Способ электромагнитного зондирования земной коры с использованием нормированных источников поля

 

Использование: в области геофизики для глубинного электромагнитного зондирования земной коры с применением техники СНЧ-радиосвязи. Сущность изобретения: возбуждение зондирующего сигнала осуществляют СНЧ-радиоустановкой, включающей два радиопередающих модуля - генератора синусоидального тока, которые нагружают на протяженные, низко расположенные, горизонтально ориентированные и заземленные на концах антенны, а возбуждение волн в волноводе земля - ионосфера проводят с помощью эквивалентной магнитной рамки площадью, равной произведению длины проводника на уменьшенную в раз толщину скин-слоя в земле. 3 ил.

Настоящее изобретение относится к области электроэнергетики, а именно к технике связи СНЧ-диапазона, и может быть использовано для глубинного электрического зондирования земной коры.

В настоящее время широко известны разнообразные географические способы исследования земной коры и верхней мантии. Электромагнитное зондирование верхних слоев земной коры дает возможность получить сведения о геоэлектрическом разрезе, т.е. распределении электропроводности по глубине. Сведения о распределении электропроводности являются по существу одним из немногих доступных источников информации о распределении температуры в земных недрах и в связи с этим имеют важное значение для краткосрочного прогноза землетрясений, поскольку изменение электропроводности земной коры в районе потенциальных очагов землетрясений, как правило, расположенных на больших глубинах, является прогностическим признаком землетрясения.

Известно, что самые глубокие скважины проникли в тело Земли пока только на 7-8 км. Есть и сейсмические способы зондирования. Излучение характера распространения колебаний, рожденных землетрясениями, дает много ценных сведений о земной коре. Но этот способ исследования пассивный, наблюдательный. Надо ждать землетрясения, заранее неизвестного, когда и где возникнет.

Аналогом заявляемого способа является способ сейсмической развертки [1] Этот способ заключается в возбуждении зондирующего сигнала и многоканального приема отраженных и дифрагированных волн от объектов, обработке с проведением селекции волн по направлениям прихода и отображением результатов в виде размеров параметров на плоттере, при этом регистрацию волн осуществляют приемной установкой, включающей по крайней мере три геофона, расположенных по двум осям X, Y декартовой системы координат и симметричных относительно геофона, расположенного в центре приемной установки, совмещенном с точкой размещения излучателя зондирующего сигнала, для каждого цикла излучение - прием на участке работ проводят корреляционную обработку с вычислением времени прихода волн от одноименных объектов развертки и определяют условные координаты объекта отражения и скорость v звука в среде из соответствующих соотношений, а полученные условные координаты пересчитывают в их абсолютные значения, связанные с участком работ, и запоминают совместно с данными о скорости звука, координатами центра приемной установки, при этом при перемещении последней на определенный шаг цикл излучение прием повторяют, амплитуды волн, зарегистрированных от объектов с одинаковыми абсолютными координатами, алгебраически суммируют, а после завершения работ на участке на плоттер выводят сечение амплитуды волн в координатах объектов отражения и локальных скоростей звука.

Недостатками такого способа является то, что сейсмические волны приносят сведения только об упругих, механических свойствах вещества. Зондирующий сигнал является искусственным и значительно ослабляется с глубиной проникновения. Этот способ использует приближенные методы интерпретации, что приводит в ряде случаев к низкой достоверности результатов зондирования.

Прототипом заявляемого способа является способ глубинного электромагнитного зондирования с применением импульсных МГД-генераторов [2] Принцип использования МГД-генераторов заключается в том, что при протекании плазмы через поперечное магнитное поле в нем генерируется ток, а вместо нагрузки используется Земля, при этом в качестве генератора плазмы служит пламя пороховых зарядов.

Способ основан на измерении различных компонентов электромагнитного поля, измеряемого горизонтальным электрическим или вертикальным магнитным диполем, расположенным на небольшом удалении от точки измерения. Информация о геоэлектрическом разрезе содержится в амплитуде и фазе принимаемых сигналов и выделяется тем или иным способом при последующей обработке.

Способ позволяет получать с достаточной точностью на небольших глубинах только малые фрагменты кривых частотного зондирования, которое соответствуют первым гармоникам спектров частот и большим отношениям сигнала к помехе. В целом по кривой частотного зондирования погрешность определенная ρ_к может достигать 10-15% и более.

Способ использует приближенные методы интерпретации, что приводит к низкой достоверности результатов зондирования.

Следует отметить и такую особенность работы МГД-генератора, как неповторяемость формы импульсов тока в источнике при "горячем" пуске. В результате существенно снижается возможность использования данного источника для режимных наблюдений за вариациями удельного сопротивления при мониторинге сейсмотектонических процессов. К тому же устройства возбуждения зондирующего сигнала с помощью МГД-генераторов являются громоздкими и дорогостоящими.

