РМТ-К (с контролируемым источником)

В этом разделе:
Зачем нужен контролируемый источник?
 

В методе РМТ основной проблемой является зависимость успеха работ от наличия сигналов радиостанций и их расположения. Практически по всему миру можно принимать сигналы мощных СДВ радиостанций. Однако, они работаю в очень узком частотном диапазоне 10-30 кГц. Это годится только для профилирования. Радиостанций с более низкой частотой вещания нет, что ограничивает глубину исследования. Более высокочастотные радиостанции относительно маломощные и их сигналы можно регистрировать только в непосредственной близости от них (обычно - первые сотни километров). Глядя на карту радиостанций несложно сделать вывод, что наиболее благоприятные регионы для работ методом РМТ являются Европа и Центральная Америка. В Сибири, Африке и в Южной Америке шансы на успех РМТ зондирований не велик. Даже если в исследуемом регионе работает достаточное количество радиостанций, использовать для РМТ зондирований можно лишь те, пеленг на которые близок к азимуту приемной электрической антенны. К тому же некоторые радиостанции работают не всегда. 

Указанные выше проблемы решаются с помощью использования собственного (контролируемого) источника ЭМ поля - генератора переменного тока. Перечислим основные преимущества использования контролируемого источника:

 

  • Более стабильный сигнал и более качественные данные

  • Возможность произвольной ориентации профиля измерений

  • Более регулярный и управляемый спектр частот

  • Увеличение глубины исследования за счет возможности использования более низких частот

Иллюстрация указанных преимуществ приведена на рисунке 1. На левом графике приведены кривые зондирования с использований широковещательных радиостанций. На правом графике показаны кривые зондирования, выполненные на той же точке с использованием контролируемого источника в виде заземленного провода.

Кривые зондирования РМТ
Кривые зондирования РМТ-К

Рисунок 1. Сравнение кривых зондирования, полученных с использованием сигналов радиостанций (слева) и контролируемого источника (справа).

Типы источников
 

На сегодняшний день в методе РМТ-К используются два основных типа источников ЭМ поля:

  • горизонтальный магнитный диполь, ГМД (вертикальная рамка с током),

  • горизонтальный электрический диполь, ГЭД (заземленный провод). 

Первый вариант используется геофизиками в Швеции [Mehta et al., 2017]. Второй вариант используется геофизиками в России [Сараев и др, 2014].

Преимущества горизонтального магнитного диполя:

  • Компактность установки. Максимальный линейный размер петель ограничивается десятками метров.

  • Отсутствие заземлений. Можно работать на любой поверхности. Так же все параметры петли предсказуемы и настройка контура в резонанс довольно просто автоматизировать.

  • За счет подстройки контура в резонанс можно использовать маломощные лабораторные генераторы тока, работающие от батареи.

Недостатки горизонтального магнитного диполя:

  • Малое дальнодействие (до километра).

  • Сложность использования высоких частот (выше первых десятков килогерц) из-за увеличения реактивного сопротивления петли с ростом частоты. Индуктивность петли пропорциональная площади петли и квадрату числа витков. Но это является проблемой только в регионах с малым количеством радиостанций.

  • Компактность установки накладывает некоторые ограничения на длину профиля.

Преимуществам горизонтального электрического диполя:

  • Значительное дальнодействие - до 3-4 км.

  • Можно использовать даже высокие частоты (см рис. 1.).

  • Обычно длина провода составляет 500-1000 м, что позволяет проводить измерения на длинных профилях не перемещая источник.

Недостатки горизонтального электрического диполя:

  • Громоздкость аппаратуры. В этом случае мощный генератор питается от сети 220 В (или от бензогенератора). Для излучающей линии используются провода сечением от 3-4 мм. Обычно километр подобного провода весит 50-70 кг.

  • Необходимо устраивать кустовые заземления. Но это является проблемой только в случае линейных объектов исследования. При площадных исследованиях можно потратить несколько часов на установку генераторной линии и работать с ней хоть целую неделю.

Структура ЭМ поля контролируемого источника
 

В этом разделе кратко обсудим основные характеристики и особенности ЭМ поля контролируемого источника на примере горизонтального электрического диполя. Обсуждаемые здесь закономерности справедливы и для источников других типов. Рассмотрим особенности ЭМ поля на примере нормального поля для простой модели однородного полупространства с удельным сопротивлением 100 Ом*м и относительной диэлектрической проницаемостью 4. Будем рассматривать случай, когда источник и приемник находятся на границе раздела земля-воздух.

