RU2069877C1

RU2069877C1 - Method of magneto-telluric probing

Info

Publication number: RU2069877C1
Application number: RU92015143A
Authority: RU
Inventors: В.А. Морозов; А.В. Элбакидзе; В.С. Шик
Original assignee: Институт радиотехники и электроники РАН
Priority date: 1992-12-25
Filing date: 1992-12-25
Publication date: 1996-11-27

Abstract

FIELD: geophysics. SUBSTANCE: method is used to study the Earth as crust. Region of admissible variations of timely evaluations of horizontal inhomogeneity of field in which relative disturbance of assessment of impedance and/or admittance do not exceed a priori specified level is determined in advance by time variations of spatial structure of field of sources. Horizontal electric and magnetic components of magneto-electric field e=e(,x); e=e(,y); h=h(,x); h=h(,y) and vertical magnetic component h=h(,z) are measured and recorded in step close to surface of the Earth. Complex spectral amplitudes of measured components are formed by these data on frequencies w[x(w); Ey(w); Hx(w); Hy(w); Hz(w). Impedance and/or admittance of underlayer medium are found by them. Timely evaluations of horizontal inhomogeneity of field are found by coefficients of linear coupling of complex amplitudes of horizontal components with complex amplitude of vertical component. Timely evaluations of horizontal inhomogeneity of medium corresponding to region of their admissible variations determined in advance are set. For setting of their ranges of recording impedance and/or admittance of underlayer medium are found. EFFECT: enhanced reliability of method.

Description

Изобретение относится к геофизическим методам исследования земной коры, в частности к мониторингу малых вариаций импеданса (или адмитанса) земной коры методами магнитотеллурического зондирования. The invention relates to geophysical methods for studying the earth's crust, in particular to monitoring small variations in the impedance (or admittance) of the earth's crust using magnetotelluric sounding methods.

Известен способ магнитотеллурического зондирования [1] в котором используется контроль пространственной неоднородности поля источников геомагнитных пульсаций. Этот способ сохраняет свою применимость в условиях горизонтально-неоднородного строения подстилающей среды. По этому способу комплексные амплитуды четырех горизонтальных компонент магнитотеллурического поля E_x, E_y, H_x, H_y измеряются в исследуемом пункте ("полевой пункт") и дополнительном, достаточно далеко отнесенном "базовом" измерительном пункте; здесь E_x, E_y комплексные амплитуды электрических, а Н_x, H_y магнитных компонент поля соответственно. В базовом пункте в ходе достаточно длительных предварительных измерений с заданной точностью определяется значение импеданса, принимаемое за эталонное. О неоднородности поля источников в рабочей реализации магнитотеллурического поля, используемой для определения искомого импеданса в полевом пункте, судят по отклонению в этой реализации результата измерений импеданса в базовом пункте от эталонного. Базовый пункт должен быть отнесен от полевого на расстояние не менее толщины скин-слоя осадочного чехла.A known method of magnetotelluric sounding [1] which uses control of spatial heterogeneity of the field of sources of geomagnetic pulsations. This method retains its applicability in the conditions of a horizontally heterogeneous structure of the underlying environment. According to this method, the complex amplitudes of the four horizontal components of the magnetotelluric field E _x , E _y , H _x , H _y are measured in the test point ("field point") and an additional, far enough related "base" measuring point; here E _x , E _{y are the} complex amplitudes of the electric, and H _x , H _y magnetic field components, respectively. In the base point, during sufficiently lengthy preliminary measurements, the impedance value, taken as the reference value, is determined with a given accuracy. The heterogeneity of the source field in the working implementation of the magnetotelluric field used to determine the desired impedance in the field point is judged by the deviation in this implementation of the measurement result of the impedance in the base point from the reference. The base point should be separated from the field to a distance of not less than the thickness of the skin layer of the sedimentary cover.

