Магнитотеллурические исследования ( МТ ) — это электромагнитный геофизический метод определения электропроводности подземных слоев Земли на основе измерений вариаций естественного геомагнитного и геоэлектрического поля на поверхности Земли.
Глубина исследования варьируется от 100 м под землей путем регистрации более высоких частот до 200 км или глубже с помощью зондирований с большим периодом. Предложенный в Японии в 1940-х годах, а также во Франции и СССР в начале 1950-х годов, МТ в настоящее время является международной академической дисциплиной и используется в разведочных работах по всему миру.
Коммерческое использование включает разведку углеводородов (нефти и газа), геотермальную разведку, секвестрацию углерода , разведку горнодобывающей промышленности, а также мониторинг углеводородов и грунтовых вод . Исследовательские приложения включают эксперименты по дальнейшему развитию техники МТ, долгосрочное глубокое исследование земной коры, глубокое зондирование мантии, картирование подледниковых потоков воды и исследование предвестников землетрясений.
Магнитотеллурический метод был представлен независимо японскими учеными в 1948 году [1] (Хираяма, Рикитаке), советским геофизиком Андреем Николаевичем Тихоновым в 1950 году [2] и французским геофизиком Луи Каньяром в 1953 году [3] . Благодаря достижениям в области приборостроения, обработки и моделирования магнитотеллурические методы стали одним из важнейших инструментов в исследовании глубинных слоев Земли.
С момента своего создания в 1950-х годах магнитотеллурические датчики, приемники и методы обработки данных следовали общим тенденциям в электронике, становясь менее дорогими и более эффективными с каждым поколением. Основные достижения в области приборов и методов МТ включают переход от аналогового к цифровому оборудованию, появление удаленной привязки, синхронизации на основе времени GPS и сбора и обработки 3D-данных.
Для разведки углеводородов МТ в основном используется как дополнение к основному методу разведки сейсморазведки отраженными волнами . [4] [5] [6] [7] Хотя сейсмическая визуализация способна отображать подземную структуру, она не может обнаружить изменения сопротивления, связанные с углеводородами и углеводородсодержащими образованиями. МТ обнаруживает изменения сопротивления в подземных структурах, что позволяет различать структуры, содержащие углеводороды, и те, которые их не содержат. [8]
На базовом уровне интерпретации удельное сопротивление коррелируется с различными типами горных пород. Высокоскоростные слои обычно обладают высоким сопротивлением, тогда как осадки — пористые и проницаемые — обычно обладают гораздо меньшим сопротивлением. В то время как высокоскоростные слои являются акустическим барьером и делают сейсмику неэффективной, их электрическое сопротивление означает, что магнитный сигнал проходит почти беспрепятственно. Это позволяет МТ видеть глубоко под этими акустическими барьерными слоями, дополняя сейсмические данные и помогая интерпретации. [9] Результаты трехмерной МТ съемки в Узбекистане (сетка зондирований 32 x 32) направили дальнейшее сейсмическое картирование большой известной газоносной формации со сложной геологией под поверхностью. [10] [11]
Китайская национальная нефтяная корпорация (CNPC) и Nord-West Ltd используют наземный МТЗ больше, чем любая другая нефтяная компания в мире, проводя тысячи МТЗ для разведки и картирования месторождений углеводородов по всему миру. [12]
МТ используется для разведки месторождений различных цветных металлов (например, никеля) и драгоценных металлов , а также для картирования кимберлитов .
