СПОСОБ МАГНИТОТЕЛЛУРИЧЕСКОГО ЗОНДИРОВАНИЯ Российский патент 1995 года по МПК G01V3/08 

Изобретение относится к геофизике, а точнее - к электромагнитному зондированию Земли с помощью естественных вариаций геомагнитного поля в диапазоне короткопериодных колебаний (периоды единицы-сотни секунд) и ориентировано на обнаружение относительно малых вариаций электрических свойств подстилающей среды, в том числе для обнаружения тектонических процессов-предвестников землетрясений.

Известен способ магнитотеллурического зондирования [1] , в котором синхронно измеряют горизонтальные компоненты магнитотеллурического поля и по выделенным узкополосной фильтрацией комплексным амплитудам вычисляют элементы тензоров импеданса и адмитанса. Способ обладает низкой помехоустойчивостью по отношению к местным помехам и пространственной неоднородности исходного поля геомагнитных вариаций.

Известен более совершенный способ магнитотеллурического зондирования [2] с привлечением синхронных измерений в дополнительном выносном пункте, используемых в качестве опорных колебаний при оценке искомых элементов тензоров импеданса (или адмитанса) в основном базовом пункте; способ получил название магнитотеллурического зондирования с выносным опорным пунктом. В этом способе выносной опорный пункт размещается на достаточно большом удалении от основного, так чтобы местные помехи в основном и выносном пунктах были некоррелированы, практически для этого может оказаться достаточно разнесения на (0,4-1) км.

Способ с выносным опорным пунктом позволяет существенно снизить влияние местных помех, некогерентных с источником магнитотеллурического поля, однако и в этом способе оценки существенно зависят от пространственной неоднородности исходного магнитотеллурического поля и могут существенно вырьировать от сеанса к сеансу.

Прототипом предлагаемого изобретения является способ магнитотеллурического зондирования [3], в котором относительно малый разброс результатов измерений импеданса обеспечивается благодаря многоэтапному отсеву измерений, дающих в синхронных измерениях компонент магнитотеллурического поля отклонения от их ожидаемых значений при найденном значении импеданса большие, чем α σ , где σ² - дисперсия контролируемой невязки; α - коэффициент, больший 1; практически принимают α ≈ 1,5-2.

Недостатком способа-прототипа является то, что и в этом способе также не обеспечивается необходимая достоверность результатов измерений, так как результаты измерений импеданса могут существенно варьировать от сеанса к сеансу в течение суток при весьма малом разбросе от не отбракованных по невязке измерений в рамках отдельного сеанса из-за вариаций пространственной неоднородности магнитотеллурического поля.

Цель изобретения - ослабление влияния пространственной неоднородности магнитотеллурического поля на результаты измерений тензоров импеданса и адмитанса подстилающей среды путем соответствующего выбора области частот, в которой формируется искомая оценка.

Поскольку матрицы импеданса и адмитанса подстилающей среды связаны однозначно, далее обсуждается лишь матрица импеданса, или, для кратности - импеданс.

Цель достигается тем, что в способе магнитотеллурического зондирования, включающем синхронное измерение горизонтальных электрических и магнитных компонент магнитотеллурического поля в полевых и базовых пунктах, узкополосную фильтрацию исследуемых компонент поля, вычисление элементов тензора импеданса и адмитанса по комплексным амплитудам компонент поля, полученным узкополосной фильтрацией, в пределах цикла измерений длительностью Т_о выбирают интервалы измерений длительностью Т₁, Т₂, Т₃, где соседние интервалы могут частично перекрываться, формируют дополнительно оценки горизонтальных компонент магнитотеллурического поля по направлению магнитного меридиана Е_II, Н_IIи перпендикулярно к нему Е_⊥ , Н_⊥ , проводят раздельную компенсацию горизонтальных электрических Е_II , Е_⊥ или магнитных Н_II, Н_⊥компонент магнитотеллурического поля по горизонтальным магнитным или электрическим компонентам соответственно на интервалах T_i (i = 1, 2, 3), при этом определение весовых коэффициентов компенсации (элементов тензора импеданса или адмитанса) для такой компенсации осуществляется на интервалах Т_j, где j = 1, 2, 3 и i ≠ j, а для разнесенных измерительных пунктов на указанных интервалах Т_i, T_j дополнительно проводят раздельную компенсацию электрических Е_II , Е_⊥ и (или) магнитных Н_II , Н_⊥компонент полевого или базового пункта по электрическим или магнитным компонентам базового или полевого пункта соответственно, вычисляют спектральное распределение интенсивности остатков компенсации, в спектре интенсивности нескомпенсированных остатков находят статистически значимые локальные минимумы и соответствующие им частоты, вычисляют элементы тензоров импеданса и (или) адмитанса на частотах локальных минимумов.

