Основные проблемы геомагнетизма и глубинного электромагнитного зондирования

На главную | Контакты | Карта сайта

| Система Грант-Экспресс

| Новости РФФИ
| Объявления
| Подписка на новости

| Общие сведения о РФФИ
| Кто есть кто в РФФИ
| Состав совета Фонда
| Адрес и телефон для справок

| Устав РФФИ
| Указы Президента
| Постановления и распоряжения Правительства

| Нормативные документы

| Решения совета Фонда

| Конкурсы РФФИ
| Региональные конкурсы
| Международные конкурсы
| Программы РФФИ
| Финансовое обеспечение проектов

| Вестник РФФИ
| Газета Поиск
| Публикации в СМИ
| Книги, изданные при поддержке РФФИ
| Информационный бюллетень РФФИ
| Издания РФФИ

| Использование результатов
| Контроль использования финансовых средств

| Международная деятельность
| Научные фонды
| Ведомства и академии
| Библиотеки и информационные центры
| Полезные ссылки

| Издательство Wiley
| Издательство «The American Mathematical Society»
| Издательство Elsevier
| Американское физическое общество (APS)
| Издательство IOP Publishing Limited
| Издательство The Royal Society of Chemistry
| Издательство Springer

| Введение
| 2009 год
| 2010 год
| 2011 год

| WIN-1251
| KOI8-R
| English

ОСНОВНЫЕ ПРОБЛЕМЫ ГЕОМАГНЕТИЗМА И ГЛУБИННОГО ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ЗОНДИРОВАНИЯ

Введение

I. Экспериментальные данные для изучения современного магнитного поля Земли

II. Аномальные магнитные поля по данным спутниковых, аэростатных и наземных измерений

III. Главное магнитное поле и магнитное динамо Земли

IV. Палеомагнитные исследования

V. Геоэлектромагнитные исследования

VI. Комплексный анализ геофизических полей и их моделирование

Заключение

V. ГЕОЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

Начиная с середины 50-х годов и по настоящее время, электромагнитные зондирования бурно развиваются как в нашей стране, так и за рубежом. Это направление исследования привлекло внимание геофизиков всего мира, так как открывало новые возможности изучения осадочного чехла, земной коры и верхней мантии. Самый широкий круг электромагнитных проблем решается в проектах, представленных в РФФИ, начиная от фундаментальных - теоретических до прикладных, связанных с обнаружением нефтегазовых месторождений и гидротермальных ресурсов энергии.

Условно все исследования, проводимые в этом направлении, можно разделить на четыре крупных раздела: (1) теория электромагнитных зондирований; (2) разработка новых методов зондирования; (3) прямые и обратные задачи в геоэлектрике; (4) результаты магнитотеллурических и магнитовариационных зондирований и их геофизическая интерпретация.

Теоретическим разработкам новых методов магнитотеллурических зондирований посвящены исследования Барашкова А.С. (проект 00-05-64660). В его работах развита теория локального магнитовариационного зондирования, МВЗ, основанного на непосредственной инверсии индукционных векторов, определенных в широком интервале частот. Главное преимущество МВЗ состоит в том, что с понижением частоты магнитное поле освобождается от искажающего влияния приповерхностных неоднородностей. В этом случае избавляются от трудностей, возникающих из-за статических искажений амплитудных кривых МТЗ, и получают достаточно надежную информацию о глубинных структурах. Здесь же рассмотрены и обобщены принципы решения обратной геоэлектрической задачи в контексте теории некорректных задач.

Теоретические исследования влияния естественного электромагнитного поля на протяженные металлические проводники проводятся в проекте 00-05-65022 Егоровым И.В. Им разработана новая методика численного моделирования электромагнитного поля в протяженных проводниках и вблизи них в неоднородной окружающей среде. Алгоритм расчета поля основан на комбинированном методе, сочетающем метод интегральных уравнений, метод конечных элементов и итерационный метод разделения области. Это позволило впервые рассчитать поле с одновременным учетом неоднородностей проводимости самого проводника, слоя изолятора, трехмерных неоднородностей окружающей среды, а также распределение реального внешнего поля. Анализ тестовых расчетов позволил построить принципы описания геоэлектрических моделей. Оценена возможность использования пленочного подхода для учета крупномасштабных латеральных неоднородностей среды.

