Кіріспе
Электромагниттік геофизикалық техника
Магнитотеллурика (МТ) – Жер бетінде өлшенетін табиғи геомагниттік және геоэлектрлік өрістердің өзгерулері арқылы Жердің жер асты электр өткізгіштігін анықтауға арналған электромагниттік геофизикалық әдіс. Зерттеу тереңдігі жоғары жиіліктерді тіркеу арқылы жер астынан 100 м-ден бастап, ұзақ мерзімді зондаждар арқылы 200 км-ге дейін немесе одан да тереңге жетеді. 1940 жылдары Жапонияда, ал 1950 жылдардың басында Франция мен КСРО-да ұсынылған МТ қазір халықаралық ғылыми сала болып табылады және әлемнің түкпір-түкпіріндегі іздеу-барлау жұмыстарында қолданылады. Коммерциялық қолданысқа көмірсутектерді (мұнай және газ) іздеу, геотермалдық іздеу, көміртегінің тоқтатылуы, кен байлықтарын іздеу, сондай-ақ көмірсутектер мен жер асты суларын мониторингтеу кіреді. Ғылыми зерттеулерге МТ әдісін одан әрі дамыту мақсатындағы тәжірибелер, жер қыртысының тереңдігін ұзақ мерзімді зерттеу, терең мантияны зерттеу, мұз астындағы су ағындарын картографиялау және жер сілкінісінің алғышарттарын зерттеу жатады.
Тарих
Магнетотеллурлық техника 1948 жылы жапон ғалымдары (Хираяма, Рикитаке) тарапынан, 1950 жылы совет геофизигі Андрей Николаевич Тихонов және 1953 жылы француз геофизигі Луи Каньяр тәуелсіз түрде енгізілді. Құрал-жабдықтардың, өңдеудің және модельдеудің жетістіктеріне байланысты магнитотеллурика терең Жерді зерттеудегі ең маңызды құралдардың біріне айналды. 1950-ші жылдары алғаш рет құрылғаннан бері магнитотеллурлық сенсорлар, қабылдағыштар және деректерді өңдеу техникалары электрониканың жалпы бағыттарымен дамып, әр буынмен бірге арзандап, мүмкіндіктері арта түсті. МТ құралдары мен техникасының маңызды жетістіктеріне аналогтық жабдықтың цифрлыққа ауысуы, қашықтықтан анықтау, GPS уақытына негізделген синхронизация және 3D деректерді жинау мен өңдеу кіреді.
Көмірсутектерді барлау
Көмірсутектерді іздеуде МТ әдетте сәулелену сейсмологиясының негізгі әдісіне қосымша ретінде қолданылады. Сейсмикалық суреттеу жер асты құрылымын бейнелей алады, бірақ көмірсутектерге және көмірсутектер бар жатақтарға тән кедергі өзгерістерін анықтай алмайды. МТ жер асты құрылымдарындағы кедергінің өзгеруін анықтайды, бұл көмірсутектері бар және жоқ құрылымдарды ажыратуға мүмкіндік береді. Негізгі түсіндіру деңгейінде кедергі әртүрлі тау жыныстарымен байланысты. Жоғары жылдамдықты қабаттар әдетте жоғары кедергілі, ал кеуекті және өткізгіш шөгінділер әдетте кедергісі төмен болады. Жоғары жылдамдықты қабаттар акустикалық кедергі болып табылады және сейсмикалық толқындардың өтуіне кедергі келтіреді, бірақ олардың электр кедергісі магниттік сигналдың дерлік толық өтуін қамтамасыз етеді. Бұл МТ-ге осы акустикалық кедергі қабаттарының астында тереңге көруге мүмкіндік береді, сейсмикалық деректерді толықтырып, түсіндіруге көмектеседі. Өзбекстанда жүргізілген 3D МТ зерттеулерінің (32x32 торлы сондаулар) нәтижелері күрделі жер қойнауы геологиясы бар белгілі бір ірі газға толы жатақтың сейсмикалық картасын жасауға бағыт берді. Қытай Ұлттық мұнай корпорациясы (CNPC) және Nord West Ltd әлемдегі басқа мұнай компанияларына қарағанда құрлықтағы МТ әдісін жиі пайдаланады, көмірсутектерді іздеу және картаға түсіру үшін бүкіл әлемде мыңдаған МТ сондауларын жүргізеді.
