ФИЗИКА ЗЕМЛИ, 2010, № 9, с. 11-14
УДК 550.837
МАГНИТОТЕЛЛУРИКА И РАДИОВОЛНОВЫЕ ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫЕ ЗОНДИРОВАНИЯ © 2010 г. В. К. Хмелевской, Б. П. Петрухин, П. Ю. Пушкарев
Геологический факультет МГУ имени М.В. Ломоносова E-mail: pavel-pushkarev@list.ru Поступила в редакцию 26.02.2010 г.
Плоские гармонические электромагнитные поля рассматриваются в теории магнитотеллурических методов в диапазоне частот от 0.0001 Гц до 20 кГц. Эти поля имеют естественную природу и несут информацию о глубинах от десятков метров до 100 км и более. Магнитотеллурические зондирования, использующие поля радиостанций, расширяют диапазон частот почти до 1 МГц и позволяют изучать глубины от первых метров. Методом, дополняющим электроразведку на плоских волнах в области еще более высоких частот (до 100 МГц), является радиоволновое интерференционное зондирование (РВИЗ). При этом токи проводимости и смещения становятся сопоставимы, что позволяет различать объекты как по электропроводности, так и по диэлектрической проницаемости. Для двухслойной модели среды существуют простые кинематические способы интерпретации данных РВИЗ. В рамках многослойных, и тем более горизонтально-неоднородных сред, не обойтись без методов решения уравнений электродинамики и обратных задач геофизики. В статье обсуждаются основы теории РВИЗ, методика, роль в электроразведке и возможности при решении геологических задач.
ВВЕДЕНИЕ
Магнитотеллурика основана на изучении естественного переменного электромагнитного поля Земли. Вариации частотой ниже 1 Гц в основном связаны с взаимодействием солнечного ветра с магнитосферой и ионосферой Земли, а на более высоких частотах, вплоть до 20 кГц (аудио-диапазон), они в наибольшей степени обусловлены грозовой активностью. Столь большой спектр частот позволяет решать множество задач, связанных с изучением глубоких горизонтов земной коры и верхней мантии Земли, поиском и разведкой месторождений полезных ископаемых, а также инженерно-геологических, гидрогеологических и других задач.
На частотах выше 0.0001 Гц с некоторыми оговорками источник поля можно считать достаточно удаленным от земной поверхности, а также пренебречь сферичностью Земли [Хмелевский, Петрухин, 2010]. Это позволяет использовать модель плоской волны, фронт которой параллелен земной поверхности. Строго говоря, в упомянутом диапазоне частот электромагнитной волны, как объекта, существующего независимо от источника за счет внутренних энергетических преобразований, в Земле не существует. Распространение поля имеет диффузионный характер, и колебательный процесс существует за счет смены изменений тока в источнике. Однако, плосковолновая модель допустима и удобна с точки зрения единообразия теории электроразведки.
В диапазоне частот от 10 кГц до 1 МГц работает метод радио-магнитотеллурического зондирования
(РМТ) [Баз1аш, Реёегзеп, 2001; Тегкап, 8агаеу, 2008]. Метод использует поля удаленных радиостанций, которые можно считать плосковолновыми. Интерпретация данных метода РМТ основывается на принципах, разработанных в магнитотеллурике [Бердичевский, Дмитриев, 2009].
На частотах, зависящих от электропроводности Земли, но чаще всего свыше 1 МГц, плотность токов смещения в Земле становится сопоставима с плотностью токов проводимости. Структура электромагнитного поля существенно усложняется, однако она теперь зависит не только от удельного электрического сопротивления (УЭС) горных пород, но и от их диэлектрической проницаемости (ДП). Это повышает информативность электроразведки, однако вследствие сильного скин-эффекта ее глубинность ограничивается несколькими десятками метров.
МЕТОД РАДИОВОЛНОВОГО ИНТЕРФЕРЕНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ
Метод радиоволнового интерференционного зондирования (РВИЗ) основан на возбуждении и регистрации поля радиоволн в диапазоне от 100 кГц до 100 МГц для получения информации о УЭС и ДП горных пород [Крылов, 1953; Хмелевской, 1980]. Можно сказать, что он происходит от ондометрического метода, который предложили еще в 1910-е годы немецкие ученые Ловри (Lowry) и Леймбах (Leimbach), а в нашей стране в 1920-е годы начал разрабатывать А.А. Петровский. Метод
12
ХМЕЛЕВСКОЙ и др.
можно рассматривать как фазовый вариант георадиолокации.
Другой вариант радиолокации, амплитудный или импульсный (более известный как георадар) использует частоты свыше 100 МГц для выделения в верхней части разреза границ, на которых изменяется ДП горных пород [Владов, Старовойтов, 2005]. Глубинность исследования в георадаре существенно зависит от УЭС: при изучении рыхлых водона-сыщенных пород она не превышает первых метров, в мерзлых или скальных породах может превышать 10 м, а в ледниках — 100 м.
В методе РВИЗ регистрируется сигнал, получающийся в результате интерференции прямой и отраженных гармонических радиоволн. Отражения наблюдаются на границах геологических слоев или тел с разными значениями УЭС и ДП. В результате РВИЗ в линейном масштабе строятся интерференционные кривые (графики зависимости сигнала от частоты).
Для наиболее простой двухслойной модели среды на интерференционной кривой могут наблюдаться максимумы, обусловленные синфазностью прямого и отраженного сигналов, и минимумы, отвечающие частотам, на которых они колеблются в противофазе. Существует простой кинематический способ интерпретации таких кривых. При этом по разности частот между соседними максимумами или минимумами можно оценить параметры модели [Булгаков, Рысаков, 1962].
