Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Особенности измерений и обработки данных аудиомагнитотеллурических методов в условиях интенсивных помех

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

Автореферат диссертации по теме "Особенности измерений и обработки данных аудиомагнитотеллурических методов в условиях интенсивных помех"

Санкт-Петербургский государственный университет

На правах рукописи

Кочеров Антон Борисович

Особенности измерений и обработки данных аудиомагнитотеллурических методов в условиях интенсивных помех

Специальность 04.00.12 —

"Геофизические методы поисков и разведки месторождений полезных ископаемых"

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

Санкт-Петербург - 1998

Работа выполнена в НИИ Земной Коры Санкт-Петербургского Государственного университета, г. Санкт-Петербург.

Научный руководитель

Официальные оппоненты

доктор геолого-минералогических наук, профессор

А. В. Вешев

доктор геолого-минералопIческих наук А. А. Жамалетдинов. Геологический институт КНЦ РАН;

кандидат физико-математических наук Н. И. Успенский, Санкт-Петербургский государственный университет.

ВИРГ-'Рудгеофизнка'

Ведущая организация: Зашита состоится "22 "

1998 г. в 15 часов на заседании Диссертационного совета Д.063.57.18 по защите диссертаций на соискание ученой степени доктора наук в Санкт-Петербургском университете по адресу: 199034, г. Санкт-Петербург, Университетская наб. 7/9. геологический факультет, ауд. 347. С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке им. М.Горького Санкт-Петербургского университета. Автореферат разослан "Ц "г.

Ученый секретарь Диссертационного совета

В. А. Шашканов

Общая характеристика работы

Актуальность работы. Методы аудиомагнитотеллурического зондирования (АМТЗ) и профилирования (АМТП) используют переменные естественные электромагнитные поля Земли в диапазоне от единиц герц до первых килогерц (т.н. "звуковой диапазон частот") и являются высокочастотными аналогами широко используемых методов мапштотеллурического зондирования (МТЗ) и профилирования (МТП). Метод АМТЗ в зависимости от характеристик геоэлектрического разреза и полосы частот, в которой производятся измерения, характеризуется глубинами исследования от первых сотен метров до десяти и более километров. Достоинствами методов является то. что они не требуют специальных искусственных источников возбуждения поля, обладают довольно высокой производительностью, особенно в варианте двухканальных измерений. Аудиомагнитотеллурические методы могут эффективно применяться для решения задач геокартирования при достаточной контрастности блоков пород по электрическим свойствам, а также для поисков сульфидных руд, геотермальных зон и т.п. Известной проблемой применения АМТЗ остается невысокая воспроизводимость результатов наблюдений. обусловленная, с одной стороны, малой напряженностью естественных электромагнитных полей в AMT диапазоне и наличием довольно интенсивных промышленных полей-помех, а с другой стороны, возможным несоответствием наблюдаемых полей принятой при их интерпретации модели вертикально падающей плоской волны. Такие поля ближних источников, даже при их естественном происхождении — например, вызываемые ближними грозами, могут также рассматриваться как помехи. Широкое применение метода АМТЗ в нашей стране до недавних пор сдерживалось отсутствием надежной портативной аппаратуры для проведения полевых работ.

Цель работы - повышение геологической эффективности применения аудиомапштотеллурпческих измерений при решении геолого-съемочных и поисковых задач в рудных районах, которые характеризуются повышенным уровнем индустриальных помех, и. в частности, разработка системы обработки данных изме-

рении, получаемых с созданной в 90-х годах в НИИЗК СПбГУ и в ВИРГ-"Рудгеофизике" цифровой аудиомагнитотеллурической аппаратурой.

Основные задачи исследований. При создании системы обработки аудиомагнитотеллурических данных было необходимо решить следующие задачи :

- провести исследования наблюдаемых электромагнитных полей звукового диапазона частот и на основе анализа их спектральных. временных, статистических характеристик, а также специфики создаваемой аппаратуры разработать требования к указанной системе:

- учитывая, что основой проводимой обработки, как правило. является цифровой спектральный анализ, по результатам опробования различных методов оценивания спектров реальных электромагнитных полей звукового диапазона частот выбрать оптимальные процедуры и параметры для системы обработки;

- опробовать созданную систему обработки цифровых данных АМТЗ в процессе получения практических материалов с новой аппаратурой, оценить эффективность разрабатываемого аппарат} рно-программного комплекса;

Научная новизна

1. Экспериментально получены спектральные, временные и статистические характеристики наблюдаемого электромагнитного поля в диапазоне звуковых частот. Показано, что указанные характеристики отличаются от наблюдаемых в диапазоне более низких частот в связи с отличием природы источников полей.

2. Обосновано построение и осуществлена реализация системы обработки данных для цифровой аппаратуры метода АМТЗ. реализующей запись временных рядов. Продемонстрирована эффективность использования комплекса процедур цифровой режекторной фильтрации и последующего автоматического выбора интервалов по принципу сравнения пиковой интенсивности сигнала на интервале с задаваемым пороговым значением, в сочетании с исключением участков действия помех.

3. В различных регионах проведены исследования временной стабильности измеренных величин импеданса естественного электромагнитного поля в диапазоне звуковых частот. Показано, что возможность изменений значений импеданса на частотах

единиц - первых десятков герц следует учитывать при проведении полевых работ методом АМТЗ путем выполнения одновременных контрольных наблюдений на базисном пункте. Особую важность данное условие приобретает при использовании высокопроизводительной двухканальной аппаратуры.

Защищаемые положения

1. Процедуры обработки аудиомагнитотеллурических данных, в отличие от применяемых в магнитотеллурических методах, должны учитывать неравномерный характер спектра электромагнитных полей звукового диапазона частот и вероятное присутствие в спектре большого количества пиков от полей помех.

2. При обработке данных АМТЗ, получаемых в условиях влияния интенсивных полей промышленной частоты и ее высокочастотных гармоник, периодограммный метод спектрального анализа является более эффективным, по сравнению с коррелограммным и методом фильтрации во временной области, позволяя проводить более эффективную локализацию участков спектра, обусловленных влиянием помех, и их исключение и давая возможность выделять частотные интервалы исследуемого естественного поля. При этом необходимо использовать спектральное окно, обеспечивающее интенсивное подавление боковых лепестков и спектральное разрешение, исключающее перекрытие спектральных пиков от соседних гармоник.

3. Разработанное программное обеспечение первичной обработки данных, получаемых с цифровой аппаратурой AMT, с использованием цифровой фильтрации, ручного и автоматического выбора рабочих интервалов и спектрального анализа периодограмм-ным методом с выбранным окном и изменяемым разрешением обеспечивает проведение как экспресс-анализа результатов измерений непосредственно на полевых точках, позволяя оценивать качество материалов и оперативно вносить изменения в технику работ, так и полной обработки данных.

4. Для получения достоверных AMT измерений (особенно при использовании двухканальных вариантов аппаратуры) необходимо выполнять предварительные временные измерения импеданса и выбор на их основании наиболее целесообразных временных интервалов для проведения работ в данном регионе и измерения на

рабочих профилях сопровождать контрольными измерениями импеданса на базисном пункте.

Практическая ценность работы

Результаты работы позволили существенно повысить качество получаемых данных при проведении работ методом АМТЗ, повысить помехоустойчивость аппаратуры.

