CC BY
63
Вестник ДВО РАН. 2010. № 3
УДК 550.373
В.М.НИКИФОРОВ, С.С.СТАРЖИНСКИЙ, И.В. ДМИТРИЕВ,
Г.Н.ШКАБАРНЯ
Новый этап магнитотеллурических зондирований дна Японского моря с помощью подводного кабеля RJK
Создана и опробована помехозащищенная система наблюдения вариаций сверхнизкочастотного электромагнитного поля, основным компонентом которой является питающая линия подводного волоконно-оптического кабеля RJK (Russia—Japan—Korea). Кроме того, система включает в себя отрезки континентальных магистральных кабелей связи в Приморье. Для регистрации вариаций магнитного поля установлены трехкомпонентные магнитометры на стационарных пунктах в поселках Горнотаежное (VLA), Забайкальское (KHA) и на о-ве Попова (PPI). Система будет использована для решения задач глубинной геофизики, геодинамики, гидродинамики.
Ключевые слова: магнитотеллурическое зондирование, подводный волоконно-оптический кабель, гидродинамика, геоэлектрический разрез, функция когерентности, синхронная регистрация.
A new stage of magnetotelluric sounding of the Sea of Japan floor with the help of submerged RJK cable.
V.M.NIKIFOROV, S.S.STARJINSKY, I.V.DMITRIEV, G.N.SHKABARNYA (V.I.Il’ichev Pacific Oceanological Institute, FEB RAS, Vladivostok).
A low-noise system of monitoring of ultralow-frequency electromagnetic field variations, the basic component of which is a feeding line of submerged fiber-optical RJK cable (Russia—Japan—Korea), is created and tested. In addition, the system includes segments of continental trunk communication cables in Primorye. Three-component magnetometers are installed at stationary points in Gornotaezhnoe village (VLA), Zabaikalskoe village (KHA) and Popov Island (PPI) in order to register variations of the magnetic field. The system will be used for solution of the problems of deep geophysics, geodynamics and hydrodynamics.
Key words: magnetotelluric sounding, submerged fiber-optic cable, hydrodynamics, geoelectrical section, coherence function, synchronous registration.
Выводимые из эксплуатации подводные телекоммуникационные кабели интенсивно используются для научных исследований [9]. Одно из направлений исследований заключается в регистрации вариаций разности естественных электрических потенциалов между заземлениями на концах кабеля. Протяженность подобных кабелей, пересекающих моря и океаны, обычно составляет сотни и тысячи километров. Сигналы, регистрируемые на таких разносах, как правило, превышают уровень возможных помех на несколько порядков, что способствует изучению явлений, порождающих эти сигналы. Понижению шумового уровня благоприятствуют и километровые толщи морской воды над кабелем, надежно экранирующие техногенные электромагнитные помехи и создающие стабильный термический режим заземлений [13].
НИКИФОРОВ Валериан Митрофанович - кандидат геолого-минералогических наук, заведующий лабораторией, СТАРЖИНСКИЙ Сергей Станиславович - старший научный сотрудник, ДМИТРИЕВ Иван Викторович -кандидат технических наук, старший научный сотрудник, ШКАБАРНЯ Григорий Николаевич - кандидат технических наук, научный сотрудник (Тихоокеанский океанологический институт им. В.И.Ильичева ДВО РАН, Владивосток). E-mail: NikiforovV@mail.ru
Работа выполнена в рамках гранта РФФИ 09-05-00715-а.
В Японском море к настоящему времени сложилась уникальная ситуация: на его дне расположены два выведенных из эксплуатации кабеля, проложенных в различных азимутах. Один из них - JASC (Japan Sea Cable) проложен в направлении северо-восток-юго-запад перпендикулярно оси Японского моря, второй - RJK (Russia-Japan-Ko-rea) - в меридиональном направлении (рис. 1). Проведение измерений на двух различно ориентированных кабелях связи позволит впервые в мировой практике исследовать анизотропную электропроводящую структуру тектоносферы до глубин 1000 км и более.
