Проведение магнитно-теллурического зондирования при помощи аппаратуры компании Phoenix Geophysics Ltd

Курсовой проект

на тему:

«Проведение магнитно-теллурического зондирования при помощи аппаратуры компании Phoenix Geophysics Ltd»

1. Теоретические основы МТЗ

 

1.1 Физико-математические основы магнитотеллурических методов

Наблюдения магнитного поля Земли в течении длительного времени показывают, что величина и направление этого поля непрерывно меняются во времени. Эти изменения получили название вариаций геомагнитного поля. Принято различать два вида вариаций:

1.       вариации, обусловленные внутренним источником;

2.       вариации, вызываемые внешним источником;

Геомагнитные вариации, обусловленные внутренним источником, имеют периоды, исчисляемые многими столетиями, десятилетиями и годами. Эти вариации связаны с процессами, происходящими в глубинных слоях Земли - земном ядре.

Геомагнитные вариации, обусловленные внешним источником, имеют периоды от долей секунд до 11 лет. Они вызываются процессами, происходящими вне Земли - в околоземном космическом пространстве.

Согласно законам электромагнитной индукции вариации геомагнитного поля возбуждают в Земле переменное электрическое поле и соответственно электрический ток. Величина этого тока тем больше, чем быстрее меняется во времени магнитное поле. Вековые вариации связаны со столь медленными изменениями магнитного поля, что практически не приводят к появлению электрического тока. В то же время вариации, обусловленные внешним источником, могут возбуждать в Земле сильные токи, доступные для измерения и наблюдения. Эти токи получили название земных или теллурических токов. В целом поле геомагнитных вариаций носит название магнитотеллурического поля.

Природа магнитотеллурического поля тесно связана с процессами, происходящими на Солнце. В результате этих процессов Солнце непрерывно выбрасывает в космическое пространство мощные потоки заряженных частиц - корпускул, образующих т.н. солнечный ветер. Основная причина возмущений геомагнитного поля Земли связана с существованием солнечного ветра и с процессами, происходящими при взаимодействии солнечного ветра с магнитным полем Земли. Корпускулярный поток, составляющий солнечный ветер, обладает высокой электрической проводимостью, поэтому магнитное поле Земли не может проникнуть внутрь него. При этом возникает достаточно четкая граница между областью, где существует магнитное поле Земли, и областью, где его нет. Наиболее активной зоной, в которой возбуждаются магнитотеллурические вариации различных типов, является граница магнитосферы и пограничный слой, отделяющий ее от солнечного ветра.

В первом приближении магнитное поле Земли можно рассматривать как поле постоянного магнитного диполя, расположенного в центре Земли. Однако под действием давления солнечного ветра поле диполя искажается. В самом деле, в солнечном ветре поток частиц движется в среднем со скоростью 400 км/с, в результате чего солнечный ветер как бы «перекидывает» магнитные силовые линии с дневной стороны на ночную. Таким образом, магнитосфера имеет вид затупленного снаряда, «летящего» в сторону Солнца. По современным данным на дневной стороне Земли граница магнитосферы удалена от земной поверхности примерно на 60 тыс. км, а на ночной - протягивается, по крайней мере, на расстояние, равное 100 радиусам Земли.

Интенсивность и скорость солнечного ветра постоянно меняются во времени в связи с изменениями солнечной активности, т.е. с внутренними процессами, происходящими на Солнце. В результате магнитосфера как бы пульсирует: магнитные силовые линии то прижимаются к Земле, то отходят от нее, вызывая тем самым вариации геомагнитного поля на ее поверхности.

Очевидно, что в то время как поверхность Земли на большей части широт «защищена» магнитным полем от непосредственного попадания заряженных частиц солнечного происхождения, на высоких широтах на дневной поверхности Земли силовые линии образуют своеобразную воронку, составленную из конусов, повернутых в сторону Солнца. Эти широты оказываются открытыми для солнечного излучения, поэтому указанная область является особенно чувствительной к порывам солнечного ветра. При этом определенное количество заряженных частиц проникает внутрь магнитосферы - в ионосферу, образуя в ней электрические токи. Растекаясь по ионосфере, электрические токи концентрируются в приполярных зонах, где повышенная электропроводность вызвана вторжением энергичных заряженных частиц. В результате возникает струйный ток шириной до сотен и длиной несколько тысяч километров. Струйный ток порождает возмущения геомагнитного поля, длящиеся от получаса до двух часов.

 

1.2 Типы вариаций естественного электромагнитного поля

Теллурическое поле имеет очень низкую частоту. Природа низкочастотного МТ-поля в первую очередь связана с взаимодействием исходящего от Солнца и изменяющегося во времени потока заряженных частиц с магнитосферой и ионосферой Земли. Колебания МТ-поля частотой свыше 1 Гц в наибольшей степени обусловлены грозовой активностью.

Высокочастотные вариации связаны в основном с полями дальних гроз и называются атмосфериками. Они наиболее интенсивны в диапазоне частот от первых Гц до первых КГц. Причем в этом диапазоне имеется ряд резонансных частот.

Основными типами вариаций естественного электромагнитного поля, используемыми в магнитотеллурических методах исследования, являются:

1.       пульсации;

2.       бухтообразные возмущения;

.        солнечно-суточные вариации;

.        мировые магнитные бури;

1.3 Пульсации

Представляют собой короткопериодные колебания геомагнитного поля с диапазоном частот от сотых долей герца до десятых долей герца. Короткопериодные вариации имеют относительно малую амплитуду: в средних широтах амплитуды КПК обычно не превышают нескольких единиц нанотесл и лишь в высоких широтах могут возрастать до десятков, а в отдельных случаях до сотен нанотесл.

По своей структуре КПК подразделяются на два класса:

1.       Устойчивые пульсации;

2.       Иррегулярные пульсации;

Пульсации Pc характеризуются устойчивыми квазисинусоидальными колебаниями магнитотеллурического поля с периодами от 0,2 до 1000 с. Пульсации Pi носят неравномерный характер и представлены изолированными цугами колебаний. Они имеют характерные периоды от 1 с до нескольких минут.

Происхождение геомагнитных пульсаций связано, со сложными процессами, происходящими в магнитосфере Земли. Согласно одной из точек зрения, пульсации являются результатом собственных колебаний силовых линий геомагнитного поля под «порывами» солнечного ветра.

1.4 Солнечно-суточные вариации

Это вариации геомагнитного поля с периодом, равным продолжительности солнечных суток. Они хорошо заметны на магнитограммах. В средних широтах суточный ход горизонтального магнитного поля составляет приблизительно 50 нТл. В зависимости от активности солнечно-суточные вариации разделяют:

1.       на спокойные;

2.       на возмущенные;

Солнечно-суточные вариации объясняются существованием в Северном и Южном полушариях токовых систем в ионосфере на высотах порядка 100 км. Sq-вариации имеют важное значение для глубинного электромагнитного зондирования Земли благодаря простоте выделения и возможности набора достаточно представительных данных.

1.5 Мировые магнитные бури

Обусловлены особенно сильными процессами, происходящими на Солнце, при которых Солнце выбрасывает в космическое пространство мощные потоки заряженных частиц - корпускул. В результате взаимодействия интенсивных потоков солнечной плазмы с магнитосферой Земли происходит резкая деформация и сжатие последней, вследствие чего напряженность магнитного поля на поверхности Земли скачкообразно увеличивается. Этот скачок получил название «внезапное начало». Кроме того, происходит интенсивное вторжение заряженных частиц непосредственно в магнитосферу Земли. При этом протоны и электроны в магнитосферной плазме вращаются вокруг магнитных силовых линий, образуя экваториальный кольцевой ток., диаметр которого составляет около 4 - 5 диаметров Земли.