Известные способы возбуждения зондирующих сигналов применяются лишь для поверхностного исследования земной коры.

Целью изобретения является снижение себестоимости разведки, а также геофизической эффективности путем использования диапазона сверхнизких частот и нормированных источников поля.

Поставленная цель достигается тем, что в способе электромагнитного зондирования земной коры, включающем возбуждение зондирующего сигнала и прием отраженных волн, обработку их по направлением прихода и отображение их результатов, возбуждение зондирующего сигнала осуществляют СНЧ-радиоустановкой, включающей два радиопередающих модуля генератора синусоидального тока, которые нагружают на протяженные, низко расположенные, горизонтально ориентированные и заземленные на концах антенны по типу линии электропередач постоянного тока, расстояние между которыми выбирают порядка десяти километров, а возбуждение волн в волноводе земля ионосфера проводят с помощью эквивалентной магнитной рамки площадью, равной произведению длины проводника на уменьшенную в раз толщину скин-слоя в земле, причем рабочие заземлители каждой из антенн выбирают длиной, равной одному километру, которые заглубляют до 0,5 м, при этом приемо-регистрирующие пункты размещают в районах, где по условиям распространения радиоволн осуществляется регистрация излучения, создаваемого СНЧ-радиоустановкой.

Структурная схема предлагаемого способа приведена на фиг. 1 и состоит из двух радиопередающих модулей РПМ 1, РПМ 2, нагруженных по типу линий электропередач на напряжение 110 кВ. Длина антенн РПМ 1 и РПМ 2 составляет 60 км, а расстояние между ними порядка 10 км. Рабочие заземлители 2 каждой из антенн 1 состоят из решеток эквидистаных стальных полос длиной 1 км, заглубленных на 0,5 м. Площадь заземлителей 2 составляет один квадратный километр, а их сопротивление колеблется от 3 до 6 Ом в зависимости от места их расположения. Каждый из модулей РПМ 1 и РПМ 2 имеет в своем составе тиристорный генератор 3 и емкостное согласующее устройство 4, предназначенное для компенсации индуктивной составляющей входного сопротивления антенн 1, добротность которых лежит в пределах от 5 до 7. Мощность генераторных установок 3 позволяет развивать токи в антеннах 1 до 330 А. Форма тока синусоидальная. Диапазон рабочих частот: единицы, десятки или сотни Гц. СНЧ-радиоустановка функционирует в двух режимах. В первом излучение осуществляется одним из модулей РПМ, тогда как другой находится в резерве. Во втором оба модуля работают синфазно в режиме сложения мощностей в пространстве. При этом напряженность поля в точке приема удваивается.

Антенна 1 СНЧ-радиоустановки возбуждает электромагнитное поле в канале земля ионосфера подобно горизонтальному магнитному диполю, вертикальный размер которого определяется величиной скин-слоя в подстилающем полупространстве (фиг.2).

Эффективная площадь рамки определяется выражением S = l·δ. Например, на частоте порядка 30 Гц это 55 км линейный размер и 10 км величина скин-слоя, эффективный магнитный момент порядка 1,5·10¹¹ А/м². Если провод расположить над землей с проводимостью 10^-4 Сим/м, то на частоте 50 Гц высота эквивалентной рамки составляет 5 км. При длине провода 50 км площадь рамки будет равна 250 км². Построить обычную рамочную антенну такой площади невозможно.

Электромагнитное поле в волноводе земля ионосфера распространяется с крайне низким затуханием порядка полтора децибела на 1000 км. Кроме того, СНЧ-антенна обеспечивает устойчивую связь, которая не зависит от магнитных бурь, от состояния ионосферы, рельефа дневной поверхности. Обеспечивается возможность просвечивать глубины до низов земной коры, т.е. до 70 км и более, где расположены, как правило, очаги всех разрушительных землетрясений.

Регистрация же излучения, создаваемого СНЧ-радиоустановкой, осуществляется с помощью измерительного комплекса "БОРОК" ОИФЗ РАН. Такой комплекс представляет собой совокупность датчиков геофизических величин, измерительных усилителей и аналоговых фильтров, системы регистрации и службы времени.

Измерение осуществляется по методу аудиомагнитотеллурического зондирования (АМТЗ). Этот метод основан на изучении естественного электромагнитного поля Земли и применяется при решении структурных геологических задач, для обнаружения разрывных нарушений, исследования степени неоднородности массивов горных пород по удельному электрическому сопротивлению, поисков глубоко залегающих рудных тел. Наблюденное на земной поверхности естественное переменное электромагнитное поле, которое состоит из электрического поля E теллурических токов и магнитного поля Земли H, получило название магнитотеллурического поля.

Рассмотрим возбуждение электромагнитных волн горизонтальными источниками, в частности СНЧ-радиоустановкой.

