Исследование литосферы арктических островов электромагнитными методами

Размещено на http://www.allbest.ru/

Исследование литосферы арктических островов электромагнитными методами

В.А. Любчич, В.Ф. Григорьев, И.И. Демченко

Полярный геофизический институт, Мурманск, Россия.

Аннотация. Работа посвящена применению электромагнитных методов для изучения геологического строения малодоступных арктических островов. В результате проведенных экспериментальных работ на архипелаге Шпицберген продемонстрирована принципиальная возможность применения мощного контролируемого источника электромагнитного излучения экстремально низкочастотного (ЭНЧ) диапазона, расположенного в северной части Кольского полуострова, для дистанционного электромагнитного зондирования (ЭМЗ) земной коры малодоступных островов в западной части Арктики. Однако в условиях низкоомного, мощного осадочного чехла глубинность таких исследований будет ограниченной. Существенно дополнить информацию о геоэлектрическом разрезе исследуемых участков можно с помощью комбинирования данных ЭМЗ с контролируемым источником и данных магнитотеллурического зондирования (МТЗ). При этом результаты ЭМЗ могут служить в качестве реперных значений для выбора наименее искаженных кривых МТЗ. Привлечение данных МТЗ расширяет пригодный для интерпретации диапазон в области низких частот, что увеличивает глубинность геофизических исследований.

The article deals with utilization of electromagnetic geophysical methods to study the geological structure of inaccessible Arctic islands. Possibility of applying the powerful transmitter of electromagnetic fields of extremely low frequency (ELF) range, located in the Northern part of the Kola Peninsula, for electromagnetic sounding of the Svalbard archipelago was demonstrated. Results of experimental works have shown the usefulness of applying remote electromagnetic methods to study the geological structure of inaccessible islands in the Western part of the Arctic. But the depth of such studies is limited in conditions of the low-resistance, thick sediment cover. The integrated interpretation of magnetotelluric (MTS) data and electromagnetic sounding with controlled source data can significantly amplify the information about the geoelectric section of investigated areas. Results of the electromagnetic sounding with controlled source are used as reference values for selecting least distorted MTS curves. The application of MTS data increases the depth of geophysical research.

В настоящее время изучение геологического строения районов Арктики является актуальной научной задачей в связи с развитием минерально-сырьевой базы экономики и поиска новых месторождений полезных ископаемых в данном регионе. Вследствие удаленности и малодоступности арктических островов представляет интерес возможность применения дистанционных электромагнитных методов для исследования их геологического строения в силу мобильности, экологичности и малозатратности производственных геофизических работ. В статье представлены результаты эксперимента по электромагнитному зондированию земной коры, проведенного сотрудниками Полярного геофизического института (ПГИ) на архипелаге Шпицберген. Целью эксперимента было изучение возможности использования искусственных и естественных электромагнитных полей для определения геоэлектрического разреза осадочного чехла, причем источник искусственного электромагнитного поля ЭНЧ-диапазона располагался в северной части Кольского полуострова. Выполненные экспериментальные работы фактически были первыми в деле применения наземных электромагнитных методов для изучения геоэлектрических свойств осадочного чехла архипелага Шпицберген. литосфера арктический остров электромагнитный

Описание эксперимента и использованной аппаратуры. Измерения электромагнитного поля проводились в двух точках, первая из них располагалась на территории геофизической обсерватории ПГИ «Баренцбург», вторая - в районе структурной геологической скважины «Вассдаленская-2», в южной части земли Норденшельда. Применение современных измерителей электромагнитного поля, разработанных в ПГИ, позволило провести одновременно измерения как искусственных, так и естественных электромагнитных полей в широком диапазоне частот. Система сбора данных регистрирует сигналы трёх компонент магнитного поля и двух компонент горизонтального электрического поля. Полоса пропускания приёмника от 0,01 до 200 Гц. В основе системы регистрации и сбора информации лежит 22-битный аналого-цифровой преобразователь, частота дискретизации которого составляет 512 Гц [1]. Измеритель электромагнитного поля, представленный на рис. 1, включает в себя: блок регистрации с комплектом кабелей и распределительной коробкой, ноутбук с сетевым интерфейсным кабелем, лафет для магнитных индукционных датчиков, магнитные индукционные датчики (два горизонтальных и один вертикальный), усилитель электрических антенн, комплект заземлителей электрических антенн, электрическая антенна (четыре луча по 50 метров для мобильного комплекта), антенна GPS с мачтой и фидером, короб, аккумулятор с зарядным устройством.