Особый интерес вызывает разработка методов интерпретации неполных, неоднородных и зашумленных магнитотеллурических данных на основе байесовской статистики и распознавания образов. Это направление геоэлектрики успешно развивается коллективом, руководимым Спичаком В.В. (99-05-64552).

Кратко основные результаты проводимых исследований сводятся к следующему: создан банк синтетических МТ данных для трехмерных моделей наклонной дайки, погруженной в двухслойную среду; созданы обучающие и тестовые выборки данных, необходимые для проведения методических исследований, исследована разрешающая способность "фокусирующих" трансформаций МТ поля, изучено влияние объема и структуры набора МТ данных на результаты инверсии, проанализированы интерполяционные и экстраполяционные свойства искусственной нейросети, основанной на методике обратного распространения ошибок; проведена оценка влияния уровня помех в МТ данных на результаты нейросетевой инверсии, выполнена трехмерная интерпретация площадных аудиомагнитотеллурических данных. Важнейший результат последнего года исследований: на основе новой методологии построена первая трехмерная геоэлектрическая модель разломной зоны Minou на острове Кюсю (Япония).

Большая часть работ этого направления связана с изучением глубинной геоэлектрической структуры того или иного региона земного шара. Так в работах Бердичевского М.Н. исследуется зона субдукции плиты Хуан де Фука по электромагнитным данным (проект 99-05-64758). Для этого региона проведено обобщение геофизических данных и предложена новая тектоническая интерпретация, ключевым моментом которой является отрыв нижней части субдуцируемой океанической плиты и последующий дрейф континента в сторону горячей океанической мантии, явившийся причиной магматической и тектонической активизации западных провинций Северной Америки. Этим самым создана основа для построения интерпретационной модели, обеспечивающей инверсию электромагнитных данных, полученных на плите Хуан де Фука.

Развита теория локального магнитовариационного зондирования МВЗ, основанного на непосредственной инверсии индукционных векторов, определенных в широком интервале частот. Показано, что наиболее полная информация о глубинной электропроводности обеспечивается бимодальной инверсией с использованием ТМ-моды для изучения верхних горизонтов земной коры и ТЕ-моды для обнаружения проводящих структур в верхней мантии.

Изучению природы электропроводности в основании верхней коры Балтийского щита посвящен проект Юдахина Ф.Н. (99-05-64799). Им предложен механизм, объясняющий существование волноводов в средней части земной коры и их прерывистость. На Балтийском щите такой слой обнаружен в интервале глубин 7-18 км на основе использования электромагнитных данных, скорости сейсмических волн и сейсмичности. Подавляющее большинство очагов землетрясений приурочено именно к этому реологически ослабленному латерально неоднородному слою, обладающему к тому же пониженным удельным сопротивлением. В качестве причины, вызывающей уменьшение скорости сейсмических волн, увеличение проводимости и уменьшение их механической прочности, рассматривается увеличение содержания соленой воды в поровом пространстве слоя по сравнению с верхней корой. Выявлено существование нового, "холодного" механизма, благодаря которому возникает реологически ослабленный слой в основании верхней коры.

Глубинная электропроводность области сочленения Курило-Камчатской и Амутской островных дуг изучается в работах Мороза Ю.Ф. (проект 00-05-64343). Здесь за многолетний период обобщены данные магнитотеллурических зондирований в диапазоне периодов 0.1-15000 с. По полярным диаграммам импеданса выполнена оценка горизонтальной неоднородности разреза. В низкочастотном диапазоне горизонтальная неоднородность рассматривается как квазидвумерная. Исключением является полуостров Камчатский мыс. Анализ функций отклика показывает, что они подвержены сильному влиянию геоэлектрической неоднородности среды. Дополнительно функции отклика обнаружили сочленения Курило-Камчатской и Амутской островных дуг. По приближенным оценкам кровля этого слоя располагается на глубинах 80-120 км.

В исследованиях Ченского А.Г. (проект 00-05-64677) проводится изучение глубинного строения и динамики подводной части байкальского рифта магнитотеллурическим методом. Для этой цели собрана вся геолого-геофизическая информация по глубинному строению Южно-Байкальской котловины. Выполнено трехмерное численное моделирование электромагнитного поля на сбросовом разломе. Разработан технический проект автономной донной геофизической станции. Успешно прошла натурные испытания измерительная система для регистрации трех компонент электрического поля в неавтономном режиме.

