Комплексирование разведочной и длиннопериодной аппаратуры при проведении синхронных зондирований литосферы

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 550.837

КОМПЛЕКСИРОВАНИЕ РАЗВЕДОЧНОЙ И ДЛИННОПЕРИОДНОЙ АППАРАТУРЫ ПРИ ПРОВЕДЕНИИ СИНХРОННЫХ МТ/МВ ЗОНДИРОВАНИЙ ЛИТОСФЕРЫ

Варенцов И.М., Лозовский И.Н.

Центр геоэлектромагнитных исследований, Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН

Москва, Троицк

Представляется и иллюстрируется в рамках проектов KIROVOGRAD и EHS3D методика проведения синхронных магнитотеллурических (МТ) и магнитовариационных (МВ) зондирований с интеграцией разведочной аппаратуры Phoenix MTU-5 и длиннопериодной аппаратуры LEMI-417M, а также совместной многоточечной обработки МТ/МВ данных с оцениванием трех передаточных операторов - импеданса, типпера и горизонтального МВ отклика.

Ключевые слова: магнитотеллурический и магнитовариационный методы, синхронные наблюдения, глубинные зондирования, обработка данных, передаточные операторы.

синхронный зондирование магнитотеллурический аппаратура

INTEGRATION OF THE EXPLORATION AND LONG-PERIOD INSTRUMENTS FOR THE SIMULTANEOUS MT/MV SOUNDINGS OF THE LITHOSPHERE

Advanced techniques for the simultaneous magnetotelluric (MT) and magnetovariational (MV) soundings integrating Phoenix MTU-5 and LEMI-417M instruments and for multisite processing of MT/MV data with the estimation of three transfer operators (impedance, tipper and horizontal MV response) are presented and illustrated in the frames of KIROVOGRAD and EHS3D projects.

Keywords: magnetotelluric and magnetovariational methods, simultaneous observations, deep soundings, data processing, transfer operators.

Важная тенденция современного развития технологий глубинного МТ/МВ зондирования заключается в реализации схем синхронного наблюдения электромагнитных (ЭМ) полей и расширении частотного диапазона наблюдений до 6-8 декад. Фактор синхронности обеспечивает существенный прогресс в подавлении ЭМ помех на пути использования многоточечных алгоритмов оценивания передаточных операторов и расширение ансамбля интерпретируемых данных за счет синхронных передаточных операторов [1-7]. Построение надежных оценок МТ/МВ передаточных операторов в диапазоне периодов 0.01-10000 с позволяет получать информативные глубинные отклики, характеризующие корово-мантийные геоэлектрические структуры, и контролировать искажающие их приповерхностные неоднородности. Авторами накоплен значительный опыт проведения подобных синхронных широкодиапазонных глубинных зондирований при совместном использовании длиннопериодной (LEMI, GEOMAG и пр.) и разведочной (Phoenix) аппаратуры [4, 8, 9].

Цифровая МТ станция LEMI-417M (Львовский центр Института космических исследований НАН Украины) обладает 3 магнитными и 4 электрическими каналам для измерения вариаций ЭМ поля. Ее динамический диапазон составляет -/+68 000 нТл для магнитных и -/+600 мВ для электрических каналов, разрешение - соответственно, 10 нТл и 0.07 мкВ. АЦП станции с разрядностью 16 бит работает в непрерывном режиме с дискретизацией 1 Гц. Магнитометр использует трехкомпонентный феррозондовый датчик, размещенный в термостабильном корпусе, и обладает высокой чувствительностью на длинных периодах. Аппаратура обеспечивает надежное оценивание передаточных функций на периодах от 10-30 до 10000-20000 с. Резерв электрических каналов позволяет вести измерения на дополнительных электрических линиях, отличающихся длиной и/или ориентацией.

Станция Phoenix MTU-5 (Phoenix Geophysic Ltd., Канада) позволяет регистрировать вариации ЭМ поля в диапазоне периодов 0.003-2000 с. АЦП станции отличается высокой разрядностью 24 бит. Параллельная запись измерений осуществляется непрерывно с дискретизацией 15 Гц и интервально с дискретизациями 150 и 2400 Гц. Измерение 3 компонент магнитного поля ведется с использованием индукционных датчиков МТС-50.

Типичные амплитудно-частотные характеристики феррозондового магнитометра станции LEMI-417M и индукционных датчиков МТС-50 представлены на рис. 1 и 2. При глубинных зондированиях длительностью 2-3 дня и среднем уровне ЭМ шумов интеграция наблюдений LEMI и непрерывных записей Phoenix позволяет получить качественные оценки передаточных операторов в диапазоне 5 декад периодов (порядка 0.5-5000 с). Такие зондирования велись в течение нескольких последних лет в эксперименте KIROVOGRAD и обеспечили глубинность исследований в пределах всей земной коры. Продление времени регистрации до одной недели и привлечение высокочастотных интервальных записей Phoenix расширяет диапазон периодов в обе стороны до 7 декад. Подобные наблюдения проводились в 2007 и 2009 г. в эксперименте EHS3D и позволили изучать геоэлектрическую структуру земной коры и верхней мантии до глубин 200-300 км.

