Спектрально-временные преобразования и система обработки аналоговых магнитотеллурических данных при глубинных исследованиях тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.12 ВАК РФ

ЕВЕЩЕНИЕ . . V V % 2 2 2 ? V . ^ I- ; V ^ ; >

ГЛАВА I СТОХАСТИЧЕСКАЯ ЮДЕЛЬ МАШИТОТЕЛЛУШЕСКОП). . . ПРОЦЕССА В ДИАПАЗОНЕ ДЛИННОПЕРИОДНЫХ ВАРИАЦИЙ . 10 1.1 Спектрально-статистические характеристики.длинно-. периодных вариаций геомагнитного поля 2 V V У • *. II

1;2 Стохастическая модель горизонтальных компонент переменного магнитного поля • • • • • 2 2' а) Линейная поляризация горизонтального магнит^ . . ного поля 2 * 2 2 2 . 2 I < 2 2 • 2 . • б) Нелинейная поляризация горизонтального маг-. . . нитного поля • 2 • . . . •

1;3 Стохастическая модель соотношений между электрик . ческим полем и горизонтальным магнитным полем • а) Общая структура магнитотеллурического процесса % б) Случай горизонтально-однородной или двумерно-неоднородной среды • 2 • V • •" • • • • • • • в) Общий случай горизонтально-неоднородной среды, г) Статистическая структура выборочных, реализаций

МТ процесса • » V 2 • . • 2 2 • • • • . • 2 44 1;4 Стохастическая модель соотношений между вертикальной и.горизонтальными.компонентами магнитного , . поля ; . . ♦ V V 2 2 I ; * ; 2 2 2 2 I ¿' г 47 Выводы к главе I • . . •

ГЛАВА 2 МЕТОДЫ СПЕКТРАЛЬНО-ВРЕМЕННЫХ ПРЕОБРАЗОВАНИЙ,ПРИ. ОБРАБОТКЕ МА1Ш1Т0ТЕЛЛУРИЧЕСКИХ ВАРИАЦИЙ 2 * 2 2 2 2 54 2*1 Статистические методы оценки импеданса у 2 2 2 2 • а) Оценка импеданса способом.спектрально-корреляциоиного анализа . . • б) Оценки импедансов способом статистического анализа узкополосных процессов . ; . • ; ; . # в) Статистические. методы оценки, магнитных отноше-, ний ; . . * ^ . I1 . ; .'" . . ; ; Гг 61 2.2 Метод математической фильтрации и его обобщение V а) Метод математической фильтрации ; б) Метод обобщенной математической фильтрации.;.;. 65 2^3 Метод мгновенных спектров и его обобщение ^ а а) Метод мгновенных спектров ♦ ¿' ^ г. б) Метод обобщенных мгновенных спектров ; V ; 70 2.4 Косинусоидальные весовые функции в методах мгно-. венных спектров.и.математической фильтрации.;.75 Выводы к главе 2 • . • . ♦ . . . . •

ГЛАВА 3 ОЦЕНКИ ПОГРЕШНОСТЕЙ ОПРЩЩЕНШ ИМПВДАНСА МЕТОДОМ АМПЛИТУДНЫХ СПЕКТРАЛЬНО-ВРЕМЕННЫХ ПРЕОБРАЗОВАНИЙ 82 3£1 Погрешности определения импеданса за.счет его непостоянства на оси частот ^ У . ; I ; ^ V 83 3.2 Влияние на результаты спектрально-временных МТ преобразований производных спектра магнитного поля а) Спектральная структура иррегулярных геомагнитных вариаций в амплитудном представлении б) Оценки смещения мгновенных значений фильтрованных колебаний.и.мгновенных спектров.магнитного . поля ; . ; . ; . . . * ; • в) Оценки погрешностей определения импеданса за счет непостоянства спектров магнитного поля на оси частот • i f "i -¿' i: i" . ; • ; ii-'

3.3 Приведение MT процесса к "белому шуму" при спектрально-временных преобразованиях ; . . . • ; V

3.4 Оценка погрешностей определения импеданса в диапазоне периодов солнечно-суточных вариаций с помощью численной,модели Ш.процесса • ; ; • • . •

