Яновский Б.М. Земной Магнетизм. Том 2

Подождите немного. Документ загружается.

Методы аналитического продолжения

211

Получив распределение Ζ на разных уровнях ниже поверх-

ности Земли, можно построить систему изолиний, которые и

дадут возможность определить форму и глубину залегания по-

роды. На рис. 91 даны кривые Ζ, построенные Н. В. Страховым

на двух уровнях Λι и Л

по наблюденной кривой Ζ на нулевом

Рис. 91. Распределение Ζ на различных уровнях

построения изолиний.

уровне h

одного из районов Курской аномалии, где одновре-

менно показаны изолинии Z, построенные по этим данным. Как

видно, изолинии сходятся в четырех точках, что указывает на

наличие двух пластов залегающей породы, для которых легко

определяется и мощность и глубина их залегания.

Приведенные автором определения глубины залегания поро-

ды на одном из участков той же аномалии различными метода-

ми дали следующие результаты (в м) :

14*

212

Методика интерпретации

[Гл.

Способом В. К. Пятницкого 370

Способом Б. А. Андреева 400

По способу палеток . 350

По методу автора путем проведения

изолиний . . 480

По данным бурения

450—480

Эти данные показывают, насколько метод В. Н. Страхова

дает более близкие результаты к действительности по сравне-

нию с теми, которые были рассмотрены выше.

ГЛАВА VII

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЕСТЕСТВЕННЫХ МАГНИТНЫХ

ВАРИАЦИЙ ДЛЯ ЦЕЛЕЙ РАЗВЕДКИ

§ 1. Магнитотеллурический метод разведки

Вариации магнитного поля Земли, наблюдаемые на земной

поверхности, являются следствием переменных токов, циркули-

рующих в высоких слоях атмосферы, и представляют лишь

одну из компонент электромагнитного поля, возбужденного эти-

ми токами. Вторую компоненту — вариации электрического

поля мы не обнаруживаем лишь потому, что воздушная среда,

в которой устанавливаются приборы для регистрации магнит-

ных вариаций, является непроводящей.

Обычные методы измерения напряженности электрического

псля Ε или электрической разности потенциалов U основывают-

ся на измерении тока проводимости / под действием U; поэтому,

чтобы обнаружить Е, необходимо наличие проводящей среды.

Такой средой является земная кора, которая в верхних своих

частях может иметь удельную проводимость σ порядка

—10

СГС,

что соответствует в системе МКСА Ю

-3

—10

-1

ом~

-м~

Из уравнений Максвелла вытекает, что отношение амплитуд

электрического и магнитного вектора при любой частоте коле-

баний электрического поля в пустоте равно единице, если Ε и Η

измерять в системе СГС.

Поэтому для минимальной величины вариации магнитного

ноли, наблюдаемой современными приборами, а именно:

0,001γ=10

-8

э, вариация электрического поля составляет

0,001 СГС, или в системе МКСА 3· 10~

в/м — величина, которая

при наличии токов проводимости легко могла бы быть изме-

ренной.

Вследствие этого ниже земной поверхности компоненту Ε

всегда можно наблюдать, заземляя два электрода на расстоя-

ниях нескольких десятков или сотен метров и соединив их через

гальванометр.

Так как Ε пропорционально σ, то вариации Е, наблюдаемые

в различных точках земной поверхности, будут зависеть отэлек-

214

Использование магнитных вариаций

[гл.

VII

трических свойств породы, а ввиду функциональной связи меж-

ду H и Е, вариации H также будут функциями электрических

параметров породы. Отсюда вытекает возможность обратной

задачи — нахождения электрических параметров пород по

одновременным наблюдениям вариаций H и Е. Такой метод

определения этих параметров получил название магнитотеллу-

рического метода разведки. При этом магнитотеллурический

метод имеет две разновидности: профилирование (МТП) и

зондирование (МТЗ).

ПРИ

JÂTIl наблюдения вариаций H

и Ε производятся.в узком диапазоне частот, не выше ΙΟ

-1

гц и

не ниже 1СН гц в нескольких точках, расположенных друг от

друга по определенному профилю и на определенном расстоя-

нии. При МТЗ наблюдения ведутся в одной лишь точке, но в

широком диапазоне частот от 10

до Ю

-4

гц.