«Внезапное начало» длится от 1 до 6 часов, а главная фаза мировой бури, связанная с существованием экваториального кольцевого тока, от 1 до 5 суток. Характерной особенностью магнитной бури является ее глобальный характер. Благодаря значительному удалению от Земли поле кольцевого тока у земной поверхности в первом приближении можно считать однородным. Таким образом, однородное магнитное поле, меняющееся во времени, является удовлетворительной моделью вариаций данного типа. Амплитуды вариаций, обусловленных мировыми бурями, могут достигать многих нанотесл.

Наиболее слабые вариации МТ-поля относятся к диапазону от 0,1 до 1 Гц. Вследствие этого в нем особенно сильно проявляются помехи.

Интенсивность и частотный состав вариаций МТ-поля сильно зависят от географической широты точки наблюдений, от времени года и от времени суток. Для разных видов вариаций эта зависимость различна, однако в целом наибольшая интенсивность изменений МТ-поля наблюдается в высоких широтах и в летнее время.

В простейшей ситуации, когда разрез земли однороден и характеризуется постоянной удельной электропроводностью σ₁, выражение для импеданса приобретает вид:

Z = ωμ₀/k₁

так как в этом случае приведенный импеданс R₁ = 1.

Формула позволяет определить удельное электрическое сопротивление ρ₁ = 1/σ₁ однородного разреза. Подставляя в выражение для волнового числа

,

получаем:

.         

Таким образом, по измерениям импеданса Тихонова - Каньяра на поверхности однородной земли можно определить удельное электрическое сопротивление среды. На практике же для описания разреза используют не однородную, а, по крайней мере, горизонтально-слоистую модель среды. В этом случае также можно формально пользоваться соотношением, однако при этом получается не истинное сопротивление какого-либо слоя разреза, а некоторую фиктивную, кажущуюся величину, называемую кажущимся удельным электрическим сопротивлением и обозначаемую, так же как и в электроразведке на постоянном токе, символом ρ_к:

Глубина проникновения плоской электромагнитной волны в землю определяется частотой ω. На высоких частотах в силу скин-эффекта поле проникает в землю неглубоко. Следовательно, поле как бы «не чувствует» влияния второго и последующего слоев, для него среда становиться практически однородной с удельным электрическим сопротивлением, равным сопротивлению первого слоя. Это означает, что при ω → ∞ ρ_k → ρ₁. с понижением частоты плоская волна проникает во второй и более глубинные слои разреза, поэтому на величину ρ_k начинают влиять сопротивления ρ₁, ρ₂ и т.д. Таким образом, кажущееся сопротивление в магнитотеллурических методах, также как и в методах ВЭЗ или ДЗ, является сложной интегральной характеристикой объема, поглощающего поле. Вместе с тем в модели Тихонова - Каньяра может быть дана достаточно простая физическая интерпретация этого понятия, поясняющая связь кажущегося сопротивления с истинным распределением сопротивлений в слоистом разрезе.

Для выяснения этой связи обратимся к первым двум уравнениям Максвелла, на основании которых для плоской волны в соответствии с формулами и можно записать:

dE_x/dz = iωμ₀H_y;

ρ_n dH_y/dz = E_x;

где ρ_n = 1/σ_n - одномерное распределение удельных электрических сопротивлений в разрезе.

Умножая левую часть на правую часть и, наоборот, правую часть на левую часть, запишем:

Внося в левой и правой частях последнего равенства поля E_x и H_y под знак дифференцирования, получаем:

Сокращая множители Ѕ и интегрируя по z от 0 до ∞, записываем

Подставляя в, а затем в, находим

В модели Тихонова - Каньяра земля состоит из N однородных слоев. Следовательно, разбивая интеграл в правой части на сумму интегралов по каждому однородному слою, получаем:

,

q_j =

Таким образом, кажущееся сопротивление есть средневзвешенное сопротивление земных слоев. Чем сильнее магнитное поле поглощается внутри слоя, тем больше вес │q_j│ слоя. Основной вклад дают слои, охваченные скин-эффектом. Высокопроводящие слои проявляются лучше плохопроводящих слоев, так как в первых наблюдается более сильный скин-эффект. С понижением частоты скин-эффект ослабевает в верхних слоях, поэтому их влияние уменьшается, а влияние более глубоких слоев увеличивается.

Описанные выше свойства импеданса и кажущегося электрического сопротивления позволяют сформулировать основную идею метода магнитотеллурического зондирования, предложенного А.Н. Тихоновым и Л. Каньяром в начале 50-х годов.

Метод заключается в регистрации на поверхности земли в некоторой точке горизонтальных компонент магнитотеллурического поля и вычислении по ним импеданса Тихонова - Каньяра. По определенному указанным образом импедансу вычисляется кажущееся сопротивление ρ_к как функция частоты ω.

Основной задачей интерпретации полевых кривых МТЗ является восстановление одномерного распределения сопротивлений в разрезе ρ_к по параметрической зависимости ρ_к от ω.

В модели Тихонова - Каньяра, являющейся основной в теории магнитотеллурических методов исследования, внешнее электромагнитное поле описывается плоской волной, вертикально падающей на границу раздела земля - воздух. Эта модель позволяет разработать теорию магнитотеллурических зондирований горизонтально-слоистых геоэлектрических сред. Вместе с тем важно научиться решать задачу о распространении поля произвольной системы магнитосферно-ионосферных токов в горизонтально-слоистой среде. Эта задача имеет фундаментальное значение как в теории магнитовариационных методов, так и при электромагнитных зонированиях с контролируемыми источниками, поскольку дает основу для нахождения нормального электромагнитного поля, под которым понимается поле произвольных внешних источников в одномерной модели Земли.

1.6 Электромагнитное поле в горизонтально-неоднородной среде

Реальный разрез Земли неоднороден как в вертикальном, так и в горизонтальном направлениях, поэтому для построения достаточно полной теории магнитотеллурических методов геофизических исследований необходимо изучить основные закономерности распределения МТ-поля в неоднородных проводящих средах

1.6.1 Понятие о внешней и внутренней, нормальной и аномальной частях электромагнитного поля

Рассмотрим модель, в которой проводящая земля при z = 0 граничит с однородной непроводящей атмосферой распределение электропроводности в земле может быть представлено в виде

где σ_n - нормальное распределение электропроводности, характеризующее N-слойный горизонтально-слоистый разрез;  - аномальные электропроводности, равные отклонению сопротивления неоднородной области D от нормального разреза,

, .

Поле в модели возбуждается сторонними магнитосферно-ионосферными токами, распределенными с плотностью  в области Q в верхнем полупространстве.

Определение 1. Поле сторонних магнитосферно-ионосферных токов  в отсутствии проводящей земли называются внешним полем. Оно обозначается .

Определение 2. Часть полного поля, создаваемая теллурическими токами, индуцированными в проводящей земле, называется внутренним полем: .

Таким образом, полное электромагнитное поле в модели может быть представлено в виде суммы внутреннего и внешнего полей:

;

При этом уравнения внешнего поля имеют вид

;

Для описания электромагнитного поля в рассматриваемой модели наряду с разложением можно использовать представление полного поля в виде суммы нормального  и аномального  полей:

;

Определение 3. Поле сторонних магнитосферно-ионосферных токов , возбуждаемое в нормальном, горизонтально-слоистом разрезе земли σ_n, называется нормальным полем.