Основными источниками электрического тока в морях и океанах являются магнитосферные и ионосферные токовые системы, вариации магнитных полей которых индуцируют электрический ток в водной толще, и морские и океанические течения электрически проводящей воды в постоянном магнитном поле земного ядра, приводящие в действие механизм гидромагнитного динамо. Частотные диапазоны этих источников в значительной степени перекрываются, выделение вклада каждого из них представляет собой непростую задачу, для решения который применяются сложные алгоритмы цифровой обработки сигналов. Выделяемые сигналы от второго источника, обычно занимающие длиннопериодную часть спектра, используются для мониторинга массопереноса морских и океанических течений, которые трудно регистрировать долго и непрерывно [6, 7, 11, 12].
Уровень вариаций электрических полей, наведенных первым источником, преобладает над уровнем вариаций, вызванных вторым источником, что создает благоприятные условия для выполнения магнитотеллурического зондирования (МТЗ) дна морей [1, 10, 14]. Для проведения МТЗ необходимо синхронно с регистрацией вариаций электрического (теллурического) поля фиксировать и вариации геомагнитного поля Земли, что обычно выполняется в магнитных обсерваториях. Чем дольше длится синхронная регистрация, тем более длинные периоды электрических и магнитных вариаций могут быть выделены из наблюденной реализации и тем на больших глубинах может быть оценено удельное электрическое сопротивление горных пород, которое зависит от многих факторов: минералогического состава и структуры породы, пористости и проницаемости, степени насыщения флюидами и их солености, глубинного температурного режима и давления.
42
41
3=
37
3S
139е 141'
129 131 133 135 137
Рис. 1. Расположение подводных кабелей 1Л8С и ЯШ. на дне Японского моря
Таким образом, МТЗ с использованием подводных кабелей позволяет изучать состояние глубинных частей Земли под морями и океанами.
С 1995 г. в ТОИ ДВО РАН проводились подобные исследования с использованием выведенного из эксплуатации подводного кабеля 1А8С (рис. 1). За почти десятилетний период наблюдения вариаций естественного электрического потенциала на его концах впервые получены уникальные данные. Их анализ позволил решить важные научные задачи: на основании моделирования электрического поля с привлечением сейсмических и геотермических данных построена геоэлектрическая модель тектоносферы дна Японского моря [5]; впервые в практике магнитотеллурических исследований при использовании свойства поперечного тока определен порядок поперечного сопротивления литосферы [2]; исследовано влияние глубинных разломов и проводимости осадочной толщи на поведение продольного и поперечного тока [3]; выявлены элементы погружающегося под материк электропроводящего горизонта [8]; исследованы некоторые особенности гидродинамики Японского моря [7]. К сожалению, мониторинг электрического поля на дне Японского моря, предоставляющий возможность решить большой круг задач, был приостановлен в связи с обрывом кабеля в шельфовой зоне вблизи г. Находка.
Основные черты геоэлектрической модели следующие [4]. В интервале глубин 320-480 км выделяется горизонт высокой электрической проводимости, сопоставляемый со слоем Голицына, у кровли которого отмечается возрастание сейсмических скоростей. Природа этого слоя связывается с изменением химического состава, характеризующимся увеличением железистых соединений, а также с фазовыми превращениями вещества. В интервале глубин 80-160 км развит электропроводящий горизонт, отождествляемый с астеносферным слоем. Особенность данного слоя состоит в том, что под Япономорской впадиной его суммарная проводимость возрастает до 5000-6000 См, тогда как под континентом - 2000 См. Природа высокой проводимости астеносферного слоя большинством исследователей связывается с частичным плавлением верхнемантийного вещества при температурах выше 1200°С. В земной коре в интервале глубин 10-35 км наблюдаются высокопроводящие породы, характеризующиеся сопротивлением 5-20 Ом-м. В континентальной части, где выполнено множество наблюдений, установлены линейные анизотропные аномалии высокой проводимости, приуроченные к крупным разломам. В целом высокоомная литосфера отличается блоковым геоэлектрическим строением. Сопротивление блоков меняется от 200-800 до 2000-10 000 Ом-м.