Выводы к главе 3 . . . . . . . . . . •

ГЛАВА 4 АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА ОБРАБОТКИ АНАЛОГОВЫХ МА1ЖГОТЕЛЛУРШЕСКИХ ДАННЫХ ПРИ ГЛУБИННЫХ. ИССЛЕДОВАНИЯХ И ЕЁ ПРАКТИЧЕСКАЯ АПРОБАЦИЯ ; ; ; i 118 4.1 Выбор метода спектрально-временного.анализа. . 118 4*2 Описание системы обработки • i • • • • • • • • а) Аналого-цифровое преобразование • • • • .;. •. б) Алгоритм и его особенности • • • • ; • i в) Программа расчета импедансов и магнитных отношений методом мгновенных спектров • ; . V г) Методы контроля качества полученных результатов и дополнительные программы i • . I • i

4.3 Устойчивость оценок импеданса игласие. другиеми методами обработки s * . * •• ; • • « w • ¥ w •

4.4 Практическая апробация системы. ¿' v • w • • . • ; 138 Выводы к. главе. 4. • i i * • ; . • ♦ i ¿s * у

ЗАКЛШЕНИЕ W ; • . ; i ^ . i W . ; . . . . ; ?

Исследования термодинамического и фазового состояния нижних частей земной коры и верхней мантии представляют одну из ведущих проблем теоретической и практической геологии.

Последние года ознаменовались быстрым развитием глубинной геоэлектрики, которая дает важную информацию для построения модели глобальной эволюции Земли, разработки новых геотектонических концепций, изучения природы и механизма сейсмопро-явлений. Среди методов, основанных на изучении электромагнитной индукции в Земле, особое место занимают магнитотеллури-ческие (МТ) методы, которые обеспечивают простоту.и оперативность получения исходных экспериментальных данных. Глубинные магнитотеллурические зондирования (ГМТЗ) основаны на регистрации и обработке вариаций естественного электромагнитного поля в широком диапазоне частот, В него входят короткоперио-дические вариации (периода 0,1 - 1000 сек), иррегулярные длин-нопериодные ( 10 мин - 3 часа) и солнечно-суточные (4-24 часа) вариации. Диапазон короткопериодических вариаций является основным при электроразведочных работах, а диапазон.длиннопери-одных вариаций - в методах глубинной геоэлектрики. В процессе развития этих методов сложилась значительная диспропорция в техническом и методическом уровне регистрации и обработки маг-нитотеллурических вариаций в этих диапазонах периодов. Для электроразведочных работ была создана серийная цифровая МТ аппаратура с высокой производитель-ностью и широким динамическим диапазоном и унифицированная система оперативной обработки цифровой, информации с использованием узкополосных МТ преобразований. При глубинных исследованиях попрежнему применялась аналоговая форма регистрации с ограниченным динамическим диапазоном; для глубинной геоэлектрики было характерно отсутствие единой методики и системы оперативной обработки аналоговых данных, учитывающих ограниченные возможности продолжительной непрерывной регистрации длиннопериодных вариаций. Использование аналоговой аппаратуры и отсутствие соответствующей системы оперативной обработки МТ данных ограничивало возможности глубинных исследований.

Работы по созданию системы обработки аналоговых МТ данных впервые были начаты в Академии Наук Туркменской ССР (Отдел разведочной геофизики) в 1960 году одновременно с внедрением магнитотеллурических методов для изучения мощного низкоомного разреза осадочного чехла, когда рабочий интервал частот включает в себя и диапазон иррегулярных длин-нопериодных вариаций. В после,дующем эти работы были продолжены в рамках глубинных исследований (Институт физики Земли и атмосферы, Институт сейсмологии, Институт геологии) с использованием солнечно-суточных вариаций.

В течение последних 10 лет усилия были направлены на совершенствование методов аналого-цифрового преобразования и математической обработки результатов МТ наблюдений, представленных в аналоговой форме,' В основу был положен спектральный анализ относительно коротких по сравнению с периодами выделяемых вариаций, участков процесса, с последующей оценкой им-педансов по мгновенным спектрам МТ процесса. При этом был использован тот же методический принцип, что и в методе математической фильтрации - близость оценок к истинным значениям импеданса в случае его слабой изменчивости в пределах ширины спектральной весовой функции.

