Комплект поставки:

Измерительный блок; шумовой генератор; генераторная рамка; аккумуляторный блок (2 шт.); зарядное устройство; магнитоиндукционный преобразователь (2шт.); латунные электроды (4 шт.); комплект кабелей и принадлежностей; комплект дискет с программным обеспечением; документация.
По согласованию с заказчиком в комплект поставки может быть включен компьютер типа "Notebook".

Институт земной коры Санкт-Петербургского государственного университета, Россия, 199034, Санкт-Петербург, Университетская наб., 7/9, Тел: (812)218-9643; 218-1251; 218-9645.

Вернуться к оглавлению

Аппаратурно-программный комплекс АКФ-2.2 для аудиомагнитотеллурических и сверхнизкочастотных зондирований

Созданный прибор АКФ-2.2 предназначен для проведения аудиомагнитотеллурических зондирований (АМТЗ) на основе изучения естественных электромагнитных полей и сверхнизкочастотных зондирований (СНЧЗ) с использованием полей контролируемых источников, в том числе поля СНЧ-радиоустановки. Этот прибор является одной из модификаций аппаратуры корреляционных функций АКФ. Четырехканальный прибор этого ряда АКФ-4, позволяющий выполнять тензорный анализ результатов измерений, в настоящее время выпускается ГНПП “Геологоразведка”.
В приборе АКФ-2.2 производится накопление автокорреляционных функций К_ЕЕ (t) и К_НН (t), связанных с горизонтальными составляющими электрического и магнитного полей, а также их взаимной корреляционной функции К_ЕН(t). С помощью Фурье-преобразования через корреляционные функции рассчитываются энергетические спектры S_EE (f), S_HH (f) и S_EH (f), по которым находится модуль и фаза импеданса и кажущееся сопротивление r_к. Для оценки качества измерений вычисляется величина коэффициента когерентности G_EH (f).
Опыт работ показал, что разрешение по частоте 0.78 Гц, предусмотренное в аппаратуре АКФ-4 для измерений естественных электромагнитных полей, недостаточно для измерений сигналов СНЧ-радиоустановки, контролируемого источника гармонически изменяющегося поля в диапазоне частот десятки - сотни герц. Поэтому в аппаратуре АКФ-2.2 дополнительно к широкополосному предусмотрен узкополосный режим регистрации корреляционных функций с разрешением по частоте 0.007 Гц. В широкополосном режиме помимо регистрации корреляционных функций, производится прямая запись сигналов. Диапазон рабочих частот составляет 1...260 Гц. Встроенная память объемом 1 Мбайт дает возможность проводить автономные измерения корреляционных функций без использования компьютера типа Notebook на 99 точках зондирований при времени накопления до 10 мин. на каждой точке, а также обеспечивает возможность до 5 мин. прямой записи сигналов.
Программы обработки полевых данных позволяют проводить первичную обработку в измерительном блоке непосредственно на точке измерений и полную обработку на компьютере в камеральных условиях с построением амплитудных и фазовых кривых зондирования. Аппаратурно-программный комплекс АКФ-2.2 успешно опробован при изучении глубинного строения Карельского перешейка и при проведении изысканий для строительства захоронений радиоактивных отходов в Красноярском крае. Показана перспективность применения комплекса с измерениями сигналов СНЧ-радиоустановки при мониторинге напряженного состояния земных недр.
Аппаратура АКФ-2.2 обеспечивает возможность комплексирования АМТ- и СНЧ-зондирований. Комплексное использование этих модификаций глубинной электроразведки, характеризующихся различиями в поляризации первичных электромагнитных полей, повышает информативность исследований. Структура поля СНЧ-радиоустановки достаточно хорошо изучена. Для данного источника однозначно установлены области, соответствующие дальней зоне. Комплексирование методов СНЧЗ и АМТЗ дает возможность контролировать соответствие измеряемых импедансов естественного электромагнитного поля импедансу плоской волны. Контроль этого соответствия является весьма важным условием достоверной интерпретации данных АМТЗ, особенно в условиях высоких широт с ближними ионосферными источниками поля. В неблагоприятных для АМТЗ условиях (значительный уровень промышленных помех, ближние грозы) работы методом СНЧЗ позволяют получать качественные материалы, пригодные для дальнейшей интерпретации.

Сараев А.К., Косткин П.М.
Институт земной коры Санкт-Петербургского государственного университета, Россия, 199034, Санкт-Петербург, Университетская наб., 7 / 9

Одним из перспективных направлений глубинной электроразведки является использование расположенной на Кольском полуострове сверхнизкочастотной (СНЧ) радиоустановки в качестве источника поля для проведения электромагнитных зондирований. При расчетах и анализе структуры электромагнитного поля антенная система СНЧ-радиоустановки аппроксимируется заземленным на концах кабелем конечной длины, помещенным на нижнюю границу плоского волновода “земля-ионосфера”. В полученном решении задачи учитываются удельные сопротивления и диэлектрические проницаемости всех трех сред (земли, воздуха, ионосферы), а также токи смещения. Поле кабеля находится интегрированием по длине кабеля составляющих поля горизонтального электрического диполя.
На относительно небольшом расстоянии от СНЧ-радиоустановки расчеты нормальных полей могут проводиться по низкочастотным формулам для полупространства, а при удалении от источника необходимо использовать решение задачи с учетом токов смещения и ионосферы. Необходимость решения задачи с учетом волнового числа воздуха k₀ обусловлено тем, что даже для сверхнизких частот (десятки-сотни герц) при очень больших расстояниях r (сотни - тысячи километров) вклад членов в общем решении задачи, содержащих сомножители k₀ r являются весьма значительным.
Результаты расчетов для частоты 80 Гц, удельных сопротивлений земли, воздуха и ионосферы соответственно равных 10⁴, 10¹³, 10⁵ Ом/м, длины кабеля 60 км и высоты ионосферы 90 км показывают, что учет токов смещения для составляющих E_x и H_y (inu X направлена вдоль, Y - вкрест кабеля) необходим начиная с расстояний 300 км по направлению вкрест, и 600 км - вдоль кабеля (при 10 % отличиях соответствующих значений поля). Влияние ионосферы следует учитывать начиная с расстояния 100 км по направлению вдоль кабеля и 200 км по направлению вкрест кабеля. Также установлены области, в которых может использоваться аппроксимация антенной системы вместо кабеля диполем (на расстояниях более 100 км по направлению вкрест и более 150 км - вдоль кабеля).
При учете токов смещения и ионосферы существенным образом меняется диаграмма направленности СНЧ-радиоустановки. Для низких частот, без учета токов смещения и влияния ионосферы, составляющие E_x и H_y в дальней зоне по направлению вкрест кабеля по результатам расчетов в два раза превосходят соответствующие значения для направления вдоль кабеля. Наоборот, при расчетах с учетом токов смещения и ионосферы составляющие E_x и H_y, начиная c расстояния 600 км по направлению вдоль кабеля превышают соответствующие значения для направления вкрест кабеля (в пять раз на расстоянии 3000 км). Эти особенности диаграммы направленности подтверждаются данными экспериментальных измерений.
В результате выполненных экспериментальных и теоретических исследований были изучены особенности поляризации электромагнитного поля СНЧ-радиоустановки. Установлено, что из-за влияния токов смещения и ионосферы возникает значительная эллиптичность поляризации (отношение b/a niioaaonoaaiii малой и большой полуосей эллипса поляризации) горизонтальных составляющих первичных электрического и магнитного полей данного источника. При этом степень эллиптичности поляризации увеличивается с удалением от источника (на расстоянии 150 км значения b/a первичного электрического и магнитного полей равны 0.026, на расстоянии 470 км - 0.22 и на расстоянии 950 км - 0.32). Полученные результаты показывают необходимость корректировки существующих представлений о линейной поляризации первичного электрического и магнитного полей на больших расстояниях от контролируемых источников такого типа (горизонтального электрического диполя, кабеля).

Вернуться к оглавлению

Возможности использования СНЧ-радиоустановки для мониторинга сейсмической активности

Сараев А.К., Пертель М.И., Кочеров А.Б., Никифоров А.Б.
Институт земной коры Санкт-Петербургского государственного университета, Россия, 199034, Санкт-Петербург, Университетская наб., 7 / 9

В общем комплексе методов, используемых при прогнозировании землетрясений, важное место занимают глубинные электромагнитные зондирования, позволяющие получать информацию об изменениях удельного электрического сопротивления r горных пород на достаточно больших глубинах, где не проявляется влияние сезонных факторов и можно ожидать более заметных вариаций величин r за счет приближения к области формирующегося очага землетрясения. Величины вариаций кажущегося сопротивления r_к в периоды подготовки землетрясений могут составлять от нескольких до 10-20 % , и для их регистрации необходимо обеспечить высокую точность измерений (не менее 1-2 %).
Опыт применения методов электроразведки переменным током показывает, что для обеспечения высокой точности измерений в широком диапазоне частот перспективно использование гармонически изменяющихся полей контролируемых источников. В Институте земной коры Санкт-Петербургского университета ведется разработка аппаратурно-программных и методических средств для использования мощной сверхнизкочастотной (СНЧ) радиоустановки при мониторинге сейсмической активности. Расположенная на Кольском п-ве СНЧ-радиоустановка состоит из генератора гармонически изменяющегося тока и антенной системы, представляющей собой ориентированную в широтном направлении и заземленную на концах линию электропередачи длиной около 60 км. Величина тока в антенне достигает 300 А. Диапазон рабочих частот составляет от нескольких десятков до нескольких сотен герц.
СНЧ-радиоустановка является достаточно мощным источником и ее электромагнитное поле может быть измерено на весьма обширных территориях во всех сейсмоопасных районах России. Это позволяет обеспечить прогностические полигоны однотипной приемной аппаратурой и выполнять измерения и обработку результатов на единой методической основе с единой формой представления результатов..
Для оценки возможностей использования СНЧ-радиоустановки при мониторинге сейсмической активности в декабре 1995 г. были проведены экспериментальные работы на Северном Кавказе. В результате выполненных исследований показана возможность регистрации сигналов с помощью аппаратуры АКФ-2 на достаточно большом (2700 км) удалении от источника в направлении, близком к минимуму диаграммы направленности антенной системы. Значения напряженностей электрического и магнитного полей менялись при этом в пределах соответственно (2.5-4.5)10^-9 В/м и (4-7)10^-8 А/м. Оценка возможности использования СНЧ-радиоустановки для мониторинга сейсмической активности была выполнена на основе сопоставления результатов измерений импеданса электромагнитного поля в разное время суток. Было показано, что относительные различия импеданса на частотах 125 Гц и 166.6 Гц в одной из точек не превосходят 2.6 % , а в другой точке - 2.1 % . При сопоставлении отдельно взятых составляющих электрического и магнитного поля различия более значительные и достигают 30-40%. Сравнение с результатами измерений импеданса по естественным электромагнитным полям показало, что для них различия больше (4-5 %) и отмечается зависимость погрешности измерений от времени суток вследствие изменения уровня естественного электромагнитного поля.
В июне 1996 г. экспериментальные исследования электромагнитного поля СНЧ-радиоустановки были выполнены на Карельском перешейке на удалении 950 км от источника. С помощью аппаратуры АКФ-2.2 проводились измерения сигналов на частоте 83.3 Гц круглосуточно через каждые 20 мин. По результатам эксперимента был выявлен суточный ход импеданса в пределах 5-6 % , связанный, вероятно, с приливными явлениями. Погрешность измерений импеданса составляла при этом ± 1.4 % , а величины напряженностей электрического и магнитного полей изменялись соответственно в пределах (4-5.5)10^-7 В/м и (4.5-6)10^-7 А/м.

