Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Методика качественного анализа данных магнитотеллурического зондирования

ВАК РФ 04.00.12, Геофизические методы поисков и разведки месторождений полезных ископаемых

Автореферат диссертации по теме "Методика качественного анализа данных магнитотеллурического зондирования"

<? и*

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА, ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им.М.В.ЛОМОНОСОВА

Геологический факультет

На правах рукописи НГУЕН Тхань Ван

УДК 550.837

МЕТОДИКА КАЧЕСТВЕННОГО АНАЖЗА ДАННЫХ МАГНИТОТЕЛЛУРИЧЕСКОГО ЗОНДИРОВАНИЯ

Специальность 04.00.12 - геологические методы поисков

и разведки месторождений полезных ископаемых

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва - 1991

Работа выполнена на кафедре геофизических методов исследования земной коры геологического факультета Московского государственного университета имени М.В.Ломоносова.

Научный руководитель: доктор технических наук,

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор В.И.Дмитриев,

доктор технических наук Б.С.Светов.

Ведущее предприятие: ВНЖГЕОФИЗЖА.

Защита состоится 8 января 1992 года в 14 часов 30 мин. на заседании специализированного совета Д.053.05.24 в Московском государственном университете имени М.В.Ломоносова.

Адрес: 119899, Москва, Ленинские горы, Геологический факультет, зона "А", аул.308.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Геологического факультета МГУ, зона "А", 6-й этаж.

профессор М.Н.Берцичевский.

Автореферат разослан

Ученый секретарь специализированного совета, кандидат технических наук

Б.А.Никулин

РЕШАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Интерпретация магнитотеллурических данных состоит из 2 основных этапов.

1) Предварительный анализ магнитотеллурических данных, позволяющий построить качественную геоэлектрическую модель исследуемого региона (оценить степень геоэлектрической неоднородности среды, определить характер неоднородностей, наметить их форму, выделить фоновый разрез и наиболее интересные геоэлектрические структуры и т.д.).

2) Количественная интерпретация магнитотеллурических данных, которая сводится к решению обратной геоэлектрической задачи и построению параметрических моделей неоднородного геоэлектрического разреза.

Важность первого этапа (анализа) определяется тем, что обратная геоэлектрическая задача некорректна и может быть решена только в заранее выбранном классе моделей, составляющих компактное множество. Выбор модельного класса и есть основная цель качественной интерпретации МТ - данных. Обоснованность выбора зависит от полноты априорной информации и глубины качественного анализа. Очевидно, что предварительный анализ является ответственным этапом магнитотеллурической интерпретации.

В 70-х годах качественный анализ магнитотеллурических данных выполнялся по амплитудным полярным диаграммам импеданса и индукционным Еектором. Такой анализ был эффективным в районах с вытянутыми квазидвумерными структурами. В присутствии трехмерных неоднородностей информативность квазидвумерного анализа понижалась, а результаты теряли свою определен-

.ность.

Разработка общих подходов к анализу МТ-данных, охватывающих трехмерную ситуацию, является актуальной проблемой современной магнитотеллурики.

Первые шаги в этом направлении были сделаны Бостиком и Симсом. Они предложили способ параметризации тензора импеданса, получивший название способа вращения. Новые подходы были предложены в 80-х годах. Речь идет о работах Эггерса, Ла Торра-ка и Маддена, Йи и Паулсона. В этих работах были развиты методы анализа тензора импеданса, тяготеющие к классической задаче о собственных значениях матрицы (метод ортогонализации, метод диагонализации). Кроме того, надо отметить работу Возоф-фа, в которой был намечен путь для усовершенствования методики индукционных векторов.

Среди недавних результатов наиболее интересен способ Бара, позволяющий разделить влияние двумерных и трехмерных не-однородностей.

Дня оценки эффективности всех этих методик необходимо модельное тестирование. На этой модельной основе должна быть разработана эффективная методика качественного анализа маг-нитотеллурических данных. Эта задача и рассматривается в диссертации.

Актуальность работы. Сегодня в распоряжении геофизиков, ведущих МТ - исследования, имеется ряд методов обеспечивающих качественный анализ МТ - данных. Сравнительный анализ этих методов, их усовершенствование и построение на этой основе эффективной системы качественной интерпретации МТ - данных является актуальной задачей современной магнитотеллурики.

