Введение

Электромагнитный геофизический метод

Магнитотеллурика (МТ) – это электромагнитный геофизический метод, позволяющий определять электрическую проводимость недр Земли на основе измерений естественных геомагнитных и геоэлектрических вариаций поля на поверхности Земли. Глубина исследования варьируется от 100 м под поверхностью при регистрации высоких частот до 200 км и более при использовании длительных зондирований. Метод был предложен в Японии в 1940-х годах, а также во Франции и СССР в начале 1950-х годов. В настоящее время МТ является международной научной дисциплиной и широко используется в геологоразведочных работах по всему миру. Коммерческие применения включают разведку углеводородов (нефти и газа), геотермальную разведку, секвестрацию углерода, минеральную разведку, а также мониторинг углеводородов и подземных вод. Исследовательские применения включают эксперименты по дальнейшему развитию метода МТ, глубокое изучение коры Земли на больших глубинах, зондирование мантии, картирование потоков подледниковых вод и исследования, направленные на выявление предвестников землетрясений.

История

Магнитотеллурический метод был разработан независимо японскими учеными в 1948 году (Хираяма, Рикитаке), советским геофизиком Андреем Николаевичем Тихоновым в 1950 году и французским геофизиком Луи Каньяром в 1953 году. Благодаря усовершенствованию приборного оснащения, методов обработки и моделирования, магнитотеллурика стала одним из важнейших инструментов в исследованиях глубокого строения Земли. С момента появления в 1950-х годах магнитотеллурические датчики, приемники и методы обработки данных развивались в соответствии с общими тенденциями в электронике, становясь с каждым поколением дешевле и производительнее. К значительным достижениям в области приборного оснащения и методики МТ относятся переход от аналоговой к цифровой аппаратуры, внедрение удаленного опорного измерения, синхронизация по времени GPS и трехмерное получение и обработка данных.

Разведка углеводородов

Для разведки углеводородов магнитотеллурический метод (МТ) используется главным образом как дополнение к основной методике – отраженной сейсморазведке. В то время как сейсмическая съемка позволяет визуализировать структуру недр, она не способна выявлять изменения электрического сопротивления, связанные с углеводородами и нефтегазоносными пластами. МТ, напротив, регистрирует вариации сопротивления в подземных структурах, что позволяет различать пласты, содержащие углеводороды, и пустые. На базовом уровне интерпретации сопротивление коррелирует с различными типами горных пород. Высокоскоростные слои обычно характеризуются высоким сопротивлением, а осадочные породы – пористые и проницаемые – как правило, имеют значительно меньшее сопротивление. В то время как высокоскоростные слои являются акустическим барьером, делающим сейсмическую разведку неэффективной, их электрическое сопротивление обеспечивает почти беспрепятственное прохождение магнитотеллурического сигнала. Это позволяет МТ исследовать глубинные слои под этими акустическими барьерами, дополняя сейсмические данные и способствуя их интерпретации. Результаты 3D МТ-съемки в Узбекистане (сетка зондирований 32 x 32) послужили основой для дальнейшей сейсмической картографии крупного известного газоносного месторождения со сложной геологической структурой. Китайская национальная нефтяная корпорация (CNPC) и Nord West Ltd используют наземный МТ в большем объеме, чем любая другая нефтяная компания в мире, выполняя тысячи МТ-зондирований для разведки и картирования углеводородов по всему земному шару.

Разведка горных месторождений

МТ используется для разведки различных основных металлов (например, никеля) и благородных металлов, а также для картирования кимберлитов. В 1991 году INCO провела подтверждающее исследование в Садбери, провинция Онтарио, Канада, в результате которого было обнаружено никелевое месторождение на глубине 1750 метров. Компания Falconbridge последовала за этим, проведя в 1996 году исследование технической осуществимости, которое точно локализовало две Ni-Cu минерализованные зоны на глубинах около 800 м и 1350 м. С тех пор крупные и небольшие горнодобывающие компании все чаще используют МТ и аудиомагнетотеллурику (АМТ) для разведки как на уже известных месторождениях (brownfields), так и на новых, неразведанных территориях (greenfields). Значительные работы по картированию с использованием МТ были выполнены в районах Канадского щита. Обнаружение кимберлитов для целей алмазной разведки также является хорошо зарекомендовавшим себя применением.

