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.

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:

 

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:

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.   

 

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:

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.

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.

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.

© 2020 by Arseny Shlykov