В проекте Ковтун А.А. (00-05-65220) проводятся магнитотеллурические (МТ) исследования электропроводности коры и мантии восточной части Балтийского щита. Выполнены АМТ-МТ исследования в области аномалии электропроводности коры, расположенной в зоне сочленения Беломорского и Карельского мегаблоков и приуроченной к позднеархейским и раннепротерозойским фрагментам остродужных систем, разделенных областью бластомилонитов. Двумерная интерпретация МТ-данных показала, что аномалия ограничена с юга на расстоянии ~ 100 км от геотраверса.

Особый интерес представляют результаты магнитотеллурических зондирований, основанных на использовании подводного кабеля. Так в проекте Никифорова В.Н. (98-05-64935) для изучения геоэлектрической структуры литосферы Японского моря используется подводный кабель Находка-Наоецу и синхронные с ним вариации геомагнитного поля. Получены кривые МТЗ в диапазоне периодов 103-105 с. Моделирование и интерпретация функций отклика показали, что величина интегрального сопротивления литосферы в этом регионе составляет 6(107Омм(м, что при мощности литосферы в 50 км дает удельное сопротивление ~ 103 Омм. Двумерное моделирование позволило оценить влияние глубинных проводящих разломных зон на результаты зондирования литосферы Японского моря с использованием подводного кабеля. Показано, что система глубинных разломов может на порядок занизить оценку интегрального сопротивления литосферы.

Данные глубоководного кабеля Находка-Ниигата на акватории Японского моря применены для изучения периодических вариаций электрического поля в работах Абрамовой Д.Ю. (99-05-64815). Показано, что величина кажущегося сопротивления, относящегося к периоду 24 час, близка к результатам индукционного зондирования Земли по обобщенным данным глобальной сети геомагнитных обсерваторий. Слабое влияние латеральных неоднородностей проводимости рассматриваемого региона автор связывает с конфигурацией глубоководной части Японского моря и структурой источника солнечно-суточных вариаций.

Результаты измерений разности потенциалов того же кабеля Находка-Наоецу были использованы в проекте Меджитова Р.Д. для исследования изменчивости течений в Японском море (98-05-64654). Анализ временной изменчивости поля течений в Японском море показал преобладание короткопериодной составляющей синоптической изменчивости с периодами 3-30 суток, существование длиннопериодических вариаций с периодами 30-100 суток, а также наличие полигармонического сезонного хода. Оказалось, что интенсивная короткопериодная составляющая коррелирует с изменчивостью зональной компоненты скорости ветра в центральной части Японского моря, в то время как длиннопериодная изменчивость коррелирует с изменчивостью ротора ветрового напряжения в Цусимском проливе.

Вопросам природы электрической проводимости земной коры посвящены исследования, проводимые Ваньяном Л.Л. в рамках проекта 99-05-64187. Здесь впервые по данным полевой геоэлектрики и лабораторным данным найдена проницаемость коровой проводящей зоны К=10-19 м2. Это на 2-3 порядка превышает проницаемость верхней коры и близко к величине, независимо полученной для глубины 15-35 км на основе анализа геологических свидетельств миграции флюидов в тектонически-активных регионах. Этим самым получено подтверждение флюидной концепции коровой электропроводности. Обнаружено, что интегральная проводимость корового проводящего слоя активизированной земной коры Восточного Тянь-Шаня в 2-3 раза меньше, чем Западного. В средней части активизированной земной коры, исходя из данных МТЗ с учетом результатов пленочного моделирования, удельное электрическое сопротивление резко падает до 40 Омм. Аналогичное падение сопротивления и скорости сейсмических волн под Киргизским Тянь-Шанем позволило авторам сделать вывод об увеличении пористости и проницаемости глубинных частей земной коры как следствии ее активизации.

Достаточно интересные геофизические результаты получены Бахтеревым В.В. (проект 99-05-64586) при исследовании термобарической зависимости электропроводности серпентинизированных гипербазитов. Получены зависимости их электрического сопротивления от температуры в интервале 20-800oС. Установлено, что в области собственной проводимости величина энергии активации коррелирует со степенью ранней серпентизации горных пород. Исследовано поведение электрического сопротивления от величины направления, времени протекания постоянного тока и температуры. Проанализированы материалы исследований, полученные в рамках единой комплексной сейсмической и электромагнитной 3D методики в частотно-геометрическом варианте. Результаты сопоставлены c данными бурения. Установлено, что физические источники аномальных зон в ряде случаев идентичны как для электромагнитного, так и для сейсмического поля.

