ФИЗИКА ЗЕМЛИ, 2004, № 9, с. 79-85
УДК 550.372
МТ-МОНИТОРИНГ ИЗМЕНЕНИЙ СОПРОТИВЛЕНИЯ ПРОВОДЯЩЕГО СЛОЯ. II
© 2004 г. М. Е. Шолпо
Санкт-Петербургский филиал института земного магнетизма ионосферы и распространения радиоволн
Поступила в редакцию 17.02.2003 г.
Посредством численного моделирования исследовано влияние хорошо проводящих глубинных и поверхностных слоев Земли на чувствительность МТ-кажущегося сопротивления рк к изменению сопротивления проводящего корового слоя. Предложен способ определения величины ответственных за наблюдаемые вариации Дрк относительных изменений сопротивления одного из элементов хорошо изученной геоэлектрической структуры. Указана возможность разделения вкладов различных элементов структуры в наблюдаемые на ее поверхности Дрк. Результаты моделирования использованы для количественной оценки относительных изменений сопротивления горных пород, ответственных за наблюдавшиеся на Кольском полуострове вариации кажущегося сопротивления в волновой зоне контролируемого источника Моделирование, рк-мониторинг, практическое применение.
Представляемая работа является продолжением статьи [Шолпо, 2003], в которой, в частности, было выведено соотношение между периодом минимума
кривой кажущегося сопротивления рк( л/Т), связанного со слоем высокой проводимости - Тр, и периодом Те, соответствующим максимуму чувствительности рк к изменению сопротивления этого
слоя e¡ (ТТ )1:
Те/Тр = 2.6 (52/й) °'2.
Для простейшей модели хорошопроводящего слоя, погруженного в плохопроводящее полупространство на глубину ё1 с контрастностью сопротивлений слоев структуры 52 = р1, 3/р2, формула (1) выполняется с погрешностью не более нескольких процентов. Однако, как было установлено ранее [8Ио1ро, 1998], вид функции гг( ТТ) может быть искажен присутствием других проводящих слоев. В [Шолпо, 2003] приведены результаты исследований влияния осадочного слоя на характер
и величину функции £кор(ркор, -УТ) и, в частности, на точность формулы (1). (Индекс "кор" соответствует коровому проводящему слою). Установлено, что присутствие осадочного слоя может увеличивать значение Те/Тр на десятки и более процентов в зависимости от соотношения интегральных проводимостей корового и осадочного слоев: чем
(1)
1 Напомним, что автор определяет чувствительность рк к изменениям сопротивления г-го слоя Др;, как величину, устанавливающую соответствие между относительными изменениями сопротивления г-го слоя и вызванными ими относительными изменениями кажущегося сопротивления:
г,(р,, ТТ) = й^рк/й^р; = (йрк/рк)Мрг/р,).
больше отношение 51/5кор, тем больше Тг /Тр. Кроме того, наличие осадков уменьшает величину гтах. Так уже при 51/5кор = 0.02 значение гтах уменьшается на несколько процентов, а при 51/5кор = 2 - почти в три раза (рис. 1а, кривые с индексами 0.1 и 10).
Еще более существенным оказывается влияние на величину Тг/Тр глубинных хорошопроводящих частей Земли - астеносферы и геоэлектрического "ядра". Рис. 1 позволяет провести сравнение поведения функций екор(/УТ) для простейшей модели типа Н (модель 0: хорошопроводящий слой 5-километровой толщины погружен на глубину 10 км в полупространство с сопротивлением 104 Ом м -сплошные линии на всех трех рисунках) и для трех видов более сложных моделей, параметры которых приведены в табл. 1. Модели 1 соответствуют пунктирные линии на рис. 1а, модели 2 -штрихпунктир на рис. 16, а модели 3 - штрихпунк-тирные линии на рис. 1в. Индексы кривых - значения ркор в Ом м. Анализ этих рисунков приводит к следующему заключению: наличие ниже- и вышележащих хорошопроводящих слоев различным образом сказывается на характере функции
£кор(ТТ). В то время как присутствие осадочного
слоя сдвигает максимум гкор( ТТ) в сторону больших периодов (рис. 1а), введение в модель астеносферы и проводящего "ядра" в несколько раз уменьшает значение Тг (рис. 16). Различен характер этого влияния и на чувствительность рк к изменению сопротивления корового слоя. Хорошо-проводящий осадочный слой может существенно
уменьшить значения функции £кор(л/Т), но мало сказывается на форме ее максимума. Напротив,
80
шолпо
<-'КОр 2.0
2.0 1.6 1.2 0.8 0.4 0 2.0 1.6 1.2 0.8 0.4 0
10°
101
Тт, с1/2
102
103
Рис. 1. Влияние осадочного слоя (а) и глубинных проводящих слоев (б), а также их совместное влияние (в) на характер чувствительности кажущегося сопротивления к изменениям сопротивления корового слоя. Сплошные линии - модель 0, пунктир - модель 1, штрихпунктир - модель 2, двойной штрихпунктир -модель 3. Параметры моделей даны в табл. 1. Индексы кривых - сопротивление корового слоя в Ом м.
нижележащие проводящие слои в меньшей степени влияют на величину етах, но сильно сужают диапазон периодов, благоприятный для наблюдения Арк (ср. рис. 1а и рис. 16). Рис. 1в демонстрирует суммарное влияние осадков и глубинных проводников на чувствительность кажущегося сопротивления к изменению проводимости корового слоя - сужение области значений аргументов
функции £кор(ркор, ТГ), соответствующей эффективному мониторингу Арк.
