Введение к работе
Объектом исследования диссертации являются методы нестационарных электромагнитных зондирований в применении к задачам изучения глубинного геоэлектрического строения земной коры и вариаций ее электропроводности при физических процессах, предшествующих землетрясению.
Одно из важнейших направлений исследований в геофизике'состоит в изучении электрических параметров глубинных оболочек Земли, их связи с другими физическими характеристиками и агрегатным состоянием вещества. Не менее важны прикладные аспекты задачи - изучение особенностей строения земной коры в связи с размещением полезных ископаемых, изучение электропроводности земной коры в сейсмоактивных районах, а также временных вариаций электропроводности при электромагнитном мониторинге для прогноза землетрясений.
Значительное место в изучении глубинного геоэлектрического строения Земли принадлежит методам естественного электромагнитного поля, развитым в трудах А.Н. Тихонова, Л. Каньяра, А.П. Краева, Д.Н. Шахсуварова, Б.Е. Брюнелли, М.Н. Бердичевского, Л.Л. Ваньяна, В.И. Дмитриева, А.А. Ковтун, И.И. Рокитянского и других ученых.
Однако, использование естественного источника поля ввиду неполноты модельной базы, связанной с отсутствием точных данных о характере источника, может приводить к неоднозначному толкованию результатов измерений.
Успехи в решении практических задач электроразведки активными методами, основанными на управляемых искусственных источниках электромагнитного поля, побуждали многих исследователей применить указанные методы для изучения строения земной коры. Развитию этого направления посвящены работы А.П. Краева, А.С. Семенова, А.В. Вешева, Л.Л. Ваньяна, Е.П. Велихова, Г.В. Астраханцева, Я.С. Сапужака, В.И. Павловского, А.А. Жамалетдинова, М.И. Байсаровича, А.С. Лисина, Е.К. Blohm, G.V. Keller S.V. Zijl, Т. Cantwell, B.R. Lienert, J.C. Samson, R. Lundholm и других ученых. Использовались методы постоянного и переменного тока, выполнялись зондирования с техническими средствами, обладающими высокими энергетическими возможностями (МГД-генераторы, высоковольтные линии электропередач ).
Анализ их результатов показывает, что эти способы не в должной мере приспособлены к детальному изучению земной коры; не обладают достаточной чувствительностью к электропроводности глубинных слоев Земли в слу-
чае повышенных требованиях к точности определения геоэлектрических параметров и их вариаций при электромагнитном мониторинге.
На основе вышесказанного актуальность исследований определяется необходимостью совершенствования активных электромагнитных методов изучения земной коры, повышения детальности исследований, глубинности зондирований, чувствительности зондирующих систем к неоднородностям земной коры и временным вариациям ее электропроводности при электромагнитном мониторинге.
Цель исследований - повышение глубинности, детальности исследований в активных методах глубинной геоэлектрики, разрешающей способности и чувствительности измеряемого поля при мониторинге методом зондирований становлением электромагнитного поля в ближней зоне со специализированной уникальной энергоустановкой "Полигон-1", а также путем разработки нового способа пространственно-временных зондирований, защищенного авторским свидетельством (А.с. 1500127 СССР, МКИ G01V3/08), разработки нового способа интерпретации данных электромагнитного мониторинга, и получение геоэлектрической характеристики земной коры и временных вариаций ее электропроводности.
Основные задачи исследований:
- получить приближенные выражения для нестационарного электромагнитного поля в ближней зоне источника и программно реализовать эффективные численные алгоритмы расчета нестационарного поля в классе горизонтально-слоистых моделей;
развить и адаптировать метод зондирований становлением электромагнитного поля в ближней зоне применительно к изучению геоэлектрического строения земной коры и временных вариаций ее электропроводности ;
разработать метод пространственно- временных зондирований с закрепленным источником, обладающий повышенной глубинностью, детальностью и разрешающей способностью;
получить геоэлектрическую характеристику земной коры и оценить временные вариации ее электропроводности в наиболее сейсмически активных районах Байкальского рифта.
Фактический материал и методы исследований.
Теоретической основой решения поставленных задач являются: аппарат уравнений квазистационарной электродинамики и дифференциальной геометрии, методы численного преобразования Фурье.
