Исследование характеристик распространения геомагнитных пульсаций тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.12 ВАК РФ

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА I. ГОРИЗОНТАЛЬНОЕ РАСПРОСТРАНЕНИЕ НЕОДНОРОДНЫХ

ПЛОСКИХ ВОЛН.

1.1. Влияние горизонтального распространения волны на импедансы парциальных мод.

1.2. Об эквивалентности принятой модели и цепи с распределенными параметрами.

1.3. Длинная линия в режиме нагрузки и модель двухслойной среды.

ГЛАВА II .КОМПЛЕКС АППАРАТУРЫ И МЕТОДИКА. ОБРАБОТКИ АНАЛОГОВЫХ МАГНИТОФОННЫХ ЗАПИСЕЙ В' ДИАПАЗОНЕ КПК.

2.1. Структурная схема аппаратурного комплекса.

2.1 Д. Магнитограф ускоренного воспроизведения.

2Д.2. Функциональная схема устройства сопряжения.

2.2. Методика обработки записей полевых наблюдений.

2.2.1. Аналого-цифровое преобразование сигнала и его запись на магнитный носитель.

2.2.2. Обработка амплитудно-фазовых характеристик аппаратуры.

2.2.3. Дирекционный анализ магнитотеллурических наблюдений.

ГЛАВА III.РЕЗУЛЬТАТЫ ОБРАБОТКИ ПОЛЕВЫХ НАБЛКЩЕНИЁ.

3.1. Первый шаг дирекционного анализа.

3.2. Второй шаг дирекционного анализа.

ГЛАВА 1У. ИНТЕРПРЕТАЦИЯ ДИРЕКЩОННЫХ М1ШТ0ТЕЛЛУРИЧЕСКИХ

ЗОНДИРОВАНИЙ.

ЗАКЖНЕНИЕ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Началом исследования характеристик геомагнитных пульсаций можно считать доказательство возможности использования синхронных вариаций магнитного поля, при сопоставлении их с изменениями земных токов, для разведки земной коры [I] . Эта возможность основывалась на решении полной системы уравнений Максвелла. Поле аппроксимировалось плоской квазимонохроматической волной, вертикально падающей на поверхность Земли, причем последняя рассматривалась как пачка однородных, горизонтально залегающих слоев. Таким образом, приближение было одномерным, т.е. свойства системы зависели только от вертикальной координаты. На основе использования такой модели во Франции был запатентован [2] метод электроразведки нефтяных месторождений, известный как магнитотеллурическое зондирование (МТЗ).

Теорема единственности решения обратной задачи МТЗ для данной модели была доказана А.Н.Тихоновым [3] , показавшим, что по известному импедансу Ex/Ну в каком-либо интервале частот проводимость земных пород может быть, в принципе, определена однозначно. Тем не менее, развитие и практическое использование этого метода привело к выводам о наличии определенных трудностей в МТЗ [41 , которые объяснились проявлением неоднородностей проводимости земной коры в горизонтальных направлениях, не позволяющих использовать горизонтально-слоистую модель среды. Однако, даже в районах горизонтально-слоистых напластований наблюдаемые поля геомагнитных пульсаций имели значительные вертикальные компоненты, по порядку величин существенно превышающие амплитуды, которые можно было бы ожидать в предположении неоднородностей проводимости. Кроме того, эллипсы поляризации горизонтальных составляющих поля часто отличались величиной эксцентриситетов и их оси не были взаимно перпендикулярны. Указанные явления шли вразрез с моделью однородной, вертикально падающей плоской волны.

Упомянутая модель падающего электромагнитного поля длительное время оставалась превалирующей. Основные усилия в развитии метода МТЗ были направлены на изучение влияния горизонтальных неоднородностей проводимости земной коры Е 5—1X3 . Это влияние неоднородностей исследовалось как на математических [5-8 ] , так и на физических [9—II] моделях среды.