Комплексное исследование пространственного и физического взаимоотношений аномалий электропроводности и упругих свойств в земной коре на примере Саяно-Байкальской области проводится Поповым А.Н. в рамках проекта 98-05-64213. Показано, что общность их природы основана на особенностях реологического состояния среды, а различие - в присутствии или отсутствии флюидной компоненты в микротрещинах. На основе совместных исследований методами GPS-геодезии и математического моделирования оценены прочностные свойства земной коры Прибайкалья для условий многократно повторяющихся нагрузок в виде вариаций уровня воды в оз. Байкал. Природа корового электропроводящего слоя трактуется как ослабленный слой, пронизанный микротрещинами, заполненными газо-водным флюидом, проникающим сверху и снизу из глубинных недр. Сделано предположение о том, что многие электромагнитные аномалии, рассматриваемые как предвестниковые признаки землетрясений, возможно, обусловлены внешними факторами, не имеющими отношения к процессам в земных недрах. Эти факторы, непосредственно воздействуя на литосферу, играют триггерную роль в сейсмическом процессе и одновременно формируют геофизические аномалии в приземном слое и в околоземном пространстве.

Разработка моделей связи проводимости и проницаемости горных пород с пористостью и насыщенностью является темой проекта, выполняемого Гульельми А.В. (00-05-64770). Предложена новая модель, описывающая связь между электропроводностью и водонасыщенностью терригенных коллекторов. В отличие от известных моделей автором использовано определенное представление о геометрии порового пространства. Получены выражения для связи между проводимостью и пористостью, имеющие физический смысл. Показана возможность использования новой модели для интерпретации результатов измерений на реальных образцах из терригенного коллектора в ходе лабораторных опытов по вытеснению нефти водой. Дано стохастическое обобщение трубчатой модели пористого водонасыщенного тела. Разработан и испытан поляризационный метод, позволяющий изучать механоэлектромагнитные преобразования, связанные с переносом массы флюида и электрического заряда в горных породах путем регистрации электромагнитных сигналов, возбуждаемых сейсмическими волнами.

Аналогичное исследование, связанное с изучением электрофизических процессов в пористых влагонасыщенных горных породах, проводится в проекте 00-05-65256 Световым Б.С. Проведены теоретические, аппаратурно-методические и экспериментальные исследования сейсмоэлектрического (СЭ) эффекта и эффекта вызванной поляризации (ВП) в геологической среде. Результаты эксперимента показали их согласие с теорией и подтвердили возможность получения новой геологической информации, касающейся пористой структуры изучаемой среды и степени ее водонасыщенности.

Супермагнитный и поляризационный эффекты в горных породах изучаются в рамках проекта 00-05-64308 Барсуковым П.О. Им создана компьютерная программа для моделирования реакций одномерных геологических сред на импульсное индукционное электромагнитное возбуждение. Доказано, что в условиях низких сопротивлений сред и высоких уровней поляризации модели не согласуются с результатами полевых экспериментов. Основная причина расхождений связана со свойствами релаксационных моделей: модуль комплексного сопротивления монотонно убывает с ростом частоты. Экспериментально показано, что свойство монотонного уменьшения сопротивления с частотой соблюдается лишь при гальванических измерениях.

Решению прямых и обратных задач геоэлектрики посвящено достаточно большое количество проектов. Так в проекте, посвященном электромагнитному каротажу в наклонных скважинах и выполняемом Авдеевым Д.Б. (00-05-64182), разработан новый подход решения систем линейных уравнений для 3D задач, основанный на интерпретировании подпространств Крылова для интегрального уравнения рассеяния.

Аналогичные исследования проводятся Варенцовым И.М. в проекте 98-05-65411. В рамках конечно-разностного подхода создана схема расчета электромагнитных полей (ЭМ) в частотной области, основанная на консервативной разностной аппроксимации на разнесенных сетках, рациональном переобуславливании трехмерных разностных систем, применении нового поколения итерационных методов с быстрой квазимонотонной сходимостью и выборе оригинальных критериев точности моделирования.

Разработанные программы 3D-моделирования опробованы на синтезированных и реальных данных.