Предварительно стоит определиться с терминологией. Электромагнитное поле очень разнообразно и сложно взаимодействует с геологической средой. Именно поэтому конкретика и осмысленность в используемых нами терминах очень важна во избежание путаницы и недоразумений. 

Здесь нам понадобится выражение для квадрата волнового числа ЭМ волны:

 
Волновое число

Все обозначения известные: w - круговая частота, m - абсолютная магнитная проницаемость, e - абсолютная диэлектрическая проницаемость, s - проводимость, i - мнимая единица. Здесь же напомним соотношение между длиной волны и волновым числом:

Длина волны

Итак, выпишем некоторые важные понятия, которые будем использовать здесь и далее.

  • Ближняя зона - пространственно-частотная область, в которой ЭМ поле ведет себя аналогично полю постоянного тока.

  • Дальняя зона - пространственно-частотная область, в которой ЭМ поле ведет себя аналогично полю плоской вертикально падающей волны.

  • Промежуточная зона - пространственно-частотная область, находящая между ближней и дальней зонами, в которой ЭМ поле зависит от многих параметров: типа источника, частоты, положения относительно источника, электромагнитных параметров среду и т.д.

  • Квазистационарная зона - пространственно-частотная область, в которой ЭМ поле распространяется "мгновенно", а именно, длина волны в воздухе много больше расстояния от источника до приемника.

  • Волновая зона - пространственно-частотная область, в которой длина ЭМ волны сравнима, либо меньше расстояния от источника до приемника и необходимо учитывать токи смещения в воздухе и "эффект запаздывания" (propagation effect).

  • Низкочастотное поле - ЭМ поле, частота которого настолько низкая, что плотность токов смещения в земле много меньше плотности токов проводимости в земле и диэлектрической проницаемостью горных пород можно пренебречь.

  • Высокочастотное поле - ЭМ поле, частота которого настолько высокая, что плотность токов смещения в земле сравнима с, либо больше плотности токов проводимости в земле и необходимо учитывать диэлектрическую проницаемостью горных пород на ряду с проводимость.

Здесь стоит акцентировать внимание на следующие нюансы.

  1. Дальняя и волновая зоны - это не одно и тоже. В дальней зоне первичное поле в земле пренебрежимо мало в виду теплового рассеяния и имеет место только первичное поле в воздухе. Из-за огромного контраста проводимости воздуха и земли, поле в землю проникает под прямым углом к границе раздела (вертикально падающая волна). При этом основное значение здесь играет проводимость земли. При разделении поля на квазистационарную и волновую зоны основное значение имеет соотношение длины ЭМ волны к расстоянию источник-приемник (произведение модуля волнового числа и расстояния). Как правило длина волны оценивается в непроводящем воздухе..

  2. Квазистационарное и низкочастотное поле - это не одно и тоже. Квазистационарное поле - это поле достаточно низкой частоты для того, чтобы можно было пренебречь конечность длины волны и ограниченностью скорости распространения ЭМ волны. В свою очередь низкочастотное поле - это поле достаточно низкой частоты для того, чтоб можно было пренебречь токами смещения по сравнению с токами проводимости. 

На этом закончим теоретический ликбез и приступим к наглядному демонстрированию особенностей ЭМ поля контролируемого источника.

Частотная область

Так как метод РМТ-К - это разновидность частотных зондирований, начнем с рассмотрения зависимости поля от частоты.

В электромагнитной геофизике принято делить электромагнитное поле на ближнюю, промежуточную и дальнюю зоны. На рисунке 2 приведена иллюстрация того, по каким признакам ведется такое разделение. Обсудим их немного подробнее. В ближней зоне ЭМ поле не зависит от частоты и фаза отдельных компонент равна нулю (относительно фазы тока в источнике). Соответственно, разность фаз отдельных компонент так же равна нулю. Это соответствует полю постоянного тока. В промежуточной зоне зависимость поля от частоты в общем случае довольно сложная и не описывается элементарными функциями. В дальней зоне фаза компонент поля так же, как и амплитуда электрического поля не зависит от частоты. Магнитное поле с разной скорость убывает с частотой в зависимости от направления компоненты. Но самое главное свойство дальней зоны - это равенство кажущегося сопротивления удельному сопротивлению полупространства, а фазы импеданса 45 градусам. Аналогично плоской вертикально падающей волне - базовой модели магнитотеллурики. То есть, в дальней зоне контролируемого источника любого типа мы можем аппроксимировать поле плоской вертикально падающей волной и использовать хорошо разработанные алгоритмы обработки и инверсии магнитотеллурических зондирований.   

