Метод частотного зондирования при изучении электропроводности верхней части земной коры Балтийского щита

Работа посвящена развитию методов решения прямых и обратных задач глубинного частотного электромагнитного зондирования применительно к условиям крупных древнейших блоков Балтийского щита, отличающихся относительно высокой степенью горизонтальной однородности.

Метод частотного электромагнитного зондирования обладает рядом преимуществ в сравнении с аудиомагнитотеллурическими методами при исследовании свойств и глубинного строения верхней части континентальной земной коры. Применение искусственных источников позволяет строить систему наблюдений направленную на достижение оптимальной разрешающей способности, не выводящей за рамки условной корректности обратной задачи в выбранном классе моделей среды и уменьшение возмущений, связанных с локальными структурами. Главными недостатками данного метода является ограниченность глубины исследования, относительная сложность применяемых алгоритмов численного моделирования и инверсии результатов наблюдений, необходимость использования мощных и дорогостоящих генераторных установок, обеспечивающих достаточно большой момент источников первичного поля. Однако в условиях высокого уровня промышленных помех, при необходимости проведения прецизионных измерений метод частотного зондирования практически не имеет альтернативы. Он находит широкое применение, в решении как фундаментальных проблем, так и чисто прикладных задач геоэлектрики.

Работа проводилась в Геологическом институте КНЦ РАН.

Актуальность темы

диссертации.

Метод частотного электромагнитного зондирования является эффективным средством исследования глубинного строения Земли. Наряду с магнитотеллурическим методом, он широко применяется при решении фундаментальных и прикладных проблем геоэлектрики.

Глубинная электропроводность земной коры определяется как вещественным составом слагающих ее горных пород, так и физическим состоянием земных недр на соответствующих глубинах (температура, проницаемость, пористость, содержание влаги и т. д.). В масштабах земной коры физические параметры могут меняться с глубиной как плавно, так и скачкообразно в зависимости условий образования соответствующих геотектонических блоков. Этим обусловливается необходимость изучения, наряду с классической одномерной горизонтально-слоистой моделью, также градиентных (непрерывных) и градиентно-слоистых (кусочно-непрерывных) моделей распределения удельной проводимости.

Основы теории глубинных электромагнитных зондирований разработаны в 30-е — 40-е годы преимущественно для методов, основанных на использовании контролируемых источников поля (К. Шлюмберже, В.Р. Бурсиан), включая также метод частотного зондирования Земли (А.П. Краев). В последующие годы эти идеи получили дальнейшее развитие в работах Г. В. Молочнова, Л. Б. Гасаненко, А. И. Заборовского, С М. Шейнмана, А. Н. Тихонова, Л. Л. Ваньяна, В. И. Дмитриева, Ю. А. Дрейзина, A.D. Chave, D.W. Oldenburg, D.E. Boerner, J.R. Wait, G.F. West и др. С начала 50-х годов теория электромагнитного зондирования развивалась, главным образом, в рамках магнитотеллурического метода, основанного на использовании вариаций естественного электромагнитного поля Земли. Ставшие классическими в этой области работы А. Н. Тихонова и Л. Каньяра пополнились фундаментальными исследованиями Б. М. Яновского, М. Н. Бердичевского, В. И. Дмитриева, Л. Л. Ваньяна, ИИ. Рокитянского, М. С. Жданова, А. А. Ковтун. Для магнитотеллурического метода получено наиболее полное решение обратной задачи геоэлектрики в классе одномерных горизонтально-слоистых и градиентно-слоистых моделей. (АН. Тихонов, В. И. Дмитриев, Л. Н Порохова, М. М Харламов, R.L. Parker, P. Waidelt, S C. Constable и др.).

В настоящей работе автором развиты, применительно к задаче глубинных зондирований с контролируемыми источниками, основные идеи решения обратной задачи, впервые разработанные и апробированные в рамках магнитотеллурического метода (метод дифференциальных трансформаций, эффективная линеаризация и др.).

