Основные проблемы интерпретации магнитотеллурических

Поспеев А.В., Пашевин А.М. Основные проблемы интерпретации магнитотеллурических
данных // Геофизические исследования в Восточной Сибири на рубеже XXI века: Сб. науч.
тр. - Новосибирск: Наука. Сибирская издательская фирма РАН, 1996. - С. 57-61.
Основные проблемы интерпретации магнитотеллурических данных
А.В. Поспеев, А.М.Пашевин ГГП
"Иркутскгеофизика"
Несмотря на глубину теоретической про(однородное
полупространство),
одномерная
работки магнитотеллурических методов наиболее
(горизонтально-слоистый
разрез),
двумерная,
сложной проблемой при их применении является
трехмерная.
достижение
необходимой
надежности
Наиболее просто магнитотеллурическое
интерпретации данных. Это связано с тем, что
поле зависит от параметров среды в случае
реальное распределение магнитотеллурического
однородного полупространства, когда кажущееся
поля сложным образом зависит как от горизонсопротивление не зависит от пространственного
тальных, так и от вертикальных элементов разреза.
разноса.
Поэтому основным способом получения надежной
При горизонтально-слоистом разрезе на
геологической информации остается построение
малых периодах зондирования электромагнитное
модели
среды,
оптимальным
образом
поле сосредоточено в верхней части разреза. С
удовлетворяющей наблюденному Л/7-полю.
увеличением разноса, в силу скин-эффекта, поле
проникает в более глубоко залегающие слои.
Характер формирования магнитотеллурического поля в неоднородных средах. Известно,
Решение прямой задачи для одномерного разреза
что природные геоэлектрические среды имеют
является достаточно простым (2, 5), легко
конечные градиенты проводимости по любому
алгоритмизируется и реализуется на ПК. Не
направлению. Тем не менее, их можно с той или
представляет большой сложности и решение
иной степенью погрешности аппроксимировать
обратной задачи. Модель, получаемая в результате
одной из моделей ряда - нульмерная
интегрального преобразования (например,
57
Шмуккера или Нибле), может быть положена в
основу стартовой, а окончательное решение найдено
с применением алгоритмов минимизации.
Однако в реальных геологических средах
при наличии негоризонтальных границ раздела
пространственное
распределение
магнито-теллурического поля отклоняется от
осесим-метричного, что приводит к расхождению
кривых МТЗ, определенных по различным
направлениям.
В зависимости от поляризации МТ-поля
проявляется два вида эффектов - индукционные и
гальванические. Первые связаны с латеральным
распространением продольно по отношению к
неоднородности
поляризованного
электромагнитного поля, что приводит к влиянию на
кривые МТЗ не только слоев, расположенных
непосредственно под точкой наблюдений, но и в
стороне от нее. Не смотря на то, что теоретические
модели дают примеры значительных индукционных
влияний, на практике они встречаются достаточно
редко.
Второй тип эффектов связан с тем, что при
поперечной поляризации поля на границах
неоднородности возникают избыточные заряды. При
этом кривая МТЗ в левой части отмечает
проводимость надопорного слоя, а в диапазоне
больших периодов повторяет нормальную кривую за
пределами неоднородности. Низкочастотная часть
наблюденной кривой при этом оказывается
смещенной относительно локально нормальной на
величину, описываемую уравнением:
rt^ = rn (Se /Si) a
(1.1)
где rt^ - сопротивление поперечной кривой в
диапазоне полного влияния гальванического эффекта, rn - сопротивление локально нормальной
кривой, Se - осредненная проводимость за пределами
неоднородности, Si - проводимость внутри
неоднородности, а - степенной коэффициент (0 < а <
2), примерно равный арктангенсу угла наклона
кривой МТЗ в диапазоне S.
В случае, когда кривые регистрируются в
диапазоне периодов, больших, чем диапазон
формирования эффектов, кривые МТЗ по всем
направлениям конформны. В этом случае поперечные кривые "статически" сдвинуты относительно
локально нормальной кривой.
