияния ближней и промежуточной зон. При зондированиях на сверхдальних разносах, с источниками большой мощности к этим проблемам добавляется необходимость учета влияния ионосферы и токов смещения. При глубинных зондированиях с длинными заземленными линиями (ЛЭП) на удалениях, сопоставимых с их длиной, достигающей иногда 100 км и более, необходимо учитывать недипольность установки, непрямолинейность расположения на местности силового кабеля с током и нелинейность протекания тока в кабеле, разную на разных частотах. CSEMS имеют ограниченную глубинность, обусловленную не только всегда недостаточной мощностью генераторных устройств, но и сложностью накопления слабых сигналов на низких и сверхнизких частотах.

С учетом изложенного неудивительно, что метод МТЗ захватил всю область интересов глубинной геоэлектрики, тогда как зондирования с мощными контролируемыми источниками стали редкими исключениями. Более или менее успешно конкурируют с магнитотеллурическими методами лишь структурные зондирования с контролируемыми источниками средней мощности на глубинах до 1-2 км, известные на западе как CSAMT методы [Goldstein & Strangway, 1975]. Успешному применению магнитотеллурики способствует широкий частотный диапазон вариаций естественного электромагнитного поля (от 10-5 до 104 Гц), повсеместный характер их проявления, отсутствие необходимости в использовании дорогостоящих генераторных устройств, высокая интенсивность МТ-АМТ вариаций, увеличивающаяся с понижением частоты (с увеличением глубины проникновения поля) и относительная простота теории интерпретации результатов, выполняемой в рамках квазистационарного плоско-волнового приближения.

Наряду с этим, МТ-методы обладают рядом недостатков, ограничивающих область их применения. Среди них можно отметить такие, как подверженность влиянию промышленных помех, зависимость результатов от пространственного положения источника вариаций, особенно в условиях авроральной зоны. Зависимость эта проявляется тем сильнее, чем выше сопротивление нижнего полупространства и чем выше географическая широта района наблюдений. Результаты МТЗ сильнее, чем CSEMS, подвержены влиянию горизонтальной неоднородности электрического разреза вследствие глобальной природы источника вариаций. Сложная и подчас индивидуальная для каждого региона процедура статистической обработки данных и извлечения функций отклика среды приводит к необходимости в длительном процессе измерения МТ-поля в связи с отсутствием статистически значимых критериев оценки качества результатов.

Необходимо заметить, что разработка новых подходов в теории электромагнитных зондирований и быстрое развитие компьютерных технологий, наряду с совершенствованием аппаратурной базы, позволяют успешно бороться с перечисленными выше проблемами как магнитотеллурики, так и зондирований с мощными контролируемыми источниками.

Поэтому параллельное развитие этих двух направлений, конкурирующих и взаимно дополняющих друг друга, является важным условием достижения успешных результатов.

Теория электромагнитных зондирований с контролируемыми источниками наиболее детально рассмотрена в основополагающих работах [Ваньян, 1965, 1997; Жданов, 1986 Wait, 1983, Kaufman & Keller, 1983]. Техника и методика CSEMS для изучения строения земной коры рассмотрена в работах [Ward, 1983; Hermance, 1983; Chave & Booker, 1987].

Наиболее детальный анализ теоретических и методических аспектов глубинных зондирований с контролируемыми источниками по состоянию на 90-е годы прошлого столетия выполнен в работах [Boerner, 1991] и частично в [Nagy, 1988]. Замечу, что работа [Boerner, 1991] положила своего рода предел. За прошедшие с тех пор 20 лет на Западе не выполнено ни одного сколько-нибудь значительного полевого эксперимента по глубинному электромагнитному зондированию земной коры с применением мощных контролируемых источников. Это обстоятельство существенно облегчило мою задачу по подготовке настоящего обзора, позволив сосредоточиться на работах, выполненных при моем непосредственном участии за период с 1969 года по настоящее время.

По традиции, лекция начинается с краткого исторического обзора. Затем приводятся некоторые теоретические выкладки, посвященные, главным образом рассмотрению нормальных полей контролируемых источников постоянного и переменного тока. Несмотря на то, что приводимые теоретические описания многократно рассмотрены в перечисленных выше классических работах, их необходимо было привести для понимания последующего материала. Основное содержание лекции посвящено описанию техники и методики экспериментов по глубинному зондированию литосферы с мощными контролируемыми источниками. Учитывая ограниченность объема, описание выполнено в форме рассмотрения наиболее дискуссионных моментов теории и методики, сопутствовавших осуществлению тех или иных экспериментов, что представляет общий научный интерес. Детальное описание техники и методики работ и изложение полученных результатов читатель сможет найти в первоначальных источниках, на которые даны соответствующие ссылки. Исключение сделано для эксперимента FENICS, представляющего особый интерес в плане перспектив дальнейшего развития техники и методики глубинных зондирований с мощными контролируемыми источниками.

2. Истоки глубинной геоэлектрики Инициатива проведения первых глубинных электрических зондирований земной коры в России связана с именем академика Франца Юльевича Левинсона-Лессинга. Вопрос этот он обсуждал с физиками А.А. Петровским, В.Р. Бурсианом, В.К. Фредериксом, а также с известным французским геофизиком Конрадом Шлюмберже, посетившим Ленинград в 1934 году по приглашению Академии Наук СССР. Зондирования предполагалось проводить на Балтийском щите по плану Кольской базы Академии наук СССР, руководимой академиком А.Е. Ферсманом. Для организации работ на Кольском полуострове была создана исследовательская группа при Ленинградском горном институте с участием А.С. Семенова и Б.Н Достовалова. Однако, осуществлению планировавшихся работ помешала война.

Позже, в 1946 году глубинное электрическое зондирование земной коры было осуществлено, но уже не на Кольском полуострове, а на юге Балтийского щита - в Финском заливе и на Карельском перешейке. Это был первый в мире, масштабный эксперимент с рекордными для того времени разносами между источником и приемником, достигавшими 75 км. Работу осуществили профессора Санкт Петербургского университета. А.П. Краев и А.С. Семенов с коллегами.

Результаты выполненного эксперимента привели не только к новым открытиям, но и породили дискуссию о природе глубинных электрических границ раздела в земной коре, длящуюся по настоящее время. Проф. А.П. Краев, подходивший к интерпретации результатов эксперимента с позиции физика-теоретика, пришел к выводу о существовании на глубине 10-20 км проводящего слоя, природу которого он объяснял влиянием возрастающей с глубиной температуры [Краев и др., 1947]. Проф. А.С. Семенов, проводивший сухопутные измерения сигналов, обратил внимание на резкость смены восходящего вида кривых зондирования на нисходящий и ряд других признаков. Это послужило ему основанием выдвинуть свою, геологическую гипотезу трактовки результатов. Он предлагал объяснять природу отмеченного понижения кажущегося сопротивления боковым влиянием электронно-проводящих сульфидно-углеродистых пород [Семенов, Жамалетдинов, 1981]. Однако, эта точка зрения не получила в то время поддержки и дальнейшего развития. Не получила в те годы дальнейшего развития и техника глубинных зондирований с мощными контролируемыми источниками, поскольку проведение их требовало больших материальных затрат.

Поэтому в начале 50-х годов приоритетное значение в глубинной геоэлектрике получили магнитотеллурические (МТ) методы, основанные на использовании энергии естественных ионосферно-магнитосферных источников электромагнитного поля.

Основополагающие работы А.Н. Тихонова [1950] и Л. Каньяра [1953] послужили теоретической базой для разработки нового метода. Практическая реализация магнитотеллурических зондирований (МТЗ) связана с созданием магнитных вариометров с отрицательной обратной связью, разработанных профессором ЛГУ Б.Е. Брюнелли.

В настоящее время магнитотеллурические методы пользуются самым широким применением в прикладной и фундаментальной геоэлектрике. Среди создателей теории и практики магнитотеллурики следует, прежде всего, отметить имена М.Н. Бердичевского, Л.Л. Ваньяна, А.А. Ковтун, U. Schmucker, P. Weidelt и др.

По мере развития магнитотеллурического метода становились очевидными его существенные ограничения, обусловленные жесткими рамками одномерной плосковолновой модели Тихонова-Каньяра. Поэтому, параллельно с совершенствованием теории и практики МТЗ, в том числе в применении к двух- и трехмерным ситуациям [Бердичевский, Дмитриев, 1991], развивались также методы глубинных электрических зондирований с мощными контролируемыми источниками [Migaux, 1960; Cantwell etc., 1965; Blohm etc., 1977].

В 60-е – 70-е годы был выполнен ряд крупных экспериментов по глубинному зондированию земной коры на постоянном (импульсном) токе. Исследования проводились в США [Cantwel et al, 1965; Keller et al, 1966], в Канаде [Samson, 1969]; во Франции [Mennier, 1969; Migaux et al., 1960], в Южной Африке [Zijl, 1969; Blohm et al, 1977; Zijl & Joubert, 1975]. Решались как научные, так и прикладные задачи. Например, электрические зондирования в США [Keller et al, 1966] проводились в связи с выбором однородных плохопроводящих блоков земной коры для расположения антенн подземной и наземной сверхнизкочастотной (СНЧ) радиосвязи. С помощью СНЧ-антенн типа «Сангвин», расположенной в районе Великих озер в США, намечалось осуществлять связь с подводными лодками [Бернстайн и др., 1974]. Кроме того, разрабатывались проекты подземной радиосвязи и проекты регистрации атомных взрывов на основе сейсмоэлектромагнитных эффектов. Предполагалось, что средняя часть земной коры должна обладать высоким сопротивлением и служить в качестве своеобразного волновода, по которому низкочастотные электромагнитные сигналы могут распространяться с незначительным затуханием в единицы децибел на тысячу километров. Проводящими стенками волновода, ограничивающими рассеяние электромагнитной энергии, должны были служить сверху флюидсодержащие осадочные отложения, а снизу - высокотемпературная нижняя кора на глубинах 40-50 км [Keller, et al., 1966].

Однако уже первые результаты практических наблюдений с сверхглубинными установками показали резкую неоднородность электропроводности земной коры. Например, в штатах Вашингтон и Орегон были выполнены зондирования с тремя заземленными линиями длиной 107, 137 и 218 км [Cantwel et. al, 1965]. Рабочие разносы достигали 200 км при силе тока до 230 А. В восточном секторе района исследований среднее сопротивление фундамента достигало 20 тыс. Ом.м, тогда как в южном секторе, удаленном на 200 км от северного, кажущееся удельное сопротивление составляло лишь 10 Ом.м. Авторы связывали природу столь сильных изменений сопротивления земной коры с возможным влиянием глубинных разломов. Аналогичные изменения электропроводности земной коры наблюдались и в других районах. Интерпретация осуществлялась на формальном уровне.

Поэтому в большинстве работ делались выводы о существовании промежуточных проводящих слоев в земной коре на глубинах от 10-20 до 70-80 км.

Природу неоднородности Земной коры связывали с флюидами. При этом в качестве ведущей была выдвинута идея дегидратации кристаллизационно-связанной воды из состава силикатных минералов при температуре свыше 400 0С [Keller, 1966; Любимова, Фельдман, 1975]. В противовес и в дополнение к ней А.С. Семеновым была выдвинута идея об электронно-проводящей природе аномально-проводящих объектов, обнаруживаемых в верхней и средней части земной коры [Семенов, 1970; Жамалетдинов, Семенов, 1977].

Под влиянием идей А.С. Семенова, проводившего в ранние годы своей деятельности изыскания под гидроэлектростанции на Волге и Енисее [Семенов, 1935], исторически сложилось в России направление электромагнитных зондирований с мощными контролируемыми источниками и, в частности, с промышленными линиями электропередачи (ЛЭП).

Актуальность разработки зондирований с контролируемыми источниками определяется, прежде всего, тем обстоятельством, что традиционно используемые для этой цели магнитотеллурические методы дают неоднозначные результаты, особенно в высоких широтах. Это обусловлено отсутствием надежных критериев учета нестабильности ионосферно-магнитосферных источников во времени и в пространстве. Следует отметить, что результаты глубинных зондирований с контролируемыми источниками также отличаются большими разбросами данных из-за сильного влияния горизонтальной неоднородности среды. По этой причине до сих пор не разработана общепринятая стандартная, или иначе "нормальная" модель электропроводности литосферы, основанная на экспериментальных данных. Под «нормальной» понимается одномерная модель, отражающая изменение электропроводности с глубиной под действием физических факторов планетарного происхождения в отсутствие влияния боковой неоднородности среды. Основными факторами, коррелируемыми с электропроводностью при интерпретации глубинных зондирований, являются температура, пористость, флюидный режим, давление.

В качестве иллюстрации на рис 1 представлена сводная диаграмма "нормальных" геоэлектрических разрезов по данным разных исследователей, проводивших зондирования с контролируемыми (рис. 1-а) и с естественными (рис. 1-б) источниками на территориях древних щитов и платформ.

Рис. 1. Сводная диаграмма моделей «нормального» электрического разреза литосферы щитов и платформ по результатам глубинных зондирований с контролируемыми (а) и естественными (б) источниками.

Условные обозначения.

