ФИЗИКА ЗЕМЛИ, 2015, № 2, с. 139-149
УДК 550.837.6
ПРИМЕНЕНИЕ РАДИОГОЛОГРАФИЧЕСКОГО МЕТОДА ПРИ ПОИСКЕ ЛОКАЛЬНЫХ РУДНЫХ ТЕЛ
© 2015 г. В. А. Любчич
Полярный геофизический институт Кольского научного центра РАН,
г. Мурманск E-mail: lubchich@yandex.ru Поступила в редакцию 30.09.2013 г.
В статье рассмотрено применение радиоголографического метода для поиска локальных рудных тел на примере участка Лойпишнюн Мончегорского рудного района. Радиоголографический метод является эффективным и быстрым способом визуализации геоэлектрических неоднородностей в земной коре. Голографическая реконструкция среды позволяет по результатам площадных поверхностных измерений амплитудных и фазовых характеристик электромагнитного поля локализовать в пространстве аномальные области с повышенной электропроводностью.
DOI: 10.7868/S0002333715020064
ВВЕДЕНИЕ
Проблема визуализации геоэлектрических неоднородностей в исследуемой среде часто возникает при решении различных геофизических задач, например, при поиске рудных тел в рудной геофизике. Существуют различные методы решения данной проблемы. Примером может служить метод аналитического продолжения электромагнитного поля, наблюденного на земной поверхности, в воздух или внутрь Земли. При продолжении поля в воздух удается избавиться от мелких возмущений, вызванных приповерхностными неоднородностями, и более наглядно высветить эффекты от крупных, относительно глубоко залегающих аномальных объектов. Если наблюденное электромагнитное поле продолжается внутрь Земли, то можно подчеркнуть детали, определяемые формой глубинных аномалий. Теория аналитического продолжения переменного электромагнитного поля изложена в работах [Roy, 1968; Roy, 1969; Бердичевский, Жданов, 1981]. Недостаток этого подхода заключается в неустойчивости аналитического продолжения поля вблизи особых точек нижнего полупространства, каковыми являются аномально проводящие области среды.
Более устойчивым способом визуализации геоэлектрических неоднородностей является метод электромагнитной миграции, основные принципы которого изложены в работах М.С. Жданова [Жданов и др., 1988; Zhdanov et al., 1996; Zhdanov, 1999; Жданов, 2007]. Так метод электромагнитной миграции в частотной области основан на минимизации потока электромагнитной энергии оста-
точного поля через поверхность наблюдений, рассматриваемого как функционал от распределения проводимости в среде. Остаточные поля представляют собой разность между модельными, фоновыми значениями и реально наблюденными величинами. В процессе пошагового уточнения модели распределения проводимости в среде производится аналитическое продолжение комплексно сопряженных остаточных полей в нижнее полупространство. Отсутствие там источников для комплексно сопряженных полей обеспечивает высокую устойчивость процедуры восстановления распределения проводимости в среде. Недостатками этого метода являются некоторая громоздкость вычислений и необходимость одновременного измерения электрических и магнитных компонент электромагнитного поля.
В тех случаях, когда достаточно выявить лишь местоположение аномально проводящих зон в среде, представляется целесообразным использовать радиоголографический метод как наиболее оперативный способ выявления картины распределения неоднородностей. Теоретические основы метода применительно к исследованию неодно-родностей в ионосфере подробно изложены в работе Е.Д. Терещенко [Терещенко, 1987], но общие принципы данного способа вполне подходят и для изучения земной коры. Действительно, при проведении электромагнитных зондирований Земли в точках наблюдений фиксируется суперпозиция двух полей, первичного от контролируемого источника поля, которое можно рассматривать как опорную волну, и вторичные поля, обусловлен-
ные геоэлектрическими неоднородностями среды, которые в терминах голографии можно назвать предметными волнами. Таким образом, имея результаты измерений по площади исследуемого участка, можно восстановить картину распределения геоэлектрических неоднородностей в земной коре.
Следует отметить, что в классическом гологра-фическом подходе мы имеем дело с волновыми полями. А так как распространение низкочастотных электромагнитных полей в земле имеет диффузионную, а не волновую природу, то данный метод можно назвать радиоголографическим лишь условно, в том смысле, что методика измерений и обработки полученных результатов такая же, как и в классической голографии.
Применению радиоголографического метода в задачах рудной геофизики на примере участка Лойпишнюн Мончегорского рудного района и посвящена данная работа. В начале статьи кратко изложены теоретические основы метода, затем показаны результаты его применения на основе модельных данных. В следующей части статьи рассмотрено геологическое строение участка Лойпишнюн, на котором летом 2012 года проводились экспериментальные работы. Далее приведено описание поставленного эксперимента. В заключительной части работы представлены результаты восстановления модели геоэлектрических неоднородностей в земной коре с помощью радиоголографического метода.