Полученные геофизические и геологические результаты прошли верификацию путем применения различных способов исследования: вертикаль-
ных электрических и дипольных зондирований с большими разносами, зондирований становлением электромагнитного поля в ближней зоне с автономным передвижным генератором, глубинных зондирований с мощным закрепленным энергоисточником, магнитотеллурических зондирований.
Для количественной интерпретации экспериментальных материалов использовались разработанные программно - алгоритмические средства моделирования нестационарного электромагнитного поля и методические рекомендации, а также автоматизированные системы интерпретации электромагнитных и электрических зондирований "ЭРА" и "SONET", разработанные М.И. Эповым И.Н., Ельцовым и Ю.А. Дашевским; количественная интерпретация экспериментальных данных МТЗ проводилась Л.Н. Пороховой (ЛГУ), на основе разработанных ею методик и программ.
Для осуществления глубинных зондирований применялась специально разработанная и созданная аппаратура: 1) Аппаратурный комплекс-1 (ИГиГ СО РАН), 2) мощная энергоустановка "Полигон-1" (ИВТ РАН), 3) аппаратура синхронизации ( ИГиГ, ВЦ СО РАН), 4) геофизический вычислительный комплекс (ВЦ СО РАН).
Экспериментальные материалы зондирований становлением электромагнитного поля на Муйско-Чарском (1979-1980гг.) и на Байкальском (1981-1990гг.) прогностических полигонах получены при совместных работах полевого отряда ИГиГ СО РАН и ГПП " Иркутскгеофизика" под научным руководством автора диссертации. Экспериментальные материалы ВЭЗ и МТЗ, а также глубинных ВЭЗ в Селенгинской депрессии предоставлены ГГП "Иркутскгеофизика".
Сформулированы и защищаются научные положения.
-
Нестационарное электромагнитное поле в ближней зоне источника и поздней стадии становления обладает высокой чувствительностью к электропроводности глубинных слоев; для некоторых компонент поля характерна инверсия - на ранних временах они пропорциональны удельному сопротивлению, на поздних - удельной электропроводности в степени выше первой; некоторые компоненты поля в ближней зоне не зависят от разноса, другие - пропорциональны ему.
-
В разработанном методе пространственно-временных зондирований:
- для компонент нестационарного электромагнитного поля, пропорциональных в поздней стадии разносу, трансформанта рт формируется на последовательности разносов при наибольшем полезном сигнале на данном времени, чем реализуется максимальная глубинность зондирований
- повышается детальность и разрешающая способность зондирований за
счет исключения влияния разноса и устранения искажающего воздействия
трансформации полезного сигнала, в результате чего конфигурация рт отображает распределение удельного сопротивления среды с глубиной.
3. Применение методов нестационарного электромагнитного поля для
выделения вариаций электропроводности при электромагнитном монито
ринге основывается на:
повышенной чувствительности компонент нестационарного поля к электропроводности глубинных проводящих слоев,
разделении временных областей преимущественного влияния отдельных слоев разреза в результате использования высокочувствительных пространственно-временных градиентных систем наблюдения,
возможности разделения вариаций измеряемого сигнала по признаку: сигнал-помеха за счет дополнительного изучения вариаций зондирующего параметра - времени становления,
применении предложенного способа анализа и интерпретации режимных измерений, направленного на изучение временных рядов приращений удельного сопротивления в разноглубинных слоях земной коры.
4. Особенности геоэлектрического строения земной коры в сейсмически
активных районах Байкальской рифтовой зоны проявляются в том, что:
земная кора неоднородна по латерали; слой глубиной до 10-15 км состоит из отдельных блоков, разграниченных 2-4-километровьши по ширине структурами со смятыми геоэлектрическими границами и заполненными более проводящими, чем вмещающая среда породами с удельным сопротивлением от 10-12 до 30-55 Омм,
выделенный на глубине 7-13 км проводящий слой разделяет неоднородную верхнюю часть земной коры от более однородной нижней,
пространственно близки районы высокой сейсмичности и наибольшего поднятия проводящего корового слоя,
- выделенные локальные участки с повышенной электропроводностью
пород по всей глубине (от корового слоя вплоть до поверхности Земли) со
провождаются, как правило, выходами термальных вод.
Научная новизна работы. Личный вклад.