Теоретические предпосылки методов МТП и МТЗ были раз-

виты в работах Л. Каньяра [92], А. Н. Тихонова [70] и Н. В. Лйп-

ской [39].

В основе теории этих методов лежит допущение, что электро-

магнитное поле, создаваемое ионосферными токами, достигает

земной поверхности в виде плоской волны, направленной по

нормали к поверхности.

Допущение о плоском характере волны осйовывается на том,

что источник электромагнитного поля находится на сравнитель-

но большом расстоянии по сравнению с размерами района, где

проводятся наблюдения. Нормальность же падения оправды-

вается в первом приближении большой проводимостью земной

поверхности по сравнению с воздухом, так как при любом угле

падения волна внутри земли должна иметь направление, близ-

кое к нормали.

Практическое применение магнитотеллурических методов

разведки профилирования и зондирования (МТП и МТЗ) дол-

гое время отставало от их теоретической разработки. Причиной

этого явились трудности, стоящие на пути регистрации корот-

копериодных колебаний (КПК) геомагнитного поля.

Развитие и практическое осуществление идей, лежащих в

основе магнитотеллурических методов разведки, стали возмож-

ными благодаря созданию в

1956—1958

гг. на кафедре физики

земной коры ЛГУ высокочувствительного короткопериод-

ного магнитометра, пригодного для работы в экспеди-

ционных условиях [10]. Этот магнитометр обеспечивает точность

измерений порядка 0,02 γ и позволяет регистрировать КПК

с периодами от 1 до 600 сек.

Подобная чувствительность и диапазон регистрируемых пе-

риодов колебаний геомагнитного поля вполне достаточны для

практического осуществления более простого метода разведки—

Магнитотеллурический метод разведки

магнитотеллурического профилирования. Необходимо отметить,

что методика наблюдений КПК геоэлектрического поля была

уже известна ранее и применялась в широко распространенном

методе теллурических токов [6].

Метод МТП состоит в наблюдении КПК магнитного и элек-

трического поля в точках, расположенных вдоль профиля, вы-

бираемого в соответствии с геологической структурой данного

района. В случае горизонтального залегания слоев азимут про-

филя может быть произвольным. При наклонном залегании

удобнее располагать его в направлении падения слоев.

Рис. 92. Блок-схема установки для магнитотел-

лурических наблюдений.

Установка для магнитотеллурических наблюдений методом

МТП состоит из двух заземленных электроизмерительных ли-

ний, четырехканального осциллографа (/), пульта-коммутатора

(2) и двух //-магнитометров (3) (рис. 92). Электроизмеритель-

ные линии располагаются взаимноперпендикулярно в произ-

вольном азимуте, магнитометры устанавливаются параллельно

электроизмерительным линиям в неглубоких ямах. Длина элек-

троизмерительных линий колеблется в пределах

400—500

м.

Заземлениями служат неполяризующиеся электроды.

Регулировка цены деления магнитоизмерительных и электро-

измерительных каналов производится с помощью пульта-комму-

татора. В пульте-коммутаторе вмонтированы также градуиро-

вочное устройство для подачи импульсов на каждый из измери-

тельных каналов в начале и конце записи и компенсатор поля-

ризации электродов. Марки времени подаются обычно через

5 сек с помощью контактных часов, установленных на пульте.

Длительность наблюдений КПК на одной точке обычно состав-

ляет 1—2 часа.

Типичная запись короткопериодных вариаций геоэлектриче-

216

Использование магнитных вариаций

[гл.

VII

choro

и геомагнитного полей, полученная на установке для МТП,

приведена на рис. 93.

Основной формулой МТП является формула для определе-

ния суммарной продольной проводимости S толщи

Рис. 93. Запись короткопериодных вариаций гео-

электрического Е

и Е

и геомагнитного Н

и Н

полей.

осадочных пород, лежащих на опорном горизонте высокого со-

противления:

(7.1)

где Τ — период наблюдаемой вариации, а р

;

— удельное сопро-

тивление опорного горизонта.

При этом S, И, Ε и ро должны быть выражены в единицах

СГС.