Исследование INCO 1991 года в Садбери , Онтарио, Канада, обнаружило месторождение никеля глубиной 1750 метров. В 1996 году компания Falconbridge провела технико-экономическое обоснование, в котором точно определила две минерализованные зоны Ni-Cu на глубине около 800 м и 1350 м. С тех пор как крупные, так и младшие горнодобывающие компании все чаще используют МТ и аудиомагнитотеллурические исследования (АМТ) как для разведки на уже существующих месторождениях (вблизи известных месторождений), так и для разведки на новых месторождениях (неизведанных землях). Значительная работа по картированию МТ была проделана на территориях Канадского щита . [13]
Разведка алмазов путем обнаружения кимберлитов также является проверенным применением. [14]
Геотермальные разведочные измерения с помощью МТ позволяют обнаруживать аномалии сопротивления, связанные с продуктивными геотермальными структурами, включая разломы и наличие покрывающей породы , а также позволяют оценивать температуры геотермальных резервуаров на различных глубинах. [15] [16] [17] Десятки геотермальных разведочных исследований с помощью МТ были завершены в Японии и на Филиппинах с начала 1980-х годов, что помогло выявить несколько сотен мегаватт возобновляемой энергии в таких местах, как завод Хатчобару на Кюсю [18] [19] и завод Тогонанг на Лейте . [20] [21] [22] Геотермальная разведка с помощью МТ также широко проводилась в Соединенных Штатах , Исландии, [23] Новой Зеландии, Венгрии, [16] Китае, [24] Эфиопии , Индонезии, Перу , [25] Австралии и Индии . [26]
МТ также используется для разведки и картирования подземных вод , мониторинга углеводородных залежей, глубокого исследования (100 км) электрических свойств коренной породы для систем передачи постоянного тока высокого напряжения (HVDC), [27] связывания углекислого газа [28] [29] и других приложений в области инженерии окружающей среды (например, мониторинга мест ядерных взрывов [30] и мониторинга мест захоронения ядерных отходов ).
Поскольку МТ очень чувствителен к составу и температуре Земли, он широко использовался для понимания многочисленных геологических явлений в мантии и коре Земли . К ним относятся исследование состава и распределения расплавов , [31] [32] понимание механики разломов и возникновения землетрясений , [33] визуализация глубокой литосферной архитектуры и состава, которые могут быть связаны со многими геодинамическими процессами. [34] [35] Крупные исследования были сосредоточены на соседних США (например, программа МТ Национального научного фонда EarthScope и ее преемник NASA и USGS MTArray [36] ), Восточно-Тихоокеанском поднятии , Австралии (программа МТ AusLAMP [37] ), Южной Африке (проект МТ SAMTEX [38] ), Китае (часть проекта Sinoprobe [39] ) и Тибетском нагорье .
Флуктуации сигнала МТ могут быть способны предсказывать начало сейсмических событий. [40] [41] [42] Стационарные системы мониторинга МТ были установлены в Японии с апреля 1996 года, обеспечивая непрерывную запись сигналов МТ на станции Вакуя (ранее в геодезической обсерватории Мидзусава) и станции Эсаси Географического института обследования Японии (GSIJ). Эти станции измеряют колебания электромагнитного поля Земли , которые соответствуют сейсмической активности. [43] Необработанные геофизические временные ряды данных с этих станций мониторинга находятся в свободном доступе для научного сообщества, что позволяет проводить дальнейшее изучение взаимодействия между электромагнитными событиями и сейсмической активностью. [44]
Дополнительные станции мониторинга предвестников землетрясений МТ в Японии расположены в Кагосиме , в Саваучи и на Сикоку . Аналогичные станции также развернуты на Тайване на острове Пэнху , а также в заповеднике Фушань на острове Тайвань. [45]
POLARIS — канадская исследовательская программа, изучающая структуру и динамику литосферы Земли и прогнозирующая движение грунта при землетрясениях . [46]
Солнечная энергия и молнии вызывают естественные изменения в магнитном поле Земли , вызывая электрические токи (известные как теллурические токи ) под поверхностью Земли. [47]
Различные породы, отложения и геологические структуры имеют широкий диапазон различной электропроводности . Измерение электрического сопротивления позволяет отличать друг от друга различные материалы и структуры и может улучшить знания о тектонических процессах и геологических структурах.
Естественно изменяющиеся электрические и магнитные поля Земли измеряются в широком диапазоне магнитотеллурических частот от 10 000 Гц до 0,0001 Гц (10 000 с). Эти поля обусловлены электрическими токами, текущими в Земле, и магнитными полями, которые индуцируют эти токи. Магнитные поля создаются в основном за счет взаимодействия солнечного ветра и магнитосферы . Кроме того, всемирная грозовая активность вызывает магнитные поля на частотах выше 1 Гц. В совокупности эти природные явления создают сильные сигналы источника МТ во всем спектре частот.