Вернуться к оглавлению

Применение высокочастотного комплексного магнитного каротажа с аппаратурой ВКМК-1 при поисках и разведке кимберлитовых трубок в районах развития траппов

Сараев А.К.,¹ Гарат М.Н.,² Терехов А.В.¹, Ивочкин В.Г ¹., Гречин П.Ю.^3
1 Институт земной коры Санкт-Петербургского государственного университета, Россия, 199034, Санкт-Петербург, Университетская наб., 7 / 9
² Якутское научно-исследовательское геологическое предприятие ЦНИГРИ, Россия, г. Мирный
³ Институт геофизики АН Украины, Украина, г. Киев

Разработана аппаратура высокоточного комплексного магнитного каротажа ВКМК-1, предназначенная для одновременных измерений магнитной воспр параметры, характеризующие остаточную намагниченность и структурно-текстурные особенности пород. В отличие от поочередных одновременные измерения не требуют увязки диаграмм c и DZ по глубинам. Это увеличивает достоверность исключения влияния c пересеченных скважиной пород при интерпретации боковых и призабойных аномалий магнитного поля и точность определения комплексных параметров среды.
С использованием аппаратуры ВКМК-1 на объектах Якутской алмазоносной провинции могут решаться следующие задачи:
- определение геологической природы наземных магнитных аномалий и комплексных аномалий гравимагнитной съемки;
- опоискование околоскважинного и подзабойного пространства с выделением магнитовозмущающих объектов и оценкой расстояния до них;
- оконтуривание выявленных намагниченных объектов (кимберлитовых трубок, трапповых силлов, штоков, даек);
- расчленение разрезов поисковых скважин, выделение интервалов выветрелых и плотных траппов, дифференциация в разрезах скважин базальных горизонтов и маломощных апофиз траппов, корреляция разрезов между скважинами;
- картирование пород траппового комплекса по магнитной восприимчивости, знаку намагниченности пород и величине факторов Q_z (отношений вертикальных составляющих остаточной и индуцированной намагниченности);
- разведка кимберлитовых трубок сложного строения (многофазных, с различными типами кимберлита, перекрытых и интрудированных траппами разного знака и величины намагниченности);
- определение параметров c и факторов Q_z пород для уточнения моделей объектов исследования и интерпретации данных наземной и аэромагниторазведки.
Основные технические характеристики аппаратуры ВКМК-1 : диапазон измерений c 1*10^-5... 0,25 ед.СИ, основная погрешность измерений c ± (0,05 c + 1*10^-5) ед. СИ, диапазон измерений DZ 5 ... 20000 нТл, основная погрешность измерений DZ ±(0,05 DZ+ 5 ) нТл, диаметр скважинного прибора 60 мм, глубина исследуемых скважин до 2000 м.
Помимо поисков и разведки кимберлитовых трубок применение высокоточного комплексного магнитного каротажа перспективно при изучении золоторудных месторождений в черносланцевых толщах, корреляции разрезов нефтяных скважин в районах развития пород траппового комплекса и на других слабомагнитных объектах, где распространены породы с повышенной остаточной намагниченностью.

Вернуться к оглавлению

Структура электромагнитного поля СНЧ-радиоустановки

 А.К.Сараев, П.М.Косткин
Институт земной коры Санкт-Петербургского государственного университета, Россия, 199034, Санкт-Петербург, Университетская наб., 7 / 9

Одним из перспективных направлений глубинной электроразведки является использование СНЧ-радиоустановки как источника гармонически изменяющегося электромагнитнго поля для проведения сверхнизкочастотных зондирований. При расчетах и анализе структуры электромагнитного поля антенная система радиоустановки аппроксимируется заземленным на концах кабелем конечной длины. На относительно небольших расстояниях от данного источника расчеты нормальных полей могут производиться по низкочастотным формулам для полупространства, а при удалении необходимо использовать решение задачи с учетом токов смещения и влияния ионосферы.
Для частоты 80 Гц, удельного сопротивления земли и ионосферы соответственно 10⁴ и 10⁵ Ом/м, длины антенны 60 км и высоты ионосферы 90 км расчеты с учетом токов смещения для составляющих Е_Х и Н_У (ось х направлена вдоль, а ось у - вкрест кабеля) необходимы начиная с расстояний 300 км по направлению вкрест и 600 км по направлению вдоль кабеля, а влияние ионосферы следует учитывать начиная с расстояний 100 км по направлению вдоль и 200 км по направлению вкрест кабеля. Оценки приведены для 10% отличий соответствующих значений составляющих поля.
При расчетах по низкочастотным формулам для указанных выше параметров и удалении на расстояние более 200 км составляющие Е_Х и Н_У по направлению вкрест кабеля в два раза превосходят соответствующие значения для направления вдоль кабеля. Наоборот, при расчетах с учетом токов смещения и влияния ионосферы составляющие Е_Х и Н_У начиная с расстояния 600 км по направлению вдоль кабеля превышают соответствующие значения для направления вкрест кабеля (в пять раз на расстоянии 3000 км). Эти особенности диаграммы направленности СНЧ-радиоустановки подтверждаются данными экспериментальных измерений.
По результатам расчетов выделены области около кабеля, в которых при определении эффективного сопротивления r по импедансам Е_Х/Н_У и Е_Х/Н_У можно использовать приближение плоской волны. Для импеданса Е_Х/Н_У благоприятными при определении  являются области, расположенные в экваториальной части и вдоль кабеля и удаленные от кабеля (по оси у) или от заземления (по оси х) для указанных параметров на расстояние свыше 30 км. Для импеданса Е_Х/Н_У благоприятными при определении r являются области, расположенные под углами 45^О относительно кабеля. Влияние ионосферы приводит к сужению благоприятных областей для импеданса Е_Х/Н_У по направлению вкрест кабеля и к расширению этих областей по направлению вдоль кабеля.

Вернуться к оглавлению

Перспективы комплексирования АМТ- и СНЧ-зондирований

М.И.Пертель, М.М.Харламов, А.К.Сараев, А.Б.Кочеров
Институт земной коры Санкт-Петербургского государственного университета, Россия, 199034, Санкт-Петербург, Университетская наб., 7 / 9

Аудиомагнитотеллурическое (АМТ) поле формируется многими источниками, находящимися с разных сторон относительно точки наблюдения, и в однородной изотропной среде характеризуется примерно равными амплитудами электрического Е и магнитного Н полей по различным направлениям. Составляющие Е и Н гармонически изменяющегося электромагнитного поля сверхнизкочастотной (СНЧ) радиоустановки с горизонтально расположенной в широтном направлении и заземленной на концах антенной поляризованы линейно или эллиптически в зависимости от расстояния точки наблюдения от источника. При проведении измерений в неоднородных средах кривые АМТ- и СНЧ-зондирований могут не совпадать. Величина различия в двухмерно неоднородных средах зависит от направления геоэлектрической неоднородности и азимута расположения измерительной установки. Эти различия кривых содержат информацию о геоэлектрических особенностях среды в точке измерений и могут быть использованы при интерпретации данных. Совпадение кривых АМТЗ и СНЧЗ говорит о совпадении осей неоднородности с азимутами ортогональных электрической и магнитной приемных антенн, что позволяет контролировать правильность ориентации измерительной установки при проведении АМТЗ с двухкомпонентной аппаратурой “скалярного” типа. Полученные практические примеры иллюстрируют характер кривых АМТЗ и СНЧЗ в неоднородных средах.
Для СНЧ-радиоустановки надежно установлены области, где при определении эффективного сопротивления можно использовать аппроксимацию поля плоской вертикально падающей волной. Комплексирование АМТ- и СНЧ-зондирований дает возможность контролировать соответствие получаемых импедансов естественного электромагнитного поля импедансу плоской волны. Контроль этого соответствия является весьма важным условием достоверной интерпретации данных АМТЗ, особенно в условиях высоких широт с ближними ионосферными источниками.
В неблагоприятных для АМТЗ условиях (значительный уровень промышленных помех, ближние грозы) работы методом СНЧЗ позволяют получать качественные материалы, пригодные для дальнейшей интерпретации.

Вернуться к оглавлению

Экспериментально-теоретические исследования особенностей поляризации электромагнитного поля СНЧ-радиоустановки

А.К.Сараев, В.Г.Ивочкин, П.М.Косткин, А.Б.Кочеров 
Институт земной коры Санкт-Петербургского государственного университета, Россия, 199034, Санкт-Петербург, Университетская наб., 7 / 9

Для изучения особенностей поляризации электромагнитного поля расположенной на Кольском п-ве СНЧ-радиоустановки выполнены экспериментальные круговые измерения на различном расстоянии от источника: на Кольском п-ве (точка Апатиты, расстояние 150 км), в Карелии (Вокнаволок, 470 км), на Карельском перешейке (Вуокса, 950 км). Измерялись составляющие полей Е и H на частоте 80 Гц с шагом по углу поворота 15-30^О. В результате установлено, что для точки Апатиты характерна эллиптичность поляризации (отношение b/a, b - малая, а -большая полуоси эллипса поляризации) 0.2 для Е и 0.07 для H. С удалением от источника значения b/а возрастают и составляют в точке Вокнаволок 0.25 для Е, а в точке Вуокса 0.3 для Е и H.
Результаты измерений сопоставлялись с расчетными данными, полученными с использованием разработанных программных средств на основе решения задачи о поле кабеля с учетом токов смещения в плоском волноводе “земля-ионосфера”. По результатам расчетов установлено, что эллиптичность поляризации для Е и H в каждой точке совпадает и равна в точке Апатиты 0.026, в точке Вокнаволок 0.22 и в точке Вуокса 0.32. Без учета влияния ионосферы расчетные значения b/а для указанных точек соответственно равны 0.0017, 0.052, 0.12. При использовании решения задачи о поле кабеля без учета токов смещения для полупространства по результатам расчетов во всех точках получается линейная поляризация полей Е и H (b/а = 0).
Сопоставление экспериментальных и расчетных данных показывает хорошее их совпадение в точках Вуокса и Вокнаволок, и достаточно близкое совпадение для H в точке Апатиты. Различия значений b/а для Е в точке Апатиты вызвано влиянием неоднородностей среды в точке измерений, которое проявляется в большей степени для электрического, и в меньшей степени для магнитного поля. Полученные результаты свидетельствуют о возрастающей эллиптичности поляризации электрического и магнитного поля СНЧ-радиоустановки с удалением точки наблюдения от источника. Совпадающие экспериментальные и расчетные значения b/а полей Е и H для точек Вуокса и Вокнаволок говорят о том, что степень эллиптичности поляризации зависит прежде всего от особенностей их распространения в волноводе “земля-ионосфера” на большом удалении от источника и только затем от влияния неоднородностей среды в точке приема (влияние неоднородностей среды проявляется, как показывает опыт работ, в нарушении ортогональности осей эллипсов поляризации полей Е и H за счет разворота поля Е).

