Введение к работе
Актуальность темы. Метод магнитотеллурического зондирования (МТЗ) отличается высокой эффективностью, широким диапазоном глубин исследования, большим количеством информативных характеристик и относительно низкими затратами на проведение исследований. Эти преимущества основаны на использовании в качестве источника возбуждения естественного электромагнитного поля Земли, имеющего широкий частотный спектр и высокую пространственную однородность.
Метод МТЗ был предложен в начале 50-х годов прошлого века А. И. Тихоновым и Л. Каньяром. Последующее развитие этот метод получил благодаря работам М. Н. Бердичевского, Л. Л. Ваньяна, И. М. Варенцова, В. И. Дмитриева, М. С. Жданова, А. А. Кауфмана, А. А. Ковтун, Н. В. Липской, И. И. Рокитянского, Л. Н. Пороховой, Э. Б. Файнберга, F. X. Bostik, A. G. Chave, A. Jones, R. L. Mackie, D. J. Thomson, К. Vozoff, P. Weidelt и других исследователей.
Метод первоначально создавался для изучения горизонтально-слоистых сред, но впоследствии успешно применялся для изучения неоднородных высокоомных структур.
Под руководством А. Т. Дьяконовой, на Урале были проведены обширные магнитотеллурические исследования на 11 региональных профилях, общей протяжённостью свыше 4000 км. По результатам этих исследований были составлены площадные схемы распределения электрических параметров на разных глубинах, проведена количественная интерпретация МТ данных, смоделирована блоковая неоднородность геоэлектрического строения Урала.
Однако проведённым исследованиям свойственны следующие недостатки:
-отсутствие данных в высокочастотном диапазоне и ограниченный частотный диапазон в длиннопериоднои части спектра, что существенно снижает возможности метода МТЗ. При построении моделей приходилось использовать априорные сведения о геоэлектрическом строении;
-трудоемкость эксперимента из-за применения аналоговой аппаратуры и большого объёма ручной и программной обработки фотозаписей. При этом большая часть информации на фотолентах остается скрытой.
Актуальность исследований связана с необходимостью преодоления вышеперечисленных недостатков аптаратурно-методического обеспечения метода МТЗ» в связи с чем была поставлена цель работы:
Разработка и изготовление макетов цифровых электроразведочных станций с программным обеспечением, позволяющих измерять электромагнитное поле естественных и контролируемых источников в высокочастотном и длиннопериодном диапазонах.
Задачи работы:
-разработка и создание цифровой узкополосной аппаратуры аудиомагнитотел-лурического зондирования и программного интерфейса для неё, обеспечивающей также возможность измерений с контролируемым источником; разработка методики наблюдений и программного обеспечения для обработки результатов комплексных измерений с естественным и искусственным источниками;
-разработка и изготовление компьютеризированной цифровой низкочастотной аппаратуры МТЗ с использованием торсионных магнитных датчиков, стабильно работающей в диапазоне периодов от единиц секунд до суток; создание программного обеспечения для обработки МТ данных.
Научная новизна.
1. Совместно с А. И. Человечковым и О. Л. Соколом-Кутыловеким разработа
на цифровая аппаратура "Гроза" для измерения и регистрации пяти компонент
электромагнитного поля естественных и искусственных источников. Отличитель
ные особенности аппаратуры:
- применение 16 фиксированных частот, оптимально размещённых в диапазоне, используемом в методе аудиомагнитотеллурического зондирования при решении структурных задач. Высокая избирательность измерительных каналов позволяет эффективно использовать аппаратуру в условиях интенсивных промышленных помех. Научная новизна так же подтверждается патентом на изобретение.
2. С использованием оптико-механического блока торсионных магнитометров
разработана низкочастотная аппаратура магнитотеллурического зондирования, от
личающаяся широким динамическим и частотным диапазоном, высокой разрядно
стью квантования, большой продолжительностью непрерывной записи, малыми
габаритами, малым весом и энергопотреблением. Процесс регистрации полностью
автоматизирован, продолжительность работы без обновления носителя информации не менее одного полевого сезона.
3. Для обработки широкодиапазонных данных магнитотеллурического зондирования создана программа обработки с использованием робастной статистики, позволяющая вычислять передаточные функции по временным рядам измеренного электромагнитного поля, в том числе с привлечением информации одной или нескольких удалённых опорных точек.
