Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Интерпретация данных метода радиомагнитотеллурических зондирований с контролируемым источником

ВАК РФ 25.00.10, Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых

Автореферат диссертации по теме "Интерпретация данных метода радиомагнитотеллурических зондирований с контролируемым источником"

На правах рукописи

Шлыков Арсенин Андреевич

ИНТЕРПРЕТАЦИЯ ДАННЫХ МЕТОДА РАДИОМАГНИТОТЕЛЛУРИЧЕСКИХ ЗОНДИРОВАНИЙ С КОНТРОЛИРУЕМЫМ ИСТОЧНИКОМ

25.00.10 — Геофизика, геофизические методы поиска полезных ископаемых

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

9 ГГН /015

Санкт-Петербург - 2015

005562107

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный университет»

Научный кандидат геолого-минералогических наук, доцент

руководитель: Сараев Александр Карпович

Официальные Петров Александр Аркадьевич

оппоненты: доктор физико-математических наук, старший научный

сотрудник, Общество с ограниченной ответственностью «МЕМ», научный директор

Пушкарев Павел Юрьевич

кандидат физико-математических наук, доцент, МГУ имени М.В. Ломоносова, доцент кафедры геофизических методов исследования земной коры геологического факультета

Ведущая Федеральное государственное бюджетное учреждение

организация: науки Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта

Российской академии наук

Защита состоится 23 сентября 2015 г. в 16 часов на заседании диссертационного совета Д.501.001.64 по защите докторских и кандидатских диссертаций при Московском государственном университете имени М.В. Ломоносова по адресу: 119991, Москва, Ленинские горы, д. 1, ауд. 308.

С диссертацией можно ознакомиться в читальном зале Отдела диссертаций Научной библиотеки МГУ (Ломоносовский проспект, д. 27, Фундаментальная библиотека, сектор «А», 8 этаж, к. 812) и на сайте в системе "Наука-МГУ" (ИСТИНА) по адресу: http://istina.msu.ru/dissertations/9314272/

Автореферат разослан Ш&ЛлА. 2015 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета (-->/ Никулин Борис Александрович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. В настоящее время методы малоглубинной электроразведки широко применяются для решения инженерно-геологических, гидрогеологических и экологических задач. Работы чаще всего проводятся методами постоянного тока: вертикальных электрических зондирований (ВЭЗ), электротомографии (ЭТ) и переменного тока: становления поля в ближней зоне (ЗСБ) и георадиолокации (ГР).

Значительные перспективы при решении задач малоглубинной геофизики имеет быстро развивающийся в последние годы метод радиомагнитотеллурических (РМТ) зондирований, основанный на измерениях полей удаленных радиостанций в диапазоне частот от 10 до 250-1000 кГц. В методе РМТ зондирований по данным измерений горизонтальных и взаимно перпендикулярных компонент электрического и магнитного поля определяются амплитуда поверхностного импеданса (или кажущееся сопротивление) и фаза импеданса. На основании инверсии кривых РМТ зондирований получают геоэлектрический разрез в интервале глубин от 1-2 до 3050 м.

Работы методом РМТ в 10 раз более производительные, чем методами ВЭЗ. При этом имеется возможность работ с бесконтактными электрическими линиями при неблагоприятных для заземлений условиях (сухой песок, каменистая почва) и в зимнее время года по снегу и льду. По сравнению с методами ЗСБ и ГР метод РМТ обеспечивает получение более надежных результатов зондирований в интервале глубин от 5 до 15 м, когда георадиолокационным исследованиям не хватает глубинности, а результаты ЗСБ недостаточно достоверны в связи с трудностями интерпретации данных измерений в интервале ранних времен.

В удаленных районах (Сибирь, Чукотка и др.) имеется возможность измерения сигналов только сверхдлинноволновых (СДВ) радиостанций и выполнять работы но методике профилирования, что существенно снижает информативность метода. Для этих условий разрабатывается метод РМТ зондирований с собственным (контролируемым) источником (РМТ-К), обеспечивающим проведение работ в расширенном диапазоне частот 1-1000 кГц. При этом в качестве источника нами используется горизонтальный электрический диполь - ГЭД (заземленный кабель), а схема измерений аналогична широко известному методу аудиомагнитотеллурических зондирований с контролируемым источником (Controlled Source Audio Magneto Telluric - CSAMT). Для повышения эффективности метода РМТ-К необходимо развитие методики интерпретации данных.

Целью работы является развитие методики измерений и интерпретации данных метода радиомагнитотеллурических зондирований с контролируемым источником в виде горизонтального электрического диполя (заземленного кабеля).

Задачи работы:

• Разработать алгоритм решения прямой задачи для ГЭД (заземленного кабеля) в одномерной горизонтально слоистой среде с учетом токов смещения в земле и воздухе и программные средства для расчетов компонент поля при произвольном удалении точки наблюдения от источника, позволяющие выполнять вычисления с контролируемой точностью за приемлемое время.

• По результатам расчетов с использованием разработанных программных средств определить границы применимости квазистационарного приближения для ГЭД (заземленного кабеля), выполнить анализ особенностей ЭМ поля за пределами действия квазистационарного приближения и усовершенствовать методику зондирований с учетом наблюдаемых волновых эффектов.

• Разработать методику и алгоритм инверсии данных метода РМТ-К в промежуточной зоне заземленного кабеля с использованием результатов измерений компонент импеданса и типпера и эффектов, связанных с гальваническим и индукционным возбуждением горизонтально-слоистой макроанизотропной среды.

Автором защищаются следующие основные положения:

• Разработанные способы и программные средства вычисления преобразования Ханкеля при негладком поведении подынтегральной функции обеспечивают проведение расчетов составляющих электромагнитных полей контролируемых источников в горизонтально-слоистой среде с учетом токов смещения в земле и воздухе применительно к высокочастотным методам электромагнитных зондирований.

• Изученные по результатам вычислений и полевых экспериментальных работ волновые эффекты в электромагнитном поле высокочастотного горизонтального электрического диполя (кабеля конечной длины) позволяют оптимизировать методику наблюдений, обработки и интерпретации данных в методе радиомагнитотеллурических зондирований с контролируемым источником.