(а). 1 – Жамалетдинов, 1990; 2 – Краев и др., 1947; 3 – Lundholm, 1946; 4 – Zijl, 1969; 5 – Blohm, etc., 1977. (б). 1 - Жамалетдинов, 1990; 2 – Ковтун и др., 1986; 3 – Владимиров, 1979;

4 – Ваньян, 1981.

Можно видеть, что разбросы значений удельного сопротивления на одинаковых глубинах достигают 3 - 4 порядков, причем одинаково, как в естественных, так и в искусственных полях. Аналогичная сводка «нормальных» геоэлектрических разрезов была составлена по проекту "BEAR" в 2000 году и на ней также наблюдается разброс значений сопротивления, достигающий тех же 3-4 порядков на одинаковых глубинах [Korja etc., 2002].

Это показывает, что ситуация не изменилась к лучшему и работа по комплексному изучению глубинной электропроводности литосферы с применением естественных и контролируемых источников не потеряла актуальности и по настоящее время.

–  –  –

3.2. Глубинность При оценках глубинности зондирований на постоянном токе эталоном служит установка Шлюмберже (рис. 1а). Глубинность принято оценивать по величине отношения горизонтальной составляющей плотности тока j z на глубине z к плотности тока на дневной поверхности j0 в средней точке между электродами АВ. Это отношение определяется простым равенством j z (Cos )3, где угол заключен между линией АВ на дневной j0 поверхности и направлением от электрода А (или В) на точку наблюдения на глубине z.

Нетрудно определить, что в средней точке линии АВ на глубине 0.5АВ, где угол 450, плотность тока j z составляет 35% от плотности тока на дневной поверхности. На основании этих оценок принято считать, что для установки Шлюмберже глубинность зондирования находится в пределах (0.3-0.5)АВ. Аналогичные расчеты показывают, что для дипольноосевой установки ABMN глубинность уменьшается вдвое и составляет (0.15-0.25)OO’, где OO’- расстояние между диполями АВ и MN. В целом можно отметить, что на каждый порядок дифференцирования по r для коллинеарных установок происходит уменьшение глубинности вдвое от потенциальной установки к трехэлектродной градиентной и далее к дипольно-осевой. Дипольно-экваториальная установка имеет ту же глубинность, что и ВЭЗ.

Обширные исследования глубинности установок зондирования на постоянном токе выполнены в работе [Roy & Apparao, 1971]. Однако, в реальных средах глубинность определяется прежде всего характером геологического разреза. Наличие плохо проводящих экранов, высокая анизотропия и наличие хорошо проводящих близ поверхностных образовангий могут сократить глубинность установок в десяток раз и более.

–  –  –

Из рассмотрения рис. 4 можно видеть, что породы высокого сопротивления (кривые

1) приводят к уменьшению абсолютных значений разности фаз между компонентами импеданса (к росту фаз импеданса на графике, с учетом знака), а породы низкого сопротивления (кривые 2) – к обратной картине. Если основание разреза имеет конечное сопротивление (разрез 3 на рис 4), то фаза импеданса, испытав минимум или максимум, возвращается к уровню -45.

Иногда, принято строить фазы кажущегося сопротивления. В этом случае дисперсионные соотношения Питера Вайдельта приобретают вид lg T0 ArgT ; (4.12) 4 lg T0 Производная в выражении (4.12) изменяется от 2 до -2, поэтому соответствующие значения фазы кажущегося сопротивления над слоистым полупространством изменяются в пределах от -900 до +900. Но общая картина поведения фазы кажущегося сопротивления сохраняет вид такой же, который был описан для фазы импеданса.

В целом можно заключить, что фазовые кривые, в сравнении с амплитудными, никакой новой информации о разрезе не несут. Подобно амплитудным они отражают изменение удельного сопротивления и мощности слоев с глубиной, но только качественно, с точностью до некоторой неизвестной постоянной. При интерпретации МТЗ фазовые кривые импеданса выполняют роль дополнительной информации, улучшающей качество и достоверность результатов решения обратной задачи. Кроме того, фаза импеданса является необходимым элементом при построении матрицы тензора импеданса и последующей процедуре приведения ее к диагональному виду. Наконец, из рассмотрения рис. 4 можно заметить, что фазовые кривые обладают несколько большей глубинностью, поскольку на них информация о разрезе на шкале периодов проявляется раньше (на меньших глубинах проникновения поля).

4.3. Глубинность и чувствительность Глубинность электромагнитных зондирований на переменном токе принято оценивать толщиной скин-слоя hS. В однородном пространстве она определяется выражением hS 2, где 10 7 T - длина электромагнитной волны в земле и Т – период колебаний в секундах. В однородном полупространстве толщина скин-слоя уменьшается примерно вдвое. Эффективная глубина проникновения поля в этом случае определяется как z эфф 4. В реальных слоистых средах, не содержащих экранов высокого сопротивления, глубинность принято оценивать величиной z эфф [Матвеев, 1990; Жданов, 1986].

Но иногда более близкие к практике результаты дает определение глубинности для однородного полупространства. В частности, такое определение глубинности z эфф 4 было применено нами при оценке глубины залегания аномально проводящего объекта в Мончегорском рудном районе по результатам частотных зондирований, выполнявшихся Геологическим институтом КНЦ РАН по заказу Кольской горнометаллургической компании (КГМК). Проверка бурением точно подтвердила прогноз.

Аномально проводящее сульфидное тело было вскрыто на предсказанной в отчете глубине 350 м.

При оценках глубинности частотных зондирований необходимо учитывать также разнос r, входящий в волновой параметр p kr. При фиксированном разносе r увеличение глубинности достигают с помощью уменьшения модуля kr (т.е. путём уменьшения частоты и соответственно модуля k ). Однако при очень низких частотах наступают условия ближней зоны (kr1) и явление скин-эффекта становится пренебрежимо малым. В этом случае частотное зондирование прекращается и увеличение глубинности зондирования напротив может быть достигнуто лишь путём увеличения модуля kr (посредством увеличения разноса r ). В этом заключается один из парадоксов зондирования – увеличение глубинности иследований может быть достигнуто, как при уменьшении модуля параметра kr (частотное зондирование), так и при его увеличении (дистанционное зондирование).

Важным фактором при оценке результатов частотных зондирований выступает чувствительность данной установки к изменяющимся параметрам разреза. Для этого используется функция чувствительности S N, которая определяется как производная Фреше, [Boerner, 1991; Шевцов, 2001], записываемая, например, для компоненты Ех как.

ln E x (r,, ) S N (r,, ( z )) (4.13) ln( z ) Зависимость (4.13) позволяет оценивать разрешающую способность данных для разных частотных областей. Амплитуда этой функции линейно связана с вкладом вариации удельного сопротивления модели на данной глубине в изменение наблюдаемых величин, и, следовательно, связана с детальностью исходных данных для некоторой частоты. Положение и форма этого максимума на определенной частоте может служить мерой эффективной глубины зондирования. Она определяется характером изменения удельного сопротивления по глубине и удалением от питающего диполя. Ширина этого максимума вдоль оси сопротивлений в заданном частотном диапазоне характеризует разрешающую способность данных, а вдоль оси частот определяет для заданной глубины оптимальный частотный диапазон зондирования.

4.4. Тензорная методика зондирований Тензорная методика применяется в тех случаях, когда необходимо оценить размерность и элементы горизонтальной неоднородности исследуемой геологической среды. Для этого используются две взаимно ортогональные заземленные линии и измеряются четыре взаимно ортогональные компоненты поля Ех, Еу и Нх, Ну. В основе последующей тензорной обработки лежит решение системы из четырех уравнений для четырех неизвестных компонент тензора импеданса Zxx, Zxy, Zyx, Zyy. Соответствующая запись имеет вид E 1 Z xx H 1 Z xy H 1 x x y

–  –  –

А2В2, ортогонального диполю А1В1. Далее, путем вращения системы координат, матрица (4.14) приводится к диагональному виду Zxx = Zyy = 0 и находятся главные компоненты тензора импеданса Zxy и Zyx, по которым строятся минимальная и максимальная кривые кажущегося сопротивления и определяются главные направления осей неоднородности среды.

5. Методика и техника глубинных зондирований с мощными контролируемыми источниками

5.1. Гальваническая и индукционная моды. Как совместить трудно совместимое?

Разделение на гальваническую и индукционную моды основано, прежде всего, на типе питающей линии (источнике поля). Заземленная линия на постоянным токе представляет гальваническую моду, распространяющуюся в земле вдоль токовых силовых линий в вертикальной плоскости. Магнитная петля на переменном токе и плоская электромагнитная волна представляют индукционную или иначе полоидальную моду, распространяющуюся в виде горизонтальных электрических и магнитных силовых линий, сопряженных между собой. Поле заземленной линии на переменном токе в условиях промежуточной зоны ( kr 1 ) включает в себя обе моды и гальваническую и индукционную. С понижением частоты, при kr 1 она переходит в гальваническую моду и, наоборот, с повышением частоты, при kr 1 она переходит в индукционную моду или иначе переходит в плосковолновое приближение, используемое в МТЗ.

Преимуществом гальванической моды является высокая разрешающая способность при изучении, как проводящих, так и плохо проводящих слоев. Но это преимущество оборачивается крупным недостатком гальванической моды в случае появления на глубине очень плохо проводящих, изолирующих экранов. В этом случае понятие дистанционного зондирования исчезает и можно сколь угодно далеко разносить между собой питающие и приемные линии, но кривая кажущегося сопротивления не выйдет за пределы Sасимптотики, а глубинность не превысит глубину до изолирующего экрана.

В качестве примера на рис. 5 приведены результаты эксперимента «Волга» по глубинному зондированию на постоянном токе с использованием ЛЭП постоянного тока 800 кВ «Волгоград-Донбасс» протяженностью 470 км [Жамалетдинов и др., 1982].

–  –  –

Зондирование проводилось путем регистрации электромагнитных сигналов, создаваемых разнополярными импульсами тока силой 1400 А от ЛЭП постоянного тока.

Положение ЛЭП ПТ и трасс глубинного зондирования показано на рис. 5а. На время эксперимента ЛЭП ПТ переключалась на работу по схеме «провод-земля», что не влияло на режим ее промышленной эксплуатации, то есть не требовало вывода ЛЭП из штатного режима работы.

Эксперимент "Волга" привел к достижению рекордных для мировой практики разносов между источником и приемником - более 600 км. Тем не менее, высокая электропроводность осадочного чехла не позволила выйти за пределы S-асимптотики и установить эффект гальванического "просачивания" тока через земную кору. Можно видеть на рис 5б, что кривая кажущегося сопротивления, измеренная в условиях отсутствия влияния горизонтальной неоднородности (трасса Богучар-Павловск-Ефремов на рис. 5-б), имеет непрерывно возрастающий вид. Глубинность, вместо предполагаемых по теории 250-300 км, не превышает 250 м, то есть мощности осадочных отложений. По ней удается установить лишь нижнюю оценку величины поперечного электрического сопротивления средней толщи земной коры Т, равную 4109 Омм2 (рис. 5г).

Вторая трасса зондирования проходит через пункты «Калач-Анна» (Рис. 5б). Здесь, непосредственно под платформенным чехлом мощностью в первые сотни метров, в кристаллическом фундаменте залегает воронцовская серия кристаллических сланцев, среди которых широко развиты сульфидно-углеродистые породы низкого сопротивления.

Фактически она представляет собой коровый электронно-проводящий объект, показанный заштрихованной областью на рис. 5а. Формальная интерпретация кривой зондирования, проходящей над ней, позволяет установить фиктивный промежуточный проводящий слой на глубине 20 км (разрез на рис. 5в).

Полученный результат (рисунки 5в и 5г) является экспериментальной демонстрацией распространенной ошибки, когда формальная (одномерная) интерпретация зондирований, выполненных в условиях горизонтальной неоднородности среды, приводит к появлению геоэлектрических разрезов с фиктивными промежуточными проводящими слоями в глубинных областях земной коры. Это наблюдение явилось экспериментальным обоснованием для того, чтобы предположить, что т.н. промежуточные проводящие слои, устанавливаемые на кривых глубинного зондирования в других регионах, например в Южной Африке [Blohm etc., 1977; Zij and Joubert, 1975], в Северной Америке [Cantwel et. al, 1965; Samson, 1969], в Швеции [Lundholm, 1946], в Финском заливе [Краев и др., 1947] и в других районах (Рис. 1) по-видимому в большинстве случаев связаны либо с горизонтальными неоднородностями в виде глубинных разломов, либо с боковым влиянием внутрикоровых электронно-проводящих объектов, а не с реальными глубинными проводящими слоями в толще земной коры.

Индукционная мода, в отличие от гальванической, наоборот, беспрепятственно проникает сквозь изолирующие экраны. Но при этом обладает низкой разрешающей способностью при оценке параметров плохо проводящих горизонтов. Изоляторы являются областью «прозрачности» для индукционной моды. По этой причине применение заземленных контролируемых источников переменного поля является перспективным направлением, поскольку в промежуточной области частот, при kr 1 они позволяют использовать преимущества обеих мод.

5.2. Питающие линии (источники поля). Что выгоднее – петля или линия АВ?