Анализ результатов двумерного моделирования позволяет представить Se как:
Se=S(x) o k(x)
58
(1.2)
где S(x) - распределение проводимости в поперечном
по отношению к неоднородности направлении, k(x) параметры пространственного фильтра, о - оператор
свертки.
Форма пространственного фильтра (как и
величина степенного коэффициента а) зависит от
"прозрачности" экрана, разделяющего верхний
проводящий слой и низкоомное основание.
Количественно "прозрачность" экрана описывается
гальванической постоянной t = (ST)-1/2.
Расчет гальванических эффектов как результат свертки пространственного фильтра с
поверхностной проводимостью позволяет оценить
воздействия сложных неоднородностей верхнего
слоя и определить размеры неоднородностей,
максимально влияющих на поперечные кривые МТЗ.
При наличии ненулевых градиентов проводимости в любых направлениях относительно
точки зондирования среда трехмерно неоднородна.
Моделирование таких разрезов связано со
значительными трудностями. Тем не менее анализ
моделей
типа
эллиптического
включения
показывает, что основным типом эффектов и в этом
случае являются гальванические. В пределах
включения их влияние сказывается на кривых по
любому направлению. В центре изометрического
включения кривая в диапазоне Н примерно отвечает
уравнению (1.1). За пределами неоднородностей
гальванические
эффекты действуют на кривые
более сложным образом. При тангенциальной
поляризации поля относительно изометрического
проводящего
включения
пункт
наблюдения
находится в проводящей относительно окружающей
среды обстановке, в силу чего кривая смещается
вниз. При радиальной поляризации точка находится
в относительно непроводящей среде, что вызывает
смещение кривой вверх.
Оценка влияния гальванических эффектов
на кривые МТЗ и способы их компенсации.
Успешное
разрешение
проблемы
оценки
гальванических эффектов и максимального их
подавления определяется двумя факторами:
количеством и характером дополнительной информации, а также совокупностью применяемых
методических приемов.
Наиболее полный обзор по современным
способам
интерпретации
приведен
в
(4).
Приповерхностные неоднородности им разделены на
локальные, региональный и "геологический шум",
выделены
основные
методические приемы.
Между тем практика интерпретации в сложных
гелогических условиях показывает, что приведенные
в статье способы не исчерпывают необходимого.
Действительно, моделирование является
самым точным инструментом оценки соответствия
модели распределению магнитотеллурического поля.
Однако, поскольку для неодномерного случая
единичной наблюденной кривой соответствует
бесконечное множество моделей, применение двухи трехмерного моделирования имеет смысл лишь
тогда, когда элементы модели изучены в иных
точках, чем пункт наблюдения.
Практически дополняет изученность в
окрестности точки наблюдения позволяет описать
лишь
часть
пространственного
спектра
приповерхностной проводимости. Следовательно
более правильно разделить его на опоискованную
компоненту, которая может быть описана с
помощью доступных электромагнитных материалов,
и более короткопериодную, информация о
параметрах которой отсутствует или недоступна.
Рассмотрим
возможности
ослабления
влияния неопоискованной компоненты, на примере
трехслойного разреза с проводящим верхним слоем,
промежуточным экраном и низкоомным основанием.
Использование данных ЗСБ. Кривые
становления поля в ближней зоне обладают большой
помехоустойчивостью. В силу использования
магнитной компоненты, метод нечувствителен к
высокоомным
промежуточным
горизонтам.
Результаты
трехмерного
моделирования,
проведенные Стернбергом, Вашбурн и Пеллерином
(8) показали, что кривые ЗСБ практически не
отклоняются от одномерного варианта, несмотря на
значительный контраст проводимости внутри и вне
приповерхностной неоднородности.
Для совмещения кривых МТЗ и ЗСБ в
первом приближении можно сдвинуть систему
координат кривых ЗСБ так, чтобы восходящие и
нисходящие ветви обоих кривых приблизительно
совпадали.