В результате такая система была создана, успешно апробирована в процессе глубинных исследований и производственных электроразведочных работ на обширной территории Средней Азии и Восточного Кавказа, передана в Ташкентский государственный университет, производственное объединение "Узбекгео-физика" МГ УзССР и ИЗМИР АН СССР, где успешно функционирует в настоящее время. Она позволила резко повысить производительность и геолого-геофизическую эффективность метода ГМТЗ и автоматизировать обработку синхронных аналоговых магнито-вариационных данных.

Однако недостаточная теоретическая изученность спект-. рально-временных преобразований МТ процесса и, в частности, мгновенных спектров, как результата таких преобразований, затрудняло исследование системы с целью получения количественных характеристик и явилось препятствием на пути её дальнейшего совершенствования, необходимость в котором стала все больше и больше ощущаться по мере усложнения задач,стоящих перед глубинной геоэлектрикой и производственной электроразведкой. При этом геолого-геофизическая и экономическая эффективность системы должна быть резко увеличена за счет повышения точности оценок импеданса при одновременном снижении продолжительности полевых наблюдений, т.е. за счет удовлетворения .двух противоречивых требований.

Указанные обстоятельства и определили направление и цель настоящей работы:

- анализ возможностей энергетических и амплитудных спектрально-временных преобразований нестационарного случайного маг-нитотеллурического процесса для оценки импедансов и магнитных отношений в .диапазоне длиннопериодных иррегулярных и солнечно-суточных вариаций

- исследование автоматизированной системы обработки аналоговых МТ данных методом мгновенных спектров (оценка погрешностей, степени устойчивости и воспроизводимости результатов, сопоставимости с результатами математической фильтрации) и изыскание путей повышения её геолого-геофизической и экономической эффективности

- внедрение системы в практику научных.исследований и производственных электроразведочных работ.

Автор диссертации непосредственно участвовал в разработке и создании системы обработки аналоговых МТ данных, им проведены все необходимые теоретические разработки спектрально-временных МТ преобразований и выполнен основной объём работ по исследованию и внедрению системы обработки длинно-периодных вариаций в практическую геоэлектрику.

Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения и приложения,

Основные выводы работы следующие: I; Предложена стохастическая модель нелинейно поляризованного переменного геомагнитного поля, описывающая поведение горизонтального вектора Hit) в виде суммы двух процессов: нормального локально-стационарного случайного процесса в диапазоне периодов от 10 мин до 3 часов (иррегулярные длиннопе-риодные вариации) и квазидетерминированного процесса, представленного регулярными вариациями с большими периодами (солнечно-суточные, годовые и др.); Основной особенностью модели является независимость от времени отношений статистических огибающих горизонтальных составляющих иррегулярных вариаций*

2, Разработана соответствующая стохастическая модель магни-тотеллурического (МТ) и магнитовариационного (МВ) процессов. Доказана локальная стационарность иррегулярных длиннопери-одных вариаций и возможность представления импеданса и магнитного отношения через независящие от времени статистические параметры; определенные как по ансамблю',1 так и по времени*

3; Рассмотрены методы энергетических спектрально-временных преобразований МТ процесса!

Предложен спектрально-корреляционный метод определения инн педаноа и магнитных отношений* Он сводится к выделению стационарного отношения тревдов дисперсии горизонтальных со оставляющих магнитного поля; спектрально-корреляционному анализу стационарной составляющей МТ поля и определению коэффициентов линейных связей между входными и выходными стационарными процессами* Импедансы выделяются из полученных . коэффициентов путем исключения из них стационарного отноше--ния тревдов дисперсии; Показано; что частотные характеристики разреза могут быть получены также цутем статистического анализа фильтрованных вариаций*.