Отметим, что кинематическая интерпретация, основанная на лучевой теории распространения волн, применяется в георадаре и сейсморазведке. Возможность использования этого подхода связана с относительно короткими длинами волн, используемых в этих методах. В РВИЗ, где длины волн сопоставимы с глубиной разведки, лучевую теорию следует применять с осторожностью.
Для интерпретации данных РВИЗ, отвечающих многослойным и горизонтально-неоднородным моделям, необходимо использовать более сложную методику интерпретации, подобную применяемой в магнитотеллурике. Она основана на решении уравнений электродинамики Максвелла и Тихоновской теории решения обратных задач. При этом, однако, необходим учет токов смещения в Земле и в воздухе, то есть становится невозможно использовать квазистационарное приближение [Петрухин, 2001]. Кроме того, возрастает количество параметров геоэлектрической модели (поле зависит как от УЭС, так и от ДП).
РВИЗ В ПОЛЕ ПЛОСКИХ ВОЛН
Традиционно метод РВИЗ применялся в ди-польном варианте (РВИЗ-Д), то есть измерения проводились вблизи передатчика (питающего диполя), поле которого имеет довольно сложную
структуру. Теория и методика полевых работ существенно упрощаются, если перейти к изучению полей удаленных широковещательных или специальных радиостанций, поле которых можно считать плоским (РВИЗ-П). Методика полевых работ становится похожей на используемые при профилировании методом радиокип [Тархов, 1961] и зондировании методом РМТ [Симаков и др., 2007].
В настоящее время радиоэфир в диапазоне 100 кГц—100 МГц заполнен довольно плотно, и в будущем количество используемых частот, по-видимому, будет только увеличиваться. Конечно, наличие радиосигналов существенно зависит от района работ, и в этом вопросе необходимы дополнительные исследования. Мы же пока ограничимся теоретическим анализом возможностей метода РВИЗ-П.
По результатам измерения двух горизонтальных взаимно ортогональных компонент электрического поля Ех и магнитного поля Ну возможен расчет импеданса Z = Ех/Ну. В горизонтально-слоистых средах его величина определяется устойчиво и не зависит от ориентации осей х и у (хотя на практике, в зависимости от поляризации поля, величины компонент поля зависят от азимутов измерения).
В горизонтально-неоднородных средах компоненты плосковолнового электромагнитного поля связаны линейными соотношениями:
Ех = Zxx Нх + Zxy Ну,
Еу = Zyx Нх + Zyy Ну,
Нг = ^ Нх + Wzy Ну,
где Zxx, Zxy, Zyx и Zyy — компоненты тензора импеданса, а Wzx и Wzy — компоненты матрицы Ви-зе-Паркинсона [Бердичевский, Дмитриев, 2009]. Для их определения необходимо использовать минимум две поляризации поля. При этом, как в методе РМТ, можно использовать поля двух радиостанций, расположенных на удалении друг от друга, и вещающих на двух близких частотах.
ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫЕ КРИВЫЕ ДЛЯ ДВУХСЛОЙНОЙ МОДЕЛИ
В наиболее простой двухслойной модели плоская волна, падая на земную поверхность, проникает в верхний слой и отражается на глубине Н1 от кровли второго слоя, УЭС и/или ДП которого отличаются от параметров первого слоя. Расчет интерференционных кривых РВИЗ для двухслойной модели осуществляется по формуле:
Z(ю) = — ^ е& к1 + аге& ,
где Z — импеданс на поверхности среды, ю — круговая частота колебаний поля, — магнитная проницаемость вакуума (породы считаются не-
МАГНИТОТЕЛЛУРИКА И РАДИОВОЛНОВЫЕ ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫЕ
13
arg(Z), град 20
arg(Z), град 0
-40 0
|Z|, Ом 180
160 -
140 -
120 "
8 10 12 f, МГц
100
80 -
60
10 12 f, МГц
Рис. 1. Зависимость фазы и модуля импеданса от частоты для двухслойной модели с параметрами: р! = = 2400 Ом м, р2 = 30 Ом м, в! = 10, в2 = 20, Н1 = 30 м.
магнитными), к и к2 — волновые числа 1-го и 2-го слоев. Волновое число слоя с номером у вычисляется по формуле:
kj = Ji ШЦо / Pj
+ ю ц о £ о £j,
гдеру и £j — УЭС и ДП (относительная) слоя, г0 — диэлектрическая проницаемость вакуума.
Интерференционная кривая РВИЗ представляет собой зависимость модуля импеданса |Z| от частоты в линейном масштабе. Мы дополним эту кривую частотной зависимостью фазы импеданса
arg (Z). Напомним, что если модуль импеданса отражает отношение амплитуд электрической и магнитной компонент, то фаза импеданса — это разность фаз колебаний этих компонент.
На рис. 1 приведены кривые, отвечающая благоприятному для РВИЗ разрезу с "сильной отражающей границей" благодаря высокому значению pt
—20
40
— 60
0
|Z|, Ом 60 г
40
10 12 f, МГц
20
0 2 4 6 8 10 12
/, МГц
Рис. 2. Зависимость фазы и модуля импеданса от частоты для двухслойной модели с параметрами: р1 = = 30 Ом м, р2 = 30 Ом м, в! = 50, в = 20, Нх = 30 м.
(2400 Ом м) и контрасту УЭС (р! > р2)
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.