ФИЗИКА ЗЕМЛИ, 2011, № 1, с. 4-26
УДК 550.834
ГЛУБИННЫЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ЗОНДИРОВАНИЯ ЛИТОСФЕРЫ ВОСТОЧНОЙ ЧАСТИ БАЛТИЙСКОГО (ФЕННОСКАНДИНАВСКОГО) ЩИТА В ПОЛЕ МОЩНЫХ КОНТРОЛИРУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ И ПРОМЫШЛЕННЫХ ЛЭП (ЭКСПЕРИМЕНТ FENICS)
© 2011 г. А. А. Жамалетдинов1, 2, 3, А. Н. Шевцов1, Т. Г. Короткова1, Ю. А. Копытенко2, В. С. Исмагилов2, М. С. Петрищев2, Б. В. Ефимов3, М. Б. Баранник3, В. В. Колобов3, П. И. Прокопчук3, М. Ю. Смирнов4, 10, С. А. Вагин4, М. И. Пертель4, Е. Д. Терещенко5, А. Н. Васильев5, В. Ф. Григорьев5, М. Б. Гохберг6, В. И. Трофимчик7, Ю. М. Ямпольский8, А. В. Колосков8, А. В. Федоров9, Т. Корья (T. Korja)10 Геологический институт КНЦ РАН, г. Апатиты, Россия 2Санкт-Петербургский филиал ИЗМИРАН, г. Санкт-Петербург, Россия 3Центр физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН, г. Апатиты, Россия 4Санкт-Петербургский Государственный университет, г. Санкт-Петербург, Россия 5Полярный геофизический институт КНЦ РАН, г. Апатиты, Россия 6Институт Физики Земли РАН, г. Москва, Россия 7Магистральные энергосети Северо-Запада, г. Кола, Россия 8Радиоастрономический институт НАН Украины, г. Харьков, Украина 9Геофизическая служба РАН, г. Апатиты, Россия 10Университет Оулу, г. Оулу, Финляндия Поступила в редакцию 12.01.2010 г.
В статье изложены методика и первые результаты уникального в мировой практике эксперимента по тензорному частотному электромагнитному зондированию с применением генераторов "Энер-гия-1" и "Энергия-2" мощностью до 200 кВт и двух взаимно-ортогональных промышленных линий электропередачи протяженностью 109 и 120 км (эксперимент FENICS (Fennoscandian Electrical conductivity from results of soundings with Natural I (and) Controlled Sources)). Зондирования выполнены в диапазоне частот 0.1—200 Гц. Сигналы измерены на территории Карело-Кольского региона, в Финляндии, на Шпицбергене и на Украине на удалениях до 2150 км от источника. Параметры электропроводности литосферы исследованы до глубины порядка 50—70 км. Установлена высокая горизонтальная однородность (одномерность) электрического разреза земной коры на глубинах свыше 10—15 км. Наряду с этим выявлена область пониженного поперечного сопротивления земной коры в диапазоне глубин 20—40 км на площади порядка 80 тыс. кв. км. Контур аномалии обрамляет с северо-востока зону погружения границы Мохо на глубину до 60 км в Центральной Финляндии. Выполнено сопоставление полученных результатов с данными АМТ-МТ зондирований и проведена геодинамическая интерпретация результатов.
Ключевые слова: тензорное частотное зондирование, промышленные линии электропередачи, литосфера, Балтийский кристаллический щит.
ВВЕДЕНИЕ
Балтийский (Фенноскандинавский) кристаллический щит представляет собой благоприятный полигон для изучения глубинного строения и термодинамического состояния земных недр. Этому способствуют его значительная площадь (свыше 1 млн. кв. км) и высокая степень обнаженности. На дневную поверхность здесь выходят древнейшие породы архейского и протерозойского возраста. На территории Балтийского щита выполнен большой объем сейсмических, гравитационных и магнитных
съемок, электромагнитных зондирований. Изучено состояние вещества при обычных и высоких термодинамических параметрах. На основе имеющихся материалов разработан ряд геолого-геофизических моделей строения региона [Жамалетдинов; 1990; Глазнев, 2003]. Особыми перспективами при глубинных исследованиях здесь обладают электромагнитные методы. Благодаря отсутствию проводящего осадочного чехла, электромагнитные зондирования на кристаллических щитах позволяют с высоким разрешением получать косвенную информацию о
вещественном составе, флюидном режиме, температуре и напряженно-деформированном состоянии земных недр. На это было обращено внимание ведущими учеными еще на заре становления электромагнитных методов [Краев и др., 1947; Тихонов и др., 1967]. Однако, выполненные с тех пор многолетние исследования, наряду с новыми открытиями, привели к появлению целого ряда дискуссионных вопросов о природе и строении промежуточных проводящих слоев в земной коре, о параметрах "нормального" электрического разреза литосферы и ряде других. Их разрешение требует непрерывного совершенствования техники и методики электромагнитных зондирований с естественными и контролируемыми источниками. В Кольском научном центре РАН, при творческом содружестве с Санкт-Петербургским филиалом ИЗМИРАН, начиная с 2005 года совершенствуется техника глубинных электромагнитных зондирований с использованием промышленных линий электропередачи и генераторов "Энергия-1" и "Энергия-2" мощностью 100 и 200 кВт соответственно. Исследования выполняются в рамках международного эксперимента БЕ№С8. В измерениях электромагнитных сигналов приняли участие Геологический и Полярный геофизический институты Кольского научного центра РАН, Санкт-Петербургский филиал ИЗМИРАН, Геофизическая служба РАН, Санкт-Петербургский Университет и Университет Оулу (Финляндия), Радиоастрономический институт НАН Украины (г Харьков) и ряд других организаций. Вся работа по созданию генераторов "Энергия-1" и "Энергия-2" и по обеспечению излучения электромагнитного поля с использованием промышленных ЛЭП выполнена Центром физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН при поддержке Колэнерго и Магистральной энергосистемы Северо-запада РФ.