Научная новизна. В диссертационной работе получены следующие новые результаты.

1) Проведен сравнительный модельный ёСнатз трех способов параметризации тензора импеданса: способа вращения, способа ортогонализации,способа диагонализации. Выполненный анализ позволяет рекомендовать способ ортогонализации в качестве основного.

2) Предложен новый метод анализа магнитовариационных данных, в основе которого лежит построение магнитовариационных векторов и определение магнитовариационных фаз.

3) Опробован метод разделения двумерных и трехмерных эффектов (способ Бара). Исследованы условия применения этого способа, предложены новые критерии для оценки этих условий. Развит способ непосредственного определения фазы продольной и поперечной компонент тензора импеданса. Показана возможность построения карты теллурических векторов, характеризующей трехмерные структуры.

4) Развит способ анализа МТ - данных, реализующий предложение Л.Л.Ваньяна об использовании фазы при построении полярных диаграмм импеданса. Модельное опробование показывает, что фазовая полярная диаграмма существенно дополняет результаты, полученные при анализе амплитудных полярных .диаграмм.

5) Предложена логически связанная последовательность приемов качественного анализа МТ-данных, состоящая из следующих этапов:

а) построение амплитудных и фазовых полярных диаграмм импеданса;

6) ортогонализация тензора импеданса и определение его

. главных значений и главных направлений;

в) определение параметров геоэлектрической неоднородности и асимметрии;

г) разделение трехмерных и двумерных эффектов;

д) анализ магнитовариационных векторов и магнитовариацион-ных фаз.

Практическая ценность . Ценность полученных результатов состоит в том, что на их основе можно построить систему качественного анализа МТ - данных и повысить эффективность МТ- исследований.

Апробация работы. Результаты этих исследований были опубликованы в журнале Известия АН СССР, серия "Физика Земли", а также доложены на Международном Симпозиуме по электромагнитной индукции в Мексике в 1990 г., на 1У-м Всесоюзном съезде по геомегнетизму в Суздали в 1991 г. и на Симпозиуме по обратной геоэлектрической задаче в Алма-Ате в 1991 г.

Публикации. Основные положения диссертации изложены в пяти опубликованных работах.

Работа была выполнена на кафедре геофизических методов исследования Земной коры во время пребывания автора в аспирантуре Геологического факультета МГУ.

Научным руководителем диссертации является д.т.н. профессор М.Н.Бердичевский, которому автор глубоко признателен за постоянную помощь и поддержу.

А также автор выражает благодарность сотрудникам геофизической кафедры Н.С.Голубцовой, А.Г.Яковлеву, Н.А.Лебедевой, В.А.Шевнину за помощь в ходе выполнения работы.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, двух глав и заключения, общим объемом 145 страниц. Работа содержит 27 таблиц и 75 рисунков. Список литературы включает 19 наименований опубликованных работ.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Введение. Во введении кратко рассмотрена история развития методов качественной интерпретации магнитотеллурических данных. Отмечена актуальность этой проблемы, обеспечивающей выбор модельного класса, в котором ищется решение обратной магнитотеллурической задачи.

Глава I. Тензор импеданса и способы анализа.

В этой главе дана общая теория импеданса.

Первый параграф посвящен вопросу о линейных соотношениях между компонентами магнитотеллурического поля. Линейные соотношения существуют, если поле относится к алгебраическому типу. Примером такого поля является поле, возбуждаемое электромагнитной волной, вертикально падающей на горизонтально-неоднородную землю.

Во втором параграфе выводится выражение для тензора импеданса. Рассмотрена слоистая модель, содержащая ограниченную область с произвольным трехмерным распределением электропроводности. Тензор импеданса определяется через избыточные токи, заполняющие область неоднородности.

В третьем параграфе рассматривается вращение тензора импеданса и даны формулы для компонент тензора в произвольном

базисе.

Предметом четвертого параграфа являются свойства тензора импеданса. Рассмотрены одномерная,двумерная и трехмерная модели. Отдельно рассмотрен случай осесимметричной среды.