Отношение электрического поля к магнитному полю дает простую информацию о подповерхностной проводимости. Поскольку явление скин-эффекта влияет на электромагнитные поля , отношение в диапазонах более высоких частот дает информацию о неглубокой Земле, тогда как более глубокая информация предоставляется диапазоном низких частот. Отношение обычно представляется как кажущееся сопротивление как функция частоты, так и фаза как функция частоты.
Затем с использованием этого тензора создается модель удельного сопротивления подповерхности . [48]
Измерения МТ могут исследовать глубины от 300 м до сотен километров, хотя типичны исследования в диапазоне от 500 м до 10 000 м. Большая глубина требует измерения более низких частот, что, в свою очередь, требует более длительного времени записи. Очень глубокие, очень долгопериодные измерения (глубины от средней коры до верхней мантии ) могут потребовать записи от нескольких дней до недель или более для получения удовлетворительного качества данных.
Горизонтальное разрешение MT в основном зависит от расстояния между точками зондирования - более близкие точки зондирования увеличивают горизонтальное разрешение. Использовалось непрерывное профилирование (известное как Emap), с всего лишь метрами между краями каждого теллурического диполя.
Вертикальное разрешение МТ в основном зависит от измеряемой частоты, так как более низкие частоты имеют большую глубину проникновения. Соответственно, вертикальное разрешение уменьшается с увеличением глубины исследования.
Магнитные поля в диапазоне частот от 1 Гц до приблизительно 20 кГц являются частью аудиомагнитотеллурического (АМТ) диапазона. Они параллельны поверхности Земли и движутся к центру Земли. Этот большой частотный диапазон обеспечивает диапазон глубинного проникновения от нескольких метров до нескольких километров под поверхностью Земли. Из-за природы магнитотеллурического источника волны обычно колеблются по амплитуде. Для получения пригодных для использования показаний требуется длительное время записи из-за колебаний и низкой силы сигнала. Как правило, сигнал слаб между 1 и 5 кГц, что является критическим диапазоном для обнаружения верхних 100 м геологии. Магнитотеллурический метод также используется в морской среде для разведки углеводородов и литосферных исследований. [49] Из-за экранирующего эффекта электропроводящей морской воды пригодный верхний предел спектра составляет около 1 Гц.
Двумерные исследования состоят из продольного профиля зондирований МТ по интересующей территории, что позволяет получить двумерные «срезы» удельного сопротивления подповерхности.
Трехмерные исследования представляют собой свободную сетку зондирований МТЗ на интересующей территории, что позволяет получить более сложную трехмерную модель удельного сопротивления подземных пород.
Аудиомагнитотеллурические методы (АМТ) — это высокочастотный метод магнитотеллурических исследований для более мелких исследований. Хотя АМТ имеет меньшую глубину проникновения, чем МТ, измерения АМТ часто занимают всего около часа (но глубокие измерения АМТ в периоды низкой интенсивности сигнала могут занять до 24 часов) и используют более мелкие и легкие магнитные датчики. Транзиентный АМТ — это вариант АМТ, который записывает только временно в периоды более интенсивного естественного сигнала (транзиентные импульсы), улучшая отношение сигнал/шум за счет сильной линейной поляризации. [50]
Электромагнитный метод с контролируемым источником CSEM представляет собой глубоководный морской вариант аудиомагнитотеллурического метода с контролируемым источником; CSEM — это название, используемое в морской нефтегазовой промышленности. [51] Для разведки на суше в основном используется Lotem в России, Китае, США и Европе [52] [53]
Береговой CSEM / CSAMT может быть эффективным, когда электромагнитный культурный шум (например, линии электропередач, электрические ограждения) создает проблемы помех для геофизических методов с естественным источником. Через обширный заземленный провод (2 км или более) проходят токи в диапазоне частот (от 0,1 Гц до 100 кГц). Измеряются электрическое поле, параллельное источнику, и магнитное поле, которое находится под прямым углом. Затем рассчитывается удельное сопротивление, и чем ниже удельное сопротивление, тем больше вероятность наличия проводящей цели (графит, никелевая руда или железная руда). CSAMT также известен в нефтегазовой промышленности как наземный контролируемый источник электромагнитных волн (Onshore CSEM).
