RU2093863C1 - Method of electromagnetic probing of earth's crust with use of normed sources of field - Google Patents
Method of electromagnetic probing of earth's crust with use of normed sources of field Download PDFInfo
- Publication number
- RU2093863C1 RU2093863C1 RU96108492A RU96108492A RU2093863C1 RU 2093863 C1 RU2093863 C1 RU 2093863C1 RU 96108492 A RU96108492 A RU 96108492A RU 96108492 A RU96108492 A RU 96108492A RU 2093863 C1 RU2093863 C1 RU 2093863C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- earth
- crust
- waves
- sounding
- excitation
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Geophysics And Detection Of Objects (AREA)
Abstract
Description
Настоящее изобретение относится к области электроэнергетики, а именно к технике связи СНЧ-диапазона, и может быть использовано для глубинного электрического зондирования земной коры. The present invention relates to the field of electric power, in particular to communication technology of the UHF range, and can be used for deep electrical sounding of the earth's crust.
В настоящее время широко известны разнообразные географические способы исследования земной коры и верхней мантии. Электромагнитное зондирование верхних слоев земной коры дает возможность получить сведения о геоэлектрическом разрезе, т.е. распределении электропроводности по глубине. Сведения о распределении электропроводности являются по существу одним из немногих доступных источников информации о распределении температуры в земных недрах и в связи с этим имеют важное значение для краткосрочного прогноза землетрясений, поскольку изменение электропроводности земной коры в районе потенциальных очагов землетрясений, как правило, расположенных на больших глубинах, является прогностическим признаком землетрясения. At present, various geographical methods for studying the earth's crust and upper mantle are widely known. Electromagnetic sounding of the upper layers of the earth's crust makes it possible to obtain information about the geoelectric section, i.e. depth distribution of electrical conductivity. Information on the distribution of electrical conductivity is essentially one of the few available sources of information on the temperature distribution in the earth's interior and, therefore, is important for a short-term forecast of earthquakes, since a change in the electrical conductivity of the earth's crust in the region of potential centers of earthquakes, usually located at great depths is a predictive sign of an earthquake.
Известно, что самые глубокие скважины проникли в тело Земли пока только на 7-8 км. Есть и сейсмические способы зондирования. Излучение характера распространения колебаний, рожденных землетрясениями, дает много ценных сведений о земной коре. Но этот способ исследования пассивный, наблюдательный. Надо ждать землетрясения, заранее неизвестного, когда и где возникнет. It is known that the deepest wells penetrated the body of the Earth so far only at 7-8 km. There are seismic sensing methods. Radiation from the nature of the propagation of vibrations generated by earthquakes provides a lot of valuable information about the earth's crust. But this method of research is passive, observant. We must wait for the earthquake, unknown in advance when and where it will occur.
Аналогом заявляемого способа является способ сейсмической развертки [1] Этот способ заключается в возбуждении зондирующего сигнала и многоканального приема отраженных и дифрагированных волн от объектов, обработке с проведением селекции волн по направлениям прихода и отображением результатов в виде размеров параметров на плоттере, при этом регистрацию волн осуществляют приемной установкой, включающей по крайней мере три геофона, расположенных по двум осям X, Y декартовой системы координат и симметричных относительно геофона, расположенного в центре приемной установки, совмещенном с точкой размещения излучателя зондирующего сигнала, для каждого цикла излучение - прием на участке работ проводят корреляционную обработку с вычислением времени прихода волн от одноименных объектов развертки и определяют условные координаты объекта отражения и скорость v звука в среде из соответствующих соотношений, а полученные условные координаты пересчитывают в их абсолютные значения, связанные с участком работ, и запоминают совместно с данными о скорости звука, координатами центра приемной установки, при этом при перемещении последней на определенный шаг цикл излучение прием повторяют, амплитуды волн, зарегистрированных от объектов с одинаковыми абсолютными координатами, алгебраически суммируют, а после завершения работ на участке на плоттер выводят сечение амплитуды волн в координатах объектов отражения и локальных скоростей звука. An analogue of the proposed method is a seismic scan method [1]. This method consists in exciting a probing signal and receiving multichannel signals from reflected and diffracted waves, processing it with wave selection in the directions of arrival and displaying the results in the form of parameter sizes on the plotter, while registering the waves a receiving installation comprising at least three geophones located along two X, Y axes of the Cartesian coordinate system and symmetrical with respect to the geophon, is located data in the center of the receiving installation, combined with the location point of the probe signal emitter, for each radiation-reception cycle at the work site, carry out correlation processing with the calculation of the time of arrival of waves from the same scan objects and determine the conditional coordinates of the reflection object and sound velocity v in the medium from the corresponding ratios , and the resulting conditional coordinates are converted into their absolute values associated with the site of work, and stored together with data on the speed of sound, the coordinates of the center installation, while moving the last one step the radiation cycle is repeated, the amplitudes of the waves detected from objects with the same absolute coordinates are algebraically summed, and after completion of work on the plot, a section of the wave amplitudes in the coordinates of the reflection objects and local sound velocities is displayed .