Недостатком этого способа-аналога является необходимость введения дополнительного (базового) пункта с измерениями в нем E_x, E_y, H_x, H_y. Другой недостаток способа-аналога с контролем структуры поля по импедансу (адмитансу) на удаленной базе связан с естественным разбросом результатов одиночных измерений, когда допустимый разброс искомой оценки импеданса существенно меньше естественного разброса одиночных измерений. В этих условиях невысокая точность одиночных измерений импеданса не позволяет провести надежную отбраковку тех реализаций, в которых имело место недопустимое смещение оценки импеданса из-за неоднородности поля источников.The disadvantage of this analogue method is the need to introduce an additional (base) item with measurements in it E _x , E _y , H _x , H _y . Another disadvantage of the analogue method with controlling the field structure by impedance (admittance) at a remote base is associated with the natural spread of the results of single measurements, when the allowable spread of the desired impedance estimate is significantly less than the natural spread of single measurements. Under these conditions, the low accuracy of single impedance measurements does not allow reliable rejection of those implementations in which there was an unacceptable bias in the impedance estimate due to the inhomogeneity of the source field.

Известен также способ магнитотеллурического зондирования [2] принятый далее за прототип, в котором у поверхности Земли измеряют четыре горизонтальных и две вертикальных компоненты поля, обозначаемые соответственно через e_x, e_y, h_x, h_y и e_z, h_z, где e_x,y,z электрические, а h_x,y,z магнитные компоненты магнитотеллурического поля; по этим измерениям находят комплексные спектральные амплитуды пространственных компонент магнитотеллурического поля на частоте ω, обозначаемые E_x, E_y, Е для электрических и H_x, H_y, H для магнитных компонент соответственно; по указанным шести комплексным спектральным амплитудам пространственных компонент поля определяют горизонтальную неоднородность поля источников, характеризуемую скоростью горизонтального распространения геомагнитных пульсаций вдоль поверхности Земли, и соответствующие этой скорости импедансы, по которым затем судят об электрическом строении земной коры.There is also a known method of magnetotelluric sounding [2] adopted later as a prototype in which four horizontal and two vertical field components are measured at the Earth’s surface, denoted respectively by e _x , e _y , h _x , h _y and e _z , h _z , where e _{x, y, z are} electric, and h _{x, y, z are the} magnetic components of the magnetotelluric field; from these measurements find the complex spectral amplitudes of the spatial components of the magnetotelluric field at a frequency ω, denoted by E _x , E _y , E for electrical and H _x , H _y , H for magnetic components, respectively; The six complex spectral amplitudes of the spatial field components are used to determine the horizontal inhomogeneity of the source field, which is characterized by the rate of horizontal propagation of geomagnetic pulsations along the Earth’s surface, and the impedances corresponding to this speed, which are then used to judge the electrical structure of the earth’s crust.

К недостаткам этого способа-прототипа следует отнести необходимость измерения компоненты Е (вертикальной электрической компоненты). Дело в том, что для обеспечения помехоустойчивости измерений Е в рабочей области периодов геомагнитных пульсаций (десятков-сотен секунд) по отношению к случайным зарядам гидрометеоров приходится проводить измерения Е_z в скважинах, что осложняет проведение измерений, например, при выполнении скважин в скальном грунте.The disadvantages of this prototype method include the need to measure component E (vertical electrical component). The fact is that to ensure noise immunity of E measurements in the working region of periods of geomagnetic pulsations (tens to hundreds of seconds) in relation to random charges of hydrometeors, it is necessary to measure E _z in wells, which complicates the measurement, for example, when performing wells in rocky soil.

