ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК, 2009, том 427, № 3, с. 388-393
= ГЕОФИЗИКА
УДК 550.834
МЕЖДУНАРОДНЫЙ ЭКСПЕРИМЕНТ ЕЕМС8 ПО ТЕНЗОРНОМУ ЧАСТОТНОМУ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОМУ ЗОНДИРОВАНИЮ ЛИТОСФЕРЫ ВОСТОЧНОЙ ЧАСТИ БАЛТИЙСКОГО (ФЕННОСКАНДИНАВСКОГО) ЩИТА
© 2009 г. А. А. Жамалетдинов, А. Н. Шевцов, Т. Г. Короткова, Ю. А. Копытенко, В. С. Исмагилов, Б. В. Ефимов, М. Б. Баранник, В. В. Колобов, П. И. Прокопчук, М. Ю. Смирнов, С. А. Вагин, М. И. Пертель, Е. Д. Терещенко, А. Н. Васильев, М. Б. Гохберг, Т. Корья
Представлено академиком А.О. Глико 21.01.2009 г. Поступило 26.01.2009 г.
Балтийский (Фенноскандинавский) щит сложен древнейшими кристаллическими породами архейского и протерозойского возраста. Он 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 его территории 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 [1, 2]. Особыми перспективами при глубинных исследованиях, наряду с другими геофизическими методами, обладают электромагнитные зондирования. Данные об удельном электрическом сопротивлении несут косвенную
Геологический институт
Кольского научного центра Российской Академии наук, Апатиты Мурманской обл. Санкт-Петербургский филиал Института земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В. Пушкова Российской Академии наук
Центр физико-технических проблем энергетики Севера Кольского научного центра Российской Академии наук, Апатиты Мурманской обл. Санкт-Петербургский государственный университет
Полярный геофизический институт
Кольского научного центра Российской Академии наук,
Мурманск
Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта Российской Академии наук, Москва Университет Оулу, Финляндия
информацию о вещественном составе, флюидном, температурном и напряженно-деформированном состояниях земных недр. На это обращали внимание ведущие ученые уже на заре становления электромагнитных методов [3, 4]. Однако выполненные с тех пор многолетние исследования наряду с новыми открытиями вызвали ряд новых дискуссионных вопросов [5, 6]. Их разрешение требует непрерывного совершенствования техники и методики электромагнитных зондирований, прежде всего с применением мощных контролируемых источников.
В настоящем сообщении представлены первые результаты тензорного частотного глубинного электромагнитного зондирования (эксперимент FENICS - Fennoscandian Electrical Conductivity from Soundings with Natural I (and) Control Sources). Главной особенностью эксперимента FENICS явилось использование двух взаимно ортогональных промышленных линий электропередачи (ЛЭП) в качестве излучающих антенн. Это позволило получить информацию о компонентах тензора импеданса и в благоприятных условиях дальней (волновой) зоны выполнить обработку данных на общих подходах с магнитотел-лурическими зондированиями. Положение промышленных ЛЭП показано на рис. 1. Их протяженность составляет 109 км (линия Л1, запад-восток) и 120 км (линия Л2, север-юг). В отдельных случаях использовалась также субширотная СНЧ-антенна "Зевс" протяженностью 60 км (линия Л3 на рис. 1) [7]. Диапазон генерируемых частот составил 0.1-200 Гц. В качестве источника переменного тока использовался генератор Энергия-1 мощностью 100 кВт, питаемый от промышленной трехфазной сети 380 В.
Эксперимент FENICS проводился с 2006 по 2008 г. Главный этап зондирований с промышленными ЛЭП был осуществлен в 2007 г. Работа по
Рис. 1. Схема расположения питающих и приемных линий в эксперименте БЕЮСЗ. Питающие линии: Л1 и Л2 - промышленные ЛЭП, Л3 - СНЧ-антенна "Зевс". Точки - пункты зондирования (табл. 1). Штрихпунктирная линия - юго-восточная граница Балтийского щита.
созданию генератора Энергия-1 и его подключению к промышленным ЛЭП выполнена Центром физико-технических проблем энергетики Севера Кольского научного центра РАН. Основная часть работы по измерению сигналов на полевых точках и организации эксперимента FENICS выполнена Геологическим институтом Кольского научного центра РАН. Наряду с этим важное значение имели измерения, выполненные Санкт-Петербургским филиалом ИЗМИР АН, Санкт-Петербургским государственным университетом, Полярным геофизическим институтом КНЦ РАН и
Университетом Оулу (Финляндия). Схема расположения точек наблюдений приведена на рис. 1.
Ток генерировался в ночное время, когда можно было переключать ЛЭП в режим работы по схеме провод-земля по согласованию с диспетчерской службой Колэнерго. Ток, подаваемый от генератора Энергия-1 в ЛЭП через систему контурных заземлений, имел синусоидальную форму. Сила тока первой гармоники в антеннах изменялась от 120-200 А на низких частотах (0.1-10 Гц) до десятков ампер на высоких частотах (100-200 Гц). Ток в антенне записывался цифровым регистраторам
СПМ Ey3~B, В2/(м2 • Гц) 10-
10-
10_14 Ё_I_I I 1 111 и
10-10
10-
10
г14Е
I, А/Гц 106
104
102
Яхс-Ю, А2/(м2 • Гц) 10-10
1-12
Пнн, 601 км
10
J_ 10-14 Е_1..........I_L
10-10
10
-12
Оулу, 450 км
10-14
10_12 Шпицберген, 1300 км
Т ^
10
-14
-16
100 10 0.1
f, Гц
10
100 f, Гц
Рис. 2. Диаграммы спектральной плотности мощности (СПМ), силы тока I в питающей ЛЭП Л1, сигналов электрического поля Еу и магнитного поля Нх, зарегистрированных на разных удалениях от линии Л1. Ось у ориентирована в направлении восток-запад.