Вернуться к оглавлению

Программные средства для расчетов электромагнитного поля СНЧ-радиоустановки в плоском волноводе “Земля - Ионосфера”

П.М.Косткин, О.М.Морозова, А.К.Сараев 
Институт земной коры Санкт-Петербургского государственного университета, Россия, 199034, Санкт-Петербург, Университетская наб., 7 / 9

Антенная система СНЧ-радиоустановки представляет собой горизонтально расположенную в широтном направлении и заземленную на концах линию электропередачи длиной около 60 км. Режим работы - гармонический, диапазон рабочих частот - от первых десятков до первых сотен герц.
Для проведения расчетов электромагнитного поля антенная система аппроксимируется заземленным на концах кабелем конечной длины, помещенным на нижнюю границу плоского волновода - слоя между двумя полупространствами ( землей и ионосферой ). Получено полное решение и разработаны программы вычисления составляющих электромагнитного поля диполя и кабеля с учетом удельных сопротивлений и диэлектрических проницаемостей всех трех слоев (земли, воздуха, ионосферы) и токов смещения. Поле кабеля находится интегрированием по длине кабеля составляющих поля диполя. В программах производится численное интегрирование комплексных выражений, содержащих осциллирующие функции Бесселя. Относительная погрешность вычисления - 10^-9.
Необходимость решения задачи с учетом волнового числа воздуха k₀r обусловлена тем, что даже для сверхнизких частот при очень больших расстояниях r ( сотни-тысячи километров) вклад членов в общем решении задачи, содержащих сомножители k₀r, является весьма значительным.
Исследованы особенности подынтегральных функций при ненулевых значениях k_O . На основе выполненных расчетов установлены области, в которых может использоваться аппроксимация антенной системы вместо кабеля диполем. C отличием менее 10 % эти области расположены на расстояниях более 100 км по направлению вкрест кабеля и более 150 км - вдоль кабеля (для частоты 80 Гц, удельных сопротивлений земли и ионосферы соответственно 10⁴ и 10⁵ Ом/м и высоты ионосферы 90 км).

Вернуться к оглавлению

Метод радиоэлектромагнитного профилирования и аппаратура ИПИ-30

Условия применения метода

Метод радиоэлектромагнитного профилирования (метод РЭМП) [1,7] применяется с целью изучения разрывной и блоковой тектоники и картирования геологических образований, отличающихся по удельному электрическому сопротивлению. Положительные результаты использования метода получены при решении задач геологического картирования, поисках и разведке месторождений полезных ископаемых, а также при решении инженерно-геологических, гидрогеологических, электротехнических, экологических и других прикладных задач. Благоприятными условиями применения метода при картировании коренных пород являются высокое удельное сопротивление покровных отложений и малая мощность последних. В связи с этим особенно перспективно применение метода в районах распространения многолетней мерзлоты, а также в районах с малой мощностью четвертичных отложений относительно высокого удельного сопротивления. Здесь исследования имеют наибольшую глубинность, которая достигает ста метров, и наименьшую зависимость результатов измерений от колебаний удельного сопротивления покровных рыхлых отложений.
В районах распространения покровных горных пород низкого удельного сопротивления метод обладает малой глубинностью порядка первых единиц. Наибольшая глубинность обеспечивается использованием сверхдлинноволновых радиостанций с частотами 10-30 кГц.
Метод РЭМП имеет ограниченное применение вблизи линий электропередач, электрофицированных железных дорог, мощных радиостанций и других источников индустриальных помех.
В методе РЭМП изучают модуль и фазу поверхностного импеданса электромагнитного поля широковещательных и специальных радиостанций Z= Е_x/Н_y, где Е_x и Н_y - горизонтальные составляющие электрического и магнитного полей. Результаты измерений представляют в виде эффективного сопротивления, вычисленного через модуль импеданса, и фазы импеданса:

r _i =[ Z ] ² / 2 p f m _o = K* (U_E/U_H)² ;

j _Z= j _E - j _H,

где f - частота в Гц, m _i = 4 p 10^-7 Гн/м, Е_x и Н_y - напряжение на выходе измерителя, пропорциональные амплитудам Е_x и Н_y , К - коэффициент установки, зависящий от частоты, длины приемной электрической антенны и чувствительности магнитной антенны. Величина коэффициента установки определяется в эталонных кольцах Гельмгольца и является паспортной характеристикой используемого комплекта аппаратуры.
Полевые работы методом РЭМП проводятся аппартурой, разработанной в НИИ земной коры СПб гос. университета. Выпускается аппаратура в СПб гос. университете. Шифр аппаратуры ИПИ-30 (измеритель поверхностного импеданса на диапазон СДВ частот). Имеются также разработки на диапазоны частот 10-300 кГц (ИПИ-300) и 10-1000 кГц (ИПИ-1000) [4].

Состав аппаратуры

- двухканальный микровольтметр
- фазометр - магнитная антенна
- электрическая антенна

Технические характеристики ИПИ-30

Полевые измерения

Полевые измерения проводятся с использованием как незаземленной, так и заземленной приемной электрической антенны. Рекомендуемая длина незаземленной симметричной антенны - 2-10 м или 2-20 м. Длина заземленной антенны - 10 или 20 метров.
Полевая бригада состоит из 2 человек. Время измерений на пикете составляет единицы секунд. Производительность полевых работ методом РЭМП в 3-5 раза выше, чем производительность работ методом симметричного профилирования с разносом питающих электродов до 50 м.
Кроме пешеходного варианта в НИИ земной коры имеется законченная и испытанная разработка автомобильного варианта метода РЭАМ [2]. В этом случае запись результатов измерений проводится на самописец типа Н-3020/3 с протяжкой от троса, подключенного к раздаточной коробке автомашины. Этот же вариант может быть реализован на конной тяге, и его можно отнести к экологически чистому методу высокой производительности

Радиостанции диапазона СДВ для различных районов полевых работ [3].

Примеры применения РЭМП

А. Сопоставление методов РЭМП и симметричного профилирования (СП).

Участок работ расположен на мысе Орловском (восточная оконечность Кольского полуострова). Разрез сложен красноцветными песчаниками, биотит-актинолитовыми сланцами, дайками метагаббро-диабазов. В пределах участка широко развита разрывная тектоника. Четвертичные отложения имеют малую мощность, достигающую 1-2 м в понижениях рельефа местности. При работах методом РЭМП изучалось электромагнитное поле радиостанции с частотой 15,1 кГц, раположенной во Франции. Растояние между профилями составляло 50 м, наблюдения проводились с шагом 5 м. Результаты наблюдений в виде графиков приведены на рис.1. Наблюдения методом симметричного профилирования проводились с разносами питающих электродов 60 и 90 м.
Анализ результатов полевых работ показал, что величины эффективного сопротивоения rм метода РЭМП и кажущегося сопротивления r_к метода СП весьма близки. Для удобства рассмотрения на приведенном рисунке графики каждого из сравниваемых методов смещены на 0.5 порядка. На участках профилей между пикетами 120-130 величины rм в 2-4 раза выше, чем величины r_к. Это связано с тем, что на данном участке наблюдается наибольшее удельное сопротивление горных пород, достигающее 105 Омм, и глубинность метода РЭМП несколько выше глубинности метода симметричного профилирования. На участках профилей в районе пикетов 100-120 удельное сопротивление горных пород имеет относительно низкую величину 100-1000 Омм, и здесь кажущиеся r_к и эффективное rм сопротивления практически совпадают.

Б. Сравнительная оценка возможностей метода РЭМП, срединного градиента (СГ) и дипольного профилирования (ДП).

Полевые работы проводились вблизи Тындинского участка трассы БАМ при геолого-съемочных работах [5]. Измерения методом РЭМП проводились на частоте 22,3 кГц от радиостанции, расположенной в Австралии. Измерения методом СГ проведены с использованием питающей линии длиной 2000 м, приемной линии - 20 м. В методе ДП использовалась осевая установка градиента с разносом между центрами питающего и приемного диполей 50 м при размере диполей 5 м. Расстояние между точками наблюдений составляло 20 м. Результаты измерений по одному из профилей приведены на рис. 2. На части профиля от нулевого до сотого пикета распространены гнейсы и сланцы, а также прослои магнетитовых кварцитов. В районе пикетов 70 и 100 по результатам дешифрирования космо- и аэрофотоматериалов установлены разрывные нарушения. Между пикетами 100 и 130 залегает толща гидротермально измененных пород. На участке профиля от 130 до 200 пикета распространены метаморфические породы архейского возраста. Коренные породы перекрыты чехлом рыхлых отложений мощностью порядка 10 м. Рыхлые отложения находятся в мерзлом состоянии, мощность талого слоя составляет 20-50 см.
Приведенный рисунок иллюстрирует схожий характер графиков rм и r_к используемых установок. Более высокий уровень r_к метода ДП по сравнению с rм метода РЭМП и r_к метода СГ связан с большим влиянием на результаты ДП поверхностного горизонта мерзлых рыхлых отложений высокого удельного сопротивления мощностью порядка 10 м ввиду малого размера установки. Сравнивая графики r_к метода СГ с графиками rм, можно заметить их близкое совпадение на участке профиля от 0 до 100 пикета. В районе пикетов 130-190 значения rм выше, чем r_к метода СГ. Последнее объясняется тем, что коренные породы имеют здесь относительно низкое удельное сопротивление, и рыхлые мерзлые отложения высокого удельного сопротивления влияют на результаты РЭМП в большей степени, чем на результаты метода СГ.

В. Применение метода РЭМП при инженерно-геологических исследованиях.

Инженерно-геологические работы с использованием метода РЭМП проведены на ограждающих дамбах шламонакопителей промышленной зоны r. Березники Пермской области [6]. Задачей работ являлась локализация мест утечек через дамбы. Предпосылкой применения электроразведочных методов явилось большое различие удельных сопротивлений грунта, пропитанного рассолами, и грунта с поровой влагой естественной минерализации. Пример применения метода РЭМП дан на рис. 3. Измерения проводились на частоте 15,1 кГц с шагом 5 м. На участке "А" профиля величины rм имеют малый диапазон изменения и равны 16-20 Омм; на участке "Б" наблюдаются резкие колебания rм, достигая в минимуме 2 Омм. По визуальным наблюдениям на части "Б" профиля с внешней стороны дамбы наблюдаются протечки рассолов из шламонакопителя. По одному из шламонакопителей периметром 3700 м методом РЭМП выявлены 7 участков высокго уровня фильтрации общей длинной 1100 м. Комплексирование метода РЭМП с наблюдениями скорости фильтрации растворов в скважинах методом Гринбаума позволил дать достаточно точную оценку объема фильтрующихся растворов.

