Метод МТЗ

Технология магнитотеллурических зондирований (МТЗ) является лидирующей в области региональных электроразведочных исследований. Важные области ее применения — изучение перспектив нефтегазоносности осадочных бассейнов и оценка сейсмической опасности регионов. 

Физические основы метода

Метод магнитотеллурического зондирования (МТЗ) основан на изучении естественного переменного электромагнитного поля Земли – магнитотеллурического поля (МТ-поля). Естественное электромагнитное поле содержит колебания различной частоты. За счет явления скин-эффекта более высокочастотные колебания МТ-поля быстрее затухают с глубиной, в то время как низкочастотные компоненты спектра проникают на большие глубины. Соответственно, высокочастотные составляющие поля несут информацию лишь о приповерхностной части разреза. С понижением частоты вклад более глубоких частей разреза в наблюдаемое поле возрастает, и мы получаем информацию о глубинной части геоэлектрического разреза.

Таким образом, МТЗ представляет собой разновидность индукционного частотного зондирования. В отличие от других методов индукционного зондирования (ЧЗ и ЗС), МТЗ не требует использования генераторных установок, и, в то же время, обеспечивает глубинность исследований, не достижимую в методах с контролируемым источником [Хмелевской, 1984; Жданов, 1986]. Еще одно существенное отличие МТ-методов от методов с контролируемым источником связано с необходимостью перехода от отдельных компонент ЭМ-поля к так называемым передаточным функциям, представляющим собой, по сути, отношения определенных компонент поля, измеренных в одной или двух точках. Переход к передаточным функциям позволяет исключить из рассмотрения неизвестные параметры источников естественного электромагнитного поля.

Измеряемыми величинами являются электрические (Ех и Еу) и магнитные (Нх, Ну и Нz) составляющие. Величину сопротивления среды определяет импеданс – отношение горизонтальных составляющих электромагнитного поля — электрической к магнитной (Ех/ Ну) и (Еу/ Нх) на различных периодах (частотах) колебаний поля.

Природа низкочастотного (менее 1 Гц) МТ-поля в первую очередь связана с взаимодействием исходящего от Солнца и изменяющегося во времени потока заряженных частиц (солнечного ветра) с магнитосферой и ионосферой Земли. Магнитные бури – интенсивные изменения поля (в магнитных компонентах – до многих сотен нТл), для которых характерен резкий (в течение первых часов) рост напряженности и ее последующий длительный (продолжительностью до нескольких суток) спад. Высокочастотные вариации связаны в основном с полями дальних гроз (преимущественно тропической области) и называются атмосфериками. Они наиболее интенсивны в диапазоне частот от первых Гц до первых кГц. Причем в этом диапазоне имеется ряд резонансных частот (где колебания особенно велики).

мтз1Существующие на сегодняшний день модификации метода МТЗ позволяют проводить исследования в очень широком диапазоне глубин – от первых десятков метров до первых сотен километров.

Аппаратура

Магнитотеллурические зондирования выполняются с использованием аппаратуры MTU фирмы «Phoenix Geophysics» (Канада): пятиканальных измерительных станций MTU-5 и MTU-5A, позволяющих регистрировать электрические (Ex, Ey) и магнитные (Hx, Hy, Hz) компоненты магнитотеллурического поля, а также двухканальных станций МТU-2E, регистрирующих только электрические компоненты МТ-поля (Ex, Ey). Вариации электрического поля измеряются с помощью электрических диполей длиной около 100 м со слабополяризующимися электродами PE-2, а вариации магнитного поля – с помощью индукционных датчиков МТС-50 и АМТС-30 (в режиме АМТЗ).

Методика полевых наблюдений

Вид съемки (профильная или площадная), а также сеть наблюдения определяется задачами работ.

Схема расстановки станций определяется инструкцией и условиями съёмки. Обычно расстановка осуществляется с использованием следующей методики:

  • зондирования проводятся на сравнительно ровной площадке размером 100 x 100 м;
  • ветровые помехи устраняются путем прикапывания электрических диполей и размещения индукционных датчиков в канавах, прикапываемых землей (вертикальный магнитный датчик забуривается в землю с помощью специального ручного бура);
  • используется пятиэлектродная крестообразная электрическая измерительная установка, заземленная слабополяризующимися электродами;
  • линии электрических датчиков выкладываются по буссоли;
  • магнитные датчики выставляются по уровню и буссоли.

мтз6

Регистрация проводится в синхронном режиме одновременно несколькими станциями. Это позволяет обрабатывать получаемый материал в так называемом “синхронном” режиме с целью подавления некоррелируемых шумов и повышения качества МТ-данных.