• Разработанный подход и программные средства инверсии данных измерений импеданса и типпера в методе радиомагнитотеллурических зондирований с контролируемым источником в промежуточной зоне горизонтального электрического диполя (кабеля конечной длины) позволяют более надежно определять положение границ слоев, сузить область действия принципа эквивалентности и получать дополнительные данные о параметрах макроанизотропии геоэлектрического разреза.

Научная новизна. В ходе выполненных исследований получены следующие новые научные результаты:

• Разработан алгоритм вычисления компонент ЭМ поля высокочастотных источников при негладком поведении подынтегральной функции преобразования Ханкеля в случае ненулевого значения волнового числа в воздухе.

• По результатам расчетов и полевых экспериментальных работ впервые изучены волновые эффекты в ЭМ поле высокочастотного ГЭД применительно к практике ЭМ зондирований. Установлены особенности поля, связанные с влиянием токов смещения в воздухе.

• Разработаны алгоритмы и методики инверсии данных РМТ-К в промежуточной зоне ГЭД (заземленного кабеля) с использованием импеданса (содержит отклик гальванической и индукционной моды) и типпера (зависит от индукционной моды). На синтетических и полевых материалах показана возможность использования измерений импеданса и типпера для оценки коэффициента макроанизотропии пород.

Практическая значимость:

• Разработана программа CS1D для моделирования электромагнитного поля горизонтального электрического диполя и заземленного кабеля в горизонтально-слоистых вертикально-анизотропных средах с учетом токов смещения в земле и воздухе и проведения инверсии по данным измерений импеданса и типпера при произвольном удалении точки наблюдения от источника (свидетельство о гос. регистрации программ для ЭВМ № 2015614567).

• Выявленные особенности поведения составляющих электромагнитного поля горизонтального электрического диполя (заземленного кабеля) в волновой зоне используются при проведении работ и интерпретации данных метода РМТ-К (выбор положения рабочих планшетов для разных частотных диапазонов, использование эллиптически поляризованных электрического и магнитного полей для тензорных измерений от одного источника).

• Разработанная методика инверсии импеданса и типпера, измеренных в промежуточной зоне заземленного кабеля, в рамках одномерной вертикально-анизотропной среды позволяет выполнять надежную интерпретацию данных РМТ-К и получать дополнительную информацию о коэффициенте макроанизотропии пород. Методика может также использоваться при интерпретации данных метода CSAMT.

Материалы и методы. Разработка программного обеспечения велась с использованием среды разработки Microsoft Visual Studio 2010, платформ bi.NET 4.0 и языка программирования С #. Для тестирования алгоритмов использовался программный пакет Matlab. При обработке данных метода РМТ-К использовались программы управления процессом измерений аппаратуры SM25 и обработки данных SM+. При инверсии данных методов ВЭЗ, ЭТ и РМТ-К использовались программы ZondIP, ZondRes2D, ZondMTID, ZondMT2D, a также программа CS1D автора настоящей работы.

Личный вклад автора. Алгоритм вычисления электромагнитного поля горизонтального электрического диполя и кабеля конечной длины в горизонтально слоистой среде с учетом негладкого поведения подынтегральной функции

преобразования Ханкеля (при ненулевом волновом числе в воздухе) разработан автором. Расчеты, послужившие основой для анализа структуры ЭМ поля за пределами зоны квазистационарного приближения, выполнены с использованием программы CS1D автора работы. Алгоритм инверсии данных метода РМТ-К в рамках вертикально анизотропной горизонтально-слоистой среды с учетом токов смещения в земле и в воздухе разработан автором и является частью программы CS1D. Все полевые экспериментальные материалы, используемые в диссертации, получены автором работы.

Апробация работы. Материалы, полученные с участием автора диссертации и использованные в ней, докладывались на различных конференциях: VI научно-практическая конференция молодых специалистов (ПНИИИС, Москва, 2010); VIII общероссийская конференция «Перспективы развития инженерных изысканий в строительстве в Российской Федерации» (ПНИИИС, Москва, 2012); XX, XXI и XXII Международные симпозиумы по ЭМ индукции в Земле (Гиза, Египет, 2010; Дарвин, Австралия, 2012; Веймар, Германия, 2014); 5-ая всероссийская школа-семинар им. М. Н. Бердичевского и Л. Л. Ваньяна «ЭМЗ-2011» (Петергоф, 2011); 6-ая всероссийская школа-семинар им. М.Н. Бердичевского и Л.Л. Ваньяна «ЭМЗ-201Э» (Новосибирск, Академгородок, 2013); 10-й и 11-й международные геофизические научно-практические семинары "Электроразведка в инженерной и поисковой геологии" (Санкт-Петербург, 2012 и 2013); IX международная научно-практическая конкурс-конференция молодых специалистов «Геофизика-2013» (Санкт-Петербург, 2013).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 16 работ, в т.ч. 3 статьи в изданиях из перечня ВАК и одно свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ.

Объем и структура работы. Работа изложена на 106 страницах машинописного текста, состоит из введения, трех глав и заключения, содержит 5 таблиц, 44 рисунка, а также список литературы из 100 наименований.

Благодарности. Автор выражает искреннюю благодарность своему научному руководителю А.К. Сараеву за поддержку и значительный вклад в профессиональное развитие. Автор благодарит А.Е. Каминского за ценные советы по решению обратных задач, А.Е. Симакова за помощь в освоении аппаратуры и методики РМТ зондирований и сотрудников кафедр геофизики СПбГУ и МГУ за помощь в постановке полевых экспериментов.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

ГЛАВА 1. Метод радиомагпитотеллурических зондирований с контролируемым источником

Методы электроразведки, использующие ЭМ поля радиостанций, начали активно развиваться с 60-х годов прошлого века как у нас в стране, так и за рубежом. При этом использовались их различные названия — метод радиокомпарирования и пеленгации (радиокип) [Тархов А.Г., 1961: Гордеев С.Г. и др., 1981], методы радиоэлектромагнитного профилирования и зондирования (РЭМП, РЭМЗ) [Вешев A.B., 1980], метод Very Low Frequency (VLF) [McNeil №.. Labson V.F.. 1991], метод радиоимпедансных зондирований [Ефремов В.Н., 1990; Башкуев Ю.Б.. 1996].