Реализация результатов работы

Результаты работы использованы при совместном составлении в институтах ВИРГ-"Рудгеофизика" и НИИЗК СПбГУ "Методического руководства по методам электроразведки с неконтролируемыми источниками". Разработанная автором при участии А.А.Елисеева программа обработки результатов измерений методом АМТЗ с аппаратурой ЭСП-103 хранится в фонде алгоритмов и программ ВИРГа. Разработанная подсистема пре-процессинга и обработки данных AMT наблюдений для разработанной в ВИРГ-"Рудгеофизнке" аппаратуры ИАМТП-8 применяется при проведении полевых работ с 1995 г.

Апробацпя работы. Основные положения проведенных исследований доложены на Всесоюзном совещании по приземному распространению радиоволн и электромагнитной совместимости (Улан-Удэ, 1990), 3 Всесоюзной научно-технической конференции "Прием и анализ сверхнизкочастотных колебаний естественного происхождения" (Львов. 1990), Международной научной конференции "Геофизика и современный мир" (Москва, 1993), Международной геофизической конференции и выставке "Санкт-Петербург - 95" (Санкт-Петербург, 1995), Международной конференции "Закономерности эволюции земной коры" (Санкт-Петербург, 1996). Международной геофизической конференции и выставке "Москва-97" (Москва, 1997).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 работ.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав и заключения. общий объем работы 145 страниц, содержит 44 рисунка. 4 таблицы, список литературы из 72 наименований. Автор искренне благодарен научному руководителю проф. А.В.Вешеву. Автор глубоко признателен А.А.Елисееву (ВИРГ) за предоставление части материалов и разрешение использовать в диссертации результаты совместных работ, канд. геол.-мин. наук А.К.Сараеву и М.И.Пертслю (лаборатория электромагнитных

методов НИИЗК СПбГУ) за поддержку и помощь в процессе подготовки работы, доктору геол.-мин. наук В.А.Комарову (кафедра геофизики геологического факультета СПбГУ) за ценные замечания и советы, К.Д.Ратникову (ВИРГ) за предоставленные программные средства анализа тензора импеданса и решения обратной задачи, а также сотрудникам лаборатории электромагнитных методов НИИЗК СПбГУ П.А.Парфентьеву и В.Е.Прокофьеву.

Содержание работы

Работы по использованию "высокочастотных" естественных электромагнитных полей в СССР начались в конце 50-х годов [Н.П.Владимиров.1979 ], в США - в начале 60-х [Strangway,1973].

В 60-х - 70-х годах в СССР в основном проводились работы методами переменного естественного электрического поля (ПЕЭП) [Метод ПЕЭП, 1973] с аппаратурой МСЗ-1 и ЭСП и переменного естественного магнитного поля (ПЕМП) (Векслер,Спасенных, 1975) с аппаратурой ИНВЕМП, за рубежом в 60-х годах применялся метод AFMAG [Ward et. al,1966].

За рубежом в 60-х - 70-х и начале 80-х годов наблюдения АМТ-методом проводились в основном с использованием двух-канальной аппаратуры, принципиально аналогичной аппаратуре серии ЭСП [Benderitter, Gerard,1984; Hoover et. al.,1978; Strangway, Koziar, 1979; Telford. 1977]. Наибольшую популярность получил прибор ЕСА-542-0 (Франция)[Ьакапеп,1986; Н.Д.Васин,1989].

В начале 80-х годов в НИИФ ЛГУ были разработаны прототипы портативных четырехканальных станций для АМТЗ в диапазоне 1-5000 Гц, основанных на фильтрации компонент электромагнитного поля с выводом результатов фильтрации на ленту самописца [А.А.Ковтун,1989; В.Н.Комолов, О.Н.Моисеев и др.,1989].

В настоящее время имеется несколько вариантов промышленной цифровой аппаратуры зарубежных фирм, позволяющей выполнять АМТЗ: комплекты SAMTEC 2 (фирма BRGM, Франция), GMS 05 фирмы Metronix (Германия), многофункциональный приемник V-5 фирмы Phoenix Geophysics Limited (Канада), МТ-1 фирмы EMI (США). Ряд университетов занимается также

разработкой собственных макетов аппаратуры AMT зондирований [Clerc et. al.. 1984. Fujii et. al., 1989, Wang Zuqin, 1988; Brasse, Rath. 1997].

Применявшиеся в нашей стране цифровые станции серии ЦЭС обеспечивали выполнение МТ зондирований на частотах до 100 Гц и захватывали лишь небольшую часть аудиомагнитотел-лурического диапазона. Распространение AMT зондирований в нашей стране и более широкое применение их для решения различных поисковых, картировочных, инженерно-геологичёских задач сдерживалось отсутствием надежной портативной аппаратуры. Возникла необходимость создания цифровой аппаратуры метода АМТЗ.

С 1992 г. в НИИЗК СПбГУ создается серия портативных приборов семейства АКФ. позволяющих проводить измерения естественных электромагнитных полей в диапазоне 3Гц - 3200 Гц (четырехканальная аппаратура АКФ-4), 3Гц - 260 Гц (двухканальный прибор АКФ-2.2). С начала 90-х годов работы по созданию цифровой аудномагнитотеллурической аппаратуры были начаты и в ВИРГ-'Тудгеофизике". в связи с чем возникла необходимость разработки системы обработки данных. Также в 90-х годах были созданы прототипы цифровых AMT станций в НИИФ СПбГУ и ГИ КНЦ РАН.

Глава 1. Особенности естественных электромагнитных полей

Земли

В первой главе диссертации приведен краткий обзор имеющихся в литературе данных об источниках и характеристиках естественных электромагнитных полей и результаты выполненных в 19S8 - 1996 годах экспериментальных исследований спектральных и временных характеристик наблюдаемых электромагнитных полей.

Источниками естественных электромагнитных полей звукового диапазона являются разряды атмосферного электричества [Strangwav et. al.. 1979. 10.Б. Башкуев и др., 1989]. возмущения в ионосферно-магнптосферной системе Земли [О.М.Распопов. Н.Г.Клейменова. 1977]. источники, расположенные в литосфере, обусловленные механоэлектрическими преобразованиями и дру-

гие [Крылов, Никифорова, 1995, Ю.Б.Башкуев и др., 1989], явления метеорологического характера в атмосфере (ливневые дожди, снегопады и др.) [Л.Г.Махоткин. Иньков, 1982]. I

В рассматриваемом диапазоне частот наблюдаются также по- •

ля радиостанций различного назначения и поля промышленных помех, создаваемые линиями электропередач и различными промышленными установками.

Грозы в качестве основного источника полей рассматриваемого диапазона частот указываются большинством исследователей [51гап§и'ау е1. а1.,1979, Ьакапеп, 1986, П.В.Блиох и др., 1977]. Распространение сигналов от разрядов молний (атмосфериков) происходит в волноводе Земля-ионосфера, обладающем резонансными свойствами. В спектре атмосферика наблюдаются два максимума - один в полосе 100 - 400 Гц и второй в полосе 7 - 12 кГц, разделенные минимумом в области 1,5-2 кГц, возникающим из-за максимума поглощения на данных частотах [О.М.Распопов, Н.Г.Клейменова, 1977]. При этом в энергетическом спектре излучения наблюдаются резонансные максимумы на частотах около 8, 14. 20, 26, 32 Гц (т.н. шумановские резонансы)[П.В.Блиох и др., 1977, Ю.Б.Башкуев и др., 1989]. Основной вклад в создание электромагнитных полей этого типа вносят три очага грозовой активности, располагающиеся в экваториальной области Африканского, Азиатского и Американского континентов. Вместе с тем на среднюю величину напряженности наблюдаемого электромагнитного поля могут значительное влияние оказывать местная грозовая активность, а также другие явления : ливневые дожди, снегопады и др. [Л.Г.Махоткин. Иньков, 1982]

К полям, вызываемым источниками, находящимися в магни-тосферной системе Земли, относятся возмущения электромагнитного поля Земли в виде устойчивых и иррегулярных пульсаций а также многочисленные виды очень низкочастотных (ОНЧ) излучений в диапазоне сотен герц - первых килогерц, среди которых выделяются "шипения", "хоры" и другие формы сигналов. [О.М.Распопов. Н.Г.Клейменова, 1977].