В настоящее время ОАО «РОСТЕЛЕКОМ» выводит из эксплуатации волоконнооптический подводный кабель ЯЖ, который исчерпал свой проектный ресурс. В связи с этим его можно использовать для получения научной информации, в частности для регистрации вариаций естественных токов на дне моря. Целесообразность возобновления теллурических исследований с применением кабеля ЯЖ диктуется и тем обстоятельством, что генеральное направление его прокладки отличается от такового у кабеля 1А8С. Это обстоятельство открывает возможность «высветить» новые детали геоэлектрического разреза дна Японского моря и уточнить геоэлектрическую модель, полученную ранее по результатам исследований на кабеле 1А8С. Поскольку в мировой практике хорошо отработана технология регистрации теллурических токов с применением обычных (металлических) кабелей связи, а волоконно-оптический кабель ШК в этом назначении используется впервые, по согласованию с ОАО «РОСТЕЛЕКОМ» в ноябре-декабре 2009 г. нами проведен опытный сеанс наблюдения, предварительные результаты которого приводятся в настоящей работе.
При опытных работах на береговой станции наземного вывода (БСНВ) г. Находка установлен регистрирующий комплекс аппаратуры, который включал в себя 24-разрядный аналого-цифровой преобразователь Е-24 и ноутбук, на флэш-карте которого накапливались данные оцифровки вариаций электрического напряжения между крайними заземлениями кабеля ШК. Интервал дискретизации составлял 1 с. Одновременно на обсерватории УЬА
(с. Горнотаежное в 68 км севернее г. Владивосток) с помощью кварцевых магнитометров с чувствительностью 0,01 нТл регистрировались три компоненты вариаций геомагнитного поля. Кроме того, записи компонент геомагнитного поля дублировались на обсерватории КНА (пос. Забайкальское, 100 км южнее г. Хабаровск), где установлена аналогичная аппаратура, а также на пункте РР1 (о-в Попова), где находится трехкомпонентный феррозондовый магнитометр УИ-8Т. Синхронизация отсчетов теллурического и геомагнитного полей осуществлялась с помощью кварцевых часов, что допускает временные смещения отсчетов в пределах 1-2 с.
В качестве непрерывного гальванического проводника, соединяющего дальний электрод с измерительной аппаратурой, установленной на БСНВ, использовалась питающая жила кабеля ЯЖ. То обстоятельство, что кабель разбит на отдельные секции, между которыми вмонтированы регенераторы сигналов, вступающие в работу при подаче питающего напряжения (800 В), вызывало опасение, что при отключенном питании гальваническая связь будет потеряна. Регенераторы представляют собой устройства, состоящие из приемников оптического сигнала, дешифраторов и выходных лазеров. Эти устройства обеспечивают прием ослабленного оптического сигнала, восстанавливают его и подают усиленный сигнал в следующую секцию кабеля. Все регенераторы вмонтированы в тело кабеля ЯЖ и соединены между собой последовательно. Однако промер электрического сопротивления обесточенной линии, составляющий 50 000-100 000 Ом, и особенно качество регистрированного теллурического сигнала, которое будет рассмотрено ниже, исключили это опасение: обесточенные регенераторы ведут себя подобно пассивным резисторам.
