ФИЗИКА ЗЕМЛИ, 2013, № 3, с. 75-86
УДК 550.382
РЕЗУЛЬТАТЫ МОРСКОГО ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ЗОНДИРОВАНИЯ МОЩНЫМ УДАЛЕННЫМ ИСТОЧНИКОМ В КОЛЬСКОМ ЗАЛИВЕ
БАРЕНЦЕВА МОРЯ
© 2013 г. В. Ф. Григорьев1, С. М. Коротаев2, М. С. Кругляков3, Д. А. Орехова4, И. В. Попова5,
Е. Д. Терещенко1, П. Е. Терещенко6, Ю. Г. Щорс4
Полярный геофизический институт КНЦРАН, г. Мурманск. 2Центр геоэлектромагнитных исследований Института физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН, г. Троицк.
3Московский Государственный университет им. М.В. Ломоносова, г. Москва.
4НИЦКурчатовский институт, г. Москва.
5Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН, г. Москва.
6Санкт-Петербургский филиал Института земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В. Пушкова РАН, г. Санкт-Петербург.
E-mail: ordaal@gmail.com Поступила в редакцию 21.05.2012 г.
В натурном эксперименте в Кольском заливе Баренцева моря испытаны первые российские морские донные шестикомпонентные электромагнитные станции. Сигналы на нескольких частотах порядка десятков Гц от удаленного мощного сверхдлинноволнового передатчика были зарегистрированы в шести точках дна на профиле, пересекающем Кольский залив. Несмотря на то, что по техническим причинам не в каждой точке все шесть компонент были успешно записаны, в целом, качество экспериментальных данных оказалось вполне пригодным для интерпретации. Выполнена интерпретация путем трехмерного моделирования электромагнитного поля методом интегральных уравнений и нейросетевой инверсии. Априорная геоэлектрическая модель района Кольского залива, построенная на основе обобщения предшествующих геолого-геофизических данных, в частности, на данных наземного магнитотеллурического зондирования и магнитотеллурического профилирования, привела к величинам полей далеким от экспериментально измеренных. Однако пошаговая модификация исходной модели привела к вполне удовлетворительному совпадению полей. Результирующая модель позволяет внести коррективы в имеющиеся региональные геолого-геофизические представления, особенно касающиеся разломной тектоники.
DOI: 10.7868/S0002333713030071
ВВЕДЕНИЕ
Морские электромагнитные методы становятся в последнее время важным инструментом донного картирования (например, [Key, 2011; Weitemeyer et al., 2011]). Среди них методы, основанные на естественном (магнитотеллурическом) поле, имеют преимущество над методами, основанными на поле контролируемых источников при картировании нижней коры и верхней мантии, в то время как последние имеют преимущество при картировании верхней коры. Используется ряд типов автономных донных станций, измеряющих четыре или пять компонент поля (четыре — горизонтальные электрические и магнитные, пятая — вертикальная магнитная), и несколько типов погружаемых источников [Sinha et al., 1990; Evans et al., 1994; Constable, Cox, 1996; MacGregor, Sinha, 2000; MacGregor et al., 2001; El-lingsrud et al., 2002]. В тоже время известно, что измерения шестой — вертикальной электрической компоненты могут представлять большой
интерес, поскольку она особенно чувствительна к высокоомным неоднородностям [Бердичевский и др., 1986]. С другой стороны, несмотря на имеющийся позитивный опыт использования мощных стационарных контролируемых источников для повышения глубинности наземных геоэлектрических исследований (например, [Велихов и др., 2011]), в мировой практике морской геоэлектрики такие источники не используются.
В настоящей статье представлен эксперимент, реализующий эти возможности. В Кольском заливе Баренцева моря были испытаны первые российские шестикомпонентные донные электромагнитные станции. Сигналы от удаленного мощного сверхдлинноволнового (СДВ) передатчика были зарегистрированы в шести точках дна, на профиле, пересекающем Кольский залив. Выполнена интерпретация результатов путем трехмерного моделирования электромагнитного поля методом интегральных уравнений и нейросете-вой инверсии.
ЭКСПЕРИМЕНТ
В сентябре 2011 г. в Кольском заливе был проведен эксперимент по первому донному измерению электромагнитного поля, излучаемого мощным береговым СДВ-передатчиком. Источник представлял собой заземленный горизонтальный линейный ток (биполь) длиной около 60 км, ориентированный вдоль географической параллели. Поле излучалось на частотах 41, 62, 82 и 144 Гц током около 200 А пятнадцатиминутными интервалами и регистрировалось шестикомпо-нентными станциями, установленными на дне залива.
Станции были оснащены тремя ортогональными индукционными датчиками, оборудованными малошумящими усилителями, и ортогональными измерителями разностей потенциалов электрического поля. Регистрируемые аналоговые сигналы поступали на 6-и канальный 16-и разрядный АЦП, где они преобразовывались в цифровой вид и сохранялись для последующего изучения. Точность преобразования обеспечивается сквозной калибровкой измерительных каналов при помощи специализированной метрологической аппаратуры. Во время сеанса измерений осуществлялась ежеминутная фиксация азимута, крена и тангажа станций.
Выделение исследуемого сигнала из естественных и техногенных помех производилось с помощью спектрального анализа результатов измерений по методу Уэлча. В результате были получены значения амплитуд компонент электромагнитного поля и разностей фаз между ними, при этом соотношение сигнал—шум для всех компонент превысило 30 дБ.