На фиг. 1 представлены логарифмические спектры интенсивности электрической компоненты Е_х до и после компенсации; на фиг. 2 представлены логарифмические спектры интенсивности электрической компоненты Е_y до и после компенсации.

Исследованиями последних лет установлено, что оценки импеданса при магнитотеллурическом зондировании в диапазоне короткопериодных колебаний геомагнитного поля с периодами единицы-сотни секунд могут существенно варьировать от сеанса к сеансу в течение суток при весьма малом разбросе измерений в рамках отдельного сеанса. Хорошим примером такого рода могут служить многодневные измерения в районе Латвийской седловины (Балтийский щит), в которых вариации оценок импеданса на периоде Т = 40 с в течение суток составляли 30-40% и более при том, что главные компоненты тензора импеданса в течение 0,5-1 ч оценивались со среднеквадратичным разбросом, существенно меньшим, чем 7-9% . При работе на щитах и в областях с малой проводимостью осадочного чехла в этом интервале периодов отмечается большая погрешность измерений импеданса.

Оценка зависимости импеданса таких структур с малой проводимостью осадочного чехла от пространственной неоднородности МТ-поля в приближении неоднородной плоской волны хорошо согласуется с этим опытом наблюдений.

Неоднородная плоская волна характеризуется пространственной неоднородностью амплитуды и фазы, причем влияние пространственной неоднородности фазы реально оказывается доминирующим.

Способ ориентирован на обнаружение участков спектра с повышенной пространственной однородностью МТ-поля, в которых объективно существуют условия малого возмущения оценки импеданса из-за пространственной неоднородности МТ-поля.

Существование таких участков спектра следует из резонансной структуры пространственного распределения волновых пакетов МТ-поля на поверхности Земли.

Способ основан на установленном теоретически и экспериментально пространственном распределении амплитуды и фазы волновых пакетов МТ-поля рассматриваемого диапазона периодов в окрестности точки пространственного резонанса магнитной силовой линии на поверхности Земли. При данном состоянии магнитосферы эти резонансы проявляются в том, что нормированная амплитуда h = h(ΔX) и фаза ϕ = ϕ ( ΔX) меридиональной магнитной компоненты (Х) частоты f₂(l) обладают явно выраженными резонансными свойствами по отношению к смещению ΔХ по меридиану из точки наблюдения Х_о, где l - номер пространственной гармоники пространственного резонанса. На резонансной для данной точки Х_о частоте f_r(l) в окрестности точки Х_о наблюдаются максимум амплитуды компоненты (Х) и наибольшая пространственная крутизна изменения фазы комплексной амплитуды (Х) по меридиану .

При этом данной точке измерений соответствует своя магнитная L-оболочка с резонансной частотой f_r(1), определяемой геомагнитной широтой точки наблюдения Ф и связанной с ней параметром магнитной оболочки L = cos^-2 Ф . Центральные частоты f_o(1) волновых пакетов МТ-поля, наблюдаемых в данной точке, близки к резонансным частотам гармоник колебаний магнитной L-оболочки f_r(l = 1), f_r(l = 2) = l₂f_r(1), f_r(l = 3)= =l₃f_r(1), где гармоникам собственных колебаний L - оболочек соответствуют l₂ = 2-3, l₃ ≈3-4 и т.д.

Для точек, сдвинутых по меридиану на ΔХ от пункта измерений, нормированная амплитуда h и фаза ϕ на частоте f_r описываются зависимостями резонансного типа:
h ≃ , ϕ ≃ arctg где ε_e - характерный меридиональный размер резонансной области l-й гармоники; в средних широтах ε_e≈ 300 км (во всяком случае ε₁ < 500 км.