Другим важным вопросом является определение географического положения удаленного заземления. Конструктивно разводная муфта Ви (рис. 1) в обесточенном состоянии изолирована от дна моря. При этом российские, японские и корейские входы муфты ВИ гальванически закорочены между собой. Имеется информация, что в настоящее время отрезок кабеля ЯЖ от г. Пусан до муфты ВИ поднят со дна Японского моря. Место отсечения поднятого кабеля находится приблизительно в 500 м от муфты ВИ. Информацией о состоянии японского отрезка кабеля «Наоэцу-муфта ВИ» мы не располагаем. Но даже если японский отрезок кабеля ЯЖ еще пристыкован к муфте, все равно измеряемый нами теллурический сигнал определяется в основном расстоянием между ближним электродом на БСНВ г. Находка и местом контакта отсеченного корейского плеча. С учетом соотношения общей длины российской части кабеля с остатком корейского плеча можно отнести точку заземления к муфте ВИ. В этом варианте японское плечо кабеля будет вносить
некоторое искажение, но не менять кардинально сигнал с базы «БСНВ г. Находка-муфта ВИ». К тому же эти искажения будут носить временный характер, так как в текущем году планируется поднятие японского плеча кабеля.
Для оценки качества регистрируемого с помощью кабеля электрического сигнала был рассчитан ряд интегральных характеристик. На рис. 2 показаны амплитудные спектры вариаций электрического напряже-
ния (И) на кабеле ЯЖ и
№ и Т.1 1,0|‘+002 -»
].№-и$ і.оімнм і,и і:-иол і.иі.-сої і.иьтп і„о(:ннні
Чистоті. Ги
Рис. 2. Амплитудные спектры вариаций электрического напряжения (и) на кабеле ЯШ. и перпендикулярной кабелю горизонтальной компоненты геомагнитного поля (Иу) на обсерватории УЬД
компоненты геомагнитно-
го поля (Ну) в направлении, перпендикулярном кабелю ЮЖ. Значения геомагнитного поля в этом направлении получены путем пересчета данных обсерватории УЪЛ в геомагнитной системе координат. Представленные
спектры относятся к участку записи продолжительнос-
тью 1 сут начиная с 9 ч универсального времени (иТ)
30 ноября 2009 г.
Как следует из анализа спектров, амплитуда напряжения (И) уменьшается на 4 порядка по мере возрастания частоты от 10-5 до 10-1 Гц. В этом же частотном интервале спектральная амплитуда Ну-компоненты геомагнитных вариаций уменьшается на 5 порядков, такая картина сохраняется во всем частотном диапазоне. Это показывает тесную связь электрического и магнитного полей, что является признаком отражения геоэлектрического разреза в компонентах электромагнитного поля.
Для оценки степени связанности электрического и магнитного полей рассчитаны функции когерентности между вариациями И и горизонтальными компонентами Н и Ну геомагнитного поля (рис. 3). Высокая множественная когерентность на уровне более 0,95 характерна для периодов, вызванных суточной вариацией (диапазон частот 4 • 10-5-10-4 Гц), а также в широком диапазоне периодов 5 • 103 с < Т < 3 • 101 с (диапазон частот 2 • 10-4-3 • 10-2 Гц).
Низкие значения функции когерентности отмечаются в интервале периодов 104 с < Т < 5 • 104 с (10-4—2 • 10-5 Гц) и в короткопериодном интервале Т < 30 с. В обоих интервалах отмечается понижение уровня амплитуд вариаций. Первому интервалу соответствует локальный минимум амплитудных спектров И и Ну, второму - общее понижение уровня вариаций на высоких частотах. Природа низких значений функций когерентности между И и Нх, Ну в первом частотном интервале, возможно, связана со структурными особенностями электромагнитного поля при переходе от суточных вариаций к вариациям типа «бухта». Во втором частотном интервале она, очевидно, вызвана недостаточной чувствительностью измерительной аппаратуры.
Рассмотренные характеристики электрического и магнитного полей, относящиеся к отдельному непродолжительному участку записи, могут в какой-то мере меняться для более продолжительных записей. Но уже имеющийся материал, указывающий на высокую когерентность в пределах продолжительных частотных интервалов и изменение соотношений между амплитудными спектрами И и Ну, свидетельствует о возможности получения надежной кривой магнитотеллурического зондирования дна Японского моря с применением кабеля ЮЖ.