Список литературы

1. Инструкция по электроразведке. Л., 1984, 352 с.
2. Яковлев А.В. и др. Установка для непрерывных измерений методом РЭМП. - В кн. Геофизич. аппаратура, 1977, вып.63, с. 12-18.
3. Барышникова И.А., Иванюсь М.М., Коренькова Н.И. Электроразведочный канал комплексной аэрогеофизической станции СКАТ-77. - В кн. Геофизическая аппаратура, 1985, вып. 83., с. 109-119.
4. Парфентьев П.А., Пертель М.И. Измеритель поверхностного импеданса на СДВ-СВ диапазон. - Низкочастотный волновод «Земля-ионосфера», Алма-Ата, Голым, 1991, с.133-135.
5. Пертель М.И., Круль Э.Л. Применение метода РЭМП при проверке результатов дешифрирования аэро- и космоснимков. - Вестн. Ленингр. ун-та. Сер. 7: Геология, география, 1984. Вып. № 6, с. 85-89.
6. Леонов В.В., Пертель М.И., Порецкий М.Л. Опыт применения электоразведочных методов при оценке фильтрационной стойкости дамб шламонакопителей. Вестн. ЛГУ. Геол., геогр. Л., 1990. Деп. в ВИНИТИ 07,08.90., № 4498-В90.
7. Crossley D. J. The theory of EM surface wave impedance measurements; in Geophysical Applications of Surface Wave Impedance Measurements, L.S. Collett and O.G. Jensen editors; Geologisal Survey of Canada, Paper 81-15, p. 1-17, 1981.

Вернуться к оглавлению

Экспериментальные исследования электромагнитного поля СНЧ-радиоустановки для целей мониторинга сейсмической активности на Северном Кавказе

А.К. Сараев, М.И. Пертель, П.А. Парфентьев, В.Е. Прокофьев, М.М. Харламов
Институт земной коры Санкт-Петербургского государственного университета, Санкт-Петербург, Россия, 199034, Санкт-Петербург, Университетская наб., 7 / 9

Введение

В общем комплексе методов, нацеленных на прогнозирование землетрясений, важное место занимают электромагнитные зондирования с повышенной глубинностью исследований, позволяющие получать информацию об изменениях удельного электрического сопротивления r горных пород на достаточно больших глубинах, где не проявляется влияние сезонных факторов, а также можно ожидать более заметных вариаций величин r за счет приближения к области формирующегося очага землетрясения. Результаты геоэлектрических исследований [Барсуков, Сорокин, 1973] показывают, что изменения кажущегося сопротивления r_к обычно наблюдаются в период времени от нескольких месяцев до нескольких дней перед землетрясением, и применение этих методов ориентировано на средне- и краткосрочный прогноз землетрясений.
Величины вариаций r_к в периоды подготовки землетрясений, установленные по результатам глубинных зондирований, составляют от нескольких до 10-20 %. Вариации r_к могут отражать как изменения удельного сопротивления горных пород на глубине, и они должны возрастать при увеличении глубинности используемых методов по мере приближения области исследования к формирующемуся очагу землетрясения, так и изменения r в тензочувствительных зонах, отражающих реакцию геологической среды на процессы подготовки землетрясений. Учитывая то обстоятельство, что объекты электромагнитных исследований (тензочувствитель-ные зоны, области, близкие к формирующимся очагам землетрясений) имеют ограниченные размеры и могут располагаться на различных, в том числе и на достаточно больших глубинах, изменения удельного сопротивления горных пород непосредственно в этих областях могут быть более значительными по сравнению с наблюдаемыми на поверхности земли вариациями кажущегося сопротивления. Наиболее заметные изменения r_к должны отмечаться при оптимальном расположении систем наблюдений относительно тензочувствительных зон и областей формирующихся очагов землетрясений и достаточной глубинности исследований. Однако, установки используемых методов не всегда будут располагаться оптимальным образом и сами методы могут иметь недостаточную глубинность, поэтому для регистрации относительно небольших изменений величин r_к при мониторинге сейсмической активности необходимо обеспечить высокую точность измерений (не менее десятых долей - первых единиц процентов).
В 70-80 - х годах для целей прогноза землетрясений проводились работы методами частотного зондирования (ЧЗ) и зондирования становлением поля (ЗС) с использованием электромагнитных полей МГД-генераторов и мощных электроимпульсных систем [Журавлев, Зейгарник, Сидорин, 1992; Проявление геодинамических процессов ..., 1993]. С помощью таких источников удавалось достичь в одиночных импульсах величин тока до нескольких тысяч ампер, что обеспечивало высокую помехозащищенность измерений и давало возможность получить необходимую глубинность исследований. Благодаря этим работам глубинные электромагнитные зондирования вошли в настоящее время обязательной составной частью в систему сейсмологических наблюдений и прогноза землетрясений [Соболев, 1993; Федеральная система сейсмологических наблюдений..., 1995].
Вместе с тем, использование импульсных источников позволяет получать с достаточно высокой точностью только небольшие фрагменты кривых ЧЗ, которые соответствуют первым гармоникам спектров частот и большим значениям отношений сигнала к помехе. Для других частей кривой ЧЗ погрешность определения r_к может достигать 10 и более процентов [Проявление геодинамических процессов ..., 1993], что превышает допустимые при мониторинге сейсмической активности пределы. Из-за отсутствия высоких частот в спектрах зондирующих импульсов для изучения верхней части разреза приходится использовать малоглубинные модификации электрических зондирований. Следует отметить и такую особенность работы генераторов МГД-генераторов, как неповторяемость формы импульсов тока в источнике. В результате существенно снижается возможность их использования для режимных наблюдений за вариациями удельного сопротивления горных пород при решении прогностических задач.

Вернуться к оглавлению

Предпосылки использования СНЧ-радиоустановки для мониторинга сейсмической активности

Опыт применения методов электроразведки переменным током показывает, что высокую точность измерений в широком диапазоне частот можно обеспечить при использовании гармонически изменяющихся электромагнитных полей контролируемых источников. Значительные перспективы для мониторинга сейсмической активности имеет применение в качестве источника электромагнитного поля мощной сверхнизкочастотной (СНЧ) радиоустановки, расположенной на Кольском п-ве [Panfilov, Pesin, Saraev at al., 1992].
СНЧ-радиоустановка состоит из генератора синусоидального тока и горизонтально расположенной, ориентированной в широтном направлении и заземленной на концах антенны длиной около 60 км. Величина тока в антенне достигает 300 А. В настоящее время радиоустановка может излучать сигналы сверхнизких частот в диапазоне от 30 до 200 Гц. В дальнейшем планируется расширение частотного диапазона в сторону крайне низких частот до 0,1 Гц. С помощью СНЧ-радиоустановки возможно проведение работ методом сверхнизкочастотного зондирования (СНЧЗ) на основе измерений сигналов источника по сетке частот, и методом сверхнизкочастотного профилирования (СНЧП) на одной частоте .
При использовании таких источников имеется принципиальная возможность достичь требуемой точности измерений в десятые доли - первые единицы процентов. Применение гармонически изменяющихся полей позволяет обеспечить за счет синхронного накопления необходимую помехоустойчивость измерений. Преимуществом использования СНЧ-радиоустановки при мониторинге сейсмической активности по сравнению с другими методами электромагнитных зондирований (с помощью МГД-генератора, с использованием естественных полей) является свойство стационарности поля данного источника. При этом для получения необходимой точности измерений можно использовать требуемую длительность накопления. По сравнению с зондированиями на постоянном токе, в которых меняются разносы установки и соответственно условия в районе приемных электродов, применение СНЧ-радиоустановки позволяет реализовать такое преимущество частотных зондирований, как сохранение идентичности условий в одной точке измерения.
Нормальное поле заземленного кабеля конечной длины или горизонтального электрического диполя, которыми может быть аппроксимирована антенная система СНЧ-радиоустановки, достаточно полно теоретически исследовано, что дает возможность использовать для определения кажущегося сопротивления различные характеристики поля (отдельные составляющие, отношения составляющих электрического или магнитного поля, импедансы), а также позволяет изучать возможные в процессе подготовки землетрясения изменения пространственной ориентировки векторов электрического и магнитного полей. Для гармонически изменяющихся полей детально разработаны теоретические основы метода частотных зондирований как для ближней, так и для дальней зоны, и это позволяет выполнять достоверную интерпретацию результатов зондирований. Использование сверхнизких частот обеспечивает достаточно большую глубинность исследования, при которой практически исключается влияние мешающих сезонных факторов, а в благоприятных условиях (районы развития пород с высоким удельным электрическим сопротивлением) могут изучаться части разреза, приближающиеся к области подготовки землетрясения. Измерения сверхнизкочастотных электромагнитных полей, характеризующихся значительной мощностью скин-слоя, дают возможность получать интегральные, достаточно устойчивые характеристики больших объемов пород, что повышает надежность прогноза.
СНЧ-радиоустановка является достаточно мощным источником и ее электромагнитное поле может быть измерено на весьма обширных территориях во всех сейсмоопасных районах России. Это позволяет обеспечить прогностические полигоны однотипной приемной аппаратурой и выполнять измерения и обработку результатов на единой методической основе с единой формой представления результатов. Важным обстоятельством широкого использования СНЧ-радиоустановки при мониторинге является относительно невысокая стоимость работы источника (на конец 1995г. - около 30 тыс.руб. на один сеанс длительностью 8 мин.). Методически необходимым и экономически целесообразным является использование сети наблюдательных станций, при разворачивании которой стоимость излучения СНЧ-радиоустановки для одной точки существенно снижается.
Для оценки возможностей метода СНЧЗ с использованием СНЧ-радиоустановки при мониторинге сейсмической активности в декабре 1995 г. были проведены экспериментальные работы на Кавминводском прогностическом полигоне (г.г. Пятигорск, Ессентуки, Кисловодск). Работы были поставлены по инициативе МЧС России. Организация экспериментальных работ проводилась совместно с Центром международного сотрудничества в области экологии (Центром ИНЭНКО) и Российским институтом мощного радиостроения (РИМРом). Непосредственно полевые экспериментальные исследования и обработка результатов выполнялись специалистами Института земной коры Санкт-Петербургского университета при содействии сотрудников Центра “Геон” и его Южного филиала. Задачами работ было изучение возможностей и особенностей регистрации сигналов СНЧ-радиоустановки на Северном Кавказе, оценка временной стабильности сигналов данного источника и возможности его использования для мониторинга сейсмической активности.  