В пятом параграфе показано, как строятся полярные диаграммы импеданса. Наряду с амплитудными диаграммами I 2хх I , 1Ех.у1 рассмотрена фазовая диаграмма огс^ 2*у Получены выражения для полярных диаграмм в случае двумерной и осесимметричной среды.

Шестой параграф посвящен вопросу о главных значениях и главных направлениях тензора импеданса. Дэна постановка задачи о собственных числах и собственных полях матрицы импеданса. Показано, как решается эта задача в двумерных и осе-симметричных моделях. Указано, что в общем случае трехмерной модели такая постановка неприменима и нуждается в расширении.

В седьмом параграфе изложен способ определения главных значений и главных направлений тензора импеданса, предложенный В.Симсом и Ф.Бостиком. Этот способ назван способом вращения. Способ вращения сводится к повороту тензора импеданса, минимизирующему 1Их*|2 |£уу12 . в результате определяются главные значения , и главные направления о<, о(+ Тр^ . Кроме того, находится параметр асимет-рии 5к£и" г | 2хх. + 2уу|у/12Ху - ] .Указано,

что применение способа вращения вполне оправдано, если среда близка к двумерной или осесимметричной, т.е. если параметр достаточно мал.

В восьмом параграфе рассматриваются эллипсы поляризации магнитотеллурического поля. Выводятся формулы для ориентации эллипсов поляризации и отношения их осей (эллиптичности поля).

В девятом параграфе изложен способ определения главных значений и главных направлений тензора импеданса, предложенный Д.Эггерсом. Этот способ назван способом ортогонализации. Орто-гонализация сводится к нахождению собственных полей матрицы

2. , имеющих взаимно-перпендикулярные большие оси эллипсов поляризации. В результате определяются главные значения

' г и главные направления о(Е1 , о^ьд, (направления больших осей эллипсов поляризации собственных электрических полей). Кроме того, вычисляются эллиптичности собственных электрических полей ВВ1 , ¿еь . По сравнению со способом вращения способ ортогонализации более информативен,так как дает 8 параметров вместо 5 (заполняются все 8 степеней

л

свободы матрицы Е ). При этом эффективный импеданс определяется как , т.е. как среднее геометрическое главных значений.

В десятом параграфе изложен способ определения главных значений тензора импеданса, предложенный Е.Йи, К.Паулсоном и (независимо) Дж.Ла Торрака, Т.Мадденом, Дж.Корринга. Этот способ назван способом диагонализации. Диагонализация сводится к нахождению ортогональных магнитных полей, преобразующихся в ортогональные электрические поля. Эти поля рассматриваются как собственные поля матрицы Ъ

Нахождение собственных полей равносильно введению комп-

А

лексного базиса, в котором матрица Z диагональна. В

результате определяются главные значения ^ , и главные направления ®<е , о(н (направления больших осей эллипсов поляризации электрического и магнитного собственных полей). Вычисляются также эллиптичности £е , £н собственных полей. Подобно способу ортогонализации способ диаго-нализации дает 8 параметров, однако фазы главных значений

, неинвариантны по отношению к ориентации измеритель-

ных установок, что является недостатком способа. Преимущество способа состоит в том, что он доставляет главные значения, модули которых имеют максимальную чувствительность к горизонтальным изменениям электропроводности.

Параграф одиннадцатый посвящен матрице Визе-Паркинсона. Выводятся формулы, выражающие матрицу Визе-Паркинсона через распределение избыточных токов, заполняющих неоднородность. Исследуются общие свойства матрицы и рассматриваются ее полярные диаграммы. Излагается традиционный подход к изображению матрицы Визе-Паркинсона в виде вещественных и мнимых индукционных стрелок. Предлагается новый более наглядный и более чувствительный способ изображения матрицы Визе-Паркинсона, в основе которого лежит построение магнитовариационных векторов, максимизирующих отношение I Н 2У\ Нх^-Н Му , и

магнитовариационных фаз, определяемых как аргумент инварианта + \х/2\

В двенадцатом параграф изложен способ разделения двумерных и трехмерных эффектов, предложенный К.Баром. В основе этого способа лежит цредставление матрицы тензора импеданса в виде произведения вещественной матрицы трехмерного электрического

искажения и матрицы двумерного импеданса. Определение простирания .двумерной структуры сводится к повороту тензора, дос-

Л

тавляющему одинаковые фазы столбцов матрицы "Е. . Показано, что способ может дать устойчивые результаты, если продольный и поперечный импедансы имеют существенно различные фазы. Вводится критерий устойчивости и предложены способы, обеспечивающие непосредственное определение фаз продольного и поперечного импедансов'и построение карт электрических векторов, искаженных локальной неоднородностью.