Измерения электромагнитных сигналов, возбуждаемых промышленными ЛЭП, выполнены как в пределах Балтийского щита, на удалениях до 700 км от источника, так и за его пределами, на Карельском перешейке (г = 900 км), на Шпицбергене (г = = 1300 км) и на Украине (г = 2150 км). Измерения на больших удалениях от источника, за пределами Балтийского щита выполнены, главным образом, с целью изучения особенностей распространения электромагнитных сигналов в волноводе "Земля-ионосфера" для задач дальней низкочастотной связи с погруженными объектами, для прогноза землетрясений и др.
В настоящей статье мы остановимся, главным образом, на рассмотрении результатов измерений, выполненных в пределах Балтийского кристаллического щита с целью изучения глубинной электропроводности и термодинамического режима литосферы и для разработки методики поисков и прогнозирования полезных ископаемых.
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА FENICS
Главную особенность методики частотных электромагнитных зондирований в эксперименте FENICS составило использование двух взаимно-ортогональных промышленных линий электропередачи, подключаемых к мощному (до 200 кВт) генератору крайне низкочастотного (КНЧ) и сверхнизкочастотного (СНЧ) излучения в диапазоне частот 0.1—200 Гц. Это дает возможность "просвечивать" глубинное строение литосферы (здесь и далее под термином литосфера мы понимаем кристаллическую оболочку Земли, включающую в себя земную кору и верхнюю мантию) при двух взаимно-ортогональных поляризациях первичного поля. В свою очередь это позволяет максимально приблизить технику зондирований с контролируемыми источниками к традиционному методу аудиомагнитотеллу-рического (АМТ) и магнитотеллурического (МТ) зондирования, основанного на использовании энергии естественных источников грозового и маг-нитосферно-ионосферного происхождения. Отметим, что во всех крупных предыдущих экспериментах по глубинному и сверхглубинному зондированию литосферы с контролируемыми источниками, известных в мировой практике, использовались, как правило, установки с одной ориентировкой питающей линии. Сами зондирования выполнялись в режиме постоянного тока [Краев и др., 1947; Cantwell е! al., 1965; Van Zijl, 1969; Blohm et al., 1977] или становления поля на фронтах прямоугольных импульсов тока [Сапужак, Эненштейн, 1980; Жама-летдинов и др., 1982]. Ни в зарубежной, ни в отечественной практике глубинных электромагнитных зондирований литосферы не имеется прямых аналогов описанной в данной работе методики на основе мощных КНЧ-СНЧ излучающих систем и двух взаимно-ортогональных промышленных линий электропередачи (ЛЭП).
Принципиальная схема зондирования с контролируемым источником в тензорном варианте представлена на рис. 1. Мы называем эту методику маг-нитотеллурическим зондированием с контролируемым источником — control source magnetotellurics (CSMT) [Жамалетдинов и др., 2007]. В сравнении с хорошо известным методом аудиомагнитотеллури-ческого зондирования с контролируемым источником в звуковом диапазоне частот (CSAMT) [Boerner, 1991; Zonge, Hughes, 1991], методика CSMT зондирований предназначена для работы в диапазоне крайне- и сверх низких частот (КНЧ-СНЧ) на границе частотного диапазона между МТ и АМТ методами (0.1—200 Гц) и применяется для изучения электропроводности литосферы на глубинах от первых единиц до 50—70 км. Однако, такая большая глубина проникновения поля в данном частотном диапазоне может быть достигнута только на участках земной поверхности, имеющих высокое электрическое сопротивление (р > 104 Ом м), то есть
только на кристаллических щитах. Соответствующие оценки глубины зондирования в условиях плоской волны можно получить, пользуясь выра-
о^ролируемоГо
1
1 07 р
жением Н8 = — м, [Жданов, 1986]. Нетруд-
2 п V 2/
но оценить, что в платформенных областях, где сопротивление осадочного чехла составляет в среднем 10 Ом м, наибольшая глубина зондирования, достигаемая в КНЧ диапазоне (0.1 Гц и выше), составит лишь первые единицы километров.
Для регистрации сигналов по методике С8МТ используются широкодиапазонные пятикомпо-нентные 24-х разрядные цифровые станции (рис. 1) Естественные вариации электромагнитного поля Земли и сигналы от контролируемого источника регистрируются одновременно одними и теми же МТ-АМТ станциями. Гармонические сигналы контролируемого источника выделяются на фоне вариаций МТ-АМТ поля посредством процедуры быстрого преобразования Фурье (БПФ) или любых других методов цифровой фильтрации. Использование двух взаимно-ортогональных линий электропередачи (поляризаций) позволяет оценивать размерность нижнего полупространства на этапе интерпретации данных и учесть возможное влияние горизонтальной двумерной или трехмерной неоднородности изучаемой среды по аналогии с тем, как это делается в
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.