Время регистрации на рядовых пунктах наблюдения составляет не менее 30 минут в режиме АМТЗ, 12 часов в режиме МТЗ, 2 суток в режиме ГМТЗ (см. ниже).

Определение координат точек осуществляется в автоматическом режиме, с использованием встроенных в регистрирующий модуль GPS.

Области применения метода МТЗ

Изменяя диапазон регистрируемых частот, можно получать информацию об электропроводности геологического разреза с различных глубин, в зависимости от решаемых задач. Области применения МТЗ включают в себя региональные и нефтегазовые исследования, разведку твердых полезных ископаемых, поиски гидротермальных ресурсов и ряд других.

  • Региональные исследования направлены на изучение региональных особенностей строения верхней части мантии, астеносферы, распределения проводящих зон в земной коре, анализ поведения кровли кристаллического фундамента, исследования глубинных разломов, изучение основных структурных этажей осадочного чехла.
мтз7
  • При поисках углеводородов магнитотеллурическое зондирование эффективно дополняет сейсморазведочные исследования, позволяя получать информацию о литологических и коллекторских свойствах горных пород. В ряде случаев, когда сейсморазведка демонстрирует низкую эффективность, МТЗ оказывается наиболее информативным методом при решении структурных задач. Большая глубинность зондирования обуславливает возможность применения метода для поиска крупных нефтяных месторождений в глубоких горизонтах осадочного чехла складчатых областей.
мтз8
  • Магнитотеллурическое зондирование, и, в особенности, его высокочастотная модификация (АМТЗ), является высокоэффективным инструментом при разведке твердых полезных ископаемых, включая сульфидные руды и трубки взрыва. 
мтз9
  • Наконец, МТЗ играет одну из ведущих ролей при поисках и изучении гидротермальных месторождений, так как гидротермальные объекты, пригодные для масштабного использования в роли источников энергии для гидротермальных станций, как правило, представляют собой скопления хорошо проводящих минерализованных вод. 
мтз10

Модификации метода МТЗ

В зависимости от решаемых геологических или инженерно-геологических задач (глубина исследования, детальность, электрическая проводимость разреза) различают несколько модификаций магнитотеллурических зондирований. В первую очередь, принципиальное различие состоит в регистрируемом диапазоне частот (периодов) и получаемой глубине зондирования. Как следствие, меняется в широких пределах шаг по профилю, время (длительность) измерения на одной точке, режимы работы регистрирующей аппаратуры и применяемые датчики для регистрации вариаций магнитного поля:

Решаемые задачи: Изучение строения Земли, верхней мантии, астеносферы, электропроводящих зон в земной коре Изучение осадочного чехла и фундамента. Поиск нефтяных и крупных рудных месторождений. Поиск геотермаль-ных источников Поиск и детальное картирование месторождений рудных полезных ископаемых. Поиск воды. Исследования верхней части разреза
Глубина зондирования (зависит от проводимости разреза): Первые сотни метров – первые сотни км Десятки метров – первые километры Первые десятки метров – 1-2 км (в условиях высокоомного разреза)
Диапазон частот: 0.0001 – 1 Гц 0.0003 – 400 Гц 1 – 10000 Гц
Диапазон периодов: 10000 – 1 с 3600 – 0.0025 с 1 – 0.0001 с
Время регистрации: 1 – 9 суток 16 – 20 часов 30 мин – 1 час
Шаг по профилю: 3 – 15 км 0.5 – 3 км 50 – 500 м
Длина профиля: 100 – 2000 км 5 – 500 км 1 – 10 км
Датчики для измерения вариаций магнитного поля:
  • индукционные датчики оптико-механические магнитометры
  • феррозондовые магнитометры
  • индукционные датчики
  • оптико-механические магнитометры
  • индукционные датчики

Существует и более высокочастотная разновидность МТЗ – радио-магнитотеллурические (РМТ) зондирования, применяемые при инженерных исследованиях. В РМТ используются частоты до нескольких мегагерц. Источником поля в этом случае, служат удаленные мощные радиостанции.