Более точным способом является интерпретация кривой ЗСБ и расчет модельной кривой
МТЗ - опорной для коррекции уровня наблюденных
кривых
магнитотеллурического
зондирования.
Естественно, что перекрытие по глубинности кривых
ЗСБ и МТЗ - необходимое требование для
проведения подобной операции.
Однако при использовании стандартных
установок ЗСБ для условий юга Восточной Сибири в
зонах с нормальным геоэлектрическим разрезом
глубинности кривых ЗСБ заведомо недостаточно для
коррекции статического сдвига.
При глубинах до корового проводника более
20 км кривые ЗСБ и МТЗ не перекрываются при
любой приповерхностной проводимости. Этот
способ может успешно применяться в большинстве
районов горного обрамления юга Сибирской
платформы и Байкальской рифтовой зоны,
особенно
в
пределах
развития
локализованных
геоэлектрических
неоднородностей.
Использование кривой глобального
МВЗ. Результаты глубинных исследований дают
основание полагать, что ниже уровня глубин 600-700
км
вариации
физических
свойств
столь
незначительны, что Земля может быть принята за
сферически симметричную. Следовательно любые
одномерные модели должны характеризоваться
кривыми, которые в правой части сопрягаются с
кривой глобального МВЗ. Погрешности построения
последней связаны с оценкой представительности
данных, которая наиболее подробно сделана в (7).
Согласно этим исследованиям, на периодах 200-400
с 1/2 кривая глобального МВЗ имеет погрешность
около 30%. Для продолжения ее влево Л.Л.
Ваньяном предложено понятие "нормального
разреза", отвечающего холодной литосфере с
отсутствием частичного плавления. Подобный
"нормальный разрез" построен по данным
интерпретации кривых ГМТЗ на Русской платформе
(3).
Для регионов с большим тепловым потоком
могут быть рассчитаны зависимости электропроводности от глубины и построены соответствующие им кривые МТЗ. Важнейшим
тектонофизическим эффектом, влияющим на кривые
МТЗ, служит наличие интервала глубин, где
происходит частичное плавление ультраосновного
вещества верхней мантии, при этом базальтовый
расплав насыщается содержащимся в исходном
веществе водным флюидом и его сопротивление
составляет десятые доли Омм. Подобные расчеты
проведены В.И.Поспеевым (1). При увеличении
регионального
теплового
потока
интервал
сопряжения кривых ГМТЗ и ГлМВЗ сдвигается
вправо.
Поскольку ГМТЗ регистрируются до периодов 3000 с, использование глобального МВЗ
возможно лишь в "холодных" регионах с небольшой
проводимостью осадочного слоя. В районах, где
региональный тепловой поток превышает 45-50
мВт/м2, сопряжение возможно для кривых,
зарегистрированых до периодов 30000 с, если
проводимость
астеносферы
(в
сумме
с
проводимостью вышележащих горизонтов) не
превышает -3000 См.
59
Применение статистических приемов.
Таким
образом,
несмотря
на
очевидную
привлекательность методов коррекции уровня
экранированных кривых, практически подобная
операция далеко не всегда применима, а точность
коррекции не может превышать 30-50%. При
наличии
контрастных
неоднородностей
с
преобладанием относительно небольших по размеру
аномалий и при незначительной приповерхностной
проводимости необходимо применение комплекса
методических
приемов,
направленных
на
максимальное ослабление влияния верхней части
разреза. Геологические условия, характерные для
подобного случая достаточно разнообразны - сюда
можно
отнести
горно-складчатые
области
обрамляющие осадочные бассейны. В этих регионах,
в силу малой жесткости экрана региональная
составляющая проводимости будет значительно
меньше локальной. Так при S1 = 5 См и h2 = 10 км
региональным влиянием можно пренебречь на
расстояниях > 10 км от точки наблюдения. Если шаг
наблюдений больше этой величины, что часто имеет
место, имеющейся информации о распределении
приповерхностной
проводимости
заведомо
недостаточно для модельной оценки влияния
неоднородностей, а описываемая пространственная
мода проводимости, оказывает на порядки меньшее
влияние, чем короткопериодная.