1
со скоростью оцифровки 5 кГц. Метки времени подавались с привязкой к глобальной спутниковой системе GPS (приемник Blue Tooth Globalsat BT-359) с точностью синхронизации не хуже 10-6 с. Точность тактовой частоты была не хуже 10-7 Гц благодаря применению системы термостабилизации.
Сигналы на всех приемниках измерялись в открытом канале. Это позволяло синхронно с записью сигналов от промышленных ЛЭП выполнять магнитотеллурическое (МТЗ) и частично ауди-магнитотеллурическое зондирование (АМТ). Сигналы контролируемого источника и АМТ-МТЗ-вариаций разделялись путем цифровой фильтрации. С этой целью были созданы компьютерные программы синхронной спектральной обработки сигналов на полевых точках и тока генератора в промышленных линиях электропередачи на основе пакета программ Power Graph. В качестве иллюстрации на рис. 2 приведены примеры спектральной обработки сигналов, измеренных на удалениях 450, 601 и 1300 км от источника. Наиболее уверенно над естественными шумами фиксируются сигналы в диапазоне частот от 0.3 до 30 Гц. Максимум интенсивности наблюдается в районе 3-10 Гц.
Нормировку измеренных сигналов в значения кажущегося электрического сопротивления про-
изводили по входному импедансу в значениях рт (без учета силы тока и геометрии установки, по аналогии с МТЗ) и по отдельным компонентам в значениях р^ (с учетом силы тока и геометрии установки, по аналогии с частотным зондированием). Наиболее надежное совпадение значений рт и р^ с точностью порядка 5% наблюдалось в диапазоне частот 3-30 Гц, что служило главным критерием правильности определения чувстви-тельностей измерительных каналов. На более низких частотах значения рт и р^ расходились из-за влияния ближней зоны, на более высоких частотах - из-за влияния ионосферы и токов смещения [8].
На рисунке 3 приведены сводные диаграммы кривых кажущегося сопротивления рт(Т) и графики разрезов удельного сопротивления рк(Н) по результатам одномерной инверсии методом эффективной линеаризации [9, 10]. При построении левых (высокочастотных) ветвей кривых рт(Т) на рис. 3 использованы результаты зондирований на постоянном токе, пересчитанные в частотную область путем последовательного решения обратной и прямой задач. Зондирования на постоянном токе выполнялись с дипольными и ВЭЗ установками с максимальными разносами от 2-3 до 10-15 км на всех точках измерения сигналов ЛЭП станция-
/, Гц
103
10
0.1
1 1 1 Л1 кг > 1 ■ кг < 1
Упл, 186 км 1 1 1 | |
104
102
Л1
|2 I_|_|_
Тнз, 379 км
О
103 105
1 1 1 1 1 Л1
*
Оулу, 450 км 1 1 1 кг > 1 | кг < 1 1 1|
1 1 1 1 1 Л2
Л1
кг > 1 кг < 1
Кст, 505 км 1 ■ ^—1т—
10 Т, с
102
Л2 Л1
Л1
0.1 1 10 100
к, км
Рис. 3. Сводная диаграмма кривых кажущегося сопротивления и одномерных разрезов по результатам эксперимента РЕМСБ. Стрелками от цифр в кружках показано: 1 - значения кажущегося сопротивления в поле промышленных ЛЭП Л1 и Л2; 2 - то же в поле СНЧ-антенны "Зевс" (линия Л3); 3 - то же по результатам зондирований на постоянном токе, пересчитанным в частотную область; 4 - теоретические кривые кажущегося сопротивления по результатам решения одномерной обратной задачи для линий Л1 и Л2 соответственно; 5 - геоэлектрические разрезы, отвечающие теоретическим кривым 4.
ми ГИ КНЦ РАН (Упл, Тнз, Пст, Кст, Пнн, Прс и ] Тнг на рис. 1 и 3). <
Наиболее важными чертами кривых кажущего- I ся сопротивления на рис. 3 являются их конформ- ] ность, свидетельствующая о примерно одинаковых ]
параметрах глубинной электропроводности литосферы в исследуемом регионе, и совпадение кривых рг при широтной (линии Л1 и Л3) и меридиональной (линия Л2) поляризациях первичного поля в пределах волновой зоны. Границы волновой зо-
Таблица 1. Значения поперечного сопротивления литосферы восточной части Балтийского щита по результатам эксперимента FENICS
Пункт зондирования Расстояние до питающей линии Л1, км Поперечное сопротивление T, 109 Ом • м2
Уполокша (Упл) 186 4
Тунгозеро (Тнз) 379 1.2
Писто (Пст) 448 0.8
Оулу (Оулу) 450 1.4
Костомукша (Кст) 505 0.8
Тунгуда (Тгд) 510 11.2
Пенинга (Пнн) 603 5.2
Поросозеро (Прс) 701 7.6
ны отмечены на рис. 3 вертикальными штрихами, разделяющими участки кривых со значениями г
кг > 1 и кг < 1, где кг =--волновой параметр, опре-
К
деляющий отношение расстояния г между источником и приемником к толщине скин-слоя в земле
К = Н =
10'pTT
2лТ2
-, м,
где рт - кажущееся сопротивление, измеренное на периоде Т. Граница эта, фиксируемая также по
с.ш.
Рис. 4. Поло
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.