Наблюдаемое естественное электромагнитное поле, создаваемое одновременным действием большого количества источников различной природы и интенсивности и расположенных на различных расстояниях от точки наблюдения, может быть пред-

ставлено в виде постоянно существующей шумовой составляющей, на которую наложены импульсы от близких и сильных грозовых разрядов, а также импульсы помех от электрифицированных железных дорог, включения/выключения силовых установок и гармонические поля промышленной частоты и ее гармоник. Интенсивность шумов грозовых источников возрастает с уменьшением широты точки наблюдения. Указывается [О.М.Распопов, Н.Г.Клейменова, 1977], что в высоких широтах вклад шумов грозового происхождения невелик, и основными здесь являются маг-нитосферные шумы.

Глава 2. Аппаратура, используемая при проведении работ

методом АМТЗ

Аналоговую аппаратуру ЭСП-103 в течение многих лет применяли при работах в Центральном Казахстане, Восточном Забайкалье, на Кольском полуострове и др. Прибор, разработанный в ВИРГ-"Рудгеофизике" под руководством А.А.Елисеева обеспечивает фильтрацию, усреднение и накопление сигналов, поступающих на вход прибора одновременно на десяти рабочих частотах в диапазоне от 3 Гц до 4 кГц. Основными недостатками комплекта ЭСП-103 следует считать невозможность оперативного контроля качества измерений, большую ширину полосы фильтрации, что в случае наличия интенсивных полей гармоник промышленной частоты приводит к ошибкам смещения при определении оценок спектра электромагнитного поля, а также наличие только 1 измерительного канала.

В 1995 г. в ВИРГ-"Рудгеофизике" под руководством А.А.Елисеева разработана восьмиканальная цифровая аппаратура ИАМТП-8, позволяющая производить запись оцифрованных значений до восьми компонент естественного электромагнитного поля в полосе 0.1-12.5 Гц. 3 - 800 Гц или 3 - 4000 Гц на диск полевого портативного notebook-компыотера, под управлением которого работает прибор. Комплект ИАМТП-8, предоставляя возможность регистрации до 8 каналов, обеспечивает достаточную гибкость при выборе схемы установки и методики измерений. Входящее в комплект программное обеспечение, разработанное

автором, позволяет производить экспресс-оценку качества измерении.

Цифровая двухканальная аппаратура АКФ-2.2 создана в НИИЗК СПбГУ под руководством М.И.Пертеля в 1996 г. на основе модификации аппаратуры АКФ-2 (1992 г). Достоинствами комплекта АКФ-2.2 являются простота управления, возможность работы без полевого компьютера (хотя его наличие желательно для оценки качества наблюдений) с сохранением в памяти прибора результатов 100 измерений, а также возможность выбора между регистрацией корреляционных функций (основной режим) и временных рядов отсчетов напряженностей компонент поля (дополнительный режим) в диапазоне частот от 3 до 260 Гц. Регистрация корреляционных функций не позволяет в дальнейшем производить переобработку данных, однако требует значительно меньше дискового пространства для сохранения результатов наблюдений.

Как ИАМТП-8, так и АКФ-2.2 при работе в дополнительном режиме реализуют непрерывную запись компонент поля, в отличие от большинства зарубежных приборов (фирм Metronix, BRGM, Phoenix), что позволяет изменять спектральное разрешение при обработке данных.

Глава 3. Методика и техника измерений методами AIVIT3 и АМТП и обработка результатов наблюдений

Техника работы и методика обработки результатов наблюдений с разной аппаратурой имеют значительные отличия. В первой части третьей главы описываются особенности работы с каждым указанным комплектом.

Так как аппаратура, применяемая для производства аудио-магнитотеллуричееких зондирований часто представляет собой магнитотеллурическне станции, позволяющие производить измерения в ряде частотных диапазонов, 1-2 из которых относятся к звуковому диапазону частот (Metronix. Phoenix. EMI), при работе с ними применяются стандартные магнитотеллурическне процедуры обработки полученных данных, и в литературе приводится мало данных об особенностях методики работы с использованием данного диапазона относительно "высоких " частот. Однако, по-

1(1

скольку АМТ-поля и поля, регистрируемые в низкочастотной магнитотеллурике, вызываются разными источниками, и, как показано в гл. 1, имеют отличающиеся статистические свойства и спектральные характеристики, применяемые при обработке маг-нитотеллурических данных процедуры в данном случае не являются оптимальными. Во второй части третьей главы описываются процедуры обработки данных, получаемых с цифровой аппаратурой и используемые при этом параметры, которые в результате предварительных исследований были выбраны для обработки аудиомагпитотеллурических данных. При этом наибольшее внимание уделяется цифровому спектральному анализу.

Созданная система обработки данных AMT измерений с цифровой аппаратурой, позволяет производить оценку качества получаемых материалов непосредственно в полевых условиях. На стадии препроцессинга данных AMT производится визуализация и оценка записей, селекция интервалов и подавление помех с использованием цифровой фильтрации.

Помехи, присутствующие в записях компонент поля, можно разделить на импульсные, действующие кратковременно, и периодические. присутствующие постоянно. К первым относятся помехи от включения/выключения силовых установок, телеграфных аппаратов и пр., ко вторым — поля промышленной частоты и ее высокочастотных гармоник. При обработке МТ данных часто используются только интервалы, характеризующиеся высокими значениями частной и множественной когерентности регистрируемых компонент. В то же время, так как по интервалам записи. в пределах которых сохраняется одна поляризация поля, компоненты тензора импеданса определяются с большой погрешностью. ряд программ обработки исключает такие интервалы. Помехи, проявляющиеся в АМТ-диапазоне. имеют чрезвычайно различные временные и спектральные характеристики, что затрудняет выработку алгоритма, позволяющего производить автоматическое исключение интервалов из обработки. Так импульсные помехи, приводимые по результатам измерений на Кольском полуострове, характеризуются высокой когерентностью между взаимно ортогональными магнитными и электрическими компонентами, в то же время когерентность отсутствует на записях, полученных в Донецкой области.

В последние годы при обработке магнитотеллурических дан-пых для исключения интервалов, в пределах которых влияние помех наиболее сильно проявлено, широко применяются робастные методы [Sutarno,Vozoff, 1991; Egbert,Booker, 1986; Нарский,1993]. Ввиду значительных вычислительных затрат и высоких требований. предъявляемых к объему памяти, данные алгоритмы более пригодны для последующей обработки в стационарных условиях, а не для экспресс-оценки качества получаемых данных. При этом применение робастных методов возможно только в случае, когда длительность интервалов действия помехи не превосходит длительность "незашумленных" интервалов.

В каждом конкретном случае приходится предварительно визуально оценивать качество записи и выбирать набор процедур обработки для получения более качественных результатов. В системе АМТрго предусматривается выбор непрерывного участка записи любой длительности для дальнейшей обработки, маркировка отдельных импульсов или частей записи как исключаемых, отбрасываемых при усреднении выборочных спектров на этапе спектрального анализа.

