CC BY
0УДК 550.370:372+550.8.052
И. Ю. Николаев, Л. А. Камбурова
ПЕРВИЧНАЯ ЭКСПРЕСС-ОБРАБОТКА ДАННЫХ АМТЗ
Создана программа первичной экспресс-обработки данных геоэлектрических исследований для магнитотеллурического теста. Описана методика определения размерности и ориентации геологических структур платформенного чехла и складчатых сооружений по данным аудиомагнитотеллурического зондирования.
Ключевые слова: обработка данных, АМТЗ, интерпретационная модель, размерность, простирание структуры.
Введение. Традиционно на этапе качественной интерпретации данных АМТЗ (аудиомагнитотеллурического зондирования) анализируются амплитудные и фазовые кривые [1], строятся амплитудные и фазовые разрезы по линии профиля. Затем проводится формальная одномерная инверсия [1], [2], после чего делается вывод о необходимости решения обратной задачи в классе 2D и/или 3D моделей, т.е. выбор размерности геоэлектрической структуры.
Проведение исследований АМТЗ в пределах мощного платформенного чехла и складчатых сооружений предполагает разделение геоэлектрического разреза на участки различной размерности из-за наличия приповерхностных горизонтальных геоэлектрических неоднородностей и локальных магнитных аномалий. В основном, это линейно вытянутые низкоомные зоны и/или высо-коомные включения на фоне среды высокой электропроводимости.
Особенности геоэлектрических исследований методом АМТЗ предполагают быстрое накопление полевого материала за достаточно короткое время. При этом возникает необходимость на месте оценить качество выполняемых работ, скорректировать
место заложения последующих пунктов зондирования, запланировать стратегию последующей количественной интерпретации данных.
Перед исследователем ставится задача определения простирания структур геоэлектрического разреза и, что важно для выбора интерпретационной модели, отнесения их к типу, описывающему геоэлектрическую среду:
1) одномерная,
2) двумерная или трехмерная осесимметричная,
3) трехмерная асимметричная.
В геоэлектрике одномерная модель используется для описания распределения электрической проводимости в геологических структурах вдоль одной оси - обычно это вертикальная ось, направленная от поверхности Земли вглубь до определенной глубины, которую выбирают в зависимости от конкретной задачи и доступных данных. Одномерные модели предполагают, что характеристики геологической структуры и проводимость среды не меняются в остальных направлениях. Одномерные модели обладают рядом преимуществ. Во-первых, они являются относительно простыми и быстрыми в использовании, что упрощает интерпретацию данных. Во-вторых, они подходят для простых геологических структур, когда изменение проводимости среды происходит преимущественно в одном направлении. В сложных трехмерных геологических условиях, где изменения проводимости происходят в разных направлениях, одномерные модели могут быть недостаточно точными, и в таких случаях рекомендуется использовать более сложные и реалистичные двумерные или трехмерные модели.
Двумерная модель в геоэлектрике используется для описания распределения электрической проводимости в плоскости. Это означает, что модель рассматривает геологические формации и объекты в двух измерениях. Обычно в двумерной модели предполагается горизонтальная однородность объектов, то есть их свойства не меняются вдоль горизонтальной плоскости. Двумерные модели упрощают моделирование распределения электрической проводимости. Однако, как и одномерные, двумерные модели не учитывают трехмерные геометрические особенности объектов и могут вносить некоторую погрешность в описание геологических структур.
Трехмерные модели геоэлектрических структур используются для описания распределения электрической проводимости в трех измерениях (по горизонтали и глубине). Они позволяют учесть геологическую асимметрию объектов, их сложную геометрию и геологические особенности. Трехмерные модели могут быть осесимметричными, квазисимметричными или асимметричными в зависимости от геологических особенностей и требований исследования.
Трехмерная осесимметричная модель в геоэлектрике представляет собой модель, используемую для описания распределения электрической проводимости структур с учетом осевой симметрии. Осевая симметрия означает, что свойства структуры не зависят от угла вокруг оси симметрии. В такой модели геологические формации представляются в виде цилиндрических слоев или объемных объектов, которые обладают радиальной симметрией относительно оси. Это позволяет упростить математическое описание модели и сделать ее более понятной для анализа.