Актуальность решения этой проблемы обусловлена, с одной стороны, быстрым развитием техники и методики глубинных электромагнитных исследований с мощными контролируемыми источниками. [Велихов Е.П., Волков Ю. М., 1983; Велихов Е. П., Жамалетдинов А. А., и др. 1989; А.А. Zhamaletdinov, A.D. Tokarev etc., 1993; А.А. Zhamaletdinov, A.N. Shevtsov etc. 1998] и, с другой стороны, появлением эффективных вычислительных методов и быстродействующих компьютеров, позволяющих реализовать гораздо более сложные, чем в магнитотеллурике, алгоритмы решения прямой задачи электромагнитного зондирования в поле контролируемых источников и построить на их основе приемлемые для практического использования алгоритмы решения обратной задачи [Ваньян JI. JL, Дрейзин Ю. А., A.D. Chave, D.E. Boerner, G.F. West], Все это делает проблему надежной интерпретации результатов частотного зондирования с контролируемыми источниками ключевой задачей для их широкого внедрения в практику прецизионных электромагнитных исследований, наряду с магнитотеллурическими методами.

Цель исследования и основные задачи.

Цель работы — исследование и разработка методов решения прямой и обратной задачи глубинных электромагнитных зондирований в поле горизонтального электрического диполя в классе одномерных горизонтально-слоистых и градиентных моделей среды.

В ходе осуществления поставленной цели решены следующие задачи:

Разработан достаточно быстрый для использования в процедурах инверсии алгоритм решения прямой задачи с заданной точностью для горизонтально-слоистых и градиентных моделей (30 сек для модели из 17 слоев при абсолютной погрешности.

Q 3.

10″, относительной 10″, для 35 частот).

Исследованы особенности влияния ионосферы и токов смещения на результаты электромагнитного зондирования на расстояниях от источника, сравнимых с длиной электромагнитной волны в воздухе и высотой ионосферы.

Разработана методика экспресс-анализа и предварительной интерпретации данных электромагнитного зондирования с контролируемыми источниками на основе эффективных параметров и дифференциальных трансформаций.

Решена проблема эффективной линеаризации прямой задачи для контролируемых источников типа горизонтального электрического диполя.

Разработана методика совместной интерпретации данных, полученных от нескольких источников с разной поляризацией первичного поля в одной точке. Проведение экспериментальных исследований по частотному электромагнитному зондированию на Кольском полуострове и в Центральной Финляндии и разработка параметров «нормальной» модели электропроводности земной коры Балтийского щита.

Основные защищаемые положения.

1. Решение прямой задачи частотного электромагнитного зондирования в поле горизонтального электрического диполя для одномерных слоистых и градиентных моделей в условиях квазистационарного приближения и без ограничения на квазистационарность.

2. Методика экспресс-интерпретации путем решения обратной задачи методом контролируемой дифференциальной трансформации в ближней, дальней и промежуточной зонах горизонтального электрического диполя с учетом заданной погрешности наблюдений.

3. Явные выражения ядер Фреше прямой задачи частотного зондирования в поле горизонтального электрического диполя, позволяющие решать обратную задачу частотного зондирования на основе метода эффективной линеаризации с оценкой качества решения путем исследования функций чувствительности.

4. Общие закономерности «нормального» электрического разреза верхней части земной коры на Кольском полуострове и в Центральной Финляндии, которые характеризуются наличием зоны пониженного сопротивления в интервале глубин 3−7 км на фоне роста сопротивления от 103−104 Ом. м вблизи дневной поверхности до 105 106 Ом .м на глубине 10−12 км.

Научная новизна.

1. Впервые разработаны и программно реализованы алгоритмы расчета ядер Фреше компонент электромагнитного поля в методе частотного электромагнитного зондирования в поле горизонтального электрического диполя для одномерных горизонтально-слоистых и градиентных моделей.

2. Впервые предложена и реализована методика расчета и анализа поведения функций чувствительности по ядрам Фреше для компонент электромагнитного поля, позволяющая эффективно оценивать глубинность и разрешающую способность электромагнитных зондирований.