Недостатками такого способа является то, что сейсмические волны приносят сведения только об упругих, механических свойствах вещества. Зондирующий сигнал является искусственным и значительно ослабляется с глубиной проникновения. Этот способ использует приближенные методы интерпретации, что приводит в ряде случаев к низкой достоверности результатов зондирования. The disadvantages of this method is that seismic waves bring information only about the elastic, mechanical properties of the substance. The probe signal is artificial and is significantly attenuated with penetration depth. This method uses approximate methods of interpretation, which in some cases leads to low reliability of sensing results.
Прототипом заявляемого способа является способ глубинного электромагнитного зондирования с применением импульсных МГД-генераторов [2] Принцип использования МГД-генераторов заключается в том, что при протекании плазмы через поперечное магнитное поле в нем генерируется ток, а вместо нагрузки используется Земля, при этом в качестве генератора плазмы служит пламя пороховых зарядов. The prototype of the proposed method is a method of deep electromagnetic sounding using pulsed MHD generators [2] The principle of using MHD generators is that when the plasma flows through a transverse magnetic field, current is generated in it, and the Earth is used instead of the load, while the generator is used plasma serves as a flame of powder charges.
Способ основан на измерении различных компонентов электромагнитного поля, измеряемого горизонтальным электрическим или вертикальным магнитным диполем, расположенным на небольшом удалении от точки измерения. Информация о геоэлектрическом разрезе содержится в амплитуде и фазе принимаемых сигналов и выделяется тем или иным способом при последующей обработке. The method is based on the measurement of various components of the electromagnetic field measured by a horizontal electric or vertical magnetic dipole located at a small distance from the measurement point. Information about the geoelectric section is contained in the amplitude and phase of the received signals and is allocated in one way or another during subsequent processing.
Способ позволяет получать с достаточной точностью на небольших глубинах только малые фрагменты кривых частотного зондирования, которое соответствуют первым гармоникам спектров частот и большим отношениям сигнала к помехе. В целом по кривой частотного зондирования погрешность определенная ρк может достигать 10-15% и более.The method allows to obtain with sufficient accuracy at shallow depths only small fragments of the frequency sounding curves, which correspond to the first harmonics of the frequency spectra and large signal-to-noise ratios. In general, according to the curve of frequency sensing, the error determined by ρ k can reach 10-15% or more.
Способ использует приближенные методы интерпретации, что приводит к низкой достоверности результатов зондирования. The method uses approximate interpretation methods, which leads to low reliability of the sounding results.
Следует отметить и такую особенность работы МГД-генератора, как неповторяемость формы импульсов тока в источнике при "горячем" пуске. В результате существенно снижается возможность использования данного источника для режимных наблюдений за вариациями удельного сопротивления при мониторинге сейсмотектонических процессов. К тому же устройства возбуждения зондирующего сигнала с помощью МГД-генераторов являются громоздкими и дорогостоящими. It should be noted that such a feature of the MHD generator as the non-repeatability of the shape of the current pulses in the source during a "hot" start. As a result, the possibility of using this source for operational observations of resistivity variations during monitoring of seismotectonic processes is significantly reduced. In addition, the device for exciting the probe signal using MHD generators are bulky and expensive.
