Магнитотеллурическое зондирование

Магнитотеллурическое зондирование (МТЗ) Земли — один из методов индукционных зондирований Земли, использующий измерения естественного электромагнитного поля. Применяется при геофизических исследованиях. Метод открыт в 1950 году советским геофизиком А. Н. Тихоновым. Существенный вклад в развитие метода также внёс французский учёный Л. Каньяр. Значительный вклад в теорию МТЗ внесли М. Н. Бердичевский, В. И. Дмитриев; в настоящее время метод широко используется как один из неразрушающих (экологических) методов геофизического исследования Земли, разрабатываются новые способы повышения точности исследований в работах учёных из таких стран, как Россия, США, Франция, Китай.

Область применения

МТЗ используется:

• при исследовании геологического строения земной коры на глубинах до многих сотен километров в фундаментальной геофизике (фундаментальной и в прямом, и в переносном смысле);
• в электроразведке при исследованиях на глубинах от первых десятков метров до первых десятков километров:
  • для поиска и разведки месторождений полезных ископаемых:
    • рудных: уран, никель, медь, платина и др.;
    • нерудных: фосфор, соли, алмаз, графит, геотермальные ресурсы, керамическое сырьё, стройматериалы и др.;
    • горючих: угли, нефть, газ и др.;
  • для решения инженерно-геологических и гидрогеологических задач;
  • для регионального изучения геологических структур.

Физический смысл

Источниками электромагнитного поля в МТЗ являются естественные источники электромагнитных колебаний в ионосфере (например, порождаемые грозовой активностью Земли и активностью Солнца (солнечный ветер)).

Глубина проникновения электромагнитного поля в среду зависит от частоты поля (чем ниже частота, тем глубже проникает поле) и от электрической проводимости самой среды — скин-эффект.

Модификации метода

Существуют модификации этого метода:

• глубинное МТЗ (ГМТЗ) применяется для исследований до глубин в сотни километров;
• МТЗ в звуковом диапазоне частот (аудио-МТЗ, АМТЗ) применяется для малоглубинных (но более детальных) исследований;
• для исследований в высокоширотных регионах Земли разработан специальный обобщённый вариант МТЗ;
• МТЗ в полях известных радиостанций (Радио-МТЗ, RMT, Radio-MT);
• Возможно применение вариантов данного метода на других планетах, если там есть достаточно сильный источник естественных электромагнитных полей в интересующем нас диапазоне частот, который, в свою очередь, определяется интересующим нас диапазоном глубин.

МТЗ направлено на вычисление или оценку удельного электрического сопротивления и зависимость его от глубины: <math>\rho=\rho(z)</math>. Для этого МТЗ изучает частотную характеристику <math>\rho_k(\omega)</math> геологического разреза, называемую кажущимся удельным сопротивлением.

В первых работах создателей МТЗ (Тихонов А. Н., Каньяр Л. и др.) предполагалось изучать зависимость кажущегося удельного сопротивления от частоты:

<math>\rho_k(\omega)=\frac{|Z(\omega)|^2}{\omega\mu},</math>

при этом вертикальное магнитное поле предполагалось равным нулю, а модель Земли предполагалась одномерной, то есть горизонтально-слоистой. Здесь <math>Z(\omega)</math> есть одномерный магнитотеллурический импеданс: грубо говоря,

<math>Z(\omega)=\frac{E(\omega)}{H(\omega)},</math>

где <math>E(\omega)</math> и <math>H(\omega),</math> — напряжённость электрического и магнитного полей, измеренных на поверхности Земли, <math>\omega</math> — угловая частота.

В 1980-х годах среди геофизиков-практиков в ходу была такая поговорка, имевшая саркастическую окраску:

Есть <math>B_z</math>, нет <math>B_z</math> — Будем делать МТЗ,

смысл которой состоял в том, что хотя теоретической предпосылкой МТЗ в то время было равенство нулю <math>B_z</math> (вертикальная компонента магнитного поля), но на практике это условие грубо нарушалось, на что полевикам приходилось закрывать глаза. Последующее развитие МТЗ сняло необходимость этой предпосылки с помощью введения трёхмерных моделей (<math>\rho=\rho(x,y,z)</math>), трёхмерного моделирования полей и 2x2-тензора импеданса.

