УДК 550.837.61+550.837.63+550.837.211

ОБРАБОТКА И ИНТЕРПРЕТАЦИЯ ДАННЫХ ГЛУБИННОГО ЧАСТОТНОГО ЗОНДИРОВАНИЯ В КОМПЛЕКСЕ
С АУДИОМАГНИТОТЕЛЛУРИЧЕСКИМИ ИЗМЕРЕНИЯМИ (ЭКСПЕРИМЕНТ “МУРМАН-2018”)

Геологический институт ФИЦ КНЦ РАН, Мурманская обл., г. Апатиты, Россия

e-mail: anshev2019-01@mail.ru

Главное

– разработана методика оценки статического смещения кривых кажущегося сопротивления частотного (ЧЗ) и аудиомагнитотеллурического зондирования (АМТЗ) по горизонтальным составляющим векторов напряженности электромагнитного поля горизонтального электрического диполя

– проведены измерения поля горизонтального электрического диполя с отечественной измерительной станцией VMTU-10 и генератором “Энергия-4” мощностью 29 кВт на удалениях 12–105 км от источника в комплексе с АМТЗ

– разработанная методика учета статических искажений позволила согласовать результаты измерений АМТЗ и ЧЗ эксперимента “Мурман-2018” для двух поляризаций первичного поля источника

Аннотация. Цель работы – исследование глубинной электропроводности Мурманского блока земной коры на Фенноскандинавском щите методами частотного (ЧЗ) и аудиомагнитотеллурического зондирования (АМТЗ). Одна из важнейших задач глубинных исследований комплексом методов АМТЗ и ЧЗ – учет влияния приповерхностных проводников на результаты измерений (статический сдвиг). Для решения этой задачи в работе развивается методика обработки и интерпретации данных измерений комплекса ЧЗ и АМТЗ на примере результатов эксперимента по глубинному зондированию в диапазоне частот от 1 до 500 Гц, проведенного в 2018 г. (“Мурман-2018”). Измерения с контролируемым источником в виде двух взаимно ортогональных горизонтальных электрических диполей были выполнены на удалениях 12–105 км. Генераторно-измерительный комплекс состоял из отечественных измерительной станции VMTU-10 (ООО “ВЕГА”) и генератора “Энергия-4” (КНЦ РАН). По синхронным временным рядам компонент поля в точках наблюдений и силы тока в питающем диполе на основе быстрого преобразования Фурье (БПФ) вычислялись оценки спектров мощностей автокорреляционных и взаимно корреляционных функций зарегистрированных величин. Полученные спектральные характеристики использовались как для определения амплитуд компонент поля источника и фазовых сдвигов между ними, так и для оценки компонент тензора импеданса АМТ-поля. По амплитудам горизонтальных компонент электромагнитного поля и импедансным отношениям рассчитывались значения кажущегося сопротивления. Полученные результаты измерений были скорректированы на статический сдвиг. Для этого рассчитывались поправочные коэффициенты по отношению значений кажущегося сопротивления для горизонтальной составляющей магнитного поля к значениям кажущегося сопротивления по импедансу и электрическому полю. Данные для осевой и экваториальной установок наряду с данными АМТЗ и дистанционными зондированиями позволили установить высокую степень однородности глубинного электрического разреза в горизонтальном направлении и расширить частотный диапазон полученных кривых кажущегося сопротивления и фазы импеданса. Выполнена одномерная интерпретация и получены оценки распределения удельного сопротивления по глубине.

Ключевые слова: электропроводность, частотное зондирование, аудиомагнитотеллурическое зондирование, CSAMT, БПФ, автокорреляционная функция, взаимно-корреляционная функция, спектр мощности, импеданс, кажущееся сопротивление, контролируемая трансформация, статический сдвиг

Цитируйте эту статью как: Шевцов А.Н. Обработка и интерпретация данных глубинного частотного зондирования в комплексе с аудиомагнитотеллурическими измерениями (эксперимент “Мурман-2018”) // Наука и технологические разработки. 2019. Т. 98, № 4. С. 19–33. [Тематический выпуск “Методические разработки для электромагнитных зондирований с управляемыми источниками”]. https://doi.org/10.21455/std2019.4-2

Финансирование

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ, проект № 018-05-00528, а также в рамках госзадания Министерства образования и науки РФ – тема ГИ КНЦ РАН № 0226-2019-0052 и тема ЦЭС КНЦ РАН № 0226-2019-0067.