Рис.1. Измеритель электромагнитного поля

В качестве искусственного источника электромагнитного поля использовался экспериментальный образец мощного стационарного источника электромагнитного излучения ЭНЧ-диапазона [2], который позволяет генерировать гармонические электромагнитные волны в диапазоне частот от 0,01 до 200 Гц. Дискретность установки частоты в диапазоне частот 0,01 - 10 Гц составляет 0.001 Гц, в диапазоне частот 10 - 40 Гц составляет 0.01 Гц. Номинальная мощность 160 кВт. Электропитание источника осуществляется от трехфазной сети переменного тока промышленной частоты 50 Гц с линейным напряжением 380В ±10% с гальванической развязкой от питающей сети. В состав генератора, представленного на рис. 2, входят следующие блоки: шкаф высоковольтного выпрямителя и инвертора (ВВИ), шкаф согласующего устройства продольной компенсации (СУ), повышающий трансформатор типа ТМПН-160/3-УХЛ1 со схемой соединения обмоток Д/Yн-11 (ПТ), шкаф устройств защиты и коммутации (УЗК), выносной пульт управления и индикации (ПУИ). Все блоки генератора расположены и закреплены в специальном фургоне (кунге) автомобиля ГАЗ-33081.

Рис.2. Экспериментальный образец генератора

Электромагнитное поле в диапазоне частот от 3 Гц до 33 Гц излучалось антенной в виде горизонтального заземлённого электрического диполя длиной порядка 60 километров, расположенного в северной части Кольского полуострова и ориентированного в субширотном направлении. Действующая сила тока в антенне составляла порядка 65 - 80 А.

3. Результаты эксперимента

В силу особенностей геометрии эксперимента, то есть взаимного расположения и ориентации питающего диполя, измерительных линий и магнитных датчиков приемников, удалось надежно зарегистрировать одну из поляризаций искусственного электромагнитного поля, поэтому в данной работе анализировался только один элемент тензора импеданса Zxy = Ex / Hy, где Ex и Hy - горизонтальные компоненты электрического и магнитного полей соответственно. За ось X принято направление на север вдоль магнитного меридиана. По значениям модуля импеданса определялось кажущееся сопротивление k [3]. На рис. 3 представлены результаты измерений электромагнитного поля.

Рис.3. Результаты измерений электромагнитного поля: а - значения кажущегося сопротивления k в точке «Баренцбург» (1 - кривая по данным МТЗ, 2 - значения по результатам ЭМЗ с контролируемым источником); б - значения фазы цT элемента тензора импеданса Zxy; в - значения кажущегося сопротивления k в точке «Вассдаленская-2»; г - значения фазы цT элемента тензора импеданса Zxy.

Как видно из рисунка, кривые МТЗ хорошо согласуются с данными электромагнитного зондирования с контролируемым источником. Интерпретация данных МТЗ проводилась в ограниченном диапазоне частот от 1 Гц до 100 Гц для точки «Баренцбург» и от 0,5 Гц до 100 Гц для точки «Вассдаленская-2». На более низких частотах наблюдались нисходящие ветви кривых МТЗ. Проведенные модельные расчеты показали, что нисходящие ветви обусловлены искажениями. Причины искажений могли быть различными. Возможно, сказывалась близость расположения естественных источников полей в полярных широтах. Искажения могли быть также вызваны неоднородностями в верхней части земной коры, в частности, наличием морских фьордов вблизи точек наблюдений.

Для построения геоэлектрического разреза верхней части осадочного чехла использовалась итерационная процедура Зоди [3]. Суть этой процедуры заключалась в разбиении нижнего полупространства на множество горизонтальных плоских слоев с заданными начальными значениями удельного сопротивления. Эти начальные значения были определены по результатам алгебраической трансформации Молочного-Ле Вьета кривой кажущегося сопротивления k в график зависимости действующего сопротивления / от действующей глубины z/. В процессе итерационной процедуры Зоди значения удельного сопротивления слоев подбирались таким образом, чтобы экспериментальная кривая кажущегося сопротивления совпадала с теоретической кривой, рассчитанной для данной горизонтально-слоистой модели земной коры. На рис. 4 представлены результаты интерпретации данных МТЗ и модели геоэлектрического разреза верхней части осадочного чехла для точек «Баренцбург» и «Вассдаленская-2». Для сравнения приведены фрагменты литологических колонок структурных скважин «Грумантская-1» и «Вассдаленская-2» [4].