Синхронная запись вариаций И и Ну (Ну перпендикулярна кабелю) получена в результате узкополосной цифровой фильтрации (рис. 4). Фильтр настроен на период Т = 60 с. В электрически независимых каналах присутствует идентичный сигнал, представленный последовательностью цугов, состоящих из 3-5 колебаний. Интенсивность колебаний магнитного поля достигает 0,4 нТл, а колебаний электрического поля -20 • 10-3 В. С учетом того, что шумы кварцевых магнитометров, установленных на обсерватории УЪЛ, не превосходят 0,01 нТл, а шумы регистратора электрического
0,41 —
1 Г I ГНИ]----Г I 1 IГI|Г|-1 1 I 1ЕГ11|--1 Г I 11111|--Г I 1 1ИГГ|
1.СЕ-0ГЦ 1.0 Г-«И 1.*К-ООЛ Lj0r-0IH 1.0 Г-09] 1.0ЕКИН
Частота, Гц
Рис. 3. Функции когерентности между вариациями напряжения на кабеле RJK (U) и горизонтальными компонентами Их и Иу геомагнитного поля на обсерватории VLA. 1 - GuHxHy - функция множественной коге-
рентности; 2, 3 - GTT„ „ и GTT„ „ , соответственно,
r ’ ’ UHy-Hx UHx-Hy’ ’
когерентности
функции частной
напряжения (Е-24) не превосходят 10 • 10-6 В, можно отметить высокий уровень соотношения сигнал / помеха.
В результате предварительной обработки вариаций теллурического тока на кабеле ЯЖ и магнитного поля на обсерватории УЪЛ выявлено, что уровень кажущегося сопротивления в диапазоне периодов 103 с < Т < 104 с составляет 1 Омм, что в 1,5-2 раза ниже уровня кажущегося сопротивления, полученного ранее [2] с применением кабеля связи 1Л8С (около 2 Ом-м), направление которого отличается на 45° (рис. 1). Этот результат, отражающий особенности гео-электрического разреза тек-тоносферы под Японским морем, будет многократно проверяться в ходе предстоящих исследований.
Таким образом, создана и опробована система наблюдения вариаций теллурического поля с помощью морского волоконно-оптического кабеля ЯЖ и ряда отрезков континентальных кабелей связи в Приморье. Магнитное поле регистрируется на российских обсерваториях УЪЛ и КНЛ, кроме того, планируется привлечь данные с японских обсерваторий ММВ и КАК. Эта система наблюдений будет использована для проведения многолетнего мониторинга компонент магнитотеллурического поля, что позволит оценить разрез тектоносферы до глубин свыше 1000 км, получить характеристики тензора импеданса, решить некоторые задачи массопереноса в Японском море.
Рис. 4. Часть синхронной записи вариации напряжения на кабеле ЯЖ (б) и вариации перпендикулярной кабелю горизонтальной компоненты геомагнитного поля (а) после узкополосной фильтрации
ЛИТЕРАТУРА
1. Ваньян Л.Л., Пальшин Н.А., Семенов В.Ю., Уинч Д. Глубинное магнитотеллурическое зондирование с использованием подводного кабеля Австралия-Новая Зеландия // Физика Земли. 1994. № 9. С. 94-96.
2. Ваньян Л.Л., Пальшин Н.А., Никифоров В.М. и др. Изучение теллурического поля с использованием кабеля, пересекающего Японское море // Физика Земли. 1999. № 7. С. 17-26.
3. Кузнецов В.А. Роль глубинных разломов при изучении литосферы Японского моря с использованием подводного кабеля Находка-Наоэцу // Физика Земли. 2001. № 4. С. 74-76.
4. Никифоров В.М., Дмитриев И.В., Старжинский С.С. Геоэлектрическая структура тектоносферы в зоне сочленения Япономорской впадины и Сихотэ-Алинской складчатой системы // Дальневосточные моря России: в 4 кн. / гл. ред. В.А.Акуличев; ТОИ им. В.И.Ильичева ДВО РАН. М.: Наука, 2007. Кн. 3. С. 61-85.
