Методы магнитотеллурического зондирования (МТЗ) и профилирования (МТП) основаны на изучении естественного переменного электромагнитного поля Земли, имеющего космическое происхождение. Методы МТЗ и МТП применяются при исследовании рельефа поверхности высокоомных и низкоомных геоэлектрических горизонтов на глубинах от 1 до 10 км и более.

Магнитотеллурические зондирования представляют собой разновидность электромагнитных зондирований, основанную на регистрации колебаний магнитотеллурического поля в широком диапазоне периодов (от долей сек до нескольких часов и суток). Глубина зондирования благодаря скин-эффекту определяется периодом регистрируемых колебаний.

Информацию о строении разреза несут горизонтальные компоненты электрического и магнитного полей, измеряемые на поверхности Земли. По их отношению вычисляется входной импеданс среды 

Зависимость импеданса от периода колебаний изображают в виде амплитудных и фазовых кривых МТЗ, являющихся частотными характеристиками изучаемого разреза. В случае горизонтально-слоистой среды (ГСС) входной импеданс связан с параметрами среды следующим образом  где h_i - мощность i-слоя, r_i  - его сопротивление, а k_i - волновое число.

Амплитудные и фазовые кривые зондирования в случае ГСС отражают изменение сопротивления горных пород с глубиной. При построении амплитудных кривых используют величину кажущегося (или эффективного) сопротивления. В практических единицах: Кривые r_T МТЗ, как и r_K ВЭЗ, строят на бланках с двойным логарифмическим масштабом. Для экспериментальных кривых по оси ординат откладывают r_T, а по оси абсцисс . Для теоретических кривых по оси ординат откладывают r_T/r₁, а по оси абсцисс l₁/h₁, где - длина волны в первом слое.

Магнитотеллурическое профилирование (МТП), в отличие от МТЗ изучает вариации естественных полей в небольшом диапазоне периодов (обычно от 10 до 80 сек). Этот диапазон относится к наиболее регулярной во времени и пространстве части спектра. Если МТП в узком диапазоне периодов соответствует асимптотическим значениям кривой МТЗ, то из МТП можно получить информацию о таких параметрах разреза, как суммарная продольная проводимость S (при высокоомном опорном горизонте) или суммарная мощность Н (при низкоомном опорном горизонте). Изучая поле в узком диапазоне периодов можно резко сократить время наблюдения вариаций, сгустить сеть полевых точек. При комплексировании МТП с МТЗ в благоприятных условиях удается получить важные количественные характеристики разреза, свойственные МТЗ, и высокую детальность исследований по профилю, свойственную МТП.

[В начало пункта]    [В начало]

Интерпретация кривых МТЗ - обзор подходов

Методика интерпретации кривых МТЗ сначала была разработана для горизонтально-слоистых сред. Практические кривые МТЗ, полученные в условиях горизонтально-неоднородных сред, отличаются от кривых для ГСС. Эти отличия называются искажениями кривых МТЗ. При интерпретации полевых данных, неизбежно приходится иметь дело с искаженными кривыми, и процент таких кривых может быть довольно высок. Однако вопросы выявления и анализа искажений, качественной и количественной интерпретации искаженных кривых выходят за пределы данной задачи.

Количественную интерпретацию кривых МТЗ в рамках модели ГСС выполняют с помощью следующих способов: 1) асимптотических; 2) алгебраических или дифференциальных трансформаций; 3) палеточных (см. рисунок); 4) по координатам экстремальных точек; 5) методом подбора на ЭВМ.

Идея первого способа состоит в том, что в случае опорного горизонта высокого удельного сопротивления кривая r_T имеет восходящую ветвь, наклоненную под 63њ. Проводя касательную к этой асимптоте по пересечению этой асимптоты с горизонтальными линиями r_T=10 или r_T=1, можно определить величину суммарной продольной проводимости S до высокоомного основания разреза.

Идея второго способа состоит в преобразовании кривой  в кривую, как можно более близкую к r_ИСТИН=f (H_ИСТИН) или S_ИСТИН = f (H_ИСТИН).

