Методи на змінному струмі II. 1.,10., 11?., 12., 13.,18. Фізична сутність магнітотелуричних методів

Магнітотелуричні методи ґрунтуються на вимірах варіацій (змін в часі) природного електромагнітного поля Землі космічного походження (3.2). Серед групи магнітотелуричних методів найбільш використовуваними в практиці прикладних геофізичних досліджень є магнітотелуричні зондування (МТЗ), магнітотелуричні профілювання (МТП) та метод телуричних струмів (МТС). Перший із них відноситься до класу зондувань, два інших – до класу профілювань.

Магнітотелуричне зондування (МТЗ). Основу магнітотелурічних зондувань складає індукційний принцип, що ґрунтується на явищі скін-ефекту – пропорційній залежності глибини проникнення електромагнітного поля від періоду коливань.В методі МТЗ на одній точці виконується реєстрація (як правило цифрова) варіацій п’яти компонент магнітотелуричного поля - двох електричних E_x, E_y і трьох магнітних Н_x, Н_y, Н_z. Тривалість запису варіацій може коливатися від 2 до 5-6 годин в залежності від інтенсивності МТ- поля і його спектрального складу. При реєстрації варіацій датчиками електричного поля слугують приймальні лінії MN розміром 0,2–1 км, заземлені на кінцях неполяризовними (інколи свинцевими) електродами, а магнітного – магнітоелектричні магнітометри або магнітні індукційні датчики. Вибір системи координат на точці підпорядковується правилу: за координатний напрямок x приймається той напрямок розмотки однієї із приймальних ліній MN, який є ближчим до географічного напрямку “захід - схід”, відповідно за y - напрямок розмотки ближчий до географічного напрямку “південь - північ”.

Отримані записи варіацій МТ – поля (телуро – і магнітограми) підлягають обробці (як правило комп’ютерній), в процесі якої виконується їх спектральний аналіз. В результаті спектрального аналізу зареєстрованих варіацій виділяються монохроматичні гармонійні складові МТ-поля в широкому діапазоні періодів – від 0,01 – 0,1 с до декількох хвилин. В рамках моделі плоского електромагнітного поля для кожної спектральної складової визначається модуль ç Z ç і фаза j_Т = ArgZ імпедансу Z магнітотелуричного поля: .

За модулем ç Z ç розраховується ефективний (позірний) опір напівпростору : .

В укрупненій системі одиниць (електричне поле вимірюється в мВ/км, а магнітне - в гамах (g)), яка зазвичай використовується при магнітотелуричних дослідженнях, розрахунок r_T ведеться за наступною формулою: .

Залежності ефективного опору r_T, фази імпедансу j_Т і його модуля ç Z ç від кореня квадратного із періоду , отримані за результатами спектрального аналізу, називаються кривими МТЗ – амплітудною, фазовою і імпедансною відповідно. Для візуалізації кривих МТЗ виконуються їх графічні побудови: амплітудна і імпедансна криві будуються на логарифмічних бланках модуля 6,25 см, а фазова – на напівлогарифмічних (абсциса відкладається в логарифмічному масштабі, ордината j_Т – у пропорційному в 1 см 10°). Завдяки скін-ефекту, криві МТЗ несуть інформацію про глибинну структуру геоелектричного розрізу і є вихідними даними, що підлягають інтерпретації з метою вивчення геоелектричної будови розрізу. Особливу увагу приділяють амплітудним кривим ефективного опору , адже вони, як і криві позірного опору в методах зондувань на постійному струмі, візуально відображають структуру геоелектричного розрізу (рис. 3.33).

Криві МТЗ у випадку наявності в основі розрізу ізолятора (r_п=∞) або ідеального провідника (r_п= 0) мають інтервали періодів, на яких імпеданс Z МТ-поля і ефективний опір r_T залежать від узагальнених характеристик геоелектричного розрізу. Ці інтервали, відповідно, називаються інтервалом S і інтервалом Н. За проведеними у вказаних асимптотичних інтервалах лініями S і Н (рис. 3.33) досить просто визначити сумарну поздовжню провідність до ізолюючої, чи глибину до покрівлі високопровідної основи розрізу. Для цього на проведеній асимптотичній лінії вибирається довільна точка і визначаються її координати – абсциса r_T та ордината . Узагальнені характеристики розрізу S і Н розраховуються за формулами: .

Метод МТЗ має суттєву перевагу над методами електричних зондувань на постійному струмі. Вона полягає в тому, що пласти високого опору, які є екранами для методів ВЕЗ і ДЗ, для магнітотелуричних полів є проникними. Отже методом МТЗ можна вивчати заекрановані високоомними екранами товщі.

В МТЗ, як і в зондуваннях на постійному струмі, має місце принцип еквівалентності. Для кривих МТЗ типу Н та А, як і для кривих ВЕЗ, характерна S ₂-еквівалентність, а для кривих МТЗ типу К та Q, на відміну від кривих ВЕЗ, характерна h ₂ - еквівалентність (еквівалентність за потужністю проміжного горизонту). Це означає, що якщо h ₂= const, а r ₂ змінюється в певних межах, то крива МТЗ залишиться практично незмінною.

При наявності в розрізі горизонтальних неоднорідностей імпеданс не є інваріантом по відношенню до системи координат. А тому, в теорії методу МТЗ використовується модель тензору імпедансу і розроблена методика визначення ефективного імпедансу [12], який є інваріантним параметром МТ поля і основною вихідною інформацією для розрахунку фазових і амплітудних кривих МТЗ.

Рисунок 3.33 Тришарові амплітудні криві МТЗ типу Н з ρ₃ =∞ (а) та К з ρ₃= 0 (б) і їх асимптоти

На сучасному етапі значна увага в практиці методу МТЗ приділяється математичному моделюванню магнітотелуричних полів у горизонтально-неоднорідних середовищах. Неоднорідні середовища поділяють на дво- та тривимірні. Алгоритмічні і програмні розробки для моделювання МТ-полів у двовимірних середовищах нині мають практично промислове поширення, а для моделювання у тривимірних середовищах – знаходяться на початковому етапі їх впровадження у практику МТ-методів.

Область застосування МТЗ. Магнітотелуричні зондування є основною модифікацією магнітотелуричних методів. Вони застосовуються при структурних дослідженнях в глибоких осадових басейнах, де потужність відкладів складає 3–10 км, а також для регіональних досліджень та вивчення глибинної електропровідності земної кори і верхньої мантії. Для вивчення глибинної будови Землі використовуються записи варіацій МТ-поля, отримані на опорних пунктах протягом декількох місяців. Вони забезпечують виділення спектральних складових з періодами від десятків секунд до годин і діб.

Застосування методу МТЗ на кристалічних масивах наштовхується на труднощі, пов’язані із значними спотвореннями кривих МТЗ за рахунок впливу субвертикальних границь поділу. Разом з тим, як свідчить практика, дані МТЗ з успіхом можуть використовуватися для картування глибинних розломів, що розділяють різні геологічні блоки. Наявність розломів чітко проявляється на часових розрізах ефективного імпедансу у вигляді присутності на них високоградієнтних субвертикальних областей.