Определение 4. Часть полного поля, возникающая за счет избыточных токов , текущих в неоднородной области D, называется аномальным полем.

Уравнения нормального поля могут быть представлены в виде

;

1.6.2 Аномальные электромагнитные поля и их классификация

Аномальные электромагнитные поля, или электромагнитные аномалии, обусловлены действием горизонтальных геоэлектрических неоднородностей разреза. В зависимости от глубины залегания геоэлектрических неоднородностей электромагнитные аномалии делятся на два класса:

1.       поверхностные аномалии, вызванные неоднородностями приповерхностного слоя, образованного осадочным чехлом и водой морей и океанов;

2.       глубинные аномалии, связанные с неоднородностями консолидированной и верхней мантии.

Если поверхностные и глубинные аномалии накладываются друг на друга, формализация этих понятий затрудняется. Аномальное поле поверхностного происхождения возбуждает глубинные геоэлектрические неоднородности и, следовательно, вносит вклад в глубинные аномалии, а аномальное поле глубинного происхождения возбуждает геоэлектрические неоднородности осадочного чехла и, следовательно, участвует в формировании поверхностных аномалий. Такие аномалии можно разделить исходя из распределения избыточных токов. Обширные аномалии, простирающие на сотни тысяч километров, носят название региональных. Региональные аномалии отмечаются над крупными тектоническими структурами или над зонами с повышенной электропроводностью верхней мантии. К региональным относятся аномалии, обусловленные влиянием океана.

На фоне региональных аномалий наблюдаются локальные аномалии, размеры которых исчисляются десятками километров. Локальные аномалии могут быть связаны с мелкой складчатостью осадочных пород, глубинными разломами, гидротермальными зонами, местами скопления углеводородов, очагами плавления корового или мантийного вещества и пр.

Форма электромагнитных аномалий зависит от геометрии геоэлектрических неоднородностей. В электроразведке рассматриваются двумерные и трехмерные неоднородности. Двумерные неоднородности - это математическая абстракция, существующая только в теории. Однако, если реальная неоднородность вытянутая в каком либо направлении и ее продольный размер намного больше поперечного, аномальное электромагнитное поле можно рассматривать как двумерное, то есть не зависящая от одной их пространственных координат. Такие аномалии называются квазидвумерными. Аномалии, не удовлетворяющие условию квазидвумерности, считаются трехмерными.

1.7 Соотношение между компонентами ЕЭМП в условиях горизонтально-неоднородного разреза. Кривые магнитотеллурического зондирования

Физико-математические основы магнитотеллурического метода строятся на предположении о том, что поле представляет собой плоскую электромагнитную волну, падающую на горизонтальную дневную поверхность под произвольным углом, зависящим от географического положения исследуемой площади и распределения источников электромагнитного поля в ионосфере. При этом, на поверхности Земли регистрируются 4 компоненты ЕЭМП две ортогональных горизонтальных электрических компоненты и две ортогональных горизонтальных магнитных компоненты: Ex, Ey, Hx, Hy. Чтобы избавиться от необходимости знать параметры источника вводится понятие импеданса - нормировки электрической компоненты ЕЭМП на ортогональную магнитную:

Z = Ex/Hy = - Ey/Hx.

Величина обратная импедансу носит название адмитанс:

Y = Hy/Ex = - Hx/Ey.

Это предположение справедливо в случае горизонтально-слоистой однородной среды. Если разрез горизонтально неоднороден то соотношения между компонентами ЕЭМП принимают более сложный характер:

Ex = Zxx*Hx+Zxy*Hy

Ey = Zyx*Hx+Zyy*Hy

Hx = Yxx*Ex+Yxy*Ey

Hy = Yyx*Ex+Yyy*Ey. 

В этом случае вводится понятие тензора импеданса и тензора адмитанса:

Компоненты Zxy, Zyx называются главными компонентами тензора импеданса, а компоненты Zxx, Zyy - дополнительными. В горизонтально-слоистой среде дополнительные компоненты тензора импеданса значительно меньше главных, а главные компоненты равны между собой.

Результаты обработки данных МТЗ представляются обычно в виде графиков кривых компонент тензора импеданса, кажущихся сопротивлений и фазовых кривых. По оси абсцисс при этом откладывается значение квадратного корня из периода. Все построения ведутся в логарифмическом масштабе.

Кривые кажущегося сопротивления качественно отражают изменение сопротивления разреза с глубиной. При этом их восходящие и нисходящие ветви в горизонтально-слоистой среде не могут идти круче, чем под 63⁰25’. В левой и правой частях кривые асимптотически выходят на значения, отвечающие соответственно сопротивлениям верхнего и нижнего слоев разреза.

Кривые фазы импеданса имеют смысл производных кривых кажущегося сопротивления по . Причем глубинность фазовых кривых несколько выше. Фаза импеданса меняется в пределах от -90⁰ до 0⁰. В левой и правой частях кривые фазы импеданса выходят на значение, равное -45⁰.

2. Аппаратура для проведения магнитотеллурических измерений

 

2.1 Развитие аппаратуры для МТ измерений

Состав МТ аппаратуры в 60-е годы ограничивался аналоговыми фильтрами, усилителями и регистрирующими устройствами. Регистрация производилась обычно на ленту самописца или фотобумагу. Дальнейшая обработка полученных записей проводилась вручную.

В 70-е годы в составе МТ аппаратуры появились аналогово-цифровые преобразователи, и запись полей стали производить в цифровой форме на магнитную ленту. Дальнейшая обработка полученных в поле записей производилась в стационарных вычислительных центрах на ЭВМ общего назначения. Объем и вес аппаратуры делал необходимым использование грузовых автомашин для ее размещения и перевозки При необходимости синхронизация работы нескольких станций осуществлялась по радиосигналу. В СССР было изготовлено и использовалось свыше 500 станций этого типа - ЦЭС-1 и ЦЭС-2.

В 80-е годы с появлением портативных микрокомпьютеров многие коммерческие образцы аппаратуры стали производить обработку данных в реальном времени с выводом результатов на встроенный дисплей. В связи с широким распространением схем измерений с удаленной или локальной базисной точкой возросло также количество каналов - до 10-16. Для синхронизации работы нескольких приборов использовались различные кабельные соединения и сигналы от внешних прецизионных часов.

Последнее поколение аппаратуры, появившееся в конце 90-х годов, основывается на использовании изолированных независимых влагозащищенных модулей для измерения как 5 компонент поля, так и только 2 электрических или только магнитных. Каждый модуль содержит 24-битное АЦП, микропроцессор, собственный объем флэш-памяти или жесткий диск для записи данных и GPS-блок для синхронизации с помощью сигналов спутников. Некоторые производители используют также соединения модулей в локальную сеть с помощью сетевых кабелей. Установка параметров и режима измерений производится с использованием подключаемого полевого компьютера. Обработка данных также полностью вынесена на внешний компьютер. Простота использования полевого измерительного модуля снижает требования к квалификации оператора. Синхронизация по спутниковым сигналам обеспечивает простоту подбора конфигурации аппаратуры для съемки в виде набора из любого количества модулей для решения практически любых задач, включая 3D съемки и мониторинг процессов во времени.

МТ-24 требует кабельного соединения модулей в локальную сеть и наличия центрального управляющего модуля, производящего обработку и сохранение данных на диске. Координаты с помощью GPS определяются только для управляющего модуля. МТU отличается от остальных комплектов тем, что для установки параметров, начала работы и снятия данных не требует наличия в поле внешнего компьютера, т.к. все перечисленные задачи решаются сменой модулей памяти.

