CC BY
15
DOI: 10.25702/KSC.2307-5252.2019.5.20-39 УДК 621.314:550.837
А. Н. Шевцов, А. А. Жамалетдинов, В. В. Колобов, М. Б. Баранник, В. Н. Селиванов
ЭКСПЕРИМЕНТ FENICS-2014 ПО ГЛУБИННОМУ ЗОНДИРОВАНИЮ ЗЕМНОЙ КОРЫ С ПРИМЕНЕНИЕМ ДВУХ ВЗАИМНО ОРТОГОНАЛЬНЫХ ЛЭП И РЕЗУЛЬТАТЫ УГЛУБЛЕННОЙ ОБРАБОТКИ ДАННЫХ НА ПРОФИЛЕ УПОЛОКША — СЯМОЗЕРО
Аннотация
В ходе эксперимента FENICS-2014 по глубинному зондированию литосферы Фенноскандинавского щита выполнены частотные зондирования (ЧЗ) с контролируемым источником в комплексе с магнитотеллурическими зондированиями. В качестве контролируемого источника поля использовались две взаимно ортогональные заземленные воздушные линии электропередачи (ВЛ), питаемые от генератора «Энергия-2». Разработанный специально для зондирований с ВЛ генератор «Энергия-2» мощностью 200 кВт с выходным напряжением до 1000 В позволяет формировать в линии ток произвольной формы. В диапазоне частот зондирований 0,01-200 Гц генератор обеспечил амплитуду тока в линиях от 250 до 30 А, что позволило исследовать электропроводность литосферы в диапазоне глубин от нескольких сотен метров до 100 км на разносах от источника до 860 км. Описаны методика и результаты углубленной обработки данных зондирований. Углубленная обработка проводилась для определения погрешности измерений сигнала путем вычисления статистических оценок по нескольким фрагментам записи на данной частоте. Для этого рассматривались синхронные записи силы тока в источнике и измеряемых компонент поля для каждого из используемых фрагментов записи. В каждом из фрагментов выполнялся спектральный анализ авто- и взаимных корреляционных функций наблюдаемых компонент поля и силы тока в источнике. Для каждой частоты тока источника определялись измеренное значение и погрешность измерений амплитуд наблюдаемых компонент поля, фазовых сдвигов между компонентами поля и амплитуды силы тока в источнике. Выполнен теоретический анализ учета величины статического сдвига кривых ЧЗ для электрических компонент поля и эффективного импеданса от контролируемого источника по отношению к кривым для магнитных составляющих. Представлена методика учета статических искажений для кривых ЧЗ, осложненных действием волновода Земля — ионосфера и тока смещения Максвелла в воздухе. В результате углубленной обработки данных уточнены параметры «нормального» разреза для литосферы до глубины 80-100 км. Ключевые слова:
глубинное зондирование, контролируемый источник, воздушные линии электропередачи, мощный генератор, произвольная форма тока, углубленная обработка данных, интерпретация, кривые частотного зондирования, статический сдвиг.
A. N. Shevtsov, A. A. Zhamaletdinov, V. V. Kolobov, M. B. Barannik, V. N. Selivanov
THE FENICS-2014 EXPERIMENT FOR THE DEEP SOUNDING
OF THE EARTH CRUST WITH THE USE OF TWO MUTUALLY ORTHOGONAL
POWER TRANSMISSION LINES AND THE RESULTS
OF ADVANCED DATA PROCESSING OF THE UPOLOKSHA —
SYAMOZERO DEPTH-SOUNDING PROFILE
Abstract
In the course of FENICS-2014 experiment on deep sounding of the lithosphere in the Fennoscandian shield area, deep controlled source audio-frequency magnetotelluric
(CSAMT) soundings in combination with magnetotelluric soundings were performed. As powerful controlled sources of different polarization, two mutually orthogonal grounded overhead transmission lines (OHL) powered by the "Energy-2" generator were used. Specially designed for deep soundings by using an OHL, the 200 kW generator with output voltage up to 1000 V allows to generate an arbitrary waveform. In the soundings frequency range of 0,01-200 Hz it provided the amplitude of the current from 250 to 30 A. As a result, the electrical conductivity of the lithosphere has been investigated in the depth range from a few hundred meters to 100 km at up to 860 km separation from the source. The method and results of advanced processing of the soundings data are described. The aim of advanced data processing was to determine the signal measurement error by calculating statistical estimates for several recording fragments at a given frequency. For this purpose, synchronous records of the source current strength and the measured field components, for each of recording fragments, were considered. Spectral analysis of the auto- and cross-correlation functions of the observed field components and the source current strength was performed for each of the recording fragments. The measurement error of the amplitudes of the observed field components, the phase shifts between the field components and the source current amplitude were determined by the root-mean-square deviation of the measured values for each fragment of the record, from the mean value of all records for a given frequency. The theoretical analysis of possibility to determine the static shift of the CSAMT curves for electric field components and for effective impedance, relative to the curves for magnetic field components, was performed. The method for correcting the static shift, complicated by the effect of the Earth — ionosphere waveguide and of displacement currents, was presented. As a result of the advanced data processing the structure of "normal conductivity profile" to a depth of 80—100 km was refined. Keywords:
deep sounding, controlled source, magnetotelluric, overhead power transmission line, high-power transmitter, arbitrary current form, advanced data processing, interpretation, frequency sounding curve, static shift.
Введение
Основной особенностью международного эксперимента FENICS-2014 по тензорному ЧЗ земной коры и верхней мантии является использование в качестве заземленных питающих линий двух взаимно ортогональных высоковольтных линий электропередачи (ЛЭП). Для создания контура с током «дальний» конец каждой ВЛ заземляется на удаленной подстанции, а «ближний» подключается к мощному геофизическому источнику тока, расположенному на общей для двух ВЛ подстанции. В ходе эксперимента источник тока поочередно подключается к каждой из линий. Регистрация вторичного электромагнитного (ЭМ) поля в точках зондирования осуществляется широкополосными пятикомпонентными измерительными станциями для магнитотеллурических зондирований (МТЗ).
