Особенности измерений и обработки данных аудиомагнитотеллурических методов в условиях интенсивных помех

Методы аудиомагнитотеллурического зондирования (АМТЗ) и аудио-магнитотеллурического профилирования (АМТП) являются высокочастотными аналогами широко используемых методов магнитотеллурического зондирования (МТЗ) и магнитотеллурического профилирования (МТП). Указанные методы используют естественные электромагнитные поля Земли в диапазоне от единиц герц до первых килогерц (т.н. «звуковой диапазон частот»). Соответственно глубинность данных методов в зависимости от характеристик геоэлектрического разреза и полосы частот, в которой производятся измерения, колеблется от первых сотен метров до десяти и более километров. Достоинствами методов является то, что они не требуют специальных искусственных источников возбуждения поля, обладают довольно высокой производительностью, особенно в варианте двухканальных измерений, и проведение работ может обеспечиваться полевой бригадой из 2 человек. Аудиомагнитотеллурические методы могут эффективно применяться для решения поисковых задач (особенно тел повышенной проводимости — поиски сульфидных руд, геотермальных зон и т. п.), задач геокартирования при наличии значительной контрастности блоков пород по электрическим свойствам, а также при решении структурно-геологических задач. Однако накопленный опыт работ показывает, что основной проблемой при применении метода АМТЗ остается невысокая воспроизводимость результатов наблюдений, обусловленная, с одной стороны, малой напряженностью естественных электромагнитных полей в AMT диапазоне и наличием довольно интенсивных промышленных полей-помех, а, с другой стороны, возможным несоответствием наблюдаемых полей принятой при их интерпретации модели вертикально падающей плоской волны. Такие поля ближних источников, даже при их естественном происхождении — например, вызываемые ближними грозами, могут также рассматриваться как помехи. Широкое применение метода АМТЗ в нашей стране до недавних пор сдерживалось отсутствием надежной портативной аппаратуры для проведения полевых работ.

Работы по использованию подобных «высокочастотных» естественных электромагнитных полей в СССР начались в конце 50-х годов [Владимиров, 1979], в США — в начале 60-х [Strangway, 1973].

В 60-х — 70-х годах в СССР в основном проводились работы методами переменного естественного электрического и магнитного поля (ПЕЭП и ПЕМП), за рубежом в 60-х годах применялся метод AFMAG [Ward et. al.1966]. В ВИРГе был разработан метод ПЕЭП (Метод ПЕЭП, 1973) и аппаратура для его реализации — МСЗ-1 и серия ЭСП (ЭСП-101, ЭСП-103). В ЦНИГРИ разработан метод ПЕМП и аппаратура ИНВЕМП (Векслер, Спасенных, 1975). Аппаратура серии ЭСП основана на аналоговой узкополосной фильтрации наблюдаемого поля для ряда выбранных частот и последующем интегрировании отфильтрованного сигнала для каждой частоты в течение периода измерения — 0.5 — 5 мин [Елисеев, Сомов, 1976]. Получаемые усредненные значения спектров электрического и магнитного поля использовались как информативный параметр, а также для расчета импеданса и кажущегося удельного сопротивления при проведении AMT зондирований. Основными недостатками выпущенного малой серией прибора ЭСП-103 являются невозможность оперативного контроля отношения сигнал/шум (и, соответственно, качества измерений), а также слишком большая относительная ширина полосы фильтрации (25%), что при работе в условиях значительной неравномерности спектров составляющих электромагнитного поля и присутствия в них значительных пиков (например при наличии значительного уровня полей промышленной частоты и ее гармоник), приводит к значительным искажениям получаемых оценок спектра и импеданса. Указанные недостатки ограничивали возможности применения портативной аппаратуры ЭСП-103 в районах со значительным уровнем индустриальных помех.