Аппаратура System 2000 фирмы Рhоеniх Сеорhysics

Центральным узлом аппаратуры System 2000 является приемник МТU. В настоящее время разработаны следующие варианты приборов для различных частотных диапазонов, собранные в одинаковых корпусах и отличающиеся электронными компонентами и встроенным программным обеспечением:

МТU                    2000 с - 400 Гц

АМТ                    1-10000 Гц

LRМТ       30000 с - 6 Гц

Измерительные модули МTU выпускаются в нескольких исполнениях:

МТU-5 позволяет регистрировать сигналы 2 Е-каналов и 3 Н-каналов.

МТU-2Е позволяет подключать 2 электрических канала.

МТU-ЗН служит для измерения 3 магнитных каналов.

Использование указанных модулей в различных сочетаниях обеспечивает значительную гибкость в подборе конфигурации для конкретных задач. Оцифровка данных производится с использованием 24-битного АЦП. Синхронизация работы приемников производится с помощью ОР8, при этом используется всемирное - UТС. Приемники МТU выполняют регистрацию данных с использованием 3 различных частотных диапазонов с разными частотами дискретизации. Может использоваться один из нижеперечисленных режимов:

1 Режим 82000, в котором частоты дискретизации 15 Гц, 150 Гц, 2400 Гц.

2 Режим совместимости с V5 для частоты сети 50 Гц - частоты дискретизации 24 Гц, 320 Гц, 2560 Гц.

3 Режим совместимости с V5 для частоты сети 60 Гц - частоты дискретизации 24 Гц, 384 Гц, 3072 Гц.

Регистрация низкочастотных и высокочастотных данных производится одновременно. В низкочастотном диапазоне L5 регистрация производится непрерывно. Время начала и конца сеанса наблюдений задаются пользователем перед началом измерений. Время начала и конца измерений средне - и высокочастотных данных задается отдельно и должно лежать в пределах интервала, заданного для низкочастотного диапазона. Регистрация в диапазонах LЗ и L4 выполняется отдельными непрерывными интервалами в порядке, установленном пользователем. Длительность непрерывного интервала в среднечастотном диапазоне L4 может составлять от 1 до 16 сек. Длительность непрерывного интервала в высокочастотном диапазоне LЗ может быть 1 или 2 сек. При этом начинаться интервалы измерения могут с начала каждой четной минуты для диапазона L4 и каждой нечетной минуты в диапазоне LЗ. Можно увеличить промежуток времени между измерениями, задав целый коэффициент, указывающий, что измерения производятся каждую четную или нечетную минуту.

Приемник имеет параллельный порт ЕСР для подключения внешнего полевого компьютера для установки параметров измерения, контроля работы прибора и получения данных измерений. Современные версии МТU позволяют также производить простую замену модулей внутренней памяти, содержащей файлы с параметрами измерения и результатами работы после его окончания, что позволяет обходиться при работе в поле без компьютера, а также существенно ускоряет работу

МТС-30

МТС-52

соединительные кабели и провода приемных линий.

2.2 Аппаратура фирмы Phoenix Geophysics

В МТЗ комплексе компании Phoenix возможно использование 4-х типов приборов: MTU - 2E, MTU - 2H, MTU - 3H, MTU - 5. Конфигурация различных типов приборов представлена в таблице 1. Каждый вариант MTU приборов имеет различное назначение. Прибор MTU - 2E предназначен для проведения высокопроизводительных MT съемок. Этот легкий и быстро устанавливаемый на точке прибор особенно эффективен при работе в труднодоступной и пересеченной местности, а также при детальных работах. Приборы MTU - 2H и MTU - 3H предназначены для регистрации опорного магнитного поля, как на площади съемки, так и в опорной базовой точке. Прибор MTU - 5 способен регистрировать как электрические, так и магнитные компоненты естественного электромагнитного поля земли. Этот прибор способен выполнять, как и одиночные МТЗ, так и работать в синхронном варианте.

Таблица 1. Конфигурация приборов серии MTU

Тип прибора	Магнитные каналы	Электрические каналы
MTU - 2E	Нет	2, Ex + Ey
MTU - 2H	2, Hx + Hy	Нет
MTU - 3H	3, Hx + Hy + Hz
MTU - 5	3, Hx + Hy + Hz	2, Ex + Ey

Магнитные датчики значительно тяжелее, чем электрические и их установка на точке зондирования требует значительно больше времени. С учетом того факта, что магнитное поле изменяется значительно медленней, чем электрическое, целесообразно измерять электрическое поле приборами MTU - 2E по густой сети, а магнитное поле измерять приборами MTU - 2H/3H по более редкой сети. Такой подход обеспечивает высокую производительность работ при сохранении высокого качества данных, а так же возможностью использовать схему работ с удаленной базовой точкой.

2.2.1 Устройство прибора MTU - 5

В данном пособии наиболее подробно рассматривается прибор MTU - 5, как обладающий наибольшей комплектацией, которая включает в себя элементы всех остальных типов приборов. На рисунке 9 представлена блок-схема прибора.

Центральный процессор представляет собой стандартный многофункциональный микропроцессор со специальным программным обеспечением, устанавливаемым производителем. В серии приборов MTU процессор управляет всеми действиями прибора: фильтрацией и обработкой первичного сигнала, синхронизацией с GPS, управлением работы термостата и кварцевых часов, калибровкой магнитных датчиков, работой светового индикатора, записью в долговременную память итоговой информации и т.д. Процессор устанавливается на плате, подобной материнской плате компьютера, к ней подключаются все остальные платы и детали: 2 платы электрических каналов, плата магнитных каналов, плата GPS, 2 типа ПЗУ - жесткий диск и устройство для чтения / записи флэш-карт, параллельный порт и блок питания.

Электрические линии представляют собой пары неполяризующихся электродов, с разносом от 40 до 80 метров. Неполяризующиеся электроды состоят из свинцовых электродов и соли свинца, пластикового корпуса и керамического днища. Развинчивающийся пластиковый корпус позволяет быстро сменить раствор в электродах в том случае, если он высох. Неполяризующиеся электроды присоединяются к прибору с помощью коаксиальных кабелей через разъемы, обозначенные по сторонам света. Использование коаксиального кабеля объясняется частыми случаями перегрызания проводов мелкими грызунами в полевых условиях.

В корпусе прибора все блоки, отвечающие за работу каждого электрического канала смонтированы на одной плате, которая легко заменяется по модульному принципу. На вход платы приходит аналоговый сигнал, который сначала проходит через усилитель, затем оцифровывается на АЦП, а после проходит процедуру цифровой фильтрации. Полученный цифровой сигнал поступает в центральный процессор, где обрабатывается и поступает в один из двух ПЗУ. В зависимости от уровня сигнала и уровня помех, центральный процессор может менять параметры работы усилителя и фильтра. При работе с прибором в режиме ON Line, то есть с подключенным к компьютеру через параллельный порт, можно в программе WinHost On-Line Interface наблюдать параметры входного сигнала.

Датчики компонент магнитного поля включают в себя чувствительный элемент - магнитную катушку и предусилитель, который должен повысить сигнал до уровня, позволяющего его передавать по кабелю до прибора. Магнитные датчики изготавливаются двух размеров - 80 и 150 см. Для подключения кабеля к датчику и прибору используются герметичные разъемы. Особенность подключения к прибору магнитных линий состоит в том, что они соединяются специальным тройником вне прибора, и к прибору подходит уже только один кабель. Соответственно в корпусе прибора только один разъем, что позволяет уменьшить размеры корпуса. В дальнейшем сигналы от различных датчиков обрабатываются раздельно, но все для этого смонтировано на одну плату. Аналогично сигналу с электрических датчиков сигнал с магнитных датчиков сначала усиливается, затем оцифровывается и после процедуры фильтрации посылается в центральный процессор.