Такой метод можно сравнить с техникой ЭМ-зондирований в аудио диапазоне частот с использованием длинных горизонтальных заземленных линий, которая известна как аудиомагнитотеллурические зондирования с контролируемым источником (Controlled Source Audio Magneto Telluric — CSAMT) и применяется в прикладной геофизике для исследования приповерхностного слоя земной коры на глубинах до 2-3 км [1]. Использование двух взаимно ортогональных питающих линий обеспечивает ортогональную поляризацию первичного ЭМ-поля, что сближает такие CSAMT-зондирования как по измерительной технике, так и по методике обработки и интерпретации результатов с MT-AMT-зондированиями (magnetotelluric-audiomagnetotelluric soundings) в полях естественных источников.
Основными отличиями тензорных частотных ЭМ-зондирований с использованием ЛЭП от метода CSAMT являются мощность или сила (strength of source) контролируемого источника [2], частотный диапазон и, соответственно, разносы источник — приемник и глубинна исследования. Так, в ходе эксперимента FENICS-2014 ЭМ-зондирования выполнялись в частотном диапазоне от 0,1 до 200 Гц, а для питания линий использовался источник тока мощностью до 200 кВт, что позволило в условиях плохо проводящего Балтийского щита исследовать электропроводность литосферы до глубины 80-100 км на разносах до 860 км от источника. Таким образом, проведенные частотные электромагнитные зондирования в поле двух взаимно ортогональных ВЛ можно обозначить как глубинные CSAMT-зондирования (deep CSAMT soundings) [3].
В настоящей работе кратко рассматриваются технические вопросы глубинных CSAMT-зондирований, выполненных в рамках эксперимента FENICS-2014 по изучению электропроводности литосферы на территории Фенноскандинавского щита. Основное же внимание уделено методике и результатам углубленной обработки данных, полученных в измерительных точках профиля зондирования Уполокша — Сямозеро.
Техника глубинных CSAMT-зондирований
Схема проведения глубинных CSAMT-зондирований в полях двух взаимно ортогональных ЛЭП приведена на рис. 1. В качестве широтной питающей линии L1 использовалась ВЛ Л-401 длиной 110 км, а в качестве меридиональной линии L2 — ВЛ Л-153 длиной 120 км. Мощный источник тока размещался на общей для двух ВЛ подстанции «Выходной». Положение питающих линий показано на рис. 2.
Рис. 1. Схема проведения глубинных CSAMT-зондирований с использованием
двух взаимно ортогональных линий электропередачи: ВЛ — воздушная линия электропередачи; ЗК — контур заземления подстанции; ИТ — источник тока (генератор «Энергия-2»); МТК — пятикомпонентный широкополосный магнитотеллурический измерительный комплекс
Fig. 1. Schematic of the deep CSAMT soundings by using two mutually orthogonal
power transmission lines: ВЛ (OHL) — overhead power transmission line; ЗК (SGS) — substation grounding system; ИТ (CS) — current source ("Energy-2" transmitter); МТК (MTS) — five-component wideband magnetotelluric measuring system
LI, Л^П 401
P " "" " "* L2, ЛЭП 153/154
T
x lv, Уполокша
x2v, Топозеро *3V, Шомба 4у, Боровой
x 5v. Сегежа x 6v, Юстозеро x7v, Сямозеро
6.3-106 6.4I06 6.5-106 6.6106 6.7106 6.8106
а б
Рис. 2. Положение питающих линий (L1, L2) и точек зондирования (1v - 7v) на геологической основе с географическими координатами (а) и на прямоугольной сетке Гаусса — Крюгера (б); пояснения даны в тексте
Fig. 2. The location of the transmitting lines (L1, L2) and sounding points (1v - 7v), shown on the geological base map with the geographic coordinates (a) and in the Gauss — Kruger grid (б); the description is given in the text
В качестве источника тока в эксперименте FENICS-2014 использовался генератор «Энергия-2» мощностью 200 кВт, специально разработанный для ЧЗ с ВЛ в диапазоне сверхнизких и крайне низких частот (КНЧ-СНЧ). Подробному описанию функциональной схемы, принципа работы, технических характеристик генератора, а также рассмотрению схемотехнических и конструкционных решений, использованных при разработке отдельных узлов и блоков, посвящен ряд работ, например [4-7]. Здесь отметим только основные особенности КНЧ-СНЧ-генератора «Энергия-2».
1. Повышенная амплитуда выходного напряжения — до 1000 В, которая в совокупности с большой выходной мощностью генератора позволяет в излучающем контуре с сопротивлением постоянному току 4-5 Ом (определяется суммой сопротивлений контура заземления (ЗК) удаленной подстанции и ЗК подстанции, на которой установлен генератор, активным сопротивлением проводов ВЛ) обеспечивать на низших частотах зондирования ток с амплитудой до 200-250 А.
2. Формирование выходного напряжения методом широтно-импульсной модуляции (ШИМ), вследствие чего генератор может рассматриваться как универсальный (многозадачный) геофизический источник тока произвольной формы, позволяющий формировать в ВЛ ток, форма и амплитуда которого может
меняться в зависимости от решаемой задачи. Так, например, синусоидальная форма или меандр могут использоваться для ЧЗ, а модифицированный меандр с изменяемой скважностью — для зондирований в ближней зоне источника с использованием метода становления поля (TEM — transient electromagnetic method). Примеры формы тока в ВЛ длиной 110 км при проведении зондирований в рамках эксперимента FENICS-2014 приведены на рис. 3.
а б
Рис. 3. Примеры осциллограмм токов в заземленной ВЛ длиной 110 км, используемой в качестве контролируемого источника электромагнитного поля
для глубинных частотных зондирований: а — синусоидальный ток с частотой 0,094 Гц; б — меандр с частотой 0,194 Гц
Fig. 3. Examples of oscillograms of the current in the grounded 110 km long OHL, used as a controlled source for frequency domain deep electromagnetic soundings: a — sinusoidal current of frequency 0,094 Hz; б — square wave with a repetition frequency of 0,194 Hz
3. Использование согласующего устройства (СУ) продольной емкостной компенсации, включаемого между выходом генератора и линией на частотах, когда индуктивная составляющая суммарного продольного импеданса [3] ограничивает силу тока в линии (обычно на частотах от 5 Гц и выше). Использование СУ с регулируемой емкостью позволяет скомпенсировать частотно-зависимое индуктивное сопротивление соединенных параллельно фазных проводов ВЛ и увеличить амплитуду тока [5].