Рис. 1. Типичные амплитудные характеристики каналов станции LEMI 417M, единичные для частот менее 0.001 Гц; по горизонтали - частота (Гц, lg-масштаб).

Рис. 2. Типичные амплитудно-фазовые характеристики индукционных датчиков MTC-50; по горизонтали - частота (Гц, lg-масштаб).

Обработка сводного массива данных LEMI/Phoenix велась в рамках многоточечной схемы с применением системы PRC_MTMV (ЦГЭМИ ИФЗ РАН) [1, 2, 6, 7] и дополнительным использованием интерактивной программы MT-Corrector (ООО “Северо-Запад”). В системе PRC_MTMV по записям двух станций проводилось независимое оценивание импеданса, типпера и горизонтального МВ отклика по синхронным наблюдениям, включающим 2-4 полевых или стационарных пункта, удаленных от точки зондирования. Традиционные алгоритмы когерентностной отбраковки частных оценок передаточных операторов [1] дополнялись алгоритмы отбраковки на основе критериев ограничения пространственной и частотной изменчивости горизонтальных МВ откликов, более эффективными при подавлении пространственно-кореллируемых помех [2, 6, 7]. Далее выполнялось многоуровневое робастное осреднение отобранных данных (включая многооконное и мульти-RR) [1, 7]. Также велось двухточечное RR-оценивание импеданса и типпера по фирменной технологии Phoenix с последующим построением сглаживающих сплайнов в режиме интерактивной отбраковки искаженных данных в программе MT-Corrector. Обработка завершалась еще одним уровнем робастного осреднения оценок, полученных различными способами для двух видов аппаратуры.

В рамках проекта KIROVOGRAD развернут первый на постсоветском пространстве масштабный эксперимент глубинного МТ/МВ зондирования, охватывающий западный склон Воронежского массива и прилегающие территории (49-55°с.ш., 30-37°в.д.), включающий более 200 новых пунктов синхронных наблюдений 2006-14 г. и дополненный результатами более 300 локальных зондирований прошлых лет [4, 7, 10, 11]. Регион исследований характеризуется интенсивными и разнообразными по природе ЭМ помехами, порождаемыми электрифицированными железными дорогами на постоянном и переменном токе, электростанциями и высоковольтными ЛЭП, системами катодной защиты трубопроводов, крупными горнодобывающими предприятиями и другими объектами промышленной и городской инфраструктуры. Для более надежного подавления этих помех с 2012 г. большинство синхронных зондирований в эксперименте KIROVOGRAD ведутся совмещенными станциями LEMI и Phoenix. Одновременно регистрируются магнитные вариации на геофизической базе МГУ в д. Александровка Калужской обл. (ALX) и геомагнитной обсерватории “Киев” (KIV).

На рис. 3 показаны результаты оценивания главных компонент импеданса в точке эксперимента со средним уровнем помех. Одноточечные (SS) оценки по данным Phoenix искажены на длинных периодах, остальные - лежат в плотной полосе. Данные LEMI и Phoenix на средних и длинных периодах дополняют друг друга, итоговое робастное осреднение дает качественные результаты для периодов 0.25-6000 с. На рис. 4 приведены аналогичный по структуре набор оценок импеданса в точке с высоким уровнем помех, расположенной на небольшом удалении от электрифицированной (на постоянном токе) ж/д. Здесь все данные Phoenix, полученные в PRC_MTMV, существенно искажены на периодах более 100-300 с и сильно отличаются от мало искаженных данных LEMI. Сплайны, полученные в MT-Corrector, подавляют искажения, но порождают значительные смещения в ух-компоненте. На коротких периодах (менее 20 с) остаются расхождения между RR-оценками относительно ALX, полученным по технологиям PRC_MTMV и Phoenix/MT-Corrector, однако они заметно лучше немонотонных одноточечных оценок. В целом, несмотря на отмеченные явные искажения, мульти-RR осреднение дает удовлетворительные результаты для периодов 0.25-4000 с. Это подтверждает целесообразность комплексирования аппаратурных и программных инструментов.

Рис. 3. МТ зондирование со средним уровнем ЭМ помех - результаты оценивания амплитуды главных компонент импеданса (xy - слева, ух - справа; мВ/км/нТл) в системе PRC_MTMV по данным Phoenix (первые три кривых) и LEMI (вторые три кривых); SS - одноточечные оценки, ALX и KIV - RR-оценки относительно указанных пунктов; последняя кривая - результат фирменной RR-обработки (относительн0 ALX) данных Phoenix с последующим применением программы MT-Corrector; по горизонтали - период (с, lg-масштаб).

Рис. 4. МТ зондирование с высоким уровнем ЭМ помех - результаты оценивания амплитуды главных компонент импеданса (обозначения -как на рис. 3).