1. Предложены оригинальные пути получения приближенных выражений для нестационарного электромагнитного поля в ближней зоне источника в горизонтально-слоистых средах, в результате чего выявлены новые зависимости компонент нестационарного поля от электропроводности среды:
компоненты поля, пропорциональные удельному сопротивлению среды на ранних временах, характеризуются инверсией зависимости поля от электропроводности;
в поздней стадии компоненты поля пропорциональны электропроводности в степени выше первой;
момент инверсии зависит от разноса -г, магнитной проницаемости -ц, и
геоэлектрических параметров среды, в однородном полупространстве мо-
т 2 мент инверсии / = г fJ.yc, где с -константа, зависящая от компоненты поля.
2. Опираясь на закономерности поведения нестационарного поля в
ближней зоне источника, разработан новый метод пространственно-
временных зондирований:
используя свойство измеряемого поля - пропорциональность разносу, Предложена новая система измерений на заданной последовательности увеличивающихся разносов, что в полтора - два раза увеличивает глубинность зондирований,
основываясь на принципиально новом способе определения интерпретационной характеристики через огибающую семейства кривых кажущегося сопротивления в ближней зоне рт, получены качественно новые свойства разработанного метода: а) интерпретационная характеристика - огибающая рх - следует изменениям свойств среды с глубиной во всем временном интервале, включающем раннюю и позднюю стадии становления, б) интерпретационная характеристика рх зависит только от свойств среды и не зависит от параметра установки - разноса.
3. Исходя из количественного анализа поведения нестационарного поля
в базовых моделях глубинной геоэлектрики и закономерностей его поведе
ния в асимптотических временных областях, разработана комплексная целе
направленная методика, предназначенная для повышения достоверности вы
деления вариаций электропроводности:
используя более высокую степень зависимости вторых слагаемых полученных разложений от электропроводности проводящего основания, предложены новые пространственно-временные градиентные системы измерений в результате применения которых: а)миогократно повышается чувствительность к электропроводности проводящих слоев, б) разделяются во времени области преимущественного влияния параметров отдельных слоев;
исходя из численного анализа функций чувствительности измеряемого поля к электропроводности разноглубинных участков земной коры, предло-
жена и реализована новая методика интерпретации данных электромагнитного мониторинга (совместно с М.И. Эповым),
- впервые предложен и реализован дополнительно мониторинг зонди
рующего параметра - времени становления, используя знакопеременность
некоторых компонент поля.
4. На основе разработанных теории и методики глубинных зондирований становлением электромагнитного поля в ближней зоне с применением специализированных уникальных энергоустановок, а также новейших средств количественной интерпретации впервые получены:
детальное строение верхней части земной коры в Муяканской впадине и на северо-восточном фланге Селенгинской депрессии,
геоэлектрическое строение осадочного чехла по субширотным профилям, пересекающим Байкальскую впадину и сейсмотектонический грабен -зал. Провал,
- геоэлектрическая характеристика сейсмотектонических структур Се
ленгинской депрессии.
Начальные аспекты теории метода зондирований становлением электромагнитного поля в ближней зоне разработаны совместно с профессором А.А. Кауфманом.
Практическая значимость работы
Комплекс программных средств расчета прямых задач электроразведки методом становления электромагнитного поля в ближней зоне используется для расчета параметров установок, оценки глубинности, изучения трансформант поля с целью выделения и идентификации параметров разреза. На основе разработанных средств совместно со СННИИГГиМСом были созданы методические рекомендации по интерпретации экспериментальных данных.
Альбомы и методические рекомендации используются в научных и производственных организациях: ГГП "Иркутскгеофизика", ГП "Енисейгеофизика", ГП "Якутскгеофизика".
Программно-алгоритмический комплекс интерпретации экспериментальных данных нестационарных электромагнитных зондирований передан в 1989 году и используется в партии № 80 ГГП "Иркутскгеофизика" (с.Энхалук, Бурятия).
Результаты интерпретации и программы обработки экспериментальных данных глубинных электромагнитных зондирований переданы в 1987-1991 годах и используются в НОМВЭ СО РАН, г. Новосибирск.
(>
Результаты интерпретации данных, полученных с помощью комплекса электромагнитных методов, переданы в 1989-1991 годах и используются в ГГП "Иркутскгеофизика".
Внедрен в практику производственных работ аппаратурный комплекс для глубинных зондирований в ПГО " Иркутскгеофизика" (акт внедрения от 12 ноября 1985года).