Тау-кен өндіруді барлау
MT әр түрлі қара металдарды (мысалы, никель) және құнды металдарды іздеуге, сондай-ақ кимберлиттерді картаға түсіруге қолданылады. 1991 жылы Канаданың Онтарио штатындағы Садбериде INCO жүргізген концепциялық зерттеу 1750 метр тереңдіктегі никель кенін анықтады. 1996 жылы Falconbridge шамамен 800 м және 1350 м тереңдікте орналасқан екі Ni-Cu кендік зонасын дәл анықтаған техникалық-экономикалық негіздеме зерттеуін жүргізді. Осыдан бері, ірі және кіші тау-кен компаниялары MT және аудио магнитотеллуриканы (AMT) бұрыннан белгілі кен орындарына жақын (brownfields) және жаңа аймақтарды (greenfields) зерттеу үшін көбірек пайдалануда. Канадалық қалқан аймақтарында MT картасын жасау бойынша маңызды жұмыстар атқарылды. Кимберлиттерді анықтау арқылы алмазды іздеу де тиімді қолданыс болып табылады.
Геотермиялық барлау
МТ геотермалды барлау өлшемдері өнімді геотермалды құрылымдармен байланысты кедергі аномалияларын, оның ішінде жарықтар мен қақпақ тау жыныстарының болуын анықтауға және әртүрлі тереңдіктегі геотермалды резервуар температураларын бағалауға мүмкіндік береді. 1980 жылдардың басынан бері Жапония мен Филиппинде ондаған МТ геотермалды барлау жұмыстары жүргізілді, бұл Киушудағы Хатчобару электр стансасы және Лейтедегі Тогонанг электр стансасы сияқты жерлерде бірнеше жүз мегаватттық жаңартылатын энергияны анықтауға көмектесті. МТ әдісімен геотермалды барлау АҚШ, Исландия, Жаңа Зеландия, Венгрия, Эфиопия, Индонезия, Перу, Австралия және Үндістанда да кеңінен қолданылды.
Басқа
МТ сондай-ақ жер асты суларын іздеу және оларды картаға түсіру зерттеулері, көмірсутекті кен орындарын бақылау, жоғары кернеулі тұрақты ток (ЖЖҚТ) желілері үшін тау жыныстарының электрлік қасиеттерін 100 км тереңдікке дейін зерттеу, көмірқышқыл газын тоқтату және басқа да қоршаған ортаны қорғау саласындағы инженерлік қолданыстар (мысалы, ядролық жарылыс орындарын бақылау және ядролық қалдықтарды сақтау орындарын бақылау) үшін пайдаланылады.
Жер қабығы мен мантиясы
МТ Жердің құрамы мен температурасына өте сезімтал болғандықтан, Жердің мантиясы мен қабығындағы көптеген геологиялық құбылыстарды түсіну үшін кеңінен қолданылады. Оларға балқымалардың құрамы мен таралуын зерттеу, жарықтардың механикасын және жер сілкінісінің пайда болуын түсіну, сондай-ақ көптеген геодинамикалық процестерге байланысты терең литосфералық құрылым мен құрамын бейнелеу кіреді. Ірі зерттеулер АҚШ-та (мысалы, Ұлттық ғылым қорының EarthScope MT бағдарламасы және оның жалғасы NASA және USGS MTArray), Шығыс Тынық мұхитының тіктеп тұру аймағында, Австралияда (AusLAMP MT бағдарламасы), Оңтүстік Африкада (SAMTEX MT жобасы), Қытайда (Sinoprobe жобасының бір бөлігі) және Тибет жотасында жүргізілді.
Жер сілкінісін алдын ала болжау
МТ сигналының өзгерулері сейсмикалық оқиғалардың басталуын болжауға мүмкіндік береді. 1996 жылдың сәуірінен бастап Жапонияда МТ мониторингінің тұрақты жүйелері орнатылды, олар Вакуя станциясында (бұрын Мизусава геодезиялық обсерваториясында) және Жапония Географиялық зерттеу институтының (GSIJ) Эсаши станциясында МТ сигналдарын үздіксіз тіркеп отырады. Бұл станциялар жердің электромагниттік өрісінің сейсмикалық активтілікке сәйкес келетін өзгерулерін өлшеуге арналған. Осы мониторинг станцияларынан алынған шиналы геофизикалық уақыт қатары деректері ғылыми қауымға тегін қолжетімді, бұл электромагниттік құбылыстар мен жер сілкінісінің арақатынасын одан әрі зерттеуге мүмкіндік береді. Жапониядағы жер сілкінісін алдын ала бақылаудың қосымша станциялары Кагосимада, Саваучиде және Сикоку аралында орналасқан. Ұқсас станциялар Тайваньда Пэнху аралында, сондай-ақ Тайвань аралындағы Фушань қорығында да орналастырылған. POLARIS – Жердің литосферасының құрылымын және динамикасын, сондай-ақ жер сілкінісінің жер қозғалысын болжауды зерттейтін канадалық ғылыми-зерттеу бағдарламасы.