Первоначально применявшаяся аппаратура позволяла регистрировать сигналы СДВ радиостанций, что ограничивало информативность метода. Со временем аппаратура совершенствовалась, и ее частотный диапазон расширялся в область более высоких частот (до 250-1000 кГц) [Парфентьев H.A.. Пертель М.И., 1991; Turberg Р. et al.. 1994; Bastani М.. 2001; Tezkan В., Saraev А„ 2008]. Дня метода, работающего в частотном диапазоне от 10 до 250-1000 кГц по методике зондирований, в настоящее время наиболее часто употребляемым является термин «метод радиомагпитотеллурических (РМТ) зондирований» [Tezkan В.. 2008].

На расстоянии несколько километров от радиостанции измеряемый поверхностный импеданс (Z) совпадает с импедансом плоской вертикально падающей волны, который зависит только от строения и свойств нижележащего полупространства. Для данной модели поля, используемой в методах магпитотеллурических (МТ) зондирований, детально разработаны методики интерпретации, обеспечивающие получение надежных результатов. Комплексный поверхностный импеданс пересчитывается в значения кажущегося сопротивления /)к и фазы импеданса <р2. Инверсия частотных зависимостей рк и <p¿ позволяет восстановить геоэлектрический разрез.

В настоящее время применение метода РМТ зондирований наиболее эффективно в населенных регионах, где есть возможность измерять сигналы радиостанций в СДВ. ДВ и СВ диапазонов частот. Обычно в диапазоне частот от 10 до 1000 кГц уверенно измеряются сигналы 20-30 радиостанций, что позволяет получать кривые зондирований, пригодные для инверсии и построения геоэлектрических разрезов.

В удаленных регионах имеется возможность измерять сигналы только обладающих значительным дальнодействием радиостанций СДВ и иногда - ДВ диапазона. Это позволяет проводить работы только по методике профилирования, что резко снижает информативность метода. Дзя таких условий разрабатывается метод рхтиомагнитотеллурических зондирований с контролируемым источником (РМТ-К),

7

позволяющий проводить работы в диапазоне частот 1-1000 кГц и изучать за счет расширения частотного диапазона в сторону низких частот интервал глубин от 1-2 до 100-150 м.

Первые работы по разработке аппаратуры метода РМТ-К Еп\чго-МТ были выполнены в университете г. Упсала (Швеция) [Ва51агн М„ 2001]. При этом основной целью было увеличение глубины исследования разреза за счет расширения частотного диапазона в сторону низких частот от 10 до 1 кГц, где отсутствует возможность рег истрации сигналов радиостанций. В качестве источника ЭМ поля в аппаратуре Епу'|го-МТ используются две взаимно ортогональные вертикальные рамочные антенны (горизонтальные магнитные диполи). Использование источника такого типа имеет ряд преимуществ — компактность установки, возможность реализации тензорных измерений и мощность сигнала (ток в нагрузке) не зависят от свойств подстилающего разреза. Однако, недостатки данного источника (ограниченный частотный диапазон 1—12 кГц, дальнодействие не более 600-800 м) ограничивают его применение в методе РМТ-К.

Более перспективным является использование в качестве источника в методе РМТ-К горизонтального электрического диполя. Первые работы по опробованию данного варианта показали возможность проведения измерений на значительном расстоянии от источника [Ятакоу Л. с! а!., 2010]. При этом рабочий планшет начинается на удалении около 200-500 м от источника (начало дальней зоны) и заканчивается на расстоянии, где возможны уверенные измерения сигналов источника (2—4 км).

Ввиду значительного дальнодействия ГЭД и высоких частот, используемых в методе РМТ-К, необходимо определить границы квазистационарного приближения и выполнить анализ особенностей поля ГЭД за пределами этих границ. Для этого требуется модифицировать существующие методы вычисления ЭМ полей, разработанные для квазистационарного приближения. Решению этих задач посвящены вторая и третья главы диссертации.

Современная аппаратура метода РМТ-К позволяет измерять две компоненты электрического поля и три компоненты магнитного поля. Наряду с определением поверхностного импеданса имеется возможность получения данных о векторе Визе-Паркинсона (типпере), что расширят возможности метода. При проведении работ в промежуточной зоне ГЭД имеется возможность использования эффектов, связанных с гальваническим и индукционным возбуждением, при оценке макроанизотропии разреза. Решению этой задачи применительно к методу РМТ-К посвящена четвертая глава диссертации.

ГЛАВА 2. Вычисление электромагнитного поля высокочастотного горизонтального электрического диполя

Расчетам и анализу ЭМ поля ГЭД посвящено значительное число работ отечественных [Заборовский А.И., 1960; Вешев A.B., 1980; Ваньян Л.Л., 1997 и др.] и зарубежных [Stefanescu S.S., 1950; Ward S.H., Hohmann G.W., 1991 и др.] авторов. В этих работах обычно рассматривалось квазистационарное поле ГЭД применительно к низкочастотным методам электроразведки. На практике квазистационарная модель применима, если частоты низкие и расстояние источник-приемник много меньше длины ЭМ волны в воздухе. Для метода РМТ-К, в котором используются достаточно высокие частоты, необходимо рассмотрение общего случая с учетом токов смещения в земле и воздухе.

При вычислении компонент ЭМ поля контролируемых источников необходимо вычисление преобразования Ханкеля:

СО

¡f(k0,k{,m)J„(mr)dm, (1)

о

где /(к0,к\,т) - функция, зависящая от Ханкеля), У„(тг) - функция Бесселя

Г~2 2

первого рода порядка п, г = ^х +у ,

к0 = фсор0сг0 -со2/л^0 ,

к\ = фси^дсг^ - ар'¡л§£ 1 — волновые числа в воздухе и в земле, си=2п/ — круговая частота, / — частота, е0 — магнитная и электрическая постоянные, сг0, сг, — удельные электропроводности воздуха и земли (сг= 1/р, р — удельное электрическое сопротивление); с, =£]отн с0 — абсолютная диэлектрическая проницаемость, е,0™ — относительная диэлектрическая

проницаемость земли. Рассматриваются слабомагнитные среды и магнитная проницаемость земли =//0.

Стандартные методы вычисления компонент ЭМ поля основаны на

параметров среды (ядро преобразования

/Гц

Рис. 1. График |£д| ГЭД при к„ Ф 0. р, = 1000 Ом м, £1°™ = 1,х = 0,у= 1000 м. 1 -результат использования метода БПХ, 2 -результат частичного интегрирования с е-экстраполяцией Виппа.