Другим недостатком способа-прототипа является то, что в нем скорость горизонтального распространения поля пульсаций, характеризующая горизонтальную неоднородность поля источников, определяют в предположении горизонтально-однородного разреза. В связи с этим этот способ ориентирован на весьма низкую горизонтальную неоднородность разреза, значительно более низкую, чем неоднородность поля источников, поскольку неоднородность разреза в горизонтальном направлении смещает начало отсчета горизонтальной фазовой скорости поля пульсаций, входящей в оценки импеданса разреза. Поэтому такой способ оказывается неприемлемым в условиях значительной горизонтальной неоднородности разреза, когда горизонтальная неоднородность разреза становится сопоставимой с горизонтальной неоднородностью поля источников, так как резко падает точность и достоверность измерений. Another disadvantage of the prototype method is that in it the speed of horizontal propagation of the pulsation field, which characterizes the horizontal inhomogeneity of the source field, is determined under the assumption of a horizontally uniform section. In this regard, this method is focused on a very low horizontal heterogeneity of the section, much lower than the heterogeneity of the source field, since the heterogeneity of the section in the horizontal direction shifts the reference point of the horizontal phase velocity of the ripple field included in the estimates of the section impedance. Therefore, this method is unacceptable in conditions of significant horizontal heterogeneity of the section, when the horizontal heterogeneity of the section becomes comparable with the horizontal heterogeneity of the source field, since the accuracy and reliability of the measurements sharply decrease.

Техническая задача предлагаемого способа повышение точности и достоверности результатов измерений импеданса и/или адмитанса подстилающей среды в условиях существенной горизонтальной неоднородности разреза. The technical problem of the proposed method is to increase the accuracy and reliability of the measurement results of the impedance and / or admittance of the underlying medium in conditions of significant horizontal heterogeneity of the section.

Техническая задача достигается тем, что в способе магнитотоллурического зондирования, состоящем в том, что у поверхности Земли синхронно измеряют и регистрируют горизонтальные электрические и магнитные магнитотеллурического поля e_x, e_y, h_x, h_y и вертикальную магнитную компоненту h_z, по этим данным формируют комплексные спектральные амплитуды измеряемых компонент на частоте wE_x(ω), E_y(ω), H_x(ω), H_y(ω), H_z(ω),, по комплексным спектральным амплитудам E_x(ω), E_y(ω), H_x(ω), H_y(ω) определяют импеданс и/или адмитанс подстилающей среды, а по коэффициентам линейной связи комплексных амплитуд горизонтальных компонент E_x(ω), E_y(ω), H_x(ω), H_y(ω) с комплексной амплитудой вертикальной компоненты H_z(ω) находят оперативные оценки горизонтальной неоднородности поля и согласно изобретению оценку искомого импеданса и/или адмитанса производят, исключая те реализации поля, для которых оперативные оценки горизонтальной неоднородности поля были вне области их допустимых вариаций, для чего предварительно по временным вариациям пространственной структуры поля источников определяют область допустимых вариаций оперативных оценок горизонтальной неоднородности поля, в которой относительные возмущения оценки импеданса и/или адмитанса не превышают априори заданного уровня.The technical problem is achieved by the fact that in the method of magnetotolluric sensing, consisting in the fact that horizontal electric and magnetic magnetotelluric fields e _x , e _y , h _x , h _y and the vertical magnetic component h _z are simultaneously measured and recorded at the Earth’s surface, according to these data form the complex spectral amplitudes of the measured components at a frequency wE _x (ω), E _y (ω), H _x (ω), H _y (ω), H _z (ω), according to the complex spectral amplitudes E _x (ω), E _y (ω), H _x (ω), H _y (ω) determine the impedance and / or admittance of the underlying medium, and by the coefficients the linear relationship of the complex amplitudes of the horizontal components E _x (ω), E _y (ω), H _x (ω), H _y (ω) with the complex amplitude of the vertical component H _z (ω) find operational estimates of the horizontal field inhomogeneity and, according to the invention, an estimate of the desired the impedance and / or admittance is produced, excluding those field implementations for which operational estimates of the horizontal field heterogeneity were outside the range of their permissible variations, for which preliminary, the temporal variations of the spatial structure of the source field determine the range of admissible Aryations of operational estimates of horizontal field heterogeneity, in which the relative perturbations of the impedance and / or admittance estimates do not exceed a priori given level.