За рубежом в 60-х — 70-х и начале 80-х годов наблюдения АМТ-методом проводились в т.н. «скалярной» модификации, с использованием измерений двух компонент поля — ортогональных электрической и магнитной и расчетом величины кажущегося удельного сопротивления (в отличие от применявшейся в низкочастотной магнитотеллурике одновременной регистрации четырех горизонтальных — Ex, Еу, Нх, Ну, и вертикальной магнитной Hz компонент поля с получением при обработке тензора импедансов). При этом использовалась различная аппаратура, принципиально аналогичная аппаратуре серии ЭСП [Benderitter, Gerard, 1984; Hoover et. al., 1978; Strangway, Koziar, 1979; Telford, 1977]. Наибольшую популярность получил прибор ЕС А-542−0 (Франция) [Hjelt, 1982; Pelkonen et. al., 1979; Lakanen, 1986; Васин, 1989].

В начале 80-х годов в НИИФ ЛГУ были разработаны макеты портативных станций для АМТ-зондирований в диапазоне 1−5000 Гц, основанных на фильтрации компонент электромагнитного поля с выводом результатов фильтрации на ленту самописца. При этом при обработке производилось определение элементов тензора импеданса [Ковтун, 1989; Комолов, Моисеев и др., 1989].

В 80-х годах были предложены варианты построения станций для аудиомагнитотеллурических измерений на основе блоков цифровой измерительной аппаратуры промышленного производства — цифровых вольтметров, цифровых спектроанализаторов Hewlett Packard, соединенных с микрокомпьютером [Башкуев и др., 1989; Labson, 1985].

В настоящее время имеется несколько вариантов промышленной цифровой аппаратуры, позволяющей выполнять АМТ-зондирования. Двухка-нальная аппаратура SAMTEC 1 (фирма BRGM, Франция) предназначена для проведения скалярных аудиомагнитотеллурических измерений в диапазоне 1 — 7500 Гц, а комплект SAMTEC 2 позволяет производить тензорные AMT зондирования в том же диапазоне с регистрацией 2 электрических и 3 магнитных компонент поля. Комплект аппаратуры GMS 05 фирмы Metronix (Германия) позволяет производить в дополнение к МТЗ в диапазоне частот выше 1/4096 Гц и АМТ-измерения в диапазонах 8 — 256 Гц и 256 — 8192 Гц с использованием до 8 каналов. Многофункциональный приемник V-5 фирмы Phoenix Geophysics Limited (Канада) позволяет проводить работы, наряду с другими электроразведочными методами, также методами МТЗ и АМТЗ в диапазоне частот до 10 000 Гц, обеспечивая до 16 измерительных каналов. Ряд университетов занимается также разработкой собственных макетов аппаратуры AMT зондирований [Clerc et. al., 1984, Fujii et. al., 1989, Wang Zuqin, 1988; Brasse, Rath, 1997].

Применявшиеся в нашей стране цифровые станции серии ЦЭС обеспечивали выполнение МТ зондирований на частотах до 100 Гц, захватывая лишь небольшую часть аудиомагнитотеллурического диапазона.

Таким образом, распространение AMT зондирований в нашей стране и более широкое применение их для решения различных поисковых, геологосъемочных, инженерно-геологических задач сдерживалось отсутствием надежной портативной аппаратуры. Возникла необходимость создания цифровой аппаратуры метода АМТЗ.

Специально для проведения АМТ-измерений в НИИЗК СПбГУ создана серия портативных приборов семейства АКФ (первый прибор в 1992 г.), позволяющих проводить измерения естественных электромагнитных полей в диапазоне 3Гц — 12 кГц (четырехканальная аппаратура АКФ-4), 3Гц -340 Гц (двухканальный АКФ-2.2). С начала 90-х годов работы по созданию цифровой аудиомагнитотеллурической аппаратуры были начаты и в ВИРГ-" Рудгеофизике", в связи с чем возникла необходимость разработки системы обработки данных.

В настоящее время кроме названных комплектов созданы также прототипы AMT-станций НИИФ СПбГУ [Смирнов и др., 1998] и ГИ КНЦ РАН.

Целью работы являлось повышение геологической эффективности применения аудиомагнитотеллурических измерений при решении геологосъемочных и поисковых задач в рудных районах, характеризующихся повышенным уровнем помех, и, в частности, разработка системы обработки данных измерений, получаемых с созданной в 90-х годах в НИИЗК СПбГУ и в ВИРГ-" Рудгеофизике" цифровой аудиомагнитотеллурической аппаратурой.