Известные способы возбуждения зондирующих сигналов применяются лишь для поверхностного исследования земной коры. Known methods for exciting sounding signals are used only for a surface study of the earth's crust.
Целью изобретения является снижение себестоимости разведки, а также геофизической эффективности путем использования диапазона сверхнизких частот и нормированных источников поля. The aim of the invention is to reduce the cost of exploration, as well as geophysical efficiency by using a range of ultra-low frequencies and normalized field sources.
Поставленная цель достигается тем, что в способе электромагнитного зондирования земной коры, включающем возбуждение зондирующего сигнала и прием отраженных волн, обработку их по направлением прихода и отображение их результатов, возбуждение зондирующего сигнала осуществляют СНЧ-радиоустановкой, включающей два радиопередающих модуля генератора синусоидального тока, которые нагружают на протяженные, низко расположенные, горизонтально ориентированные и заземленные на концах антенны по типу линии электропередач постоянного тока, расстояние между которыми выбирают порядка десяти километров, а возбуждение волн в волноводе земля ионосфера проводят с помощью эквивалентной магнитной рамки площадью, равной произведению длины проводника на уменьшенную в 
Структурная схема предлагаемого способа приведена на фиг. 1 и состоит из двух радиопередающих модулей РПМ 1, РПМ 2, нагруженных по типу линий электропередач на напряжение 110 кВ. Длина антенн РПМ 1 и РПМ 2 составляет 60 км, а расстояние между ними порядка 10 км. Рабочие заземлители 2 каждой из антенн 1 состоят из решеток эквидистаных стальных полос длиной 1 км, заглубленных на 0,5 м. Площадь заземлителей 2 составляет один квадратный километр, а их сопротивление колеблется от 3 до 6 Ом в зависимости от места их расположения. Каждый из модулей РПМ 1 и РПМ 2 имеет в своем составе тиристорный генератор 3 и емкостное согласующее устройство 4, предназначенное для компенсации индуктивной составляющей входного сопротивления антенн 1, добротность которых лежит в пределах от 5 до 7. Мощность генераторных установок 3 позволяет развивать токи в антеннах 1 до 330 А. Форма тока синусоидальная. Диапазон рабочих частот: единицы, десятки или сотни Гц. СНЧ-радиоустановка функционирует в двух режимах. В первом излучение осуществляется одним из модулей РПМ, тогда как другой находится в резерве. Во втором оба модуля работают синфазно в режиме сложения мощностей в пространстве. При этом напряженность поля в точке приема удваивается. The structural diagram of the proposed method is shown in FIG. 1 and consists of two radio transmitting modules RPM 1, RPM 2, loaded by type of power lines at a voltage of 110 kV. The length of the antennas RPM 1 and RPM 2 is 60 km, and the distance between them is about 10 km. The working grounding conductors 2 of each of the antennas 1 consist of gratings of equidistant steel strips 1 km long, deepened by 0.5 m.The area of the grounding conductors 2 is one square kilometer, and their resistance varies from 3 to 6 ohms depending on their location. Each of the RPM 1 and RPM 2 modules includes a thyristor generator 3 and a
Антенна 1 СНЧ-радиоустановки возбуждает электромагнитное поле в канале земля ионосфера подобно горизонтальному магнитному диполю, вертикальный размер которого определяется величиной скин-слоя в подстилающем полупространстве (фиг.2). The antenna 1 of the UHF radio installation excites an electromagnetic field in the earth-ionosphere channel like a horizontal magnetic dipole, the vertical size of which is determined by the size of the skin layer in the underlying half-space (Fig. 2).