В 1960 г. пришло понимание того, что скалярного кажущегося сопротивления недостаточно, и, в результате работ Бердичевского и Кантуэлла стал использоваться 2x2-тензор магнитотеллурического импеданса, состоящий из 4 комплексных функций частоты:

<math>Z(\omega) = \begin{pmatrix} Z_{xx}(\omega) & Z_{xy}(\omega) \\ Z_{yx}(\omega) & Z_{yy}(\omega) \end{pmatrix} </math>.

Для применения 2x2-тензора магнитотеллурического импеданса необходимо использовать двумерные или трёхмерные (а не слоистые) модели Земли, иначе матрица магнитотеллурического импеданса выродится в антидиагональную. В дальнейшем появилось понимание также того факта, что и вертикальная компонента магнитного поля (<math>B_z</math>) тоже может быть весьма полезной. Это привело к построению некоторого аналога магнитотеллурического импеданса — вектора типпера (он же индукционный вектор или вектор Визе-Паркинсона). Следующим развитием стало построение обобщённого 2x3-тензора импеданса

<math>Z(\omega) = \begin{pmatrix} Z_{xx}(\omega) & Z_{xy}(\omega) & Z_{xz}(\omega) \\ Z_{yx}(\omega) & Z_{yy}(\omega) & Z_{yz}(\omega) \end{pmatrix} </math>,

позволяющего работать методом МТЗ не только в средних широтах, но и в высоких широтах, то есть вблизи от ионосферного источника.

Для магнитотеллурического зондирования используются магнитотеллурические станции и наборы датчиков.

Магнитотеллурические датчики

Для зондирования используются датчики электрического и магнитного поля. Датчиками магнитного поля могут быть магнитометры и катушки. Датчиком электрического поля является пара электродов, закопанных в землю на определенном расстоянии. Обычно используется расположение датчиков, позволяющее измерить взаимно ортогональные составляющие электрического и магнитного поля Земли, для чего одну пару датчиков (электрический и магнитный) ориентируют по направлению сервер-юг, а вторую — по направлению запад-восток. Выводы датчиков подключаются к магнитотеллурической станции.

Магнитотеллурическая станция

Магнитотеллурическая станция (см. рисунок) предназначена для записи данных с датчиков электрического и магнитного поля во временной последовательности на носитель информации. Некоторые варианты исполнения магнитотеллурической станции предусматривают также обработку данных.

Этапы исследования

Данные, записанные магнитотеллурической станцией, переносятся на автоматизированное рабочее место геофизика-интерпретатора, где он с помощью специализированного программного обеспечения получает на основе этих данных информацию об электрической проводимости глубинного слоя на каждой из исследуемых глубин. Этапы этой работы включают:

1. получение функций отклика <math>Z(\omega)</math>, <math>\rho_k(\omega)</math> и других. Этот этап называется обработкой измеренных данных. Этот этап включает процедуры частотного анализа (фильтрация, получение коэффициентов ряда Фурье) и процедуры работы с матрицами (инверсия матриц методом Мура-Пенроуза, либо сингулярное разложение матриц);
2. инверсия (трансформация) функций отклика вразрез, состоящий из земных слоёв. Решение обратной задачи МТЗ обычно включает в себя решение прямой задачи и один из методов подбора. Трансформация функций отклика применяется тогда, когда требуется быстрая, но грубая оценка геоэлектрического разреза. Иногда эта оценка превращается в оценку качества измеренных данных, в таких случаях измерения приходится повторять.

Первый этап может сопровождаться ручной корректировкой или отбраковкой данных по ряду частотных и временных показателей.