Внедрена в практику научно-исследовательских и производственных организаций библиотека прикладных программ "Байкал", предназначенная для обработки экспериментальных данных:
в отдел Физики Земли НИИФ ЛГУ (акт внедрения от 09.12.88г).
в ИППМиМ АН УССР (акт внедрения от 27.12.1988 г).
в электроразведочную партию № 80 ПГО "Иркутскгеофизика" (акт внедрения от 8.07.1986 г).
Апробация работы и публикации. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на Всесоюзной школе-семинаре по электромагнитным зондированиям (Ашхабаде 974), на семинаре по методу становления поля (Новосибирск, 1977), на научно-технической конференции " Развитие геофизических методов исследований на нефть и газ в Западной Сибири" (Тюмень,1980), на Всесоюзном совещании "Методика и результаты применения МГД-генераторов в геологии" ( Апатиты, 1980), на 6-ой и 7-ой Всесоюзных школах-семинарах по электромагнитным зондированиям (Баку,1981, Москва, 1984), на заседании секции научного совета АН СССР по региональным электромагнитным зондированиям (Москва, 1983), на региональных школах семинарах СНИШТиМСа по методу ЗСБ, (Новосибирск, 1984, 1989), на Всесоюзной конференции " Глубинные электромагнитные исследования " (Москва, 1991), на Всесоюзной школе-семинаре " Электромагнитные предвестники землетрясений" (Алма-Ата,1991), на заседаниях Координационного совета по развитию исследований в области сейсмологии и созданию основ теории прогноза землетрясений при президиуме СО РАН (Иркутск, 1985, 1986, 1989).
По теме диссертации опубликовано 68 работ.
Работа выполнена в Институте геофизики СО РАН, исследования проводились в соответствии с планом НИР на 1981-1985гг., утвержденным Постановлением N 156-13000 Президиума АН СССР от 17.10.80, планом ИГиГ по теме 54 п.п а), б), утвержденным Постановлением ГКНТ СССР Госплана СССР и АН СССР № 516272174 от 29.12.81, планом НИР ИГиГ на 1986-1990гг., утвержденным Распоряжением АН СССР № 10103 -1019 от 25.06.85, планом ИГиГ по теме 35, утвержденном Постановлением СО АН СССР № 58
от 05.02.86 (№ гос. per. 01860087812) и программой "Сибирь" 1.1.2. 6,1.2.18 (1981-1985), 1.00.03.09 (1986-1989), Программой фундаментальных исследований СО РАН на 1991-1996гг. (3.1.1.03).
Практические исследования по глубинным электромагнитным зондированиям были инициированы членом-корреспондентом АН СССР Э.Э. Фо-тиади, чьей светлой памяти мы отдаем свой долг.
При выполнении работы автор пользовалась консультациями и советами академика Н.Н. Пузырева, д.т.н. Ю.Н. Антонова.
Автор благодарна коллегам, принимавшим участие на различных этапах исследований: А.К. Манштейну, И.Н. Ельцову, В.П. Соколову, Н.Н. Невед-ровой, М.И. Эпову, Ю.А. Дашевскому, И.О. Грехову.
Автор считает своим долгом выразить свою признательность ученым: профессору А.А. Кауфману, д.т.н. Л.А. Табаровскому, а также коллегам из других организаций, оказавшим помощь и поддержку в практическом внедрении метода становления поля в глубинных исследованиях: В.А. Зейгар-нику, И.Я. Дихтер, Б.М. Глинскому.
Неоценимая помощь при практической реализации глубинных зондирований была оказана главным геологом ГГП " Иркутскгеофизика" д.г.-м.н., профессором М.М. Мандельбаумом, генеральным директором ГГП " Иркутскгеофизика" А.И. Шамалем. Автор благодарна сотрудникам предприятия Р.С. Низамутдинову, Н.Ф. Зыковой, В.А. Скребневу, Н.В. Жировой, В.Н. Булатовой за внедрение методики и аппаратуры.
Автор искренне признательна д.т.н. М.И. Эпову за всестороннюю поддержку во время работы над диссертацией, плодотворное обсуждение различных ее аспектов, К.В. Сухоруковой за помощь при оформлении работы.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и приложения, содержит 287 страниц машинописного текста, 74 рисунка и 18 таблиц. Библиография содержит 361 наименование.