мониторинг электромагнитных полей с контролируемыми

МОНИТОРИНГ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ С
КОНТРОЛИРУЕМЫМИ ИСТОЧНИКАМИ
Жамалетдинов А.А., Шевцов А.Н., Токарев А.Д. Геологический институт
Кольского научного центра РАН
Указанные работы используются для определения изменений электромагнитных свойств
среды во времени. Необходимость в этих работах связана с появлением нового
перспективного направления использования КНЧ – СНЧ генераторов для прогноза
землетрясений. В условиях Балтийского щита, отличающегося слабой сейсмичностью,
выполнение мониторинга носит метрологическое предназначение.
Работы проведены на полигоне «Имандра-Варзугский», расположенном в 14 км южнее
Хибинского массива. Полигон Имандра-Варзугский включает в себя павильон для
размещения измерительной аппаратуры, систему измерительных линий в виде
закопанных по всей длине кабелей со свинцовыми заземляющими электродами по
концам, погруженными на глубину 60 см. Дополнительно на полигоне спроектированы
цементные основания под индукционные датчики магнитного поля. Для устранения
сейсмических помех предусмотрены демпфирующие подушки. Измерительные линии
имеют разную длину – три линии по 100 м и одна линия длиной 500 м. Короткие линии
длиной по 100 м предназначены для долговременных прецизионных измерений
(мониторинга). Длинная линия 500 м предназначена для измерения и учета статических
искажений, обусловленных неоднородностью электропроводности осадочного чехла
моренных отложений.
Рис.1. Детальная схема расположения измерительных линий полигона «Имандра-Варзугский».
Длины линий MN1=MN2=MN3=100 м. MN4=500 м, AB=350 м.
Азимут линий MN1,MN2 и MN4 – 800 относительно магнитного меридиана.
Азимут линии MN3– 1700 относительно магнитного меридиана.
Электрическое зондирование - это такой метод, в котором измеряют кажущиеся
сопротивления ρк с помощью установок с разными расстояниями между питающими и
приемными линиями, т.е. используется дистанционный (геометрический) прием
изменения глубинности. В результате получают информацию об изменении
электрических сопротивлений земных слоев по вертикали и последовательность их
залегания в виде кривых зондирований - зависимостей ρк от, так называемого,
действующего расстояния, пропорционального разносу между питающими и приемными
линиями. Измерив разность потенциалов, между приемными электродами, силу тока в
питающей линии с помощью той или иной установки метода сопротивлений над реальной
неоднородной средой, можно рассчитать её кажущееся сопротивление ρк.. Оно является
сложной функцией изучаемого геоэлектрического разреза, т.е. зависит от удельных
сопротивлений, размеров, глубин залегания слоев или включений. Метод частотного
электромагнитного зондирования имеет определенные преимущества перед вертикальными
электрическими зондированиями с помощью постоянного тока. Использование
переменного электромагнитного поля позволяет избавиться от экранирующих влияний
прослоек высокого сопротивления, если они не имеют слишком большой мощности.
Полезные сигналы определенной частоты легче могут быть выделены на фоне помех и
усилены до необходимой величины, чем сигнал на постоянном токе. Это создает
принципиальную возможность для значительного увеличения глубины исследования
земной коры при помощи частотного электромагнитного зондирования. Кроме того,
переход от наблюдений на одной частоте к наблюдениям на другой занимает меньше
зонвремени, чем изменение разносов линии АВ при вертикальных электрических
дированиях. Электромагнитные зондирования основаны на принципе скин-эффекта, т.е.
увеличения глубины проникновения поля с уменьшением скорости его изменения. Однако
скин-эффект сильно зависит от типа источника и расстояния до него. В связи с этим
физико-математической основой электромагнитных зондирований является изучение
изменяющихся во времени электромагнитных полей источников различных типов.
Наиболее распространены источники двух типов: вертикальный магнитный диполь
(незаземленная горизонтальная рамка) и заземленный горизонтальный электрический
диполь.
Лаборатория геоэлектрики Геологического института при проведении частотных
электромагнитных зондирований на Балтийском щите использует в качестве источника
заземленный горизонтальный электрический диполь. Такой выбор обусловлен высоким
удельным сопротивлением горных пород Кольского полуострова (в среднем
ρ = 10 4 Ом * м ). Из-за высокого сопротивления горных пород помехи с расстоянием
затухают очень медленно. А с удалением от источника поле магнитного диполя затухает
гораздо быстрее поля электрического диполя. При гравитационном взаимодействии
системы «Земля-Луна» под действием обращающегося вокруг Земли спутника возникают
приливы и отливы в океане, в ходе которых уровень воды дважды в сутки поднимается и
опускается до своих максимальных отметок. Это объясняется притяжением Луны между
двумя последовательными одноименными кульминациями ее на меридиане данного места
и обусловлено тем, что Земля вращается вокруг своей орбиты быстрее, чем Луна
совершает свой полный оборот вокруг Земли. Поэтому интервал времени между двумя
смежными циклами приливных явлений составляет 24 часа 50мин. Под действием силы
притяжения действующей со стороны Луны на поверхности Земли образуются
своеобразные области прилива и одновременно с этим в точках квадратур, т. е. районах,
отстоящих на 90 градусов по меридиану от точек прилива, будет наблюдаться отлив.