представлении (1) в виде интеграла свертки или аппроксимации ядра преобразования Ханкеля суперпозицией экспонент (линейная фильтрация или быстрое преобразование Ханкеля). Такие подходы позволяют использовать единый заранее вычисленный вектор весов функции f(k0,k\,m) для быстрого и точного вычисления компонент ЭМ поля в широком диапазоне разносов. Развитию подходов с использованием быстрого преобразования Ханкеля (БПХ) посвящено большое количество работ [Anderson W.L., 1979, Рыжов A.A., 1983; Guptasarma D., Singh В., 1997 и др.]. Указанные методы применимы только в том случае, если на рассматриваемом промежутке переменных интегрирования т функция f(k(),k\jn) изменяется медленнее, чем функция Бесселя, и является гладкой функцией т. Эти условия не выполняются на малых разносах и существенном влиянии токов смещения в проводящей земле [Петрухин Б.П., 2001] или при существенном влиянии токов смещения в воздухе [Siemon В., 2012].

В последнем случае функция/имеет особенность в точке тс = eo^J/J0s0 .

На рис. 1 приведен результат применения БПХ при вычислении компоненты \ЕХ\, при ка Ф 0. На графике |A'V| появляются ложные экстремумы, обусловленные неадекватной дискретизацией т. Задача повышения точности вычислений может быть решена различными способами. Один из них заключается в особом выборе сетки т, как, например, предложено в работе [Siemon В., 2012]. В этом случае адаптацию сетки т необходимо проводить для каждой частоты f. Точность вычислений при таком подходе неконтролируема.

Другой способ точного вычисления интеграла (1) - последовательное интегрирование на промежутках между нулями (или экстремумами) J„(mr):

00 со Л/+1

где pj - значение т, соответствующее j-му нулю (или экстремуму) J„(mr). При этом сходимость ряда (2) может быть очень медленной. Для решения этой проблемы используют различного рода экстраполяции и трансформации. Как наиболее простой и быстрый способ нами выбрана трансформация Шанкса в виде алгоритма е-экстраполяции Винна [Shanks D., 1955; Wynn P., 1956].

Интегрирование производится между нулями функции Бесселя адаптивным методом Гаусса-Кронрода с исключением точки тс. Как видно из рис. 1, использование такого алгоритма позволяет получить гладкую кривую без ложных экстремумов. Точность вычислений при этом контролируема.

(2)

ГЛАВА 3. Волновые эффекты в поле высокочастотного горизонтального электрического диполя

Необходимость учета влияния токов смещения в воздухе для источников ЭМ поля различных типов отмечалась в ряде предшествующих работ. В работе [Вешев A.B. и др., 1983] проанализированы особенности влияния токов смещения в воздухе и земле для вертикального магнитного диполя. В работе [Егорова Л.В., Сапожников Б.Г., 1983] приводятся оценки границ квазистационарного приближения электрического поля для ГЭД. В работе [Петрухин Б.П., 2001] отмечается необходимость учета токов смещения в земле и воздухе при ЭМ зондированиях в мегагерцовом диапазоне частот. Анализ особенностей влияния токов смещения в земле и воздухе для вертикального магнитного диполя применительно к методу переходных процессов приведен в работе [Spies B.R., Frischknecht F.С, 1991]. При этом влияние токов смещения в воздухе на структуру ЭМ поля названо «эффектом распространения» («propagation effect»).

Токи смещения в воздухе оказывают влияние на поведение составляющих ЭМ поля даже в случае использования относительно низких частот (единицы-десятки герц) при значительных расстояниях между источником и точкой наблюдения. Как показано ранее по результатам расчетов и полевых экспериментальных работ [Saraev A., Kostkin Р., 1997; Сараев А.К., Косткин П.М., 1998], токи смещения в воздухе оказывают существенное влияние на ЭМ поле российской мощной СНЧ-радиоустановки, работающей на частоте 80 Гц, при расстояниях от источника сотни -тысячи километров. Кроме того, при больших удалениях от источника (сотни километров) проявляется заметное влияние ионосферы. Для источников с большим дальнодействием, сотни — тысячи километров, в работах [Saraev А., Kostkin Р., 1999; Saraev A., Shlykov А., 2012] рассмотрены основные особенности волноводных эффектов, возникающих из-за влияния ионосферы и токов смещения в воздухе.

В методах высокочастотной электроразведки измерения проводятся на разносах до первых километров, и нет необходимости учитывать влияние ионосферы. Вместе с тем, влияние токов смещения в воздухе проявляется в полной мере, начиная с разносов в несколько сотен метров.

При использовании квазистационарного приближения и рассмотрении особенностей ЭМ поля контролируемых источников, в том числе ГЭД, обычно выделяют ближнюю, промежуточную и дальнюю зоны [Zonge К., Hughes L., 1991]. При рассмотрении полей высокочастотных источников целесообразно так же выделять квазистационарную и волновую зоны источника.

Волновая зона источников различного типа обычно выделяется при рассмотрении задач распространения радиоволн по условию /•»Я0, где А0 — длина

11

ЭМ волны в воздухе [Фейнберг ЕЛ., 1999]. Ранее при проведении электроразведочных работ волновая зона в радиофизическом понимании обычно не рассматривалась и структура ЭМ поля в ней детально не анализировались.

По результатам математического моделирования нами изучены особенности поведения компонент ЭМ поля ГЭД в волновой зоне, где наблюдаются следующие эффекты:

• более медленное убывание амплитуд составляющих электрического и магнитного поля относительно случая квазистационарного приближения (рис.2),

• изменение диаграммы направленности источника со смещением максимума излучения в осевую зону диполя (рис. 3),

• изменение конфигурации рабочих планшетов со смещением более благоприятной области в осевую зону источника (рис. 4а),

• появление эллиптической поляризации электрического и магнитного поля в горизонтальной плоскости (рис. 4а),

• разворот больших осей эллипсов поляризации по отношению к направлению линейной поляризации квазистационарного поля (рис. 46).