Второй этап тоже может сопровождаться ручной корректировкой или отбраковкой данных, например, по ряду пространственных показателей (так, может оказаться, что на ряде пикетов наблюдения данные имеют неприемлемое качество по тем или иным причинам, которые обычно выясняются в процессе работы).

Помимо этого, второй этап сопровождается введением априорной геофизической модели, что обуславливается тем, что обратная задача МТЗ имеет множество различных решений, из которых интерпретатор выбирает геофизически наиболее достоверную.

Интерпретация данных

Интерпретацию данных МТЗ проводят в рамках 1D, 2D, а в последнее время и 3D моделей. Самые первые подходы к численному решению обратной задачи для магнитотеллурических зондирований были разработаны в середине прошлого века. Палетки и программы для одномерной интерпретации данных МТЗ широко распространены и находятся в открытом доступе. В настоящее время стандартом интерпретации являются алгоритмы двумерной инверсии (Reboc, WinGlink, ZondMT2D). Несмотря на развитие компьютерной техники, обратная трёхмерная задача из-за высокой ресурсоёмкости, пока широко не используется.

Ссылки

• [bse.sci-lib.com/article072441.html «Магнитотеллурическое зондирование» в Большой советской энциклопедии]
• [geo.web.ru/db/msg.html?mid=1161636&uri=page27.html Геофизические методы исследования земной коры]