Наиболее часто в качестве питающих линий (источников электромагнитного поля) при глубинных зондированиях используются заземленные линия АВ в дипольном варианте [Краев и др., 1947] или в виде длинных заземленных линий. Для этого используются старые телефонные линии [Zijl, 1969] или промышленные ЛЭП [Blohm etc., 1977: Cantwell etc., 1965; Жамалетдинов и др., 1982, 2011]. Поскольку электрический момент заземленной линии определяется как произведение силы тока на ее длину, то увеличение длины линии эквивалентно соответствующему увеличению мощности генератора. Однако, применение длинных линий содержит ряд подводных камней.

При зондированиях на постоянном токе использование длинных линий связано с такими проблемами, как утечки и индукционные наводки при включении-выключении тока.

При зондированиях на переменном токе с длинными заземленными линиями необходимо учитывать такие факторы, как внутреннее индуктивное сопротивление провода, непрямолинейность токонесущего кабеля, изменение амплитуды тока вдоль питающей линии в зависимости от частоты [Шевцов, 2006], а также сопротивление возвратному току, протекающему в нижнем полупространстве. Это сопротивление принято определять как внешнее индуктивное.

Внутреннее индуктивное сопротивление провода определяется величиной Rвнутр L l, где 2f - круговая частота; L – погонная индуктивность провода и l – длина провода. Погонная индуктивность провода, лежащего на земле, составляет 2.6 мГн/км [Вешев, 1980]. Применение параллельно разложенных проводов позволяет снизить их индуктивное сопротивление, но не линейно, а в зависимости от расстояния между проводами. Так применение трех закороченных фазных проводов ЛЭП длиной 100 км позволяет снизить ее индуктивность не втрое, а лишь на 30%, с 0.26 до 0.18 Гн. На частоте 16 Гц индуктивное сопротивление такой линии составляет 18 Ом. Для его устранения применяются компенсирующие емкости, включаемые последовательно в ЛЭП. Величина компенсирующей емкости определяется как C 1 2.

L Внешнее индуктивное сопротивление провода (сопротивление возвратному току) определяется сопротивлением полупространства под кабелем в форме полуцилиндра длиной l и радиусом, равным глубине проникновения поля на данной частоте. Соответствующее выражение, называемое часто формулой Карсона, имеет вид Rвозвр. 0.8 l f 10 7, Ом.

Как видим, внешнее индуктивное (возвратное) сопротивление провода, как и внутреннее индуктивное, не зависит от сопротивления полупространства и зависит только от длины кабеля и частоты.

Применение магнитных петель в качестве источников поля обладает рядом преимуществ – они не требуют устройства громоздких заземлений, не подвержены влиянию статических искажений и обладают высокой проникающей способностью в условиях плохо проводящих сред. Их главный недостаток – быстрое пространственное затухание поля (4.8).

Яркой иллюстрацией конкуренции между разными типами источников поля явился опыт глубинных зондирований с МГД-генераторами. В начале 70-х годов прошлого столетия в Советском Союзе по инициативе академика Е.П. Велихова было создано новое направление глубинной электроразведки с контролируемыми источниками, основанное на использовании нетрадиционной геофизической техники – импульсных магнитогидродинамических (МГД) генераторов мощностью в десятки и до 100 МВт. В относительно короткое время было осуществлено несколько экспериментов по МГДзондированию - на Памире, на Урале, в Поволжье, в Сибири и на Кольском полуострове.

Среди них одним из наиболее значительных исследовательских проектов явился эксперимент «Хибины» на Кольском полуострове. Ему предшествовали эксперименты на Памире и на Урале, которые и подготовили почву для необычного решения – использования в качестве источника электромагнитного поля полуостровного заводненного контура.

В МГД-эксперименте на Памире, проводившемся с целью прогноза землетрясений на Гармском прогностическом полигоне ИФЗ РАН [Сидорин, 1990], в качестве излучающей антенны использовалась заземленная электрическая линия длиной 3 км. Кабель имел низкое сопротивление, ниже одного Ома, но непреодолимым препятствием для пропускания большого тока стало высокое сопротивление заземлений. Вместо 20 тысяч ампер, которые способен был создать МГД-генератор, в нагрузку удалось подать только около 1 тысячи ампер. В результате, электрический момент источника ( P J L AB ) достигал лишь 3.5106 Ам. Дальность уверенной регистрации электромагнитных сигналов в земле при этом не превышала 20-30 км, а глубинность прогноза оценивалась в 5-10 км.

На Урале МГД-эксперимент проводился в районе Челябинска [Астраханцев и др., 1979]. Учитывая опыт работ на Памире, в качестве излучающей антенны на этот раз использовалась магнитная рамка. Она представляла собой петлю 1х1 км, выложенную на земной поверхности алюминиевым кабелем. В этом эксперименте удалось создать ток в нагрузке до 40 тысяч ампер. Но магнитный момент источника ( M J S ), из-за малой площади, охватываемой током, оказался относительно невелик (41010 Ам2). В результате, дальность регистрации сигналов не превысила 60-80 км. Глубинность зондирования при этом оценивалась величиной в 35-40 км. По результатам МГД-зондирования продольная проводимость S h для верхней толщи земной коры мощностью h 30км была оценена в пределах 07-3.5 См. В то же время по магнитотеллурическим данным эта величина оценивается в этом же районе в 50-150 См [Астраханцев и др., 1979, Boerner, 1991] Итак, чтобы реализовать высокие потенциальные возможности МГД-генератора, необходимо было объединить в излучающей антенне два трудно объединяемых параметра – низкое сопротивление нагрузки при большой длине кабеля. Этим требованиям удовлетворил источник в виде контура, заводненного в море по разные стороны перешейка между полуостровами Кольский и Средний. В 1975 году на этом перешейке был проложен 160тонный алюминиевый кабель длиной 7 км, соединяющий Мотовский залив с губой Малой Волоковой и была сооружена сдвоенная МГД-установка. На рисунке 6 показана схема одного из МГД-генераторов спаренной установки «Хибины» (рис. 6а), графики тока и напряжения в питающем контуре (рис. 6б) и схема полуостровного контура (рис. 6в).

Стрелками показано направление дрейфа (расплывания) тока в море со средней скоростью 5км/с.

<

–  –  –

Уже первые эксперименты с МГД-генератором "Хибины", выполненные в первых числах октября 1976 года, показали уникальные возможности нового источника.

Электромагнитные сигналы регистрировались на удалениях до 750 км. Сила тока в контуре достигала 22 тыс. А, а магнитный момент контура по экспериментальным оценкам достиг 1014 Ам2, что почти в 10 тысяч раз превысило параметры магнитного контура, примененного в Уральском МГД-эксперименте. Однако, ничто не дается даром – полученный источник оказался самым сложным для расшифровки результатов за всю историю геоэлектрики [Жамалетдинов, 2005].

–  –  –

Ссылки в таблице [1- Краев, Семенов, 1947; 2 - Бернстайн и др.; 3- Кононов и др., 2002; 4 – Сайт 1; 5 – Велихов, 1989; 6 - Жамалетдинов, 2005; 7 -Blohm etc., 1977; 8 – Жамалетдинов и др., 1982; 9 – Сайт 2; 10 – Сайт 3; 11 – Сайт 4; 12 – Сайт 5; 13 – Жамалетдинов и др., 2011]. Описание ссылок – в конце статьи.

В 70-е – 80-е годы прошлого столетия, как уже упоминалось в предыдущем разделе, была предпринята попытка достигнуть больших глубин зондирования с применением импульсных МГД-генераторов мощностью до 80 тысяч кВт. Однако, несмотря на ряд успешных экспериментов, это направление в начале 90-х годов было закрыто в связи с чрезмерно большой стоимостью работ и изменением политической ситуации в стране. В современной глубинной геоэлектрике преобладает второй подход – накопление сигналов с применением оптимальных по мощности источников.

Техника накопления разделяется на две ветви, отличающиеся по форме генерируемых сигналов - синус или меандр. Если сигнал имеет форму синуса (монохроматический), то накопление осуществляется исключительно с применением спектрального подхода на основе Фурье-анализа для последующей обработки и интерпретации в рамках теории частотного зондирования. Если же периодический сигнал имеет форму меандра (прямоугольную знакопеременную или со скважностью), то его обработка может быть выполнена как путем спектрального анализа, так и путем накопления отдельных фрагментов с заданным периодом.

Техника накопления сигналов в форме меандра смыкается с техникой зондирования в поле мощных одиночных импульсов. В том и в другом случае удается восстановить форму электромагнитного отклика исследуемой среды и выполнять последующий анализ по принципам как частотного зондирования, так и зондирования становлением поля. Это, в свою очередь, позволяет обнаруживать отрицательные сигналы, всплески на фронтах сигналов, знакопеременные поля и ряд других важных признаков, используемых для геолого-геофизической интерпретации данных в условиях горизонтально-неоднородных или поляризующихся сред. При спектральной обработке монохроматических (синусоидальных) сигналов такие особенности, как правило, остаются незамеченными.

Но в то же время монохроматические сигналы обладают существенными преимуществами перед меандром при спектральной обработке и выявлении полезного сигнала на фоне интенсивных промышленных и естественных помех за счет более строгой привязки линейчатого спектра по частоте и за счет большей амплитуды первой гармоники.

В заключение раздела опишу пример зондирований с контуром «Хибины», когда нам удалось продемонстрировать преимущества как одиночного мощного импульса, так и накопления, в зависимости от геоэлектрической ситуации.

Ситуация первая. В 1989 году были намечены МГД-эксперименты в Норвегии. По техническим причинам ранее запланированные «горячие» пуски МГД-генератора мощностью 40 тысяч киловатт с амплитудой тока до 20 тысяч ампер были отменены. Тогда, во избежание международного конфликта, мы приняли решение подключить к контуру «Хибины» генераторную группу ЭРС-67 мощностью 29 кВт (вместо 40 тысяч кВт!).

Последовательно в кабель, имеющий длину 7 км и сопротивление 0,1 Ом (Рис. 6в), включили балластное сопротивление 10 Ом для согласования с внутренним сопротивлением генератора. Таким образом, в земле рассеивалась лишь одна сотая мощности генератора, то есть менее 290 Вт. Но и этого оказалось достаточно, чтобы успешно провести зондирования в Северной Норвегии, в районе Пасвик на удалениях до 200 км от источника. Естественный шум там оказался на удивление «белым» и 20 минут накопления сигналов периодом 4 с было вполне достаточно для уверенной регистрации, даже без использования “reference point”, которая была предусмотрена для устранения некогерентных помех [Zhamaletdinoc etc., 1993].

Ситуация вторая. В 1985-87 годах мы проводили зондирования в Печенгском рудном районе, удаленном на 40-50 км от МГД-контура «Хибины». Первоначально предполагалось решить задачу путем накопления аккумуляторных пусков с амплитудой тока до 1 тыс. А.

Однако, из-за резких импульсных помех, создававшихся промышленными установками в рудных карьерах, накопление не проходило. В то же время, мощные одиночные импульсы МГД-генератора амплитудой до 17-20 тыс. А позволили получить устойчивые результаты и решить задачу о предполагавшемся подъеме так называемой продуктивной толщи, перспективной на медно-никелевое сырье, в районе Лоттнинского разлома [Жамалетдинов,.

1990]. По результатам МГД зондирований был дан отрицательный вывод. Тем не менее глубокая скважина (до 2 км) была пробурена и она подтвердила наш прогноз об отсутствии предполагавшегося подъема продуктивной толщи.

Приведенные результаты позволяют заключить, что решение вопроса об источнике в пользу одиночного мощного импульса или в пользу накопления слабых сигналов остается открытым и зависит от конкретной геоэлектрической обстановки и решаемых задач. Наряду с этим следует отметить, что быстрый прогресс в области компьютерной обработки сигналов и совершенствование математических методов обнаружения полезного сигнала под шумами укрепляют лидирующее положение за методами накопления.

5.4. Измерительные устройства – от стрелочных приборов до цифры Аппаратура, применяемая для измерения сигналов в глубиной геоэлектрике, прошла сложный путь эволюции от стрелочных приборов и шлейфных осциллографов до современных широкодиапазонных цифровых измерительных комплексов. В эволюции приборной части серийных измерительных станций можно выделить четыре этапа, или иначе, четыре поколения. Заметим, что для зондирований с естественными и контролируемыми источниками на всех этапах использовались примерно одинаковые станции с небольшими модификациями.

Первое поколение, 50- 60-е годы XX-го века, включает станции-лаборатории МТЛ-62 и МТЛ-71 (пятиканальная) с осциллографической системой регистрации на фотобумагу и с последующим химическим проявлением. Регистраторами служили шлейфные гальванометры, подключаемые иногда напрямую к электродам приёмных электрических линий. В качестве датчиков магнитного поля использовались магнитные вариометры (магнитометры) системы Б.Е. Брюнелли с отрицательной обратной связью. Обработка данных выполнялась вручную с применением логарифмических линеек или механических счётных машинок системы «Феликс».