Вопрос о необходимости учета неоднородности магнитотеллури-ческого поля при электромагнитном зондировании был поставлен еще в работах Тихонова и Липской Г12] , Уэйта [13 ] . Исследование этой проблемы было проложено Прайсом, Сриваставой и Дмитриевым [14-17] . Однако это направление магнитотеллурики развивалось менее интенсивно вплоть до начала обширных исследований в космическом пространстве, когда была установлена электромагнитная природа геомагнитных пульсаций, реализующихся в виде магнитогидро-динамических волн в магнитосфере [29] . В связи с работами Д.Н. Четаева [18-22]получила развитие новая модель, аппроксимирующая падающее поле, в общем случае, неоднородной плоской волной. Эта волна состоит из парцианальных волн как магнитного типа, так и электрического с отличной от нуля компонентной Е2, причем горизонтальные компоненты падающего на Землю поля обнаруживают [18] те особенности, которые при схеме вертикально падающей волны относились целиком за счет неоднородностей земной коры. Скорость горизонтального распространения волны вдоль земной поверхности определяется цри этом горизонтальной проекцией волнового вектора первичной магнитогидродинамической волны.

Для определения заранее неизвестных направлений и величин фазовой скорости и пространственного затухания горизонтального распространения был развит дирекционный анализ магнитотеллуричес-ких наблюдений [20-24] , причем отказ от предположения о линейной поляризации парциальных полей позволил рассматривать любое наблюденное шестикомпонентное квазимонохроматическое поле индивидуальной геомагнитной пульсации как поле на поверхности горизонтально-слоистого полупространства.

Для проверки сопоставимости теории с реальной действительностью, опытных данных со всей совокупностью следствий предложенной матиматической модели, были проведены синхронные наблюдения полей геомагнитных пульсаций в трех пунктах регистрации, расположенных таким образом, чтобы их непосредственные окрестности были однородными в горизонтальных направлениях [25 ] .В результате анализа полученных данных оказалось, что все, в том числе и весьма специфические следствия новой модели согласуются с экспериментом [25,26] с точки зрения пространственно-временной и амплитудно-фазовой структуры наземного поля геомагнитных пульсаций. Подобный целенаправленный эксперимент безусловно является убедительным подтверждением того, что предложенная модель адекватно отражает реальные процессы.

Для решения прикладных задач геофизики исследование структуры поля и правомерность описания его той или иной математической моделью имеют первостепенное значение. Довольно большой разброс значений импеданса, получаемого в результате анализа индивидуальных волновых пакетов, осложняет обработку методами классического МТЗ. Как показывает практика, условие частотного зондирования (плоская, вертикально падающая волна) выполняется не полностью и довольно сложно отделить искажения кривых МТЗ, вызванных неоднородностями среды от искажений из-за неоднородности поля. Поэтому необходимо уделять внимание исследованию структуры поля источника и его возможному влиянию на результаты зондирований. В работе [54] , например, предлагается для учета структуры поля источника использовать во время полевого сезона сеть станций на большой территории Земли и анализировать отдельные вариации в едином центре, а их параметры использовать для обработки и интерпретации материалов в каждой точке. Однако, подобные методы, к сожалению, пока трудно осуществимы. Поэтому обнаруженная существенная зависимость исходных импедансов парциальных мод от параметров горизонтального распространения [39] для модели плоской неоднородной волны, с одной стороны, объясняет разброс значений импедансов для классического метода МТЗ, с другой - требует их учета геофизической интерпретации данных [37] . В то же самое время, такое влияние горизонтальной компоненты волнового вектора на импедансы позволяет проводить геолого-геофизическую интерпретацию дирекциошшх магнитотеллурических зондирований [32 , 37,47] , принципиальная возможность которой была показана еще в работе [33] , в которой проводимость разреза, как непрерывная функция вертикальной координаты могла быть найдена при решении введенной системы дифференциальных уравнений.

Настоящая диссертация посвящена дальнейшему исследованию вопросов, связанных с изучением свойств электромагнитного поля геомагнитных пульсаций в свете математической модели падающего поля в виде плоской неоднородной волны, реализующейся двумя парциальными модами, а также ряда вопросов, связанных с обработкой полевых наблюдений и использования результатов этой обработки при геолого-геофизической интерпретации геоэлектрических разре

U о зов земной коры и верхней мантии.

Основной целью работы явилось исследование характеристик распространения геомагнитных пульсаций и их использование при геолого-геофизической интерпретации результатов наблюдений.

Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

При проведении диссертационной работы получены следующие результаты.