Практическая ценность. Созданные макеты цифровой узкополосной аппаратуры аудиомагнитотеллурического зондирования "Гроза" и аппаратуры широкополосного магнитотеллурического зондирования МТЦ-01 используются при проведении региональных исследований: аппаратура "Гроза" с 1998 г., а с 2001 г. низкочастотная аппаратура МТЦ-01. Данные, полученные с применением узкополосной аппаратуры, позволили выявить особенности геоэлектрического строения верхних горизонтов коры различных зон Южного Урала (Сакмарской, Зилаирской, Урал-Тау), Северного Урала (профиль Яйва - Кытлым - Серов - Гари), и Восточно-Европейской платформы (западный отрезок профиля Темиртау - Куйбышев). Низкочастотная аппаратура МТЦ-0І применялась при исследованиях геоэлектрического разреза восточной части Восточно-Европейской платформы (республика Татарстан) и некоторых районов Башкирии (южное сечение профиля Уралсейс-95). Результаты исследований, проведенных с применением новой аппаратуры АМТЗ и МТЗ, подтверждают результаты подобных работ прошлых лет. За счёт повышения точности измерений, расширения частотного и динамического диапазона, увеличения объема измеряемых данных, применения высокопроизводительных процедур компьютерной обработки данных удалось получить результаты в тех районах, где ранее из-за высокого уровня помех или по какой-либо причине не удалось провести такие измерения, или не удалось обработать результаты съёмки. Были получены данные в районах, где ранее магнитотеллурическая съёмка вообще не проводилась. В результате проведённых обширных экспериментальных работ выявлены новые черты структурно-тектонического строения рассмотренных территорий в большом диапазоне глубин.
Апробация работы. Результаты работы докладывались на международной научной конференции "Чтения имени А. Н. Заварицкого" (Екатеринбург 1999, 2001);
на международной научно-практической конференции молодых учёных и специалистов "Геофизика-99" (Санкт-Петербург 1999); Международной геофизической конференции "Геологоразведка-2000" (Санкт-Петербург 2000); на II, III и V геофизических чтениях памяти В. В. Федынского (Москва 2000, 2001, 2003); на первой и третьей Уральской молодёжной научной школе по геофизике (Екатеринбург 2000, 2002); на научных чтениях памяти Ю. П. Булашевича "Ядерная геофизика, геофизические исследования литосферы, геотермия" (Екатеринбург 2001); на 26, 27, 29 сессии международного семинара им. Д. Г. Успенского "Вопросы теории и практики геологической интерпретации гравитационных, магнитных и электрических полей" (Екатеринбург 1999, 2002; Москва, 2000);
Публикации. По теме диссертации опубликовано 16 работ, в том числе 1 патент на изобретение.
Личный вклад. Работа подготовлена по результатам исследований начатых автором в 1998 г. в составе лаборатории электрометрии под научным руководством д. г.-м. н А. Г. Дьяконовой. Исследования проводились в соответствии с плановой тематикой института и при поддержке Российского Фонда Фундаментальных Исследований (гранты 98-05-64816, 98-05 79025, 99-05-79075, 01-05-65190, 01-05-79171).
В процессе подготовки выполнен большой объём экспериментальных исследований, результаты которых отражены в совместных публикациях с сотрудниками, участвовавшими в работе на различных ее* стадиях: П. Ф. Астафьевым, В. С. Вишневым, О. В. Баталовой и др.
Личный вклад автора заключается в разработке и внедрении в практику новой цифровой аппаратуры, разработке алгоритмов и создании программы обработки данных МТЗ, непосредственном участии в проведении полевых работ, и обработке полученных материалов.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, трёх глав, заключения, двух приложений, и списка литературы из 64 наименований. Диссертация изложена на 121 странице, содержит 44 рисунка и 5 таблиц. Защищаемые положения приведены в заключении.
Автор искренне благодарен своему научному руководителю д. г.-м. н. А. Г. Дьяконовой за помощь и поддержку при подготовке диссертации. Автор также признателен всем сотрудникам лаборатории электрометрии ИГф УрО РАН, уча-
стие которых позволило выполнить эту работу: д. т. н. А. И. Человечкову, д. т. н. О. Л. Соколу-Кутыловскому, к. г.-м. н. П. Ф. Астафьеву, к. т. н. В. С. Вишневу, к. т. и. А. Н. Ратушняку, О. В. Баталовой и др.
Автор благодарит зав. лаборатории электрометрии д. г.-м. н. профессора В. В. Кормильцева за критические замечания и помощь, оказанную при написании диссертации, д. ф.-м. н. О. А. Хачай за ценные критические замечания и обсуждение использования вейвлет анализа в обработке магнитотеллурических данных.
Автор признателен д. ф.-м. н. С. А. Вагину (СПбГУ) за обмен опытом конструирования аппаратуры, к. ф.-м. н. М. Ю. Смирнову (СПбГУ) за ценные советы и обсуждение некоторых вопросов обработки данных, к, ф.-м. н. И. М. Варенцову (ИГЭМИ ИФЗ РАН) за предоставление возможности тестирования алгоритмов обработки.