Физической основой предлагаемого способа является приближенно линейная зависимость оперативных оценок горизонтальной неоднородности поля источников геомагнитных пульсаций от волновых чисел для источников k_x(ω), k_y(ω) при квадратичной зависимости вариаций импеданса (адмитанса) от k_x(ω), k_y(ω)..The physical basis of the proposed method is an approximately linear dependence of the operational estimates of the horizontal heterogeneity of the field of geomagnetic pulsation sources on wave numbers for sources k _x (ω), k _y (ω) with a quadratic dependence of the variations of impedance (admittance) on k _x (ω), k _y ( ω) ..

В предлагаемом способе измеряются пять компонент поля E_x(ω), E_y(ω), H_x(ω), H_y(ω), H_z(ω),, а не все шесть, включая E_z(ω), как в прототипе. В качестве примера укажем, что при формировании оперативных оценок горизонтальной неоднородности поля источников по линейной связи H_z(ω) c E_x(ω), E_y(ω) (или с H_x(ω), H_y(ω)) в качестве таких оперативных оценок служат весовые коэффициенты W_x(ω), W_y(ω), где

;
U_z(ω) комплексная амплитуда напряжения на выходе измерительного канала h_z,

комплексные амплитуды на выходе e_x, e_y - каналов, или h_x, h_y каналов соответственно.In the proposed method, five components of the field are measured E _x (ω), E _y (ω), H _x (ω), H _y (ω), H _z (ω), and not all six, including E _z (ω), as in the prototype. As an example, we point out that in the formation of operational estimates of the horizontal inhomogeneity of the source field by the linear relationship H _z (ω) with E _x (ω), E _y (ω) (or with H _x (ω), H _y (ω)) in the weighting coefficients W _x (ω), W _y (ω), where

;
U _z (ω) the complex amplitude of the voltage at the output of the measuring channel h _z ,

complex amplitudes at the output of e _x , e _y channels, or h _x , h _y channels, respectively.

Реальные масштабы неоднородности поля источников геомагнитных пульсаций, характеризуемые обратными волновыми числами k $\binom{-1}{x}$ (ω), k $\binom{-1}{y}$ (ω) существенно больше величины скин-слоя δ(ω) в подстилающих породах. В этих условиях возмущения, вызываемые горизонтальной неоднородностью поля источников в коэффициентах связи

линейно зависят от k_x(ω), k_y(ω),, а возмущения импеданса

(или адмитанса

) квадратично зависят от k_x(ω), k_y(ω),, причем минимальная зависимость импеданса (адмитанса) от k_x(ω), k_y(ω), приходится наk_x, k_y=0} [3,4,5]
В процессе измерений изменяется пространственная неоднородность поля источников, характеризуемая величинами k_x(ω), k_y(ω) и это приводит к вариациям как оперативных оценок W_x(ω), W_y(ω),, так и относительных возмущений импеданса

(или адмитанса

), причем относительные вариации W_x(ω), W_y(ω),, будучи величинами первого порядка малости по k_x, k_y, существенно превышают относительные вариации импеданса (или адмитанса), которые являются малыми величинами второго порядка по k_x, k_y. Простой оценке величин k_x, k_y по коэффициентам связи W_x(ω), W_y(ω), препятствует влияние горизонтальной неоднородности среды, вносящее неизвестный априори начальный сдвиг в оценки коэффициентов W_x(ω), W_y(ω),. Определять этот начальный сдвиг, соответствующий k_x, k_y=0} нет необходимости, так как практически нас интересует область изменения коэффициентов W_x(ω), W_y(ω),, в которой вариации импеданса

(или адмитанса

) достаточно малы. Наибольший размах вариаций W_x(ω), W_y(ω) при фиксированном уровне вариаций