По вопросу преимущественной ориентации на импульсную или шумовую часть наблюдаемого поля в настоящее время нет устоявшегося мнения. Отдельные интенсивные атмосферики использовались при обработке результатов наблюдений с прототипами АМТ-станций НИИФ СПбГУ [Ковтун.1989; Комолов, Моисеев и др., 1989]. Использование одиночных грозовых разрядов при зондированиях в качестве источника поля предлагалось также в работе [Thiel,Wilson,Webb,1988]. В аппаратуре ЭСП-103, напротив. упор был сделан на использовании не импульсной, а шумовой составляющей электромагнитного поля, что обеспечивалось применением системы амплитудной селекции с изменяемым пороговым уровнем [Елисеев. Сомов. 1976]. Отбор для обработки интенсивных импульсов аргументируется более высоким отношением сигнал/шум. В то же время для интенсивных атмо-сфериков (как правило, ближних) более вероятно, что наблюдаемое поле может отличаться от общепринятой в магии готеллурике модели — поля плоской вертикально падающей волны. Кроме того. атмосферики обладают практически линейной поляризацией, и обработка одиночных атмосфериков может характеризоваться

высокой погрешностью при определении компонент тензора импеданса [Electromagnetic methods ....1994]. Как уже упоминалось, ряд программ обработки отбраковывает поляризованные интервалы записи.

Промышленные помехи в рассматриваемом диапазоне часто на несколько порядков превосходят амплитуду естественного электромагнитного поля и определяют величину используемого усиления. Повысить точность опенок естественного поля можно, если при расчете спектров по отфильтрованной записи произвести выбор участков с повышенной амплитудой, для которых соотношение сигнал/шум выше, чем для остальных участков записи.

При этом предварительно необходимо подавить интенсивные периодические помехи частоты 50 Гц и ее высокочастотных гармоник. доминирующих в записи. Исключение периодических помех может производиться путем: 1) цифровой режекторной фильтрации. 2) вычитания "накопленного" периодического сигнала, получаемого с помощью усреднения отсчетов, разделенных интервалами времени, равными целому числу основных периодов помехи. 3) использования фильтра '"линии задержки", когда из каждого отсчета записи вычитается отсчет, отстоящий на интервал времени, равный основному периоду помехи. Достигаемое при использовании метода 2 подавление помех менее интенсивное, чем при использовании методов 1 и 3, по-видимому, из-за нестабильности амплитуды и фазы гармонических промышленных помех. Методы 2 и 3 позволяют исключать сигналы-помехи не только основной частоты, но и высокочастотных гармоник. Гребенчатый фильтр метода 3 обладает довольно сложной передаточной характеристикой, и его применение может сильно исказить спектр исходного сигнала.

На следующем этапе обработки при выполнении спектрального анализа в программе может производиться автоматическая отбраковка интервалов по критерию пикового значения (максимальной амплитуде) на интервале. Такой выбор производится путем определения отношения максимального по модулю (пикового) значения на интервале к определенному по всей длине записи среднеквадратпческому отклонению (амплитуде "шумовой" составляющей). Интервал используется, если данное отношение больше нижнего и меньше верхнего порогового уров-

ня и отбрасывается в противном случае. Таким образом, отбраковка интервалов может производиться как с целью исключения интенсивных участков — ближних атмосфериков или других импульсов или. наоборот, участков записи с пониженной интенсивностью. где отношение сигнал/шум понижено.

В работе обсуждаются 3 классических метода оценивания спектральной плотности мощности (СПМ) наблюдаемых процессов. Коррелограммный метод на основе преобразования Фурье корреляционных функций измеряемых процессов реализован в аппаратуре серии АКФ. Периодограммный метод, основанный на усреднении квадрата модуля преобразования Фурье, вычисляемого на ряде интервалов реализации, является наиболее распространенным из-за его вычислительной эффективности. В некоторых случаях рекомендуется использование метода оценивания СПМ на основе узкополосной фильтрации входного процесса на центральной частоте Г с последующим возведением в квадрат и усреднением (метод широко применяется в аналоговых анализаторах спектра).

Как известно, влияние конечности длительности сигнала (или длины его корреляционной функции), используемых при реальной обработке, проявляется в виде прямоугольного "окна", накладываемого на сигнал или его корреляционную функцию, что приводит к искажению оценки спектральной плотности вблизи интенсивных пиков в спектре (т.н. явление Гиббса). Для уменьшения данного эффекта при спектральном оценивании на прямоугольное окно накладывают дополнительные весовые окна. Выбору подходящего наилучшим образом окна далеко не всегда уделяется достаточно внимания при производстве спектрального анализа в магннтотеллурической практике обработки, что связано с более гладким и равномерным, чем в случае АМТ-диапазона, спектром поля. Однако реальные спектры наблюдаемых полей в АМТ-диапазоне обнаруживают присутствие большого количества пиков от гармоник промышленной частоты (как четных, гак и нечетных) до частот порядка первых килогерц. На примере реальных данных проведено сравнение качества получаемых спектральных оценок описанными выше методами и с использованием различных окон данных и корреляционных окон - Ханна, Наттолла и 20% косинусного сглаживания. Показано, что паи-

меньшие искажения спектральных оценок достигаются в случае использования периодограммного метода с окном Наттолла. Указывается также на неприменимость распространенных в маг-нитотеллурике процедур сглаживания спектральных оценок по частоте и использования расширяющейся полосы анализа с повышением частоты, приводящих к значительным ошибкам смещения в районе пиков от гармоник промышленной частоты и искажающих получаемые кривые зондирования. По тем же причинам величина номинального спектрального разрешения (связанная с полосой анализа) Г = 1/(2-Д1-М), где Д1 - интервал дискретизации, а N - количество оценок СПМ, получаемых при БПФ, должна составлять величину не более 10 Гц.

Дальнейшая обработка предусматривает нахождение компонент тензора импедансов. Обычно используется построение избыточных систем линейных уравнений, включающих либо гармоники Фурье, определенные по нескольким коротким интервалам записи компонент поля, либо комплексные амплитуды полей после узкополосной цифровой фильтрации [А.А.Ковтун, 1989; А.С.Сафонов. И.А.Безрук, В.В.Иогансен, 1988]. Указанные системы линейных уравнений решаются в дальнейшем методом наименьших квадратов. В настоящей работе рассматривается метод нахождения импедансных характеристик из системы уравнений, в которые входят спектральные плотности мощности регистрируемых сигналов, определенные по всему временному интервалу регистрации [Бит«,Вовик^тМ,1971], как более отвечающий целям полевой экспресс-обработки и оценки качества измерений и требующий меньших вычислительных затрат.

Принцип применения описанных процедур проиллюстрирован далее на ряде примеров записей, полученных в Донецкой области на Украине. Запись на пк 20.5, пр.4 участка "Бобриково" содержит интенсивные помехи от включения-выключения силовых установок, проявляющиеся только в записи электрических компонент. При традиционной обработке максимум и минимум оценки кривых зонднровния сильно отличаются (когерентность низка во всем рабочем диапазоне). После маркировки нескольких участков указанных помех и использования отбраковки интервалов по пиковым значениям, для выбора участков записи повышенной интенсивности,

минимальная и максимальная оценка кривой зондирования отличаются мало почти во всем рабочем диапазоне, когерентность находится на уровне 0.9. На записи, полученной на пк 20.75, кроме помех, аналогичных тем, которые зарегистрированы на пк 20.5, присутствуют также импульсные помехи, неотличимые по форме от атмосфериков. Данные помехи могут быть выявлены, так как проявляются только в записях электрических компонент. Применение маркировки участков помех и процедуры отбраковки позволяет добиться результатов, аналогичных полученным на пк 20.5. Наконец, помехи, проявляющиеся на записях электрических компонент на пк 21.0, представляют собой цуги колебаний с основной частотой 250 Гц. и длительностью порядка 0.25 сек. Обработка, аналогичная проведенной на предыдущих точках, позволяет также существенно улучшить качество получаемой кривой зондирования.