В тринадцатом параграфе вводятся характерные параметры, которые дают представление о степени нарушения горизонтальной неоднородности среды и геометрии геоэлектрэтеских структур:

1. Параметр неоднородности N = |+

2. Параметры асимметрии А0= | ао°|

(способ ортогонализации) и Аа г | 1<*е -<хн 1 ~ЗС°\

(способ диагонализации), являющиеся аналогами

В случае слабых горизонтальных изменений'электропроводности N^0 .В окрестности двумерных и осесимметричных структур А0~ О и А¿хО .

Глава П. Модельные опробование способов анализа магнито-теллурических данных.

В этой главе изложены результаты модельного опробования способов качественной интерпретации МТ-данных, развитых в главе I.

Параграф первый содержит описание модельного ряда, состоящего из трех групп.

Группа I охватывает трехслойные модели с овальными приповерхностными включениями повышенной и пониженной электропроводности (4 модели).

Группа П состоит из трехслойных моделей, в которых приповерхностные включения больших размеров осложнены локальными включениями малых размеров (3 модели).

•Группа Л представлена трехслойными моделями, содержащими трехмерное приповерхностное и двумерное глубинное включения (3 модели).

Расчеты выполнены с помощью пленочного метода и метода конечных разностей (программы А.Дебабова и И.Варенцова).

В параграфах втором, третьем и четвертом описаны результаты, полученные в моделях I, П и Ш-ей групп. Приведены таблицы главных значений и главных направлений тензора импеданса, определенных различными способами, карты главных направлений, карты полярных диаграмм, карты параметров неоднородности, асимметрии и эллиптичности, карты индукционных стрелок, магни-товариационных векторов и фаз. Показаны результаты разделения трехмерных и двумерных эффектов, определено простирание двумерного глубинного включения, фазы продольного и поперечного импеданса, построены карты теллурических векторов, искаженных приповерхностным трехмерным включением. Проведён сравнительный анализ всех этих результатов.

Пятый параграф посвящен обобщению результатов. Модельный анализ показывает, что:

I. На этапе качественной интерпретации способы вращения, ортогонализации и диагонализацию во многом равноценны. Однако способы ортогонализации и диагонализации дают более полную

характеристику тензора импеданса (8 параметров вместо пяти). При этом способ ортогонализации благодаря угловому параметру

Ао обеспечивает более высокую чувствительность к асимметрии среды (более тонкую диагностику структур), а фазы главных значений импеданса, определяемые по способам диагонализации, не является инвариантными. Это позволяет выделить способ ортогонализации как наиболее эффективный и рекомендовать его в качестве основного.

2. Карты параметра N позволяют выделить зоны слабой

( N < 0-05 ) и сильной ( N >0-2) горизонтальной неоднородности среды. Зависимость N от периода вариаций позволяет классифицировать неоднородности по глубине.

3. Карты углового параметра асимметрии Ао и параметров эллиптичности , £ед. позволяют определить геометрический тип неоднородности (двумерный, осесимметрич-ный, трехмерный асимметричный) и наметить оси неоднородности. Структура считается двумерной или осесимметричной, если

А0< Ю°.

4. Карты полярных диаграмм импеданса позволяют уточнить геометрию неоднородности и классифицировать их по электропроводности (выделить зоны повышенной и пониженной электропроводности) . Фазовые диаграммы существенно дополняют амплитудные, так как с понижением частоты их связь с приповерхностными неоднородностями ослабевает и отчетливей проявляются эффекты, связанные с влиянием глубинных неоднородностей.