Вернуться к оглавлению

Измерительная аппаратура

При проведении работ использовался двухканальный вариант созданной в НИИЗК СПбГУ аппаратуры корреляционных функций АКФ (прибор АКФ-2) метода аудиомагнитотеллурического зондирования (АМТЗ). Аналоговая часть аппаратуры представлена двумя усилителями, имеющими ступенчатое переключение аттенюации и возможность подавления сигналов промышленных частот режекторными фильтрами, что обеспечивает линейное преобразование входных сигналов амплитудой от 1 мкВ до 0.3В в полосе частот от 0.1 до 12800 Гц. В цифровой части аппаратуры производится накопление автокорреляционных функций К_EE(t ) и К_НН(t ), связанных с горизонтальными составляющими электрического и магнитного полей, а также их взаимной корреляционной функции К_EН(t ). Параметры накопления таковы, что при частоте дискретизации 500 Гц рассчитываются спектры этих функций с разрешением 0.1 Гц в полосе шириной 50 Гц или с разрешением 1.6 Гц в полосе шириной 800 Гц. С помощью Фурье-преобразования через корреляционные функции находятся энергетические спектры S_EE(f) и S_НН(f), по которым определяются значения модулей импеданса [Z] и кажущихся сопротивлений r_к . Фаза импеданса j _z вычисляется по реальной и мнимой частям взаимной спектральной плотности сигналов S_ЕН(f). Для оценки доли некогерентной части в изучаемых сигналах вычисляются значения коэффициента когерентности G_ЕН . Величины коэффициентов когерентности позволяют оценивать достоверность получаемых результатов. Для измерения магнитного поля при проведении работ использовался индукционный датчик с уровнем собственных шумов на частоте 10 Гц не более 17 фТл/Гц1/2. Длина приемной линии для регистрации электрического поля составляла 100 м.

Вернуться к оглавлению

Характеристика района работ и условий измерений 

Район, в котором производились экспериментальные работы, находится на расстоянии 2700 км от СНЧ-радиоустановки (рис. 1) и расположен вблизи экваториальной зоны антенной системы (угол между ориентировкой антенны и направлением на г. Пятигорск составляет около 70⁰ ).
Полевые экспериментальные работы выполнялись в период с 14 по 20 декабря 1995 г. утром с 11.00 до 12.08 и вечером с 15.00 до 16.08 на частотах 31.2 ; 41.6 ; 62.5 ; 83.3 ; 125.0; 166.6 Гц , излучавшихся последовательно по 8 мин. с паузами по 4 мин. В статье анализируются результаты измерений поля СНЧ-радиоустановки в двух точках: № 2 (поселок им. Чкалова), расположенной на расстоянии 15 км в северо-западном направлении от г. Ессентуки и № 4 (поселок Лысогорская), расположенной на расстоянии 15 км в восточном направлении от г. Пятигорск.
В районе точки № 2 осадочные отложения чехла мощностью около 1200 м представлены песчаниками, аргиллитами, известняками, мергелями мел-палеогенового возраста. Удельное сопротивление этих отложений по данным ВЭЗ меняется от единиц до десятков омметров. Фундамент, сложенный гранитами и гранодиоритами палеозойского возраста, имеет удельное сопротивление несколько тысяч омметров.
В районе точки № 4 общая мощность осадочных отложений чехла, представленных песчаниками, аргиллитами, известняками, мергелями, глинами и суглинками юрского-неогенового возраста, составляет около 2500 м. Для верхней части разреза мощностью около 700 м характерны значения удельного сопротивления единицы омметров, а нижняя часть осадочной толщи имеет удельное сопротивление от единиц до нескольких десятков омметров. Фундамент в районе точки № 4 представлен сланцами карбонового возраста с удельным сопротивлением десятки омметров.
На всех точках выполнялись исследования методом АМТЗ с четырехканальной (тензорной) аппаратурой АКФ-4. По результатам зондирований было отмечено отсутствие различий для максимальной и минимальной кривых r_к , что говорит об отсутствии неоднородностей в горизонтальном направлении и достаточность использования при измерениях полей СНЧ-радиоустановки двухканальной (скалярной) аппаратуры АКФ-2.
По данным АМТЗ в точке № 2 установлен трехслойный, а в точке № 4 - двухслойный тип геоэлектрического разреза со следующими значениями удельных сопротивлений и мощностей пластов :

Перед началом измерений полей СНЧ-радиоустановки были изучены спектры промышленных помех в районе работ. Такие исследования необходимы в связи с тем, что пункты комплексных наблюдений полигона нередко размещаются вблизи или непосредственно в населенных пунктах, и для оценки возможности мониторинга, а также получения гарантий надежной работы измерительной аппаратуры следует удостоверится, что уровень промышленных помех не превышает допустимых пределов, при которых сложно обеспечить необходимую точность измерений, и даже могут наблюдаться нелинейные искажения в усилительных трактах.
На рис.2 представлены результаты измерений относительных значений спектральных плотностей мощности (СПМ) горизонтальных составляющих электрического Е(f) и магнитного H(f) полей в диапазоне частот 0-800 Гц, выполненных с помощью аппаратуры АКФ-2 в точке № 2. Как видно из рисунка, на спектрах Е и H проявляются, в основном, нечетные гармоники промышленной частоты 50 Гц. На частоту 50 Гц в аппаратуре установлен режекторный фильтр с коэффициентом подавления 40 дб, тем не менее и на данной частоте выделяются сигналы значительной амплитуды. Однако, в спектре электромагнитного поля имеются спокойные участки, не искаженные промышленными помехами, и эти частотные диапазоны могут быть использованы для измерений повышенной точности.
Оценка отсутствия искажений спектров за счет влияния полей искусственных источников и других помех в выбранных точках измерений качественно производилась нами по характеру регистрации глобальных резонансов естественного электромагнитного поля. Эти резонансы возникают в сферическом волноводе “земля-ионосфера” в частотном диапазоне от единиц до десятков герц, когда длина волны в воздухе соизмерима с длиной окружности Земли. Впервые они были теоретически предсказаны В.О. Шуманом в 50-х годах и затем обнаружены экспериментально. Опыт наших работ с различными модификациями аппаратуры АКФ показывает, что анализ характера записи “шумановских” резонансов необходим для контроля нормальной работы аппаратуры. Как видно из рис.3, в утреннем и вечернем сеансах измерений резонансные максимумы спектров электрического поля не имеют искажений, при этом уровень сигналов повышается от утреннего к вечернему сеансу.

Анализ экспериментальных данных

Одной из главных задач экспериментальных работ было изучение возможностей регистрации составляющих электромагнитного поля на достаточно большом удалении от СНЧ-радиоустановки в экваториальной зоне антенной системы в направлении, близком к минимуму диаграммы направленности данного источника [Cараев, Косткин, 1997]. На рис.4 приведены результаты измерений полей СНЧ-радиоустановки в точке № 4 на частотах 125,0 Гц и 166,6 Гц. Из рисунка видно, что более уверенно выделяется сигнал на частоте 166,6 Гц, что связано с более низким уровнем естественного электромагнитного поля на более высоких частотах.
Более благоприятным временем для выделения сигналов СНЧ-радиоустановки были утренние сеансы. Во время вечерних сеансов возрастал уровень естественных электромагнитных полей и сигналы радиоустановки проявлялись менее контрастно.
Значения СПМ изучаемых сигналов Е и H СНЧ-радиоустановки и их превышения над уровнем естественных полей D E и D H приведены в таблице.
Относительные значения спектральных плотностей мощности сигналов Е и H СНЧ- радиоустановки и их превышения D E и D H над уровнем естественных электромагнитных полей, дБ

Анализ приведенных данных показывает, что для электрического и магнитного полей превышения СПМ D E и D H примерно одинаковые и составляют для частот 125.0 Гц и 166.6 Гц 6.4-11 дБ во время утренних и 5-8.4 дБ во время вечерних сеансов. На низких частотах сигналы СНЧ-радиоустановки регистрируются менее уверенно и для частот 62.5 Гц и 83.3 Гц превышения D E и D H составляет примерно 2.6 - 4.1 дБ во время утренних и 1.3-2.9 дБ во время вечерних сеансов.
Приведенные материалы показывают возможности использовавшейся аппаратуры АКФ-2 с разрешением по частоте 0.1 Гц при выделении сигналов СНЧ-радиоустановки в условиях Северного Кавказа. Увеличения соотношения сигнал/шум и более уверенного выделения сигналов можно добиться за счет улучшения разрешения по частоте приемной аппаратуры.
Возможность проведения мониторинга с использованием СНЧ-радиоустановки оценивалась на основе сопоставления результатов измерений в ходе утреннего и вечернего сеансов излучения. Для сопоставления были выбраны частоты 125,0 Гц и 166,6 Гц, поскольку уровень сигналов для них превышает уровень естественных электромагнитных полей на 5-11 дБ. Как следует из полученных материалов, относительные различия модулей поверхностного импеданса Z= E_X/H_У в утренние и вечерние сеансы измерений не превышали 2.6 % для точки № 2 и 2.1 % для точки № 4. Указанные относительно небольшие величины различий говорят о принципиальной возможности измерений полей СНЧ-радиоустановки с высокой точностью и перспективности использования данного источника при прогнозировании землетрясений.
Следует отметить, что если сопоставлять величины не импеданса, а отдельно взятых составляющих электрического и магнитного полей в утреннем и вечернем сеансах измерения с учетом величины тока в антенной системе, то различия будут более значительными и достигнут 30-40%. Это говорит о большой зависимости значений составляющих электромагнитного поля от суточных изменений параметров ионосферы. Приведенные результаты подтверждают известные представления о возможности существенного уменьшения влияния ионосферы на основе измерений импеданса электромагнитного поля.
Важным преимуществом использования полей СНЧ-радиоустановки по сравнению с естественными электромагнитными полями является малая зависимость результатов измерений от времени суток, времени года, погодных условий, что позволяет рассматривать метод СНЧЗ как более пригодный для проведения долговременных круглогодичных наблюдений при мониторинге сейсмической активности. Наглядно преимущества использования метода СНЧЗ иллюстрируются рис.5 и рис.6, на которых приведены результаты сопоставления СПМ сигналов СНЧ-радиоустановки на частотах 125.0 Гц и 166.6 Гц и естественного электромагнитного поля в диапазонах частот 121-129 Гц и 162-176 Гц, а также соответствующие им значения r_к и j _z . Если во время вечернего сеанса, когда уровень естественного электромагнитного поля более высокий, графики частотных зависимостей кажущегося сопротивления по результатам АМТЗ изрезаны мало и коэффициент когерентности достаточно близок к единице, то для утреннего сеанса с более низким уровнем естественного поля графики r_к более изменчивые. При этом значения r_к для утренних и вечерних измерений могут совпадать, но могут и заметно различаться. В то же время для метода СНЧЗ значения r_к в вечернем и утреннем сеансах близки между собою. Аналогичная закономерность наблюдается и для j _z (рис. 6,б).
Отмеченные особенности результатов измерений полей СНЧ-радиоустановки и естественных электромагнитных полей проявляются на графиках когерентности полей E и H (рис. 6, б). Если для сигнала СНЧ-радиоустановки на частоте 166.6 Гц G = 1 как в утреннем, так и в вечернем сеансах, то средние значения G для естественных полей меняются от 0.95 до 0.98. Эти значения когерентности достаточно высокие, и качество результатов измерений естественного электромагнитного поля здесь можно считать хорошим (в методе АМТЗ удовлетворительным считается качество измерений при G > 0.8). Однако, даже для измерений хорошего качества графики r_к в утренних сеансах изрезанные, и значения кажущегося сопротивления в утренних и вечерних сеансах, как видно из рис.5 и рис.6, могут заметно различаться. Этим различиям r_к для приведенных диапазонов частот соответствуют различия величин импедансов, в среднем равные 5-7 %.
Наряду с изменением уровня естественных электромагнитных полей в течение суток наблюдаются его сезонные колебания с повышением данного уровня летом-осенью и понижением зимой-весной [Александров, Бакленова, Гладштейн и др. 1972]. В этих условиях будет меняться точность измерений методом АМТЗ, а при использовании СНЧЗ указанные факторы будут влиять на точность измерений существенно в меньшей степени.
По результатам измерений СПМ были оценены значения напряженностей электрического и магнитного полей гармонических сигналов СНЧ-радиоустановки на разных частотах. Для определения значений напряженностей E и H использовалась методика, основанная на подаче на вход аппаратуры эталонировочного сигнала определенной амплитуды, и величины E и H определялись с учетом коэффициентов преобразования используемых магнитной и электрической антенн. На рис. 7 приведены графики напряженностей составляющих E и H поля СНЧ-радиоустановки в точке № 2 для ориентировки приемной линии электрического поля по азимуту СВ 30⁰. Величины токов в источнике при измерениях на разных частотах несколько различались и на рисунке показаны результаты, приведенные к величине тока в антенной системе, равной 200 А. Эти графики дают представление об уровнях сигналов СНЧ-радиоустановки на Северном Кавказе, которые меняются соответственно в пределах (2-4)x10^-9 В/м и (5-7)x10^-8 А/м. Наблюдаемая частотная зависимость E и H обусловлена влиянием особенностей геоэлектрического разреза и ионосферы на результаты измерений.