1. Исследована зависимость парциальных импедансов неоднородных плоских волн от параметров горизонтального распространения. Показано, что распределение импедансов имеет характерные особенности, проявляющиеся, например, для двуслойной модели в зоне отрицательных значений реальной части квадрата горизонтальной составляющей волнового вектора и в области малых значений мнимой части квадрата его вертикальной составляющей. Обнаружено, что распределение импедансов в зависимости от параметров горизонтального распространения волны, полученных на поверхности реального разреза, имеет сходство с распределением, рассчитанным для модели, что дало основание провести качественную оценку глубины залегания высокопроводящего слоя, по порядку величин не расходящуюся с современными геолого-геофизическими данными.

2. Найдены электротехнические эквиваленты принятой модели, и показана правомерность такой аналогии. Продемонстрированы возможности аппарата анализа электрических линий с распределенными параметрами для определения геоэлектрического разреза земной коры.

3. Разработан и опробован автоматизированный аппаратурный комплекс и программы предварительной обработки результатов полевых наблюдений, зарегистрированных в аналоговом виде на магнитную ленту. Комплекс ориентирован на выделение и анализ индивидуальных волновых пакетов геомагнитных пульсаций по алгоритмам дирекционного анализа магнитотеллурических наблюдений, включая метод интерпретации способом разделения полей на падающие и отраженные.

4. Получены некоторые результаты обработки материалов ди-рекционных МТЗ в районе Коростенского плутона, осуществленной с помощью разработанного комплекса и явившейся первым успешным его опробованием. Полученные характеристики горизонтального распространения волновых пакетов не противоречат оценкам произведенным другими методами. Довольно широкий диапазон изменения параметров горизонтального распространения и закономерности зависимостей от них вычисленных парциальных импедансов, позволяет использовать их при геолого-геофизической интерпретации.

5. Произведена интерпретация экспериментальных данных зондирований земной коры в зонах Волыно-Подольской плиты и Коростенского плутона способом разделения полей на падающие и отраженные. Полученные оценки параметров слоев хорошо согласуются с данными других геолого-геофизических методов разведки близко расположенных районов.

6. Получен высокоомный геоэлектрический разрез зоны Украинского кристаллического массива до глубин ^ 400 км, параметры которого не противоречат современным представлениям о строении земной коры и верхней мантии платформенных регионов. По проведенным оценкам залегания, предполагаемого высокопроводящего слоя, и полученному разрезу решена модельная задача, и результаты расчета соответствуют наблюденным импедансам на поверхности.

1. Тихонов А.Н. Об определении электрических характеристик глубоких слоев земной коры. Доклады АН СССР, 1950, т.73, № 2, с.295-297.

2. Cagniard L. iErosede de prospeetion geophisique. Brevet di invention fransias N1025683, demande le 6 oct. 1950, delivre le 28 jan. 1953.

3. Тихонов А.Н. К математическому обоснованию теории электромагнитных зондирований. ЖВМ и ТФ, 1965, т.5, J6 3,с.545-547.

4. Cagniard L. De quelques difficultes et paradoxes recontres dans celle des la teorie electromagnetique en general, dans celle des variations magneto-telluriques en partiqulier. C. r. Acad, sci. Paris, 1971, v.273, N19, p. 826-828.

5. Дмитриев Б.И. Электромагнитные поля в неоднородных средах. М., МГУ, 1969, 131с.

6. Дмитриев В.И., Захаров Е.В., Кокотушин Г.А., Методы расчета магнитотеллурических полей в горизонтально-неоднородных средах. В кн."Магнитотеллурические поля в неоднородных средах". Под ред.В.И.Дмитриева, М., МГУ, 1973, с.

7. Барашков И.С. Об интегральных уравнениях в задаче МТЗ с осевой симметрией. В сб."Математические модели задач геофизики". Под ред.В.И.Дмитриева, Е.В.Захарова, М., МГУ, 1981, с.3-18.

8. Гусаров А.Л. К вопросу о единственности решения обратной задачи магнитотеллурического зондирования для двумерных сред. -В сб."Математические модели задач геофизики". Под ред.В.И.Дмитриева, Е.В.Захарова, М., МГУ, 1981, с.31-58.

9. Мороз И.П., Кобзова В.М., Тимошин Б.В. Моделирование электродинамических процессов в неоднородных проводящих средах. Киев, Наукова думка, 1975, 84с.

10. Бердичевский М.Н., Кобзова В.М., Мороз И.П. Физическое моделирование магнитотеллурического поля над однородной астеносферой. Изв.АН СССР, Физика Земли, 1980, № 8, с.121-124.