3. Впервые исследовано совместное влияние ионосферы и токов смещения на результаты глубинных электромагнитных зондирований с контролируемыми источниками над горизонтально-слоистым полупространством, когда расстояние до источника превышает 100−200 км.

4. Впервые получено решение уравнения, связывающего компоненты нормального поля источника с параметрами нижнего полупространства в точке измерений с помощью итерационной процедуры для расчета кривых эффективного удельного сопротивления.

5. По результатам интерпретации экспериментальных данных частотного зондирования с контролируемым источником впервые установлена неизвестная ранее промежуточная область пониженного сопротивления в земной коре в интервале глубин от 1−3 до 7−10 км для Енско-Ковдорско-Беломорского блока Кольского полуострова и Центрально-Финляндского гранитоидного массива.

Методы исследований и фактический материал.

Теоретической основой решения прямой задачи явились: скаляризация уравнений Максвелла путем введения потенциалов двух независимых мод электромагнитного поля — полоидальной магнитной (РМ) и тороидальной магнитной (ТМ), асимптотические разложения для компонент электромагнитного поля, методы аппроксимации специальных функций математической физики и численные методы решения прямых и обратных задач. Обратная задача решалась на основе метода эффективной линеаризации. В его основе лежит анализ свойств ядер Фреше (линейной части) для обеих мод электромагнитного поля. Наряду с этим важную роль сыграли предложенные JI.H. Пороховой и М. М. Харламовым эффективные оценки для нелинейного члена оператора прямой задачи и для функционала невязки в норме пространства квадратично интегрируемых функций L2.

Исследование построенных алгоритмов решения прямых и обратных задач проводилось с помощью разработанных автором программ на ряде горизонтально-слоистых и градиентных моделей распределения удельной электропроводности. Изучалось поведение компонент электромагнитного поля и импедансных соотношений для источника типа горизонтального электрического диполя, как в квазистационарном случае, так и с учетом влияния токов смещения. Предусмотренная в алгоритме прямой задачи возможность размещения источника и приемника в любом из слоев позволила изучить влияние нижних слоев проводящей ионосферы на результаты наблюдений. Расчеты проведены для частот аудиомагнитотеллурического (АМТ) диапазона [0.11 000] Гц и в широком диапазоне разносов между источником и приемником (от 10 до 1000 км).

Построенные автором алгоритмы и программы прошли опробование на материале целого ряда экспериментов по глубинному электромагнитному зондированию. Среди них получившие широкую известность эксперименты с мощными контролируемыми источниками — «Волга-86» — с ЛЭП ПТ 800 кВ, «Зевс-93,96» — с антенной СНЧ диапазона, «43−95,97» — с взаимно ортогональными излучающими диполями на Енско-Ковдорско-Беломорском блоке и Центрально-Финляндском гранитоидном массиве Балтийского щита. Экспериментальные данные получены полевыми отрядами Геологического института КНЦ РАН под руководством д.г.-м.н. А. А. Жамалетдинова. Основная часть измерений выполнена А. Д. Токаревым при участии автора диссертации. Решающую роль в успешном применении предложенных автором алгоритмов решения обратной задачи сыграло качество используемых данных. Надежные результаты были получены благодаря использованию новой цифровой станции «СЧЗ-95», разработанной совместно в Геологическом и Полярном геофизическом институтах КНЦ РАН, и применению программы NCZ-2, созданной В. Э. Асмингом для измерения и первичной обработки результатов наблюдений.

Практическая ценность работы.

Разработанные автором алгоритмы решения прямых и обратных задач, а также программы экспресс-анализа экспериментальных данных на основе эффективных параметров и контролируемой дифференциальной трансформации прошли многократную проверку при проведении практических исследований. Среди наиболее важных областей применения результатов выполненной работы можно отметить следующие.