В основе третьего способа лежит графическое совмещение практических кривых МТЗ с теоретическими кривыми.. Многослойные кривые интерпретируют по частям, используя принцип эквивалентных замен. Практические результаты интерпретации могут быть получены в пределах действия принципа эквивалентности. Эти пределы практической неоднозначности в оценке параметров промежуточных слоев могут быть определены с помощью номограмм эквивалентности Б.К.Матвеева. Установлено, что на переменном токе принцип эквивалентности проявляется в более узких пределах, чем на постоянном токе. Кроме того, для разрезов типа K и Q вместо принципа эквивалентности по Т₂ на переменном токе действует эквивалентность по h₂, то есть значение сопротивления промежуточного высокоомного слоя почти не влияет на оценку мощности этого слоя.

Четвертый способ интерпретации основан на теоретических и экспериментальных связях координат характерных точек кривых МТЗ с параметрами разреза. Подробнее он будет рассмотрен ниже.

Интерпретация на ЭВМ наиболее распространена в настоящее время. С помощью ЭВМ параметры геоэлектрического разреза находятся путем минимизации функционала невязки:  характеризующего среднеквадратичное отклонение экспериментальной кривой r_T от модельной кривой r_Tq. Минимизацию выполняют, корректируя параметры модели q. Начальные значения q (нулевое приближение) выбирают с использованием имеющейся геолого-геофизической информации.

[В начало пункта]    [В начало]
 

    Определение S по МТЗ
    Определение удельного сопротивления опорного горизонта
    Определение среднего продольного сопротивления надопорной толщи
    Определение суммарной мощности надопорной толщи
    Мощность первого слоя высокого сопротивления
    [В начало]

Эти способы интерпретации считаются наиболее простыми. Наиболее приемлемы они на разрезах типа Н с проводящим вторым слоем и непроводящим основанием. В этом случае интерпретация состоит из следующих этапов:

1. Определение суммарной продольной проводимости S надопорной толщи.

2. Определение удельного сопротивления опорного горизонта и периодов Т_МИН соответствующих минимуму кривых r_Т.

3. Уточнение границ главного и дополнительного интервалов МТП.

4. В благоприятных условиях по минимуму кривых r_Т определяется среднее продольное сопротивление r_L надопорной толщи.

5. Определение суммарной мощности надопорной толщи.

 
Определение S по МТЗ.

Наиболее просто величина S определяется по восходящей ветви кривых r_Т, если она наклонена к оси абсцисс под углом 63њ (r_N=?). В этом случае:  или , где  и  - абсциссы точки пересечения линии S с линиями r_Т=1 Омћм и r_Т=10 Омћм. Если интерпретируемая кривая МТЗ имеет четкий минимум, то величина S может быть приближенно оценена как , (T_мин, r_мин) - координаты точки минимума кривой МТЗ

[В начало пункта]

Определение удельного сопротивления опорного горизонта.

Если восходящая ветвь кривой r_Т наклонена к оси абсцисс под углом 63њ, то полагают, что r_N=?. При меньших углах наклона восходящей ветви величину r_N оценивают путем количественной интерпретации.

[В начало пункта]

Определение среднего продольного сопротивления r_L надопорной толщи.

В благоприятных условиях r_L может быть определено по ординате минимума кривой МТЗ r_L=Pr_мин, где P - коэффициент, зависящий от соотношения параметров разреза (таблица ниже).

В случае трехслойного разреза типа H может быть предложена более точная формула , которая применима при известном r₂. Значения q=1.2 при n₂=1-2 и q=1.15 при n₂>2.

Если на части кривых минимум не выражен, величина r_L может быть определена по корреляционной связи между нею и S (по графику, представляющему зависимость r_L(S)). Формула Гуммеля говорит о линейной связи между этим величинами. Вместе с тем из-за логнормального распределения, которое, как известно, характерно для величин, применяемых в электроразведке, вполне возможен какой-то вариант линейной связи между логарифмами этих величин. Такую связь следует опробовать, если предположение о линейной связи r_L(S) приводит к противоречию с геологическими данными и здравым смыслом [Возврат к МТП].

[В начало пункта]

Определение суммарной мощности H надопорной толщи.