Оффшорный вариант МТ, морской магнитотеллурический (ММТ) метод, [54] [ нужна страница ] использует приборы и датчики в герметичных корпусах, размещаемых судном в мелководных прибрежных районах, где глубина воды менее 300 м. [6] [55] [56] [57] [58] Производным от ММТ является морское одноканальное измерение только вертикального магнитного поля (Гц, или «типпер»), что исключает необходимость в теллурических измерениях и горизонтальных магнитных измерениях. [59]
Разведочные съемки МТ проводятся для получения данных сопротивления, которые могут быть интерпретированы для создания модели недр. Данные собираются в каждом месте зондирования в течение определенного периода времени (обычны ночные зондирования), при этом физическое расстояние между зондированиями зависит от размера и геометрии цели, ограничений локального рельефа и финансовых затрат. Разведывательные съемки могут иметь интервалы в несколько километров, в то время как более детальная работа может иметь интервалы в 200 м или даже смежные зондирования (диполь-диполь).
Влияние МТ-разведки на безопасность, охрану труда и технику безопасности относительно невелико из-за легкого оборудования, естественных источников сигнала и меньших опасностей по сравнению с другими типами разведки (например, отсутствие буровых работ, взрывчатых веществ и сильных токов).
Remote Reference — это метод МТ, используемый для учета культурного электрического шума путем одновременного получения данных на более чем одной станции МТ. Это значительно улучшает качество данных и может позволить получение данных в областях, где естественный сигнал МТ трудно обнаружить из-за искусственных электромагнитных помех .
Типичный полный комплект оборудования МТ (для «пятикомпонентного» зондирования) состоит из приемного прибора с пятью датчиками : три магнитных датчика (обычно индукционные датчики) и два теллурических (электрических) датчика. Для исключительно длиннопериодного МТ (частоты ниже примерно 0,1 Гц) три дискретных широкополосных датчика магнитного поля могут быть заменены одним компактным трехосным феррозондовым магнитометром. Во многих ситуациях будут использоваться только теллурические датчики, а магнитные данные будут заимствованы из других близлежащих зондирований для снижения затрат на приобретение.
Полный комплект из пяти компонентов оборудования MT может переноситься в рюкзаке небольшой полевой группой (от 2 до 4 человек) или перевозиться легким вертолетом , что позволяет развертывать его в отдаленных и труднопроходимых районах. Большая часть оборудования MT способна надежно работать в широком диапазоне условий окружающей среды, с номинальными характеристиками от −25 °C до +55 °C, от сухой пустыни до высокой влажности (конденсации) и временного полного погружения.
Обработка после получения данных необходима для преобразования сырых данных временного ряда в инверсии на основе частот. Полученный вывод программы обработки используется в качестве входных данных для последующей интерпретации. Обработка может включать использование удаленных опорных данных или только локальных данных.
Обработанные данные МТ моделируются с использованием различных методов для создания карты удельного сопротивления подземных пластов, при этом более низкие частоты обычно соответствуют большей глубине под землей. Аномалии, такие как разломы , углеводороды и проводящая минерализация, проявляются как области более высокого или более низкого удельного сопротивления от окружающих структур. Различные программные пакеты используются для интерпретации (инверсии) магнитотеллурических данных, где кажущееся удельное сопротивление используется для создания модели подземных пластов.
Четыре компании поставляют большую часть коммерческого мирового рынка: одна в США (Zonge International, Inc. [60] ), одна в Канаде; (Phoenix Geophysics, Ltd. [61] ); одна в Германии (Metronix Messgeraete und Elektronik GmbH). [62] ) и одна в России (Vega Geophysics, LLC). [63]
Государственные учреждения и небольшие компании, производящие приборы МТ для внутреннего использования, включают Российскую академию наук (СПбФ ИЗМИРАН ) и Национальный институт космических исследований Украины .
{{cite journal}}
: Цитировать журнал требует |journal=
( помощь ){{cite web}}
: CS1 maint: архивная копия как заголовок ( ссылка )