Эффективная площадь рамки определяется выражением S = l•δ. Например, на частоте порядка 30 Гц это 55 км линейный размер и 10 км величина скин-слоя, эффективный магнитный момент порядка 1,5•1011 А/м2. Если провод расположить над землей с проводимостью 10-4 Сим/м, то на частоте 50 Гц высота эквивалентной рамки составляет 5 км. При длине провода 50 км площадь рамки будет равна 250 км2. Построить обычную рамочную антенну такой площади невозможно.The effective area of the frame is determined by the expression S = l • δ. For example, at a frequency of the order of 30 Hz this is 55 km linear size and 10 km the size of the skin layer, effective magnetic moment of the order of 1.5 • 10 11 A / m 2 . If the wire is placed above the ground with a conductivity of 10 -4 Sim / m, then at a frequency of 50 Hz the height of the equivalent frame is 5 km. With a wire length of 50 km, the area of the frame will be 250 km 2 . It is impossible to build a conventional loop antenna of such an area.
Электромагнитное поле в волноводе земля ионосфера распространяется с крайне низким затуханием порядка полтора децибела на 1000 км. Кроме того, СНЧ-антенна обеспечивает устойчивую связь, которая не зависит от магнитных бурь, от состояния ионосферы, рельефа дневной поверхности. Обеспечивается возможность просвечивать глубины до низов земной коры, т.е. до 70 км и более, где расположены, как правило, очаги всех разрушительных землетрясений. The electromagnetic field in the earth ionosphere waveguide propagates with extremely low attenuation of the order of one and a half decibels per 1000 km. In addition, the VLF antenna provides a stable connection, which is independent of magnetic storms, the state of the ionosphere, and the relief of the day surface. It is possible to shine through the depths to the bottom of the earth's crust, i.e. up to 70 km and more, where, as a rule, the centers of all destructive earthquakes are located.
Регистрация же излучения, создаваемого СНЧ-радиоустановкой, осуществляется с помощью измерительного комплекса "БОРОК" ОИФЗ РАН. Такой комплекс представляет собой совокупность датчиков геофизических величин, измерительных усилителей и аналоговых фильтров, системы регистрации и службы времени. The registration of radiation generated by the UHF radio installation is carried out using the BOROK measuring complex of the Institute of Physics and Mathematics of the Russian Academy of Sciences. Such a complex is a combination of sensors of geophysical quantities, measuring amplifiers and analog filters, registration systems and time services.
Измерение осуществляется по методу аудиомагнитотеллурического зондирования (АМТЗ). Этот метод основан на изучении естественного электромагнитного поля Земли и применяется при решении структурных геологических задач, для обнаружения разрывных нарушений, исследования степени неоднородности массивов горных пород по удельному электрическому сопротивлению, поисков глубоко залегающих рудных тел. Наблюденное на земной поверхности естественное переменное электромагнитное поле, которое состоит из электрического поля E теллурических токов и магнитного поля Земли H, получило название магнитотеллурического поля. The measurement is carried out by the method of audiomagnetotelluric sounding (AMTZ). This method is based on the study of the Earth’s natural electromagnetic field and is used to solve structural geological problems, to detect discontinuous disturbances, to study the degree of heterogeneity of rock masses by electrical resistivity, and to search for deep-lying ore bodies. The natural alternating electromagnetic field observed on the Earth’s surface, which consists of the electric field E of the telluric currents and the Earth’s magnetic field H, is called the magnetotelluric field.
Рассмотрим возбуждение электромагнитных волн горизонтальными источниками, в частности СНЧ-радиоустановкой. Let us consider the excitation of electromagnetic waves by horizontal sources, in particular, an UHF radio installation.