Естественно, что использование для оценки
параметров глубинного геоэлектрического разреза
какого-либо одного типа кривых (максимальных,
минимальных или эффективных) приводит к
получению существенно искаженной картины. В
случае, если точки зондировании статистически
попадают примерно поровну в проводящие и
непроводящие
зоны,
наиболее
безопасно
использовать эффективные кривые.
В качестве приема, позволяющего ослабить
гальванические эффекты, целесообразно применять
осреднение данных такими пространственными
параметрами, которые, не искажая глубинную
информацию, в максимальной степени ослабили бы
гальванические влияния. Однако использование
только одного типа кривых особенно в случае
систематического расположения точек зондирования
в геоморфологических условиях, которые часто
сопровождаются
проводящими,
либо
непроводящими структурами не позволяет получать
результативные кривые точнее, чем 50-100% даже
при осреднении многих десятков кривых.
60
Для решения этой проблемы предложена
многоэтапная схема интерпретации, суть которой
состоит в следующем:
на
первом
этапе
оценивается
приповерхностная обстановка с целью отбора "квазипродольной" кривой. Для этого применяется вся
доступная геолого-геофизическая информация;
- далее с целью максимального подавления
эффектов гальванического экранирования, связанных
с "неидеальностью" модели используются приемы
статистического сглаживания, которое в зависимости
от изученности может быть средневзвешенным
площадным, либо профильным, полиномиальным и
т.п. Максимальная степень подавления помех, как
известно, пропорциональна квадратному корню
из количества осредненных точек (обычно 10 - 15).
Таким образом применение осреднения позволяет
улучшить результаты интерпретации примерно в 3 4 раза.
Большие возможности по оценке приповерхностной геоэлектрической структуры возникают
при наличии теллурической съемки. В силу
зависимости уровня импеданса от проводимости
верхней части разреза данные ТТ могут быть
использованы
для
определения
характера
неоднородностей верхней части разреза (степень
вытянутости неоднородности и ее отличия в
проводимости от окружения). Поскольку в результате съемки ТТ значения импеданса получаются
фактически на периоде около 36 с (2) методика
детальной интерпретации магнитотел-луриченских
данных может быть реализована в соответствии с
обоснованной выше.
Список литературы
1. Астеносфера по комплексу геофизических методов // Сб. научн. трудов АН УССР. Ин-т
геофиз. - Киев: Наукова думка, 1988. - 200 с. 2.
Бердичевский М.Н. Электрическая разведка методом
магнитотеллурического
профилирования.
-М.:
Недра, 1968. -254 с. 3. Ваньян Л.Л., Бердичевский
М.Н., Васин Н.Д., Окулесский Б.А., Шиловский
П.П. О нормальном геоэлектрическом разрезе. // Изв.
АН СССР. -Физика Земли. -№ 2. -1980. -с. 73 - 76. 4.
Зингер Б.Ш. Учет статических искажений в
магнитотеллу-рике. Обзор. // Известия АН СССР.
-Физика Земли. - 1992. - №5. - с. 53-70. 5. Матвеев
Б.К. Интерпретация электромагнитных зондировании. -М.: Недра, 1974. -232 с. 6. Пашевин А.М.,
Поспеев А.В. Результаты моделирования магнитотеллурического поля юга Сибирской платформы //
Геология и геофизика. -1990. -№2. -с. 109-113. 7.
Рокитянский И.И. Индукционные зон-
дирования Земли. -Киев: Наукова Думка, 1981. -296
с. 8. Sternberg B.K., Washburne J.G., Pellerin L.
Correction for the static shift in
magnetotellurics using transient electromagnetic
soundings // Geophysics. - 1988. -vol.53. - №111. -p.
1459-1468.