Энергия көздері
Күн энергиясы мен найзағайлар Жердің магнит өрісінің табиғи өзгеруіне себепші болып, Жердің астында электр тоқтарын (теллурлік тоқтар деп аталады) тудырады. Әр түрлі тау жыныстары, шөгінділер және геологиялық құрылымдар әртүрлі электр өткізгіштігіне ие. Электрлік кедергіні өлшеу әртүрлі материалдар мен құрылымдарды бір-бірінен ажыратуға мүмкіндік береді және тектоникалық процестер мен геологиялық құрылымдар туралы білімді жетілдіруге көмектеседі. Жердің табиғи түрде өзгеретін электр және магнит өрістері 10,000 Гц-тен 0.0001 Гц-ке дейінгі (10,000 секунд) магнитотеллурлік жиіліктердің кең диапазонында өлшенеді. Бұл өрістер Жерде ағып жатқан электр тоқтарынан және осы тоқтарды тудыратын магнит өрістерінен пайда болады. Магнит өрістері негізінен күннің желi мен магнитосфераның өзара әрекеттесуінен туындайды. Сонымен қатар, дүние жүзіндегі найзағай белсенділігі 1 Гц-тен жоғары жиіліктерде магнит өрістерін тудырады. Бұл табиғи құбылыстардың барлығы бірігіп, бүкіл жиілік спектрінде күшті МТ-сигналдарын жасайды. Электр өрісінің магнит өрісіне қатынасы жер астының өткізгіштігі туралы қарапайым ақпаратты ұсынады. Электромагниттік өрістерге "тері әсері" құбылысының әсерінен, жоғары жиілік диапазонындағы қатынас жер бетіне жақын қабаттар туралы, ал төменгі жиілік диапазоны терең қабаттар туралы ақпарат береді. Бұл қатынас көбінесе жиіліктің функциясы ретінде көрінетін кедергі және фаза түрінде көрсетіледі. Осы тензорды қолдана отырып, жер астының кедергілік моделі құрылады.
Тереңдік және ажырату қабілеті
МТ өлшеулері шамамен 300 м тереңдіктен бастап жүздеген километрге дейін зерттеуге мүмкіндік береді, бірақ көбінесе 500 м мен 10 000 м аралығындағы зерттеулер жүргізіледі. Қанша тереңге түскім келсе, сонша төмен жиілікті өлшеу қажет, ал бұл өз кезегінде ұзақ жазу уақытын талап етеді. Өте терең, өте ұзақ мерзімді өлшеулер (ортаңғы қыртыс арқылы жоғарғы мантия тереңдіктері) қанағаттанарлық дерек сапасын алу үшін бірнеше күннен бірнеше аптаға дейін, тіпті одан да ұзақ уақыт жазуды қажет етуі мүмкін. МТ-ның көлденең ажыратымдылығы негізінен сондау пункттері арасындағы қашықтыққа байланысты – сондау пункттеріне қанша жақын болса, көлденең ажыратымдылық сонша жоғары болады. Ұзындығы бірнеше метр болатын тельрикалық дипольдердің шеттері арасындағы үздіксіз профильдеу (Emap деп аталады) қолданылған. МТ-ның тік ажыратымдылығы негізінен өлшенетін жиілікке байланысты, себебі төмен жиіліктер тереңірек енуге қабілетті. Сәйкесінше, зерттеу тереңдігі артқан сайын тік ажыратымдылық төмендейді.