Как подчеркивалось в [Шолпо, 2003] значение Те/Тр представляет интерес как с точки зрения оценки глубины источника вариаций рк, так и при выборе оптимального периода для мониторинга
этих вариаций. Вычисляя эти значения по формуле (1), получим для модели 0 при р3 = 0.1, 1, 10 соответственно Те /Тр = 16.5, 10.4 и 6.5. При переходе к более сложным моделям эти величины существенно изменяются. В табл. 2 даны значения Те /Тр для моделей 2, 3 и 3-10. Модели 3 и 3-10 отличаются сопротивлением осадочного слоя: в первом случае р1 = 1 Ом м, во втором р1 = 10 Ом м. Видно, что величины Те/Тр для различных моделей колеблются в интервале от 3 до 6, чаще принимая значения, близкие к 5. В той же таблице приведены величины эффективных глубин электромагнитного поля, вычисленных по известной формуле Нэфф = (10ркТ)1/2/8.9, в которой в качестве эффективного периода и эффективного кажущегося
сопротивления использованы Те и рк^л/Гё). Как видно, величина Нэфф превосходит истинную глубину залегания хорошопроводящего слоя (10 км) в 3-19 раз. Этот факт еще раз подтверждает вывод работы [Шолпо, 2003] о неприемлемости попытки определить таким образом глубину источника вариаций рк. Надежнее оценить эту величину, используя информацию, даваемую формулой (1) и табл. 2. То есть, обнаружив в окрестности некоторого периода Т нестабильность кажущегося сопротивления, следует иметь в виду, что это может быть связано с вариациями сопротивления проводящего слоя, соответствующего минимуму кривой МТЗ на периоде Тр, в несколько раз меньшем Т. Этот факт необходимо принимать во внимание также при выборе оптимального интервала периодов при постановке режимных наблюдений за изменениями сопротивления проводящего слоя.
Опираясь на результаты модельных исследований чувствительности кажущегося сопротивления среды рк к изменению сопротивления одного из ее элементов р,, возможно произвести оценку величины относительных изменений р¡, ответственных за наблюдаемые Арк. Пусть сопротивление некоторого проводящего слоя р¡ изменилось от р;1 до р¿2, т.е. в р«2/рл раз. Соответствующее относительное изменение рк для заданного периода Т можно связать с р«2/р;1 следующим образом. Проинтегрировав равенство фк/рк = /р« в указанных пределах в предположении, что в этом интервале изменений р« чувствительность
£>(р>, ТГ) - £ср(Тт), получим:
рк2/рк1 =(р; 2/р«1)
(2)
1/£_
р«2/р«1 =(рк2/рк 1) СР. (2а)
Для известного геоэлектрического разреза можно провести расчеты £ср(7т) в некотором предполагаемом интервале [р;1, р«2] для различных значений периода электромагнитного поля Т и
Таблица 1. Параметры слоев моделей 0-3
№ модели Параметр № слоя
1 2 3 4 5 6 7
0 й, км 1 9
0 р, Ом м 104 104 0.1, 1, 10 104
1 й, км 1 9 5
1 р, Ом м 1 104 0.1, 1, 10 104
2 й, км 1 9 5 85 30 150
2 р, Ом м 104 104 0.1, 1, 10 104 30 103 1
3 й, км 1 9 5 85 30 150
3 р, Ом м 1 104 0.1, 1, 10 104 30 103 1
Таблица 2
ркор, Ом м Модель 2 Модель 3 Модель 3 -10
Т /Тр hэфф, км Те/Тр hэфф, км Тг /Тр hэфф, км
0.1 4.8 188 4.9 56 4.9 57
1 4.6 55 5.8 53 4.7 55
10 2.8 33 24 3.6 32
построить частотную характеристику еср. Функция £ср(/) позволит, в частности, определить соответствующую ее максимуму оптимальную в данных условиях частоту для проведения рк-монито-ринга проводимости г-го слоя. Далее, с помощью равенства (2а) возможно оценить относительную величину изменения сопротивления г-го слоя, которое могло вызвать экспериментально обнаруженные при некоторой частоте поля изменения рк. Получив оценку величины рг2/рг1, можно, используя (2), составить представление о том, каковы были бы изменения кажущегося сопротивления, если бы рк-мониторинг проводился при другой частоте, предпочтительно оптимальной. Ниже приводится практический пример таких оценок.
Заметим, что это простое рассуждение справедливо не только для горизонтально-слоистой среды, но для любого геоэлектрического разреза, кажущееся сопротивление которого может быть рассчитано и, следовательно, может быть исследована его чувствительность к изменению проводимости какого-либо элемента структуры любой доступной 2Б-, 3Б-моделированию формы.
В работе [Жамалетдинов и др., 2000] рассмотрены результаты полуторасуточного мониторинга кажущегося сопротивления среды в пункте Авва-губа на Кольском полуострове. Источником первичного поля служила антенна "Зевс", представляющая собой заземленную линию электропередачи длиной 60 км. Расстояние точки наблюдения от источника таково, что позволяет использовать для
расчета кажущегося сопротивления формулы для волновой зоны, идентичные формулам для плоской волны. Наблюдения проводились при частоте электромагнитного поля / = 83.3 Гц, что соответствует Тт = 0.11
,1/2
На рис. 2а, рис. 26 изображены кривые кажущегося сопротивления и функция £г( л/Г) для двух семислойных геоэлектрических разрезов, названных моделями А (сплошные линии) и М (пунктир). Их параметры приведены в табл. 3. Модель А - согласованный с авторами работы [Жамалетдинов и др., 2000] разрез верхней восьмикилометровой то
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.