(или

) соответствует окрестности начального сдвига W_x(ω), W_y(ω) из-за горизонтальной неоднородности среды при k_x, k_y 0} Это позволяет на этапе предварительных измерений установить область допустимых вариаций оперативных оценок W_x, W_y, в которой относительные вариации импеданса (или адмитанса) не превышают априори заданного уровня в условиях существенной горизонтальной неоднородности среды.Real scales of field heterogeneity of geomagnetic pulsation sources characterized by inverse wave numbers k

\binom{-1}{x}

(ω), k

\binom{-1}{y}

(ω) is significantly larger than the skin layer δ (ω) in the underlying rocks. Under these conditions, perturbations caused by horizontal inhomogeneity of the source field in the coupling coefficients

linearly depend on k _x (ω), k _y (ω), and impedance perturbations

(or admittance

) quadratically depend on k _x (ω), k _y (ω), and the minimum dependence of the impedance (admittance) on k _x (ω), k _y (ω) falls on k _x , k _y = 0} [3,4 ,5]
During the measurements, the spatial inhomogeneity of the source field changes, characterized by the values of k _x (ω), k _y (ω) and this leads to variations in both the operational estimates of W _x (ω), W _y (ω), and the relative impedance perturbations

(or admittance

), and the relative variations of W _x (ω), W _y (ω), being first-order quantities of smallness in k _x , k _y , significantly exceed the relative variations of impedance (or admittance), which are small second-order quantities in k _x , k _y . A simple estimate of the values of k _x , k _y from the coupling coefficients W _x (ω), W _y (ω) is hindered by the influence of horizontal inhomogeneity of the medium, which introduces an initial unknown shift in the estimates of the coefficients W _x (ω), W _y (ω) ,. It is not necessary to determine this initial shift corresponding to k _x , k _y = 0}, since in practice we are interested in the region of variation of the coefficients W _x (ω), W _y (ω), in which the impedance variations

(or admittance

) are small enough. The largest variation range W _x (ω), W _y (ω) at a fixed level of variation

(or

) corresponds to the vicinity of the initial shift W _x (ω), W _y (ω) due to the horizontal heterogeneity of the medium at k _x , k _y 0} This allows us to establish at the stage of preliminary measurements the range of admissible variations of the operational estimates W _x , W _y , in which the relative variations of the impedance (or admittance) do not exceed a priori a given level under conditions of a significant horizontal inhomogeneity of the medium.

Высокая чувствительность используемых оперативных оценок W_x, W_y к горизонтальной неоднородности поля источников позволяет осуществлять быструю отбраковку реализаций поля источников, не позволяющих осуществить достаточно точное измерение импеданса (адмитанса).The high sensitivity of the used operational estimates of W _x , W _y to the horizontal inhomogeneity of the source field allows for quick rejection of realizations of the source field that do not allow a sufficiently accurate measurement of impedance (admittance).

Реализуемость способа определяется существенно более высокими значениями относительных вариаций используемых в предлагаемом способе оперативных оценок пространственной неоднородности поля источников по сравнению с одновременно наблюдаемыми относительными вариациями оценок импеданса (или адмитанса) исследуемого разреза. В качестве примера укажем, что в наших наблюдениях при синхронной регистрации 5 компонент магнителлурического поля (e_x, e_y, h_x, h_y, h_z) оперативная оценка неоднородности поля источников W_x, связывающая комплексные амплитуды Н_z и E_x, изменялась в течение сеанса наблюдений в действительной части в пределах (-0,020)^oC(-0,053) условных единиц, в мнимой части в пределах (0,008^oC0,039) условных единиц, т. е. на десятки процентов от своего наибольшего по модулю значения. При этом относительные вариации адмитанса Y_ух, связывающего ту же компоненту E_x c H_y, не превышали 1,5 2,5 от 0,936 до 0,959 усл. ед. в действительной части, и от (-0,943) до (-0,959) усл. ед. в мнимой части. Данные приведены для периода Т≈15,6 с.The feasibility of the method is determined by significantly higher values of the relative variations of the operational estimates of the spatial heterogeneity of the source field used in the proposed method compared to the simultaneously observed relative variations of the estimates of the impedance (or admittance) of the studied section. As an example, we point out that in our observations during the synchronous registration of 5 components of the magnetelluric field (e _x , e _y , h _x , h _y , h _z ), the operational estimate of the source field inhomogeneity W _x relating the complex amplitudes H _z and E _x changed during the observation session in the real part within (-0.020) ^o C (-0.053) conventional units, in the imaginary part within (0.008 ^o C0.039) conventional units, i.e., tens of percent of its largest modulus . In this case, the relative variations in the admittance of Y _yh connecting the same component E _x c H _y did not exceed 1.5 2.5 from 0.936 to 0.959 conv. units in the real part, and from (-0.943) to (-0.959) conv. units in the imaginary part. The data are given for a period of T≈15.6 s.

