Метод РМТ. Как это работает?
В этом разделе:
Место метода РМТ в геоэлектрике
Современный вариант метода радиомагнитотеллурических зондирований (РМТ) представляет собой разновидность частотных электромагнитных зондирований. В методе РМТ используются электромагнитные поля в диапазоне частот 10-1000 кГц. При использовании контролируемого источника поля (модификация РМТ-К) частотный диапазон расширяется до 1-1000 кГц. Таким образом, по частотному диапазону и по интервалу исследуемых глубин метод РМТ занимает промежуточное положение между георадилокацией и аудиомагнитотеллурическими зондированиями (рис. 1).
Рисунок 1. Частотный диапазон и интервал глубин исследования в методе РМТ.
Источник ЭМ поля
В методе РМТ используются поля широковещательных радиостанций различного назначения. Например, к таким радиостанциям относится советско-российская система радионавигации РСДН-20 Так же в частотный диапазон метода РМТ попадают различные радиосигналы точного времени: радиостанция Маяк, работающая на частотах 549, 576 КГц, радиостанция точного времени во Франкфурте (77.5 кГц). Местоположение некоторые из таких радиостанций можно найти на этой карте. Наиболее известные и мощные радиостанции СДВ диапазона (10-30 кГц) с ориентировочными зонами покрытия показаны на следующем рисунке 2.
Рисунок 2. Наиболее мощные радиостанции СДВ диапазона по [McNeill and Labson 1991]
Большинство радиостанций имеют конструкцию, близкую в вертикальному электрическому диполю (рис. 3). В нормальном поле ВЭД имеются только три компоненты: вертикальная компонента электрического поля Ez, радиальная компонента электрического поля Er, направленная на источник, и азимутальная компонента магнитного поля Hj, описывающая горизонтальные концентрические окружности вокруг источника. При этом, информацию об электропроводности горных пород и грунтов несут только компоненты Er и Hj. Отсюда вытекает простое правило: при измерении ЭМ поля необходимо ориентировать приемную электрическую антенну по направлению на радиостанцию, а магнитную антенну ортогонально этому направлению. Разумеется, допускается некоторое отклонение ориентации приемных антенн от пеленга на радиостанцию (обычно ±30°).
Рисунок 3. Фото антенны радиопередатчика системы СДВ навигации Омега,
Цусима, Япония.
На практике измерения как правило проводятся на значительном удалении от радиостанций. В этом случае поле радиостанции можно аппроксимировать плоской вертикально падающей волной. Это одна из самых простых моделей в геоэлектрике (так же используется в методе МТЗ), для которой разработано множество алгоритмов обработки и инверсии данных. Расстояние от источника поля, начиная с которого допустима аппроксимация плоской волной называют границей дальней зоны. Для однородного полупространства в случае вертикального электрического диполя граница дальней зоны соответствует расстоянию, равному 1.5d, где d - толщина скин-слоя ЭМ волны в нижнем проводящем полупространстве:
Здесь, как обычно, r - удельное сопротивление полупространства в Ом×м, f - частота в Гц. Получаемое значение толщины скин-слоя выражена в метрах. Самая низкая частота радиостанций составляет 11-12 кГц. Например, для удельного сопротивления порядка 100000 Ом×м, граница дальней зоны будет располагаться на расстоянии около 2300 м от радиостанции. При условно нормальном удельном сопротивлении пород в 1000 Ом×м граница дальней зоны располагается на расстоянии порядка 230 м от радиостанции. Поэтому можно смело предполагать, что измерение полей радиостанций всегда выполняется в дальней зоне.
Измерение и обработка данных
Современные регистраторы для метода РМТ имеют пять каналов синхронной записи: два для горизонтальных компонент электрического поля Ex и Ey и три для магнитных компонент поля Hx, Hy, Hz (рис. 4).
Рисунок 4. Пятиканальный регистратор РМТ-5 в полевых условиях.