Выводы

В результате выполненных экспериментальных исследований установлена возможность регистрации сигналов СНЧ-радиоустановки на достаточно большом (2700 км) удалении от источника в направлении, близком к минимуму диаграммы направленности антенной системы. Для использовавшейся аппаратуры АКФ-2 с разрешением по частоте 0.1 Гц превышения СПМ сигналов СНЧ-радиоустановки над уровнем естественных электромагнитных полей для частот 125,0 Гц и 166,6 Гц составляли от 5 до 11 дБ. На частотах 31.2; 41.6; 62.5 и 83.3 Гц превышения менее заметные, и для уверенного выделения сигналов необходимо использовать аппаратуру с более высоким разрешением по частоте.
На основе сопоставления результатов измерений в утреннем и вечернем сеансах показано, что относительные различия модулей поверхностного импеданса для частот 125,0 Гц и 166.6 Гц не превышали 2.1-2.6%. Указанные относительно небольшие величины различий говорят о принципиальной возможности измерений полей СНЧ-радиоустановки с высокой точностью и перспективности использования данного источника при прогнозировании землетрясений. Для получения высокой точности измерений при мониторинге сейсмической активности необходима разработка специализированной приемной аппаратуры, методики проведения работ и обработки получаемых данных.
Сопоставление результатов измерений естественных электромагнитных полей и сигналов СНЧ-радиоустановки показало, что метод СНЧЗ более перспективен для мониторинга сейсмической активности. Получаемые по результатам измерений электромагнитного поля СНЧ-радиоустановки значения r_к и j _z мало зависят от времени суток. Для метода АМТЗ отмечается зависимость результатов измерений от времени суток вследствие колебаний уровня естественного электромагнитного поля.

Список литературы

Александров М.С., Бакленова З.М., Гладштейн Н.Д. и др. Флуктуации электромагнитного поля Земли в диапазоне СНЧ. М.: Наука, 1972. 196 с.

Барсуков О.М., Сорокин О.Н. Изменения кажущегося сопротивления горных пород в Гармском сейсмоактивном районе // Изв. АН СССР. Сер. Физика Земли. 1973. № 10. С.100-102.

Журавлев В.И., Зейгарник В.А., Сидорин А.Я. Методические вопросы поиска предвестников землетрясений методом частотного электромагнитного зондирования одиночными импульсами// Землетрясения и процессы их подготовки. М.: Наука, 1992. С.49-64.

Проявление геодинамических процессов в геофизических полях (результаты исследований по международным геофизическим проектам). Отв. ред. Е.П. Велихов, В.А. Зейгарник. М.: Наука, 1993. 158 с.

Сараев А.К., Косткин П.М. Закономерности изменения электромагнитного поля СНЧ-радиоустановки // Международная конференция и выставка “Москва’97” (Тезисы докладов конференции 15-18 сентября 1997), М., 1997.

Светов Б.С. Электромагнитный мониторинг сейсмотектонических процессов // Изв. ВУЗов. Геология и разведка. 1992. № 2. С. 99-115.

Соболев Г.А. Основы прогноза землетрясений. М.: Наука, 1993. 314 с.

Федеральная система сейсмологических наблюдений и прогноза землетрясений. Информационно-аналитический бюллетень. Специальный выпуск. М.: МЧС России, 1995, № 1. 113 с.

Рanfilov A.S., Pesin L.B., Saraev A.K. et al. Prospects of the use of low frequencies high-power radio means in fundamental and applied geophysics// Unesсo Proceedings, 1992, № 3. P. 78-84.

Особенности поляризации электромагнитного поля СНЧ-радиоустановки

А.К. Сараев, П.М. Косткин, В.Г. Ивочкин
Институт земной коры Санкт-Петербургского государственного университета, Санкт-Петербург, Россия, 199034, Санкт-Петербург, Университетская наб., 7 / 9

Введение

Новым направлением глубинной электроразведки является использование расположенной на Кольском полуострове (рис.1) мощной сверхнизкочастотной (СНЧ) радиоустановки в качестве источника поля при проведении электромагнитных зондирований. Радиоустановка состоит из тиристорного генератора гармонически изменяющегося тока, емкостного согласующего устройства, а также горизонтально расположенной и ориентированной в широтном направлении антенны. Антенной является заземленная на концах линия электропередачи длиной около 60 км. Низкое сопротивление заземлений (единицы Ом) обеспечивается специальной конструкцией заземлителей, представляющих собой расположенные на глубине 0.5 м решетки из стальных полос площадью 1 км². Величина тока в антенне составляет 200-300 А. Магнитный момент достигает значения 1.5 x10¹¹ А/м². Рабочие частоты меняются в диапазоне от первых десятков до первых сотен герц. Значительная мощность СНЧ-радиоустановки обеспечивает возможность регистрации сигналов на больших удалениях (несколько тысяч километров) от источника, а использование гармонически изменяющихся полей позволяет реализовать высокую точность измерений и выполнять достоверную интерпретацию данных. Ранее были показаны принципиальные возможности применения данного источника для электромагнитных зондирований [Велихов и др., 1994] и мониторинга сейсмической активности [Сараев, Пертель, Парфентьев и др., 1996]. В настоящее время проводятся исследования электромагнитного поля СНЧ-радиоустановки, разработка аппаратурно-методических и программных средств для ее использования при решении геолого-геофизических задач. При изучении структуры электромагнитного поля антенная система радиоустановки аппроксимируется заземленным кабелем конечной длины. Важными характеристиками электромагнитных полей, используемых в методах электроразведки, являются особенности их поляризации [Бердичевский, 1968; Светов, 1973]. Эти особенности имеют большое значение для выбора методики измерений и интерпретации получаемых данных. Ранее были выполнены исследования поляризации электромагнитного поля СНЧ-радиоустановки на относительно небольшом удалении от этого источника [Ивочкин, Сараев, 1994].

Экспериментальные данные

Для изучения особенностей поляризации электромагнитного поля на больших расстояниях от СНЧ-радиоустановки на частоте 80 Гц были выполнены экспериментальные многоазимутные измерения при различных удалениях точек наблюдения (рис. 1): на Кольском полуострове (точка Апатиты, расстояние от источника 150 км), в Карелии (Вокнаволок, 470 км), на Карельском перешейке (Вуокса, 950 км). Измерялись горизонтальные составляющие электрического поля E с помощью заземляемого приемного диполя длиной 15-25 м и магнитного поля H с помощью индукционного магнитного датчика, ориентированного перпендикулярно электрическому диполю, при повороте установки через 7.5-30⁰. При этом применялась аппаратура амплитудно-фазовых измерений промышленных полей АФИПП-1, предназначенная для электромагнитного профилирования с использованием полей СНЧ-радиоустановки и промышленных линий электропередач (точки Апатиты и Вокнаволок) и аппаратура корреляционных функций АКФ-2.2 , предназначенная для аудиомагнитотеллурических зондирований и измерений полей контролируемых источников, в том числе СНЧ-радиоустановки (точка Вуокса). Приборы АФИПП-1 и АКФ-2.2 созданы в Институте земной коры СПбГУ.
По результатам измерений построены полярные диаграммы составляющих поля E и H(рис. 2). Значения напряженности электрического поля откладывались по направлению приемного электрического диполя, а значения напряженности магнитного поля для удобства сопоставления построены с поворотом на угол 90⁰ относительно направления магнитного датчика. По экспериментальным значениям составляющих поля проведены соприкасающиеся окружности, в наибольшей степени соответствующие точкам полярных диаграмм. В минимумах диаграмм переходы между окружностями проведены по значениям E и H, измеренным с более детальным шагом. При построении полярных диаграмм значения составляющих поля E и H, измеренные при несколько различающихся значениях тока источника, были приведены к единому уровню тока 200 А. С использованием максимальных и минимальных значений составляющих E и H, соответствующих большим (а) и малым (b) полуосям эллипсов поляризации, построены эллипсы поляризации электрического и магнитного поля (показаны на рис. 2 штрих-пунктирными линиями).
Анализ полярных диаграмм и эллипсов поляризации для точки Апатиты показывает, что магнитное поле в данном случае поляризовано практически линейно, и для него характерно значение эллиптичности поляризации (отношения b/a) равное 0.07 (рис. 2,а).

Электрическое поле характеризуется большей эллиптичностью поляризации (b/a=0.2). Особенностью приведенных на рис.2,а эллипсов поляризации составляющих E и H является несовпадение направлений их больших осей, равное 11⁰. Точка измерений Апатиты расположена под углом 19⁰ от направления, ортогонального кабелю, и максимум сигнала E соответствует истинному азимуту a = 95⁰ (истинный азимут определен по значению магнитного азимута a_M с учетом магнитного склонения, равного в данной точке 11⁰). Значение кажущегося сопротивления rк, найденное для частоты 80 Гц по импедансу с использованием формулы для плоской вертикально падающей волны, равно 4000 Ом^.м (возможность использования этого приближения для данной и других точек подтверждена расчетами поля СНЧ-радиоустановки).
Электрическое поле в точке Вокнаволок характеризуется значением эллиптичности поляризации b/a=0.25. Точка измерений расположена под углом 22⁰ от направления, ортогонального кабелю, и максимум сигнала E соответствует a =156⁰. Величина r_к  в данной точке равна 10 000 Ом^.м.
В точке Вуокса минимумы круговых диаграмм составляющих поля E и H измерены менее детально, чем в предыдущих двух точках, однако значения эллиптичности поляризации можно оценить достаточно уверенно и они составляют 0.3 для полей E и H. Несовпадение направлений больших осей эллипсов поляризации электрического и магнитного поля относительно невелико и равно 2⁰. Данная точка расположена под углом 15⁰ относительно направления, ортогонального кабелю, и максимум сигнала E соответствует a=132⁰. Величина r_к  в данной точке равна 400 Ом^.м.