Если же Η измерять в гаммах, Ε—в мв/км, р

— в ом>м И

проводимость выражать в ом-

· м то предыдущее выражение

принимает вид:

(7.2)

§ M

Магннтотеллурический метод разведки

217

В формуле (7.2) второй член является поправочным, учиты-

вающим конечное сопротивление фундамента. Ниже будет по-

казано, что этот член обычно имеет незначительную величину и

может быть определен с невысокой степенью точности. При

= оо формула (7.2) преобразуется к виду:

(7.3)

Таким образом, при обработке записей КПК, полученных

на установке МТП, необходимо определить средние значения:

H—

в гаммах, Ε— в мв/км и удельное сопротивление опорного

горизонта р

в ом-м.

.Формула (7.2) справедлива лишь для случая слоистоодно-

родных сред. Для неоднородных сред, теория которых не разра-

ботана, эта формула применяется лишь условно, и при обработ-

ке магнито- и теллурограмм в ней под S понимают величину,

пропорциональную отношению полных векторов H и Е, т. е.

где значками х- л у обозначены значения амплитуд Я и £, на-

блюдаемые в двух взаимноперпендикулярных направлениях.

В качестве примера приводятся результаты обработки маг-

нитотеллурических записей в одном из пунктов Горьковской

области. В табл. 16 даны значения амплитуд и периодов КПК

для горизонтальных компонент электрического и магнитного-

полей, а также приводятся результаты вычисления отноше-

ния Е/Н.

Таблица 16

в сек

мв

КМ

£,

мв

км

Ну

в сек

мв

КМ

£,

мв

км

Ну

в сек

мв

КМ

£,

мв

км

в гаммах

0,83

1,41

1.65 0,93 0,67

0,15

1.42

0,36

2,85

1,80

1,24 0,52

0,33

1,35

29 1,8

2.01 2,8

1,42

1.5

2,05

1.36

0,95

1,13

1,47

0,80

0,74 1,09

1.35

0,71 1,10 1,30

0,85

0,64

1,06

1,23

18 0,95

0,31 0,99

0,36 0,74

0,82 1.20

Согласно таблице среднее значение отношения Е/Н равно-

1,31 ± 0,07, что дает по формуле (7.2) значение S = 600 ± 30 мо.

218

Использование

магнитных вариаций

[гл. VII

Для определения точного значения Ri — глубины залегания

опорного горизонта необходимо также ввести поправку на ко-

нечное сопротивление опорного горизонта рг. Определение этой

величины производится весьма приближенно.

Так, например, при S = 300 мо, Τ = 25 сек и р

= 100 ΟΜ·Μ

погрешность в определении рг на 500 ом

м вносит погрешность

при вычислении R

не превышающую 6%.

Рис. 94.

Кривая магнитотеллурического профилиро

вания

районе

Русской

платформы.

На практике значения рг находятся либо по данным карота-

жа скважин, либо по данным других электроразведочных работ,

проводимых в том же районе.

Для интерпретации данных МТП и определения глубины

залегания опорного горизонта Ri требуется дополнительная ин-

формация о среднем продольном сопротивлении pi вышележа-

щих отложений. Причем точность вычисления Ri пропорцио-

нальна точности нахождения р

что вытекает из самого опреде-

ления 5.

Значения pi при обработке данных МТП обычно получаются

тю результатам каротажа скважин или электроразведочных

работ, произведенных в этом же районе.

На рис. 94 приведен пример количественной интерпретации

данных магнитотеллурического профилирования по одному из

профилей в районе Русской платформы.

Магнитотеллурический метод разведки

219

Верхняя кривая представляет изменение продольной прово-

димости 5 вдоль профиля, найденной из непосредственных на-

блюдений. Нижняя кривая дает зависимость мощности толщи

осадочных пород вдоль этого же профиля, вычисленной по фор-

муле Ri=Sp

, причем значения 5 взяты из верхней кривой,

а р

было определено по геоэлектрическим параметрам трех

скважин, вскрывших кристаллический фундамент. Значение

среднего продольного сопротивления pi осадочной толщи на

участках между скважинами определялось путем интерполяции.