Рис.4. Результаты интерпретации данных МТЗ и фрагменты литологических колонок структурных скважин «Грумантская-1» и «Вассдаленская-2»: 1 - график зависимости действующего сопротивления / от действующей глубины z/; 2 - модель геоэлектрического разреза верхней части осадочного чехла, полученная по результатам интерпретации данных МТЗ, измеренных в точке «Баренцбург»; 3 - график зависимости действующего сопротивления / от действующей глубины z/; 4 - модель геоэлектрического разреза верхней части осадочного чехла, полученная по результатам интерпретации данных МТЗ, измеренных в точке «Вассдаленская-2».

Полученные модели геоэлектрического разреза хорошо согласуются с данными бурения. Осадочные породы верхней части чехла представлены маломощными четвертичными отложениями и перемежающимися слоями алевролитов, аргиллитов и песчаников кайнозойской эры, причем удельное сопротивление аргиллитов по данным каротажа сопротивления разведочных скважин треста «Арктикуголь» ниже сопротивления алевролитов и песчаников. Из литологической колонки скважины «Грумантская-1», расположенной в северной части земли Норденшельда в 20 км к востоку от точки наблюдений «Баренцбург», проводящий слой аргиллитов отмечается на глубинах 100 - 200 метров, что хорошо согласуется с моделью, представленной на рис. 4, график 2. Заслуживает также внимания узкий слой с высокой электропроводностью на глубине порядка 200 метров. Этот слой может соответствовать горизонтальному угольному пласту, залегающему приблизительно на таких же глубинах в районе обсерватории ПГИ «Баренцбург». В южной части земли Норденшельда проводящий слой аргиллитов, как видно из литологической колонки скважины «Вассдаленская-2», имеет большую мощность и залегает глубже, на глубинах порядка 500 - 650 метров, что соответствует модели геоэлектрического разреза верхней части осадочного чехла, представленной на рис. 4, график 4.

Выводы

Полученные результаты экспериментальных работ продемонстрировали возможность использования дистанционных электромагнитных зондирований земной коры малодоступных арктических островов с помощью удаленного мощного контролируемого источника поля ЭНЧ-диапазона. Однако в условиях низкоомного, мощного осадочного чехла глубинность таких исследований будет ограниченной.

Существенно дополнить информацию о геоэлектрическом разрезе исследуемых участков можно с помощью комбинирования данных ЭМЗ с контролируемым источником и данных магнитотеллурического зондирования (МТЗ). При этом результаты ЭМЗ могут служить в качестве реперных значений для выбора наименее искаженных кривых МТЗ. Привлечение данных МТЗ расширяет пригодный для интерпретации диапазон в области низких частот, что увеличивает глубинность геофизических исследований.

Литература

1. Филатов М.В., Пильгаев С.В., Федоренко Ю.В. Четырехканальный 24-разрядный синхронизированный с мировым временем аналого-цифровой преобразователь // Приборы и техника эксперимента, 2011, № 3, С. 73-75.

2. Терещенко Е.Д., Григорьев В.Ф., Баранник М.Б., Данилин А.Н., Ефимов Б.В., Колобов В.В., Прокопчук П.И., Селиванов В.Н., Копытенко Ю.А., Жамалетдинов А.А. Повышающий преобразователь и система энергопередачи генератора “Энергия-2” для электромагнитных зондирований и мониторинга очаговых зон землетрясений // Сейсмические приборы, 2008, Т. 44, № 4, С. 43-66.

3. Бердичевский М.Н., Дмитриев В.И. Модели и методы магнитотеллурики, М.: Научный мир. 2009. 668 С.

4. Шипилов Э.В. Позднемезозойский магматизм и кайнозойские тектонические деформации Баренцевоморской континентальной окраины: влияние на распределение углеводородного потенциала // Геотектоника, 2015, № 1, С. 60-85.

Размещено на Allbest.ru