Отрывок, характеризующий Магнитотеллурическое зондирование

Коляска, в которой везли князя Андрея, проезжая мимо крыльца, обратила на себя внимание Сони, устраивавшей вместе с девушкой сиденья для графини в ее огромной высокой карете, стоявшей у подъезда.
– Это чья же коляска? – спросила Соня, высунувшись в окно кареты.
– А вы разве не знали, барышня? – отвечала горничная. – Князь раненый: он у нас ночевал и тоже с нами едут.
– Да кто это? Как фамилия?
– Самый наш жених бывший, князь Болконский! – вздыхая, отвечала горничная. – Говорят, при смерти.
Соня выскочила из кареты и побежала к графине. Графиня, уже одетая по дорожному, в шали и шляпе, усталая, ходила по гостиной, ожидая домашних, с тем чтобы посидеть с закрытыми дверями и помолиться перед отъездом. Наташи не было в комнате.
– Maman, – сказала Соня, – князь Андрей здесь, раненый, при смерти. Он едет с нами.
Графиня испуганно открыла глаза и, схватив за руку Соню, оглянулась.
– Наташа? – проговорила она.
И для Сони и для графини известие это имело в первую минуту только одно значение. Они знали свою Наташу, и ужас о том, что будет с нею при этом известии, заглушал для них всякое сочувствие к человеку, которого они обе любили.
– Наташа не знает еще; но он едет с нами, – сказала Соня.
– Ты говоришь, при смерти?
Соня кивнула головой.
Графиня обняла Соню и заплакала.
«Пути господни неисповедимы!» – думала она, чувствуя, что во всем, что делалось теперь, начинала выступать скрывавшаяся прежде от взгляда людей всемогущая рука.
– Ну, мама, все готово. О чем вы?.. – спросила с оживленным лицом Наташа, вбегая в комнату.
– Ни о чем, – сказала графиня. – Готово, так поедем. – И графиня нагнулась к своему ридикюлю, чтобы скрыть расстроенное лицо. Соня обняла Наташу и поцеловала ее.
Наташа вопросительно взглянула на нее.
– Что ты? Что такое случилось?
– Ничего… Нет…
– Очень дурное для меня?.. Что такое? – спрашивала чуткая Наташа.
Соня вздохнула и ничего не ответила. Граф, Петя, m me Schoss, Мавра Кузминишна, Васильич вошли в гостиную, и, затворив двери, все сели и молча, не глядя друг на друга, посидели несколько секунд.
Граф первый встал и, громко вздохнув, стал креститься на образ. Все сделали то же. Потом граф стал обнимать Мавру Кузминишну и Васильича, которые оставались в Москве, и, в то время как они ловили его руку и целовали его в плечо, слегка трепал их по спине, приговаривая что то неясное, ласково успокоительное. Графиня ушла в образную, и Соня нашла ее там на коленях перед разрозненно по стене остававшимися образами. (Самые дорогие по семейным преданиям образа везлись с собою.)
На крыльце и на дворе уезжавшие люди с кинжалами и саблями, которыми их вооружил Петя, с заправленными панталонами в сапоги и туго перепоясанные ремнями и кушаками, прощались с теми, которые оставались.
Как и всегда при отъездах, многое было забыто и не так уложено, и довольно долго два гайдука стояли с обеих сторон отворенной дверцы и ступенек кареты, готовясь подсадить графиню, в то время как бегали девушки с подушками, узелками из дому в кареты, и коляску, и бричку, и обратно.
– Век свой все перезабудут! – говорила графиня. – Ведь ты знаешь, что я не могу так сидеть. – И Дуняша, стиснув зубы и не отвечая, с выражением упрека на лице, бросилась в карету переделывать сиденье.
– Ах, народ этот! – говорил граф, покачивая головой.
Старый кучер Ефим, с которым одним только решалась ездить графиня, сидя высоко на своих козлах, даже не оглядывался на то, что делалось позади его. Он тридцатилетним опытом знал, что не скоро еще ему скажут «с богом!» и что когда скажут, то еще два раза остановят его и пошлют за забытыми вещами, и уже после этого еще раз остановят, и графиня сама высунется к нему в окно и попросит его Христом богом ехать осторожнее на спусках. Он знал это и потому терпеливее своих лошадей (в особенности левого рыжего – Сокола, который бил ногой и, пережевывая, перебирал удила) ожидал того, что будет. Наконец все уселись; ступеньки собрались и закинулись в карету, дверка захлопнулась, послали за шкатулкой, графиня высунулась и сказала, что должно. Тогда Ефим медленно снял шляпу с своей головы и стал креститься. Форейтор и все люди сделали то же.
– С богом! – сказал Ефим, надев шляпу. – Вытягивай! – Форейтор тронул. Правый дышловой влег в хомут, хрустнули высокие рессоры, и качнулся кузов. Лакей на ходу вскочил на козлы. Встряхнуло карету при выезде со двора на тряскую мостовую, так же встряхнуло другие экипажи, и поезд тронулся вверх по улице. В каретах, коляске и бричке все крестились на церковь, которая была напротив. Остававшиеся в Москве люди шли по обоим бокам экипажей, провожая их.