При создании системы обработки аудиомагнитотеллурических данных было необходимо решить следующие задачи :

— провести исследования наблюдаемых электромагнитных полей звукового диапазона частот и на основе анализа их спектральных, временных, статистических характеристик, а также специфики создаваемой аппаратуры разработать требования к указанной системе;

— учитывая, что основой проводимой обработки, как правило, является цифровой спектральный анализ, по результатам опробования различных методов оценивания спектров реальных электромагнитных полей звукового диапазона частот выбрать оптимальные процедуры и параметры для системы обработки;

— опробовать созданную систему обработки данных цифровой аппаратуры метода АМТЗ в процессе получения практических материалов с новой аппаратурой, оценить эффективность разрабатываемого аппаратурно-программного комплекса;

С 1988 года автором проводились исследования характеристик естественных электромагнитных полей с целью модификации методики измерений при проведении АМТЗ для улучшения воспроизводимости результатов наблюдений и повышения точности измерений. Полевые работы выполнялись, как правило, совместно с полевой партией N 29 НПО «Рудгеофизика». Вместе с проф. А. В. Вешевым автор со стороны НИИЗК СПбГУ принимал участие в составлении совместно с ВИРГом «Методического руководства по методам электроразведки с неконтролируемыми источниками». Разработанная автором при участии А. А. Елисеева программа обработки результатов измерений методами ПЕЭП и АМТЗ с аппаратурой ЭСП-103 хранится в фонде алгоритмов и программ ВИРГа. С 1993 года автор принимал участие в разработке ВИРГ-" Рудгеофизики" макетов цифровой многоканальной аппаратуры ИАМТП для широкополосной регистрации естественных электромагнитных полей в диапазоне от долей герц до первых килогерц. При этом, в частности были написаны первые версии программного обеспечения для регистрации данных измерений, а также подсистема препроцессинга и обработки данных АМТрго для аппаратуры ИАМТП-8, применяемая в настоящее время.

В результате выполненных исследований на защиту выносятся следующие положения :

1. Процедуры обработки аудиомагнитотеллурических данных, в отличие от применяемых в магнитотеллурических методах, должны учитывать неравномерный характер спектра электромагнитных полей звукового диапазона частот и вероятное присутствие в спектре большого количества пиков от полей помех.

2. При обработке данных АМТЗ, получаемых в условиях влияния интенсивных полей промышленной частоты и ее высокочастотных гармоник, перио-дограммный метод спектрального анализа является более эффективным, по сравнению с коррелограммным и методом фильтрации во временной области, позволяя проводить более эффективную локализацию участков спектра, обусловленных влиянием помех, и их исключение и давая возможность выделять частотные интервалы исследуемого естественного поля. При этом необходимо использовать спектральное окно, обеспечивающее интенсивное подавление боковых лепестков и спектральное разрешение, исключающее перекрытие спектральных пиков от соседних гармоник.

3. Разработанное программное обеспечение первичной обработки данных, получаемых с цифровой аппаратурой AMT, с использованием цифровой фильтрации, ручного и автоматического выбора рабочих интервалов и спектрального анализа периодограммным методом с выбранным окном и изменяемым разрешением обеспечивает проведение как экспресс-анализа результатов измерений непосредственно на полевых точках, позволяя оценивать качество материалов и оперативно вносить изменения в технику работ, так и полной обработки данных.

4. Для получения достоверных AMT измерений (особенно при использовании двухканальных вариантов аппаратуры) необходимо выполнять предварительные временные измерения импеданса и выбор на их основании наиболее целесообразных временных интервалов для проведения работ в данном регионе, а измерения на рабочих профилях сопровождать контрольными измерениями импеданса на базисном пункте.

В первой главе диссертации приведен краткий обзор имеющихся в литературе данных об источниках и характеристиках естественных электромагнитных полей, а также результаты собственных исследований временных и спектральных свойств наблюдаемых полей.