Положение границы между квазистационарной и волновой зонами не зависит от электрических свойств проводящего полупространства и не коррелирует с положением границы промежуточной и дальней зон, обычно выделяемых в привязке к толщине скин-слоя в проводящей земле. Для компонент Ех и Ну граница между квазистационарной и волновой зонами на оси диполя соответствует значению численного расстояния |£0|г=1.0, а в экваториальной области - \к0\г = ОЗЪ. Для частоты 100 кГц указанные граничные значения соответствуют расстояниям 480 и 160 м.

Выявленные особенности волновой зоны имеют большое значение для постановки и проведения работ методом РМТ-К. Изменение диаграммы направленности ГЭД должно быть принято во внимание при проектировании работ с учетом целевой глубины исследования (используемого диапазона частот). Для малоглубинных исследований (до 20 м) измерения следует проводить на оси ГЭД, так как в волновой зоне компоненты ЭМ поля в экваториальной области убывают с расстоянием значительно быстрее, чем в осевой области.

Наличие эллиптической поляризации горизонтальных компонент ЭМ поля в волновой зоне необходимо учитывать при вычислении азимута на источник и при анализе степени неоднородности геоэлектрического разреза. Кроме того, эллиптическая поляризация открывает возможность выполнения тензорных измерений с использованием одного источника ЭМ поля. Теоретическое пространственно-частотное положение области эллиптической поляризации хорошо согласуется с полевыми экспериментальными данными.

г, м г, м

Рис. 2. Зависимости компонент |£*| и \Щ ГЭД от расстояния на оси диполя (у = 0) и в его экваториальной области (х = 0). Сплошные линии - ка Ф 0, пунктир - к» = 0.

а б в

90 90 90

0 0 0

270 270 270

Рис. 3. Диаграммы направленности ГЭД для компоненты ¡¿У на расстояниях 100 м (я), 1100 м (б) и 2000 м (в) от источника при /= 100 кГц. Значения \ЕХ\ нормированы по максимальным значениям для каждого случая. Положение диполя показано стрелкой.

а / |*d = o «s? \цфъ

з

2.5

_ 2-

-s?

10.504

- «э Sj (S ® ® Ф Ф Ф

® Ф Ф C|> Cp

- ^ <S ® ф Ф Ф Ф Ji>

Ф Ф Ф Ф <P

- 4 % ф ф ф ф </> ф -"vS'-ЪФФ ФФФФ<*> -x \ фФФФФФ&*-■ \ <0&-&<я><31><ж>**>

0

О 0.5

"i-г"

1 1.5

100 _I_

200 _|_

300 _]_

400

I

500

10-

6-

~<з©©©00 0 0 0/ —е>©©©<2<? 0 0// —е>©0©0 0

S / / <£>' / /// ©СХ-Уб? & ¿> s s s s QO0 S s s s ^ ^

2 2.5 3

0

-1— 10

■500 ■400 -300 •200 ■100 L0

4 6 *|*<|

Рис. 4. Эллипсы поляризации электрического поля ГЭД. а - сравнение эллипсов поляризации электрического поля с учетом токов смещения в воздухе относительно квазистационарного случая; б — эллипсы поляризации электрического поля ГЭД с частотой тока/= 1 МГц, совмещенные с изолиниями \ЕХ\- Положение диполя показано стрелкой.

ГЛАВА 4. Инверсия данных радиомагнитотеллурических зондирований с контролируемым источником

При проведении работ методом РМТ-К с использованием в качестве источника ГЭД (заземленного кабеля) схема измерений аналогична методу CSAMT [Zonge К., Hughes L., 1991] и работы обычно проводятся в дальней зоне источника. При зондировании в промежуточной зоне ГЭД появляются возможности регистрации откликов как гальванической, так и индукционной моды ЭМ поля и оценки макроанизотропии разреза.

Исследованию микроанизотропных сред, сложенных тонкослоистыми породами, посвящен ряд работ отечественных специалистов [Шейнманн С.М., 1932; Семенов A.C. и др., 1958, Бурсиан В.Р., 1972; Шевнин В.А. и др., 1994; Бобачев A.A. и др., 2012]. Наряду с микроанизотропными средами при анализе данных электроразведки также рассматриваются макроанизотропные среды.

В горизонтально-слоистом разрезе часто присутствуют пачки пластов малой мощности, контрастных по удельному сопротивлению. В данных наземных электрических или ЭМ зондирований тонкие пласты могут отдельно не проявляться. В этом случае пачку пластов с удельными сопротивлениями р, и мощностями /г,, целесообразно аппроксимировать эквивалентным анизотропным слоем с удельными сопротивлениями вкрест и вдоль слоя рп и р,. Этот вид анизотропии носит название

«макроанизотропия» [Schlumberger С. et al., 1933; Maillet R., 1947; Краев А.П., 1951;

14

Ваньян Л.Л., 1965]. Коэффициент макроанизотропии при этом равен Я = д/р„/р, . Эквивалентность пачки пластов и макроанизотропного слоя выражается в равенстве

суммарной продольной проводимости S = суммарного поперечного

i

сопротивления Г = и суммарной мощности h = ^h, эквивалентного слоя

/ '

[Краев А.П., 1951; Keller G.V., Frischknecht F.C., 1966]. Связь параметров р, и р„ эквивалентного слоя с его суммарной мощностью Ii определяется выражениями:

Результаты гальванических методов, таких, как ВЭЗ, зависят от продольной проводимости и поперечного сопротивления слоев. По результатам инверсии данных гальванических методов мощность макроанизотропного слоя завышается в Л раз, а определяемое удельное сопротивление эквивалентного изотропного слоя равно среднему геометрическому р, и рп [Maillet R., 1947; Краев А.П., 1951]. Результаты чисто индукционных методов, (ЗСБ, CSAMT в дальней зоне, МТ), зависят от продольной проводимости и мощности слоев. В этом случае мощность макроанизотропного слоя определяется без ошибки, а удельное сопротивление эквивалентного изотропного слоя равно удельному сопротивлению р,.

Методы, использующие чисто гальваническое или чисто индукционное поле не позволяют определить наличие и оценить параметры макроанизотропии без привлечения дополнительной информации. Подход к оценке коэффициента макроанизотропии, основанный на комплексировании данных ВЭЗ и МТ или ЗСБ рассмотрен в работах [Jupp D.L.B., Vozoff К., 1977; Christensen N.B., 2000; Иванов П.В. и др., 2011]. Метод РМТ-К позволяет получить аналогичную информацию без проведения дополнительных измерений несколькими электроразведочными методами.