В ходе эксперимента FENICS-2014 генератор «Энергия-2» обеспечил амплитуду тока в линиях в диапазоне от 30 А на верхней частоте зондирований 194,2 Гц до 230 А на частотах ниже 3,82 Гц. Это позволило получить электрический момент контролируемого источника (силу источника), определяемый силой тока в линии и ее длиной, в пределах 3-106-2- 107Ам.
Кроме того, для увеличения силы зондирующего сигнала использовалось синхронизированное с источником накопление зарегистрированных сигналов на измерительных точках, для чего на каждой частоте зондирования ток подавался в линию в течение длительного интервала времени — от 10 мин до 1 ч — в зависимости о частоты [3].
В каждой точке наблюдения эксперимента FENICS-2014 на земной поверхности измерялись три магнитные и две электрические составляющие
электромагнитного поля. Синхронно с этим регистрировалась величина силы тока, подаваемого от генератора «Энергия-2» в ВЛ.
Так как для измерений электромагнитного поля разными коллективами, участвующими в эксперименте, использовались пятикомпонентные измерительные станции разного типа и отсутствовала возможность провести совместные наблюдения в одной точке, то качество записей оценивалось операторами по результатам первичной спектральной обработки измерительных сигналов в точке регистрации. Основными оценочными критериями были: проявление в спектральных характеристиках Шумановских резонансов в диапазоне 7-32 Гц как по электрическим, так и по магнитным компонентам; присутствие в спектральных характеристиках зарегистрированных компонент электромагнитного поля спектральной линии с частотой, совпадающей с частотой тока в питающей линии в данный интервал времени, определяемой расписанием режимов работы генератора тока эксперимента FENICS-2014.
При проведении глубинных CSAMT-зондирований в ЭМ-полях двух взаимно ортогональных ЛЭП, питаемых от КНЧ-СНЧ-генератора «Энергия-2», достигнуты уникальные для мировой практики разносы источник — приемник (более 850 км). Проведенные зондирования позволили исследовать электропроводность литосферы в большом диапазоне глубин — от нескольких сотен метров до 80-100 км.
Более подробно теоретические основы, методика и техника эксперимента FENICS-2014, результаты обработки первичных данных и примеры геолого-геофизической интерпретации результатов приведены в работах [3, 8, 9].
Методика углубленной обработки данных
Профиль Уполокша — Сямозеро включает семь точек зондирования: Уполокша, Топозеро, Шомба, Боровой, Сегежа, Юстозеро и Сямозеро (рис. 2). Разносы от источника до ближней (Уполокша) и дальней (Сямозеро) точек профиля составляют 105 и 760 км соответственно. В каждой точке профиля были выполнены CSAMT- и MT-AMT-зондирования. Для измерений использовалась многофункциональная широкополосная магнитотеллурическая станция УМТи-10 [10] с индукционными датчиками IMS-007 [11]. Регистрация данных выполнена с частотой дискретизации 1 кГц.
Для углубленной обработки и интерпретации записей 2014 г. выбирались сигналы на частоте 0,382-194,2 Гц. Этот диапазон обеспечивал получение кривых кажущегося сопротивления в ближней, промежуточной, квазистационарной («волновой» — дальней) и, собственно, волновой зонах. «Полные» кривые частотного зондирования были получены на основе совместной обработки сигналов от контролируемого источника и данных МТЗ.
Оперативная обработка, выполнявшаяся в ходе измерений, состояла в том, чтобы по спектральной мощности сигнала, рассчитанной за весь интервал работы источника, оценить амплитуды, а по спектрам взаимнокорреляционной функции — фазовый сдвиг между измеряемыми компонентами поля. При этом оценка погрешности выполнялась по отношению сигнал — шум. Далее по нормальному полю источника в дипольном приближении, в условиях «дальней» зоны, рассчитывались геометрические коэффициенты (величины, обратные к значениям нормального поля источника над однородным полупространством при удельном сопротивлении подстилающего полупространства, равном одному Ом-метру, и силе тока в источнике, равной 1 А) [12, 13]. По амплитудам
измеренных компонент поля, умноженным на геометрические коэффициенты, с учетом значений силы тока в источнике выполнялись вычисления значений кажущегося сопротивления для измеряемых компонент поля.
Углубленная обработка предполагает определение погрешности измерений сигнала путем вычисления статистических оценок (среднего значения, дисперсии и среднеквадратичного отклонения) по нескольким фрагментам записи на данной частоте. Для этого рассматривались синхронные записи силы тока в источнике и измеряемых компонент поля для каждого из используемых фрагментов записи. В каждом из фрагментов выполнялся спектральный анализ авто- и взаимных корреляционных функций наблюдаемых компонент поля. Погрешность измерений амплитуд наблюдаемых компонент силы тока в источнике и фазовых сдвигов между компонентами поля определялась по среднеквадратичному отклонению (СКВО) от среднего значения. Среднее значение амплитуды и СКВО рассчитывались по трем фрагментам записи поля на данной частоте колебаний тока в источнике. Начало и конец фрагмента длительностью в 1/3 длительности записи сигнала — от 15 мин (для частоты сигнала 0,381 Гц) до 6 мин (для частоты сигнала 194,2 Гц) — на каждой частоте определялись с точностью до 1 с путем синхронизации записей силы тока в источнике и компонент поля в измерительной точке.
Фрагменты записей тока и сигналов поля прореживались до одной частоте дискретизации, равной: 1 кГц — для записей сигналов на частотах 94,2-194,2 Гц; 500 Гц — для частот 38,2-64,2 Гц; 250 Гц — для частот 1,942-19,42 Гц; 62,5 Гц — для частот 0,382-0,942 Гц. Децимация выполнялась путем замены участка записи из к-отсчетов средним значением на участке, где к — шаг децимации.
Определение амплитуд в каждом из трех фрагментов выполнено по Фурье-спектру автокорреляционной функции с окном Блэкмана — Харриса с 50-процентным перекрытием. Фазовые сдвиги между компонентами поля определялись по Фурье-спектрам взаимнокорреляционных функций с тем же окном. Пример спектральной оценки амплитуды тока на частоте 9,422 Гц для каждого источника поля (ВЛ Л-401 и Л-153) приведены на рис. 4 и 5. Спектры рассчитаны методом быстрого преобразования Фурье (БПФ) [14]. Таким образом, сила тока в линиях определялась с относительной погрешностью не более 0,5 %.