Расчетам электрических и магнитных полей в рамках разностных алгоритмов посвящены исследования Эпова М.И. (99-05-64430). Им предложены средства оперативного математического моделирования для неоднородных задач и построены процедуры оперативной инверсии электромагнитных данных в рамках томографического подхода, основанного на следующих предположениях: среда состоит из множества стандартных элементов, инверсия заключается в обращении линейной системы, структура среды восстанавливается по пространственному распределению параметров. Дополнительно разработан высокоэффективный неитерационный метод многовариационного частотного решения краевых двумерных задач, основанный на прямом и обратном преобразованиях типа "звезда-треугольник" для сеточных систем пятиточечных уравнений.

Особую ценность для геоэлектрических исследований представляет физическое моделирование частотных электромагнитных зондирований, развиваемое в рамках проекта 98-05-64025 Кузнецовым А.Н. Им была реализована модель двухслойного дна с подводным грабеном в электролитической ванне. При этом изучалось поведение амплитуды и фазы электрического поля в присутствии трехмерной неоднородности. На низких частотах электрические поля вне и внутри грабена оказались очень близки, что еще раз подтвердило слабую разрешающую способность методов постоянного тока для глубоководных акваторий. Амплитудно-фазовые экспериментальные трехмерные кривые, как и графики затухания амплитуды поля, для внутренней части грабена оказались близки к рассчитанным одномерным. Таким образом, изучение амплитудно-фазовых характеристик поля в случае зондирования экваториальной установкой донного грабена показало, что края грабена оказывают слабое влияние на результат частотного зондирования. Эта важная особенность, по-видимому, является следствием горизонтального скин-эффекта.

Исследованию новых возможностей магнитотеллурического зондирования Земли на основе использования переходных характеристик передаточных функций посвящен проект Агеева В.В. (98-05-64867). В рамках этого проекта проведено моделирование МТ полей во временной области для типичных двумерных разрезов. Проанализированы различные виды переходных характеристик передаточных функций над горизонтально слоистыми разрезами, изучены их глубинность и разрешающая способность. Исследовано влияние поляризуемости горных пород на результаты МТ зондирований в слоистых средах. Установлено, что общие закономерности искажений аналогичны в частотной и временной областях, для импульсных и переходных характеристик, для импедансных и адмитансных передаточных функций.

В настоящее время электромагнитные методы нашли свое применение при исследовании вторичного сейсмоэлектрического эффекта. Это направление успешно развивается в рамках проекта 98-05-64053 Сочельниковым В.Н. Здесь выполнены теоретические оценки напряженности электрического поля прямого сейсмоэлектрического эффекта (СЭЭФ) и вторичного сейсмоэлектрического эффекта (ВСЭЭФ). Показано, что электрическое поле может достигать величин n(100 мкв/м и n(0.1 мкв/м при ВСЭЭФ. Для изучения эффектов ВСЭЭФ создан действующий макет 4-хканальной аппаратуры и выполнены опытные работы на шельфе Азовского моря. Проведены работы с многоканальной системой сбора и регистрации сигналов электромагнитного поля. Получены высокочастотные геоэлектрические разрезы до 70-90 Гц, при скорости распространения 500-600 м/с. Некоторые из временных геоэлектрических разрезов не уступают сейсмическим временным разрезам.

Исследованию вопросов пространственно-временной геомагнитной градиентометрии посвящен проект 99-05-64782, которым руководит Фонарев Г.А. Теоретические оценки на основе известных моделей аномальных электромагнитных полей показали, что геоэлектрические неоднородности серьезно влияют на магнитные градиентометрические измерения. Для экспериментальной проверки были использованы данные, полученные по международному проекту ЭМСЛАБ. Сделана оценка влияния береговой черты и материкового склона. Оказалось, что их влияние на градиентометрические измерения слабее по сравнению с теоретическими оценками. Сделан вывод, что существующие теоретические модели аномальных электромагнитных эффектов в океане требуют определенной корректировки.

Подводя итог геоэлектрическим исследованиям, выполняемым в рамках проектов РФФИ, совершенно очевидно, что результаты этого направления науки о Земле, в общем, производят положительное впечатление. Многие из проектов, особенно проекты теоретического плана, являются уникальными и не уступают работам зарубежных авторов. Следует обратить внимание на следующие особенности в развитии этого направления: мало исследований, связанных с проведением экспериментальных работ. Поэтому часто теоретические разработки проверяются либо на модельных данных, либо на зарубежных экспериментах; абсолютно отсутствуют проекты, где бы использовались данные спутниковых измерений.

Copyright © 1997-2007 РФФИ | Дизайн и программирование: Intra-Center