Результаты расчетов

Данные измерений сопоставлялись с результатами вычислений, полученных с использованием созданных в Институте земной коры Санкт-Петербургского университета программ для расчета электромагнитных полей дипольных и линейных источников в слоистых средах. Эти программы основаны на строгих решениях задач с учетом всех электромагнитных параметров сред (удельного сопротивления, диэлектрической и магнитной проницаемостей) и позволяют вычислять поля при произвольном расположении источника и точки наблюдения в широком диапазоне частот от долей герц до десятков мегагерц. Для одного из источников - вертикального электрического диполя, результаты расчетов с помощью разработанных программ детально рассмотрены в работе [Косткин, Морозова, 1990].
При проведении расчетов электромагнитного поля СНЧ-радиоустановки вычислялись составляющие электромагнитного поля заземленного на концах кабеля конечной длины, помещенного на нижнюю границу плоского волновода - слоя воздуха между двумя полупространствами: землей и ионосферой (рис.3). В используемом решении задачи учитываются электромагнитные параметры всех трех сред (земли, воздуха и ионосферы) и токи смещения. Поле кабеля находится интегрированием по длине кабеля составляющих поля горизонтального электрического диполя. В программах производится численное интегрирование комплексных выражений, содержащих осциллирующие функции Бесселя. Относительная погрешность вычислений - 10^-9. По результатам расчетов установлены области, в которых может быть использована аппроксимация антенной системы вместо кабеля диполем.
Необходимость решения задачи с учетом волнового числа воздуха k₀ обусловлена тем, что даже для сверхнизких частот при очень больших расстояниях r (сотни-тысячи километров) вклад членов в общем решении задачи, содержащих сомножители k₀r, является весьма значительным.
На относительно небольших расстояниях от рассматриваемого источника расчеты нормальных полей могут производится по низкочастотным формулам для полупространства, а при удалении необходимо использовать решение задачи с учетом токов смещения и влияния ионосферы.
Результаты расчетов по профилям вкрест кабеля: проходящему через центр кабеля (х/L=0) и смещенному в сторону от центра ( x/L=10), а также вдоль кабеля (у/L=0), где L - полудлина кабеля, приведены на рис.4. Расчеты выполнены для частоты 80 Гц, удельных сопротивлений земли и ионосферы, соответственно равных 10⁴ и 10⁵ Ом?м, длины кабеля 2L=60 км и высоты ионосферы d=90 км.

Как видно из приведенного рисунка, учет токов смещения для составляющей E_x необходим начиная с расстояний 300 км по направлению вкрест и 600 км по направлению вдоль кабеля, а влияние ионосферы следует учитывать начиная с расстояния 100 км по направлению вдоль и 200 км по направлению вкрест кабеля. Аналогичные закономерности изменения характерны и для составляющей H_y.Оценки приведены для 10% отличий соответствующих значений составляющих поля.
При учете токов смещения и ионосферы существенным образом меняется диаграмма направленности данного источника. В случае использования низкочастотного решения без учета токов смещения и ионосферы для указанных выше параметров составляющие E_x и H_y в дальней зоне по направлению вкрест кабеля в два раза превосходят соответствующие значения для направления вдоль кабеля. Наоборот, при расчетах с учетом токов смещения и влияния ионосферы составляющие E_x и H_y, начиная с расстояния 600 км по направлению вдоль кабеля превышают соответствующие значения для направления вкрест кабеля (в пять раз на расстоянии 3000 км). Эти особенности диаграммы направленности СНЧ-радиоустановки подтверждаются данными экспериментальных измерений.

Анализ результатов

Сопоставление рассмотренных выше экспериментальных данных по измерениям параметров эллипсов поляризации электрического и магнитного полей и результатов расчетов показано в таблице.
Сопоставление экспериментальных данных и результатов расчетов параметров эллипсов поляризации электрического и магнитного полей СНЧ-радиоустановки

Как следует из приведенных данных, эллиптичность поляризации для расчетных полей E_расч и H_расч в каждой точке одинакова и равна для точки Апатиты 0.026, для точки Вокнаволок 0.22 и для точки Вуокса 0.32. Эти значения хорошо совпадают с экспериментальными данными Еэксп и Нэксп для точек Вокнаволок и Вуокса. Для точки Апатиты измеренные и расчетные значения эллиптичности заметно отличаются, что обусловлено с одной стороны трудностью точного измерения небольших значений малых полуосей эллипсов поляризации в данной точке при дискретном (через 7.50) шаге по углу поворота измерительной установки, а с другой стороны влиянием неоднородности среды в точке измерения, что проявляется в большей степени для поля E. Достаточно хорошее совпадение наблюдается для азимутов a больших осей эллипсов поляризации электрического и магнитного полей (здесь как и ранее азимут большой оси эллипса поляризации для H изменен на 900). Для расчетных нормальных полей (над полупространством, без учета влияния ионосферы) E_расч(норм) и H_расч(норм) значения b/a для указанных точек соответственно равны 0.0017, 0.052 и 0.12, т.е. существенно отличаются от экспериментальных данных. В случае использования решения задачи о поле кабеля без учета токов смещения и влияния ионосферы по результатам расчетов во всех точках получается линейная поляризация полей E и H (b/a=0).
Полученные результаты свидетельствуют о возрастающей эллиптичности поляризации электрического и магнитного полей СНЧ-радиоустановки с удалением точки наблюдения от источника. Совпадающие экспериментальные и расчетные значения b/a полей E и H для точек Вуокса и Вокнаволок говорят о том, что степень эллиптичности поляризации существенно зависит от особенностей распространения электромагнитного поля в волноводе “земля-ионосфера” на большом удалении от источника. На величину эллиптичности поляризации также влияют неоднородности среды в точке измерения. Однако, как показал опыт работ, влияние неоднородностей среды проявляется прежде всего в нарушении ортогональности больших осей эллипсов поляризации полей E и H в горизонтальной плоскости за счет разворота поля E.
Наглядно характер изменения эллиптичности поляризации поля E кабеля по результатам различных вариантов расчетов: с учетом токов смещения и ионосферы, без учета ионосферы и без учета токов смещения и ионосферы, показан на рис. 5. Как видно из рисунка, основной вклад в возрастание эллиптичности поляризации вносит влияние ионосферы. Рассматриваемые факторы (токи смещения, ионосфера), помимо изменения эллиптичности поляризации, приводят к изменению направления больших осей эллипсов поляризации по сравнению с векторами поля E, полученными по низкочастотным формулам без учета влияния токов смещения и ионосферы.

Выводы

В результате выполненных экспериментальных измерений и расчетов электромагнитного поля СНЧ-радиоустановки изучены особенности поляризации поля в точках, расположенных на различном расстоянии от данного источника. Показано достаточно хорошее совпадение экспериментальных и расчетных данных. При этом для вычисления полей СНЧ-радиоустановки использованы программные средства, разработанные на основе полного решения задачи с учетом токов смещения и влияния ионосферы.
На основе анализа результатов расчетов рассмотрены особенности поля СНЧ-радиоустановки. Установлено, что для приведенных в статье условий учет токов смещения необходим начиная с расстояний 300 км по направлению вкрест и 600 км для направления вдоль антенной системы, а влияние ионосферы следует учитывать начиная с расстояния 100 км по направлению вдоль и 200 км по направлению вкрест антенной системы.
Материалы выполненных работ показывают необходимость корректировки существующих представлений об отсутствии фазовых сдвигов и линейной поляризации первичных электрического и магнитного полей на больших расстояниях от контролируемых источников такого типа (горизонтального электрического диполя, кабеля), используемых в методах электромагнитных зондирований. Из-за особенностей распространения в волноводе “земля-ионосфера” и влияния токов смещения первичное поле поляризовано эллиптически, причем степень эллиптичности поляризации увеличивается с удалением от источника.

Список литературы

1. Бердичевский М.Н. Электрическая разведка методом магнитотеллурического профилирования. М.: Недра. 1968. 256 с.

2. Велихов Е.П., Жамалетдинов А.А., Собчаков Л.А. и др. Опыт частотного электромагнитного зондирования земной коры с применением мощной антенны СНЧ-диапазона // ДАН РАН. 1994. Т.338. № 1. С. 106-109.

3. Ивочкин В.Г., Сараев А.К. Влияние поляризации электромагнитного поля на характер круговых диаграмм эффективного сопротивления и фазы импеданса // Российский геофизический журнал. 1994. № 2. С. 11-18.

4. Косткин П.М., Морозова О.М. Электромагнитное поле вертикального электрического диполя в приповерхностной области // Методы разведочной геофизики. Поиски и прогнозная оценка рудных месторождений методами электроразведки. Л.: НПО “Рудгеофизика”. 1990. С. 113-124.

5. Сараев А.К., Пертель М.И., Парфентьев П.А. и др. Результаты экспериментальных исследований электромагнитных полей СНЧ-радиоустановки для целей прогноза землетрясений на Северном Кавказе // Закономерности эволюции земной коры (тез. докл.). Т.1. СПб: СПбГУ. 1996. С. 271.

6. Светов Б.С. Теория, методика и интерпретация материалов низкочастотной индуктивной электроразведки. М.: Недра. 1973. 256 с.

Возможности электромагнитного профилирования на промышленной частоте 50 Гц при изучении Вуоксинского апатитоностного массива

Сараев A.К., Ивочкин В.Г., Пертель М.И., Никифоров А.Б.
Вестник СПбГУ. Сер. 7, 1998, вып. 1 (№ 7)

Лабораторией электромагнитных методов НИИ земной коры Санкт-Петербургского университета разрабатывается аппаратурно-методический комплекс сверхнизкочастотного профилирования (СНЧП), предназначенный для решения задач геологического картирования, проведения поисково-разведочных работ, гидрогеологических и инженерно-геологических изысканий, экологических исследований. Работы выполняются с использованием аппаратуры амплитудно-фазовых измерений промышленных полей АФИПП-1 [1], работающей на двух частотах : промышленной 50 Гц или частоте излучения СНЧ-радиоустановки 80 Гц. Вместе с СНЧП обычно проводятся исследования методом радио электромагнитного профилирования (РЭМП) с помощью измерителя поверхностного импеданса ИПИ-1000 [2].
Использование частот 50 или 80 Гц и одной-двух частот из диапазона метода РЭМП (10-1000 кГц) дает возможность получать информацию на нескольких существенно различных глубинах (в среднем сотни метров - десятки метров - первые метры), что позволяет осуществлять объемное изучение геоэлектрического строения участков работ и повышать достоверность разделения глубинных и приповерхностных объектов.
Двухканальное построение аппаратуры АФИПП-1 с измерениями импеданса или отношения двух любых составляющих электромагнитного поля дает возможность исключить зависимость результатов от величины тока в источнике и при определенных условиях находить значения эффективного сопротивления r ~ [3], которые совпадают в однородной среде с удельным электрическим сопротивлением пород.
Высокая чувствительность аппаратуры АФИПП-1 (порог чувствительности по электрическому полю 3х10 ^{- 8} В/м, по магнитному полю 2.5х10 ^{- 7} А/м) позволяет проводить работы на значительном удалении от источника (десятки километров для ЛЭП и 500-600 км для СНЧ-радиоустановки). Работы характеризуются высокой производительностью и дешевизной. Состав бригады - 2 чел., время измерения на одной точке с учетом раскладки приемной линии электрического поля и установки магнитной антенны составляет не более 1-2 мин. Прибор АФИПП-1 легкий, компактный, экономичный по питанию (одного комплекта батарей хватает на 30-40 восьмичасовых рабочих дней ).
Одной из наиболее сложных проблем при проведении работ на промышленной частоте 50 Гц является получение достаточно высокой точности измерений и повторяемости результатов профилирования при нестабильности полей ЛЭП. Для повышения точности в аппаратуре АФИПП-1 используются одновременные измерения по каналам электрического и магнитного поля с непосредственным отсчетом отношения измеряемых сигналов. С применением аппаратуры АФИПП-1, разработанной методики проведения работ и обработки данных СНЧП на промышленной частоте 50 Гц [4] в результате обеспечиваются достаточно высокая точность измерений и повторяемость результатов профилирования.