5. Никифоров В.М., Старжинский С.С., Дмитриев И. В. Глубинная геоэлектрическая структура и сейсмичность Приморья (Дальний Восток) // Тихоокеан. геология. 2001. Т 25, № 4. С. 18-52.
6. Пальшин Н. А., Ваньян Л.Л., Меджитов РД. и др. Использование подводного кабеля Находка-Наоэцу для изучения временной изменчивости интегрального переноса водных масс в Японском море // Океанология. 2001. Т. 41, № 3. С. 466-473.
7. Старжинский С.С., Никифоров В.М., Пономарев В.И. Использование подводного телекоммуникационного кабеля JASC для исследования гидродинамики Японского моря // Подводные исследования и робототехника. 2007. № 2 (4). С. 38-45.
8. Старжинский С.С., Никифоров В.М. Опыт использования телефонных линий для целей магнитотеллурического зондирования // Геофиз. журн. 2005. Т 27, № 4. С. 636-645.
9. Chave A.D., Luther D.S., Lanzerotti L.J., Medford L.V. Geoelectric field measurement on a planetary scale: Oceanographic and geophysical application // Geophys. Res. Lett. 1992. Vol. 19. P. 1411-1414.
10. Lizarralde D., Chave A., Hirth G., Schultz A. Northeastern Pacific mantle conductivity profile from long-period magnetotelluric sounding using Hawaii-to-California submarine cable data // J. Geophys. Res. 1995. Vol. 100, N B9. P. 17,837-17,854.
11. Meloni A., Lanzerotty L.J., Gregory G.P. Induction of currents in long submarine cables by natural phenomena // Rev. Geophys. Space Phys. 1983. Vol. 21, N 4. P. 795-803.
12. Spain P., Sanford T. Accurately monitoring the Florida Current with motionally induced voltages // J. Mar. Res. 1987. Vol. 45, N 4. P. 843-870.
13. Starjinsky S.S., Nikiforov V.M. On the submarine communication cable JASC ground self-potential stability // Earth Planets and Space. 2005. Vol. 57. P. 903-906.
14. Vanyan L.L., Utada H., Shimizu H. et al. Studies on the litosphere and water transport by using the Japan Sea submarine cable (JASC): 1. Theoretical consideration // Earth Planets and Space. 1998. Vol. 50. P. 35-42.
Новые книги
Гресов Л.И., Обжиров Л. Т., Шакиров Р.Б. Метаноресурсная база угольных бассейнов Дальнего Востока России и перспективы ее промышленного освоения. Т. 1. Углеметановые бассейны Приморья, Сахалина и Хабаровского края.
GresovA.I., ObzhirovA.T., ShakirovR.B. Methane resources of coal basins in the Far East of Russia and their industrial development perspectives. Vol. 1. Coal methane basins of Primorye, Sakhalin Island and Khabarovsky kray.
Владивосток: Дальнаука, 2009. - 247 с. - ISBN 978-5-8044-1028-6.
Тихоокеанский океанологический институт им. В.И.Ильичева ДВО РАН
Адрес: 690041, Владивосток, ул. Балтийская, 43
Факс: (4232) 31-25-73, 31-26-00. E-mail: pacific@onlane.marine.su; pacific@vlad.ru
Приведены характеристика метаноносности основных углеметановых бассейнов, сведения о происхождении углеводородных газов и форм их нахождения в угленосных толщах, а также значения метаноносности угольных пластов в зависимости от глубины их залегания. Дана геолого-промышленная оценка ресурсов метана, проанализирована перспективность организации углеметанового промысла. Предложены перспективные технологии извлечения и использования угольного метана.
Для геологов, газогеохимиков, технологов научных и производственных организаций угольной, нефтегазовой промышленности, а также для студентов и аспирантов профильных специальностей.