Сигналдың беріктігі және жазу уақыты
1 Гц-тен шамамен 20 кГц-ке дейінгі жиілік диапазонындағы магниттік өрістер аудиомагнитотеллурикалық (АМТ) диапазонына жатады. Олар Жер бетіне параллель және Жердің орталығына қарай бағытталған. Бұл кең жиілік жолағы Жер бетінен бірнеше метрден бірнеше километрге дейін тереңдікке енуге мүмкіндік береді. Магнитотеллурикалық көздің сипатына байланысты толқындардың амплитудасы әдетте өзгереді. Сигналдың күші әлсіздігі мен ауытқуларына байланысты пайдалы мәліметтер алу үшін ұзақ уақыт жазу қажет. Әдетте, 1 және 5 кГц аралығында сигнал әлсіз болады, бұл геологияның жоғарғы 100 м-ін анықтау үшін өте маңызды диапазон. Магнитотеллурикалық әдіс теңіз жағдайында да көмірсутектерді іздеу және литосфераны зерттеу үшін қолданылады. Электр өткізгіш теңіз суының әсерінен спектрдің жоғарғы шегі шамамен 1 Гц құрайды.
2D және 3D магнитотеллурика
Екі өлшемді зерттеулер қызығушылық таңдалған аймақ бойынша МТ зондаждарының бойлық профилінен тұрады, бұл жер астының кедергісінің екі өлшемді "қималарын" ұсынады. Үш өлшемді зерттеулер қызығушылық таңдалған аймақ бойынша МТ зондаждарының еркін торлы жүйесінен тұрады, бұл жер астының кедергісінің күрделі үш өлшемді моделін ұсынады.
Аудио-магниттік-теллурика
Аудиомагнетотеллурика (АМТ) – беткі зерттеулерге арналған жоғары жиілікті магнитотеллурикалық әдіс. АМТ, магнитотеллурикалық (МТ) әдісіне қарағанда аз тереңдікке енсе де, АМТ өлшемдерін жүргізу көбінесе бір сағатқа жуық уақыт алады (бірақ сигналдың әлсіз кезеңдеріндегі терең АМТ өлшемдері 24 сағатқа дейін созылуы мүмкін) және кішірек, жеңіл магниттік сенсорларды пайдаланады. Уақытша АМТ – АМТ-ның бір түрі, ол күшті табиғи сигнал кезінде (уақытша импульстар) ғана жазба жасап, күшті сызықтық поляризацияның құрбаны болғанмен сигнал-шу қатынасын жақсартады.
Бақыланатын көз электромагниттік
CSEM басқарылатын көз электромагниттік – бұл басқарылатын көздік аудио магнитотеллуриканың терең су оффшорлық түрі; CSEM – оффшорлық мұнай және газ өнеркәсібінде қолданылатын атау. Ал құрлықтағы барлау үшін көбінесе ЛОТЕМ Ресей, Қытай, АҚШ және Еуропада қолданылады.
Құрлықтағы CSEM / CSAMT электромагниттік мәдени шудың (мысалы, электр желілері, электр қоршаулары) табиғи геофизикалық әдістерге кедергі келтіретін жағдайларда тиімді болуы мүмкін. 2 км немесе одан да ұзын кең жерленген сым арқылы 0,1 Гц-тен 100 кГц-ға дейінгі жиілік диапазонында токтар жіберіледі. Көзбен параллель электр өрісі және оған перпендикуляр магнит өрісі өлшенеді. Содан кейін кедергілік есептеледі, кедергілік неғұрлым төмен болса, өткізгіш нысананың (графит, никель кені немесе темір кені) болу ықтималдығы соғұрлым жоғары. CSAMT мұнай және газ өнеркәсібінде құрлықтағы басқарылатын электромагниттік көздер (Onshore CSEM) деп те аталады. MT-ның теңіздегі нұсқасы – теңіздегі магнитотеллурикалық (MMT) әдісі, ол 300 метрден кем тереңдіктегі жағалау аймақтарына кемемен орналастырылған қысым корпустарындағы құралдар мен сенсорларды пайдаланады. MMT-ның туындысы – тек тік магнит өрісін (Hz немесе "типер") өлшейтін оффшорлық бір арналы өлшеу құралы, ол тельлуралық және көлденең магниттік өлшеулерді қажет етпейді.