В случае опорного горизонта (основания разреза) высокого сопротивления, суммарная мощность надопорной толщи определяется по формуле Гуммеля (размерность - метры). Для определения H (размерность - километры) используются также приближенные формулы Т.Н.Завадской или Г.Д.Цекова , где r₂ - сопротивление второго слоя в разрезе типа H, а С - коэффициент, зависящий от n₂ и m₂: при n?4, С=1, при n₂<4, 1<C<2.2.

[В начало пункта]

Мощность 1-го слоя высокого сопротивления

В разрезах типа H (и А) эту величину находят по ниспадающей ветви кривой МТЗ. Если сопротивление подстилающего (2-го) проводящего слоя равно 0, то: , где  - абсцисса и ордината любой точки на ниспадающей под 63њ амплитудной кривой МТЗ. В случае более пологой нисходящей ветви (r₂ не равно 0), мощность 1-го слоя можно оценить по двухточечной формуле Б. К. Матвеева: 
[В начало пункта]
 

    Главная формула МТП
    Дополнительная формула МТП
    Глубина залегания опорного горизонта
Результаты МТП обычно представляют в виде совокупности значений импедансов Z или r_T в некотором интервале периодов. В МТП этот интервал значительно уже (от 10 до 80 сек), чем в МТЗ.

Наибольшее применение МТП находит при изучении разрезов с высокоомным опорным горизонтом (трехслойные разрезы типа Н и A, или многослойные, сводящиеся к разрезам типа Н и A), когда сопротивление основания значительно превосходит среднее продольное сопротивление надопорной толщи.

В этом случае основным параметром, получаемым в результате интерпретации МТП является суммарная продольная проводимость S, определяемая по главной формуле МТП  или  (последнее - при непроводящем основании). Значение r_N при необходимости определяется по опорным МТЗ. Главная формула МТП обеспечивает точность определения S не хуже 10% в интервале периодов, существенно превышающих Т_мин, а именно T/T_MIN?2.3, то есть если период, на котором выполняются измерения МТП, лежит в области правой асимптоты кривой МТЗ.

Кроме главной формулы иногда используется дополнительная формула МТП  (при непроводящем основании), по которой величину S можно определить при Т_МТП близком к Т_мин. Формула применима (см. рисунок) если 1<T/T_мин<4.

По значениям S_МТП строят графики и карты, дающие представление о тектонике исследуемого района. В случае высокоомного основания максимумы S отвечают прогибам фундамента, а минимумы S - поднятиям.

Чтобы определить участки профиля, на которых следует использовать ту или иную формулу, можно построить по данным МТЗ на том же профиле график изменения отношения T/T_мин по профилю.

Зная среднее продольное сопротивление надопорной толщи и закономерности его изменения на изучаемой площади, можно определить глубины залегания опорного горизонта (для разрезов типа Н и А) в каждой точке МТП по формуле Гуммеля. Информацию о r_L и его изменениях по площади получают из опорных МТЗ, или из структурных скважин или данных сейсморазведки (в последних случаях определяется r_L по известному Н и измеренному S) с использованием корреляционной связи между r_L и S (см. раздел 'Интерпретация данных МТЗ'). Кроме того, для определения Н можно по данным МТЗ непосредственно установить корреляционную связь между Н и S. Эта связь будет, скорее всего, линейной (см., впрочем, замечания о связи r_L и S в разделе 'Интерпретация данных МТЗ').

[В начало пункта]    [В начало]

Пример интерпретации данных МТЗ/МТП

В платформенном районе проведены рекогносцировочные исследования методами МТЗ и МТП с целью прослеживания кровли палеозойского фундамента. Получено 5 точек МТЗ, отстоящих друг от друга на 50 км по профилю, ориентированному с запада на восток. В промежутках между МТЗ с шагом 10 км выполнено 16 точек МТП на периоде Т=80 с ().