Трехмерная квазисимметричная модель в геоэлектрике используется для описания трехмерного распределения электрической проводимости в геологических структурах, учитывая осевую симметрию объектов, но, при этом, допускается некоторое отклонение от полной симметрии. Это позволяет учесть геологические неоднородности и особенности. Трехмерная квазисимметричная модель позволяет более точно описать распределение электрической проводимости в структурах, чем простые трехмерные модели, которые игнорируют симметрию объектов.
Трехмерная асимметричная модель в геофизике относится к моделированию геологической структуры с учетом ее трехмерной формы и неоднородности. Асимметричность модели означает, что учитываются геофизические особенности, которые изменяются в различных направлениях.
Методы исследования. Задача определения размерности и простирания структур решается с помощью магнитотеллуриче-ского теста [3], для реализации которого написана программа первичной экспресс-обработки данных АМТЗ в полевых условиях.
Программа поэтапно реализует вычисление оценок компонент импеданса, формирование массива итоговых частотных за-
висимостеи полного тензора импеданса, вычисление главных значений и главных направлении тензора импеданса, вычисление параметров магнитотеллурического теста, графическое и текстовое представление оценок параметров.
В ходе проведения магнитотеллурического теста определяются следующие параметры для оценки геоэлектрической размерности.
1. Параметр неоднородности N (оценивает степень горизонтальной геоэлектрической неоднородности):
<1-<2 _ 11 4 • ZxxZyy ZxyZyx (1)
С1+С2 д/ (zxy-zyx)2 '
где Zi, Z2 - главные значения тензора импеданса в методе Свифта-Эггерса;
Zxx, Zyy, Zxy, Zyx - компоненты тензора импеданса. 2. Параметр асимметрии Свифта skews (степень отклонения среды от двумерно-однородной или осесимметричной):
skewс =
^хх+^ху
Zxy Zyx
(2)
3. Параметр асимметрии Бара skewB (степень отклонения среды от двумерно-однородной или осесимметричной):
\ImizxyZyy+ZxxZyx)\
skewB = *-г-——j-. (3)
l^xy zyx\
4. Параметр асимметрии Кэлдуэлла-Бибби-Брауна skewcвв (степень отклонения среды от двумерно-однородной или осесим-метричной):
skewCBB = ^arctg
Фху-Фух
Фхх+Фуу
(4)
где Фхх, Фуу, Фху, Фух - компоненты фазового тензора. Используемые параметры сравниваются с их пороговыми значениями 5, характеризующими уровень измерительной погрешности. Для N1, skews и skewв они изменяются от 0,05 до 0,15, для skewcвв - от 2 ° до 5
Оценивая N1, выделяются горизонтально-однородные и горизонтально-неоднородные области. В рамках последних прово-
дится последующий анализ. При этом, по предлагаемому алгоритму [3], оценивая skew и Im#, выделяются зоны с двумерными или осесимметричными трехмерными структурами, зоны с локальными двумерными или трехмерными структурами и региональными горизонтально-однородными структурами, а также с двумерными или осесимметричными структурами с синфазными главными импедансами, зоны с локальными двумерными и трехмерными структурами и региональными двумерными или осе-симметричными структурами, зоны с асимметричными трехмерными структурами.
Главные направления тензора импеданса определяются по методу Свифта-Эггерса:
tg2at = 1д2в1СОБф1, i = 1,2, (5)
Ci —Zxy —Zyy
tgOi =
,i = 1,2.
ЪI "I" ¿XX + ¿ух)
Простирание регионального двумерного фона определяется методом Бара:
аг _ 1 агС1д 1т(2ух^хх+^ху^уу) _( Я п (6)
2 /ш^^х^уу^^ху^ух} I ^
где а - угол простирания региональной двумерной среды.