11. Бердичевский М.Н., Билинский А.И. и др. Исследование разрешающей способности глубинного МТ зондирования при помощи физических моделей. - Изв.АН СССР, Физика Земли, 1984, J& 7, с. 8589.

12. Тихонов А.Н., Липская Н.В. О вариациях земного электрического поля. ДАН СССР, 1952, т.87, № 4, с.547-550.

13. Wait J.R. On the relation between telluric current and the Earth's magnetic field. Geophys., N19, 1954,p. 329-337.

14. Gendrin R., Gokhberg M., Lacourly S.t Malevskaya 0., Chepetov R., Troitskaya V. Polarisation des oscillations hidro-magnetiques de type Pc 1 observees en deux stations geomagneti-quement conjugees. Ann. geophys., 1966, v.22, N 3, p. 329337

15. Price A.T. The theory of magnetotelluric method when the sourse field is considered, J. Geophus. Res,, 1962, v.67, N 5, p. 1907-1918.

16. X6. Srivastava J. Method of interpretation of magneto-telluric data when the source fild is considered, J. of Geophys. Res. v.70, N 4, 1965, p.945-955.

17. Дмитриев В.И. Импеданс слоистой среды для неоднородной плоской волны. Изв.АН СССР, Физика Земли, 1970, $ 7, с.63-70.

18. Четаев Д.Н. К теории естественного электромагнитного поля Земли. В кн.:Естественное электромагнитное поле и исследования внутреннего строения Земли. М.Наука, 1971, с.15-39.

19. Четаев Д.Н. Об электромагнитных потенциалах в слоисто- 101 анизотропных средах. Изв.АН СССР, Физика Земли, 1966, $ 10, с.41-46.

20. Четаев Д.Н., Юдович В.А. Дирекционный анализ магнито-теллурических наблюдений. йзв.АН СССР, Физика Земли, 1970,$ 12, с.61-68.

21. Четаев Д.Н. Об определении электропроводности пород земной коры в условиях естественного залегания. Тезисы докл. IX Всесоюзной конференции по распространению радиоволн. Харьков, 1969, ч.2, с.304-307.

22. Четаев Д.Н. О структуре поля короткопериодической геомагнитной вариации и магнитотеллурических зондированиях. Изв. АН СССР, Физика Земли, 1970, & 2, с.52-56.

23. Четаев Д.Н. О локальной структуре магнитотеллурического- 102 поля. Изв.АН СССР, Физика Земли, 1978, № 10, о.105-116.

24. Тихонов А.Н., Четаев Д.Н., Моргунов В.А. и др. О магни-тотеллурических зондированиях земной коры. Докл.АН СССР, 1974, т.217, В 5, с.1065-1068.

25. Troitskaya V.A. Rapid variations of the electromagnetic fild of the Earth. Research in Geophysics, copyright by the Massachusets Ins. of Thechnology, 1964, v.1.

26. Атабеков Г.И. Основы теории цепей. М., Энергия, 1969,424с.

27. Рамо С, Уиннери Дж. Поля и волны в современной радиотехнике. Гостехиздат, 1950, с.175-178.

28. Шаманин С.В. Об импедансах слоистой среды для неоднородных плоских волн. В кн.: Развитие дирекционного анализа и магнитотеллурических зондирований земной коры на Дальнем Востоке. Владивосток, ДВНЦ АН СССР, 1976, с.64-73.

29. Крейт КАМАК. Аналогово-цифровой преобразователь типа 712. Инструкция по обслуживанию 23066-00000-002.

30. Осьмаков А.Н. Геолого-геофизическая интерпретация горизонтально-распространяющихся геомагнитных пульсаций. Автореф.дис. канд.физ.-мат.наук. М., ШЗ АН СССР, П7с.

31. Алексеев Б.М., Моргунов В.А., Четаев Д.Н., Савин М.Г.

32. Chetaev D«N.,Shamanin S.V,,Pedorov E.N.,Osmak:ov A.N., Savin BUG», Israilslsy Yu.G. Impedanses of horisontal propagating magnetotelluric filds. Program and abstracts for the 4-th IAGA Sc. Assembly, Edinburgh, 1981, p. 565.

33. Владимиров Н.П., Крылов C.M. Характеристики микровариаций электромагнитного поля. Изв.АН СССР, Физика Земли, 1964,6, с.872-881.