Второе поколение, 70-80-е годы XX-го века. Первые цифровые станции ЦЭС-1, ЦЭС-2, смонтированные на а/м ГАЗ-66. Запись производится на магнитную ленту после аналогоцифрового преобразования (АЦП). Наряду с магнитометрами в станциях ЦЭС-1 и ЦЭС-2 применялись индукционные датчики для регистрации высокочастотных вариаций (до 60 Гц).

Обработка данных выполнялась на вычислительных комплексах типа «Мир», «БЭСМ», «ЕС», и др. Диапазон периодов 0.01 1000с.

Третье поколение, 80-е - 90-е годы XX-го века. Многоканальные цифровые измерительные комплексы типа ЦЭС-МГД, портативные станции ЦАИС и др. Основные характеристики - запись на магнитную ленту, возможность синхронизации с помощью точных кварцевых часов, обработка результатов в реальном времени с применением портативных полевых компьютеров.

Четвертое поколение, первое десятилетие XXI-го века. Автономные портативные измерительные станции.

Их главными отличительными чертами являются:

многоканальность и высокая степень автоматизации, высокая чувствительность, низкий уровень собственных шумов магнитных и электрических датчиков, широкий динамический диапазон (24 разряда) в широком спектре частот от 10 3 до 104 Гц, синхронизация по мировому времени с применением GPS приёмников, съёмная твердотельная память, полностью компьютеризированная система обработки с возможностью оперативного анализа результатов наблюдений непосредственно на полевой точке, после чего принимается решение о переходе на следующую точку или о повторном цикле наблюдений. Из отечественных приборов отмеченными характеристиками в наибольшей мере обладают: 4-х канальная станция АКФ-4 разработки НИИЗК СПбГУ (частотный диапазон 1-3200 Гц, выпускалась заводом «Геологоразведка»), АКФ-4М разработки ЦЭММ СПбГУ и ООО «Микрокор» г. Санкт Петербург (частотный диапазон 10-1 800 Гц), 9-канальная станция GIMTS-1 разработки Санкт Петербургского филиала ИЗМИРАН (частотный диапазон 10-4 15 Гц), 7-канальная станция КВВН-7 разработки Кольского научного центра РАН, г. Апатиты (частотный диапазон 10-1 1000 Гц). Из зарубежных станций приведенными выше характеристиками 4-го поколения в наибольшей мере обладают: станция Lemi разработки Института космических исследований НАНУ, г. Львов (Украина), станция MTU-5 разработки фирмы Phoenics Geophysics, г. Торонто (Канада) и станции фирмы Metronix, г.

Брауншвейг (Германия), ЭНТ – индукционные датчики Нестерова.

Принципиально важным техническим показателем качества магнитотеллурических станций является уровень собственных шумов магнитных датчиков. На рис. 7. представлена сводная диаграмма спектральных характеристик собственных шумов магнитных датчиков перечисленных выше типов современных МТ станций.

Рис. 7. Сводная диаграмма спектральных характеристик собственных шумов датчиков магнитного поля, применяемых в разных типах магнитотеллурических станций. Описание условных обозначений дано в тексте.

На этом же рисунке приведены частотные характеристики шумов, создаваемых естественными вариациями АМТ-МТ поля. Чем ниже под естественными шумами находятся шумы магнитных датчиков, тем с большей надежностью они позволяют регистрировать амплитуду и фазу полезного сигнала и решать задачу электромагнитного зондирования в поле как естественных, так и контролируемых источников.

Анализируя возможности современных цифровых станций, приходится только посожалеть о том, что в 70-е – 80-е годы МГД-генераторы резко опередили технический прогресс в области измерения сигналов. Насколько богаче была бы информация, если бы МГД-сигналы регистрировались не на осциллографы МТЛ-62 с их динамическим диапазоном в лучшем случае 8-9 бит, а на современные цифровые 24 битные станции? Но, история геофизики не имеет сослагательного наклонения, так же как любая другая историческая наука.

На примере развития измерительной техники глубинных зондирований, можно отметить замечательный парадокс. Развитие зондирований с контролируемыми источниками происходило в естественном направлении сверху вниз - от изучения малых глубин к большим по мере увеличения мощности генераторных устройств и, в какой-то мере, по мере улучшения качества измерительной техники.

Развитие зондирований в поле естественных источников (МТЗ), наоборот, происходило снизу вверх. На первых порах своего развития, в 50-е – 60-е годы прошлого века метод МТЗ позволял исследовать только большие глубины, исчислявшиеся единицами, десятками и сотнями километров даже в платформенных районах. Это было связано с высокой инерционностью кварцевых магнитометров и шлейфных гальванометров, имевшихся тогда в распоряжении исследователей. В настоящее время, благодаря применению высокочастотных широкодиапазонных индукционных датчиков и неограниченных возможностей цифровой техники магнитотеллурика поднялась с больших глубин практически на дневную поверхность. Эта тенденция сближения и перекрытия исследуемых глубин в технике зондирований с естественными и контролируемыми источниками открывает широкие перспективы для их комплексирования путем совместных измерений и обработки данных.

5.5. Является ли контролируемый источник контролируемым?

Вопрос о том, насколько истинные параметры контролируемого источника соответствуют принимаемым в расчет при нормировке в значения кажущегося сопротивления, впервые был поднят Л.М. Альпиным (1950) и позднее А. Кауфманом [Kaufman & Keller, 1983]. Вопрос этот относился не столько к техническим характеристикам, обеспечиваемым аппаратурными возможностями, сколько к среде, залегающей под источником. Наличие зон разломов, протяженных проводников или инженерных сооружений (трубопроводов, кабелей) в районе заземлений может существенным образом исказить геометрию первичного поля источника и привести к непредсказуемым результатам. Так, при проведении частотного зондирования в районе обсерватории Ловозеро, на Кольском полуострове нами было обнаружено, что параметры измеренного поля резко не соответствуют расчетным. При детальном изучении удалось установить, что одно из заземлений зарыто вблизи свинцового кабеля. По этой причине размеры питающей линии АВ оказались на несколько километров больше расчетных В результате всю работу пришлось переделывать с новой линией АВ.

Одним из наиболее ярких примеров искажения параметров питающей линии подстилающим полупространством является контур МГД-источника «Хибины», заводненный в морские заливы по разные стороны перешейка между полуостровами Кольский и Средний [Велихов, 1989; Жамалетдинов, 2005]. Благодаря заводнению удалось резко увеличить к.п.д. МГД-генератора и излучающий момент контура, но сам источник при этом распался на два типа – заземленную через морское дно электрическую линию и систему магнитных петель, распространяющихся в море вокруг полуостровов Рыбачий и Средний.

Существенным деформациям при этом подверглась не только структура измеряемого на полевых точках электромагнитного поля, но и параметры самого контура. Его индуктивность и спектральный состав в фазе включения тока оказались резко отличными от наблюдаемых в фазе выключении. Это привело к необходимости проведения обработки данных только по переднему фронту [Жамалетдинов, 1990].

Наряду с изложенным, необходимо заметить, что все проблемы с неопределенностью параметров контролируемого источника в неоднородных средах становятся пренебрежимо малыми при работе в дальней зоне, если нормировка поля выполняется по входному импедансу.

5.6. Зоны источника. Является ли дальняя зона самой дальней? Как влияют ионосфера и токи смещения на результаты наблюдений?

В классических работах Л.Л. Ваньяна (1965; 1997), посвященных теории и методике электромагнитных зондирований, дано четкое определение ближней ( kr 1 ), промежуточной ( kr 1 ) и дальней ( kr 1 ) зон. При этом считается, что в ближней зоне преобладает сигнал, который достигает в точку наблюдения по земле и распространяется гальваническим путем. В дальней зоне преобладает сигнал, достигающий в точку наблюдения по воздуху. Далее он распространяется в нижнем полупространстве индукционным путем по типу плоской волны. При этом, в силу квазистационарного приближения и пренебрежения токами смещения, электромагнитное поле существует только до тех пор, пока существует ток в источнике. В ближней зоне поле заземленного электрического диполя имеет максимум диаграммы направленности на оси диполя (при 00 ). В дальней зоне максимум диаграммы направленности переходит на экваториальную область ( 900 ).

Однако принятое определение дальней зоны верно лишь до тех пор, пока расстояние r между источником и приемником, будучи много большим длины электромагнитной волны в земле 2 k, в то же время не достигает длины электромагнитной волны в воздухе. Если расстояние до источника превышает этот предел, то поле выходит за пределы квазистационарного приближения. В этом случае при решении прямой и обратной задачи частотного зондирования необходимо учитывать влияние токов смещения в воздухе.

Отмеченное можно проиллюстрировать на примере формулы Л.Б. Гасаненко для азимутальной компоненты E поля вертикального магнитного диполя.

k02 r 2 k12 r 2 k0 r 3IS 0i k1r E e (1 k0 r ) e (1 k1r ), (5.3) 2r 4 (k12 k 02 ) 3 3 где k 02 ( 2 0 0 i 0 0 ) - квадрат волнового числа в воздухе k12 ( 210 i 0 1 ) - квадрат волнового числа в земле

–  –  –

анизотропии, проявляющейся в расхождениях на один-два порядка между так называемыми минимальными и максимальными кривыми в зависимости от направления поляризации первичного поля.

На общем фоне высокого поперечного сопротивления литосферы ( T 1010 Омм2) в северо-западной части Карельского мегаблока и в Северной Финляндии выделилась область Рис. 12. Осредненные «нормальная»

пониженных значений Т порядка 109 Омм2 (1а) и аномальная (2а) кривые кажущегося сопротивления и соответствующие разрезы (1б и 2б) по результатам эксперимента «FENICS».

(Рис. 11). Изолинии Т конформны с областью аномального погружения границы Мохо до 60 км [Павленкова, 2006]. В то же время изолинии аномально низких значений поперечного сопротивления литосферы не согласуются ни с поверхностной геологией, ни с положением электронно-проводящих сульфидно-углеродистых образований, прослеживаемых в верхней части земной коры (рис. 11).

На рис. 12 приведены кривые кажущегося сопротивления для нормальной и аномальной областей и соответствующие геоэлектрические разрезы по результатам решения обратной задачи. Можно видеть, что максимальный перепад удельного сопротивления на разрезах 1б и 2б приходится на глубину 20 км - от 300-400 тысяч Омметров для «нормальной» области до порядка 100 тысяч Омметров для «аномальной» области. В целом область пониженного поперечного сопротивления литосферы занимает диапазон глубин от 10 до 40 км. Полученный результат представляет интерес для моделирования геотермического режима литосферы и ее реологических характеристик.

Приведенные выше результаты исследований, выполненных на территории восточной части Балтийского щита (контуры обозначены римской цифрой I на рис. 13), позволяют рекомендовать постановку зондирований с мощными контролируемыми источниками CSMT на других площадях, например, в платформенных районах с целью поисков и оконтуривания участков, перспективных на углеводородное сырье.

Рис. 13. Контуры выполненных (I) и перспективных (II, III) площадей для проведения глубинных зондирований с мощными контролируемыми источниками (промышленными ЛЭП).

1 и 2 – внутрикоровые аномалии электронно-проводящей природы, 2 и 3 – то же, флюидной природы [Жамалетдинов, 1996].

В качестве иллюстрации рис. 13, сугубо условно, обозначены площади возможных исследований CSMT в Ямало-Ненецком округе (II) и в Восточной Сибири (III). На рис. 13 приведены также контуры наиболее известных внутрикоровых аномалий электропроводности. Большинство аномалий имеет электронно-проводящую природу и связаны с присутствием в кристаллическом фундаменте глубоко метаморфизованных комплексов сульфидно-углеродистых пород. Согласно идее академика А.В. Сидоренко об «углеводородном дыхании» [Сидоренко, Сидоренко, 1970] такие аномалии могут рассматриваться в качестве косвенного признака на присутствие газа и нефти в перекрывающих осадочных отложениях. Факт такого пространственного совпадения нефтяной залежи с залегающей ниже аномалией проводимости в фундаменте был зафиксирован нами в ходе проведения эксперимента «Волга» с ЛЭП ПТ «ВолгоградДонбасс» [Жамалетдинов и др., 1982].

Заключение Представленные результаты исследований позволяют составить общее представление о методике и технике глубинных зондирований с мощными контролируемыми источниками для глубинных исследований строения земной коры и для прогнозно-поисковых работ на углеводородное сырье. Наибольшие перспективы связываются с внедрением CSEMS технологии, основанной на проведении тензорных зондирований с промышленными ЛЭП.

Разработанная к настоящему времени генераторная техника и существующие широкодиапазонные цифровые измерительные станции позволяют ставить практическую задачу об опоисковании на углеводородное сырье методом CSMT в комплексе с АМТ-МТЗ площадей в сотни тысяч квадратных километров при одной стоянке закрепленного источника.

Благодарности Работа выполнена при содействии гранта ОНЗ РАН № 6 и гранта РФФИ 10-05-98809-р_север. Автор глубоко признателен за просмотр рукописи и ценные замечания В.Ю. Семенову, Ю.А. Дрейзину, П.Ю.

Пушкареву и Б.Г. Сапожникову. В оформлении рукописи неоценимую помощь оказала Т.Г. Короткова.

Список литературы

1. Акиндинов В.В., Нарышкин В.И., Рязанцев А.М. Электромагнитные поля в морской воде (обзор). // Радиотехника и электроника, 1976. Т. ХХI, вып. 5. С. 913- 944.