Так как заранее нам не известен спектр радиостанций, доступных для регистрации (а так же режим их работы и т.д.), измерения производятся во временной области без какой-либо привязки к источнику поля. Необходимо лишь обеспечение синхронности записи по всем входным каналам регистратора. Ввиду высоких частот поля (10-1000 кГц) измерение длится несколько секунд или меньше. Полученные временные ряды переводятся в частотную область с помощью оконного преобразования Фурье. Пример получаемого спектра приведен на рисунке 5.
Рисунок 5. Пример спектров мощности в электрическом и магнитном каналах и двухканальной когерентности между ними
Как видно из рисунка 5, в спектре обычно присутствует множество различных узкополосных сигналов. Тем не менее только некоторые из них являются сигналами радиостанций. При этом только некоторые из этих сигналов радиостанций пригодны для дальнейшей обработки: пеленги на них лежат в допустимом секторе относительно приемных антенн (см. выше).
Таким образом необходимы критерии, по которым будет проводиться выбор подходящих сигналов.
Черный график вверху рисунка 5 - спектр квадрата когерентности между сигналами Ex и Hy. В данном случае квадрат когерентности - мера линейности связи между двумя процессами. Нулевая когерентность указывает на отсутствие связи между процессами в канале Ex и Hy на рассматриваемой частоте. Когерентность, близкая к единице указывает на то, что процессы в канале Ex и Hy линейно связаны и являются частью единой ЭМ волны. Таким образом квадрат когерентности является первым критерием выделения сигналов радиостанций.
Второй критерий - пеленг на радиостанцию относительно приемных антенн. Как мы уже говорили, нормальное поле радиостанции описывается полем вертикального электрического диполя, имеющим линейную поляризацию в горизонтальной плоскости. Эллипс поляризации имеет три основных параметра: величина большой полуоси a, величина малой полуоси b, и угол поворота большой полуоси q относительно условной оси (например, направление антенны Hx). Угол q` = q + p/2 совпадает с направлением на радиостанцию (с точностью до p). Сравнивая полученные углы ориентации эллипсов поляризации с направлениями приемных антенн можно выделить радиостанции, пеленг на которые соответствует направлению антенны Ex либо Ey.
Таким образом из всего спектра частот останется лишь несколько десятков (при благоприятных условиях), несущих информацию о геоэлектрическом разрезе. Теперь обсудим параметры ЭМ поля, по которым определяется удельное сопротивление горных пород и грунтов.
Так как мы ничего не знаем о моменте источника, необходимо оперировать параметрами, независимыми от него. Очевидным выбором является отношение компонент ЭМ поля. В методе МТЗ уже разработана подобная методика и теория. В методе РМТ все аналогично.
Как и в методе МТЗ, основная характеристика ЭМ поля, анализируемая в методе РМТ - компоненты тензора поверхностного импеданса Zxy = Ex/Hy и Zyx = Ey/Hx. Компоненты поверхностного импеданса - комплексные величины, имеющие модуль и фазу. Модуль, или амплитуда импеданса как правило пересчитывается в кажущееся сопротивление:
Здесь ra - кажущееся сопротивление (от английского apparent), w - круговая частота, m0 - магнитная проницаемость вакуума.
В результате вычисления импеданса на каждой из выделенных частотах получают кривые зондирования: кажущееся сопротивление и фаза импеданса в зависимости от частоты. Пример кривых зондирования показан на рисунке 6.
Рисунок 6. Пример кривых зондирования методом РМТ
Глубина исследования
В методе РМТ глубина исследования зависит от толщины скин-слоя ЭМ волны в изучаемом массиве горных пород. Толщина скин-слоя - это расстояние, за которое ЭМ поле уменьшается в e (2.718) раз. Повторим еще раз выражение для толщины скин слоя в однородном полупространстве:
Глубина исследования зависит как от частоты поля, так и от удельного сопротивления изучаемой среды. Наименьшая частота существующих широковещательных радиостанций составляет 11-12 кГц. Если на изучаемой площадке представлены преимущественно глинистые породы с удельным сопротивлением порядка 10 Ом×м, то в этом случае не стоит рассчитывать на глубину исследования больше 15-20 метров. Напротив, если работы выполняются в районе, сложенном кристаллическими породами с удельным сопротивлением порядка 1000-10000 Ом×м, глубина исследования может достигать сотен метров.