41 Рассмотрены способы амплитудных спектрально-временных преобразований МТ процесса - методы узкополосных преобразований и мгновенных спектров! Они основаны на незначительной изменчивости импеданса в пределах активной ширины частотной характеристики фильтра и спектрального окна! Определяющим достоинством этих преобразований являются слабая зависипость анализируемого процесса от вероятностных свойств^1 и следов вательно", универсальность при обработке иррегулярных и солнечно-суточных ИТ вариаций^

5; Предложен метод обобщенных мгновенных спектров, являю-» щийся аналогом обобщения математической фильтрации^ Пока^ зано, что в частном случае3* когда импеданс изменяется незначительной в пределах спектрального окна£ он может быть определен с помощью мгновенных спектров теллурического и магнитного полей»

6; Исследованы погрешности определения импеданса методом мгновенных спектров и математической фильтрации при анализе иррегулярных вариаций! Оценки получены для участков педансной кривой и спектров магнитного поля! аппроксимируемых степенными функциями^ Погрешности не зависят от вида спектрально-временных МТ преобразований*; проявляются в виде отрицательного смещения оценок импедансов* величина которой го в основном определяется аналитическими свойствами применяемых весовых функций и степенью изменчивости на оси частот спектров магнитного поля» Смещение для косинусои-дальной функции Тыоки в 3 раза меньше по сравнению с прямоугольной и не превышает по модулю 3-4$ при относительной ширине спектральной весовой функции 1 •

Ус *

7. Использование методов обобщенной математической фильтр-рации и обобщенных мгновенных спектров позволяет при учете лишь первых трех членов тейлоровского разложения (N= 2 ) более чем на порядок снизить уровень погрешностей или в 3 раза увеличить ширину спектральных весовых функций за счет 3-х кратного увеличения числа искомых параметров и, следовательно; объема исходной информации? 8; Показано, что при анализе иррегулярных вариаций погрешности могут быть уменьшены до приемлемого для практических целей уровня (з%) при максимальной ширине спектральных весовых функций ( -у - * • 8 )ибез существенного увеличения объема исходной инвормации путем предварительной ограничительной фильтрации с приведением МТ процесса к "белому шуму".

9, Разработана численная модель спокойных и возмущенных солнечно-суточных МТ вариаций, в которой синтезированы теллурические вариации, соответствующие вариациям набладенного магнитного поля и импедансной характеристике заданного геоэлектрического разреза (экстремум и нисходящая асимптота кривой ). Этот диапазон периодов характеризуется более высоким уровнем отрицательного смещения и дисперсии оценок импеданса; Смещение по модулю максимально (около 5-6$) на частотах* в 3 раза превышающих частоту суточных вариаций и быстро убывает по мере увеличения частоты и степени воз-мущенности вариаций так* что на относительных частотах \тс 5: А уровень смещения и среднеквадратиче ских отклонений не превышает соответственно -5$ и ±5$.

10. Показана эффективность метода мгновенных спектров в диапазоне периодов солнечно-суточных вариаций и иррегулярных длиннопериодных вариаций, где техничесвие возможности аналоговой регистрирующей аппаратуры не удовлетворяют требованиям узкополосных МТ преобразований. Разработаны соответствующий алгоритм и программа обработки аналоговых длиннопе-риодных МТ данных, позволяющие оценивать методом мгновенных спектров коэффициенты линейных связей между компонентами МТ и MB полей в диапазоне периодов от 10 мин до 24 ча сов. Основными методическими особенностями алгоритма являются : независимость оценок импеданса и магнитных отношении от скорости развертки записи каждой составляющей на-блвденного поля, выделение в пределах исследуемого диапазона периодов трех поддиапазонов и анализ только возмущенных в соответствующем поддиапазоне участков проуесса.

11. В Академии Наук Туркменской ССР (Институт сейсмологии/ Институт геологии) создана и успешно функционирует автоматизированная система обработки аналоговых МТ данных при глубинных исследованиях! Она предназначена для расчета частотынх характеристик импедансов и магнитных отношений по аналоговым записям МТ и MB процессов ( как обычных, так и синхронных) в диапазоне периодов от 10 мин до 24 часов". Предусмотрена возможность обработки и короткопериодических вариаций. На обширном экспериментальном материале исследованы производитёльность системы, устойчивость и воспроизводимость результатов обработки, их согласие с другими методами. Система обеспечивает получение оценок импедансов с приемлемой для практических целей производительностью и уровнем погрешностей.