Расчеты, выполненные автором с помощью разработанных им программ, позволили теоретически объяснить и учесть влияние нижних слоев проводящей ионосферы и токов смещения на результаты глубинных исследований с мощной антенной сверхнизкочастотного (СНЧ) излучения «Зевс» (отчет по гранту РФФИ 96−564 387). Результаты решения прямых и обратных задач, использованные при анализе данных глубинного зондирования с источником «Зевс», переданы для внедрения в НИИ Земной коры СПбГУ и Российский институт мощного радиостроения. Результаты интерпретации данных частотного зондирования 1995 г. по профилю Воче — Ламбинап. Нивский вдоль дороги С.-Петербург — Мурманск переданы для внедрения в Ассоциацию «Росгеофизика». Разработанные автором программы использовались при обработке и интерпретации результатов исследований по построению нормальной модели глубинной электропроводности Балтийского щита (гранты МНФ RZI000 и RZI300), а также при обработке результатов международного эксперимента по частотному зондированию на территории Центрально-Финляндского гранитоидного массива (проект СВЕКАЛАПКО).

Апробация.

Основные положения и результаты докладывались на совместных семинарах лабораторий геоэлектрики и региональной геофизики Геологического института КНЦ РАН, на конференции по проекту ЭЛАС — электропроводность литосферы и астеносферы (Тбилиси, 1990), на конференции по проблемам электромагнитных зондирований земной коры и верхней мантии (Москва, 1994), на конференции молодых ученых (Петрозаводск, 1995), на международной геофизической конференции по электромагнитному зондированию с контролируемыми источниками (С.-Петербург, 1996), а также на 14-ой международной школе по электромагнитной индукции в Земле (Синая, Румыния, 1998). 9.

Публикации.

По теме опубликовано шестнадцать работ.

Структура и объем.

Диссертация состоит из введения, включающего краткий обзор методов решения прямых и обратных задач электромагнитного зондирования с контролируемыми источниками, четырех глав и заключения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Выполненные исследования позволили развить теоретическую основу метода частотного зондирования при изучении электропроводности верхней части земной коры Балтийского щита. В качестве основных могут быть выделены следующие результаты, полученные автором.

1.Создана программа решения прямой задачи частотных зондирований в поле горизонтального электрического диполя и разработаны алгоритмы расчета ядер Фреше компонент электромагнитного поля для одномерных горизонтально-слоистых и градиентных моделей.

2.Разработана методика расчета и анализа поведения функций чувствительности по ядрам Фреше для компонент электромагнитного поля, позволяющая эффективно оценивать глубинность и разрешающую способность электромагнитных зондирований.

3.Исследовано влияния ионосферы и токов смещения на результаты глубинных электромагнитных зондирований с контролируемыми источниками над горизонтально-слоистым полупространством, когда расстояние до источника превышает 100−200 км.

4.Получено решение нелинейного уравнения, связывающего компоненты нормального поля источника с параметрами нижнего полупространства в точке измерений с помощью итерационной процедуры для расчета кривых эффективного удельного сопротивления.

5.Разработана методика совместной интерпретации в одной точке результатов частотных зондирований, полученных от нескольких источников с разной поляризацией первичного поля.

6.Выполнена интерпретация экспериментальных данных частотного зондирования с контролируемым источником в пределах Енско-Ковдорско-Беломорского блока Кольского полуострова и в пределах Центрально-Финляндского гранитоидного массива. Установлены общие закономерности «нормального» электрического разреза верхней части земной коры на Кольском полуострове и в Центральной Финляндии, которые характеризуются наличием зоны пониженного сопротивления в интервале глубин 3−7 км на фоне роста сопротивления от 103−104 Ом. м вблизи дневной поверхности до 105−106 Ом .м на глубине 10−12 км.

Основными направлениями дальнейшего развития метода частотного зондирования являются совершенствование методики наблюдений и использование новейших компьютерных технологий для регистрации, обработки и интерпретации результатов наблюдений. Важнейшим направлением является также развитие методов численного моделирования для решения прямых и обратных двумерных и трехмерных задач, что позволит получать более надежные результаты интерпретации данных в сложных геологических условиях, типичных для территории Балтийского щита.