Ключевой задачей для понимания механизма возбуждения электромагнитных полей горизонтальными низкорасположенными антеннами является задача о поле горизонтального электрического диполя, расположенного на границе двух сред (фиг.3). Ее строгое решение для электрической и магнитной составляющих в цилиндрической системе координат может быть представлено с помощью известных интегралов Зоммерфельда в виде где I₀(x) функция Бесселя нулевого порядка; P электрический момент диполя; K₀, K волновые числа в воздухе и земле; r,ω,z координаты точки наблюдения; ф/м диэлектрическая проницаемость вакуума.

Известно что для интегралов Q, G, j получены замкнутые выражения в терминах обычных и неполных цилиндрических функций, удобные для получения приближенных представлений полей при произвольных удалениях источников от точки наблюдения. В частности, для случая, когда выполняются условия т. е. удаление приемника превышает величину скин-слоя в земле, справедливы следующие выражения:
Отметим, что второе из приведенных условий выполняется в диапазонах СНЧ всегда. Подставляя (2) в (1) для соответствующих E_z, H_r, H_Ψ получим следующие выражения:

Сравнивая полученные выражения с составляющими поля горизонтального магнитного диполя, лежащего на идеально проводящей плоскости и ориентированного вдоль оси Y, легко убедиться в их полной эквивалентности, если момент последнего будет определятся выражением

Составляющие поля E_r, E_y, как в этом можно убедится, подставляя (2) а (1), оказываются связанными с H_z, H_y условиями Леонтовича:
E_r= -zH_ϕ E_ϕ= zH₂ (5)
где Z нормальный импеданс поверхности Земли.

Решение задачи о возбуждении полупространства при задании импедансных граничных условий приводит к аналогичному выводу с той лишь разницей, что отношение τ в формуле (4) заменяется величиной приведенного поверхностного импеданса, , где Z₀ 1120 π Ом импеданс свободного пространства. Последнее обстоятельство позволяет обобщить выражение (4) на случай многослойного полупространства под антенной системой, что и имеет место в действительности. На основании выражения (3) можно получить оценку эффективности электропроводности Земли в районе размещения антенной системы, если измерение полей проводить в точках с незначительным влиянием неоднородностей геосреды. Естественно при этом необходимо учитывать конечные результаты антенны путем интегрирования (3) вдоль длины, а также ограничится удалениями, исключающими влияние ионосферы. Решение задачи о возбуждении волновода Земля ионосфера допускает весьма существенное упрощение - проводимость земной поверхности полагается бесконечной, а реальная антенная система заменяется магнитным диполем, момент которого определяется формулой (4). Отсюда можно сделать вывод, что реальные магнитные моменты СНЧ-радиоустановки достигают величины порядка 1-3· 10¹¹ A·м². В диапазоне КНЧ их величина может быть существенно больше в связи с увеличением величины скин-слоя в земле.

Технико-экономическая эффективность.

Использование предлагаемого способа электромагнитного зондирования земной коры с использованием нормированных источников поля позволяет
с минимальными затратами исследовать большие территории земной коры, сохраняя высокую точность и воспроизводимость результатов(стоимость излучения на конец 1995 г. около 20 тысяч рублей на один сеанс длительностью 5 мин);
обеспечивает достаточную глубинность исследования разреза для исключения влияния мешающих сезонных факторов и излучения наиболее представительных и помехоустойчивых интегральных характеристик больших объемов пород с регистрацией наиболее заметных изменений r пород в областях, приближенных к очагам готовящихся землетрясений;
высокую точность измерений, которая не зависит от времени года, времени суток, погодных условий, что позволяет рассматривать ее как оптимальное средство для проведения долговременных круглогодичных наблюдений и мониторинга сейсмотектонических процессов;
обнаружение разрывных нарушений, исследование степени неоднородности массивов горных пород по удельному электрическому сопротивлению, поисков глубоко залегающих рудных тел.

Формула изобретения

Способ электромагнитного зондирования земной коры с использованием нормированных источников поля, заключающийся в возбуждении зондирующего сигнала и многоканального приема отраженных волн, их обработке по направлениям прихода и отображения их результатов, отличающийся тем, что возбуждение зондирующего сигнала осуществляют СНЧ-радиоустановкой, включающей два радиопередающих модуля-генераторов синусоидального тока, которые нагружают на протяженные низкорасположенные, горизонтально ориентированные и заземленные на концах антенны, по типу линии электропередач постоянного тока, расстояние между которыми выбирают порядка десяти километров, а возбуждение волн в волноводе земля-ионосфера проводят с помощью электромагнитной рамки с площадью, равной произведению длины проводника на уменьшенную в раза толщину скин-слоя в земле, причем рабочие заземлители каждой из антенн выбирают длиной, равной одному километру, которые заглубляют до 0,5 метра, при этом приеморегистрирующие пункты размещают в районах, где по условиям распространения радиоволн осуществляется регистрация излучения, создаваемого СНЧ-радиоустановкой.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3