Горизонтальный электрический диполь создает ЭМ поле смешанной структуры. В промежуточной зоне ГЭД вклады гальванической и индукционной моды сопоставимы. При этом гальваническая мода преимущественно проявляется в электрических компонентах ЭМ поля, а вертикальная компонента магнитного поля имеет чисто индукционную природу. Таким образом, в промежуточной зоне ГЭД поверхностный импеданс Zty = EJHV содержит отклик как гальванической, так и индукционной моды, и зависит от р, и рп. Типпер Wv = HJHV или импеданс в дальней зоне содержат отклики только индукционной моды и не зависят от рп.

( 5. = h IS

(3)

Совместная инверсия импеданса и типпера в промежуточной зоне позволяет определить коэффициент макроанизотропии и избежать ошибок в определении мощностей слоев макроанизотропного геоэлектрического разреза.

Обратная задача решается минимизацией функционала Тихонова [Тихонов А.Н.. Арсенин В.Я., 1979] методом Марквардта [Marquardt, 1963] с итеративной оптимизацией параметра регуляризации. Вектор полевых данных содержит взвешенные логарифмы кажущихся сопротивлений и модулей типпера, а так же их фазы. Вектор параметров модели содержит логарифмы мощностей, горизонтальных и вертикальных удельных сопротивлений слоев. Матрица чувствительности J = \ddj/duij], вычисляется по аналитическим выражениям производных каждой компоненты ЭМ поля по параметрам среды. Особенностью алгоритма является итеративная оценка разрешения р„ каждого слоя, что позволяет минимизировать зависимость результата от стартовой модели и избежать нереалистичных значений Рп-

Анализ синтетических данных. Рассмотрим геоэлектрическую модель, характерную для западной части Ленинградской области (рис. 5а). Верхний слой с Pi=40 0m m, ff™ = 10 и = 10 м соответствует четвертичным глинистым ледниковым отложениям. Второй слой представлен пачкой переслаивающихся изотропных высокоомных прослоев с р = 400 Омм, г0™ = 6и/г = 2ми проводящих

прослоев с р = 40 Ом м, готн = 10 и h = 1 м и соответствует толще ордовикских известняков с прослоями глин и ордовикско-кембрийских песчаников. Такая пачка эквивалентна макроанизотропному слою с р,2 = 108 Ом м, рп2 = 292 Ом м, sj™ = 8 и h2 = 20 м (рис. 56). Третий слой (основание) с р3=ЗООм м и г^™ = 30 соответствует кембрийским глинам.

Синтетические кривые зондирования в диапазоне частот 1-1000 кГц вычислены для точки наблюдения с координатами х = 0 м, у = 200 м (ГЭД направлен вдоль оси х). В данном случае условие дальней зоны выполняется, начиная с частоты 8 кГц для рк и с частоты 25 кГц для <pz. В указанных условиях относительная разность рк и абсолютная разность <pz, вычисленных для с учетом и без учета токов смещения в земле, не превышает 0.2% для рк и 0.8 градуса для ipz, что позволяет использовать при инверсии одно значение^0™ = 8 для всех слоев.

Выполнен анализ результатов трех вариантов инверсии: 1) стандартная инверсия кривых рк и (pz в рамках изотропной среды; 2) инверсия кривых | (Г;>.| и <pw в рамках изотропной среды и последующая инверсия рк и <pz в рамках вертикально анизотропной среды с уточнением параметров разреза; 3) совместная инверсия в рамках вертикально анизотропной среды кривых рк, <р2, \ и <pw.

16

р, Ом • м

а 1 10 100 1000 .......I_I I .....I I I ПП1||

10 ' _

30 . 40 . 50 —

— р

№ Р И

1 40 10

2 400 2

3 40 1

-

13 40 1

14 400 2

15 30

б 1

о

10 20 _ 30 — 40 _ 50 _

р, Ом • м

ю юо

1000 I I ИП1|1

р. р„

р, Рл а

1 40 40 10

2 108 292 20

3 30 30

Рис. 5. Модели с пачкой переслаивания контрастных по удельному сопротивлению слоев (а), и с эквивалентным макроанизотропным слоем (о). В таблице (а) приведены удельные сопротивления и мощности изотропных слоев, в таблице (б) - горизонтальные и вертикальные удельные сопротивления и мощности эквивалентных слоев.

На основании анализа семейств эквивалентных моделей для каждого из вариантов инверсии сделан вывод о преимуществе последнего. Результат изотропной инверсии рк и (рг далек от исходной модели. Несмотря на то, что типпер не зависит от вертикального удельного сопротивления и наличие макроанизотропии не влияет на определение мощности макроанизотропных слоев, для него характерна наиболее широкая эквивалентность. Поэтому, в реальных условиях получение достоверных результатов по индивидуальной инверсии кривых |Иу и <р№ затруднительно. Совместная анизотропная инверсия кривых рк, <рг, \ Ч':)\ и (р№ позволяет сузить пространство эквивалентных моделей и точно определить коэффициент макроанизотропии. Так как на высоких частотах данные РМТ-К практически всегда удовлетворяют условию дальней зоны, определение р„ самых верхних слоев не представляется возможным.

I— 180

I lllllll| llllll!l| 111ШИ| Il III

10° 10' 103 10' ю4 р„ Ом м

I I I МИ-1—I II I III"

102 10'

10" 10'

/кГц

Рис. 6. Синтетические данные РМТ-К для реального геоэлектрического разреза, а — модель, построенная по данным электрического каротажа с номерами обобщенных слоев, б — соответствующие синтетические кривые РМТ-К для точки зондирования с координатами дг = 0м,у = 100 м.

Рассмотрим более сложную модель, основанную на реальной диаграмме электрического каротажа (рис. 6а) [Christensen N.B., 2000]. Измерения

выполнялись в процессе бурения зондом, вмонтированном в шнек. Приемные и питающие электроды располагались на расстоянии 20 см друг от друга (установка Венера). При такой длине зонда измеренные в процессе каротажа значения рк можно в первом приближении отождествить с истинными значениями р пропластков, слагающих разрез.