Результаты исследования и их обсуждение. В качестве примера рассмотрим данные АМТЗ на девяти пунктах в центральной части Днепровско-Донецкой впадины (ДДв). Профиль наблюдения расположен вкрест простирания основных тектонических структур. Юго-западная его часть находится в южной прибортовой зоне, северо-восточная - в приосевой зоне ДДв (рис.1). На каждом пункте были произведены аудиомагнитотел-лурические зондирования на периодах от 0,00025 с до 82 с, среднее расстояние между пунктами - 3,75 км.
I - центральная приосевая зона ДДв; II - южная прибортовая зона ДДв.
1 - межрегиональные коровые разрывные нарушения; 2 - локальные разрывные нарушения; 3 - зоны линеаментов
Структурные элементы платформенного чехла: 4 - соляные валы; 5 -криптодиапиры; 6 - диапиры. 7 - пункт АМТЗ, его номер
Рис. 1 - Расположение пунктов АМТЗ в центральной части
ДДв
Центральная часть ДДв представляет собой большой грабе-нообразный прогиб северо-западного простирания, который разделяет Украинский щит и Воронежский массив. В геологическом отношении район работ сложен породами докембрия фундамента и осадочного чехла большой мощности. Докембрийский фундамент залегает на глубине 6-10 км и представлен кристаллическими породами. Стратиграфический разрез осадочной толщи ДДв сложен образованиями палеозоя, мезозоя и кайнозоя. Древнейшими являются отложения девона. На них трансгрессивно залегают осадочные отложения карбона всех отделов. Выше трансгрессивно расположены пермские хемогенные и терригенные осадочные породы. Мезозой представлен всеми отделами. Он сложен песчано-глинистыми образованиями общей мощностью
2 км. Кайнозой представлен глинами и песками мощностью до 400 м. Венчается весь разрез рыхлыми четвертичными отложениями мощностью до 50 м. Мощность слоя высокой электропро-
водности (до 1500-2000 См) в верхней части геоэлектрического разреза оценивается в 600-1600 м [4].
Значения |Щ| для всего набора данных значительно превышает 0,3, что говорит о сильной горизонтальной неоднородности района работ. Практически для всего диапазона зондирования характерны значения skews и skewB значительно больше 0,2. Лишь на некоторых пунктах, начиная с диапазона зондирования Т = 2 с, значения skewB уменьшаются до 0,15 и ниже (рис. 2), что может свидетельствовать о локальных трехмерных структурах на двумерном региональном фоне.
Рис. 2 - Главные направления тензора импеданса по методу Бара для девяти пунктов АМТЗ в центральной части ДДв
При этом на указанном отрезке диапазона происходит изменение значения угла простирания региональной двумерной среды примерно на 90° в пунктах 1 и 9.
Как видно из рисунка 2, из-за влияния приповерхностных локальных трехмерных неоднородностей верхняя часть геоэлектрического разреза (малые значения периода зондирования) характеризуется хаотичным изменением регионального простирания. По мере увеличения периода зондирования диапазон изменения значений угла регионального простирания стабилизируется и составляет от 0° до 90 что отвечает северовосточному/юго-западному и юго-восточному/северо-западному направлениям.
Оценить размерность и простирание исследуемой среды на каждом периоде зондирования позволяют также полярные диаграммы: диаграммы тензора импеданса, диаграммы Н- и Е-поляризованного импеданса, диаграммы фазового тензора. Они представляют собой зависимость магнитотеллурических функций отклика от их ориентации. Из всего множества вариантов можно рассмотреть диаграммы Е-поляризованного импеданса (2ЕЕ), который является функцией угла, определяющего направление оси поляризации электрического поля, и диаграммы диагонального компонента фхх фазового тензора, определяющего азимут простирания геоэлектрической структуры. Надо отметить, что диаграммы фазового тензора при достаточно низкой частоте характеризуют региональные глубинные структуры, не испытывая при этом искажающего воздействия локальных приповерхностных структур, а диаграммы Е-поляризованного импеданса позволяют разделить локальные и региональные эффекты в случае приповерхностного высокоомного включения [3].