В соответствии с изложенным наиболее резкие изменения фазы волнового пакета МТ-поля в пространстве происходят именно в центральной части спектра волнового пакета для продольной (по магнитному меридиану) компоненты магнитного поля .

В силу резонансной пространственной структуры МТ-поля области повышенной однородности поля оказываются вынесены на крылья спектральных линий собственных колебаний L-оболочек, где существенно падают пространственные производные амп- литуды и фазы и .

Напомним, что и длина волны λ_x неоднородной плоской волны (НПВ) в направлении оси Х при локальном описании волнового пакета МТ-поля с помощью неоднородной плоской волны связаны простой зависимостью
= = K_x где k_x - волновое число НПВ в направлении оси Х.

Чем больше k_x, тем больше возмущения импеданса . Наиболее сильно пространственная неоднородность фазы выражена у Н_II - компоненты МТ-поля.

Поэтому наиболее сильные вариации претерпевают при прочих равных условиях элемент импеданса Z_⊥ , определяемый компонентами поля Н_II и Е_⊥,где Z_┴~ - . Неоднородность МТ-поля по направлению параллели существенно меньше, чем по меридиану, поэтому и волновое число вдоль параллели k_⊥ существенно меньше, чем волновое число вдоль меридиана k_II(k _⊥ << k _II) .

На основании изложенного предлагается выделять удаленные от резонансных частот L-оболочек области частот, в которых ослаблены проявления пространственных резонансов L-оболочек.

В этих участках спектра колебания МТ волновых пакетов далеки от пространственных резонансов и поэтому обладают повышенной пространственной однородностью.

Выявить такие участки спектра помогает естественный дрейф во времени собственных частот L-оболочек f_r(1), f_r(2)... при компенсации компонент Е_⊥ и Е_II по компонентам Н_II , Н_⊥ на временных интервалах T_i с помощью весовых множителей, представляющих собой оценки элементов тензора импеданса, полученных на интервалах Т_j, где i ≠ j. Такая компенсация с несовпадающими интервалами определения весовых коэффициентов и интервалами собственно компенсации при дрейфе частот пространственных резонансов даст минимальный уровень остатка в областях частот, где пространственные резонансные свойства L-оболочек проявляются наиболее слабо.

Энергия МТ-поля в таких далеких от резонансов областях частот определяется крыльями спектра сильно смещенных по частоте спектральных линий волновых пакетов МТ-поля. В этих нерезонансных областях спектра МТ-фон характеризуется повышенной пространственной однородностью и потому оценки импеданса в этих участках спектра наименее чувствительны к естественным вариациям (дрейфу) собственных частот магнитных L-оболочек в течение суток; относительная величина дрейфа собственных частот L-оболочек может составлять 30-40% за 9-10 ч.

Учитывая общий характер спада средней спектральной плотности МТ-поля с ростом частоты, выделение искомых статистически значимых минимумов в спектре остатков компенсации на несовпадающих интервалах T_i, T_j упрощается при переходе к логарифмам спектральной плотности исследуемых процессов, или, для краткости, к логарифмическим спектрам. В качестве критерия статистической значимости выявленного локального минимума в логарифмическом спектре остатков компенсации может использоваться любой статистический признак (критерий), ориентированный на малую вероятность случайного формирования такого минимума; в качестве примера укажем такие признаки статистически значимого локального минимума, как величина перепада спектральной плотности от минимума до ближайшего максимума, превышающая D_дБ - число узкополосных отсчетов спектра от минимума до максимума, формируемых по неперекрывающимся участкам спектра, и, следовательно, статистически независимых. Возможны и комбинированные признаки статистически значимого минимума в зависимости от наблюдаемого локального спада логарифмического спектра и числа спектральных отсчетов от минимума до максимума.