На пикете 50 профиля МТЗ/МТП расположена опорная скважина, разрез по данным бурения и каротажа - трехслойный, первый слой мощностью 1 км представлен известняками и песчаниками с удельным сопротивлением 32 Омћм, второй - толщей переслаивания песков и глин, насыщенной минерализованными водами, мощностью 2 км, удельным сопротивлением 2 Омћм, а третий - высокоомными (более 1000 Омћм) метаморфизованными породами палеозойского фундамента. На основе геологических сведений о строении разреза можно предполагать, что мощность первого слоя и сопротивления слоев в разрезе выдержаны в пределах профиля.

Кривые МТЗ и график импеданса МТП представлены на рисунке. Интерпретация кривых МТЗ проводится по асимптотам и характерным точкам. (заметим, что эти кривые НЕ могут быть подобраны в рамках горизонтально-слоистой модели).

Все кривые имеют тип Н с выраженной правой асимптотой, составляющей угол 63њ с осью периодов. Поэтому сопротивление основания разреза можно считать бесконечно большим.

Суммарная продольная проводимость определяется по периоду пересечения правой асимптоты с уровнем r_Т=10 Омћм. Для определения среднего продольного сопротивления на точках 100, 150, 200, имеющих выраженный минимум, используются координаты этого минимума. На точке 50 для этого используются данные по скважине. Расчет сделан по формуле для известного по данным бурения r₂=2 Омћм. На точке 0 минимума нет, поэтому для нее среднее продольное сопротивление устанавливается по линейной регрессии r_L(S)=2.404ћ10^-3ћS+0.721, полученной по соответствующему графику.

Мощность надопорной толщи определена по формуле Гуммеля.

Мощность первого слоя может быть установлена по кривым на точках 150 и 200, имеющим наиболее выраженные минимумы, с применением двухточечной формулы Матвеева. На пикете 50 мощность первого слоя известна по данным бурения. На пикетах 0 и 100 мощность первого слоя принята равной среднему по известным значениям.

[В начало пункта]    [Далее]

Оценка глубины кровли основания разреза (мощности надопорной толщи) выполнена по линейной регрессии Н(S)=7.635ћS-3901, полученной по графику Н(S) по результатам интерпретации данных МТЗ.

По результатам интерпретации данных МТЗ/МТП получен трехслойный геоэлектрический разрез.

В основании разреза залегают метаморфические породы удельным сопротивлением свыше 1000 Омћм. Кровля основания падает с запада на восток от глубины около 1 км до глубины 15 км. На фрагменте 40-100 имеется сводообразное поднятие кровли от глубины 6-7 км на краях фрагмента до глубины 3-3.5 км на пикетах 60-70. Незначительное поднятие отмечается также на пикетах 140-150 (только по данным МТП).

На основании залегает песчано-глинистый слой удельным сопротивлением 2 Омћм. Низкое сопротивление объясняется насыщенностью пород слоя минерализованной водой. Мощность слоя изменяется от сотен метров на западе до 13-14 км на востоке. На фрагменте 40-100 (поднятие кровли основания) мощность слоя сокращается от 4-6 км по краям до 2-2.5 км в середине фрагмента над самым поднятым участком кровли.

С поверхности разрез перекрыт слоем известняков и песчаников сопротивлением 32 Омћм мощностью 1-1.5 км.

[В начало пункта]    [В начало]

1.  Построить кривые МТЗ и график импеданса МТП по профилю.

2.  Определить S надопорной толщи.

3.  Определить r_L по кривой у скважины.

4.  Определитьr_L по кривым с выраженным минимумом. Значение r₂ взять по скважине.

5.  Определить зависимость r_L от S , определить по ней r_L для кривой МТЗ без минимума.

6.  Определить суммарную мощность надопорной толщи по формуле Гуммеля.

7.  Оценить h₁ по кривым с выраженной левой ниспадающей ветвью h₁ по формуле Матвеева

8.  Построить график Т_МТП/Т_мин> по профилю, установить интервалы применения формул МТП, оценить S по данным МТП, построить график S по профилю.

9.   По рассчитанным S определить одним из способов мощность надопорной толщи.

10. Построить геоэлектрический разрез по результатам интерпретации.

Графика - кривые МТЗ, графики импеданса и S по МТП, графики, использованные для установления связей между величинами, геоэлектрический разрез.

Пояснительная записка.