Полученные результаты хорошо согласуются с данными сей-

сморазведки, которые на нижней кривой отмечены крестиками.

В то время как магнитотеллурическое профилирование уже

внедряется в практику геологоразведочных работ, на пути прак-

тического осуществления идей магнитотеллурического зондиро-

вания (МТЗ) имеются трудности как методического, так и ап-

паратурного.порядка.

Метод МТЗ состоит в наблюдении КПК магнитного и элек-

трического поля в одной точке в течение некоторого времени

(до нескольких суток) с тем, чтобы зарегистрировать вариации

электромагнитного поля Земли в широком диапазоне частот

от 1ГГ"

до 10

сек. Такой большой диапазон необходим при ис-

следовании Земли до глубин в несколько сот километров. В слу-

чае зондирования лишь верхней части земной коры (до глубины

5—10 км) можно ограничиться записью вариаций с периодом

до

200—-300

сек.

Как указывалось выше, в настоящее время создана аппара-

тура, регистрирующая КПК геомагнитного поля с периодами до

1 сек. Имеются опытные образцы аппаратуры, с помощью ко-

торой производится запись вариаций в диапазоне частот от

100 до 1,0 гц [3], но нет аппаратуры для регистрации вариаций

в практически важном диапазоне частот от 1,0 до 0,1 гц.

В качестве примера приведем кривую МТЗ, полученную в

результате магнитотеллурических наблюдений в одном из райо-

нов Ярославской области (рис. 95) [11]. На этой кривой по оси

абсцисс в билогарифмическом масштабе отложена величина

УГ,

а по оси ординат — величина кажущегося сопротивления

в ом-м. Значение рг вычислялось по формуле

Построенная кривая магнитотеллурического зондирования

в пределах точности совпадает с теоретической кривой ρ = f(T)

для трехслойной структуры, первый слой которой имеет сопро-

тивление pi, во много раз большее, чем второй, рг, а третий, под-

стилающий, является непроводником, т. е. рз = °°.

220

Использование

магнитных вариаций

[гл.

VII

Поэтому, сопоставляя

ее с

теоретической кривой, можно

сделать некоторые выводы

об

электрическом разрезе данного

района.

Такое сопоставление приводит

следующим выводам.

Со-

противление

р2

лежит

пределах

от 1 до 1,6

ом>м,

общая

мощность первых двух слоев около

2700 м.

Следует, однако, отметить,

что расчленить однозначно толщу

первых двух слоев,

т. е.

опреде-

лить мощность

сопротивление

каждого слоя

отдельности,

не-

возможно

без

расширения

ча-

стотного диапазона регистрирую-

щей аппаратуры

область высо-

ких частот.

Поведение кривой

области

больших периодов,

именно:

в точке рг=85 ΟΜ·Μ

при Τ=2500,

где имеется максимум

можно

объяснить наличием

на

боль-

ших глубинах хорошо проводя-

щих слоев.

Из анализа теоретической

кривой (палетки)

для

такого слу-

чая было найдено,

что

проводящий слой (четвертый) лежит

на

глубине более

300 км.

Таким образом, опыт проведенных полевых наблюдений

по

казал,

что

магнитотеллурический метод зондирования может

с успехом применяться

на

практике

для

определения мощности

осадочных толщ

и их

расчленения.

Влияние вариаций

на

состояние намагниченности

горных пород

Изменения магнитного поля Земли

во

времени,

т. е. его ва-

риации, должны оказывать влияние

на

состояние намагничен-

ности горных пород, если намагниченность

их

вызвана дейст-

вием земного поля. Вопрос этот

был

теоретически

эксперимен-

тально исследован автором настоящего учебника

на

примере

Курской магнитной аномалии [79].

При изменении магнитного поля Земли будет меняться

на-

магниченность породы

/, а

следовательно,

величина состав-

ляющих

и Н

Поэтому, наблюдая

за

изменением аномаль-

ного поля, можно установить, насколько вариации земного поля

изменяют величину намагниченности пород,

и тем

самым

ре-

шить вопрос, является

ли

намагниченность остаточного

или ин-

Рис.

95.

Кривая

магнитотеллу-

ческого

зондирования.