 
Нормальное поле ГЭД
Нормальное поле ГЭД
Нормальное поле ГЭД
Нормальное поле ГЭД

Рисунок 2. Общая структура нормального поля горизонтального электрического диполя.

При практическом разделении ЭМ полня на ближнюю, промежуточную и дальнюю зоны обычно используют величину скин-слоя ЭМ волны в проводящей земле d:

Толщина скин-слоя

В этом случае общепринятая классификация следующая [Zonge and Hughes, 1991]. Оценочное положение граница ближней и промежуточной зоны проводится по значению 0.1d. Оценочное положение границы промежуточной и дальней зоны проводится по значению 4d для экваториальной области горизонтального электрического диполя и 5d для осевой области горизонтального электрического диполя. Важно отметить, что эти значения справедливы для кажущегося сопротивления и годятся для проектирования размещения источника перед экспериментом. Для фазы импеданса положения границы промежуточной и дальней зон будет дальше примерно на величину скин-слоя d (см. рисунок 2).

Волновая зона характеризуется довольно резким увеличением амплитуды компонент ЭМ поля и уменьшением из фазы относительно фазы тока в источнике. Важно отметить, что на рисунке 2 приведен случай расстояния источник-приемник всего 500  м. В этом случае граница волновой и квазистационарной зоны соответствует частоте примерно 50 кГц. Это значит, что при работе методом РМТ-К Вы практически всегда имеете дело с волновым полем на высоких частотах и квазистационарным полем на низких частотах. Важным свойством волновой зоны является равенство поверхностного импеданса поверхностному импедансу в квазистационарном случае. Это позволяет использовать не модифицированные программы инверсии магнитотеллурических зондирований. Однако, это равенство не выполняется для отношения вертикального магнитного поля к горизонтальному.

 

Пространственная область

Теперь рассмотрим зависимость компонент ЭМ поля горизонтального электрического диполя от расстояния. На рисунке 3 приведены зависимости амплитуды компонент Ex и Hy для осевой и экваториальной областей горизонтального электрического диполя.

Дальняя зона, воновая зона ГЭД
Дальняя зона, воновая зона ГЭД

Рисунок 3. зависимости амплитуды компонент Ex и Hy для осевой и экваториальной областей горизонтального электрического диполя. 1 - ближняя и промежуточная зоны, 2 - дальняя зона, 3 - квазистационарная зона, 4 - волновая зона.

В ближней зоне электрическое поле Ex (вдоль момента источника) убывает пропорционально кубу расстояния. Магнитное поле Hy убывает пропорционально квадрату расстояния. В дальней зоне и электрическое, и магнитное поле убывает пропорционально кубу расстояния. При этом, в дальней зоне амплитуда горизонтального электрического и магнитного поля на оси источника в два раза меньше, чем в экваторе. В волновой зоне на оси горизонтального электрического диполя электрическое и магнитное поле убывает медленнее - пропорционально квадрату расстояния. В экваториальной области источника электрическое и магнитное поле убывает еще более медленно - пропорционально первой степени расстояния. Это приводит к изменению диаграммы направленности горизонтального электрического диполя при переходе от квазистационарной области к волновой. В квазистационарной зоне максимум напряженности поля приходится на экваториальную область горизонтального электрического диполя, а в волновой зоне - на осевую область. В качестве иллюстрации, на рисунке 4 приведена диаграмма направленности горизонтального электрического поля вокруг горизонтального электрического диполя на различных расстояниях.

Рисунок 4. Диаграммы направленности горизонтального электрического поля Ех вокруг горизонтального электрического диполя с частотой тока 100 кГц на различных расстояниях. Расстояние 0.3 км соответствует квазистационарной зоне, расстояние 2 км - волновой зоне. Диполь расположен в центре диаграмм.

Диаграмма направленности ГЭД
Диаграмма направленности ГЭД
Диаграмма направленности ГЭД
Рекомендации
 
  1. Работа в дальней зоне может быть спроектирована на основании модельных соотношений. Для горизонтального электрического диполя граница дальней зоны расположена на расстоянии 4 скин-слоев в экваторе источника и 5 скин-слоев на его оси.

  2. Низкие частоты (квазистационарное поле) лучше измерять в экваторе горизонтального электрического диполя, а высокие (волновое поле) - на его оси.

  3. Измеряя импеданс в волновой зоне можно использовать программы инверсии для квазистационарного поля.

Литература
  1. Zonge K.L., Hughes L.J. Controlled source audio-frequency magnetotellurics. Electromagnetic methods in applied geophysics. V.2 - Applications. Series: Investigations in geophysics, No 3, 1991, P. 713-809.