Наши наблюдения показали наличие достаточно интенсивного МТ-поля в выделенных областях частот, удаленных от резонансных частот L-оболочек и обладающих поэтому повышенной пространственной однородностью, что позволяет провести достаточно точные измерения импеданса при значительно более слабой зависимости средних значений от пространственной неоднородности МТ-поля, чем это имеет место вблизи резонансных частот L-оболочек. Максимумы спектральных линий волновых пакетов МТ-поля близки к резонансным частотам L-оболочек, хотя могут и не совпадать с ними (как могут не совпадать частотная характеристика канала и спектр колебания на его выходе).

В силу резонансной пространственной структуры волновых пакетов МТ-поля области частот на крыльях спектральных линий МТ-поля характеризуются повышенной пространственной однородностью и могут быть выявлены по локальным статистически значимым минимумам логарифмических спектров остатков компенсации, полученных при разнесенных во времени интервалах оценки импеданса (адмитанса) и интервалах собственно компенсации с помощью этих оценок импеданса (адмитанса). Найденные в указанных областях частот оценки импеданса характеризуются повышенной устойчивостью по отношению к пространственной неоднородности МТ-поля и могут быть использованы для обнаружения малых вариаций параметров разреза.

При разнесенных измерительных пунктах с достаточно большим различием интегральной проводимости верхнего осадочного слоя возможно выделение областей частот с повышенной пространственной однородностью МТ-поля с помощью компенсации на интервалах Т_i, T_j только электрических компонент: например, компенсация Е_⊥ в выносном пункте по Е_II , Е_⊥ в основном пункте. Это позволяет выбрать для компенсации измерительные каналы с наибольшим отношением сигнал/шум: например, выбрать лучший по отношению сигнал/шум вариант из возможных вариантов - Е_⊥^(доп) по Е_II^(осн), Е_⊥^(осн) или Е_⊥^(доп) по Н_II^(осн), Н_⊥^(осн), где индексы (осн) и (доп) относятся соответственно к основному и дополнительному (отнесенному) измерительным пунктам.

Способ реализуется следующим образом.

По известной методике магнитотеллурического зондирования размещаются электрические и магнитные датчики Е_х, Е_y и Н_х, Н_y компонент магнитотеллурического поля (МТ-поля) в основном, а при наличии выносного - и выносном пунктах. В пределах доступного времени Т_о выделяют интервалы Т₁, Т₂, Т₃, при этом соседние интервалы могут перекрываться.

Проводят однородную регистрацию измеряемых компонент МТ-поля.

Узкополосной фильтрацией получают значения комплексных спектральных амплитуд измеряемых компонент МТ-поля по выбранной сетке частот во временных окнах интервалов Т₁, Т₂, Т₃. В качестве примеров можно указать узкополосную фильтрацию в соответствующем временном окне по способу БПФ или узкополосную фильтрацию с заданной частотной характеристикой фильтров [1] на заданной сетке частот.

На заданной сетке частот находят комплексные амплитуды Е_II , Е_⊥ , Н_II , Н_⊥ компонент МТ-поля, ориентированных по магнитному меридиану и перпендикулярно ему (по магнитной широте).

На заданной сетке частот проводят раздельную компенсацию Е_II и Е_⊥компонент МТ-поля на интервале Т_i при определении весовых коэффициентов компенсирующих каналов на интервалах Т_j, где i ≠ j, причем в качестве компенсирующих принимают Н_II , Н_⊥ - каналы основного пункта, а при наличии отнесенного пункта в качестве компенсирующих берут каналы с наибольшим отношением сигнал/шум, либо Н_II , Н_⊥ - каналы, если импедансы основного и отнесенного пункта близки (т.е. различие главных компонент тензора импеданса менее 30-50%). Находят спектры интенсивности нескомпенсированных остатков и по ним вычисляют логарифмические спектры интенсивности остатков.

Находят области частот статистически значимых локальных минимумов логарифмических спектров остатков, и на этих частотах на интервале измерений Т_о выполняют оценку элементов тензора импеданса (адмитанса).

О статистической значимости (т.е. о неслучайности найденного локального минимума в логарифмическом спектре остатков) судят, например, по глубине перепада от минимума до максимума (скажем, на 5-10 дБ и более) при формировании каждого отсчета спектра остатков по 3-4 и более неперекрывающимся или слабо перекрывающимся временным окнам (сегментам); либо по числу отдельных независимых по спектру спектральных дискретов логарифмического спектра остатков на скатах к данному локальному минимуму, либо по комбинации этих признаков.