Геотермальная разведка

МТ геотермальные исследования позволяют выявлять аномалии удельного электрического сопротивления, связанные с продуктивными геотермальными структурами, включая разломы и наличие покрывающих пород, а также оценивать температуру геотермального пласта на различных глубинах. С начала 1980-х годов десятки МТ геотермальных исследований были проведены в Японии и на Филиппинах, что позволило определить потенциал в несколько сотен мегаватт возобновляемой энергии в таких местах, как электростанция Хатчобару на Кюсю и электростанция Тогонанг на Лейте. Геотермальные исследования с использованием МТ также широко проводились в Соединенных Штатах, Исландии, Новой Зеландии, Венгрии, Эфиопии, Индонезии, Перу, Австралии и Индии.

Другое

МТ также используется для поиска и картографирования подземных вод, мониторинга нефтегазовых пластов, глубокого зондирования (до 100 км) электрических свойств коренных пород для систем передачи электроэнергии постоянного тока высокого напряжения (HVDC), секвестрации углекислого газа, а также в других областях экологической инженерии (например, для мониторинга мест ядерных взрывов и полигонов захоронения радиоактивных отходов).

Кора и мантия

Поскольку магнитотеллурический метод (МТ) высокочувствителен к составу и температуре Земли, он широко используется для изучения многочисленных геологических явлений в мантии и земной коре. К ним относятся исследование состава и распределения расплавов, понимание механики разломов и механизмов возникновения землетрясений, визуализация глубокой литосферной структуры и состава, что позволяет связать их со многими геодинамическими процессами. Крупномасштабные исследования проводились в сопределенных штатах США (например, программа EarthScope MT Национального научного фонда и ее преемник, программы MTArray NASA и USGS), в районе Восточно-Тихоокеанского поднятия, в Австралии (программа AusLAMP MT), в Южной Африке (проект SAMTEX MT), в Китае (в рамках проекта Sinoprobe) и на Тибетском плато.

Прогноз предшественников землетрясений

Колебания в сигнале МТ могут предсказывать начало сейсмических событий. Стационарные системы мониторинга МТ были установлены в Японии с апреля 1996 года, обеспечивая непрерывную запись сигналов МТ на станции Вакуя (ранее на геодезической обсерватории Мидзусава) и станции Эсаши Института географической съемки Японии (GSIJ). Эти станции измеряют колебания электромагнитного поля Земли, соответствующие сейсмической активности. Необработанные геофизические данные временных рядов с этих станций мониторинга находятся в свободном доступе для научного сообщества, что позволяет проводить дальнейшие исследования взаимодействия между электромагнитными явлениями и землетрясениями. Дополнительные станции мониторинга электромагнитных предшественников землетрясений в Японии расположены в Кагосиме, Саваучи и на острове Сикоку. Аналогичные станции также развернуты на Тайване на острове Пэнху и в заповеднике Фушань на острове Тайвань. POLARIS – канадская исследовательская программа, изучающая структуру и динамику литосферы Земли и прогнозирование сейсмических колебаний.

Источники энергии

Солнечная энергия и молнии вызывают естественные колебания магнитного поля Земли, индуцируя электрические токи (известные как телурические токи) под поверхностью Земли. Различные породы, осадочные отложения и геологические структуры обладают широким диапазоном электрической проводимости. Измерение электрического сопротивления позволяет различать различные материалы и структуры, а также углублять знания о тектонических процессах и геологическом строении. 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, протекающими в Земле, и магнитными полями, которые эти токи индуцируют. Магнитные поля образуются главным образом в результате взаимодействия солнечного ветра с магнитосферой. Кроме того, глобальная грозовая активность вызывает магнитные поля на частотах выше 1 Гц. В совокупности эти природные явления создают мощные источники МТ-сигналов во всем частотном спектре. Отношение напряженности электрического поля к напряженности магнитного поля предоставляет простую информацию о подповерхностной проводимости. Поскольку эффект скин-слоя влияет на электромагнитные поля, это отношение в диапазоне высоких частот дает информацию о приповерхностных слоях Земли, в то время как низкочастотный диапазон предоставляет информацию о более глубоких структурах. Это отношение обычно представляется в виде кажущегося сопротивления и фазы как функций частоты. На основе этого тензора затем строится модель электрического сопротивления подповерхностных сред.