2. Альперт Я.Л. О распространении электромагнитных волн низкой частоты над земной поверхностью. // М. Изд.

Академии Наук СССР, 1955. 112 с.

3. Альпин Л.П. Теория дипольного зондирования.// Москва, Гостоитехиздат, 1950, 89с.

4. Астраханцев Г.В., Бабаков Ю.П., Булашевич Ю.П. и др. Индукционное зондирование земной коры на Урале с применением МГД-генератора. // ДАН СССР, сер. Физика Земли, 1979, N 1. С. 78-90.

5. Бердичевский М.Н., Дмитриев В.И. Магнитотеллурическое зондирование горизонтально однородных сред. М., ”Недра”. С. 162-193, 1992.

6. Бернстайн С.Л., Барроуз М., Эванс Д.Э., Гриффитс Э.С., Макнейл Д.А., Ниссен Ч.У., Ричер А., Уайт Д.П., Уиллим Д.К. Дальняя связь на крайне низких частотах. // ТИИЭР, Proceedings IEEE, 1974.том 62, С. 5-30.

7. Бурсиан В.Р. Теория электромагнитных полей, применяемых в электроразведке.// Ленинград. Изд. Недра, 1972.

367 с.

8. Ваньян Л.Л. Основы электромагнитных зондирований. М.: Недра. 1965. 108 с.

9. Ваньян Л.Л. Электромагнитные зондирования. //М. Научный мир, 1997. 218с

10. Велихов Е.П. (ред.). Геоэлектрические исследования с мощным источником тока на Балтийском щите. М.:

Наука, 1989. 272 с.

11. Вешев А.В. Электро профилирование на постоянном и переменном токе. Л., “Недра”. 391 с.,1980.

12. Гасаненко Л.Б. Нормальное поле вертикального гармонического низкочастотного магнитного диполя. //Уч.. зап.

ЛГУ, 1958, N249, вып.10, С.15-36.

13. Жамалетдинов А.А., Короткова Т.Г. Спектральная обработка МГД-сигналов по переднему фронту. // Электромагнитныезондирования (тезисы докладов на Всес. школе по электромагнитным зондированиям, Звенигород, ноябрь, 1984), М., изд. АН СССР., 1984. 8 с.

14. Жамалетдинов А.А. Введение в теорию электроразведки переменным током // Петрозаводск. Изд-во Петрозаводского гос. Ун-та, 2003. (Учебно-методическое пособие). 60 с.

15. Жамалетдинов А.А. Графит в Земной коре и аномалии электропроводности. // Физика Земли, 1996, N 4, С. 12Жамалетдинов А.А. и др. Глубинные электромагнитные зондирования литосферы восточной части Балтийского (Фенноскандинавского) щита в поле мощных контролируемых источников и промышленных ЛЭП (эксперимент FENICS). Физика Земли. 2011. № 1. С. 4–26.

17. Жамалетдинов А.А. МГД-эксперимент «Хибины» - 30 лет. // Известия РАН. Физика Земли. 2005. № 8. С. 1-8.

18. Жамалетдинов А.А. Модель электропроводности литосферы по результатам исследований с контролируемыми источниками поля (Балтийский щит, Русская платформа). Л.: Наука., 1990. 159 с.

19. Жамалетдинов А.А., Вешев А.В. Глубинные электромагнитные зондирования с мощными контролируемыми источниками и влияние ионосферы на результаты наблюдений. // Теория и практика магнитотеллурического зондирования (тезисы докладов конференции, Москва, 20-23 дек.) МГУ, Москва, 1994, С.75-76

20. Жамалетдинов А.А., Ковалевский В.Я., Павловский В.И., Таначев Г.С., Токарев А.Д. Глубинное электрозондирование с ЛЭП постоянного тока 800 кВ "Волгоград-Донбасс". // ДАН СССР, Т.265, N 5. 1982.

С. 1101-1105.

21. Жамалетдинов А.А., Ковалевский В.Я., Павловский В.И., Таначев Г.С., Токарев А.Д. Глубинное электрозондирование с ЛЭП постоянного тока 800 кВ "Волгоград-Донбасс". // ДАН СССР, Т.265, N 5. 1982.

С. 1101-1105.

22. Жамалетдинов А.А., Шевцов А.Н., Токарев А.Д.,Кононов Ю.М., Ваньян Л.Л. Влияние ионосферы и токов смещения на результаты глубинных электромагнитных зондирований в поле СНЧ-антенны. // ДАН, 1999. Т.

366, № 5. С. 688-691.

23. Жамалетдинов А.А., Шевцов А.Н., Короткова Т.Г. и др. Глубинные электромагнитные зондирования литосферы восточной части Балтийского (Фенноскандинавского) щита в поле мощных контролируемых источников и промышленных ЛЭП (эксперимент FENICS). Физика Земли. 2011. № 1. С. 4–26.

24. Жданов М.С. Электроразведка. // М.: Недра. 1986. 316 с Заборовский А.И. Электроразведка. //М.: ГНТИНГТПЛ.

1963. 423 с.

25. Кононов Ю.М., Жамалетдинов А.А. 2002. Системы СНЧ-радилсвязи и мониторинг среды – перспективное направление конверсионной политики России. // М. Информмост «Радиоэлектроника и телекоммуникации». С.

4-6.

26. Краев А.П. Основы геоэлектрики. // Л.Недра, 1965. 587 с.

27. Краев А.П., Семенов А.С., Тархов А.Г. Сверхглубокое электрозондирование. // Разведка недр, 1947. N 3. С. 40Крылов С.С. Геоэлектрика: поля искусственных источников. СПб. Изд-во СПбГУ, 2004. 137.

29. Любимова Е.А., Фельдман И.С. Тепловой поток, температура и электропроводность земной коры и верхней мантии Земли. // Кора и Верхняя мантия Земли. М., МГУ, вып. 2, 1975. С. 144-190.

30. Матвеев Б.К. Электроразведка. // М. Недра, 1990. 367 с.

31. Павленкова Н.И. Структура литосферы Балтийского щита по данным ГСЗ. Структура и динамика литосферы Восточной Европы // М.: Геокарт, ГЕОС. 2006. С. 33-58

32. Пылаев А.М. Руководство по интерпретации вертикальных зондирований. //М., Недра, 1968. 147 с.

33. Сайт 1 в Интернете: http://www.vlf.it/zevs/zevs.htm

34. Сайт 2 в Интернете: http://www.martspb.ru/rus/rimr/rus/tex/dr.htm

35. Сайт 3 в Интернете: http://www.phoenix-geophysics.com/products/transmitters/t-200/

36. Сайт 4 в интернете http://www.google.ru/#hl=ru&newwindow=1&biw=1366&bih=514&q= Генератор +УГЭ-50.

37. Сайт 5 в интернете http://www.krugeo.ru/?SiteID=1&PageID=155

38. Сараев А.К., Косткин П.М. Структура электромагнитного поля СНЧ-радиоустановки. // Вопросы геофизики.

Вып. 35. СПб. Изд. СпбГУ, 1998. С. 117-135 (Ученые записки СпбГУ, № 433).

39. Семенов А.С. Природа электрической проводимости древнего кристаллического фундамента. //Вестник ЛГУ, N12, 1970. С.19-26.

40. Семенов А.С., Жамалетдинов А.А. Глубинные электрические зондирования. // Вестник ЛГУ, серия Геология и география, 1981. № 18. Вып. 3. С. 5-11.

41. Семенов А.С. Электроразведочные работы на реках Волге и Енисее. // Материалы по гидрологии, гидрографии и водным силам СССР, 1935. Вып. 28. С. 3-76.

42. Сидорин А.Я. (ред.). Гармский геофизический полигон. М.: ИФЗ АН СССР, 1990. 240 с

43. Тихонов А.Н. Определение электрических свойств глубоких слоев земной коры. // ДАН СССР, Т.73, N2, 1950.

С.295-297.

44. Шевцов А.Н. Метод частотного зондирования при изучении электропроводности верхней части земной коры Балтийского щита. Автореф. дис. … канд. физ.-мат. наук. Санкт Петербург: Изд. СпбГУ. 2001. 21 с.

45. Шевцов А.Н. Прямая и обратная задачи частотного электромагнитного зондирования с промышленными линиями электропередачи. // В кн.: Теория и методика глубинных электромагнитных зондирований на кристаллических щитах. Апатиты. Изд-во КНЦ РАН, 2006. С. 171-181.

46. Blohm E.K., Worzyk P., Scriba H. 1977. Geoelectrical deep soundings in Southern Africa using the Cabora Bassa power line. // Journal of Geophysics, 43. P. 665-679.

47. Boerner D.E. 1991, Controlled source electromagnetic deep sounding: theory, results and correlation with natural source results: Invited Rewiew Paper for the 10th Workshop on EM Induction Ensenada Mexico. 3-50.

48. Boerner D.E. and West G.F. A generalized representation of electromagnetic fields in a layered Earth // Geopysical Journal of the RAS, DGG and EGS. 1989. V. 97, N3, P. 529-547.

49. Cagniard L. Basic theory of the magnetotelluric method of geophysical prospecting. // Geophysics, 1953, v.18, N 3.

P.605-635.

50. Cantwell T., Nelson P., Webb J., Orange A.S. Deep resistivity measurements in the Pacific north-west. // Journal of Geophysical Research, 1965, N 8, v.70. P.1931-1937.

51. Chave A.D. 1983, Numerical integration of related Hankel transforms by quadrature and continued fraction expansion:

Geophysics, N 48, 1671-1686.

52. Goldstein, M. A. and Strangway, D. W.: 1975, 'Audio Frequency Magnetotellurics with a Grounded Electric Dipole Source', Geophysics 40, 669-683.

53. Hermance G6mez-Trevifio, E. and Edwards, R. N.: 1983, 'Electromagnetic Soundings in the Sedimentary Basinof Southern Ontario - a Case History', Geophysics 48, 311-330.

54. Kaufman, A. A. and Keller, G. V.: 1983, 'Frequency and Transient Soundings', Methods of Geochemistryand Geophysics, 16, Elsevier Scientific Publishing Co., New York.

55. Keller G.V. Electrical properties in the deep crust. // IEE Trans. Antennas and Propagat., V. 11, N 3, 1963.

56. Korja T., Engels M., Zhamaletdinov A.A etc., 2002. Crustal conductivity in Fennoscandia – a compilation of a database on crustal conductivity in Fennoscandian shield. // Earth, Planets, Space, 54. Pp. 535-558.

57. Lundholm R. The experimental sending of d.c. through the Earth in Sweden. // Proceedings of the Conference Internationale des Grands Reseaux Electriques a Haute Teusion. Paper No 134. 1946.

58. Nagy, Z.: 1988, 'Controlled Source Methods and Effects of Non-Uniform Source Fields', Reprint of a review paper given at the 9th EM induction Workshop in Sochi, USSR.

59. Wait James R., 1982. Geoelectromagnetism. // Tucson. Arisona.. 232 p.

60. Ward, S. H.: 1983, 'Controlled Source Electrical Methods for Deep Exploration', Geophysical Surveys 6, 137-152.

61. Weidelt, P.: 1975, 'Electromagnetic Induction in 3D Structures', J. Geophys. 41, 85-109.

62. Zhamaletdinov A.A., Ronning J.S., Lile O.B., Tokarev A.D., Smolkin V.F. and Vinogradov Y.A. Geoelectrical investigation with the "Khibiny" source in the Petchenga- Pasvik area. // Geology of the eastern Finnmark- western Kola Peninsula region, (Editors: Roberts D. and Nordgulen O.), Geolodical Survey of Norvay, Special publication NO.7, Trondheim, 1995 P.339-348.

63. Zijl, J. S. V. and Joubert, S. J.: 1975, 'A Crustal Model for South African Precambrian Granitic Terrains Based on Deep Schlumberger Soundings', Geophysics 40, 657-663.

64. Zijl, J. S. V.: 1969, 'A Deep Schlumberger Sounding to Investigate the Electrical Structures of the Crust and Upper Mantle in South Africa', Geophysics 34,450-462.

65. Zohdy A.A.R. A new method for the automatic interpretation of Schlumberger and Wenner sounding curves.//Geophysics. Vol.54. NO.2 (FEBRUARY 1989): P.245-253.

СТО ЛЕТ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ГЕОФИЗИКИ:

ЗАМЕТКИ О ПРОШЛОМ И ДОРОГА В БУДУЩЕЕ*

–  –  –

Университет Юты, Солт-Лейк-Сити, США Абстракт В течение прошлого века электроразведка прошла путь от простого метода определения удельного электрического сопротивления среды до современных технологий, которые используют комплексные системы для сбора данных и мощные суперкомпьютеры для крупномасштабного моделирования и интерпретации электромагнитных данных.