Барлау зерттеулері
MT барлау зерттеулері жер асты моделін жасау үшін интерпретацияланатын кедергілік деректерін алу мақсатымен жүргізіледі. Деректер әрбір өлшемдік нүктеде белгілі бір уақыт бойы жиналады (түндегі өлшемдер жиі қолданылады), өлшемдер арасындағы физикалық арақашықтық ізделіп отырған нысанның мөлшері мен геометриясына, жергілікті жердің ерекшеліктеріне және қаржылық мүмкіндіктерге байланысты болады. Алдын ала зерттеулерде арақашықтық бірнеше километрге жете алады, ал толыққанды зерттеулерде 200 метрге дейін қысқарады, тіпті жақын орналасқан өлшемдер (диполь-диполь конфигурациясы) де қолданылуы мүмкін. MT барлаудың HSE әсері салыстырмалы түрде төмен, себебі жабдықтар жеңіл, сигнал көздері табиғи және басқа барлау түрлерімен салыстырғанда қауіп-қатер азайтылған (мысалы, бұрғылау, жарылғыш заттар мен күшті ток қолданылмайды).
Қашықтан референттік сондау
Қашық сілтеме – бірнеше МТ стансасында бір уақытта деректер жинау арқылы мәдени электр шуын ескеретін МТ техникасы. Бұл дерек сапасын едәуір арттырады және адам жасаған электромагниттік (ЭМ) кедергілерге байланысты табиғи МТ сигналын анықтау қиын аймақтарда өлшеу жүргізуге мүмкіндік береді.
Жабдық
Типикалық толық МТ жабдықтары жиынтығы ("бес компонентті зондтау") бес сенсорлы қабылдағыш құралдан тұрады: үш магниттік сенсор (әдетте индукциялық катушка сенсорлары) және екі теллурикалық (электрлік) сенсор. Егер ұзақ толқынды МТ зондтау (жиілігі шамамен 0,1 Гц-тен төмен) жүргізілсе, үш дискретті кең жолақты магниттік өріс сенсорының орнына бір ықшам үш осьті флюсгейт магнитометрін қолдануға болады. Көп жағдайда тек теллурикалық сенсорлар ғана пайдаланылады, ал сатып алу құнын төмендету үшін жақын жердегі басқа зондтаулардан алынған магниттік деректер қолданылады. МТ жабдықтарының толық бес компонентті жиынтығын шағын далалық топ (2-ден 4 адамға дейін) немесе жеңіл тікұшақпен тасымалдауға болады, бұл қашық және қиын өңірлерде орналасуға мүмкіндік береді. Көптеген МТ жабдықтары кең ауқымды қоршаған орта жағдайларында сенімді жұмыс істей алады, әдетте -25 °C-тан +55 °C-қа дейін, құрғақ шөлден жоғары ылғалдылыққа (конденсатқа) және уақытша толық суға батыруға дейін.
Деректерді өңдеу және түсіндіру
Қолданылған деректерді жиілік негізінде инверсияға түрлендіру үшін сатып алынғаннан кейінгі өңдеу қажет. Өңдеу бағдарламасының нәтижесі келесі интерпретация үшін кіріс ретінде пайдаланылады. Өңдеу қашықтықтан алынған деректерді немесе тек жергілікті деректерді қолдануды қамти алады. Өңделген МТ деректері жер астының кедергілік картасын жасау үшін әртүрлі техникалармен модельдендіріледі, мұнда төменгі жиіліктер көбінесе жер астындағы үлкен тереңдіктерге сәйкес келеді. Жарықтар, көмірсутектер және өткізгіш минералдану сияқты аномалиялар айналадағы құрылымдардан жоғары немесе төмен кедергілі аймақтар ретінде көрінеді. Магниттеллурикалық деректерді интерпретациялау (инверсиялау) үшін әртүрлі бағдарламалық пакеттер қолданылады, онда жер асты моделін жасау үшін көрінетін кедергі пайдаланылады.
Құрал-саймандар мен сенсорлар өндірушілері
Дүниежүзілік коммерциялық нарықтың басым бөлігін төрт компания қамтамасыз етеді: АҚШ-тағы біреуі (Zonge International, Inc.), Канададағы біреуі (Phoenix Geophysics, Ltd.); Германиядағы біреуі (Metronix Messgeraete und Elektronik GmbH) және Ресейдегі біреуі (Vega Geophysics, LLC). Ішкі қолдану үшін МТ құралдарын өндіретін мемлекеттік мекемелер мен шағын компаниялар қатарында Ресей Ғылым академиясы (SPbF IZMIRAN) және Украинаның Ұлттық ғарыш зерттеу институты бар.