12. Система широко апробирована в процессе многочисленных глубинных исследований и производственных электроразведочных работ в различных геологических провинциях и тектонических регионах Средней Азии и Восточного Кавказа^ Результаты её практического использования свидетельствуют о достаточно высокой геолого-геофизической эффективности и достоверности результатов обработки}

13* Система передана в Ташкентский государственный университет, ИЗМИР АН СССР и производственное объединение "Узбек-геофизика" МГ УзССР; где успешно функционирует и широко используется при глубинных магнитотеллурических исследованиях'^ Сформулированы практические рекомендации по её дальнейшему совершенствованию*

ЗАКЛЮЧЕН!®

Таким образом, практическая реализация метода мгновенных спектров позволила создать систему обработки аналоговых длиннопериодных IvIT данных при глубинных исследованиях, которая позволяет достаточно оперативно оценивать импедансные характеристики геоэлектрического разреза и структуру аномальных магнитных полей, индуцированных его горизонтальными неодно родное тями. При этом искажающее влияние крупномасштабных приповерхностных неоднородностей оказывается значительно большим, чем погрешности обработки длиннопериодных вариаций.

Большинство недостатков системы определяется техническими возможностями современной регистрирующей аппаратуры и будут ликвидированы в процессе её совершенствования и с внедрением цифровых методов регистрации.

Результаты практической апробации системы свидетельствуют о том, что наиболее сложными, как для регистрации, так и для анализа, являются солнечно-суточные LIT вариации. Температурные и электродные эффекты вносят трудноучитываемые искажения наблюденных вариаций, а недостаточная изученность их вероятностнпй и спектрально-временной структуры затрудняет поиск наиболее эффективных методов анализа. Очевидно, что с точки зрения вероятностных свойств солнечно-суточные вариации должны быть отнесены к классу случайных р процессов, характеристизующихся концентрацией энергии в окрестностях частот кратных суточной. Но количественные параметры их энергетических спектров, в частности, степень узкополосности, остаются неизвестными. Поэтому разработка стохастической модели солнечно-суточных МТ вариаций и помехоустойчивых методов регистрации являются первоочередными задачами в процессе совершенствования методов амплитудных спектрально-временных МТ преобразований.

Что же касается отмеченной выше неустойчивости результатов анализа в наиболее высокочастотной части иррегулярных вариаций, то улучшения оценок импедансов и магнитных отношений наряду с расширением динамического диапазона регистрирующей аппаратуры может быть рекомендовано комплексиро-вание методов амплитудных и, энергетических МТ преобразований в этом диапазоне частот*

Наконец, некоторые методические решения* позволяющие повысить точность искомых оценок в частотном диапазоне, соответствующем иррегулярным вариациям, могут быть рекомендованы и при анализе КПК.' Например, метод предварительного приведения МТ процесса к "белому шуму" и использование косинусоидальной весовой функции, более плавной по сравнению с треугольной или прямоугольной.' Таковы основные практические рекомендации по. дальнейшему совершенствованию методов обработки МТ данных.

1. Дмитриев ВЖ; М.Н.Бердичевсзшй.-Фундаментальная модель магнитотеллурического зовдирования;'- В сб; .'Геомагнитные исследования. , Радио и связь; 1982; с. 5-20".г

2. Бердичевский ШШ Электрическая разведка методом магнитотеллурического профилирования. М;:: Недра, 1968; 255 с;

3. Siecoe G.L., Davis L, Smith E.J., Coleman P.J.,Jones D.E.

4. Magnetic fluctuations in the magnetosphere Mariner-4.-J.Geophys.Res., 1967, v.72,n.1, p.1-17.

5. Sari J.W., Nese N.F. Power spectra of the interplanetary magnetic field.- Solar Physics, 1969, v.8, n*1,p.155

6. Coleman P.J. Turbulence, Viscosity and dissipation in the solar-wind plasma.- Astrophysic J., 1968, 153, 371

7. Holzer R.E., McLeod M.G., Smith E.J. Preliminary Results from the 0G0-1 Search Coil Magnetometer Boundary Position and Magnetic Noise Spectra.- J.Geophys.Res., 1966, v.71, n.5, p. 1481

8. Angenheister G. Registrirungen ermagneticher Pulsatioonen Gettingen 1952-53*- Gerlands Beitrage zur Geophysics, 1954, v.64, p. 108-132.

9. Davidson N.J. and et. Average diurnal characteristics of geomagnetic power spectrums in the period range 4,5 to 1000 sec.« J.Geophys.Res., 1964,v.69,n.23,p. 5116

10. Дубровский В.Г. Об энергетическом спектре геомагнитного поля.- В об,: Геомагнитные исследования".3, Mi: Наукам 1969, II, с. 45-48.