Обработка записей сигналов от измерительных датчиков проводилась по тем же фрагментам, с той же частотой дискретизации и теми же окнами, что и обработка записей тока. Синхронизация фрагментов записей сигналов и тока выполнялась по ОР8-меткам с погрешностью не более чем 0,5 с.
Поскольку удаление от центров питающих линий Ь1 и Ь2 для ряда точек наблюдений не превышает пяти длин самих линий (рис. 2), то нормальное поле источника в дальней зоне вычислялось с учетом конечных размеров и формы источника.
Нормальное поле длинной линии, лежащей на плоской границе земля — воздух, определялось путем интегрирования поля горизонтального электрического диполя (ГЭД) в дальней зоне по контуру питающей линии. Поле ГЭД в дальней зоне, записанное в локальной системе координат источника, определяется [15] ортом х(ъ), параллельным касательному вектору йъ, ортом z(s), направленным по вертикали, и ортом _у(ъ), являющимся векторным произведением единичных векторов z(s) и х(ъ): у(з) = I(з) х X(з).
I, A I, А
Рис. 4. Пример спектральной оценки амплитуды тока в ВЛ Л-401; частота 9,422 Гц; дата, время: 29.08.2014, 23:39:55 — 23:50:00 UT. Красная линия — для первого фрагмента записи, синяя — для второго, зеленая — для третьего. Синие кружки — значения амплитуды силы тока на частотах БПФ для второго фрагмента. Зеленые косые кресты — то же для третьего фрагмента
Fig. 4. Example of spectral density estimation of the magnitude of the current in the L-401 OHL; the frequency is 9,422 Hz; the date, the time: 29.08.2014, 23:39:55 — 23:50:00 UT. The red line plots the first sample of the recording, the blue line plots the second sample and the green line is the third sample. The blue circles mark the magnitude of the current at the FFT frequencies for the second sample. The green oblique crosses mean the same for the third fragment
Рис. 5. Пример спектральной оценки амплитуды тока в ВЛ Л-153; частота 9,422 Гц, дата, время: 01.09.2014 04:09:13 — 04:20:00 UT. Обозначения те же, что и на рис. 4
Fig. 5. Example of spectral density estimation of the magnitude of the current in the L-153 OHL; the frequency is 9,422 Hz; the date, the time: 01.09.2014 04:09:13 — 04:20:00 UT. Same legends as in Fig. 4.
Электрическое поле ГЭД с силой тока I на поверхности однородного полупространства с удельным сопротивлением р можно записать как:
dE (I, ds, р, r, 0) =
I ■ ds ■ р
2п ■ r
e, (0)" e, (0)
ez (0)
(1)
Здесь электрические числа гх, ву, е2 определяются углом 9 между осью диполя йъ и радиус-вектором Я на точку наблюдений:
ex (0) = 3cos20 - 2; ey (0)= 3cos0 ■ sin0 ;
ez(0)=-3cos0 .
(2)
(3)
(4)
Для магнитного поля ГЭД можно записать:
" К (0)
к (0)
_К (0, r)
dH (I, ds, р, r ,0) =
I ■ ds X 2n■ r3 2n■>/2
(5)
Здесь магнитные числа зависят от угла 0: К (0) = -3cos0 ■ sin0 ; hy (0 )=-(l - 3sin 20)
(6) (7)
а вертикальное магнитное число, кроме угла 0, еще и от отношения длины волны \ к расстоянию r = \R\:
к (0, r) = 3sin0 ■ X/(2лл/2 ■ r), (8)
где X = 2KyJ 2р/юд 0.
Проекция вектора поля F = dE или F = dH на направление вдоль датчика поля, задаваемое единичным вектором ei, определяется скалярным произведением dEei. В локальной системе источника ds вектор ei представлен вектором:
efs = Rot (—ф^)еь (9)
где — угол между осью диполя ds и направлением ei. Здесь Rot(a) — матрица поворота вокруг вертикальной оси:
cos(a) sin (a) 0
Rot (a) =
- sin (a) cos(a) 0
0
0
1
(10)
Кажущееся сопротивление для измеренных электрических компонент Е поля ГЭД определялось выражением:
рШЕ =■
Kve (ds, r, 0 )Е
(11)
Здесь:
2п rr
КчЕ —, г, 0 ) = . (12)
еу (0 №
Кажущееся сопротивление для измеренных горизонтальных магнитных компонент Н поля ГЭД определялось выражением:
( г, 0 )# ^2
РюН = 0 К^-^^ I . (13)
Здесь:
2п r r
K-(ds-r■ (14)
Для вертикальной магнитной компоненты кажущееся сопротивление имеет вид:
_ 0К уЯг , г, 0 Н
РюЯг _ J , (15)
где:
2п r4
KvHZ(äs, r, 9)- . . (16)
3äs sin 9
Для питающих линий конечной длины нормальное поле в точке наблюдений P определяется интегрированием поля ГЭД по контуру источника:
B
F(I, AB, р, P) -J äF(I, äs, р, rp, 9Р), (17)
A
где F = E, И, а rp, 0p — полярные координаты точки наблюдений в локальной системе координат элементарного диполя ds.
Кроме того, вычислялись значения кажущегося сопротивления по импедансным отношениям главных сопряженных компонент поля (т. е. компонент, имеющих наибольшее значение амплитуды для данной частоты):
PmZ -(mR 0 Г |Z|2 , (18)
где Z = Ex / Иу — входной импеданс для меридиональной питающей линии, а Z = Еу / Их — для широтной.
Дальнейший анализ кривых кажущегося сопротивления проводился с целью выявить их статические искажения. Для количественной оценки статического искажения применялось отношение медиан кривых кажущегося сопротивления для главных сопряженных магнитных и электрических компонент поля. Соответствующие выражения для питающих линий Л-401 и Л-153 имеют вид:
kEH - mediana ({ртЯх ¡) ;
kshH l_4OI --7-п-(Т ; (19)
те^шт ({р ¡
mediana ({ртН„ ¡) ksEHL- . (20)
mediana ({р mEx
При этом должны быть исключены значения кажущегося сопротивления в ближней зоне, где магнитные компоненты теряют связь с электропроводностью подстилающего полупространства. Для этого по значениям кажущегося сопротивления, частоты и расстояния до источника рассчитывался волновой параметр Вешева:
Р(РШ2 , f, r) = 2п • r-10
-3
i
0,2
(21)
РшZ • f
При условииp(pmz, f r) < 1, данные pmz, f исключались.