В заключение приводится описание особенностей реализации системы обработки данных, получаемых с аппаратурно-программным комплексом ИАМТП-8.

Глава 4. Исследования стабильности измеряемых величин импеданса естественных электромагнитных полей.

В условиях, когда аудиомагнитотеллурические поля создаются различными источниками, расположенными на различных расстояниях до пункта наблюдений, аппроксимация наблюдаемых полей плоской вертикально падающей волной не всегда правомерна, что может приводить к искажениям кривых зондирования [А.В.Вешев. П.М.Косткин, О.М.Морозова, 1989].

При обработке магнитотеллурических данных в большинстве случаев разброс в значениях компонент тензора импедансов превышает разброс, связанный с погрешностью решения системы уравнении, из которых они определяются [А.А.Ковтун, 1989; И.И.Рокитянский, 1981], что связывается с погрешностью аппроксимации поля плоской волной. На значительные изменения кажущегося сопротивления при АМТ-пзмерениях на нескольких контрольных пунктах в Финляндии в течение года указывается в [Lak.anen.l986].

С целью изучения возможных изменений характера источника аудиомагнитотеллурических полей, автором проводилось изучение временной стабильности импеданса в Восточном Забайкалье. на Кольском полуострове и в Ленинградской области.

В Восточном Забайкалье с 8 по 22 августа 1991 года в дневное время производились измерения горизональных составляющих и импеданса электромагнитного поля на контрольном пункте на частотах 4, 8, 16, 32, 80, 200, 400 Гц с использованием аппаратуры ЭСП-103. Измерения 18 - 19 августа проводились после трехдневного периода дождей во время прохождения заднего фронта области низкого давления. Изменения составляющих электромагнитного поля в эти дни почти вдвое превышали соответствующие изменения компонент в невозмущенный период. По сравнению со значениями импеданса в период невозмущенного характера изменения поля, значения, измеренные 18 августа на частоте 4 Гц больше на 90 - 100% , на частоте 8 Гц - примерно на 30%. Верхние части кривых зондирования, полученных 14 и 18 августа практически совпадают, значения рг на соответствующих частотах отличаются не более чем на 20%, однако значения рт. полученных 18 августа, на частоте 4 Гц в 3 - 5 раз, а на частоте 8 Гц - в 2 - 2,5 раза превышают соответствующие им значения рт в невозмущенный период.

В летнее время 1990 и 1991 годов изучались суточные вариации ЕЭМП на территории Панских тундр на Кольском полуострове. С 12 до 16 часов местного времени 9 июня 1990 г. изменение ЕЭМП имело невозмущенный характер, импеданс на частоте 20 Гц изменялся в пределах 1%. После 16 часов в результате резких и неодновременных изменений напряженностей электрического и магнитного полей величина импеданса изменялась в пределах 10 раз. В 1991 г производились измерения в течение 24 - 26 июня через каждый час на другом контрольном пункте в пределах того же участка работ. Колебания импеданса за время наблюдений на частотах 8 - 32 Гц составляли 15 - 20%.

28 -29 сентября 1995 года наблюдения горизонтальных компонент электрического и магнитного поля с аппаратурой ИАМТП-8 проводились на контрольном пункте, расположенном в 30 км южнее пос. Никель на Кольском полуострове. Наблюдения выполнялись через каждый час с 17 до 12 часов в широкой

полосе 3 - 800 Гц. Измерения в 22.00, 0.00, 1.00 сопровождались интенсивными полярными сияниями. При обработке находились оценки спектральных плотностей мощности горизонтальных компонент электромагнитного поля, величины обычных, частных и множественных когерентностей, кажущихся (скалярных) импе-дансов и основных компонент тензора импедансов. Колебания значений кажущихся импедансов как для минимальной, так и для максимальной оценок составили около 25% для ориентировки приемной линии по магнитному азимуту 47° и несколько большую величину - порядка 40% - для ориентировки 137°. При этом наблюдается постепенное увеличение как максимальной, так и минимальной оценки импеданса для данной ориентировки. Пределы изменений фазы импеданса составили 7°- 8° для обеих ориентировок. Колебания величины модуля основной компоненты тензора импеданса Z4 близки к соответствующим величинам для кажущегося импеданса Zkxy и составляют около 20%. Для компоненты Zyx пределы изменения значительно выше - до 80-90%, при этом "нмпедансная" и "адмитансная" оценки значительно различаются. и величины частной и множественной когерентностей довольно низки. Данный результат может указывать как на высокий уровень шумов при измерениях, так и на невозможность описания реально наблюдаемых полей линейной системой с тензорными соотношениями (т.е. возможное нарушение линейных связей).

В 1996 году производились наблюдения в течение суток 26 -27 июня на полигоне геологического факультета СПбГУ "Вуокса" с двухканальным прибором АКФ - 2.2. Измерения производились с интервалом 20 минут, а с 1000 до 170Э 26.06.96 через 6 - 7 мин. На частоте 32 Гц максимальные пределы изменения импеданса составили ± 6%>, на частоте 115 Гц - ± 8%, и были максимальными на частоте 285 Гц - ± 16%. При этом средний уровень когерентности был выше 0.9. таким образом рассмотренные колебания уровня импеданса не связаны с изменением отношения сигнал/шум.

Колебания значении кажущихся импедансов могут быть связаны с влиянием горизонтальных неоднородностей или анизотропности среды в районе точки наблюдения при изменении направления прихода волны. При тензорных измерениях исключается зависимость результатов измерении от поляризации па-

дающего поля. Полученные при измерениях колебания тензорных компонент - основных импедансов превышают, а в отдельные моменты значительно (до 5 раз) превосходят различие между верхней и нижней оценками и не могут быть объяснены погрешностями измерений. Изменения кажущихся импедансов в отдельные дни, достигавшие 10 раз (Кольский полуостров), также нельзя объяснить погрешностями измерений или влиянием изменения поляризации падающего поля. В последнем случае, правда, нельзя исключать влияния вертикальной электрической составляющей на результаты наблюдений при приближении местных гроз, так-как измерения производились с аппаратурой с несимметричным входом. Рассматриваемые изменения импеданса могут быть связаны с влиянием местных, близко расположенных источников. Кроме источников промышленных помех, в случае средних широт в качестве таких источников выступают местные грозы, а также различные метеорологические явления типа ливневых дождей. В высоких широтах подобные ОНЧ излучения могут быть связаны с ионосферными источниками. В результате проведенных экспериментальных наблюдений сделан вывод, что при проведении полевых работ методами АМТЗ, АМТП необходимо полевые измерения на рабочих профилях сопровождать наблюдениями импеданса на контрольном пункте в районе участка работ для оценки и учета возможных изменений импеданса во времени.

Глава 5. Примеры применения методов АМТЗ и АМТП

В пятой главе приведены результаты опробования ап-паратурно-программного комплекса ИАМТП-8 на примерах региональных работ на Кольском полуострове, и опытно-методических работ методом AMT на золоторудном месторождении в Донецкой области.

Во время работ в 1992 г на Кольском полуострове вдоль участка регионального профиля пос. Приречный - СГ-3 выяснялись возможности применения аудиомапштогеллурических методов при решении поисково-картировочных задач в рудных районах, комплексированпя с радиоэлектромагнитными зондированием и профилированием.

Северо-восточная часть исследуемого района соответствует Печенгской структуре и сложена породами печенгского комплекса. представляющего собой четыре крупных залегающих друг над другом вулканогенных покрова, разделенных пачками туфогенпо-осадочных пород.

