Исследование характеристик распространения геомагнитных пульсаций

- 2 -
ОГЛАВЛЕНИЕ
Стр.
ВВЕДЕНИЕ......................................................... 4
ГЛАВА I. ГОРИЗОНТАЛЬНОЕ РАСПРОСТРАНЕНИЕ НЕОДНОРОДНЫХ
ПЛОСКИХ ВОЛН........................................... 9
1.1. Влияние горизонтального распространения волны
на импедансы парциальных мод.......................... 10
1.2. Об эквивалентности принятой модели и цепи с
ра спред ел енными параметрами........................ 16
1.3. Длинная линия в режиме нагрузки и модель двухслойной среды. . .......................................... 23
ГЛАВА II .КОМПЛЕКС АППАРАТУРЫ И МЕТОДИКА ОБРАБОТКИ АНАЛОГО-
« «*
ВЫХ МАГНИТОФОННЫХ ЗАПИСЕЙ В ДИАПАЗОНЕ КПК 28
2.1. Структурная схема аппаратурного комплекса 29
2.1.1. Магнитограф ускоренного воспроизведения................ 32
2.1.2. Функциональная схема устройства сопряжения 34
2.2. Методика обработки записей полевых наблюдений.. 36
2.2.1. Аналого-цифровое преобразование сигнала и его
запись на магнитный носитель.......................... 38
2.2.2. Обработка амплитудно-фазовых характеристик аппаратуры................................................... 39
2.2.3. Дирекционный анализ магнитотеллурических наблюдений........................................................ 42
ГЛАВА III.РЕЗУЛЬТАТЫ ОБРАБОТКИ ПОЛЕВЫХ НАБЛЮДЕНИЙ............... 50
3.1. Первый шаг дирекционного анализа....................... 59
3.2. Второй шаг дирекционного анализа....................... 69
ГЛАВА 1У .ИНТЕРПРЕТАЦИЯ ДИРЕКЦЦОННЫХ МАГНИТОТЕЛЛУРИЧЕСКИХ
ЗОНДИРОВАНИЙ.......................................... 76
ЗАКЛЮЧЕНИЕ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
- 4 -
ВВЕДЕНИЕ
Началом исследования характеристик геомагнитных пульсаций можно считать доказательство возможности использования синхронных вариаций магнитного поля, при сопоставлении их с изменениями земных токов, для разведки земной коры II] . Эта возможность основывалась на решении полной системы уравнений Максвелла. Поле аппроксимировалось плоской квазимонохроматической волной, вертикально падающей на поверхность Земли, причем последняя рассматривалась как пачка однородных, горизонтально залегающих слоев. Таким образом, приближение было одномерным, т.е. свойства системы зависели только от вертикальной координаты. На основе использования такой модели во Франции был запатентован [2] метод электроразведки нефтяных месторождений, известный как магнитотеллурическое зондирование (МТЗ).
Теорема единственности решения обратной задачи МТЗ для данной модели была доказана А.Н.Тихоновым [3] , показавшим, что по известному импедансу Ех/% в каком-либо интервале частот проводимость земных пород может быть, в принципе, определена однозначно. Тем не менее, развитие и практическое использование этого метода привело к выводам о наличии определенных трудностей в МТЗ [4] , которые объяснились проявлением неоднородностей проводимости земной коры в горизонтальных направлениях, не позволяющих использовать горизонтально-слоистую модель среды. Однако, даже в районах горизонтально-слоистых напластований наблюдаемые поля геомагнитных пульсаций имели значительные вертикальные компоненты, по порядку величин существенно превышающие амплитуды, которые можно было бы ожидать в предположении неоднородностей проводимости. Кроме того, эллипсы поляризации горизонтальных составляющих поля часто отличались величиной эксцентриситетов и их оси не были вза-
- 5 -
имно перпендикулярны. Указанные явления шли вразрез с моделью однородной, вертикально падающей плоской волны.
Упомянутая модель падающего электромагнитного поля длительное время оставалась превалирующей. Основные усилия в развитии метода МТЗ были направлены на изучение влияния горизонтальных неоднородностей проводимости земной коры [5-11] . Это влияние неоднородностей исследовалось как на математических [5-8 ] , так и на физических [9-11] моделях среды.
Вопрос о необходимости учета неоднородности магнитотеллурического поля при электромагнитном зондировании был поставлен еще в работах Тихонова и Липской [12] , Уэйта [13] . Исследование этой проблемы было продолжено Прайсом, Сриваставой и Дмитриевым [14-17] . Однако это направление магнитотеллурики развивалось менее интенсивно вплоть до начала обширных исследований в космическом пространстве, когда была установлена электромагнитная природа геомагнитных пульсаций, реализующихся в виде магнитогидродинамических волн в магнитосфере [29] .В связи с работами Д.Н. Четаева [18-22]получила развитие новая модель, аппроксимирующая падающее поле, в общем случае, неоднородной плоской волной. Эта волна состоит из парцианальных волн как магнитного типа, так и электрического с отличной от нуля компонентной Е2, причем горизонтальные компоненты падающего на Землю поля обнаруживают [18] те особенности, которые при схеме вертикально падающей волны относились целиком за счет неоднородностей земной коры. Скорость горизонтального распространения волны вдоль земной поверхности определяется при этом горизонтальной проекцией волнового вектора первичной магнитогидродинамической волны.