Коэффициенты ksEHL-401 служат оценкой статического искажения для кривой кажущегося сопротивления для Ey-компоненты (ksEy — ksEHL-401) и, соответственно, для коррекции значения кажущегося сопротивления для электрического поля умножались на эту величину. А квадрат этой величины служил поправочным коэффициентом для значений кажущегося сопротивления по импедансу для значений, полученных как с контролируемым источником, так и для АМТ -данных. ksZyX — ksEy .
Аналогично для замеров поля Л-153: ksEx — ksEH -153; ksZxy ksEx .
С другой стороны, поправочный коэффициент для импеданса можно ввести по отношению медианы кажущегося сопротивления по магнитному полю к медиане кажущегося сопротивления по импедансу.
ksHZ = medl3na ^РшЯ, }) .
ksHZL_401 = ---77-П ; (22)
medlana (Kzy, })
mediana (priHv}) ksHZL_153 = —--^^ . (23)
mediana ^ay })
При отсутствии влияния ионосферы и токов смещения (на удалениях точки измерений от источника, не превышающих эффективную высоту ионосферы) в дальней зоне поля источника получим. ksHZL -401 ks Zyx и ksHZL -153 ksZxy.
В общем случае можно уточнить поправку за статическое смещение и влияние ионосферы, введя следующие коэффициенты.
ksEy = -^¡Н^; (24)
A/ksHZL_401
ksEx = . (25)
■\jkSHZ L_153
На рисунке 6, a показаны значения коэффициентов для электрического поля ksEHL-401, ksEHL-153, импеданса ksHZL-401, ksHZL-153 и исправленных с учетом влияния ионосферы коэффициентов статического смещения для широтной (красные сплошные) и меридиональной (синий пунктир) компонент электрического поля ksEj, ksEx, полученных по измерениям в поле ВЛ Л-401 и Л-153. На рис. 6, б показаны вычисленные значения поправочных коэффициентов для ионосферы в виде полупространства с нижней границей на высоте 100 км и удельным сопротивлением 104 Омм.
а б
Рис. 6. Экспериментальные (а) и теоретические (б) оценки коэффициентов статического смещения. Синий пунктир — для ВЛ Л-153, красные сплошные линии — для ВЛ Л-401. Теоретические оценки получены для ионосферы с нижней границей на высоте 100 км и удельным сопротивлением 104 Омм. По горизонтальной оси отложено расстояние по профилю от общего заземлителя линий на подстанции «Выходной»
Fig. 6. The experimental (a) and theoretical (б) estimations of the static shift coefficients. The blue dotted line is for L-153 OHL, the red solid line is for L-401 OHL. The theoretical estimates are obtained for the ionosphere with a lower boundary at altitude of 100 km and resistivity of 104 Ohm m. The horizontal axis shows the distance along the profile from the common ground system of the power lines at the
"Vyhodnoy" substation
Обратный вид теоретических графиков (коэффициенты для Л-401 лежат ниже, чем для Л-153), скорее всего, связан с пренебрежением анизотропными свойствами ионосферы, проводимость которой вдоль силовых линий магнитного поля в меридиональном направлении много выше, чем поперек магнитного поля. Экстремумы в окрестности третьей и шестой точек зондирования, возможно, свидетельствуют о существенном статическом смещении или наличии значительной горизонтальной неоднородности в этих пунктах наблюдений.
Проведенные расчеты выполнены на основе обобщенного представления электромагнитного поля дипольных источников в горизонтально-слоистых средах [16, 17].
Результаты углубленной обработки данных
Аналогично подходам, развиваемым в магнитотеллурике, для уменьшения влияния приповерхностных горизонтальных неоднородностей были использованы кривые для полных горизонтальных составляющих электрического
поля Еш = ^Ех 2 + Еу 2 , магнитного поля ни = ^Нх 2 + Ну 2 и импеданса
= Еш / Н*. Сводная диаграмма результатов углубленной обработки данных эксперимента РБ№С8-2014 представлена на рис. 7 на примере широтной линии Ь1. Положение питающей линии Ь1 и пунктов зондирования 1у - 7у показано на
рис. 2, а.
Рис. 7. Сводная диаграмма с результатами углубленной обработки материалов
эксперимента FENICS-2014: а-в — результаты зондирований с ВЛ Л-401, ориентированной по широте (по оси Y); легенда обозначена буквами в кружках: а — измеренные кривые кажущегося сопротивления по полному магнитному полю (pHtot), полному электрическому полю (pkEtot) и полному входному импедансу (pZot); б — исправленные с учетом статического сдвига кривые кажущегося сопротивления; в — кривые фазы импеданса между сопряженными компонентами Ех и Ну
Fig. 7. The summary diagram with the results of the in-depth processing of the materials of the FENICS-2014 experiment: а-в are the results of soundings from the L-401 oriented in latitude (along the Y axis);
the legend is given by letters in the circles: a — the measured curves of apparent resistivity over the total magnetic field (pHtot), over the total electric field (pkEtot) and over the total input impedance (pZot); б — the same curves corrected for the influence of static shift; в — impedance phase curves between the conjugate components Ex and Еу
На рисунке 7 приведены измеренные (рис. 7, а) и исправленные с учетом эффекта статического смещения (рис. 7, б) кривые кажущегося сопротивления по полному горизонтальному магнитному полю рН^, по полному электрическому полю р^Е^ и по полному входному импедансу р^ш. Можно видеть, что измеренные кривые кажущегося сопротивления (рис. 7, а) располагаются
с большим разбросом значений (от 2-104 до 105 Ом-м). В то же время кривые фазы импеданса имеют стабильный характер по форме и амплитуде. Это свидетельствует об отсутствии в разрезе резких горизонтальных неоднородностей сопротивления. Следовательно, изменение кривых кажущегося сопротивления обусловлено влиянием приповерхностных статических искажений. После внесения соответствующих поправок по описанной выше схеме поведение кривых кажущегося сопротивления выравнивается, свидетельствуя о том, что свойства глубинного разреза близки к свойствам модели одномерного горизонтально-слоистого полупространства (рис. 7, б). Приняв за фоновое значение кажущегося сопротивления на периоде 0,1 с величину 105 Ом-м, найдем, что геоэлектрический разрез характеризуется повышенным сопротивлением в точках Шомба (Р03у), Юстозеро (Р06у) и Сямозеро (Р07у). До введения статической поправки эти точки характеризовались аномально пониженными значениями кажущегося сопротивления. Эта особенность результатов обработки наиболее ярко проявляется в результатах зондирований в поле субширотной ВЛ Л-401 (Ь1), т. е. в условиях экваториальной установки зондирования. Для осевой установки зондирования с ВЛ Л-153 (Ь2) значения кажущегося сопротивления изменяются более резко, но общий характер геоэлектрического разреза сохраняется.