Наташа редко испытывала столь радостное чувство, как то, которое она испытывала теперь, сидя в карете подле графини и глядя на медленно подвигавшиеся мимо нее стены оставляемой, встревоженной Москвы. Она изредка высовывалась в окно кареты и глядела назад и вперед на длинный поезд раненых, предшествующий им. Почти впереди всех виднелся ей закрытый верх коляски князя Андрея. Она не знала, кто был в ней, и всякий раз, соображая область своего обоза, отыскивала глазами эту коляску. Она знала, что она была впереди всех.
В Кудрине, из Никитской, от Пресни, от Подновинского съехалось несколько таких же поездов, как был поезд Ростовых, и по Садовой уже в два ряда ехали экипажи и подводы.
Объезжая Сухареву башню, Наташа, любопытно и быстро осматривавшая народ, едущий и идущий, вдруг радостно и удивленно вскрикнула:
– Батюшки! Мама, Соня, посмотрите, это он!
– Кто? Кто?
– Смотрите, ей богу, Безухов! – говорила Наташа, высовываясь в окно кареты и глядя на высокого толстого человека в кучерском кафтане, очевидно, наряженного барина по походке и осанке, который рядом с желтым безбородым старичком в фризовой шинели подошел под арку Сухаревой башни.
– Ей богу, Безухов, в кафтане, с каким то старым мальчиком! Ей богу, – говорила Наташа, – смотрите, смотрите!
– Да нет, это не он. Можно ли, такие глупости.
– Мама, – кричала Наташа, – я вам голову дам на отсечение, что это он! Я вас уверяю. Постой, постой! – кричала она кучеру; но кучер не мог остановиться, потому что из Мещанской выехали еще подводы и экипажи, и на Ростовых кричали, чтоб они трогались и не задерживали других.
Действительно, хотя уже гораздо дальше, чем прежде, все Ростовы увидали Пьера или человека, необыкновенно похожего на Пьера, в кучерском кафтане, шедшего по улице с нагнутой головой и серьезным лицом, подле маленького безбородого старичка, имевшего вид лакея. Старичок этот заметил высунувшееся на него лицо из кареты и, почтительно дотронувшись до локтя Пьера, что то сказал ему, указывая на карету. Пьер долго не мог понять того, что он говорил; так он, видимо, погружен был в свои мысли. Наконец, когда он понял его, посмотрел по указанию и, узнав Наташу, в ту же секунду отдаваясь первому впечатлению, быстро направился к карете. Но, пройдя шагов десять, он, видимо, вспомнив что то, остановился.
Высунувшееся из кареты лицо Наташи сияло насмешливою ласкою.
– Петр Кирилыч, идите же! Ведь мы узнали! Это удивительно! – кричала она, протягивая ему руку. – Как это вы? Зачем вы так?
Пьер взял протянутую руку и на ходу (так как карета. продолжала двигаться) неловко поцеловал ее.
– Что с вами, граф? – спросила удивленным и соболезнующим голосом графиня.
– Что? Что? Зачем? Не спрашивайте у меня, – сказал Пьер и оглянулся на Наташу, сияющий, радостный взгляд которой (он чувствовал это, не глядя на нее) обдавал его своей прелестью.
– Что же вы, или в Москве остаетесь? – Пьер помолчал.
– В Москве? – сказал он вопросительно. – Да, в Москве. Прощайте.
– Ах, желала бы я быть мужчиной, я бы непременно осталась с вами. Ах, как это хорошо! – сказала Наташа. – Мама, позвольте, я останусь. – Пьер рассеянно посмотрел на Наташу и что то хотел сказать, но графиня перебила его:
– Вы были на сражении, мы слышали?
– Да, я был, – отвечал Пьер. – Завтра будет опять сражение… – начал было он, но Наташа перебила его:
– Да что же с вами, граф? Вы на себя не похожи…
– Ах, не спрашивайте, не спрашивайте меня, я ничего сам не знаю. Завтра… Да нет! Прощайте, прощайте, – проговорил он, – ужасное время! – И, отстав от кареты, он отошел на тротуар.
Наташа долго еще высовывалась из окна, сияя на него ласковой и немного насмешливой, радостной улыбкой.


Пьер, со времени исчезновения своего из дома, ужа второй день жил на пустой квартире покойного Баздеева. Вот как это случилось.
Проснувшись на другой день после своего возвращения в Москву и свидания с графом Растопчиным, Пьер долго не мог понять того, где он находился и чего от него хотели. Когда ему, между именами прочих лиц, дожидавшихся его в приемной, доложили, что его дожидается еще француз, привезший письмо от графини Елены Васильевны, на него нашло вдруг то чувство спутанности и безнадежности, которому он способен был поддаваться. Ему вдруг представилось, что все теперь кончено, все смешалось, все разрушилось, что нет ни правого, ни виноватого, что впереди ничего не будет и что выхода из этого положения нет никакого. Он, неестественно улыбаясь и что то бормоча, то садился на диван в беспомощной позе, то вставал, подходил к двери и заглядывал в щелку в приемную, то, махая руками, возвращался назад я брался за книгу. Дворецкий в другой раз пришел доложить Пьеру, что француз, привезший от графини письмо, очень желает видеть его хоть на минутку и что приходили от вдовы И. А. Баздеева просить принять книги, так как сама г жа Баздеева уехала в деревню.