В целом по скважине можно выделить семь слоев (на рис. 6а они обозначены номерами и их границы показаны пунктиром). При этом отчетливо

10° 101 I I lllllll I I II

р, Ом-м

ю2

10

20

30 —

40 ■

50 • Рис. 7.

1

10'

I I lllllll I 11

10ч

|>"—

с

" Х3 = 1.67 Las • 1 85

— Pi

...... Р»

Результат совместной анизотропной инверсии синтетических данных РМТ-К, вычисленных для реального геоэлектрического разреза, совмещенный с диаграммой электрического каротажа.

макроанизотропными являются второй, третий и пятый слои (по данным каротажа

Я2 = 1.74, Я3 = 1.57 иЛ5 = 1.76). На рис. 66 представлены соответствующие

синтетические кривые зондирования для точки наблюдения с координатами х = 0 м,

у = 100 м. В данном случае условие дальней зоны выполняется, начиная с частоты

43 кГц для рк и с частоты 67 кГц для <рг. При инверсии в качестве стартовой модели

использовано однородное изотропное полупространство с удельным сопротивлением 63 Омм. На рис. 7 показан результат инверсии, совмещенный с исходной моделью.

Результат инверсии адекватно описывает исходную модель. Итеративный анализ разрешения рп позволил достоверно выделить реально макроанизотропные слои (третий и пятый) в сложной модели. При этом полученные значения коэффициентов макроанизотропии Я3 = 1.67 и Д5=1.85 достаточно близки к приведенным выше исходным коэффициентам по данным каротажа. Самый верхний макроанизотропный слой (второй на рис. 6а) по результатам инверсии данных РМТ-К отображается как изотропный, что связано с отсутствием вклада гальванической моды на высоких частотах (в дальней зоне).

Результаты полевого эксперимента. Полевой эксперимент по оценке

макроанизотропии был выполнен вблизи пос. Ульяновка Ленинградской области. На рис. 8 представлена геологическая колонка и каротажные диаграммы, характерные для этого участка. Геологических разрез в исследуемом регионе априори горизонтально слоистый. На диаграммах электрического каротажа видно, что слой глинистых известняков содержит высокоомные и низкоомные прослои небольшой мощности и является

макроанизотропным. Ниже слоя песчаников по априорным данным на глубине 35-40 м залегает слой кембрийских синих глин (не показан на рис. 8) мощностью более 100 м.

Зондирования методом РМТ-К выполнены в поле двух взаимно ортогональных заземленных линий А1В1 и А2В2 по профилю, ориентированному в экваториальной области первой и осевой области второй линии (рис. 9а). Так как на оси заземленного кабеля граница дальней зоны расположена дальше, чем в экваториальной области, кривые зондирования, соответствующие измерениям в осевой области источника А2В2, содержат больший вклад гальванической моды.

0.0

6.9

18.5 19.7

23.3

32.0

потенциал-зонд градиент-зонд

рк, Омм

Рис. 8. Геологическая колонка и диаграммы электрического каротажа по скважине на профиле измерений. 1 - суглинок с галькой; 2 - известняк глинистый; 3 - сланец диктионемовый; 4 - песчаник оболовый; 5 — песчаник кварцевый.

Примеры кривых зондирования методом РМТ-К приведены на рис. 96. Кривые ВЭЗ приведены на рис. 10.

а б

400 -

300 -

200

У, м ЮО -

0-

-100 -

-200 -

B31-I РМТ-К (ПК 0)

Скважина

ВЭЗ-2 ВЭЗ-З РМТ-К (пк 20)

А2

Al Bi В2

О

х, м

100

10' -э

о 10' —

X = о, у = 400 м

10'

10' -э

I I I lllllj—I 111lili.

101 10! /кГц

х = 0, у = 200 м

I I I 1111

оо

45 О

- -45

-90

О 102 -=

10'

I I III

I I lllllj

10' 10! /кГц

— о е-

10'

Рис. 9. Схема измерений и примеры кривых зондирования, а — схема измерений с расположением источников, точек измерения методами РМТ-К, ВЭЗ и скважины, б -примеры кривых зондирования для источников А1В1 (индекс 1) и А2В2 (индекс 2) в ближайшей (ПК 20) и самой дальней (ПК 0) точках, совмещенные с синтетическими кривыми зондирования для плоской волны (индекс РМТ).

Мощность слоя известняков и песчаников, определенная по данным ВЭЗ на трех точках зондирования (рис. 11), близка к мощности, полученной в результате анизотропной инверсии данных РМТ-К, умноженной на соответствующий коэффициент макроанизотропии (Л вэз « /7ГМТ"К • дрмт"к ). Удельные сопротивления слоя известняков и нижнего слоя глин, полученные по данным ВЭЗ, соответствуют

20

среднему геометрическому сопротивлений, полученных

горизонтального и по данным РМТ-К

вертикального удельных

(РЮЗ

. /—РМТ-К ^РМТ-К Ч ■\РI ' Рп )■

Приведенные материалы подтверждают рассмотренные выше представления об ошибках в определении мощности макроанизотропных слоев при использовании данных гальванических методов.

1<Г -=\

2

О 10*

10'

- ВЭЗ 1

— - ВЭЗ2

....... вэзз

I I I 1111|| I I I 111|||

10° 101 102

АВ/2, м Рис. 10. Полевые кривые ВЭЗ.

0 20

2

N"40—1 60-

РМТ-К (ПК 20) р,Омм 1 10 100 1000 ' ' """I_I ' "|||||_I I 1ИИ|1

РМТ-К (ПК 15) р,Омм

1 10 100 1000 1

I I 111И||_Ш1Ш|]_' '"Щ|1

I I

-I

I

20 —

5

м 40 60 —I

!ДШ1_и.

020-м40-

60-

РМТ-К (ПК 1) р,Омм 10 100 1000 I I 11М1||_I 1_ЦШ||_I I И|||||

т

"Р1 РМТ-К Рп РМТ-К

Рвэз

Рис. 11. Сравнение результатов инверсии данных РМТ-К и ВЭЗ.