Изменились не только методы и оборудование электроразведки, но также существенно поменялись и представления об геоэлектрических моделях, используемых для интерпретации. Данная статья описывает эволюцию концептуальных и технических основ электромагнитных методов геофизики. В ней также обосновываются основное направление дальнейшего развития, которое должны быть сфокусировано на применении систем наблюдений с множеством источников и приёмников, аналогично сейсморазведке. Важными направлениями будущих исследований являются многомерное моделирование и решение обратных задач, а также новый подход к формулированию и интерпретации основных уравнений электромагнитных полей, основанный на представлении электромагнитного поля с помощью потока и напряжения, что хорошо согласуется с измерениями потока магнитного поля и разности электрических потенциалов в геофизических экспериментах.

Введение Электрический метод является одним из первых методов геофизической разведки, который начал широко использоваться в конце 1920-х и в начале 1930-х годов для разведки нефтегазовых и рудных полезных ископаемых. Практическое использование электрического поля для исследования внутреннего строения Земли началось с первопроходческих работ братьев Шлюмберже, Конрада и Марселя, которые основали одну из самых успешных геофизических сервисных компаний в мире. Со времен начала работы братьев Шлюмберже методы электроразведки претерпели существенное развитие, начиная с простого метода определения удельного сопротивления и заканчивая сложной технологией, основанной на комплексных электромагнитных исследованиях с естественными и контролируемыми источниками. Изменились не только методы и оборудование, но и наши представления об электромагнитных полях, способах их генерации и измерения; также сильно усложнились геоэлектрические модели, используемые для интерпретации. Многие годы базовой моделью для интерпретации была одномерная модель слоистой земли или двухмерная модель.

Однако, в последние 20 лет геофизики начали использовать также трёхмерные модели при интерпретации данных. Этот прогресс потребовал развития соответствующих математических методов интерпретации, основанных на современных достижениях электромагнитной теории и компьютерных методах численного моделирования и инверсии.

Статья впервые опубликована в журнале Geophysics, Vol. 75, No. 5, September/October 2010 (M.S. Zhdanov, 2010, Electromagnetic Geophysics: Notes from the past and the road ahead).

Важно подчеркнуть, что области практического применения электрических и электромагнитных методов очень разнообразны. Электромагнитные измерения выполняются на земле, в воздухе, в океане и внутри скважин. Эти методы применяются как в горнодобывающей промышленности, так и в нефтегазовой разведке, а также при региональных и тектонических исследованиях земной коры. Два основных применения электрических и электромагнитных методов это зондирования для нефтегазоразведки и структурных исследований, а также для поиска рудных месторождений. Первым успешным применением электрических и электромагнитных методов были поиски и разведка металлических руд, характеризующихся высокой проводимостью. Эти методы были использованы при поиске массивных сульфидных месторождений и рассеянных металлических руд. Даже при развитии других приложений в последние годы, использование электромагнитных методов для поиска рудных месторождений остается одним из самых важных их коммерческих применений. В действительности, в общей картине распределения инвестиций в разведочной геофизике на электромагнитные методы по-прежнему тратится значительно меньше средств, чем на сейсмические методы. При этом для электромагнитных методов задача поиска рудных месторождений является основной.

Электрические методы широко применяются в изучении подземных вод, т.к.

удельное электрическое сопротивление породы тесно связано с содержанием воды. Другой важной областью применения является разведка геотермальных источников, т.к.

сопротивление геотермальных зон с высокой температурой очень низкое. Многообразие задач определяет разнообразие электрических и электромагнитных методов, которые можно использовать на практике. Число разных модификаций электромагнитных методов очень велико, т.к. возможно использование различных типов источников и измерение различных компонент электромагнитного поля разнообразными приёмниками.

Поведение электромагнитного поля контролируется тремя основными свойствами среды - удельным электрическим сопротивлением, диэлектрической проницаемостью и магнитной восприимчивостью. Удельное сопротивление является наиболее информативным из физических свойств, характеризующих среду и полезные ископаемые при геофизической разведке с относительно низкими частотами. Для методов, использующих высокие частоты, таких как георадар, наиболее важным свойством является диэлектрическая проницаемость.

Удельное сопротивление в земле варьируется в широком диапазоне, тогда как другие физические свойства, используемые в геофизической разведке, например, акустические волны, плотность, магнитная восприимчивость, обычно варьируются в достаточном ограниченном диапазоне. Многие петрофизические параметры влияют на удельное сопротивление, наиболее важными из которых являются наличие воды или углеродов в породе, соленость грунтовых вод, количество электрически проводящих минералов в породе, температура и давление. Все эти факторы делают удельное сопротивление естественным индикатором присутствия ряда экономически выгодных месторождений полезных ископаемых разных типов.

Невозможно включить долгую и богатую историю электромагнитной геофизики в относительно короткую статью. Однако, автор постарался описать переломные моменты в ее развитии и некоторые наиболее важные открытия. Часто о людях, сделавших открытия, редко вспоминают, но на самом деле, истории этих людей и обстоятельства, при которых они сделали эти открытия, так же важны, как и сама наука. Поэтому, в этой статье представлены несколько историй об ученых и их открытиях, а также обсуждаются недавние достижения в сборе данных, моделировании и методах интерпретации. В течение последнего десятилетия геофизики начали использовать более реалистичные трёхмерные модели для интерпретации электромагнитных данных. Такой концептуальный сдвиг потребовал развития соответствующих математических методов интерпретации, основанных на современных достижениях в теории электромагнетизма, численном моделировании и инверсии. Наиболее важные результаты в этом направлении также представлены в этой статье.

Наконец, обсуждается новый подход к описанию и моделированию электромагнитного поля, в основе которого лежит представление поля с помощью потока и напряжения, а не в традиционной векторной форме [Zhdanov, 2009a]. Действительно, хорошо известно, что поток поля через заданную поверхность и работа, или напряжение поля, вдоль заданного пути представляют собой наиболее важные физические объекты, изучаемые и измеряемые в геофизических экспериментах. Именно поэтому аналитические и численные представления электромагнитного поля через поток и напряжение очень удачно подходят для описания электромагнитных явлений. Новая парадигма для представления электромагнитного поля с помощью потока и напряжения открывает новые возможности для эффективного моделирования электромагнитных полей в геофизики. Этот новый подход к формулировке и объяснению фундаментальных законов электромагнетизма имеет большой потенциал для стимулирования дальнейшего развития электромагнитной геофизики.

В начале Основы современной теории и методов электромагнитной геофизики опираются на фундаментальные законы, разработанные еще в XIX веке, таких как закон Ома, закон Ампера и закон Фарадея. Ранние исследования электрического и электромагнитного явлений в применении для разведки руд и других полезных ископаемых были стимулированы растущим интересом со стороны горнодобывающей промышленности.

Роберт Фокс (1830) был, наверное, первым ученым, который исследовал возможность применения эффекта самопроизвольной поляризации при поиске рудных тел. Первый эксперимент по измерению удельного сопротивления для нахождения залежей медных руд был выполнен James Fisher в Мичигане, США, в 1893 году [Jakosky, 1940]. С 1912 по 1914 год братья Шлюмберже провели во Франции первые геофизические исследования с помощью метода постоянного тока для тектонических исследований. В 1916 году Wenner улучшил метод для измерения сопротивления [Wenner, 1928], после чего метод применили для горной разведки Lundberg (1922), Gish и Rooney (1925) и Heiland (1926). Wenner внёс существенный вклад в развитие принципов интерпретации данных метода постоянного тока.

Однако, этот метод не получил широкого развития до тех пор, пока не была развита концепция кажущего удельного сопротивления, введённая братьями Шлюмберже в 1922 году. Понятие кажущего удельного сопротивления сделало анализ данных и интерпретацию намного более адекватным с точки зрения геологии и простым в вычислениях.

Интригующая сага семьи Шлюмберже наиболее полно описана в недавней книге Michael Oristaglio и Alexander Dorozynski (2009). Захватывающая идея использования электрического поля для просвечивания земли появилась у Конрада Шлюмберже еще в 1912 году. Однако, события Первой Мировой Войны в 1914 году отсрочили практическую реализацию этой идеи. Только в 1919 году Пол Шлюмберже предложил своим сыновьям финансовую помощь для разработки новой революционной технологии электроразведки. 12 ноября 1919 года отец и сыновья формально оформили свой договор, положив начало новой эры в разведочной геофизике.

В начале, эксперименты братьев Шлюмберже по использованию электрических измерений для изучения земных недр не дали значительных открытий. Первый коммерческий успех пришел в 1930-х годах, когда фирма, основанная братьями Шлюмберже, была приглашена работать в Советский Союз. Электрический каротаж начал свое триумфальное шествие по планете с нефтяных месторождений в Азербайджане и Кавказских горах.

Первопроходческая работа братьев Шлюмберже стимулировала создание и развитие русской школы геофизиков в области электроразведки, которая произвела большое число выдающихся геофизиков и привела к крупным геологическим открытиям в Уральских горах и Восточной Сибири в 1940-х и 1950-х годах.

Рождение геофизической инверсии и теории регуляризации После начала практичного применения электрических методов для исследования среды стала очевидной необходимость математических решений для интерпретации поведения электромагнитного поля, взаимодействующего с реалистичными моделями земли. Одной из самых выдающихся личностей в области математической геофизики был Андрей Николаевич Тихонов. Тихонов родился в 1906 году в Гжатске (сейчас Гагарин), около 120 км от Москвы. В 1919 году, в возрасте 13-ти лет, он начал служить клерком на железной дороге.

В 1922 году, не достигнув 16 лет, он был принят студентом на факультет Физики и Математики в Московский Государственный Университет, где он позднее проработал большую часть своей жизни. После окончания учебы, он продолжал преподавать на факультете Физики и Геофизики и сотрудничал с Геофизическим Институтом Академии Наук СССР. Хотя его ранние работы были связаны с чистыми математическими дисциплинами, такими как топология, он постепенно стал больше внимания уделять применению математики к решению геологических и геофизических задач. Во время Второй Мировой Войны, в его профессиональной карьере произошел крутой поворот Геофизический Институт Академии Наук СССР поручил ему провести математическую оценку эффективности методов разведки на постоянном токе. Тихонов должен был работать совместно с российскими геофизиками, которые проводили широкомасштабные работы по поиску нефти и газа в Предуральской провинции.

Как математик, Тихонов знал, что восстановление геоэлектрических свойств геологического разреза по результатам электрических измерений на поверхности является классической некорректной задачей согласно определению, данному французским математиком Адамаром [Hadamard, 1902]. Согласно Адамару, задача является некорректной, если её решение не единственно или оно не является непрерывной функцией данных (т.е.

если небольшие изменения данных приводят к произвольно большому изменению решения).

К сожалению, с точки зрения классической теории, все геофизические обратные задачи некорректны, т.к. их решения не единственны и/или нестабильны. Это факт заставил Тихонова считать, что любые попытки восстановления электрических свойств горных пород из ограниченного числа наблюдённых данных, которые также и зашумлены, обречены на провал. Однако, к его большому удивлению, результаты полевых работ методом постоянного тока привели к открытию крупного нефтяного месторождения в Предуралье.

Тихонов понял, что геофизики могут решить эту некорректную задачу на практике и получить геофизически обоснованные результаты, используя интуитивные приближения для возможных решений и выбирая геологически адекватную модель.

Успешные результаты применения электрических методов в нефтеразведке сильно повлияли на Тихонова. Он понял, что классические методы математической физики, как они были известны в первой половине XX-го века с их ограничениями о том, какие численные задачи могут быть решены, а какие нет, не могут использоваться для решения реальных задач геофизики. Ключевой идеей, разработанной Тихоновым в это время, было введение математического эквивалента человеческому опыту и интуиции, которые сыграли важную роль в нефтяных открытиях в Предуралье. Это подвело его к формулировке теории некорректных обратных задач, которые до этого времени рассматривались математиками как неразрешимые. В 1943 году первая статья Тихонова об инверсии показала, что такие некорректные задачи могут быть решены [Тихонов, 1943]. Эта статья заложила основу нового направления в прикладной математике: теории регуляризации Тихонова решения некорректных обратных задач [Тихонов и Арсеньев, 1977].

Фундаментальные открытия Тихонова сыграли важную роль в развитии геофизических электромагнитных методов. Его ранние теоретические исследования по разработке принципов электромагнитных зондирований с естественными и контролируемыми источниками заложили основу для успешного применения этих методов при поиске нефти и газа в СССР сразу же после Второй Мировой Войны. Однако, его интересы в прикладной математике охватывали также другие направления естественных наук, включая физику атмосферы, экологию, медицинскую томографию и ядерную физику. Пик его научной карьеры пришелся на 1969 год, когда он основал факультет Вычислительной Математики и Кибернетики в Московском Государственном Университете, в котором он был деканом в течение 20-ти лет.

Магнитотеллурический метод Группа методов определения геоэлектрической структуры с использованием естественных электромагнитных полей начала применяться около 1960 г. Основанием для этих методов стали теоретические концепции, первоначально предложенные Андреем Николаевичем Тихоновым (1950) в СССР, Луи Каньяром (1953) во Франции и Тсунжи Рикитаки в Японии [Tsuneji Rikitake, 1950]. О существовании теллурических токов было известно давно. Еще в 1868 году сэр George Biddell Airy, английский математик и астроном, произвел первые исследования земных токов и их связей с вариациями магнитного поля [Airy, 1868]. В 1862 году один из первых экспериментов по измерению теллурических токов был проведен Lamont (1862) в Альпах. Terada (1917) возможно был первым, кто установил зависимость отношений составляющих магнитного поля от проводимости земли. Братья Шлюмберже также наблюдали теллурические токи во время их экспериментов с измерением постоянного тока на поверхности. Они первыми предположили, что теллурические токи могут быть использованы для разведки нефти и газа. Однако, полевые измерения показывали сильные вариации и нестабильность в поведении теллурических токов, что сделало трудным развитие какой-либо обоснованной техники интерпретации данных измерений теллурических токов. Главными источниками нестабильности теллурических токов являлись сложные процессы в ионосфере и магнитосфере, которые были в то время неизвестны.