Полученные результаты хорошо согласуются с геологическими данными по этому участку, вследствие чего можно сделать вывод о целесообразности применения радиоголографического метода при решении задач рудной геофизики, в частности, при проектировании разведочных буровых скважин.
Предложенный метод визуализации геоэлектрических неоднородностей является по существу разновидностью частотного зондирования и обладает определенными преимуществами по сравнению с другими методами рудной геофизики, такими как, например, метод становления поля в ближней зоне (ЗСБ). Мончегорский рудный район имеет очень сложное геологическое строение, район характеризуется наличием многочисленных разномасштабных тектонических нарушений, в том числе и рудоконтролирующих, а также крутым, практически субвертикальным, падением горных пород на флангах интрузивных массивов. Вследствие этих факторов измеряемые кривые становления электромагнитного поля являются зачастую некондиционными, осложненными "отрицательными" выбросами и плохо поддающимися интерпретации. Поэтому при
проведении электроразведочных работ в таких геологических условиях предпочтительными являются методы, основанные на частотном зонди-ровнии земной коры.
Радиоголографический метод является одним из способов интерпретации измеренных геофизических данных, направленным, в первую очередь, на определение местоположения геоэлектрических неоднородностей в земной коре, что является иногда достаточным при планировании буровых геологоразведочных работ. Вопрос об установлении взаимосвязи между электропроводностью аномальных зон и амплитудно-фазовыми характеристиками голографической реконструкции источников аномальных электромагнитных полей является предметом дальнейших научных исследований.
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ
РАДИОГОЛОГРАФИЧЕСКОГО МЕТОДА
Как отмечалось в монографии Е.Д. Терещенко [Терещенко, 1987], радиоголографическую реконструкцию можно рассматривать как частный случай обратной задачи рассеяния, так как с ее помощью по измеренным электромагнитным полям, рассеянным на геоэлектрических неодно-родностях, восстанавливается местоположение этих аномальных объектов. Электромагнитное поле в любой точке пространства представляет собой сумму нормального поля, определяемого контролируемым источником в отсутствии геоэлектрических неоднородностей в среде, и аномального поля, вызванного токами, индуцированными в проводящих областях земной коры:
Е(г) = Ео(г) + \йг'0(г, г'Жг'), (1)
V
где Е — напряженность полного электрического поля, Е0 — напряженность нормального электрического поля, О — функция Грина, ] — плотность токов, являющихся источниками аномального поля, интегрирование ведется по области расположения аномальных источников.
С другой стороны, при решении прямой задачи часто используется поверхностный интеграл Кирхгофа, определяющий поле в произвольной точке пространства вне замкнутого объема по измеренным значениям электромагнитного поля на поверхности этой области:
Е(г) = (¿8'[Е(г)УС(г, г') - 0(г, г')УЕ(г')].
Для решения обратной задачи необходимо определить поле внутри данного объема, то есть в области расположения источников аномальных
полей. Для этой цели применяется обращенная формула Кирхгофа:
неизвестным распределением плотности токов j, являющихся источниками аномального поля:
E н (г) = ^ dS'[E(r)VG*(r, г') - G*(r, r')VE(r')], (2) E н (г) = E0(r) + 2i jdr'j(r') Im G(r, r'),
(8)
где G* — комплексно сопряженная функция Грина. Формула (2) является математическим определением для голографически восстановленного поля EH [Stone, 1981]. В том случае, если поверхность S представляет собой бесконечно удаленную полусферу, а G — функция Грина для свободного пространства, то формула для голографической реконструкции поля определяется выражением [Терещенко, 1987]:
= 2п jdpE(p', г')
E н (р, Z) = д exp(-ik-\j
дг
р - р
+ (г - г У (3)
р - р'| + (г - г')
^ - ikE-dR
->0.
Eн(r) = jdr[EV2G* - G*V2E].
(4)
Для напряженности электрического поля Е и комплексно сопряженной функции Грина О* справедливы уравнения Гельмгольца:
V 2E = -k 2E + j. v 2g* = -k 2G* + S(r - r'),
(5)
(6)
где 8 — дельта-функция Дирака. Выполнив подстановку формул (5) и (6) в уравнение (4), получим выражение:
Eн(r) = E(r) - jdr'G*(r, r')j(r').
(7)
Если из формулы (7) выразить значение напряженности полного поля Е и подставить его в уравнение (1), то можно найти соотношение, связывающее голографическую реконструкцию поля EH с
где 1т О — мнимая часть функции Грина.
Сеточная аппроксимация уравнения (8), когда нижнее полупространство разбивается на ячейки конечного объема, позволяет перейти к системе линейных уравнений относительно неизвестных значений источников ^ определение которых и является решением обратной задачи рассеяния.
При выводе формулы (8) рассматривались электрические компоненты электромагнитного поля, но подобное соотношение справедливо и для магнитных компонент:
Нн (r) = H0(r) + 2i jdr'jm(r') Im Gm(r, r').
(9)
где к - ^/юцст — волновое число для нижне
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.