Анализируя полярные диаграммы фхх фазового тензора на рисунке 3, можно отметить, что их главные диаметры направлены в юго-восточном/северо-западном простирании. Диаграммы на пунктах 1, 3, 4, 5 и 9 имеют форму цветка с лепестками или восьмерки с «бантиками», что является признаком асимметричной трехмерной геоэлектрической среды. Диаграммы на пунктах 2, 6, 7 и 8 имеют форму восьмерки или овала с талией, что характерно для трехмерной среды с признаками квазисимметрии.
Полярные диаграммы Е-поляризованного импеданса ориентированы в северо-восточном/юго-западном направлении. Их форма подтверждает ассиметричность и трехмерность геоэлектрической среды.
Созданная программа также была применена для анализа полевых профильных данных АМТЗ по Керченскому полуострову и Придобруджскому прогибу в условиях сложных тектонических структур. Анализ данных показал, что достаточно уверенно определяются размерность исследуемой геоэлектрической среды и простирание геологических структур.
Тгашасйош of КА№М1, № 23 (38), 2023
Полярные диаграммы: 1 - фхх; 2 -
Рис. 3 - Полярные диаграммы фазового тензора и Е-поляризованного импеданса на периоде зондирования Т = 1 с
Выводы. Исследования структур платформенного чехла и складчатых сооружений предполагают сложное геоэлектрическое строение и необходимость анализа полевых данных «на лету».
Программа экспресс-обработки данных АМТЗ оперативно, в полевых условиях, позволяет оценить качество выполняемых работ, дает возможность исследователю по мере накопления результатов измерений скорректировать место заложения последующих пунктов зондирования, на основе анализа параметров маг-нитотеллурического теста, полярных диаграмм тензора импеданса и фазового тензора оценить простирание и размерность геоэлектрических структур и выбрать интерпретационную модель последующей количественной интерпретации данных.
Исследования проводились в ФГБНУ «РАНИМИ» в рамках государственного задания (№ госрегистрации 1023020700022-32.7.5).
ЛИТЕРАТУРА
1. Белявский, В. В. Электромагнитные методы при изучении Украинского щита и Днепровско-Донецкой впадины / В. В. Белявский, Т. К. Бурахович, С. Н. Кулик, В. В. Сухой. - К.: Знание, 2001. - 227 с.
2. Белявский, В. В. Технология рудного аудиомагнитотел-лурического зондирования / В. В. Белявский, В. В. Сухой // Разведка и охрана недр. - 2003. - № 2. - С. 38-47.
3. Бердичевский, М. Н. Модели и методы магнитотеллури-ки / М. Н. Бердичевский, В. И. Дмитриев. - М., Научный мир, 2009. - 680 с.
4. Логвинов, И. М. Геоэлектрические параметры осадочных пород Днепровско-Донецкой впадины по данным двумерного моделирования результатов МТЗ / И. М. Логвинов // Геофизический журнал. - 2002. - Т. 24, № 6. - С. 175-193.
Николаев Иван Юрьевич, кандидат геологических наук, старший научный сотрудник отдела эколого-геофизических исследований, ФГБНУ «РАНИМИ», Россия, ДНР, Донецк, nikolaevoegi@yandex.ru.
Камбурова Лариса Алексеевна, заместитель директора по экономике научно-технической деятельности, ФГБНУ «РАНИМИ», Россия, ДНР, Донецк, ranimi @ranimi .org.
PRIMARY EXPRESS PROCESSING OF AMT DATA
A program for primary express processing of geoelectric research data for the magnetotelluric test has been created. A method for determining the dimension and orientation of the geological structures of the platform cover and folded structures using audiomagnetotelluric sounding data is described.
Keywords: data processing, AMT, interpretation model, dimension, structure strike.
Nikolaev Ivan Yurievich, Ph. D. in Engineering Sciences, Senior Researcher at the Department of Ecological and Geophysical Research, RANIMI, Russia, DPR, Donetsk, nikolaevoegi@yandex.ru.
Kamburova Larisa Alekseevna, Deputy Director for Economics of Scientific and Technical Activities, RANIMI, Russia, DPR, Donetsk, ranimi@ranimi.org.