Глубина и разрешение

МТ-измерения позволяют исследовать глубины от примерно 300 м до сотен километров, хотя наиболее часто проводятся исследования в диапазоне от 500 м до 10 000 м. Для исследования больших глубин требуются измерения более низких частот, что, в свою очередь, увеличивает время записи. Для очень глубоких измерений с очень большим периодом (от средней коры до верхней мантии) для получения удовлетворительного качества данных могут потребоваться записи, продолжающиеся от нескольких дней до нескольких недель и более. Горизонтальное разрешение МТ в основном определяется расстоянием между точками измерения – чем меньше расстояние между точками, тем выше горизонтальное разрешение. Используется непрерывное профилирование (известное как Emap), при котором расстояние между концами каждого теллурического диполя составляет всего несколько метров. Вертикальное разрешение МТ в основном зависит от измеряемой частоты: более низкие частоты обеспечивают большее проникновение в глубину. Следовательно, вертикальное разрешение уменьшается с увеличением глубины исследования.

Сила сигнала и время записи

Магнитные поля в диапазоне частот от 1 Гц до приблизительно 20 кГц относятся к диапазону аудиомагнитотеллурических (АМТ) измерений. Они ориентированы параллельно поверхности Земли и направлены к центру Земли. Эта широкая полоса частот обеспечивает проникновение на глубину от нескольких метров до нескольких километров под поверхность Земли. В силу природы магнитотеллурического источника, амплитуда волн обычно подвержена колебаниям. Для получения достоверных данных требуется длительное время записи из-за этих колебаний и низкой силы сигнала. Как правило, сигнал ослаблен в диапазоне от 1 до 5 кГц, что критически важно для изучения верхних 100 м геологического разреза. Магнитотеллурический метод также применяется в морских условиях для поиска углеводородов и изучения литосферы. Из-за экранирующего эффекта электропроводной морской воды, верхняя граница полезного спектра составляет около 1 Гц.

2D и 3D магнитотеллурики

Двумерные исследования состоят из продольного профиля магнитотеллурических зондирований (МТ) в интересующей области, предоставляющего двумерные "срезы" электрического сопротивления подповерхностных слоев. Трехмерные исследования состоят из нерегулярной сетки магнитотеллурических зондирований (МТ) в интересующей области, предоставляющего более детализированную трехмерную модель электрического сопротивления подповерхностных слоев.

Аудиомагнитотеллурика

Аудиомагнетотеллурика (АМТ) – это высокочастотный метод магнитотеллурики, используемый для исследований на меньших глубинах. Хотя глубина проникновения АМТ меньше, чем у МТ, измерения АМТ обычно занимают около одного часа (однако глубокие измерения АМТ при низкой интенсивности сигнала могут длиться до 24 часов) и используют более компактные и легкие магнитные сенсоры. Транзиентная АМТ – это разновидность АМТ, которая регистрирует данные только кратковременно, в периоды усиления естественных сигналов (транзиентных импульсов), повышая отношение сигнал/шум ценой усиленной линейной поляризации.

Контролируемый источник электромагнитного излучения

CSEM – это глубоководный оффшорный вариант контролируемого источника аудиомагнитотеллурики; CSEM – это название, используемое в оффшорной нефтегазовой промышленности. Для наземных исследований в России, Китае, США и Европе чаще всего используется Lotem.

Наземные CSEM / CSAMT могут быть эффективны в условиях электромагнитных помех, создаваемых техногенными источниками (например, линиями электропередач, электрическими ограждениями), которые затрудняют применение геофизических методов, использующих естественные источники. В протяженный заземленный проводник (2 км и более) пропускается ток в диапазоне частот от 0,1 Гц до 100 кГц. Измеряются электрическое поле, параллельное источнику, и магнитное поле, расположенное под прямым углом к нему. Затем рассчитывается удельное электрическое сопротивление, и чем оно ниже, тем выше вероятность наличия проводящего объекта (графита, никелевой или железной руды). CSAMT также известен в нефтегазовой отрасли как наземная контролируемая электромагнитная разведка (Onshore CSEM). Морской вариант метода МТ, морская магнитотеллурика (ММТ), использует приборы и датчики в герметичных корпусах, устанавливаемых на судах в прибрежных районах с глубиной воды менее 300 м. Разновидностью ММТ является оффшорное одноканальное измерение только вертикальной составляющей магнитного поля (Гц, или "типер"), которое позволяет отказаться от телюрических и горизонтальных магнитных измерений.