Юго-западная часть профиля характеризуется распространением амфиболитов, биотитовых гнейсов и слюдисто-актинолитовых сланцев, обладающих значительной анизотропией электрических свойств. Простирание контактов пород и слоистость ориентированы с северо-запада на юго-восток перпендикулярно профилю наблюдений. Измерения аудиомагнито-теллурических полей проводились с использованием аппаратуры ЭСП-103 при ориентировках установки вкрест и вдоль профиля наблюдений. Наиболее четкая дифференциация пород по величине кажущегося сопротивления наблюдается на нижних частотах - 200 и 16 Гц. По характеру изменения рт по графикам профилирования можно выделить четыре крупных блока горных пород. Первый блок представлен граннтоидами, амфиболитами, гнейсами и сланцами тундровой серии. Второй блок характеризуется сланцами, туффитами, туфо-песчаниками. Породы третьего блока, приуроченного к зоне глубинного Порьи-ташского разлома, представлены пачками филлитов, алевролитов, песчаников и туфов, обладающих низким удельным сопротивлением и значительной его анизотропией. Четвертый блок соответствует району распространения диабазов четвертого вулканогенного покрова печенгского комплекса.

В 1995 г было проведено полевое опробование созданной в ВИРГ-"Рудгеофизике" аппаратуры ИАМТП-8 и разработанной автором системы обработки результатов измерений при работах вдоль участка траверса СГ-3 - Лиинахамари протяженное™ 52 км (А.А.Елисеев и др.. 1995). Кривые AMT зондирований полученные вдоль участка траверса, в основном, имеют тип А, Н, или НА. Геоэлектрический разрез в целом характеризуется увеличением сопротивления с глубиной и удовлетворительно совпадает с геологическим разрезом вдоль участка профиля. Минимальные значения рт (100 - 200 Ом.м) наблюдаются в юго-западной части профиля, приуроченной к Печенгской аномалии электропроводности. Центральная часть профиля, соответствующая породам

чарнокитовой толщи комплекса основания архейского возраста, характеризуется повышенными рт. В северо-восточной части профиля в верхней части разреза до глубины 1 - 12 км распространены породы Кольского комплекса, представленные гнейсами и мигматит-гранитами, которые отмечаются сопротивлением до 105 Ом.м. Результаты работ на участке показали значительно большую устойчивость разработанного аппаратурно-программного комплекса при работе в условиях высокого уровня промышленных помех, по сравнению с аппаратурой предыдущего поколения ЭСП-103, в первую очередь за счет лучшего разрешения по частоте и возможности оперативного контроля качества получаемых данных.

Опытно-методические работы на территории Украины проводились ВИРГ-"Рудгеофизикой" в 1996 г. и преследовали цели дополнительных полевых испытаний аппаратуры, системы обработки данных и методики проведения измерений, а также изучения возможностей метода АМТЗ при поисковых и разведочных работах на золоторудных месторождениях в районе Донбасса. По результатам зондирований, полученных по двум профилям на участке месторождения золото-пирит-арсенопнритовой минеральной ассоциации "Бобриково", областями пониженного сопротивления отмечаются рудовмещающий штокверк и зона смятия, контролирующая границу минерализованной области.

В заключении кратко повторяются основные результаты работы.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

1. Сравнительные возможности методов ВЭЗ и радиоаудиомагни-тотеллурического зондирования (РЭМАМТЗ) для определения поверхностного импеданса // Всесоюзное совещание по приземному распространению радиоволн и электромагнитной совместимости (Тезисы докладов), Улан-Удэ, 1990. Соавторы: Вешев A.B., Елисеев A.A.

2. Использование сверхнизкочастотных естественных электромагнитных полей и полей радиостанции для определения эффективного сопротивления подстилающей среды II 3 Всесоюзная науч.-техн. конференция "Прием п анализ сверхнизкочастотных колебаний естественного происхождения" (Тезисы докладов), Львов. 1990. ). Соавторы: Вешев A.B., Елисеев A.A.. Сомов Г.М.

! j

. Метод частотных электромагнитных зондирований с исполь-ованием полей радиостанций и естественных электромагнит-ых полей (РЭМАМТЗ) // Вестник Ленинградского ун-та, Сер.7, 991, вып. 2 (N 14). Соавторы: Вешев A.B., Елисеев A.A. и др. . Метод частотных электромагнитных зондирований с исполь-эванием естественных электромагнитных полей Земли и полей адиостанций //Резюме и доклады технической программы, 36 1еждународный геофизический симпозиум, Киев, 1991. Соавто-ы: Вешев A.B., Елисеев A.A., Сомов Г.М.

. Глубинное картирование рудных районов с использованием етодов аудиомагнитотеллурического профилирования \МТП). радиоэлектромагнитного и аудиомагнитотеллуриче-чого зондирования (РЭМАМТЗ) // Международная научная энференция "Геофизика и современный мир" (Тезисы докла-эв), М., 1993. Соавторы: Вешев A.B., Елисеев A.A. Аудиомагнитотеллурические методы и их использование эи решении задач глубинного геологического картирования и эисков месторождений полезных ископаемых // Международная офизическая конференция и выставка "Санкт-Петербург - 95" езнсы докладов), СПб, 1995. Соавторы: Елисеев A.A., Редь-> Г.В.. Федоров А.Б., Вешев A.B. Методы радиоэлектромагнитного и аудиомагнитотеллуриче-ого зондирования и профилирования и их использование при шепчи задач глубинного геологического картирования и по-ках месторождений полезных ископаемых // Международная нференция "Закономерности эволюции земной коры" (Тезисы кладов), т.1, СПб. 1996. Соавторы: Елисеев A.A., Ратников Д.. Редько Т.о., Федоров А.Б.. Вешев A.B.

Аппаратурно-методический комплекс изучения тензоров импе-иса естественных электромагнитных полей Земли выше 0.1 Гц я решения геологических задач // Международная геофизиче-1Я конференция и выставка Москва-97 (Сборник тезисов), зсква. 1997. Соавторы: Ратников К.Д., Елисеев A.A., Редь-Г.В.

9. Цифровая аппаратура для аудиомагнитотеллурических ме-юв AMTF// Геофизическая аппаратура, вып. 101, СПб, 1998, с. 92. Соавторы: Федоров А.Б.. Елисеев A.A., Ратников К.Д., 1ько Г.В.

Текст научной работыДиссертация по геологии, кандидата геолого-минералогических наук, Кочеров, Антон Борисович, Санкт-Петербург

Санкт-Петербургский Государственный университет

На правах рукописи

Кочеров Антон Борисович

Особенности измерений и обработки данных аудиомагнитотеллурических методов в условиях интенсивных помех

Специальность 04.00.12 —" Геофизические методы поисков и разведки

месторождений полезных ископаемых "

Диссертация на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

Научный руководитель: доктор геол.-мин. наук

А.В. Вешев

Санкт-Петербург 1998 г.