Так как ориентация измерителей после спуска на дно была случайной, то полученные данные амплитуд и разностей фаз между компонентами поля потребовали перевода в единую систему координат, с учетом измеренных значений азимута, крена и тангажа станции.
Новые амплитуды ортогональных компонент вычисляются из измеренных А1 и Ак с разностью фаз ф после поворота в одной плоскости на угол ф согласно соотношениям:
Ai =
= л/A2 cos2 у - 2A¡Ak sin у cos у cos ф + Л2к sin2 у
(1)
и
Л к =
= л/Лк cos2 у + 2A¡Ak sin у cos у cos ф + Л2 sin2 у. Новая разность фаз между ними:
ф = ф + arcsin (Ak sin у sin ф/Ai) + + arcsin (Ai sin у sin ф/Ak).
(2)
(3)
Для представления результатов измерений была использована декартова система координат, с осью Х направленной вдоль географического меридиана на север, осью У — вдоль параллели на восток и осью Z направленной вниз. Для этого трансформации (1) — (3) применялись последовательно в трех плоскостях, учитывая при повороте в плоскости ХУмагнитное склонение в районе наблюдений равное 14°56' Е. В результате получены значения амплитуд компонент поля и разности фаз между ними в единой географической системе координат.
В силу особенностей судоходства в исследуемом районе точки наблюдения располагались с двух сторон фарватера на глубинах от 36 до 85 метров — четыре с южной стороны фарватера и две с северной (рис. 1). Постановка станций осуществлялась как минимум за тридцать минут до начала работы передатчика, подъем — через тридцать минут после ее окончания.
В точках наблюдения на всех частотах были зарегистрированы как горизонтальные компоненты электромагнитного поля, так и вертикальные. В результате были получены значения магнитных компонент поля на всех точках, кроме третьей, где станция не зафиксировалась на грунте и произошло изменение ее ориентации во время сеанса, что привело к появлению шума на индукционных датчиках. В силу ненадежности измерений некоторых электрических компонент в точках 2, 5 и 6, данные в этих точках не позволили выполнить пересчет в географическую систему координат, однако использование отдельных составляющих поля в ходе интерпретации вполне возможно.
Для учета возможной пространственной изменчивости проводимости морской воды было выполнено ее вертикальное и горизонтальное профилирование с помощью океанического зонда. Эта проводимость оказалась одинаковой в точках наблюдения, не зависела от глубины, кроме тонкого поверстного слоя. Она равна 3.2 См/м.
ОСНОВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ РЕГИОНАЛЬНОЙ ГЕОЛОГИИ
И НАЧАЛЬНОЙ ГЕОЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ
Кольский залив — фьорд субмеридионального простирания, расположенный на побережье Ба-ренцевого моря в северо-западной части Кольского полуострова. Геологическое и геоэлектрическое описание района и самого залива приведено во многих работах [Геоэлектрические ..., 1989; Ковтун и др., 1994; Жамалетдинов, 1996; Геологическая ..., 2001; Ваньян, Павленкова, 2002; Спиридонов, 2007; Ковальчук, Спиридонов, 2009]. Он проходит через два геологических региона: Мурманский
(а)
С
Баренцево море ♦
ЕкЗЙЬьь л-
1..
ц :: Североморск
Мурманск
2 Ю
. 60 км , Белое море
(б)
Белокаменка
) 46
6
1 62 64
^ 23 10
57 5™ 3 64
51
119 Кольский залив
1 км
2" 74
50 39
95 62
37 48 7
12
1 20
82
121
100
100
2
59
6
85
29
103
91
88
100
97
46
98
102
72
19
2
Рис. 1. Район электромагнитного зондирования: (а) — область наблюдений —1 и биполь-источник — 2; (б) — точки наблюдений.
X, км
80 г
70
60 -
50 -
40
(а)
30
20
10
Z, м
0
05 (б)
20 25 У, км
100 200 300 400 500
Z, м
0
0
(в)
2 х104 У, м
100 200 300 400 500
1
7 х104 X, м
Рис. 2. Начальная геоэлектрическая модель — (а); горизонтальное сечение при £ = 0 — (б); сечение в плоскости YZ при х = 45.36 км — (в). Сечение в плоскости XZ при у = 11.19 км. Линия АА показывает профиль наблюдений, соответствующий точкам 1—5 на рис 1б.
кратон и Кольско-Норвежскую провинцию, в области распространения слабопроводящих архейских гранитоидов и гнейсов. Средняя толщина четвертичных отложений (в основном ледникового и морского происхождения) — 50—100 м и достигает 200 м на входе в залив. В соответствии со своими изогнутыми очертаниями залив разделяется на три части: северное, среднее и южное колено. Наиболее глубокое северное колено с глубинами до 300 м. В средней части, где находится профиль наблюдения, глубины меняются от 35 до 130 м. Кольский залив также осложнен подводным порогами и ответвлениями в виде
бухт. Формирование такой сложной структуры определено системой разломов северо-северо-за-падного и северо-северо-восточного простирания, ледниковой эрозией и неравномерным постледниковым подъемом.
На основе вышеуказанных публикаций была построена начальная геоэлектрическая модель (рис.
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.