Плата GPS отвечает за определение абсолютных координат и времени с помощью системы глобального позиционирования. Для получения сигнала со спутников используется выносная антенна на витом кабеле, устанавливаемая на треногу. Для определения координат с необходимой точностью нужно поймать сигналы с 4-х спутников. Сигнал с антенны поступает на плату GPS, где преобразуется во временные сигналы спутников, по которым рассчитываются вертикальные и горизонтальные координаты, а так же точное время по Гринвичу. Погрешность определения времени прихода сигнала - 2 нс, что позволяет достичь горизонтальной точности определения координат в 2 метра. При работе прибора на точке, запись координат его местоположения в постоянную память происходит автоматически. Просмотреть текущее время и координаты можно так же в режиме ON Line, то есть при подключении через параллельный порт.

Следует отметить, что в методике МТЗ с удаленной опорной точкой, для работы по которой и создана серия приборов MTU, очень большое значение играет синхронизация записей, а, следовательно, определения точного времени. В случае безотказной работы модуля GPS эта проблема легко решается привязкой времени по Гринвичу, получаемому со спутников. Но в том случае, когда GPS по тем или иным причинам не работает то необходимо получение точного времени другим способом. В качестве такого «аварийного» способа в серии приборов MTU предусмотрены высокоточные кварцевые часы. Для стабилизации работы часов используется термостат. Для обеспечения работы термостата в корпусе прибора имеется термометр, подключенный к процессору. В зависимости от показаний термометра процессор регулирует работу термостата, поддерживая постоянную температуру кварцевых часов - 37°С. Этот блок обеспечивает стабильную работу прибора, но зато потребляет довольно большое количество энергии.

В приборе установлены два ПЗУ - жесткий диск и устройство для чтения / записи флэш-карт. Они имеют различные функции. Жесткий диск используется для установки в прибор программного обеспечения, хранения калибровочных файлов для магнитных датчиков, хранения временных файлов данных и информации о работе прибора во все время проведения записи. Флэш-карты съемные и используются для передачи прибору задания на работу и получения итоговых записей. Задание передается прибору в виде специального файла - «стартового табло», startup.tbl, который должен располагаться на флэш-карте в папке Data. Итоговые данные записываются на флэш-карту перед окончанием работы прибора и включают в себя файл статистики, и файлы временных рядов с расширениями ts1, ts2, ts3 и т.д. Объем получаемых итоговых файлов можно регулировать с помощью программного обеспечения в зависимости от объема используемых флэш-карт.

Питание прибора осуществляется от аккумуляторной батареи постоянного тока с напряжением 12 В. Есть специальные батареи BTU - 25/12, однако можно использовать и обычные автомобильные или иные аккумуляторы достаточной емкости. BTU - 25/12 отличаются от обычных аккумуляторов уменьшенными габаритами и весом, наличием специального провода и защищенными клеммами, герметичностью, что предохраняет от протекания электролита.

На корпусе прибора только один рычажок - включить / выключить. Все остальное управление производится программно. При отсутствии компьютера единственным средством получить информацию о работе прибора является индикатор. Режим его мигания позволяет определить, какую процедуру выполняет прибор в данный момент. В общем можно выделить 2 этапа: поиск спутников и проведение записи.

Таблица 2. Индикация выполняемых прибором MTU - 5 процедур

Процедура	Сигнал
включение	разовый, длительный
1 спутник обнаружен	1 раз ´ 1 с через 1 с за период 12 с.
2 спутника обнаружено	2 раза ´ 1 с через 1 с за период 12 с.
3 спутника обнаружено	3 раза ´ 1 с через 1 с за период 12 с.
4 и более спутников обнаружено	4 раза ´ 1 с через 1 с за период 12 с.
идет регистрация МТ поля	равномерно по 1 с каждые 4 с

В качестве защиты от близкого удара молнии или иного резкого значительного перепада напряжения, способного повредить аппаратуру, используется защитное заземление. Для защитного заземления используется такой же неполяризующийся электрод, что и для расстановки электрических каналов. Строго запрещается включать прибор, а так же подключать к нему датчики в том случае, если не установлено защитное заземление.

Для подключения прибора к компьютеру и работы в режиме ON Line предусмотрен специальный параллельный порт, который кабелем связывается с параллельным портом компьютера.

2.2.2 Программное обеспечение Phoenix, необходимое для проведения работ

Имеются две основные функционирующие в среде Windows XX программы для конфигурирования и управления MTU: Автономный Редактор Стартового Табло и WinHost On-Line Interface MTU интерфейс. Обе эти программы имеются так же в версиях DOS, но версии DOS менее удобны, чем версии Windows XX.

Off-Line Start-Up Table Editor используется, что бы создать стартовое табло, которое является файлом, определяющим параметры регистрации ЕМ - полей с помощью MTU и несущим служебную информацию о точке регистрации. Эта программа не может контролировать текущее состояние MTU, и многие другие из функций этой программы интегрированы так же в программу WinHost. Тем не менее, Автономный редактор полезен для заблаговременной заготовки стартового табло, например в полевом лагере, когда MTU не доступен.

WinHost On-Line Interface, диалоговый интерфейс MTU, позволяет управлять прибором, осуществлять мониторинг его состояния и контролировать основные параметры MTU, в то время как прибор соединен с PC через параллельный порт.

Перечисленные два пакета необходимы для проведения регистрации МТ-полей с помощью приборов MTU в оптимальном режиме. Два других пакета требуются, что бы обрабатывать и редактировать данные, зарегистрированные MTU приборами.

MTUROBAST. Этот пакет программ используется для обработки временных рядов, зарегистрированных MTU приборами, с применением или без робастных оценок. Обработанные и оптимизированные данные сохраняются в виде файлов спектров мощности, которые так же называются Plot Files, поскольку по ним может быть легко графически изображены кривые МТЗ.

TBS пакет программ используется для просмотра, рисовки и редактирования файлов, полученных с помощью пакета MTUROBAST. Редактирование проводится путем отбраковки худших реализаций спектров мощности с целью улучшить конечный результат осреднения. TBS программа также позволяет преобразовывать и экспортировать CrossPower-файлы, как стандартные МТ файлы, формат EDI. EDI файлы могут использоваться со специализированным программным обеспечением для анализа, редактирования и интерпретации МТ данных.

2.2.3 Основные стадии выполнения МТЗ с помощью MTU

Аппаратура MTU, для проведения МТЗ, компании Phoenix Geophysics представляет собой современные высокотехнологичные устройства, способные выполнить поставленные задачи в сложных условиях даже при низкой квалификации обслуживающего персонала. Качество итоговых МТЗ данных, получаемых при работе на этих приборах и последующей обработке с использованием программного обеспечения компании Phoenix, по оценке специалистов может быть высоким.

Основные операции, которые нужно выполнить для подготовки оборудования, регистрации МТ-данных и подготовки данных для высококачественной обработки и анализа.

1.       Калибровка прибора MTU;

2.       Калибровка магнитных датчиков;

.        Создание стартового табло MTU и загрузка его в прибор;

.        Установка прибора MTU и датчиков электромагнитного поля на точке наблюдений;

.        Проведение синхронной регистрации МТ-поля;

.        Перезапись данных из прибора MTU в PC компьютер, используя программу WinHost или с использованием флэш-памяти;

.        Редакция и обработка данных с помощью программного комплекса TBS.