Оглавление:

Введение.........................................................................................................4

Глава 1. Особенности естественных электромагнитных полей звукового

и инфразвукового диапазона частот..............................................12

1.1. Характеристика естественных электромагнитных полей

Земли........................................................................................12

1.1.1. Естественные источники поля......................................12

1.1.2. Поля грозовой природы...............................................14

1.1.3. Поля магнитосферно-ионосферного происхождения 21

1.1.4. Импульсно - шумовой характер поля..........................25

1.1.5. Статистические свойства поля...................................30

Глава 2. Аппаратура, используемая для проведения работ методами

АМТЗиАМТП................................................................................33

2.1. Комплект аппаратуры ЭСП - 103 ..........................................33

2.2. Аппаратура ИАМТП-8...........................................................35

2.3. Аппаратура АКФ-2.2.............................................................38

Глава 3. Методика и техника измерений методами АМТЗ и АМТП и

обработка результатов наблюдений .............................................42

3.1. Методика и техника работ методами АМТЗ и АМТП

3.2. Техника работы и обработка результатов наблюдений с

комплектом ЭСП-103 ...........................................................44

3.3. Техника работы с аппаратурой ИАМТП-8............................47

3.4. Техника работы с аппаратурой АКФ-2.2................................50

3.5. Методика обработки результатов измерений естественных

электромагнитных полей с цифровой аппаратурой.............50

3.5.1. Требования к системе первичной обработки результатов AMT измерений........................................51

3.5.2. Цифровая фильтрация...................................................54

3.5.3. Методы проведения спектрального анализа зарегистрированных записей поля..............................56

3.5.4. Определение спектра сигнала при помощи

преобразования Фурье непосредственной реализации

(периодограммный метод)............................................58

3.5.5. Определение спектра сигнала при помощи преобразования Фурье автокорреляционной функции (коррелограммный метод)............................................60

3.5.6. Определение спектральной плотности методом узкополосной фильтрации............................................61

3.5.7. Выбор и использование эффективного окна...............62

3.5.8. Расчет импедансов и кажущихся сопротивлений........70

3.5.8.а) Скалярная обработка.......................................70

3.5.8. б) Получение тензора импедансов......................73

3.5.9. Подавление помех..........................................................79

3.5.10. Особенности реализации системы обработки данных АМТ-измерений...............................................83

Глава 4. Исследования характера изменения импеданса естественного

электромагнитного поля во времени............................................90

Глава 5. Примеры применения методов АМТЗ и АМТП........................110

5.1. Работы на Кольском полуострове..........................................110

5.1.1. Геологическая характеристика региона.......................110

5.1.2. Опытно - методические работы в районе СГ-3.........114

5.1.3. Работы вдоль участка траверса СГ-3 - Лиинахамари. 120

5.2. Работы в Донецкой области (Украина)..................................123

5.2.1. Геологическая характеристика района........................123

5.2.2. Результаты AMT зондирований на участке

"Бобриково".........................................................126

Заключение.....................................................................................................139

Список литературы........................................................................................140

Введение

Методы аудиомагнитотеллурического зондирования(АМТЗ) и аудио-магнитотеллурического профилирования (АМТП) являются высокочастотными аналогами широко используемых методов магнитотеллурического зондирования (МТЗ) и магнитотеллурического профилирования (МТП). Указанные методы используют естественные электромагнитные поля Земли в диапазоне от единиц герц до первых килогерц (т.н. "звуковой диапазон частот"). Соответственно глубинность данных методов в зависимости от характеристик геоэлектрического разреза и полосы частот, в которой производятся измерения, колеблется от первых сотен метров до десяти и более километров. Достоинствами методов является то, что они не требуют специальных искусственных источников возбуждения поля, обладают довольно высокой производительностью,особенно в варианте двухканальных измерений, и проведение работ может обеспечиваться полевой бригадой из 2 человек. Аудиомагнитотеллурические методы могут эффективно применяться для решения поисковых задач (особенно тел повышенной проводимости — поиски сульфидных руд, геотермальных зон и т.п.), задач геокартирования при наличии значительной контрастности блоков пород по электрическим свойствам, а также при решении структурно-геологических задач. Однако накопленный опыт работ показывает, что основной проблемой при применении метода АМТЗ остается невысокая воспроизводимость результатов наблюдений, обусловленная, с одной стороны, малой напряженностью естественных электромагнитных полей в AMT диапазоне и наличием довольно интенсивных промышленных полей-помех, а, с другой стороны, возможным несоответствием наблюдаемых полей принятой при их интерпретации модели вертикально падающей плоской волны. Такие поля ближних источников, даже при их естественном происхождении — например, вызываемые ближними грозами, могут также рассматриваться как помехи. Широкое применение метода АМТЗ в нашей стране до недавних пор сдерживалось отсутствием надежной портативной аппаратуры для проведения полевых работ.

Работы по использованию подобных "высокочастотных" естественных электромагнитных полей в СССР начались в конце 50-х годов [Владимиров, 1979], в США - в начале 60-х [Strangway, 1973].

В 60-х - 70-х годах в СССР в основном проводились работы методами переменного естественного электрического и магнитного поля (ПЕЭП и ПЕМП), за рубежом в 60-х годах применялся метод AFMAG [Ward et. al.1966]. В ВИРГе был разработан метод ПЕЭП (Метод ПЕЭП, 1973) и аппаратура для его реализации - МСЗ-1 и серия ЭСП (ЭСП-101, ЭСП-103). В ЦНИГРИ разработан метод ПЕМП и аппаратура ИНВЕМП (Векслер,Спасенных, 1975). Аппаратура серии ЭСП основана на аналоговой узкополосной фильтрации наблюдаемого поля для ряда выбранных частот и последующем интегрировании отфильтрованного сигнала для каждой частоты в течение периода измерения - 0.5 - 5 мин [Елисеев, Сомов, 1976]. Получаемые усредненные значения спектров электрического и магнитного поля использовались как информативный параметр, а также для расчета импеданса и кажущегося удельного сопротивления при проведении AMT зондирований. Основными недостатками выпущенного малой серией прибора ЭСП-103 являются невозможность оперативного контроля отношения сигнал/шум (и, соответственно, качества измерений), а также слишком большая относительная ширина полосы фильтрации (25%), что при работе в условиях значительной неравномерности спектров составляющих электромагнитного поля и присутствия в них значительных пиков (например при наличии значительного уровня полей промышленной частоты и ее гармоник), приводит к значительным искажениям получаемых оценок спектра и импеданса. Указанные недостатки ограничивали возможности применения портативной аппаратуры ЭСП-103 в районах со значительным уровнем индустриальных помех.

За рубежом в 60-х - 70-х и начале 80-х годов наблюдения АМТ-методом проводились в т.н. "скалярной" модификации, с использованием измерений двух компонент поля - ортогональных электрической и магнитной и расчетом величины кажущегося удельного сопротивления (в отличие от применявшейся в низкочастотной магнитотеллурике одновременной регистрации

четырех горизонтальных - Ex, Еу, Нх, Ну, и вертикальной магнитной Hz компонент поля с получением при обработке тензора импедансов). При этом использовалась различная аппаратура, принципиально аналогичная аппаратуре серии ЭСП [Benderitter, Gerard,1984; Hoover et. al.,1978; Strangway, Koziar, 1979; Telford, 1977]. Наибольшую популярность получил прибор ЕС А-542-0 (Франция) [Hjelt,1982; Pelkonen et. al.,1979; Lakanen,1986; Васин, 1989].

В начале 80-х годов в НИИФ ЛГУ были разработаны макеты портативных станций для АМТ-зондирований в диапазоне 1-5000 Гц, основанных на фильтрации компонент электромагнитного поля с выводом результатов фильтрации на ленту самописца. При этом при обработке производилось определение элементов тензора импеданса [Ковтун,1989; Комолов, Моисеев и др.,1989].

В 80-х годах были предложены варианты построения станций для аудиомагнитотеллурических измерений на основе блоков цифровой измерительной аппаратуры промышленного производства - цифровых вольтметров, цифровых спектроанализаторов Hewlett Packard, соединенных с микрокомпьютером [Башкуев и др.,1989; Labson, 1985].