Ключевой задачей для понимания механизма возбуждения электромагнитных полей горизонтальными низкорасположенными антеннами является задача о поле горизонтального электрического диполя, расположенного на границе двух сред (фиг.3). Ее строгое решение для электрической и магнитной составляющих в цилиндрической системе координат может быть представлено с помощью известных интегралов Зоммерфельда в виде
где I0(x) функция Бесселя нулевого порядка;
P электрический момент диполя;
K0, K волновые числа в воздухе и земле;
r,ω,z координаты точки наблюдения;
where I 0 (x) is the zero-order Bessel function;
P is the electric moment of the dipole;
K 0 , K wave numbers in air and earth;
r, ω, z coordinates of the observation point;
Известно что для интегралов Q, G, j получены замкнутые выражения в терминах обычных и неполных цилиндрических функций, удобные для получения приближенных представлений полей при произвольных удалениях источников от точки наблюдения. В частности, для случая, когда выполняются условия 
Отметим, что второе из приведенных условий выполняется в диапазонах СНЧ всегда. Подставляя (2) в (1) для соответствующих Ez, Hr, Hψ получим следующие выражения:
Сравнивая полученные выражения с составляющими поля горизонтального магнитного диполя, лежащего на идеально проводящей плоскости и ориентированного вдоль оси Y, легко убедиться в их полной эквивалентности, если момент последнего будет определятся выражением
Составляющие поля Er, Ey, как в этом можно убедится, подставляя (2) а (1), оказываются связанными с Hz, Hy условиями Леонтовича:
Er= -zHΦ EΦ= zH2 (5)
где Z нормальный импеданс поверхности Земли.It is known that for the integrals Q, G, and j, closed expressions are obtained in terms of ordinary and incomplete cylindrical functions, convenient for obtaining approximate representations of the fields at arbitrary distances of sources from the observation point. In particular, for the case when the conditions are satisfied
Note that the second of the above conditions is always fulfilled in the ELF ranges. Substituting (2) in (1) for the corresponding E z , H r , H ψ we obtain the following expressions:
Comparing the obtained expressions with the field components of a horizontal magnetic dipole lying on an ideally conducting plane and oriented along the Y axis, it is easy to verify their full equivalence if the moment of the latter is determined by the expression
As can be seen from this, the field components E r , E y , substituting (2) a (1), turn out to be Leontovich's conditions related to H z , H y :
E r = -zH Φ E Φ = zH 2 (5)
where Z is the normal impedance of the Earth's surface.
Решение задачи о возбуждении полупространства при задании импедансных граничных условий приводит к аналогичному выводу с той лишь разницей, что отношение τ в формуле (4) заменяется величиной приведенного поверхностного импеданса, 
Технико-экономическая эффективность. Technical and economic efficiency.
Использование предлагаемого способа электромагнитного зондирования земной коры с использованием нормированных источников поля позволяет
с минимальными затратами исследовать большие территории земной коры, сохраняя высокую точность и воспроизводимость результатов(стоимость излучения на конец 1995 г. около 20 тысяч рублей на один сеанс длительностью 5 мин);
обеспечивает достаточную глубинность исследования разреза для исключения влияния мешающих сезонных факторов и излучения наиболее представительных и помехоустойчивых интегральных характеристик больших объемов пород с регистрацией наиболее заметных изменений r пород в областях, приближенных к очагам готовящихся землетрясений;
высокую точность измерений, которая не зависит от времени года, времени суток, погодных условий, что позволяет рассматривать ее как оптимальное средство для проведения долговременных круглогодичных наблюдений и мониторинга сейсмотектонических процессов;
обнаружение разрывных нарушений, исследование степени неоднородности массивов горных пород по удельному электрическому сопротивлению, поисков глубоко залегающих рудных тел.Using the proposed method of electromagnetic sounding of the earth's crust using normalized field sources allows
to study large areas of the earth's crust with minimal costs, while maintaining high accuracy and reproducibility of the results (the cost of radiation at the end of 1995 was about 20 thousand rubles per session for 5 minutes);
provides sufficient depth of section investigation to exclude the influence of interfering seasonal factors and radiation of the most representative and noise-resistant integral characteristics of large volumes of rocks with registration of the most noticeable changes in r of rocks in areas close to the centers of impending earthquakes;