Измерения проводились в Астраханском регионе в полевом сезоне 1989 г. с помощью штатных станций ЦЭС-2 и полевого измерительно-вычислительного комплекса ИРЭ РАН, выполненного на базе ЭВМ "Электроника-60". Оперативная оценка пространственной неоднородности поля проводилась на скользящем временном интервале из 2-х и 3-х последовательных временных сегментов длительности T_сег.= (140•4) с= 560 с каждый, один сеанс измерений включает в себя до 12 сегментов (560сх12= 112 мин= 1 ч 52 мин). Данные об относительных вариациях адмитанса, где колебания существенно меньше, получены для временных интервалов, содержащих по 4 последовательных сегмента.The measurements were carried out in the Astrakhan region in the field season of 1989 using the standard stations TsES-2 and the field measuring and computing complex of the IRE RAS, performed on the basis of the Electronics-60 computer. An operational estimation of the spatial heterogeneity of the field was carried out on a moving time interval of 2 and 3 consecutive time segments of duration T _seg. = (140 • 4) s = 560 s each, one measurement session includes up to 12 segments (560x12 = 112 min = 1 h 52 min). Data on the relative variations of the admittance, where the fluctuations are much smaller, were obtained for time intervals containing 4 consecutive segments.

Приведенные данные иллюстрируют возможность проводить с помощью предлагаемого способа весьма точные (с точностью ≈1) измерения импеданса (или адмитанса) подстилающей среды в условиях значительной горизонтальной неоднородности разреза при надежном обнаружении реализаций с недопустимой горизонтальной неоднородностью поля на интервале времени, существенно меньшем, чем сеанс измерений. The data presented illustrate the possibility of using the proposed method to carry out very accurate (with an accuracy of ≈1) measurements of the impedance (or admittance) of the underlying medium under conditions of significant horizontal heterogeneity of the section with reliable detection of realizations with an unacceptable horizontal field inhomogeneity in a time interval significantly less than the measurement session .

Claims

The method of magnetotelluric sounding, consisting in the fact that the horizontal electric and magnetic components of the magnetotelluric field e _x , e _y , h _x , h _y and the vertical magnetic component h _z are simultaneously measured and recorded at the Earth’s surface, according to these data, complex spectral amplitudes of the measured components are formed at the frequency ω E _x (ω), E _y (ω), H _x (ω), H _y (ω), H _z (ω), according to the complex spectral amplitudes E _x (ω), E _y (ω), H _{_{x (ω), H y (}} ω) is determined impedance and (or) the admittance of the underlying medium, and the coefficients of the linear integrated communication am litud horizontal component _{_{E x (ω), E y}} (ω), H x (ω), H y (ω) with the complex amplitude of the vertical component H _z (ω) are operative evaluation horizontal field inhomogeneities, characterized in that the estimate of the desired impedance (and / or admittance) is performed, excluding those field implementations for which the operational estimates of the horizontal field heterogeneity were outside the range of their permissible variations, for which the region of permissible variations of the operational estimates of th izontalnoy field inhomogeneity, wherein relative impedance disturbance estimation and / or admittance does not exceed a predetermined level a priori.