В 2007-9 г. в рамках международного проекта EHS3D Институтом геологии и геофизики Китайской АН выполнены синхронные МТ/МВ зондирования с длиннопериодной аппаратурой LEMI (недельные) и разведочными инструментами Phoenix (суточные) с целью изучения геоэлектрической структуры тектоносферы Восточного Тибета [8, 9]. Исследования велись на геотраверсах EHS-2 и EHS-3 (протяженностью более 1000 км каждый) и в геомагнитных обсерваториях региона. Обработка полученных данных велась в ЦГЭМИ ИФЗ РАН по рассмотренным выше методикам. Получены сводные импедансные кривые по данным Phoenix и LEMI в ~50 пунктах в диапазоне периодов 0.08-12000 с, превышающем 5 декад [9]. Достигнута высокая точность стыковки фазовых кривых для двух типов аппаратуры (рис. 5). В ряде точек исходные фазовые кривые в результате приповерхностных гальванических эффектов выглядели экзотично, покидая 1D-квадрант (рис. 5, слева), в то время как соответствующие компоненты фазового тензора [12] обретали нормальный вид (рис. 5, справа).

Рис. 5. Импедансные фазовые отклики (град.) в т. 311 эксперимента EHS3D [9] по данным Phoenix (PhoPRC, локальная оценка) и LEMI (SS, локальная оценка, RR\307, RR-оценка относительно удаленной т. 307): слева - исходные xy- и yx-кривые, справа - аналогичные кривые, извлеченные из фазового тензора импеданса [12], сплошные черные линии справа - результат робастного осреднения 3 исходных оценок; горизонтальные оси - период (с, lg-масштаб).

При оценивании МВ операторов в эксперименте KIROVOGRAD достигнута точность сводных оценок LEMI/Phoenix, сопоставимая с точностью импедансных данных [4, 11]. В эксперименте EHS3D в условиях экстремального высокогорья качество МВ оценок по данным Phoenix оказалось существенно ниже оценок по данным LEMI в силу существенно меньшей длительности наблюдений и влияния ветровых помех, поэтому оценивание этих откликов относительно геомагнитных обсерваторий с дискретизацией данных 1 Гц основывалось только на данных LEMI [8, 9].

Литература

1. Варенцов Ив.М., Соколова Е.Ю., Мартанус Е.Р. и др. Методика построения передаточных операторов ЭМ поля для массива синхронных зондирований BEAR // Физика Земли. 2003. №2. С. 30_61.

2. Varentsov Iv.M. Arrays of simultaneous EM soundings: design, data processing and analysis // EM sounding of the Earth's interior. Elsevier. 2007. P. 263-277.

3. Ernst T., Brasse H., Cerv V. et al. EM images of the deep structure of the Trans-European Suture Zone beneath Polish Pomerania // Geophys. Res. Let. 2008. V. 35. L15307. 5p.

4. Варенцов Ив.М., Ковачикова С., Куликов В.А. и др. Синхронные МТ и МВ зондирования на западном склоне Воронежского массива // Геофиз. журн. 2012. Т. 34. № 4. С. 90-107.

5. Варенцов Ив.М., Куликов В.А., Яковлев А.Г., Яковлев Д.В. Возможности методов магнитотеллурики в задачах рудной геофизики // Физика Земли. 2013. № 3. С. 9-29.

6. Варенцов Ив.М. Программная система PRC_MTMV для обработки данных синхронных МТ/МВ зондирований // Материалы VI Всероссийской школы-семинара по ЭМ зондированиям им. М.Н. Бердичевского и Л.Л. Ваньяна. Новосибирск: ИНГГ. 2013. 4с.

7. Varentsov Iv.M. Arrays of simultaneous EM soundings: design, data processing, analysis and inversion // EM sounding of the Earth's interior: theory, modeling, practice. Elsevier. 2015. P. 271-299.

8. Xiao P., Bai D., Varentsov Iv.M. et al. Study on long-period MT sounding: The LMT transfer functions in eastern Tibetan Plateau // Seismology and Geology. 2010. V. 32(1). P. 38-50 (in Chinese).

9. Варенцов Ив.М., Бай Д. Геоэлектрическая модель тектоносферы Восточного Тибета по данным глубинных и разведочных МТ/МВ зондирований // Проблемы геодинамики и геоэкологии внутриконтинентальных орогенов. 2015. C. 169-177 (В Печати).

10. Алексанова Е.Д., Варенцов Ив.М., Куликов В.А. и др. Глубинные аномалии электропроводности в северной части Воронежской антеклизы // Геофизика. 2013. №2. С. 32-38.

11. Варенцов Ив.М., Гордиенко В.В., Гордиенко И.В. и др. Склон Воронежского кристаллического массива (геофизика, глубинные процессы). Киев: Логос. 2013. 118 с.

12. Caldwell G.T., Bibby H.M., Brown C. The MT phase tensor // Geophys. J. Int. 2004. V. 158. P. 457-469.

Размещено на Allbest.ru