Суть открытия, сделанного Тихоновым и Карньяром независимо друг о друга, состояла в том, что влияние процессов в ионосфере и магнитосфере может быть исключено, если электрические компоненты теллурического поля нормализовать компонентами магнитного поля.

Тихонов и Карньяр ввели концепцию магнитотеллурического импеданса, определяемого следующим образом:

Ex Z xy, (1) Hy Ey (2) Z yx, Hx с размерностью Вольт на Ампер или Ом.

В то время это была революционная идея, т.к. она позволила геофизикам преобразовать наблюдённые данные в величины удельного сопротивления земных недр. Этот результат открыл дорогу к развитию новой методики разведки, получившей название метода магнитотеллурического (МТ) зондирования. Интересно, что еще в 1934 году Хираяма нашел точную формулу для отношения Е к Н на поверхности земли для падающей плоской волны [Hirayama, 1934], а Хатакаяма [Hatakayama, 1938] даже использовал тензорные удельные проводимости для объяснения разницы между отношениями Ex/Hy и Ey/Hx. Однако, Тихонов и Карньяр заслужено считаются основателями МТ метода, поскольку они создали цельный физический и математический фундамент для метода МТ зондирований. Ценность подхода Тихонова и Карньяра заключается в том, что с одной стороны он основан на простой геоэлектрической модели, а с другой стороны, он дает геофизически и геологически обоснованный результат, используя относительно простую технику интерпретации.

Дальнейшее развитие принципы магнитотеллурической теории получили в работах М.

Бердичевского, В. Дмитриева, U. Schmucker, Л. Ваньяна, K. Vozoff, J. Weaver и P. Weidelt, а также в трудах многих других исследователей, коллективные усилия которых преобразовали МТ метод в практический инструмент геофизики [Berdichevsky, 1965; Morrison et al., 1968;

Schmucker, 1970; Vozoff, 1972; Weidelt, 1975; Berdichevsky and Dmitriev, 1976, 2002, 2008;

Vanyan and Butkovskaya, 1980; Berdichevsky and Zhdanov, 1984; Egbert and Booker, 1986;

Jiracek et al., 1987; Booker and Chave, 1989; Gough et al., 1989; Madden and Mackie, 1989;

Wannamaker et al., 1989; Wannamaker, 1991; Weaver, 1994].

МТ метод имеет долгую и богатую историю, полную больших открытий и неудач. В 1960-х и начале 1970-х годов МТ метод стал широко использоваться для разведки нефти и газа. Первоначально, интерпретация МТ данных была основана на простой горизонтальнослоистой модели земли, что позволяло представлять кривые МТ зондирования в виде простых графиков кажущегося удельного сопротивления относительно периодов наблюдённых данных или квадратного корня периода (который пропорционален глубине исследования). Кривые МТ зондирования затем преобразовывались в одномерные геологические разрезы. Полная геоэлектрическая модель разреза создавалась путем сшивания вместе одномерных разрезов. В реальной земле, однако, всегда существуют некоторые отклонения от идеализированной одномерной модели, или горизонтальные геоэлектрические неоднородности. Соответственно, всегда наблюдается отклонения кривой МТ зондирования от идеальной одномерной кривой, рассчитанной для определенной горизонтально-слоистой модели разреза. Такие отклонения называются искажениями кривой МТЗ, а наблюдаемые в этих случаях кривые называются искажёнными кривыми.

Формальная интерпретация кривых МТЗ с помощью одномерных моделей с игнорированием таких искажений может приводить к построению ложных геоэлектрических структур на глубинных разрезах, которые нередко ошибочно истолковываются как потенциальные залежи углеводородов.

Марк Наумович Бердичевский первым осознал важность учёта влияния горизонтальных геоэлектрических неоднородностей на МТ данные. Он ввел тензорные измерения в МТ метод, которые скоро стали широко использоваться по всему миру. Переход к обработке данных в тензорной форме привел к значительному возрастанию объема информации, извлекаемой из МТ наблюдений.

Другим важным вкладом Бердичевского в геоэлектрику стало развитие теории искажений кривых МТ зондирований. Его работы по теории искажений привели к разработке метода глубинного геомагнитного зондирования земли, созданного в соавторстве с М.С. Ждановым [Berdichevsky and Zhdanov, 1984].

Развитие эффективных численных методов в 1980-х и 1990-х годах сделало возможным перейти от упрощённых состыкованных одномерных разрезов до более реалистичных двумерных или даже трёхмерных геоэлектрических моделей при интерпретации МТ данных.

Это создало новые возможности для практического применения МТ метода в геофизической разведке.

Переход от методов зондирования в частотной области к методам становления поля В 1950-х и 1960-х годах, электромагнитные зондирования в частотной области с контролируемыми источниками стали широко применяться в геофизической разведке.

Концепция использования монохроматического поля для получения кривой электромагнитного (ЭМ) зондирования с варьированием частоты или разноса между источником и приёмником была разработана на раннем этапе развития ЭМ геофизики.

Метод описан в деталях во многох работах, в том числе в следующих публикациях:

Frischknecht (1967), Vanyan (1967, 1997), Keller (1968), Wait (1982) и Kaufman and Keller (1983).

Начиная с 1960-х годов, появился интерес к использованию ЭМ зондирований с контролируемым источником на глубинах, важных для поиска нефти, газа и геотермальных систем. Это потребовало применения методов, в которых электромагнитное поле распространяется сквозь многие километры горных пород с относительно низким удельным сопротивлением. Поскольку глубина зондирования масштабируется значением, обратным волновому числу 1 k 1 (i 0 )1 2, частотный спектр при излучении контролируемым источником, убывает как квадрат глубины зондирования. Более того, частота должна быть также снижена пропорционально квадрату удельной проводимости, поскольку типичные задачи поиска нефти, газа или геотермальной разведки предполагают удельное сопротивление земли, которое меньше в 10 или более раз, чем среднее удельное сопротивление пород. Вместо использования частот в диапазоне от нескольких герц до нескольких килогерц, часто необходимо использовать частоты в диапазоне от нескольких миллигерц до нескольких герц.

При переходе к окну прозрачности на несколько декад шире возникает ряд практических проблем. Например, генерирование переменного тока большой амплитуды является непростой задачей на частотах в диапазоне миллигерц. Кроме того, наблюдения компонент поля на различных частотах в диапазоне миллигерц может потребовать чрезвычайно длительных измерений. Очевидным решением обеих проблем является использование сигнала во временной области. Например, сигнал, генерируемый импульсом включения или выключения тока в источнике, содержит широкий спектр частот при коротком времени передачи.

Другими словами, способ достижения большей глубины разведки заключался в переходе из частотной области во временную область при ЭМ зондированиях. В 1960-х годах было обнаружено дополнительное преимущество использования электромагнитных методов во временной области над методами в частотной области: возможность зондирования на большую глубину при малых разносах между источником и приёмником.

Этот факт кажется очевидным сейчас, однако, потребовалось определённое время и усилия геофизиков для того, чтобы понять физику и математику этого явления.

В то время было хорошо известно, что частотное электромагнитное зондирование в ближней зоне источника неэффективно, т.к. поле в ближней зоне не чувствительно к проводимости среды. Переход из частотной во временную область рассматривался как простая суперпозиция сигналов в частотной области в широком диапазоне частот.

Основываясь на этой концепции, казалось очевидным, что также нельзя применять электромагнитные зондирования становлением поля в ближней зоне источника.

Это неправильное представление было опровергнуто Григорием Григорьевичем Обуховым в конце 1960-х годов, который продемонстрировал, что электромагнитное поле во временной области в ближней зоне линейно пропорционально удельному сопротивлению среды [Обухов, 1968]. К сожалению, первоначально результат Обухова не был принят его коллегами. В то время многие геофизики не могли поверить, что поле импульсного источника, которое рассматривалось как простая суперпозиция гармонических полей в частотной области, может иметь такое радикально отличное свойство. Однако, открытие Обухова было основано на строгом математиком анализе и его результат позднее был подтвержден теоретически и практически в полевых экспериментах.

Результат Обухова можно объяснить следующим образом. Рассмотрим поле, порождённое горизонтальным электрическим диполем, расположенным в однородной неограниченой проводящей среде с удельной проводимостью и магнитной проницаемостью, равной проницаемости свободного пространства 0. Диполь питается импульсным током, меняющимся во времени по закону дельта-функции.

Хорошо известно, что вертикальная компонента магнитного поля гармонического дипольного источника с горизонтальным моментом px 1 равна:

1 eikr H z ( ), (3) 4 y r где r - расстояние между источником и приёмником, - частота и k - волновое число.

Применяя к этому выражению преобразование Фурье из частотной области во временную область, мы находим магнитное поле, возбуждаемое дельта-импульсом тока в диполе, которое описывается следующим выражением:

–  –  –

Проанализируем выражение (5). Во-первых, мы видим, что характер ослабления поля импульсного источника на различных расстояниях от диполя определяется главным образом экспотенциальным множителем e 2( r / ) и зависит от отношения расстояния r к параметру становления поля.

Это отношение, как и в случае гармонического источника, называется электрическим расстоянием:

r (8) r.

Заметим, что играет ту же роль, что и волновое число в частотной области. Как и в случае частотной области, мы можем выделить три зоны поведения поля: (1) ближняя зона, в которой r ; (2) средняя зона, в которой r, и (3) дальняя зона, в которой r.

В соответствии с определением параметра, существует компромисс между временем и расстоянием при выделении разных зон. Например, дальняя зона может ассоциироваться с ранней частью переходного процесса, а ближняя зона может ассоциироваться с поздней стадией становления поля. В связи с этой взаимностью ролей времени и расстояния, иногда дальняя зона называется зоной ранних времен, а ближняя зона - зоной поздних времен.

Ближняя зона соответствует поздней стадии становления поля, которое характеризуется более низкими частотами, обуславливающими большое расстояние распространения поля от источника. На очень ранних временах распространение происходит в дальней зоне, что соответствует высоким частотам и очень коротким электрическим расстояниям.

Вернемся теперь к характерным особенностям переходных полей в ближней зоне r.

Переходя к пределу в уравнении (5) при r / 0, мы получаем:

–  –  –

где r x 2 y 2 z 2 и где x, y, z - координаты приёмника в прямоугольной системе координат с началом в месте расположения электрического дипольного источника.

Сравнивая формулы (9) и (10), мы видим, что в то время как H z ( ) не зависит от удельного сопротивления среды, сигнал во временной области H z (t ) линейно пропорционален. Более того, если мы построим графики зависимости двух функций H z (t ) и | H z ( ) | от глубины z для фиксированных значений x0, y0, t0 и 0, мы увидим, что в ближней зоне поле гармонического диполя уменьшается с глубиной, в то время как нестационарное поле не изменяется с глубиной.

Это дает возможность, по крайней мере, в теории, изучать геоэлектрический разрез на больших глубинах при проведении наблюдений вблизи от источника. На практике для разведки на очень больших глубинах необходимо использовать мощный источник.

Открытие, сделанное Обуховым, кардинально изменило систему взглядов и понятий в разведочной геофизике. Приёмник теперь мог быть расположен вблизи источника, что делало результаты ЭМ зондирования локальными. Глубина исследования контролировалась временем записанного сигнала в источнике. С повышенной точностью измерений поля в поздней стадии становления и увеличением силы источника, глубина исследования также увеличивалась. Все эти факты открыли путь для практического применения электромагнитного метода во временной области при поиске и разведки нефти и газа.

Ключевую роль в развитии метода электромагнитного зондирования становлением поля в ближней зоне сыграли также работы Сидорова и Тикшаева [Sidorov and Tickshaev, 1969], Кауфмана и Морозовой [Kaufman, 1989, Kaufman and Morozova, 1970] и многих других исследователей.

В течение последующих десятилетий были разработаны разнообразные модификации метода становления поля для геофизической разведки. В качестве примера наиболее эффективных технологий, можно упомянуть SIROTEM, UTEM и LOTEM системы и MTEM метод. SIROTEM и UTEM системы были разработаны для поиска металлических рудных тел, LOTEM и MTEM были созданы для электромагнитного зондирования и разведки нефти и газа.

Система SIROTEM основана на российской MPPO-1 установке. С 1972 по 1976 годы отдел Физики Минералов Австралийской Содружественной Научной и Промышленной Исследовательской Организации (Australian Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation, CSIRO) под управлением Ken McCracken и при поддержке главных австралийских горнодобывающих компаний модифицировали российскую MPPO-1 установку, используя последние технологии того времени, включая полупроводниковый процессор CMOS. В этой установке микропроцессор был впервые использован в электромагнитном геофизическом инструменте. Система CSIRO была внедрена как SIROTEM и впоследствии широко использовалась в горной разведке во многих странах мира [Buselli and O’Neill, 1977; McCracken et al., 1986].