Литература

Андреева Е.В., Бердичевский М.Н. Контролируемая трансформация кривых МТЗ // Физика Земли. 1991. № 10. С.89–94.

Вагин С.А. Алгоритм обработки данных магнитотеллурических зондирований в среде МАТЛАБ // Вопросы геофизики. СПб., 2010. Вып. 43. C.80–93. (Ученые записки СПбГУ; № 443).

Вагин С.А. Контролируемая трансформация несглаженных магнитотеллурических данных // Вопросы геофизики. СПб., 2012. Вып. 45. C.62–66. (Ученые записки СПбГУ; № 445).

Ваньян Л.Л. Основы электромагнитных зондирований. М. Недра, 1965. 107 с.

Вешев А.В. Электропрофилирование на постоянном и переменном токе. Л.: Недра. 1980. 391 с.

Жамалетдинов А.А. Теория и методика глубинных электромагнитных зондирований с мощными контролируемыми источниками. (Опыт критического анализа). СПб.: Изд-во СПбГУ. 2012. 163 с.

Жамалетдинов А.А. Электропроводность земной коры в районе СНЧ-антенны “Зевс” по результатам зондирований на постоянном и переменном токе (Мурманский блок). Взаимодействие электромагнитных полей КНЧ-СНЧ диапазона с ионосферой и земной корой. Материалы I Всероссийского (с международным участием) научно-практического семинара / Под ред. Е.П. Велихова. Апатиты, 2015. С.65–74.

Жамалетдинов А.А., Велихов Е.П., Шевцов А.Н., Колобов В.В., Колесников В.Е., Скороходов А.А., Короткова Т.Г., Ивонин В.В., Рязанцев П.А., Бируля М.А. Эксперимент “Ковдор-2015” по изучению параметров слоя дилатантно-диффузионной природы проводимости в архейском кристаллическом основании Балтийского щита // Доклады Академии наук. 2017. Т. 474, № 4. С.477–482. https://doi.org/10.7868/S086956521704017X

Жамалетдинов А.А., Велихов Е.П., Шевцов А.Н., Скороходов А.А., Колобов В.В., Ивонин В.В., Колесников В.В. Эксперимент “Мурман-2018” по дистанционному зондированию с целью исследования границы “непроницаемости” на переходе между хрупким и пластичным состояниями кристаллической земной коры // Доклады Академии наук. 2019. Т. 486, № 3. C.359–364. https://doi.org/10.31857/S0869-56524863359-364

Жданов М.С. Электроразведка. М.: Недра, 1986. 316 с.

Колобов В.В., Куклин Д.В., Шевцов А.Н., Жамалетдинов А.А. Многофункциональная цифровая измерительная станция КВВН-7 для электромагнитного мониторинга сейсмоактивных зон // Сейсмические приборы. 2011. Т. 47, № 2. С.44–58.

Колобов В.В., Баранник М.Б., Ефимов Б.В., Жамалетдинов А.А., Шевцов А.Н., Копытенко Ю.А. Генератор “Энергия-4” для мониторинга сейсмоактивных зон и электромагнитного зондирования земной коры: опыт применения в эксперименте “Ковдор-2015” // Сейсмические приборы. 2017. Т. 53, № 3. С.55–73. https://doi.org/10.21455/si2017.3-5

Семенов В.Ю. Обработка данных магнитотеллурического зондирования. М.: Недра, 1985. 133 с.

Шевцов А.Н. Метод частотного зондирования при изучении электропроводности верхней части земной коры Балтийского щита: Дис. … канд. физ.-мат. наук. СПб.: СПбГУ, 2001. 101 с.

Шевцов А.Н., Жамалетдинов А.А., Колобов В.В., Баранник М.Б. Частотное электромагнитное зондирование с промышленными ЛЭП на Карело-Кольском геотраверсе // Записки Горного института. 2017. Т. 224. С.178–188. https://doi.org/10.18454/PMI.2017.2.178

Bernstein S.L., Burrows M., Evans J.E., Griffiths A.S., McNeill D.A., Niessen C.W., Richer I., White D.P., Willim D.K. Long range communication at extremely low frequencies // Proc. IEEE. 1974. V. 62, N 3. P.292–312. https://doi.org/10.1109/PROC.1974.9426