В настоящее время имеется несколько вариантов промышленной цифровой аппаратуры, позволяющей выполнять АМТ-зондирования. Двухка-нальная аппаратура SAMTEC 1 (фирма BRGM, Франция) предназначена для проведения скалярных аудиомагнитотеллурических измерений в диапазоне 1 - 7500 Гц, а комплект SAMTEC 2 позволяет производить тензорные AMT зондирования в том же диапазоне с регистрацией 2 электрических и 3 магнитных компонент поля. Комплект аппаратуры GMS 05 фирмы Metronix (Германия) позволяет производить в дополнение к МТЗ в диапазоне частот выше 1/4096 Гц и АМТ-измерения в диапазонах 8 - 256 Гц и 256 - 8192 Гц с использованием до 8 каналов. Многофункциональный приемник V-5 фирмы Phoenix Geophysics Limited (Канада) позволяет проводить работы, наряду с другими электроразведочными методами, также методами МТЗ и АМТЗ в диапазоне частот до 10000 Гц, обеспечивая до 16 измерительных каналов. Ряд университетов занимается также разработкой соб-

ственных макетов аппаратуры AMT зондирований [Clerc et. al., 1984, Fujii et. al., 1989, Wang Zuqin, 1988; Brasse, Rath, 1997].

Применявшиеся в нашей стране цифровые станции серии ЦЭС обеспечивали выполнение МТ зондирований на частотах до 100 Гц, захватывая лишь небольшую часть аудиомагнитотеллурического диапазона.

Таким образом, распространение AMT зондирований в нашей стране и более широкое применение их для решения различных поисковых, геологосъемочных, инженерно-геологических задач сдерживалось отсутствием надежной портативной аппаратуры. Возникла необходимость создания цифровой аппаратуры метода АМТЗ.

Специально для проведения АМТ-измерений в НИИЗК СПбГУ создана серия портативных приборов семейства АКФ (первый прибор в 1992 г.), позволяющих проводить измерения естественных электромагнитных полей в диапазоне 3Гц - 12 кГц (четырехканальная аппаратура АКФ-4), 3Гц -340 Гц (двухканальный АКФ-2.2). С начала 90-х годов работы по созданию цифровой аудиомагнитотеллурической аппаратуры были начаты и в ВИРГ-"Рудгеофизике", в связи с чем возникла необходимость разработки системы обработки данных.

В настоящее время кроме названных комплектов созданы также прототипы AMT-станций НИИФ СПбГУ [Смирнов и др., 1998] и ГИ КНЦ РАН.

Целью работы являлось повышение геологической эффективности применения аудиомагнитотеллурических измерений при решении геологосъемочных и поисковых задач в рудных районах, характеризующихся повышенным уровнем помех, и, в частности, разработка системы обработки данных измерений, получаемых с созданной в 90-х годах в НИИЗК СПбГУ и в ВИРГ-"Рудгеофизике" цифровой аудиомагнитотеллурической аппаратурой.

При создании системы обработки аудиомагнитотеллурических данных было необходимо решить следующие задачи :

- провести исследования наблюдаемых электромагнитных полей звукового диапазона частот и на основе анализа их спектральных, временных,

статистических характеристик, а также специфики создаваемой аппаратуры разработать требования к указанной системе;

- учитывая, что основой проводимой обработки, как правило, является цифровой спектральный анализ, по результатам опробования различных методов оценивания спектров реальных электромагнитных полей звукового диапазона частот выбрать оптимальные процедуры и параметры для системы обработки;

- опробовать созданную систему обработки данных цифровой аппаратуры метода АМТЗ в процессе получения практических материалов с новой аппаратурой, оценить эффективность разрабатываемого аппаратурно-программного комплекса;

С 1988 года автором проводились исследования характеристик естественных электромагнитных полей с целью модификации методики измерений при проведении АМТЗ для улучшения воспроизводимости результатов наблюдений и повышения точности измерений. Полевые работы выполнялись, как правило, совместно с полевой партией N 29 НПО "Рудгеофизика". Вместе с проф. А.В.Вешевым автор со стороны НИИЗК СПбГУ принимал участие в составлении совместно с ВИРГом "Методического руководства по методам электроразведки с неконтролируемыми источниками". Разработанная автором при участии А.А.Елисеева программа обработки результатов измерений методами ПЕЭП и АМТЗ с аппаратурой ЭСП-103 хранится в фонде алгоритмов и программ ВИРГа. С 1993 года автор принимал участие в разработке ВИРГ-"Рудгеофизики" макетов цифровой многоканальной аппаратуры ИАМТП для широкополосной регистрации естественных электромагнитных полей в диапазоне от долей герц до первых килогерц. При этом, в частности были написаны первые версии программного обеспечения для регистрации данных измерений, а также подсистема препроцессинга и обработки данных АМТрго для аппаратуры ИАМТП-8, применяемая в настоящее время.

В результате выполненных исследований на защиту выносятся следующие положения :

1. Процедуры обработки аудиомагнитотеллурических данных, в отличие от применяемых в магнитотеллурических методах, должны учитывать неравномерный характер спектра электромагнитных полей звукового диапазона частот и вероятное присутствие в спектре большого количества пиков от полей помех.

2. При обработке данных АМТЗ, получаемых в условиях влияния интенсивных полей промышленной частоты и ее высокочастотных гармоник, перио-дограммный метод спектрального анализа является более эффективным, по сравнению с коррелограммным и методом фильтрации во временной области, позволяя проводить более эффективную локализацию участков спектра, обусловленных влиянием помех, и их исключение и давая возможность выделять частотные интервалы исследуемого естественного поля. При этом необходимо использовать спектральное окно, обеспечивающее интенсивное подавление боковых лепестков и спектральное разрешение, исключающее перекрытие спектральных пиков от соседних гармоник.

3. Разработанное программное обеспечение первичной обработки данных, получаемых с цифровой аппаратурой AMT, с использованием цифровой фильтрации, ручного и автоматического выбора рабочих интервалов и спектрального анализа периодограммным методом с выбранным окном и изменяемым разрешением обеспечивает проведение как экспресс-анализа результатов измерений непосредственно на полевых точках, позволяя оценивать качество материалов и оперативно вносить изменения в технику работ, так и полной обработки данных.

4. Для получения достоверных AMT измерений (особенно при использовании двухканальных вариантов аппаратуры) необходимо выполнять предварительные временные измерения импеданса и выбор на их основании наиболее целесообразных временных интервалов для проведения работ в данном регионе, а измерения на рабочих профилях сопровождать контрольными измерениями импеданса на базисном пункте.

В первой главе диссертации приведен краткий обзор имеющихся в литературе данных об источниках и характеристиках естественных электро-

магнитных полей, а также результаты собственных исследований временных и спектральных свойств наблюдаемых полей.

Во второй главе приведены сведения о комплектах аппаратуры, использованной при выполнении исследований, их технических характеристиках. Так как аппаратура, применяемая для производства аудиомагнитотел-лурических зондирований часто представляет собой магнитотеллурические станции, позволяющие производить измерения в ряде частотных диапазонов, 1-2 из которых относятся к звуковому диапазону частот (Metronix, Phoenix, EMI), применяются стандартные магнитотеллурические процедуры обработки полученных данных, и в литературе приводится мало данных об особенностях методики работы с использованием данного диапазона относительно "высоких частот".

Однако, поскольку наблюдаемые аудиомагнитотеллурические поля вызываются другими источниками, могут иметь отличающиеся статистические свойства и спектральные характеристики (см. гл.1), применяемые при обработке магнитотеллурических данных процедуры могут не быть оптимальными в данно