Ключевой особенностью современной методики работ методом МТЗ являются измерения в синхронном режиме. Синхронизация записей поля чаще всего осуществляется с помощью систем GPS или ГЛОНАСС. Последующая обработка синхронных записей МТ-поля осуществляется по специальным методикам. Этот подход позволяет увеличить точность и производительность наблюдений, а также получать дополнительные информативные параметры, характеризующие геоэлектрическое строение среды. Так, в современной магнитотеллурике измерения, чаще всего, проводят методом с удаленной базой. В этом случае, базовая измерительная установка инсталлируется в зоне свободной от промышленных электромагнитных помех, и измерения на ней ведутся синхронно с рядовыми точками. Такой подход позволяет при обработке исключать из получаемых в рядовых точках данных некоррелируемые с базовой станцией локальные помехи. Это связано с тем, что вариации магнитотеллурического поля (горизонтальных магнитных компонент) похожи по спектральному составу на достаточно больших расстояниях. Обычно расстояние до базовой станции составляет от 10 до 200 км в зависимости от частотного диапазона в режиме МТЗ и ГМТЗ и первые километры в режиме АМТЗ. В ряде случаев, можно использовать и несколько рабочих станций, находящихся на достаточном удалении друг от друга для выявления некоррелируемых шумов.

Магнитное поле, как правило, меняется в пространстве гораздо медленнее, чем электрическое. Следовательно, синхронные наблюдения магнитного поля можно проводить на более редкой сети. Поэтому при частом шаге наблюдений на большинстве точек используют двухканальные станции для измерения только горизонтальных электрических компонент, время установки которых невелико, что также повышает производительность полевых работ. А данные о вариациях магнитного поля, в этом случае, берутся с одной общей для всех станции, регистрирующей вариации магнитного поля.

Методику с использованием двухканальных станций применяют и при работах в так называемых транзитных зонах – прибрежных морских (озерных) водах с глубинами до 20 м. В этом случае, станция для измерения магнитных компонент устанавливается на берегу, а электрические приемные линии на рабочих станциях заземляются на дне с использованием специальных электродов.

Существует модификация метода, когда измеряются только магнитные (горизонтальные и вертикальная) компоненты электромагнитного поля. Такая модификация называется магнитовариационными зондированиями (МВЗ). Надо отметить, что МВЗ устойчивы к влиянию локальных приповерхностных неоднородностей.

На стыке между методами АМТЗ и частотного зондирования (ЧЗ) возник и получил широкое развитие метод CSAMT (АМТЗ с контролируемым источником). В этом методе электромагнитное поле создается с помощью заземленной линии или незаземленной петли. За счет использования искусственного источника существенно повышается точность наблюдений. При этом применяется хорошо развитая методика интерпретации МТ-данных. Метод CSAMT наиболее удобен для использования при малоглубинных исследованиях, поскольку в этом случае легко добиться применимости приближения плоской волны (так как можно использовать небольшие расстояния до источника, и, следовательно, получить высокий уровень сигнала даже при небольшой мощности генератора).

Граф обработки данных МТЗ

Процесс обработки записей МТ-поля можно разделить на три этапа.

Первый этап обработки заключается в просмотре и, возможно, отбраковке самих записей (или их фрагментов). На этом этапе из дальнейшего процесса обработки удаляются участки записи с сильными помехами, выходами за пределы динамического диапазона («зашкалами»). Запись может быть разбита на несколько частей после удаления таких участков. На этом же этапе осуществляется подготовка файлов для дальнейшей обработки (создание структуры имен выходных файлов, введение служебной информации и т.п.). На первом этапе контролируются и параметры работы регистрирующей аппаратуры. Работы на этом этапе проводятся как в интерактивном, так и в автоматическом режимах.

мтз12

На втором этапе производится оценивание передаточных функций (тензора импеданса, вектора Визе-Паркинсона и ряда других) по записям компонент магнитотеллурического поля. Иногда процедуру обработки называют оцениванием МТ-передаточных функций. Основным этапом обработки является разделение записей МТ-поля на спектральные составляющие, по которым затем находятся компоненты искомых передаточных функций для заданного набора частот [Жданов, 1986].

мтз2

Третий этап заключается в получении гладких кривых МТЗ (как импедансных кривых, так и кривых кажущегося сопротивления). Программа для интерактивной обработки данных МТЗ на этом этапе разработана в ООО «Северо-Запад» (Москва) и называется «МТ-Corrector». Программа позволяет не только проводить отбраковку используя специальные графические редакторы, но и вводить весовые коэффициенты, соответствующие качеству данных на разных интервалах периодов. В качестве исходных данных в программу загружаются файлы, обработанные по разным методикам (например, с использованием удаленной базы с корреляцией по разным компонентам электромагнитного поля).

мтз3

Таким образом, в результате обработки данных МТЗ получаем набор кривых модулей и фаз компонент тензора импеданса, кривых кажущегося сопротивления, кривых компонент матрицы Визе, горизонтального магнитного тензора и т.д.

Граф анализа и интерпретации данных МТЗ

Процесс интерпретации данных МТЗ можно разделить на несколько основных этапов.