2.2.4 Использование приборов MTU-2E, MTU-2H, MTU-3H и MTU-5 в процессе МТ съемки

Чтобы выполнить МТ съемку на заданной площади настолько эффективно, насколько возможно, часто лучше начать выполнение работ по разряженной сети, выбирая точки с благоприятными условиями регистрации МТ-поля. Затем сгущать сеть за счет дополнительных точек МТЗ, располагая их с учетом результатов, полученных на первом этапе. Этот метод поможет уменьшить затраты на проведение съемки и выбор оптимальных условий регистрации для различных районов изучаемой площади.

Используя технологию работ с удаленной опорной точкой, удовлетворительные МТ данные могут быть получены значительно ближе к источникам электромагнитных помех, чем это возможно было сделать, работая по методике одиночных МТЗ. Прежде, технология работ с удаленной опорной точкой требовала физической синхронизации задающих генераторов МТ приборов с высокой точностью, что бы поддерживать синхронизированную регистрацию данных. С установкой в приборах MTU спутниковой технологии синхронизации GPS, отпала необходимость приводить прецизионные кварцевые часы в физический контакт с каждым комплектом МТ аппаратуры, принимающим участие в проведении синхронной регистрации МТ полей.

При МТ съемке, как правило, используются комбинации приборов MTU-2E, MTU-2H, MTU-3H и MTU-5, выбранная таким образом, что бы выполнять полевые работы по наиболее рациональному пути при гарантированном высоком качестве данных.

В общем случае нет смысла в измерении магнитных полей по плотной сети, так как магнитное поле в подавляющем большинстве случаев не изменяется существенно на небольших расстояниях. В тоже время данные, регистрируемые приборами MTU-2E должны опираться на локальные и удаленные опорные точки с измерением магнитных компонент МТ поля. Различные комбинации MTU приборов могут быть наиболее эффективна в зависимости от масштабов съемки и целей работ, характера местности.

Двухканальные наблюдения электрических компонент используются для быстрого и простого проведения МТЗ в трудно доступной местности и / или при детальных съемках. Так как горизонтальные компоненты магнитного поля незначительно меняются с расстоянием. В тоже время установка приборов с измерением магнитных компонент занимает значительно больше времени, а комплект аппаратуры тяжелее. Следует так же отметить, что датчики магнитных компонент поля значительно более восприимчивы к электромагнитным помехам, чем датчики электрических компонент. Комплект оборудования, включающий MTU-2E весит значительно легче, легче транспортируется, быстрее устанавливается, чем пяти канальный прибор. Следует только иметь в виду, что этот прибор невозможно использовать для измерения магнитных компонент.

Приборы MTU-2H и MTU-3H вместе с датчиками магнитного поля используются для регистрации магнитных компонент МТ-поля. MTU-2H может регистрировать 2 компоненты МТ-поля. Прибор MTU-3H может регистрировать 3 компоненты МТ-поля. В этом и заключается различие приборов, хотя по внешнему виду они полностью идентичны. Приборы MTU-2H и MTU-3H используются для измерения магнитных компонент МТ-поля по более редкой сети, чем производится регистрация электрических компонент. Комбинирование небольшого числа приборов MTU-2H и большого числа приборов MTU-2E позволяет организовать высокопроизводительные работы, обеспечивая при этом высокое качество данных.

Типичная комбинация приборов включает один MTU-5 для удаленного базового пункта, 2 - 3 прибора, как локальные опорные пункты в пределах съемочной сети и 10 - 30 приборов MTU-2E, выполняющих площадную съемку. При большом расстоянии между соседними точками наблюдений несколько дополнительных приборов MTU-5 может понадобиться для адекватного описания МТ-поля между расстановкой приборов MTU-2E, то есть в качестве дополнительных локальных опорных пунктов. При проведении региональных работ использовать приборы MTU-5 и MTU-2E, причем пропорция между ними может составлять 1 к 1 или 1 к 2. В целом же следует отметить, что полевые работы по методике одиночных МТЗ могут вполне проводиться при наличии одного 5-ти канального прибора, при проведении работ по помехоподавляющей технологии с удаленным опорным пунктом, минимум необходимо иметь два прибора MTU-2E или один MTU-5 и один MTU-2H. Двухканальные приборы MTU-2E являются основным инструментом повышения производительности работ магнитотеллурическими методами.

Первое, что необходимо сделать - это задать нужные параметры записи. На рисунке10 показано окно, которое необходимо правильно заполнить графы и указать необходимые усиления, фильтр, время и количество записей.

Если в данном месте слабый сигнал или сильные помехи по электрическим или магнитным каналам, необходимо его усилить или наоборот загрубить. Но не забывать про то, что усиливая сигнал мы, тем самым, усиливаем и помехи, а убирая помехи и выбирая «LowGain» можно исказить получаемый сигнал, особенно если он был слабым.

В этой программе можно посмотреть интенсивность сигнала и когерентность интересующих нас компонент поля.

Не видны явные искажения, из чего можно сделать предварительный вывод, о том, что рядом не было сильных источников помех.

Убедившись, что когерентность Ех, Ну и Еу, Нх близки к единице, а остальные значения невысоки, приступаем к дальнейшей обработке в программе SSMT.

С помощью нее можно рассчитать Фурье-коэффициенты и провести робастную обработку данных

В результате всех расчетов получаем кривую - графики сопротивления и фазы от частоты.

3. Полевые работы методом МТЗ

 

.1 Методика проведения работ

магнитотеллурический электромагнитный поле аппаратура

При магнитотеллурических наблюдениях применяются измерительные установки, состоящие из двух заземлённых линий E_x, E_y, и трёх магнитометров H_x, H_y, H_z. Длинна приёмной линии 0,2 - 1,0 км. Заземление осуществляются с помощью меднокупоросных или свинцовых электродов. Магнитометры устанавливаются в неглубоких ямах. Ориентация измерительных установок производится при помощи бусоли с точностью до 0,5^о.

Магнитотеллурические исследования выполняются с помощью следующих методов: магнитотеллурического зондирования, магнитотеллурического профилирования, метода теллурических токов и магнитовариационного профилирования.

3.1.1 Магнитотеллурическое зондирование

Метод представляет собой разновидность частотного зондирования. Он основан на регистрации вариаций E_x, E_y и H_x, H_y в одной точке. Диапазон регистрируемых периодов - от сотых долей секунды до нескольких минут.

Наблюдения ведутся по средствам цифровой и аналоговой аппаратуры. Обработка наблюдений выполняется на ЭВМ и заключается в спектральном анализе вариаций и определении частотных характеристик тензора импеданса Z, выражающего отношения между E_x, E_y и H_x, H_y. Частотные характеристики Z трансформируются в кривые кажущегося сопротивления. Благодаря скин-эффекту кривые кажущегося сопротивления отражают изменения удельного сопротивления горных пород с глубиной.

Интерпретация МТЗ позволяет построить геоэлектрический разрез исследуемого района и выделить структуры в осадочном чехле и кристаллическом фундаменте. Глубинные МТЗ дают информацию о сопротивлении земной коры и верхней мантии.

3.1.2 Магнитотеллурическое профилирование

Это упрощённая модификация МТЗ позволяет определять суммарную продольную проводимость осадочного чехла. В этом методе применяется та же самая схема измерений, что и методе МТЗ, однако измерения проводятся в относительно узком диапазоне периодов, отвечающих частотному интервалу S. В этом частотном интервале импеданс однозначно определяется суммарной продольной проводимостью S проводящей толщи, залегающей на высокоомном опорном геоэлектрическом горизонте, поэтому указанная методика позволяет непосредственно по импедансу определять S. Наблюдения выполняются в одной точке. Регистрируются пульсации в интервале 10 -100 с. такие вариации возникают почти ежедневно и длятся 6 - 8 часов.