5. Карты магнитовариационных векторов и фаз обеспечивают лучшую наглядность, чем карты индукционных стрелок (благодаря разделению амплитудных и фазовых аномалий). С помощью этих

карт уточняется геометрия структур и отчетливо выделяются зоны повышенной и пониженной электропроводности. Рассматривая зависимость магнитовариационных векторов и фаз от периода вариаций, можно классифицировать неоднородности по глубине.

6. Метод разделения локальных и региональных эффектов позволяет наметить простирание глубинных квазицвумерных структур и определить фазы продольного и поперечного импеданса, свободные от искажающего влияния трехмерных приповерхностных неоднородное тей.

Анализируя магнитотеллурические данные с помощью этих методов, мы получаем обширный материал, позволяющий построить качественную геоэлектрическую модель исследуемого региона и выбрать стратегию решения обратной магнитотеллурической задачи.

В этом же параграфе приведены практические примеры.

Пример I. Восточно-Туркменская синеклиза..Показаны карты главных значений и главных направлений тензора импеданса, а также карты полярных диаграмм тензора импеданса, параметра неоднородности N и параметра асимметрии А0 (по В.Г. Дубровскому). На картах видно, что центральная часть сине-клизы имеет квазидвумерный характер, в то время как ее борта осложнены локальными трехмерными неоцнородностями.

Пример П. Южная Камчатка. Показаны карты магнитовариационных векторов и фаз. Для сравнения дана карта индукционных стрелок (по Ю.Ф.Морозу). Магнитовариационные векторы смотрят в сторону от берега, а фазы меняются от 30° до 150°, указы-

вая на локальные аномалии электропроводности. Полученная картина является более четкой, чем на карте индукционных стрелок, где мнимые стрелки имеют хаотическую ориентацию.

Пример Ш. Кировоградская аномалия. Приведены карты магни-товариационных векторов и фаз и индукционных стрелок. Магнито-вариационные векторы смотрят в стороны от оси Кировоградской аномалии, "причем при переходе от Кировоградского блока к Криворожскому эллиптичность меняет знак. Фазы в большинстве точек близки к 180° (преобладают активные избыточные токи).

Защищаемые положения.

1. Качественный анализ МТ-данных является Еажным этапом магнитотеллурической интерпретации. Он обеспечивает диагностику геоэлектрических структур и позволяет построить качественную модель исследуемого региона, открывая путь к решению обратной задачи.

2. Система качественного анализа должна включать:

а) определение главных направлений и главных значений тензора импеданса по способу ортогонализации;

б) построение карт параметра неоднородности, углового параметра асимметрии и параметров эллиптичности;

в) построение карт амплитудных и фазовых полярных .диаграмм импеданса;

г) построение карт магнитовариационных векторов и фаз;

д) разделение локальных и региональных эффектов по способу

Бара.

3. Развитие в диссертации новых методов анализа МТ-данных (построение фазовых диаграмм импеданса, определение магнито-

вариационных векторов и фаз, усовершенствование способа Бара) повышает эффективность магнитотеллурической интерпретации.

Список работ автора по теме диссертации:

1. Магнитовариационный вектор (в соавторстве с М.Н.Бердичевским). Изв. АН СССР, сер. Физика Земли, № 3, 1991.

2. Модельное тестирование главных значений тензора импеданса

(в соавторстве с М.Н.Бердичевским). Тез.докл. 1У Всесоюзного съезда по геомагнетизму, Суздаль, 1991.

3. Об изображении результатов магнитовариационного профилирования (в соавторстве с М.Н.Бердичевским). Тез.докл. 1У Всесоюзного съезда по геомагнетизму, Суздаль, 1991.

4. Качественная интерпретация магнитотеллурических данных (в соавторстве с М.Н.Бердичевским, Н.С.Голубцовой, А.Г.Яковлевым). Тез.докл. Теории и практики решения обратных задач геоэлектрики, Алма-Ата, 1991.

5. New tippers (co-author M.N.Berdichevsky). Report on X EM-Workshop, Ensenada, Mexika, 1990.

В печать 29.II.91г. Формат 60x84/16 Печ.л.0.7.уч.-изд.0.7_