Высота прилива в океане не превышает 1 – 2 метров. Волны прилива наблюдаются и в
твердой коре и достигают 51 см при сложении поля тяготения луны и солнца. Приливное
взаимодействие наибольшей амплитуды достигает в верхах перисферы Земли, а также в
астеносфере и «жидком» ядре. Это и находит свое выражение в корреляции вулканизма и
землетрясений с периодами лунно–суточных приливов.
В качестве генераторно-измерительного комплекса использовалась аппаратура АНЧ-3.
Аппаратура низкой частоты АНЧ-3 предназначена для измерения кажущегося
сопротивления геоэлектрического разреза на низкой частоте. Для уменьшения влияния
искажающих факторов (поляризация электродов, сложность разделения полезного
сигнала и помех) и для увеличения производительности работ вместо постоянного тока
использовался ток низкой частоты. Для интерпретации данных съемок, проведенных
методом сопротивлений на низкой частоте, используются те же приемы, что и для
интерпретации результатов съемок на постоянном токе. Аппаратура АНЧ-3 состоит из
стационарного, переносного генераторов питающего тока и измерителя напряжений.
Для мониторинга на переменном токе в качестве источника тока использовалась
генгруппа ЭРС-67 мощностью 29 кВт и с выходным напряжением 600 В. Постоянный ток
с выхода генераторов ПН-100 поступает на вход тиристорного коммутатора, где
преобразуется в переменный ток на двух сетках частот, задаваемых кварцевым
генератором. Верхняя сетка - 1000 Гц / 2n, где n∈ 0-4, и нижняя сетка - 666,6 / 2n, где n∈ 04. Измерения ЧЗ выполняются с помощью 7-канальной цифровой станции СЧЗ-2002,
разработанной совместно Геологическим и Полярным геофизическим институтами КНЦ
РАН / Токарев и др, 1997/. Основные технические параметры измерительного комплекса
СЧЗ-2002 представлены в таблице 1, а на (рис 2) представлена блок схема измерительного
комплекса. Станция работает на принципе супергетеродина. Каждая из измеряемых
дискретных частот путем перемножения спектров смещаются на одну и ту же
промежуточную частоту 1 Гц, которая затем отфильтровывается, усиливается и поступает
на АЦП. В измерительном блоке происходит фильтрация промышленных частот и их
высших гармоник (100 и 150 Гц) по всем 5 каналам гетеродинирование и избирательное
усиление резонансной частоты 1 Гц. С выхода измерительного блока отфильтрованные
сигналы поступают на вход 20-разрядного многоканального АЦП и затем подаются для
сохранения и обработки на вход портативного компьютера через разъем RS-232.
Рис.2 Станция частотного
зондирования СЧЗ-2002.
Проведение мониторинга электромагнитных полей на полигоне Имандра – Варзугском
является одним из способов установления влияния лунно–солнечных приливных
деформаций на электрическое сопротивление земной коры. В результате обработки
данных, полученных в процессе мониторинга методом вертикального электрического
зондирования, постоянного тока и частотного зондирования построен геоэлектрический
разрез среды в точке наблюдения. Рассчитаны и построены графики изменения во
времени кажущегося сопротивления на разных глубинах. Проведен корреляционный
анализ зависимости изменения кажущегося сопротивления от лунно – солнечных
приливных деформаций земной коры. Установлено, что изменение сопротивления в
верхней части разреза, исследуемое методом постоянного тока , и в нижней части разреза,
исследуемое методом частотного зондирования с источником «ЗЕВС», не дает значимой
корреляции с вертикальным вектором приливной деформации, а наибольшая корреляция
между ρк и h наблюдается в средней части исследуемых нами глубин (1500 – 3000 метров)
методом частотного зондирования с генераторной группой ЭРС – 67.
ЛИТЕРАТУРА
1. Жамалетдинов А.А. Нормальный электрический разрез кристаллического фундамента и
его геотермическая интерпретация по данным МГД-зондирования на Кольском
полуострове. //Глубинные электромагнитные зондирования с применением импульсных
МГД-генераторов. Апатиты, Кольск. фил. АН СССР, 1982. С. 35-46
2. Велихов Е.П., Жамалетдинов А.А., Шевцов А.Н., Токарев А.Д. и др. Глубинные
электромагнитные исследования с применением мощных сверхнизкочастотных
радиоустановок. // Известия РАН. Физика Земли. 1998, №8. С 3-32.