Отсутствие статических искажений наиболее четко проявляется в точках Боровой (Р04у) и Сегежа (Р05у). Измеренные кривые кажущегося сопротивления для всех трех типов нормировок для Л-401 практически совпадают.
Сопоставление с результатами АМТ-зондирований показывает, что практически на всех точках профиля протяженностью 750 км кривые кажущегося сопротивления АМТЗ хорошо согласуются с результатами С8ЛМТ-зондирований, нормированными по входному импедансу. Это свидетельствует, с одной стороны, о высоком качестве современной цифровой измерительной аппаратуры и, с другой стороны, о важности применения продвинутой (углубленной) методики обработки, опирающейся на самые современные теоретические концепции. Одновременно при этом возникает вопрос: в чем же заключается преимущество сложных и дорогих зондирований с контролируемыми источниками? Ответом на этот вопрос может служить сводная диаграмма, на которой приведены результаты углубленной обработки данных CSAMT-зондирований совместно с АМТЗ для двух точек зондирования — Боровое и Сямозеро (рис. 8, 1 и 8, 2 соответственно).
В точке Боровое измеренные кривые кажущегося сопротивления С8ЛМТ-зондирований для всех трех нормировок практически совпадают между собой (рис. 8, 1, а). Исправленные кривые тоже совпадают без коррекции статического смещения (рис. 8, 1, в). Это свидетельствует о том, что результаты зондирования не подвержены влиянию статического смещения. Соответственно, кривая ршмтз кажущегося сопротивления по данным АМТ-зондирования, почти совпадающая с импедансной кривой кажущегося сопротивления рк&ог по данным С8ЛМТ-зондирований, не смещается (рис. 8, 1, г). Решение обратной задачи может выполняться по результатам АМТЗ без внесения статических поправок (рис. 8, 1, е).
Другая ситуация наблюдается в точке Сямозеро. Измеренные кривые кажущегося сопротивления С8ЛМТ-зондирований для всех трех нормировок резко отличаются между собой (рис. 8, 2, а). В средней части частотного диапазона, в районе 10 Гц, они смещены параллельно на 0,5 порядка между собой
за счет эффекта статического смещения. Чтобы внести поправку, мы смещаем кривую рЕш по электрическому полю вверх на 0,5 порядка, а импедансную кривую рkZtot смещаем вверх на один порядок. После этого они совпадают (рис. 8, 2, в). Кривая Рока по данным АМТ-зондирования р^дмтз совпадает на частотах ниже 2-3 Гц с импедансной кривой кажущегося сопротивления р^ш по данным CSAMT-зондирований (рис. 8, 2, г). Решение обратной задачи может выполняться с помощью смещенной на один порядок вверх кривой АМТЗ (рис. 8, 2, е) или по импедансной кривой CSAMT-зондирований в пределах волновой зоны, т. е. на частотах выше 2-3 Гц.
Рис. 8. Сопоставление результатов углубленной обработки CSAMT-зондирований и результатов АМТЗ в точках Боровое и Сямозеро; пояснения к рисунку даны в тексте
Fig. 8. A comparison of the results of advanced processing of the CSAMT data and the AMT sounding results obtained at Borovoye and Syamozero points; the detailed explanations are given in the text
Решение обратной задачи может быть получено с использованием трех различных приемов — метода контролируемой трансформации [18], на основе метода эффективной линеаризации (МЭЛ) [19] или обычного метода подбора [20]. Последний оказался наиболее эффективен при выполнении бимодальной интерпретации. Инверсия выполняется с использованием фазы импеданса. Фаза играет вспомогательную роль в качестве «индикатора гладкости» кривой кажущегося сопротивления. Согласие результатов бимодальной инверсии с экспериментальными данными, полученными при двух квазиортогональных поляризациях первичного поля, является важным дополнительным аргументом при принятии решения в пользу одномерной или двухмерной (трехмерной) интерпретации.
На первом этапе ограничимся построением начального приближения в классе однородно-слоистых сред. Для этого воспользуемся дифференциальной трансформацией Молочнова — Ле Вьета [21].
Эффективную глубину оценим как толщину скин-слоя, деленную на квадратный корень из двух:
z = 8,
V
1
ю^ 0 о ^
Рт • Т
2п И 0
(26)
Удельное сопротивление на данной глубине кривой кажущегося сопротивления в зависимости от периода:
р = рт fl + 0,5 ^^ ^ [ dlog (Т)
f1 А С dl0g (РТ
р = рт 1 - 0,5-
F FTI dlog (T)
,если
dlog(Рт)
-< 0, нисхоящая ветвь;
dlog (Т) dlog (рт)
(27)
dlog (Т)
> 0,
восходящая ветвь.
На кривых удельного сопротивления исключим из рассмотрения области ближней зоны (постоянного тока) и дополним кривые зондирований с контролируемыми источниками кривыми АМТ-зондирования. Результат одномерной трансформации представлен на рис. 9. По горизонтальной оси отложено расстояние по профилю от центрального заземлителя линий (подстанция «Выходной»). По вертикальной оси отложена эффективная глубина. Пунктиром для каждой точки зондирования обозначен базовый уровень удельного сопротивления 104 Ом-м. Масштаб по горизонтальной оси удельного сопротивления: 25 км по оси расстояния соответствует одному порядку удельного сопротивления от базового уровня.