11. Herron T. An average geomagnetic power spectrum for the period range 4,5-12900 sec.- J.Geophys.Res., 1967,v.72, n.2, p. 759-761.

12. Horton C.W., Hoffman A.A. Magnetotelluric fields in the frequency Range 0,03 to 7 cycle per kilosecond. Part 1, Power spectra.- J. Geophye.Res. NBS, 1962, v.66, n.4, p. 487-494.

13. Greifinger P., Greifinger G. Transmission of mucropul— sations though the lower Ionosphere.- J. Geophys. Res., 1965, v.70, n.9, p.22217

14. Campbell W.H. The spectrum of geomagnetic pulsations on the low-frequencies.- Annal. Geophys., 1968, 22,p.498-501.

15. Дубровский ВЖ Спектральный состав и интенсивность земного электромагнитного поля Туркмении— В сб.: Геомагнитные исследования*., М.:Наука, 1969, 9, с*. 56-62;

16. Bhargava B.N., Rao D.R., Statistical properties of worldwide fluctuations in the magnetic field.- Planet and Space Sci., 1970, v.18, n.9,p. 1381

17. Крамаренко C.A. Спектрально-статистические характеристики переменного геомагнитного поля в диапазоне частот ТО""4 0.3 ТО"2 гц: Автореф. дис".*. канд. физ.-мат. наук. - М., 1975." - 23 с;

18. Дубровский В.Г., Крамаренко C.Al Спектральные характеристики земного и межпланетного магнитного полей в диапазоне частот I I0"4 гц; - Геомагнетизм и аэрономия; 1971, Т.ХГ, № 6у с;1053-1060.

19. Дубровский B.TV; Крамаренко С. А*. О характере спектрального распределения средней напряженности вариаций геомагнитного поля.- Изв; АН ТССР; сер.физ;-техн*, хим; и геол. наук, Ашхабад, 1971, JS6, с. 100-104.

20. Волкомирская Л^Б. Морское электромагнитное зондирование с учетом свойств источника вариаций применительно к Северному ледовитому океану: Авторер дис".;;канд. физ';-мат: наук.; М. ,: 1980;- 20 cV

21. Фролов БЖ Некоторые свойства корреляционных и автокорреляционных функций магнитотеллурического процесса и опыты по определению импеданса;- Изв/ АН СССР, сер1'"Физика Земли"; 1970; Jfc 8i c^ 105^11038; Фролов БЖ Модифицированный корреляционный анализ;

22. Свешников А1А; Прикладные методы теории случайных функций.- 2-е изд;;перераб1 М;:: Наука; 1968;- 463 cl

23. Левин Б1Р. Теоретические основы статистической радиотехники!- М.Советское радио!, 1969. 748 с;43". Дженкинс Г.", Ватте Д1 Спектральный анализ и его приложения! М;:МИР1 1971; вып. iy 316 c&t вшк2? 1972^287с;

24. Dabier H.J., Naake L. Ausvertung magnetotellurischer. Registrirringen mit Rechenma schienen. Freiberger Forschungshefte, 1968, 233

25. Чинарева О.М., Никитенко К.И. Машинная обработка материалов МТЗ с использованием узкополонных фильтров.-Разведочная геофизика",' 1972, № 49

26. Агеев Д.В. Активная полоса частотного спектра функции времени;- Тр; Горьковского политехнического института, 1955, Jfc I, с. 5-10.

27. Аширова Н.Г., Дубровский В. Г. Автоматизированная система обработки аналоговых магнитотеллурических данных методом мгновенных спектров.- Материалы МЦД-Б"; Методы обработки вариаций естественного электромагнитного поля

28. Земли; МГК АН СССР, М., 1983, с. 4-22.

29. Weidelt P. The Inverse problem of geomagnetic Induetios. Z. Geophysic, 1972, v.38, p.257-289.

30. Лейбо А.Б.~, Семенов B.K)V Спектральный анализ магнито-теллуричеокого поля на основе теории случайных процессов.- Материалы МЦД-Б. Методы обработки вариаций естественного электромагнитного поля Земли; МГК АН СССР0, М., 1983,- с. 23-36.