Engelberg S. Random signals and noise: a mathematical introduction. Boca Raton: CRC Press, 2007. 216 p. https://doi.org/10.1201/b15871

Kolobov V.V., Barannik M.B., Ivonin V.V., Selivanov V.N., Zhamaletdinov A.A., Shevtsov A.N., Skorokhodov A.A. Experience of generator “Energy-4” application for the distance and frequency electromagnetic soundings in the experiment “Murman-2018” // Proceedings of Kola Science Centre of RAS. 2018. N 17. P.7–20. https://doi.org/10.25702/KSC.2307-5252.2018.9.8.7-20

Сведения об авторе

ШЕВЦОВ Александр Николаевич – кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник, Геологический институт ФИЦ “Кольский научный центр РАН”. 184209, Мурманская обл., Апатиты, ул. Ферсмана, д. 14. Тел.: +7(815) 557-92-08. E-mail: anshev2019-01@mail.ru

METADATA IN ENGLISH

About the journal

NAUKA I TEKHNOLOGICHESKIE RAZRABOTKI (SCIENCE AND TECHNOLOGICAL

DEVELOPMENTS), ISSN: 2079-5165, eISSN: 2410-7948, DOI: 10.21455/std; https://elibrary.ru/title_

about.asp?id=32295; http://std.ifz.ru/. The journal was founded in 1992.

PROCESSING AND INTERPRETATION OF DEPTH CONTROLLED SOURCE AUDIO-MAGNETOTELLURICS (CSAMT) SOUNDING
IN COMPLEX WITH AUDIO-MAGNETOTELLURICS (AMT) DATA (THE MURMAN-2018 EXPERIMENT)

A.N. Shevtsov

Geological Institute FRC “Kola Science Center of the Russian Academy of Sciences”,
Murmansk region, Apatity, Russia

e-mail: anshev2019-01@mail.ru

Highlights

– A technique has been developed for estimating the static shift of the apparent resistivity curves of controlled source audio-magnetotellurics (CSAMT) and audio-magnetotelluric sounding (AMTS) based on the horizontal components of the vectors of the electromagnetic field of the horizontal electric dipole

– Field measurements of a horizontal electric dipole were carried out with a domestic measuring station VMTU-10 and an Energy-4 generator with a power of 29 kW at distances of 12–105 km from the source in combination with AMT sounding.

– Developed technique for taking into account static distortions made it possible to coordinate the results of measurements of AMTS and CSAMT of the Murman-2018 experiment for two polarizations of the primary field of the source.

Abstract. The purpose of the work is to study the deep electrical conductivity of the Murmansk block of the Earth’s crust on the Fennoscandinavian shield using controlled source audio-magnetotellurics (CSAMT) and audio-magnetotellurics (AMT) methods. One of the most important tasks of in-depth studies using the complex of AMT and CSAMT methods is to take into account the influence of surface conductors on the measurement results (static shift). To solve this problem, we develop a methodology for processing and interpreting the measurement data of the CSAMT and AMT system using the results of the deep-sounding experiment in the frequency range from 1 to 500 Hz performed in 2018 (Murman-2018) as an example. Measurements with a controlled source in the form of two mutually orthogonal horizontal electric dipoles were performed at distances of 12–105 km. The generator-measuring complex consisted of the domestic measuring station VMTU-10 (VEGA LLC) and the Energy-4 generator (KSC RAS). Using synchronous time series of the field components at the observation points and the current strength in the supply dipole, the power spectra of the autocorrelation and cross-correlation functions of the recorded values were calculated based on the fast Fourier transform (FFT). The obtained spectral characteristics were used both to determine the amplitudes of the source field components and the phase shifts between them, and to evaluate the components of the AMT field impedance tensor. Using the amplitudes of the horizontal components of the electromagnetic field and the impedance ratios, the values of apparent resistivity were calculated. The obtained measurement results were corrected for the static shift. For this, correction coefficients were calculated with respect to the ratio of the apparent resistivity values for the horizontal component of the magnetic field to the apparent resistivity values by impedance and electric field. The data for the axial and equatorial installations along with the data of AMT and DC sounding made it possible to establish a high degree of homogeneity of the deep electric section in the horizontal directions and to expand the frequency range of the obtained curves of apparent resistivity and impedance phase. A one-dimensional interpretation is made and estimates of the distribution of resistivity in depth are obtained.