выводы

По результатам выполненных исследований можно сделать следующие выводы:

1. Влияние токов смещения в воздухе приводит к негладкому поведению подынтегральной функции преобразования Ханкеля в выражениях компонент ЭМ поля высокочастотных источников и требует разработки новых подходов к вычислению этих компонент. Предложенные алгоритм обеспечивает быстрое и точное вычисление компонент поля высокочастотного ГЭД (кабеля конечной длины), используемого в качестве источника в методе РМТ-К. Разработанная программа решения прямой задачи позволяет вычислять компоненты ЭМ поля при произвольном расположении точек наблюдения относительно источника для горизонтально-слоистых вертикально-анизотропных сред с учетом токов смещения в земле и воздухе.

2. Структура ЭМ поля ГЭД (кабеля конечной длины) в волновой зоне существенно отличается от квазистационарного случая. При работах методом РМТ-К необходимо учитывать возникающие волновые эффекты: более медленное по сравнению со случаем квазистационарного приближения убывание амплитуд компонент ЭМ поля с расстоянием, изменение диаграммы направленности источника, появление эллиптической поляризации электрического и магнитного поля и разворот больших осей эллипсов поляризации по отношению к линейной поляризации для квазистационарного поля. Выявленные особенности поведения составляющих ЭМ поля в волновой зоне необходимо использовать при проведении работ и интерпретации данных метода РМТ-К (выбор положения рабочих планшетов для разных частотных диапазонов, использование эллиптически поляризованных электрического и магнитного полей для тензорных измерений от одного источника).

3. Разработанные алгоритм, методика и программные средства инверсии данных измерений импеданса и типпера в промежуточной зоне ГЭД (кабеля конечной длины) позволяют надежно определять положение границ горизонтально-слоистого разреза и сузить пространство эквивалентных моделей. По результатам инверсии данных РМТ-К с использованием индукционного (типпер или импеданс в дальней зоне) и смешанного (импеданс в промежуточной зоне ГЭД) отклика ЭМ поля можно получить информацию о коэффициенте макроанизотропии слоев без привлечения данных других методов электроразведки.

Публикации по теме диссертации

Статьи в журналах из списка ВАК

1. Шлыков А.А. Сараев А.К. Особенности электромагнитного поля горизонтального электрического диполя в методе радиомагнитотеллурических зондирований с контролируемым источником // Вестник СПбГУ, 2013, Сер. 7, Вып. 4. С. 3-23.

2. Шлыков А.А. Сараев А.К. Волновые эффекты в поле высокочастотного горизонтального электрического диполя // Физика Земли, 2014, № 2. С. 100-113.

3. Сараев А.К. Симаков А.Е., Шлыков А.А. Метод радиомагнитотеллурических зондирований с контролируемым источником // Геофизика, 2014, № 1. С. 18-25.

Свидетельства о регистрации программ для ЭВМ

1. Свидетельство № 2015614567 Российская Федерация. Программа для моделирования электромагнитного поля кабеля конечной длины (CS1D): Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ / А.А. Шлыков; заявитель и правообладатель Фед. гос. бюдж. образоват. учреждение высшего проф. образования "Санкт-Петербургский гос. ун-т" - № 2014664164; заявл. 30.12.2014; зарегистр. 21.04.2015. - 1 с.

Статьи в сборниках и расширенные тезисы докладов

1. Шлыков А.А., Сараев А.К. Аудиомагнитотеллурические зондирования с контролируемым источником в районах с промежуточными слоями высокого удельного сопротивления // 15я региональная конференция по распространению радиоволн, СПб, СПбГУ, 2009.

2. Simakov A., Saraev A., AntonovN., Shlykov A., Tezkan В. Mobile and controlled source modifications of the radiomagnetotelluric method and prospects of their applications in the near-surface geophysics // 20th EM Induction Workshop, Giza, Egypt, 2010

3. Сараев A.K., Шлыков A.A., Прокофьев O.M. Особенности работ методом CSAMT в районах с промежуточными слоями высокого удельного сопротивления // Вопросы геофизики. Вып. 43. СПб.: Изд-во С.-Петерб. ун-та, 2011, (Ученые записки СПбГУ; №443). С. 159-177.

4. Saraev A., Simakov A., Shlykov A.. Tezkan В. Experience of application of the radiomagnetotelluric sounding method for the solution of environmental tasks // Near Surface Geoscience, Paris, France, 2012

5. Saraev A., Shlykov A. Electromagnetic field features of the CSAMT with the long-range action of thousands kilometers // 21st EM Induction Workshop, Darwin, Australia, 2012

6. SaraevA., ShlykovA. CSAMT with the Long-range Action of Thousands Kilometers // 74th EAGE Conference & Exhibition, Copenhagen, Denmark, 2012

7. Shlykov A., Saraev A. Features of electromagnetic field of a horizontal electric dipole used in the controlled source RMT method // 75th EAGE Conference & Exhibition, London, UK, 2013

8. Шлыков A.A., Сараев A.K. Волновые эффекты в поле высокочастотного горизонтального электрического диполя // Всероссийской школы-семинара имени М.Н. Бердичевского и Л.Л. Ваньяна по ЭМ зондированиям Земли - ЭМЗ-2013, Новосибирск, Россия, 2013.

9. Сараев А.К. Симаков А.Е., Шлыков А.А. Особенности метода радиомагнитотеллурических зондирований с контролируемым источником // Вопросы геофизики. Вып. 46. СПб.: Изд-во С.-Петерб. ун-та, 2013, (Ученые записки СПбГУ; № 446). С. 97-112.

10. Shlykov A. Saraev A. Estimations of the macroanisotropy of geological sections using data of the controlled source radiomagnetotellurics // 22nd EM Induction Workshop, Weimar, Germany, 2014

11. SaraevA., SimakovA.. ShlykovA., and Tezkan B. Controlled source radiomagnetotellurics: a tool for near surface investigations in remote regions // 22nd EM Induction Workshop, Weimar, Germany, 2014.

12. Шлыков А. А., Сараев A.K. Инверсия данных метода радиомагнитотеллурических зондирований с контролируемым источником // Вопросы геофизики. Вып. 47. СПб.: Изд-во С.-Петерб. ун-та, 2014 (Ученые записки СПбГУ; №447). С. 102-128.

Подписано в печать ,2015г. Формат 60x84/16 У.п.л. 1,5 Уч.-изд.л 1,5 Тир. ЮОэкз. Отпечатано в типографии ООО «Турусел» 197376, Санкт-Петербург, ул. Профессора Попова д.38. toroussel@mail.ru Зак. № 13566 от/£_.5б .2015г.