На первом этапе выполняется анализ МТ-данных. Его целями являются изучение степени влияния локальных ППН, выделение зон (областей пространства и частотных диапазонов), допускающих одномерную и двумерную интерпретацию, получение качественных сведений о строении среды.

В результате обработки МТ-данных для каждой точки наблюдения получают частотные зависимости модулей и фаз компонент тензора импеданса (рис. 12.15). Анализ этих кривых позволяет оценить наличие искажений, обусловленных горизонтальной неоднородностью разреза.

Содержание следующего этапа сводится к простым способам получения количественной информации о разрезе. К ним относятся: определение обобщенных параметров разреза по линиям S и H, определение свойств среды по характерным точкам кривых, трансформации кривых МТЗ, а также ряд других способов.

На следующем этапе проводится собственно интерпретация данных МТЗ. При этом обязательно учитывается априорная информация о разрезе. Для получения предварительной информации о строении среды может применяться метод контролируемой трансформации. В этом методе кривая кажущегося сопротивления по несложным приближенным формулам преобразуется в некоторую зависимость сопротивления от глубины (псевдогеоэлектрический разрез). Данный разрез затем итерационно уточняется таким образом, чтобы обеспечить наилучшее совпадение кривой кажущегося сопротивления, рассчитанной для этого разреза, с наблюденной. При переходе от кривой кажущегося сопротивления к псевдогеоэлектрическому разрезу наглядность представления о среде повышается, поскольку ось корней из периода при этом заменяется на ось глубин. Однако в большинстве случаев данный разрез не может быть представлен в качестве результата интерпретации, поскольку он строится без учета априорной информации, и в силу некорректности решения обратной задачи может существенно отличаться от истинного.

Самым распространенным способом интерпретации является метод подбора (ручного или автоматизированного). Подбор осуществляется в рамках выбранной размерности модели с использованием соответствующего программного обеспечения.

Используя априорную геологическую информацию, результаты определения обобщенных параметров S и H и расчета по методу контролируемой трансформации, можно составить стартовую модель геоэлектрического разреза. Для уточнения стартовой модели применяется итерационный метод подбора. При этом модель разреза корректируется таким образом, чтобы обеспечить, с одной стороны, наилучшее совпадение наблюденной и модельной кривых кажущегося сопротивления и фазы импеданса, а с другой – соответствие параметров модели априорной информации. Подбор кривых МТЗ в рамках 1D модели может проводиться с помощью программы MSU_MT1D (ООО «Северо-Запад», Москва), позволяющей вносить исправления в модель и решать прямую одномерную задачу, а также обеспечивает автоматизированный подбор кривых. В последнем случае возможно закрепление известных по другим данным параметров модели.

мтз4

Программа MT2DTools(ООО «Северо-Запад», Москва) для двумерной инверсии МТ-данных предназначена для создания моделей на основе имеющихся априорных данных с последующей редакцией и контролем качества данных. Программа автоматически читает данные из стандартных файлов с предыдущих этапов обработки, вводит координаты точек. Поэтапный интерфейс позволяет строить карты профилей, редактировать ячейки априорных моделей, сетку расчетных ячеек.

мтз5

Наконец, на завершающем этапе выполняется геолого-геофизическое истолкование результатов интерпретации с учетом сведений об электрических свойствах пород, имеющейся геологической информации и данных других геофизических методов. Эта работа часто ведется совместно со специалистами-геологами. На этом этапе важно организовать максимально понятную графическую презентацию результатов обработки и численной интерпретации данных. Помимо моделей геоэлектрических разрезов, это могут быть карты распределения проводимости пород на различных глубинах, карты типперов. Кроме того, строятся разрезы кажущихся сопротивлений и фазовые разрезы, карты полярных диаграмм.

Литература

  • Бердичевский М.Н., Дмитриев В.И. Модели и методы магнитотеллурики. Москва, Научный мир, 2009
  • Бердичевский М.Н., Дмитриев В.И. Магнитотеллурическое зондирование горизонтально-однородных сред. Москва, Недра, 1992
  • Бердичевский М.Н., Дмитриев В.И., Новиков Д.Б., Пастуцан В.В. Анализ и интерпретация магнитотеллурических данных. Москва, Диалог-МГУ, 1997
  • Хмелевской В.К. Электроразведка. Москва, Изд-во МГУ, 1984
  • Жданов М.С. Электроразведка. Москва, Недра, 1986
  • Ваньян Л.Л. Электромагнитные зондирования. Москва, Научный мир, 1997

 

 

 →