Наличие четырех-пяти регулярно размещенных точек на скате спектра с перепадом 5-1 дБ и более является надежным признаком статистически значимого локального минимума.

В силу изложенного ранее такая оценка (оценки) соответствует области спектра с повышенной пространственной однородностью МТ-поля, а, следовательно, в такой оценке, уменьшено влияние пространственной неоднородности МТ-поля и временных вариаций этой неоднородности.

Экспериментальное обоснование предлагаемого способа состояло в проверке положения о наличии неслучайных минимумов в логарифмических спектрах остатков компенсации горизонтальных компонент МТ-поля на несовпадающих интервалах Т_i, T_j (i≠ j).

Ниже приводятся примеры соответствующих логарифмических спектров, полученные по результатам синхронных наблюдений горизонтальных компонент МТ-поля в Астраханской области с помощью штатных геофизических станций ЦЭС-2, приведенных на фиг. 1 и 2.

На фиг. 1 приводятся логарифмические спектры интенсивности электрической компоненты полевого пункта Е_х в условных единицах, приближенно равной в условиях эксперимента компоненте Е_⊥ , до (А) и после (В) компенсации по магнитным компонентам Н_х, Н_y базового пункта.

Компоненты Н_х и Н_y в базовом пункте в условиях эксперимента приближенно были равны Н_⊥ и Н_II соответственно и приближенно повторяли временной ход компонент Н_х и Н_y в полевом пункте.

На фиг. 2 представлены логарифмические спектры интенсивности электрической компоненты Е_y полевого пункта, приближенно равной Е_II до (кривая А) и после (кривая В) компенсации по электрическим компонентам Е_х, Е_y базового пункта.

Спектры получены в результате узкополосной фильтрации реализаций Е_х, Е_y - и Н_х, Н_y-компонент МТ-поля с помощью Фурье-преобразования (алгоритм БПФ) в области периодов τ≈ 1-100 с, интервалы Т₁, Т₂, Т₃составляли 3 Т_сегм, 4 Т_сегм и 3 Т_сегм соответственно, где Т_сегм - длительность временного окна Фурье-анализа; Т_сегм = 4 τ_макс, где τ_макс - наибольший период в заданной сетке частот; частота f₁= соответствует первой гармонике Фурье-анализа, τ_макс = 140 с, использовалось временное окно вида sint , так называемое "окно Хэннинга".

Азимут α_x оси ОХ местной системы координат составлял ≈ 100^o, т.е. ориентация магнитной компоненты Н_y приближенно соответствовала меридиональной, и, следовательно, Н_y ≈ H_II , E_x ≈ E_⊥ .

На фиг. 1 и 2 приведены логарифмические спектры мощности Фурье-гармоник спектров Е_х и Е_y компоненты до и после компенсации по каналам H_x, H_y при несовпадающих интервалах T_i, T_j; по оси абсцисс отложен номер гармоники р.

На графиках логарифмических спектров остатков четко видны локальные минимумы при р ≈ 5 и р ≈ 10, соответствующие периодам τ_p= ;;τ₅= τ₁/5 ≈ 28 с и τ₁₀ ≈ 14 с, с относительным уровнем остатков - [-(32-35)] дБ, что хорошо согласуется с резонансной моделью пространственной структуры МТ-поля и подтверждает справедливость основных моментов предлагаемого способа.

Таким образом выявлены частоты (области частот), на которых в течение данного измерения длительности Т_о, включающего интервалы Т₁, Т₂, Т₃, в наименьшей мере сказывается неоднородность пространственной структуры поля МТ-поля, а следовательно, становится реальным обнаружение малых временных вариаций импеданса подстилающей среды.