Благоприятными для постановки МТП являются районы с неглубоким залеганием кристаллического фундамента.

Обработка сводится к определению эффективного импеданса Z_эф и вычислению суммарной продольной проводимости. По результатам наблюдений строиться карта суммарной продольной проводимости. С помощью дополнительной информации о закономерностях изменения среднего продольного сопротивления осадочного чехла карта преобразуется в структурную карту по поверхности кристаллического фундамента.

3.1.3 Метод теллурических токов

При работах по МТТ регистрируются пульсации E_x, E_y в интервале 10 - 100 с. эти вариации относятся к наиболее регулярной части спектра пульсаций. Наблюдения выполняются одновременно в двух точках - базисной и полевой. Расстояние между базисной точкой и полевой может достигать 60 - 80 км. На больших площадях съёмки создаётся опорная базисная сеть. Опорные наблюдения проводятся двукратно. Их точность контролируется невязкой полигонов базисной сети.

По результатам наблюдений строятся карты относительной напряжённости теллурического поля, отражающие относительные изменения суммарной продольной проводимости отложений, перекрывающих опорный горизонт высокого сопротивления.

Геологическая интерпретация данных МТТ носит качественный характер. При дополнительной информации о параметрах надопорной толщи теллурические карты могут быть преобразованы в структурные поверхности высокоомного опорного горизонта. благоприятны для постановки работ по методу ТТ районы с проводящим осадочным чехлом, подстлаемым неглубоко залегающим высокоомным опорным горизонтом.

Этот метод отличается высокой экономической эффективностью.

3.1.4 Магнитовариационное профилирование

Метод основан на регистрации вариаций H_x, H_y, H_z. Наблюдения ведутся одновременно в двух и более точках - базисной и полевых. Существуют насколько разновидностей МПВ. При разведочных работах часто ограничиваются наблюдением вариаций H_x, H_y. Регистрация вариаций H_z расширяет возможности интерпретации данных МПВ. Эта модификация МПВ обычно применяется при глубинных исследованиях. В зависимости от задачи изучаются магнитные вариации в интервале от нескольких секунд до нескольких часов.

Обработка сводится к определению магнитного тензора m, выражающего соотношения между H_x, H_y в базисной и полевой точках, и векторов Визе, выражающих соотношения между H_x, H_y и H_z. По результатам строятся карты относительной напряжённости магнитного поля, отражающие относительные изменения суммарной продольно проводимости осадочной толщи, либо карты векторов Визе, позволяющие локализировать геоэлектрические неоднородности.

Карты относительной напряжённости магнитного поля интерпретируются чаще всего качественно. Интерпретация векторных карт заключается в подборе адекватных моделей, рассчитываемых на ЭВМ.

3.2 Техника работ методом МТ

Качество получаемых МТ данных сильно зависит от выбора точки измерений и соблюдения правил установки прибора и датчиков.

Необходимо стараться не располагать измерительную установку вблизи источников помех. Наиболее типичными источниками помех являются:

1.         линии электропередач;

2.       трубопроводы;

.        электрифицированные железные дороги;

.        ограды под током;

.        ирригационные насосы;

.        радиопередатчики и радарные излучатели;

.        интенсивное автомобильное движение.

Протяженные металлические структуры, например ограды, могут вызывать локальные искажения магнитного поля.

Большие заземленные проводники, такие как рельсы, заземления телефонных линий и линий электропередач вызывают локальные искажения электрического поля. По возможности следует располагаться от крупных активных источников вроде ЛЭП, железных дорог и хорошо заземленных проводников типа трубопроводов и оград на удалении по крайней мере 1 км, от дорог с автомобильным движением не ближе 200 м.

Горизонтальные магнитные датчики помещаются в траншеи глубиной ~ 40 - 50 см и засыпаются сверху землей, соединительные кабели также закапывают. При этом датчики нужно располагать на достаточном удалении от объектов, которые могут вызвать вибрацию - например, корней деревьев, которые качаются под действием ветра, а также любого движения в т.ч. пешеходного. Вертикальный магнитный датчик помещают в специально пробуренную скважину. Каждый датчик помещается в отдельный квадрант, расстояния между датчиками и прибором должны быть не менее 5 м.

Электроды лучше устанавливать за несколько часов до начала измерений в ямках глубиной ~50 см., заполненных рыхлой землей, смешанной с соленой водой до образования грязевой массы. Сверху они также засыпаются рыхлой землей, чтобы предотвратить высыхание и уменьшить влияние изменений температуры. Перед началом измерений проверяется сопротивление и разность потенциалов между электродами на постоянном и переменном токе. Если сопротивление заземлений слишком велико, можно понизить его добавлением в ямку электрода солевого раствора. Наибольшее влияние высокое контактное сопротивление электродов может оказать на высоких частотах при больших длинах приемных линий.

Провода между электродами раскладывают в как можно более прямую линию, лишние участки раскладывают параллельно в обратном направлении так, чтобы не образовывать петель, которые являются приемниками вертикального переменного магнитного поля. Кроме того, чтобы предупредить движение проводов под действием ветра, через 1-2 метра их прикапывают или придавливают комками земли, кусками дерна.

Расстояние между точками наблюдения зависит от изучаемых структур, их электропроводности и необходимой детальности съемки. Обычно при разведочных съемках используется шаг 5-10 км; шаг 0.5 - 1 км или менее может применяться, если требуется большая детальность.

Длительность сеанса измерений определяется интенсивностью помех и необходимой погрешностью результатов работ. Чем выше интенсивность помех, тем большее время регистрации необходимо для достижения заданной погрешности. Минимальный период наблюдения определяется глубиной изучаемых объектов и электропроводностью разреза. Типичные времена записи находятся в диапазоне от /а дня до 2 дней. Приближенная формула для оценки времени записи в зависимости от конкретной глубины и сопротивления следующая 1972):

T_R » 430 D²/ r,

где Т _R - в сек; r - в Ом.м; D - в км.

3.3 Первичная обработка и анализ МТ данных

 

3.3.1 Обработка МТ данных

Цель обработки данных состоит в получении из шумоподобных измеряемых сигналов информации о структуре проводимости подстилающей среды в виде набора гладких функций, отражающих электрические свойства земли. Основным из этих функций являются зависимости импеданса и типпера от частоты. По величинам импеданса рассчитываются кажущиеся сопротивления. Также рассчитываются оценки уровня шумов, такие как когерентности между компонентами поля, дисперсии параметров и отношение сигнал/шум, на основе которых оцениваются доверительные интервалы параметров.

Основной объем обработки данных выполняется в частотной области. В то же время в литературе появлялись предложения проводить обработку во временной области, хотя значительного распространения такая обработка не получила.

Уравнения для нахождения импеданса:

Е_х = Z_xx H_x + Z_xx H_y

Е_y = Z_yx H_x + Z_yy H_y

представляют собой два комплексных уравнения с четырьмя комплексными неизвестными. Решение может производиться:

1) осреднением измерений, выполненных в разные временные интервалы, т.к. Z_i не меняется во времени,

2) осреднением некоторого числа измерений на близких частотах, т.к. импеданс меняется с частотой достаточно плавно.

Общая схема обработки измеряемых сигналов следующая.