Система Университета Торонто UTEM использует в качестве источника большую, фиксированную, горизонтальную, излучающую петлю. Ряд приёмников располагается внутри и снаружи источника-петли и измеряет все три компоненты магнитного поля (Hx, Hy и Hz) и горизонтальные компоненты электрического поля (Ех и Еу). Источник UTEM посылает низкочастотный ток точной треугольной формы через петлю-источник [Lamontagne et al., 1978]. Система имеет относительно ограниченный диапазон глубины разведки и в большинстве случаев применяется в рудной разведке.

Метод переходных процессов максимального удаления (LOTEM) был разработан для глубинных зондирований. Система LOTEM состоит из заземлённого проводного излучателя, петли индуктивности и приёмников электрического поля. Типичное расстояние между излучателем и приёмником приблизительно равно глубине разведки или превышает её.

Подробное описание метода LOTEM можно найти в работе Strack (1999).

После нескольких лет исследований и усовершенствования оборудования электромагнитных методов, в работах Wright et al. (2002) and Hobbs, et al. (2005) была предложена новая модификация методов электромагнитного зондирования во временной области под названием мультитранзиентного метода электромагнитной разведки (MTEM).

Конфигурация оборудования в методе MTEM сходна с конфигурацией оборудования сейсморазведки с несколькими приёмниками и излучателями. Излучателями являются двухполюсные токовые источники, приёмниками - ряд двухполюсников с двумя измерительными электродами. Основной особенностью метода разведки MTEM является использование набора разносов между излучателем и приёмником, что приводит к сочетанию параметрического зондирования и профилирования. Переменный ток в излучателях может иметь форму импульса включения или выключения, а также обращения полярности постоянного тока, или набора импульсов конечной длительности в виде псевдослучайной, двоичной последовательности, которая в совокупности генерирует дельта-импульс в источнике.



Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 6 |
Похожие работы:

«КОЛОНКА РЕДАКТОРА Топы более не смогут спорить с работодателями наравне с работниками? Это сенсация от законодателя. Топы не являются слабой стороной?! (Подробнее в статье Алистархова В.). Удачи! Александр Гончаров в соответствии со ст. 27 Закона РФ "О средствах массовой информации" каждый вы...»

«Транспортне машинобудування УДК 623.942.2, 623.592 Бондарь А.И., Дегтярь С.М., Кроленко А.И., Мормило Я.М., Пилипенко О.Ю., Сливар Е.Я. ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДА В КАЧЕСТВЕ СИЛОВОЙ УСТАНОВКИ ЛЕГКОБРО...»

«ОТЧЕТ № ПИФ-О-1006075/3 об оценке рыночной стоимости объектов недвижимого имущества, расположенных по адресу: Ульяновская область, Мелекесский район, с. Русский Мелекесс, ул. Промзона, д. 7, 7Б г. Дими...»

«Хитрый Владислав Геннадьевич – начальник отдела филиала центрального проектного института "Квант" Министерства обороны Российской Федерации, г. Хабаровск. 680013, г. Хабаровск, ул. Гамарника, д. 76. Тел.: 8-924-200-27-63. E-mail:holt-08@...»

«Информационный бюллетень Контроллер беспроводных сетей на базе сервисного модуля Cisco (Cisco WiSM2) для коммутаторов Cisco Catalyst серии 6500 Контроллер беспроводных сетей на базе модуля Cisco® Wireless Service Максимальная производительность и масштабируемость Поддержка до 1 000 точек доступа и...»

«УДК 133.3 ББК 88.6 Г38 Перевод с английского С. Поповича Герман Ронна Г38 Да будет Свет! Послания Архангела Михаила / Перев. с англ. — М.: ООО Издательство "София", 2010. — 352 с. ISBN 978-5-399-00068-8 Наступило время Великого Перехода — процесса ускоренной трансформации человечества и подготовки к Вознесению в высшие измерения...»

«Чечня и чеченцы А. П. Берже Печатать позволяется, с тем, чтобы по отпечатании представлено было в Ценсурный Комитет узаконенное число экземпляров. Тифлис, 9 декабря 1859 года. Ценсор Д. Коваленский СОЧИНЕНИЕ А. П. БЕРЖЕ Правителя дел Кавказского отдела Императорского Русского Географич...»

«Преобразование голосового шлюза IOS Voice XML в поток вызовов CVP при использовании серверов автоматического распознавания речи (ASR) и преобразования текста в речь (TTS) стандарта MRCPv2 Содерж...»

«Недетерминированная трассировка луча в задачах анализа светорассеивания и проектирования осветительных систем А.А. Гарбуль, Д.Д. Жданов, В.А.Майоров, В.Г.Соколов ГОИ им. С.И. Вавилова, ГОИ им. С.И. Вавилова, ИПМ им. М.В. Келдыша РАН, ИПМ им....»

«УДК:681.327.12:534.782+621.376.57 Пороговые сигналы при дельта –модуляции О.А.Большов В статье рассмотрена проблема оценки защищенности речевого сообщения от несанкционированного доступа (перехвата) и определены некоторые условия, при выполнении которых обеспечивается достаточная защищенность речевой информации....»

«H Y A L H Y A L СЕВДА АМРАХОВА по предмету "Русский язык" (как язык обучения) для 10-го класса общеобразовательных школ H Y Отзывы, замечания и предложения по поводу этого издания просим отправлять на электронные адреса:...»

«Александр Свияш Хочешь быть здоровым? Будь им! Анонс В этой книге с позиций Разумного пути рассмотрены возможные причины появления заболеваний и пути избавления от них. Исходная предпосылка все, что мы имеем в своей жизни, мы создаем сами же, своими мыслями, эмоциями и поступками. Поскольку здоровье д...»

«О.Е. Гевель Сибирский федеральный университет, Красноярск Кавказ Л.Н. Толстого: восточные истоки и параллели образа Федора Долохова Аннотация: На материале дневников, писем и произведений Л.Н. Толстого, относящихся к кавказскому периоду его жизни, выявляются истоки образов Ф. Долохова и типолог...»

«ОБЩЕСТВО С ОГРАНИЧЕННОЙ ОТВЕТСТВЕННОСТЬЮ G-Dynamic "ДЖИ ДИНАМИКА" Проект схемы водоснабжения муниципального образования город Кировск с подведомственной территорией на период с 2013 по 2023 гг. Том 1 Санкт-Петербург Общество с ограниченной ответственностью "Джи Динамика" 195009, Санкт-Петербург, ул. Комсомола, д.41, лит.А, офис 519 G-Dynam...»

«КАК СДЕЛАТЬ ИССЛЕДОВАНИЕ ВОСТРЕБОВАННЫМ: практическое пособие по продвижению политико-управленческих идей и рекомендаций в странах переходного периода Оуэн Янг Лиса Куинн КАК СДЕЛАТЬ ИССЛЕДОВАНИЕ ВОСТРЕБОВАННЫМ: практическое пособие по продвижению по...»

«ИЗМЕРЕНИЕ РЕЙТИНГОВ УНИВЕРСИТЕТОВ: МЕЖДУНАРОДНЫЙ И РОССИЙСКИЙ ОПЫТ МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ЦЕНТР СОЦИОЛОГИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ИНСТИТУТ СОЦИАЛЬНО-ПОЛИТИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ ИЗМЕРЕНИЕ РЕЙТИНГОВ УНИВЕРСИТЕТОВ: МЕЖДУНАРОДНЫЙ И РОССИЙСКИЙ ОПЫТ Выпуск 2...»

«Инструкция по монтажу зданий из ЛСТК производства "АМК" Директор Е. Я. Сивцев Оглавление ОБЩАЯ ЧАСТЬ 1. ТРАНСПОРТИРОВАНИЕ И СКЛАДИРОВАНИЕ 2. УКАЗАНИЯ ПО МОНТАЖУ КАРКАСА 3.3.1. Подготовительные работы 3.2. Рекомендации по устройству фундам...»

«Иван Рыбкин, Эдуард Падар СИСТЕМНО-ИНТЕГРАТИВНЫЙ КОУЧИНГ: КОНЦЕПТЫ ТЕХНОЛОГИИ ПРОГРАММЫ НЕПРЕРЫВНОЕ СОВМЕСТНОЕ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ИОИ 2009 УДК 316.6 ББК 65.9 (2)212 Иван Рыбкин, Эдуард Падар Системно-интегративный коучинг: Концепты, технологии, программы — М.: Институт Общегумани...»

«Система цифрового видеонаблюдения "Интегра-Видео" для версий 7.0.xxx Инструкция администратора Содержание Предназначение системы 1. Установка и удаление программы Состав дистрибутива Установка и обновление программы...»

«УДК 007 : 304 : 070 Журналістська освіта на Сумщині: набутки й проблеми : матеріали Дев’ятої всеукр. наук.-практ. конф. (Суми, 5—6 червня 2013 р.) / уклад.: О. Г. Ткаченко. – Суми : Сумський державний університет, 2013. – 116 с.Journalism Education in Sumy Region: gains and challenges : materials of the E...»

«УДК 624.19: 699.874: 331.451 О.И. Копытенкова, Е.А. Шилова, А.М. Сазонова (Петербургский государственный университет путей сообщения им. Императора Александра I; e-mail: amm_2005@mail.ru) ОСОБЕННОСТИ БИОПОВРЕЖДЕНИЙ ПОДЗЕМНЫХ ОБЪЕКТОВ И НЕОБХОДИМОЙ ОХРАНЫ ТРУДА Проблема биоповреждений характерна для всех областей де...»

«Лазерный принтер Brother HL 2700CN series Руководство пользователя Для пользователей с нарушениями зрения Настоящее руководство может быть прочитано с помощью программы преобразования 'текст...»

«КАРДИОЛОГИЯ CHURCHILL’S POCKETBOOK OF Cardiology Neil R.Grubb BSc(Hons) MB ChB MRCP MD Lecturer in Cardiology, Cardiovascular Research, University of Edinburgh, Royal Infirmary, Edinburgh, UK David E.Newby BA BSc(Hons) Phd BM DM MRCP Senior Lecturer in Cardiology, Cardio...»

«ЕЖЕКВАРТАЛЬНЫЙ ОТЧЕТ Открытое акционерное общество Торговый дом ЦУМ Код эмитента: 00181-A за 1 квартал 2010 г Место нахождения эмитента: 103779 Россия, г. Москва, Петровка 2 Информация, содержащаяся в настоящем ежеквартальном отчете, подлежит раскрытию в соответствии с законодательством Российской Федерации о ценных бумагах Генеральный дир...»

«Вестник ДВО РАН. 2015. № 3 УДК 535.8 А.В. ДЫШЛЮК, О.Б. ВИТРИК, Ю.Н. КУЛЬЧИН Возбуждение поверхностных плазмон-поляритонных волн в металлизированных одномодовых световодах за счет туннельного эффекта Освещаются результаты исследования новых подходов к возб...»

«ITSM 365 Управление оргструктурой Введение: Пользователями ITSM365 являются сотрудники компании, зарегистрированные в системе. Сотрудники в системе хранятся в карточках отделов. Распределение сотрудников по отделам и иерархическая структура с...»

«ЛЕТО 2015 О ВКУСНОМ И ЗДОРОВОМ ОБЩЕНИИ ОТКРЫТИЕ SEASALT: серенада солнечной веранды АНТОН БЕЛЯЕВ в гостях у Мясо or Fish ЛЕТНЕЕ МЕНЮ: свежее звучание ЛАФФКА: КИНZA-DЗА: пекут, как по нотам Песня о советской Грузии 4 RESTORATOR PRO...»

«політологія УДК 297:32 В. В. Попков, профессор, Раед Дженадия, аспирант Одесский национальный университет имени И. И. Мечникова, кафедра политологии, Французский бульвар, 24/26, Одесса, 65058, Украина СОВРЕМЕННЫЙ МИР И ПРИНЦИПЫ ПОЛИТИЧЕСКОГО ИСЛАМА В предлагаемой статье рассматриваются основные принципы по...»

«3(48)/2013 РАДІОЛОГІЧНИЙ ВІСНИК КОМПЛЕКСНАЯ ДИАГНОСТИКА ПАТОЛОГИИ ОПОРНО-ДВИГАТЕЛЬНОГО АППАРАТА НА ПЕРВИЧНОМ ЭТАПЕ ДИАГНОСТИКИ П роблема своевременной и точной диагноститравматологии, в первую очередь при повреждеки заболеваний и травм опорно-двигательного ни...»

«2001 год От синтетических полиэлектролитов к полимер-субъединичным вакцинам* В. А. Кабанов Введение 30 с небольшим лет назад случай свел меня с Рэмом Петровым, к тому времени уже видным иммунологом. Оба мы были еще молоды и не отягощены традиционным мышлением. А потому решили дерз­ нуть и не поленились проверить воз...»








 
2017 www.lib.knigi-x.ru - «Бесплатная электронная библиотека - электронные материалы»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.