34. Алексеев Б.М., Лепендин В.П., Моргунов В.А. и др. О структуре магнитотеллурического поля. В кн.: Развитие дирекционного анализа и магнитотеллурических зондирований на Дальнем Востоке. Под ред.М.Г.Савина, Владивосток, ДВНЦ АН СССР, 1976,c.I04-III.

35. Крылов С.М. Индукционный магнитометр в системе обработки данных в реальном масштабе времени. В кн.: Микро-ЭВМ в геомагнитных исследованиях. М., ИФЗ АН СССР, 1984, с.21-43.

36. Макс Ж. Методы и техника обработки сигналов при физических измерениях. М., Мир, 1983, т.1, с.311.

37. Матвеичев М.В., Козырева О.В., Осьмаков А.Н. и др. Комплекс аппаратуры и методика обработки аналоговых магнитофонных записей в диапазоне КПК. В кн.: Микро-ЭВМ в геомагнитных исследованиях. Под ред.Федорова Е.Н., ИФЗ АН СССР с.87-89.

38. Астапенко В.Н., Емельянов А.П. Система анализа магнито-теллурической информации САМИ. В кн.: Алгоритмы и программы анализа данных геофизических исследований. Минск, Наука и техника, 1979, с.19-28.

39. Форсайт Дж., Малькольм М., Моулер К. Машинные методы математических вычислений. М., Мир, 1980, с.195-205.

40. Четаев Д.Н., Осьмаков А.Н., Матвеичев М.В., Чернышев А.К. Интерпретация дирекционных магнитотеллурических зондирований способом аналитического продолжения. Изв.АН СССР, Физика Земли, 1984, № 4, с.75-82.

41. Соллогуб В.Б. Глубинные сейсмические исследования на Украине. Геофизический сборник, Киев, Наукова думка, 1972, вып.48, с.3-9.

42. Соллогуб В.Б., Калюжная I.T., Чекунов А.В. Глубинное строение земной коры в районе Коростенского плутона по данным сейсмических исследований. Геофизический сборник, Киев, Наукова думка, 1968, вып.25, с.31-46.

43. Herron Th. Phase characteristics of geomagnetic micro-pulsations. J. Geophys. Res., 1966, v.71, p,871-889.- 105

44. Гохберг М.Б., Качарянд Е.Б., Похотелов О.А. К вопросу о генерации устойчивых колебаний геомагнитного поля. Дом.АН СССР, 1971, т.198, №3, с.568-571.

45. Green О.А. The longitudal phasa variations of midlatitude Pc 3-4- micropulsations, Planet, and Space Sci., 1976, v. 24, mf p, 79-85.

46. Геология СССР. т.5, ч.1, М., ГНТИ, 1958, с.846-907.

47. Рокйтянский И.И. Индукционные зондирования Земли. Киев. Наукова думка, 1981. 296с.

48. Рокитянский И.И. Геофизические методы магнитовариацион-ного зондирования и профилирования. Киев, Наукова думка, 1972.- 226с.

49. Banks R.J, The overal conductivity distribution of the Earth. J. Geomagn. and Geoelect. 1972, v.24, N 3f p. 337 -351.

50. Bennett D.J,, Lilley F.E.M. Electrical conductivity structure in the South-East Australion Region. Geoph. J. Roy, Astron. Soc. 1974, N37.

51. Lamb H. On the currents induced in a spherical conductor by variation of the external magnetic potential.-Philosoph. Trans, London, 1900, v. 180a, p. 513518.

52. Srivastava S. Theory of magnetotelluric method for nonuniform conductors, J. Geomagn, and Geoelectr,, 1965* N 3/4, p. 507 - 515.

53. Бенькова Н.П. Спокойные солнечно-суточные вариации земного магнетизма. М., Гидрометеоиздат, 1941, 74с.

54. Рикитаки Т. Электромагнетизм и внутреннее строение

55. Земли. I., Недра, 1968, 331с.

56. Никитина В.Н., Эненштейн Б.С. Определение свойств фундамента в естественном залегании. Изв.АН СССР. Физика Земли, 1968, № 12.

57. Заборовский А.И. Электроразведка. -М., Гостоптехиздат. 1963. 423с.

58. Жарков В.Н. Внутреннее строение Земли и планет. М., Наука. 1983. 416с.