На рис.1 сопоставлены результаты СНЧП по одному из профилей экспериментальных работ, выполненные с интервалом в один год. Графики r ~ характеризуются хорошим совпадением, что говорит о слабой зависимости результатов метода от мешающих факторов. На этом же рисунке приведены данные измерений методом аудиомагнитотеллурического зондирования (АМТЗ). Работы методом АМТЗ выполнены с помощью аппаратуры корреляционных функций АКФ-2 [5] на близкой к 50 Гц частоте 62,5 Гц (непосредственно на частоте 50 Гц в аппаратуре АКФ-2 установлен режекторный фильтр для подавления промышленных помех). Как видно из приведенного рисунка, значения r ~ , полученные обоими методами, хорошо совпадают по уровню величин и характеру графика r ~ .
В методе АМТЗ измеряемое естественное электромагнитное поле аппроксимируется плоской вертикально падающей волной. В рассматриваемом случае ближайшая ЛЭП с напряжением 110 кВ находится на расстоянии около 8 км от профиля, и согласно [6], а также результатам проведенных нами теоретических расчетов [7] выполняются условия дальней зоны, где поле ЛЭП также может быть аппроксимировано плоской вертикально падающей волной. Обработка результатов профилирования при этом производится по известной формуле

r ~ = (1/ w m ₀) [ Z ] ²

где w = 2p f - круговая частота, m ₀ = 4p  10^-7 Гн/м - магнитная проницаемость вакуума, Z = E_X / H_Y - поверхностный импеданс.
Совпадение результатов СНЧП и АМТЗ подтверждают возможность аппроксимации поля ЛЭП в данном случае плоской вертикально падающей волной и достоверность определения эффективного сопротивления на промышленной частоте 50 Гц.
Вуоксинский массив расположен в центральной части Карельского перешейка. В 80-х годах здесь проводились работы по оценке запасов апатита, сопровождавшиеся достаточно большими объемами бурения и геофизических исследований. Результаты геолого-геофизического изучения массива и петрографических особенностей слагающих его пород детально рассмотрены в работе [8], из которой заимствована приведенная схематичная геологическая карта Вуоксинского массива (рис. 2). В пределах массива выделяются три группы пород (первая - диориты, пироксениты, монцониты, вторая - кварцевые монцониты и кварцевые сиениты и третья - граниты), соответствующие трем интрузивным фазам формирования массива. Апатитовая минерализация установлена в меланократовых породах ранней монцодиоритовой серии, слагающей эндоконтактовую зону.
Вуоксинский массив перекрыт рыхлыми четвертичными отложениями переменной мощности - от первых метров до 30-40 м, причем более открытой является его западная часть. По данным каротажа сопротивлений установлено, что пониженными величинами r ~ , помимо перекрывающих отложений, отмечается верхняя (мощностью 10 - 40 м) измененная часть коренных пород.
Работы методами СНЧП на промышленной частоте 50 Гц и РЭМП на частоте 19,6 кГц первоначально были выполнены по профилю 2. Измерения проводились с шагом 20 м. Как видно из рис.3, а, график метода СНЧП характеризуется более высоким уровнем значений r ~ по сравнению с результатами метода РЭМП. График r ~ менее глубинного метода РЭМП отражает в основном изменения электрических свойств достаточно однородных рыхлых перекрывающих отложений, а метода СНЧП в большей степени зависит от вариаций свойств неоднородных коренных пород. Сближение уровней r ~ на частотах 50 Гц и 19.6 кГц отмечается для интервала пикетов (ПК) 90 - 120, где мощность рыхлых отложений составляет первые метры.
Анализ результатов метода СНЧП по профилю 2 показывает, что для эндоконтактовой зоны в северо-западной части Вуоксинского массива в интервале ПК 170-240 свойственны повышенные значения r ~ (в основном 5000 - 30000 Ом? м) по сравнению с уровнем r ~ в интервале ПК 0-170 (1000 - 5000 Ом? м). Кроме того, характерной особенностью графика является резкий скачок значений r ~ на ПК 170 и затем постепенное их убывание, отражающее зональное строение эндоконтактовой части массива. Выделенный по результатам СНЧП интервал ПК 170-240 соответствует участку с телами апатитовых руд, по которому проводился подсчет запасов. Слабая проявленность этой зоны на графике r ~  метода РЭМП говорит о том, что аномалия метода СНЧП не является поверхностной, а связана с неизмененными коренными породами.
Исследования методами СНЧП и РЭМП были проведены также по профилю 4 ( рис. 2 ), и полученные графики r ~  для интервала ПК 150-400 показаны на рис. 3,б. Как и на профиле 2, график r ~ метода РЭМП менее информативен, что обусловлено определяющим влиянием на результаты этого метода рыхлых перекрывающих отложений и измененных коренных пород низкого удельного сопротивления. Из рис.3,б также следует, что на профиле 4 в интервале ПК 180 - 270 выделяется зона, характеризующаяся таким же поведением графиков r ~ метода СНЧП (постепенным увеличением r ~ и скачком на пикете 270), как и рассмотренная выше рудная зона по профилю 2. Сопоставление с графиком r ~  по методу РЭМП говорит о связи этой аномалии метода СНЧП с неизмененными коренными породами. Вместе с тем, эта зона по профилю 4 удалена на значительное расстояние от контакта массива, показанного на схематичной геологической карте (см. рис.2) в районе пикета 350. Непосредственно скачок r ~ по профилю наблюдается на расстоянии 1,5 км, а интервал постепенного изменения значений r ~ - 1,5- 3,3 км от контакта массива.
Полученные результаты позволяют сделать вывод о возможности существенного уточнения геологического строения Вуоксинского массива и переоценки его перспектив с точки зрения запасов апатита. Схематичная геологическая карта (см. рис. 2) составлена в основном по данным детальной гравимагнитной съемки и достаточно хорошо отражает реальное строение массива при небольшой мощности рыхлых отложений. При составлении карты в качестве главных информативных признаков были использованы такие характеристики магнитного и гравитационного полей, как изрезанность графиков и их мозаичный характер. Однако эти особенности полей быстро убывают с удалением от объекта, и их информативность резко уменьшается при мощности рыхлых отложений более 15-20 м.
По указанным причинам для западного, достаточно открытого участка массива прогнозные ресурсы апатитовых руд были оценены в 736 млн. т., а для южного участка ( вблизи профиля 4 в районе ПК 350-440 ) - в 11 млн. т . Основной причиной низких перспектив южного участка, как это следует из результатов работ методом СНЧП, являются неточное выделение приконтактовой зоны массива и постановка работ в малоперспективной его части.
Приведенные в статье материалы показывают высокую информативность метода СНЧП на промышленной частоте 50 Гц при проведении поисково-картировочных работ в зоне сочленения Балтийского щита и Русской платформы. Для изучения объектов типа Вуоксинского массива в составе общего комплекса геофизических методов необходимо полноценно использовать электроразведочные методы, которые позволяют уточнять геологическое строение этих объектов. Полученные результаты дают основания для продолжения работ по оценке перспектив Вуоксинского массива на апатитовoе оруденение.

Резюме

В результате исследований, выполненных методом СНЧП в комплексе с методом РЭМП, на Вуоксинском массиве выявлена новая зона с геоэлектрическими особенностями, характерными для хорошо изученной части массива с апатитовым оруденением. Полученные данные дают основания для продолжения работ по оценке перспектив апатитоносности Вуоксинского массива. Приведенные в статье материалы показывают высокую информативность метода СНЧП на промышленной частоте 50 Гц при поисково-картировочных исследованиях в зоне сочленения Балтийского щита и Русской платформы.

Литература

1. Ивочкин В.Г., Сараев А.К. Аппаратура АФИПП-1 для электромагнитного профилирования с использованием полей ЛЭП различного назначения // Электромагнитные исследования с контролируемыми источниками: Тез. докл. на международной геофизической конференции, 27-31 мая 1996 г., г. С.-Петербург. СПб., 1996.

2. Парфентьев П.А., Пертель М.И. Измеритель поверхностного импеданса на СВ-СДВ диапазон // Низкочастотный волновод земля-ионосфера. Тез. докл. на XV межведомственном семинаре по распространению километровых и более длинных радиоволн, 5-12 июня 1989 г., г. Алма-Ата. Алма-Ата, 1991.

3. Вешев А.В. Электропрофилирование на постоянном и переменном токе. 2-е изд. Л., 1980.

4. Ивочкин В.Г., Сараев А.К., Никифиров А.Б. Поляризационные особенности электромагнитного поля промышленных ЛЭП // Электромагнитные исследования с контролируемыми источниками: Тез. докл. на международной геофизической конференции, 27-31 мая 1996 г., г.С.-Петербург. СПб., 1996.

5. Пертель М.И., Жамалетдинов А.А. Результаты АМТЗ с аппаратурой АКФ-2 в точке Уполокша ( Кольский п-ов ) // Теория и практика магнитотеллурических зондирований: Тез. докл. на конференции 20-23 декабря 1994 г., г.Москва. М., 1994.

6. Вешев А.В., Яковлев А.В. Использование электромагнитных полей частотой 50 Гц для электроразведки // Геофизические методы поисков и разведки: Межвуз. тематич. сб. Свердловск, 1975. Вып. 1.

7. Ивочкин В.Г., Сараев А.К. Влияние поляризации электромагнитного поля на характер круговых диаграмм эффективного сопротивления и фазы импеданса // Российск. геофизич. журн., 1994. № 2.

8. Иваников В.В., Конопелько Д.Л., Тетерина Т.И. Геолого-геофизические и петрографические особенности апатитоносного Вуоксинского плутона (Карельский перешеек ) // Вестн. С.-Петербург. ун-та. Сер. 7 : Геология, география. 1995. Вып.4 ( № 28 ).

Вернуться к оглавлению

Информационная поддержка и дизайн © RSoft, Ltd.