Рис. 9. Пример построения геоэлектрических разрезов на профиле наблюдений на основании измерений кажущегося сопротивления по эффективному импедансу в поле ЛЭП, дополненных АМТ-данными: P02v — Топозеро; P03v — Шомба; P04v — Боровой; P05v — Сегежа; P06v — Юстозеро; P07v — Сямозеро; пояснения к рисунку даны в тексте
Fig. 9. Example of electrical profiles located on the observation line and based on the measurement data of effective impedance of apparent resistivity, obtained in the power transmission lines field and supplemented by the AMTS data, where the soundings points are: Topozero (P02v), Shomba (P03v), Borovoy (P04v), Segezha (Р05), Yustozero (P06v) and Syamozero (P07v); the detailed explanations are given in
the text
Выводы
Результаты углубленной обработки данных зондирований в полях двух взаимно ортогональных контролируемых источников в комплексе с АМТ-
2
2
зондированиями показывают, что исследуемый профиль Уполокша — Сямозеро расположен на однородном по горизонтали участке земной коры сопротивлением более 105 Омм на глубинах 10-15 км. Результаты углубленной обработки измерений с контролируемым источником позволили получить количественную оценку статических искажений. Согласие кривых кажущегося сопротивления МТ-АМТ-зондирований в пределах погрешности с кривыми кажущегося сопротивления CSAMT-зондирований по компонентам импеданса в дальней зоне позволяет, с одной стороны, расширить частотный диапазон исследований с контролируемым источником за счет данных МТ-АМТ-измерений. С другой стороны, поправки на статическое смещение для кривых CSAMT-измерений могут и должны быть применены и к кривым кажущегося сопротивления МТ-АМТ-зондирований. При этом поведение кривых кажущегося сопротивления, с учетом поправок на статическое искажение и фазы импеданса, свидетельствует о том, что свойства глубинного разреза близки к свойствам модели одномерного горизонтально-слоистого полупространства. Следующий этап интерпретации предполагает решение обратной задачи в классе одномерных (горизонтально-слоистых) и двумерных моделей с целью уточнения параметров геоэлектрического разреза по бимодальной схеме [20]. При этом будет последовательно подобран ряд моделей для двух поляризаций поля источника. Эта работа будет выполнена с привлечением как новых результатов эксперимента FENICS-2019, так и по имеющимся данным. Важной задачей, которая будет решаться в ходе эксперимента FENICS-2019, является исследование влияния ионосферы и токов смещения на результаты наблюдений.
Переходя от конкретных геолого-геофизических результатов углубленной обработки данных частотных и магнитотеллурических зондирований, выполненных в рамках эксперимента FENICS-2014, к методологическим аспектам глубинных зондирований в целом, необходимо отметить, что совместная обработка и интерпретация данных двух методов зондирования — AMT и CSAMT— обладает рядом неоспоримых методических преимуществ [22]. Так, например, данные CSAMT-зондирований позволяют оценить влияние гальванических искажений на данные МТЗ и при необходимости откорректировать статическое смещение кривых зондирования. В свою очередь, данные магнитотеллурических зондирований позволяют расширить частотный диапазон зондирований с контролируемым источником поля. Комплексная обработка независимых результатов не только позволяет получить более надежные оценки функций отклика среды, но и существенно сузить пределы эквивалентности при решении обратной задачи глубиной геоэлектрики, повысить устойчивость получаемых оценок электропроводности литосферы и достоверность геолого-геофизической интерпретации результатов электромагнитных зондирований в целом.
Благодарности
Работа выполнена в рамках государственного задания Министерства образования и науки РФ, тема ГИ КНЦ РАН № 0226-2019-0052 (измерение и обработка сигналов), тема ЦЭС КНЦ РАН № 0226-2019-0067 (проектно-конструкторские работы и генерация сигналов) при частичной финансовой поддержке РФФИ, проект № 018-05-00528 А (методика обработки и интерпретация результатов).
Литература
1. Zonge K. L., Hughes L. J. Controlled source audio-frequency magnetotellurics // Electromagnetic methods in applied geophysics: Theory and practice // Soc. expl. geophys. / ed. M. N. Nabighian. 1991. Vol. 2B. P. 713-809.
2. Vanyan L. L. Electromagnetic depth soundings. N. Y.: Consultants Bureau, 1967. 312 p.
3. Исследование взаимодействия электромагнитных волн КНЧ-СНЧ диапазона с земной корой и ионосферой в поле промышленных линий электропередачи (эксперимент FENICS) / А. А. Жамалетдинов и др. // Геофизические процессы и биосфера. 2015. Т. 14, № 2. С. 5-49.
4. Высоковольтный силовой инвертор генератора «Энергия-2» для электромагнитных зондирований и мониторинга очаговых зон землетрясений / М. Б. Баранник и др. // Сейсмические приборы. 2009. Т. 45, № 2. С. 5-23.
5. Разработка согласующего устройства стационарного источника электромагнитного излучения экстремально низкочастотного диапазона / Е. Д. Терещенко и др. // Труды Кольского научного центра РАН. Энергетика. 2012. № 1 (8). С. 68-77.
6. Колобов В. В., Баранник М. Б., Жамалетдинов А. А. Генераторно-измерительный комплекс «Энергия» для электромагнитного зондирования литосферы и мониторинга сейсмоактивных зон. СПб.: СОЛО, 2013. 240 с.
7. Колобов В. В., Баранник М. Б. Исследование режима работы индуктивного фильтра мощного высоковольтного однофазного инвертора при различных типах широтно-импульсной модуляции // Труды Кольского научного центра РАН. Энергетика. 2018. № 3 (16). С. 106-114.
8. Колобов В. В., Баранник М. Б., Жамалетдинов А. А. Опыт применения КНЧ-генератора «Энергия-2» для электромагнитных зондирований в ходе международного эксперимента FENICS-2014 // Труды Кольского научного центра РАН. Энергетика. 2015. № 2 (28). С. 52-64.
9. Частотное электромагнитное зондирование с промышленными ЛЭП на Карело-Кольском геотраверсе / А. Н. Шевцов и др. // Записки Горного института. 2017. Т. 224. С. 178-188.
10. Многофункциональные широкополосные магнитотеллурические станции VMTU / Е. А. Копытенко и др. // Материалы Пятой всероссийской школы-семинара им. М. Н. Бердичевского и Л. Л. Ваньяна по электромагнитным зондированиям Земли — ЭМЗ-2011 (Санкт-Петербург, 16-21 мая 2011 г.). В 2 кн. СПб.: СПбГУ, 2011.