high measurement accuracy, which does not depend on the time of year, time of day, weather conditions, which allows us to consider it as the optimal tool for long-term year-round observations and monitoring of seismotectonic processes;
detection of discontinuous faults, investigation of the degree of heterogeneity of rock masses by specific electrical resistance, searches for deep-lying ore bodies.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU96108492A RU2093863C1 (en) | 1996-04-30 | 1996-04-30 | Method of electromagnetic probing of earth's crust with use of normed sources of field |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU96108492A RU2093863C1 (en) | 1996-04-30 | 1996-04-30 | Method of electromagnetic probing of earth's crust with use of normed sources of field |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2093863C1 true RU2093863C1 (en) | 1997-10-20 |
| RU96108492A RU96108492A (en) | 1998-01-20 |
Family
ID=20179976
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU96108492A RU2093863C1 (en) | 1996-04-30 | 1996-04-30 | Method of electromagnetic probing of earth's crust with use of normed sources of field |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2093863C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2608072C1 (en) * | 2015-10-01 | 2017-01-13 | Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство обороны Российской Федерации | Communication system of super low frequency and extremely low frequency ranges with deeply submerged and remote objects |
-
1996
- 1996-04-30 RU RU96108492A patent/RU2093863C1/en active
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 1. Патент РФ N 2029318, кл. G 01 V 1/00, 1995. 2. Велихов Е.П., Волков Ю.М. Глубинные электромагнитные зондирования с применением импульсных МГД-генераторов. Апатиты, 1982, с.5 - 25. * |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2608072C1 (en) * | 2015-10-01 | 2017-01-13 | Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство обороны Российской Федерации | Communication system of super low frequency and extremely low frequency ranges with deeply submerged and remote objects |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Won et al. | GEM-2: A new multifrequency electromagnetic sensor | |
| Strangway et al. | The application of audio-frequency magnetotellurics (AMT) to mineral exploration | |
| US4875015A (en) | Multi-array borehole resistivity and induced polarization method with mathematical inversion of redundant data | |
| Wilt et al. | Crosswell electromagnetic tomography: System design considerations and field results | |
| Haines et al. | Seismoelectric imaging of shallow targets | |
| Spies et al. | Electromagnetic sounding | |
| US4258322A (en) | Electromagnetic subsoil prospecting process using an asymptotic low frequency range | |
| US7227362B2 (en) | Electric power grid induced geophysical prospecting method and apparatus | |
| Edwards et al. | First results of the MOSES experiment: sea sediment conductivity and thickness determination, Bute Inlet, British Columbia, by magnetometric offshore electrical sounding | |
| EA011273B1 (en) | System and method for time-distance characteristics in acquisition, processing and imaging of t-csem data exploiting controlled sources in time domain | |
| US3866111A (en) | Method of mineral exploration by detecting electromagnetic energy at power line frequency | |
| EP0532604B1 (en) | Sub-audio magnetics instrument | |
| RU2733095C2 (en) | Method of three-dimensional objects searching by tm-polarization geoelectrics methods | |
| RU2093863C1 (en) | Method of electromagnetic probing of earth's crust with use of normed sources of field | |
| Tereshchenko | Estimating the effective conductivity of the underlying surface based on the results of receiving the electromagnetic fields in the middle zone of an active source in the earth–ionosphere waveguide | |
| US5777476A (en) | Ground global tomography (CGT) using modulation of the ionospheric electrojets | |
| Swift | Fundamentals of the electromagnetic method | |
| Nabighian et al. | Electrical and EM methods, 1980–2005 | |
| Korpisalo | Characterization of geotomographic studies with the EMRE system | |
| JPH06294793A (en) | Nondestructive measuring method using acoustic wave of physical property of stratum | |
| RU2710099C1 (en) | Geo-electric prospecting method | |
| RU2179325C2 (en) | Method of geological electric prospecting and gear for its realization | |
| Timothy et al. | A review of the application of telluric and magnetotelluric methods in geophysical exploration | |
| RU2260822C1 (en) | Method of geophysical prospecting of hydrocarbon deposits | |
| RU2732545C1 (en) | Method of geological survey of minerals |