Статистическая значимость (неслучайность) выявленных локальных минимумов вблизи гармоник р = 5 и р = 10 в приводимых измерениях (см. фиг. 1 и 2) следует из регулярности хода логарифмического спектра остатков в окрестности этих минимумов: 3-5 независимых (по формирующих их участкам спектра) отсчетов спектра остатков на спадающем и возрастающем склонах логарифмического спектра остатков; при этом каждый отсчет в спектре остатков получен усреднением квадрата амплитуды спектрального дискрета остатка по 4 независимым (по времени) измерениям амплитуды остатка.

Глубокая компенсация сигналов МТ-поля на частотах локальных минимумов в спектре остатков р = 5 и р = 10 при компенсации на разнесенных интервалах Т_i, T_j (на 32-35 дБ, или более (1-2) ˙10³ раз по мощности) указывает на то, что в приведенном примере нерезонансной компонентной МТ-поля в рассмотренной области частот обеспечен достаточно высокий уровень МТ-сигнала, допускающий измерение импеданса с относительной точностью приближенно -(32+35) дБ, или ±2% для главных элементов тензора импеданса.

Удаленность выделенных частот р = 5 и р = 10 от резонансных частот L-оболочек геомагнитного поля обеспечивает ослабление влияния пространственной неоднородности МТ-поля на результаты измерения импеданса.

Далее на указанных частотах р = 5 и р = =10 по уже найденным на сегментах интервалов Т₁, Т₂, Т₃ комплексным спектральным амплитудам компонент Е_х, Е_y и Н_х, H_y проводится оценка импеданса известным однопунктовым методом [1], или по методу выносного опорного пункта.

Использование: в геофизике. Сущность изобретения: при магнитотеллурическом зондировании в диапазоне периодов от единиц до сотен сек., для ослабления влияния пространственной неоднородности магнитотеллурического поля на результаты измерений импеданса производят компенсацию синхронно измеряемых компонент поля на сетке частот с весовыми коэффицентами. Весовые коэффициенты определяют по измерениям на интервалах времени, не совпадающих с интервалами собственно компенсации. Используя представления о резонансной структуре магнитотеллурического поля на поверхности земли на частотах резонансов магнитных силовых линий геомагнитного поля, выделяют области минимумов в спектре остатков компенсации, для которых снижено влияние пространственной неоднородности магнитотеллурического поля на результаты оценки импеданса. Для выделенных областей проводят оценку импеданса. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. СПОСОБ МАГНИТОТЕЛЛУРИЧЕСКОГО ЗОНДИРОВАНИЯ, включающий синхронное измерение горизонтальных электрических и магнитных компонент магнитотеллурического поля в полевых и базовых пунктах, узкополосную фильтрацию исследуемых компонент поля, вычисление элементов тензора импеданса и адмитанса по комплексным амплитудам компонент поля, полученным узкополосной фильтрацией, отличающийся тем, что в пределах цикла измерений длительностью T₀ устанавливают интервалы измерений длительностью T₁, T₂, T₃, с возможностью частичного перекрытия соседних интервалов, формируют дополнительно оценки горизонтальных компонент магнитотеллурического поля по направлению магнитного меридиана и перпендикулярно к нему E_⊥ и H_⊥, и проводят раздельную компенсацию горизонтальных электрических или магнитных компонент магнитотеллурического поля по горизонтальным магнитным или электрическим компонентам на временных интервалах T_i, где i = 1, 2, 3, при этом определение весовых коэффициентов компенсации, элементов тензора импеданса или тензора адмитанса, для такой компенсации осуществляют на интервалах обучения T_j, где j = 1, 2, 3 и i ≠ j, а для разнесенных измерительных пунктов на указанных временных интервалах T_i, T_j дополнительно проводят раздельную компенсацию электрических и/или магнитных , компонент полевого или базового пункта по электрическим или магнитным компонентам базового или полевого пункта соответственно, вычисляют спектральное распределение интенсивности остатков компенсации, в спектре интенсивности нескомпенсированных остатков находят статистически значимые локальные минимумы и устанавливают соответствующие им частоты, вычисляют элементы тензоров импеданса и/или адмитанса на частотах локальных минимумов. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что производят перебор возможных сочетаний интервалов обучения T_j и компенсации T_i при i ≠ j и для всех этих сочетаний определяют частоты статистически значимых локальных минимумов в спектре интенсивности нескомпенсированных остатков.