Во второй главе приведены сведения о комплектах аппаратуры, использованной при выполнении исследований, их технических характеристиках. Так как аппаратура, применяемая для производства аудиомагнитотел-лурических зондирований часто представляет собой магнитотеллурические станции, позволяющие производить измерения в ряде частотных диапазонов, 1−2 из которых относятся к звуковому диапазону частот (Metronix, Phoenix, EMI), применяются стандартные магнитотеллурические процедуры обработки полученных данных, и в литературе приводится мало данных об особенностях методики работы с использованием данного диапазона относительно «высоких частот» .

Однако, поскольку наблюдаемые аудиомагнитотеллурические поля вызываются другими источниками, могут иметь отличающиеся статистические свойства и спектральные характеристики (см. гл.1), применяемые при обработке магнитотеллурических данных процедуры могут не быть оптимальными в данном случае. В третьей главе подробно описываются процедуры обработки и используемые при этом параметры, которые в результате предварительных исследований были выбраны для обработки аудиомагни-тотеллурических данных. При этом наибольшее внимание уделяется спектральному анализу, поскольку практика применения методов спектрального оценивания в значительной мере основывается на результатах экспериментов [Марпл, 1992].

В четвертой главе диссертации излагаются результаты выполненных в различных регионах в 1988 — 1996 годах экспериментальных исследований стабильности импеданса и характера изменения составляющих естественного электромагнитного поля.

В пятой главе приведены результаты опробования аппаратурно-программного комплекса ИАМТП-8 на примерах региональных работ на Кольском полуострове, и опытно-методических работ методом AMT на золоторудном месторождении в Донецкой области.

Работа выполнена в НИИ Земной Коры Санкт-Петербургского Государственного университета. Автор искренне благодарен научному руководителю проф. А. В. Вешеву. Автор глубоко признателен ВИРГу и персонально А. А. Елисееву за предоставление части материалов и разрешение использовать в диссертации результаты совместных работ, канд. геол.-мин. наук А. К. Сараеву и М. И. Пертелю (лаборатория электромагнитных методов НИИЗК СПбГУ) за поддержку и помощь в процессе подготовки работы, доктору геол.-мин. наук В. А. Комарову (кафедра геофизики геологического факультета СПбГУ) за ценные замечания и советы, К. Д. Ратникову (ВИРГ) за предоставленные программные средства анализа тензора импеданса и решения обратной задачи, а также сотрудникам лаборатории электромагнитных методов НИИЗК СПбГУ П. А. Парфентьеву, В. Е. Прокофьеву.

Основные результаты работы сводятся к следующему :

1. Экспериментально получены спектральные, временные и статистические характеристики наблюдаемого электромагнитного поля в диапазоне звуковых частот. Показано, что указанные характеристики отличаются от наблюдаемых в диапазоне более низких частот в связи с отличием природы источников полей.

2. Обосновано построение и осуществлена реализация системы обработки данных для цифровой аппаратуры метода АМТЗ, реализующей запись временных рядов. Продемонстрирована эффективность использования комплекса процедур цифровой режекторной фильтрации и последующего автоматического выбора интервалов по принципу сравнения пиковой интенсивности сигнала на интервале с задаваемым пороговым значением, а также исключения участков действия помех.

3. В различных регионах проведены исследования временной стабильности измеренных величин импеданса естественного электромагнитного поля в диапазоне звуковых частот. Показано, что возможность изменений значений импеданса на частотах единиц — первых десятков герц следует учитывать при проведении полевых работ методом АМТЗ путем выполнения одновременных контрольных наблюдений на базисном пункте. Особую важность данное условие приобретает при использовании высокопроизводительной двухканальной аппаратуры.

Полученные при выполнении исследований результаты позволили существенно повысить качество получаемых данных при проведении работ методом АМТЗ, повысить помехоустойчивость аппаратуры. Результаты работы использованы при совместном составлении в институтах ВИРГ-" Рудгеофизика" и НИИЗК СПбГУ «Методического руководства по методам электроразведки с неконтролируемыми источниками». Разработанная подсистема препроцессинга и обработки данных AMT наблюдений для разработанной в ВИРГ-" Рудгеофизике" аппаратуры ИАМТП-8 позволяет выполнять экспресс-оценку качества проводимых измерений и применяется при проведении полевых работ с 1995 г.

Заключение

.