Перед переводом в цифровую форму сигнал должен пройти через НЧ фильтры, чтобы отфильтровать компоненты спектра с частотами выше граничной частоты анализа. Это необходимо, чтобы в дальнейшем при выполнении спектрального анализа избежать искажений из-за наложения частот. Часто также выполняется фильтрация ВЧ для того, чтобы убрать инструментальное сползание нуля и ограничить динамический диапазон низкочастотной части спектра.

Отфильтровываются также периодические сигналы, такие как помехи промышленной частоты и ее гармоник.

После преобразования в цифровую форму обычно производится вычитание среднего значения, удаление тренда. Преобразование из временной в частотную область производится обычно с использованием преобразования Фурье, как правило с помощью одного из алгоритмов, известных как быстрое Фурье-преобразование, БПФ. После преобразования Фурье в полученный спектр вводятся поправки, чтобы учесть комплексные частотные характеристики каналов и датчиков прибора, после чего получаются истинные спектры полей в нТл/Гц^1/2 и В/.

Распространенной схемой для непрерывных МТ измерений и обработки в реальном времени является т.н. каскадная децимация. Короткие последовательности данных из 32 отсчетов попеременно собираются в 2 буфера. Эти данные подвергаются цифровому Фурье-преобразованию, и запоминаются комплексные значения 6 и 8 гармоники. Затем данные проходят НЧ-фильтрацию и точки через одну отбрасываются. То же самое происходит с данными второго буфера, затем продецимированные данные обоих буферов объединяются, образуя новую последовательность из 32 отсчетов. Этот процесс может быть продолжен до бесконечности. Те значения гармоник Фурье, которые сохраняются из каждой последовательности данных, затем осредняются для получения спектров компонент.

После Фурье-преобразования обычно рассчитываются спектры компонент поля. Для этого необходимо провести осреднение по набору комплексных амплитуд Фурье гармоник. По спектрам рассчитываются значения когерентности. Когерентность является мерой «похожести» двух процессов и отражает степень влияния шумов - чем выше когерентность, тем меньше вклад шумов и более сходны изменения сигнала во времени по обоим каналам и наоборот, чем больше шумы, тем ближе когерентность к 0.

Методика, позволяющая уменьшить ошибки смещения, называется методикой наблюдений с удаленной базой.

Ее суть состоит в проведении измерений по двум дополнительным независимым каналам Rх и Rу. В качестве базисных каналов обычно выбирают измерения с магнитных датчиков, расположенных на расстоянии от нескольких сотен метров до 100 км от точки зондирования, в зависимости от основных источников шумов и помех. Для подавления эффекта инструментальных шумов достаточно удаления на десятки метров, в местах с высоким уровнем промышленных помех необходимо отнести базисную точку на расстояние, превышающее радиус корреляции полей-помех. Обычно это минимум 50-100 км, при этом базисную станцию лучше располагать в месте с минимумом помех. Если шумы не коррелированны с сигналами, оценки импеданса, полученные из уравнений с использованием базисных каналов, будут несмещенными, т.к. в выражения входят только взаимно-спектральные плотности мощности.

Простое осреднение спектральных плотностей по интервалам или в полосе частот означает присвоение каждому члену суммы одинакового веса. Т.е. наибольший вклад в результат вносят интервалы с наиболее интенсивным сигналом. В то же время показано, что часто наибольшую интенсивность имеют сравнительно редкие интервалы со всплесками помех. Тогда эти редкие интервалы с помехами сильно искажают весь результат осреднения. Поэтому бывает желательно присвоить членам суммы веса, значения которых зависят, например, от множественной когерентности между электрическим и магнитным полями, ослабив т.о. влияние интервалов с малым отношением сигнал/шум.

В методе абсолютного значения каждой оценке параметра, входящей в сумму, присваиваются веса в соответствии с ее абсолютным отклонением от наилучшей оценки, при минимизации суммы отклонений.

В процедуре робастного М-оценивания каждой оценке параметра, которая отличается от текущей лучшей оценки более некоторого порогового значения, присваивают веса, уменьшающиеся с ростом отклонения.

Существуют различные методы, отличающиеся способами расчета весовых коэффициентов и другими параметрами. Робастные методы требуют большого количества вычислений, по сравнению с обычным методом наименьших квадратов, но позволяют добиваться существенного улучшения качества кривых.

3.3.2 Анализ МТ данных

В общем случае Нх связано с соответствующим Еу и частью Ех, пропорциональными Нх. Точно так же Ну вызывает Ех и часть Еу, что записывается в виде системы уравнений:

E_x = Z_xx H_x + Z_xy H_y

E_y = Z_yx H_x + Z_yy H_y

В однородной или горизонтально-слоистой среде

Z_xx = 0, Z_yy = 0

Z_yx = - Z_xy

В 2D случае если оси X или Y направлены вдоль оси однородности структуры:

Z_xx = Z_yy = 0,

Z_{xy ¹} -Z_yx

Найти угол q_о между направлением измерительных осей и осью однородности структуры в 2D случае можно

1 по графикам - полярным диаграммам импеданса,

2 аналитическим путем, найдя решение для угла, которое одновременно максимизирует |Z_ху| и минимизирует |Z_хх|² + |Z_уу|².

Аналитическое решение не может быть найдено в 1D случае. В 3D случае смысл полученного значения не столь ясен и должен рассматриваться критически, в зависимости от конкретной структуры.

При вращении осей следующие сочетания компонентов тензора импеданса остаются неизменными по величине - инвариантными относительно поворота осей:

Z_xx + Z_yy = C₁

Z_{xx -} Z_yy = C₂

Z_xx Z_yy - Z_xy Z_yx = C₃

Отношение С₁/С₂ - т.н. skew. C₁ равен 0 в 1D и 2D моделях, поэтому skew используется в качестве меры трехмерности.

Обычно можно считать, что Нz » 0, исключая случаи, когда вблизи имеется изменение электропроводности в горизонтальной плоскости, например, контакт двух сред с различным удельным сопротивлением. Тогда возникает Нz которое связано с горизонтальным магнитным полем на каждой частоте как

H_z = T_xH_x + T_yH_y

В случае 2В структуры с осью однородности вдоль направления X, уравнение упрощается до вида:

H_z = T_yH_y

где Т -, tipper^, который характеризует отклонение вектора Н от горизонтальной плоскости. В 1D случае Т равен 0. Значение Т по модулю обычно находится в пределах от 0.1 до 0.5.

Список литературы

1.   Магнитотеллурическое зондирование горизонтально-однородных сред.

М.Н. Бердичевский В.И. Дмитриев. Москва «Недра» 1991 г.

3.       Краткий справочник по полевой геофизике. Б.С. Вольвовский Н.Я. Кунин Е.И. Терехин. Москва «Недра» 1977 г.

4.       Электрозондирования земли. Рокитянский. 1981 г.

.        Исследование аномалий электропроводности методом магнитовариационного профилирования. Киев «Наукова Думка» 1975 г.

6.       Разведочная геофизика. Москва, Недра 1964 г. В.В. Федынский.

7.       Анализ и интерпретация магнитотеллурических данных. М.Н. Бердичевский В.И. Дмитриев Б.Д. Новиков В.В. Пастуцан. Москва «Диалог» 1997 г.

7.   Электроразведка. Справочник геофизика / Под ред. Хмелевского В.К. и Бондаренко В.М.М., Москва «Недра» 1989.г.

8.       Электроразведка. Жданов. М.С. Москва «Недра» 1986 г.

.        «Руководство по эксплуатации аппаратуры V5-2000 MTU для метода МTЗ», 2001 г.