11. Линейка индукционных датчиков магнитного поля для геофизических исследований / С. В. Поляков и др. // Сейсмические приборы. 2016. Т. 52, № 1. C. 5-27.
12. Вешев А. В. Электромагнитное профилирование на постоянном и переменном токе. Л.: Недра, 1980. 391 с.
13. Ваньян Л. Л. Электромагнитные зондирования. М.: Научный мир, 1997. 218 с.
14. Солодовников А. И., Спиваковский А. М. Основы теории и методы спектральной обработки информации. Л.: ЛГУ, 1986. 272 с.
15. Светов Б. С. Основы геоэлектрики. М.: ЛКИ, 2008. 656 с.
16. Boerner D. E., West G. F. A generalized representation of the electromagnetic fields in layered earth // Geophysical Journal. 1989. Vol. 97. P. 529-548.
17. Шевцов А. Н. Прямая и обратная задачи частотного электромагнитного зондирования с промышленными линиями электропередачи // Теория и методика глубинных электромагнитных зондирований на кристаллических щитах. Апатиты: КНЦ РАН, 2006. C. 7-23.
18. Бердичевский М. Н., Дмитриев В. И. Магнитотеллурическое зондирование горизонтально-однородных сред. М.: Недра, 1992. 250 с.
19. Porokhova L. N., Kharlamov M. M. The solution of the one-dimensional inverse problem for induction soundings by an efficient linearization technique // Physics of the Earth and Planetary Interiors. 1990. Vol. 60. P. 68-79.
20. Бердичевский М. Н., Дмитриев В. И. Модели и методы магнитотеллурики. М.: Научный мир, 2009. 656 с.
21. Анализ и интерпретация магнитотеллурических данных / М. Н., Бердичевский и др. М.: Диалог-МГУ, 1997. 162 с.
22. Shevtsov A. N. Joint Interpretation of Magnetotelluric and CSAMT Data on the Kola Peninsula (Kovdor Area) // Practical and Theoretical Aspects of Geological Interpretation of Gravitational, Magnetic and Electric Fields / eds. D. Nurgaliev and N. Khairullina. Cham: Springer, 2019. P. 23-30.
Сведения об авторах
Шевцов Александр Николаевич
старший научный сотрудник лаборатории геологии докембрия Геологического института — обособленного подразделения Федерального государственного бюджетного учреждения науки Федерального исследовательского центра «Кольский научный центр Российской академии наук», кандидат физико-математических наук Россия, 184209, Мурманская обл., г. Апатиты, ул. Ферсмана, 14 эл. почта: anshev2009-01@rambler.ru
Жамалетдинов Абдулхай Азымович
главный научный сотрудник Санкт-Петербургского филиала Учреждения Российской академии наук Института земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н. В. Пушкова (СПбФ ИЗМИРАН), доктор физико-математических наук Россия, 191023, Санкт-Петербург, Мучной пер., 2, а/я 188 эл. почта: abd.zham@mail.ru
Колобов Виталий Валентинович
ведущий научный сотрудник лаборатории электроэнергетики и электротехнологии Центра физико-технических проблем энергетики Севера — филиала Федерального государственного бюджетного учреждения науки Федерального исследовательского центра «Кольский научный центр Российской академии наук», кандидат технических наук Россия, 184209, Мурманская область, г. Апатиты, мкр. Академгородок, д. 21 А эл. почта: 1_i@mail.ru
Баранник Максим Борисович
научный сотрудник лаборатории электроэнергетики и электротехнологии Центра физико-технических проблем энергетики Севера — филиала Федерального государственного бюджетного учреждения науки Федерального исследовательского центра «Кольский научный центр Российской академии наук»
Россия, 184209, Мурманская область, г. Апатиты, мкр. Академгородок, д. 21 А эл. почта: maxbar@ien.kolasc.net.ru
Селиванов Василий Николаевич
директор Центра физико-технических проблем энергетики Севера — филиала Федерального государственного бюджетного учреждения науки Федерального исследовательского центра «Кольский научный центр Российской академии наук», кандидат технических наук
Россия, 184209, Мурманская область, г. Апатиты, мкр. Академгородок, д. 21 А эл. почта: selivanov@ien.kolasc.net.ru
DOI: 10.25702/KSC.2307-5252.2019.5.39-47 УДК 620.9 (470.21)
Н. М. Кузнецов
ПОВЫШЕНИЕ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ ЗДАНИЙ В МУРМАНСКОЙ ОБЛАСТИ
Аннотация
Приведены результаты анализа использования энергоресурсов в жилищно-коммунальном секторе городов Мурманской области. Произведена оценка возможной экономии энергетических ресурсов. Рассмотрены направления энергосбережения в жилищно-коммунальной и бюджетной сферах. Показана необходимость создания интегрированной измерительно-информационной системы учета и анализа потребляемых энергоресурсов для управления энергопотреблением. Ключевые слова:
энергоэффективность зданий, энергосберегающие мероприятия, энергетическое обследование, теплопотребление, энергетический паспорт.
N. M. Kuznetsov
THE ENERGY EFFICIENCY OF BUILDINGS IN THE MURMANSK REGION Abstract
Results of the analysis of energy use in the residential sector of the Murmansk region towns and evaluation of possible energy savings, are given. The directions of energy saving in housing and communal and public sectors, are considered. It was shown that energy management requires the creation of integrated measurement and information system of accounting and analysis of energy use. Keywords:
building energy efficiency, energy saving measures, energy audit, heat consumption, energy performance certificate.
Основными направлениями экономии энергии в районах Севера являются: проведение организационных мероприятий и разъяснительной работы среди населения; усиление теплоизоляции зданий; использование вторичных ресурсов; исследование и устранение потерь энергии во всей технологической цепи добычи, транспорта топлива, производства, передачи и распределения энергии [1].
Анализ работы теплового хозяйства городов Апатиты, Кировск, Полярные Зори [2] показал, что состояние теплоснабжения коммунальных потребителей в районах Севера требует более надежной и экономичной работы теплоснабжающих систем. Основными причинами перерасхода теплоэнергии