Исследовательские обследования

МТ-исследования проводятся для получения данных об удельном электрическом сопротивлении, которые могут быть интерпретированы для создания модели подповерхностного строения. Данные собираются в каждой точке зондирования в течение определенного времени (часто используются ночные зондирования), при этом физическое расстояние между точками зондирования зависит от размера и геометрии целевого объекта, местных особенностей рельефа и финансовых затрат. Разведочные исследования могут выполняться с интервалами в несколько километров, в то время как более детальные работы могут предусматривать интервалы в 200 м или даже смежные зондирования (например, конфигурация "диполь-диполь"). Воздействие МТ-исследований на здоровье, безопасность и окружающую среду относительно невелико благодаря легкому оборудованию, использованию естественных источников сигнала и снижению рисков по сравнению с другими методами геологоразведки (например, отсутствие бурения, взрывных работ и использования высоких токов).

Удаленные референтные зондирования

Удаленная привязка — это метод магнитотеллурических исследований, используемый для компенсации влияния культурных электрических помех путем одновременной регистрации данных на нескольких станциях МТ. Это значительно повышает качество данных и может позволить проводить измерения в районах, где естественный МТ-сигнал сложно обнаружить из-за техногенных электромагнитных помех.

Оборудование

Типичный полный комплект МТ-оборудования (для "пятикомпонентного" зондирования) состоит из приемного прибора с пятью датчиками: три магнитных датчика (обычно датчики на индукционных катушках) и два телурических (электрических) датчика. Для исключительно длительнопериодного МТ (частоты ниже приблизительно 0,1 Гц) три дискретных широкополосных датчика магнитного поля могут быть заменены одним компактным трехосевым магнитометром с ферритовым сердечником. Во многих ситуациях используются только телурические датчики, а магнитные данные берутся из других близлежащих точек зондирования для снижения затрат на проведение измерений. Полный комплект МТ-оборудования из пяти компонентов может быть перенесен небольшой полевой группой (2-4 человека) или легким вертолетом, что позволяет проводить работы в удаленных и труднодоступных районах. Большинство МТ-оборудования способно надежно работать в широком диапазоне условий окружающей среды, с рабочим диапазоном температур обычно от -25 °C до +55 °C, от сухой пустыни до высокой влажности (вплоть до образования конденсата) и кратковременного полного погружения.

Обработка и интерпретация данных

Для преобразования необработанных данных временных рядов в частотные инверсии требуется постобработанная обработка. Результат работы программы обработки используется в качестве входных данных для последующей интерпретации. Обработка может включать использование удаленных опорных данных или только локальных данных. Обработанные данные магнитотеллурического зондирования (МТ) моделируются различными методами для создания карты удельного электрического сопротивления недр, при этом более низкие частоты обычно соответствуют большей глубине залегания. Аномалии, такие как разломы, углеводороды и проводящие минерализации, проявляются как области повышенного или пониженного сопротивления по сравнению с окружающими структурами. Для интерпретации (инверсии) магнитотеллурических данных используются различные программные комплексы, в которых кажущееся сопротивление используется для создания модели недр.

Производители приборов и датчиков

На мировом рынке коммерческого использования большую часть поставок обеспечивают четыре компании: одна в Соединенных Штатах (Zonge International, Inc.), одна в Канаде (Phoenix Geophysics, Ltd.), одна в Германии (Metronix Messgeraete und Elektronik GmbH) и одна в России (Вега Геофизика, ООО). К правительственным учреждениям и небольшим компаниям, производящим приборы магнитотеллурического зондирования для внутреннего использования, относятся Российская академия наук (SPbF ИЗМИРАН) и Национальный институт космических исследований Украины.