Для определения заранее неизвестных направлений и величин фазовой скорости и пространственного затухания горизонтального
- 6 -
распространения был развит дирекционный анализ магнитотеллурических наблюдений [20-24] , причем отказ от предположения о линейной поляризации парциальных полей позволил рассматривать любое наблюденное шестикомпонентное квазимонохроматическое поле индивидуальной геомагнитной пульсации как поле на поверхности горизонтальнослоистого полупространства.
Для проверки сопоставимости теории с реальной действительностью, опытных данных со всей совокупностью следствий предложенной матиматической модели, были проведены синхронные наблюдения полей геомагнитных пульсаций в трех пунктах регистрации, расположенных таким образом, чтобы их непосредственные окрестности были однородными в горизонтальных направлениях [25 ] . В результате анализа полученных данных оказалось, что все, в том числе и весьма специфические следствия новой модели согласуются с экспериментом [25,26] с точки зрения пространственно-временной и амплитудно-фазовой структуры наземного поля геомагнитных пульсаций. Подобный целенаправленный эксперимент безусловно является убедительным подтверждением того, что предложенная модель адекватно отражает реальные процессы.
Для решения прикладных задач геофизики исследование структуры поля и правомерность описания его той или иной математической моделью имеют первостепенное значение. Довольно большой разброс значений импеданса, получаемого в результате анализа индивидуальных волновых пакетов, осложняет обработку методами классического МТЗ. Как показывает практика, условие частотного зондирования (плоская, вертикально падающая волна) выполняется не полностью и довольно сложно отделить искажения кривых МТЗ, вызванных неоднородностями среды от искажений из-за неоднородности поля. Поэтому необходимо уделять внимание исследованию структуры поля
- 7 -
источника и его возможному влиянию на результаты зондирований.
Б работе [54] , например, предлагается для учета структуры поля источника использовать во время полевого сезона сеть станций на большой территории Земли и анализировать отдельные вариации в едином центре, а их параметры использовать для обработки и интерпретации материалов в каждой точке. Однако, подобные методы, к сожалению, пока трудно осуществимы. Поэтому обнаруженная существенная зависимость исходных импедансов парциальных мод от параметров горизонтального распространения [39] для модели плоской неоднородной волны, с одной стороны, объясняет разброс значений импедансов для классического метода МТЗ, с другой - требует их учета геофизической интерпретации данных [37] . В то же самое время, такое влияние горизонтальной компоненты волнового вектора на импедансы позволяет проводить геолого-геофизическую интерпретацию дирекциониых магнитотеллурических зондирований [32 , 37,47] , принципиальная возможность которой была пока-
зана еще в работе [33] , в которой проводимость разреза, как непрерывная функция вертикальной координаты могла быть найдена при решении введенной системы дифференциальных уравнений.
Настоящая диссертация посвящена дальнейшему исследованию вопросов, связанных с изучением свойств электромагнитного поля геомагнитных пульсаций в свете математической модели падающего поля в виде плоской неоднородной волны, реализующейся двумя парциальными модами, а также ряда вопросов, связанных с обработкой полевых наблюдений и использования результатов этой обработки при геолого-геофизической интерпретации геоэлектрических разрезов земной коры и верхней мантии.
Основной целью работы явилось исследование характеристик распространения геомагнитных пульсаций и их использование при
- 8 -
геолого-геофизической интерпретации результатов наблюдений.
Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения.
Б первой главе исследуется влияние параметров горизонтального распространения неоднородной волны, - квадрата горизонтальной составляющей волнового вектора (его действительной и мнимой, частей), на изменение величин парциальных импедансов. Показано, что их изменение имеет характерные особенности. При анализе распределения полей парциальных волн с глубиной подмечено сходство его с распределением токов и напряжений в длинной линии. Предложено использовать хорошо развитый аппарат анализа длинных линий для дальнейшего изучения следствий принятой математической модели.
Вторая глава содержит описание аппаратурного комплекса и методики обработки полевых наблюдений, ориентированных на выделение и анализ индивидуальных волновых пакетов геомагнитных пульсаций.
В третьей главе содержатся результаты обработки данных полевых наблюдений, осуществленной с помощью упомянутого аппаратурного комплекса по методике, опирающейся на аппроксимацию падающего поля неоднородной плоской волной. Полученные характеристики поля согласуются с данными других измерений.
В четвертой главе проведена оценка параметров геоэлектри-ческих разрезов земной коры и верхней мантии районов Украинского щита и Волыно-Подольской плиты. Оценка произведена методом аналитического продолжения полей в нижнее полупространство. Результаты интерпретации подтверждаются данными других геофизических методов.
В заключении отмечены основные результаты диссертации.