Keywords: electrical conductivity, frequency sounding, audio-magnetotellurics, CSAMT, FFT, autocorrelation function, cross-correlation function, power spectrum, impedance, apparent resistivity, controlled transformation, static shift

Cite this article as: Shevtsov A.N. Processing and interpretation of depth controlled source audio-magnetotellurics (CSAMT) sounding in complex with audio-magnetotellurics (AMT) data (the Murman-2018 experiment), Nauka i Tekhnologicheskie razrabotki (Science and Technological Developments), 2019, vol. 98, no. 4, pp. 19–33. [Special issue “Methodological developments for electromagnetic controlled source soundings”]. [in Russian]. https://doi.org/10.21455/std2019.4-2

References

Andreeva E.V., Berdichevsky M.N. Controlled transformation of MTS curves, Physics of the Earth, 1991, no. 10, pp. 89–94. [in Russian].

Bernstein S.L., Burrows M., Evans J.E., Griffiths A.S., McNeill D.A., Niessen C.W., Richer I., White D.P., Willim D.K. Long range communication at extremely low frequencies, Proc. IEEE, 1974, vol. 62, no. 3, pp. 292–312, https://doi.org/10.1109/PROC.1974.9426

Engelberg S. Random signals and noise: a mathematical introduction. Boca Raton: CRC Press, 2007. 216 p. https://doi.org/10.1201/b15871

Kolobov V.V., Kuklin D.N., Shevtsov A.N., Zhamaletdinov A.A. The KVVN-7 multifunction digital measuring station for electromagnetic monitoring of seismoactive zones, Seismic Instruments, 2012, vol. 48, no. 1, pp. 75–84. https://doi.org/10.3103/S0747923912010069

Kolobov V.V., Barannik M.B., Efimov B.V., Zhamaletdinov A.A., Shevtsov A.N., Kopytenko Yu.A. Energy-4 Generator for monitoring seismically active regions and electromagnetic sounding of the Earth’s crust. Experience of application in the Kovdor-2015 Experiment, Seismic Instruments, 2018a, vol. 54, no. 3, pp. 268–280, https://doi.org/10.3103/S0747923918030143

Kolobov V.V., Barannik M.B., Ivonin V.V., Selivanov V.N., Zhamaletdinov A.A., Shevtsov A.N., Skorokhodov A.A. Experience of generator “Energy-4” application for the distance and frequency electromagnetic soundings in the experiment “Murman-2018”, Proceedings of Kola Science Centre of RAS, 2018b, no. 17, pp. 7–20, https://doi.org/10.25702/KSC.2307-5252.2018.9.8.7-20

Semenov V.Yu. Magnetotelluric sounding data processing. Moscow: Nedra, 1985. 133 p. [in Russian].

Shevtsov A.N. The method of frequency sounding in the study of the electrical conductivity of the upper part of the crust of the Baltic Shield. Dis. ... PhD. Phys.-Math. sciences. St. Petersburg: SPbSU, 2001. 101 p. [in Russian].

Shevtsov A.N., Zhamaletdinov A.A., Kolobov V.V., Barannik M.B. Frequency electromagnetic sounding with industrial power lines on the Karelian-Kola geotraverse, Notes of the Mining Institute, 2017, vol. 224, pp. 178–188, https://doi.org/10.18454/PMI.2017.2.178 [in Russian].

Vagin S.A. An algorithm for processing magnetotelluric sounding data in the MATLAB environment, Questions of Geophysics, St. Petersburg, 2010, vol. 43, pp. 80–93. (Scientific notes of St. Petersburg State University; No. 443). [in Russian].

Vagin S.A. Controlled transformation of unstated magnetotelluric data, Questions of Geophysics, St. Petersburg, 2012, vol. 45, pp. 62–66. (Scientific notes of St. Petersburg State University; No. 445). [in Russian].

Vanyan L.L. Electromagnetic sounding. Moscow: Scientific World, 1997. 219 p. [in Russian].

Veshev A.V. Electroprofiling on direct and alternating current. Leningrad: Nedra, 1980. 391 p.

Zhamaletdinov A.A. The electrical conductivity of the Earth's crust in the region of the “Zeus” microwave antenna according to the results of sounding with direct and alternating current (Murmansk block), Interaction of the ELF-ELF electromagnetic fields with the ionosphere and the Earth's crust. Materials of the All-Russian (with international participation) scientific and practical seminar, Ed. E.P. Velikhov. Apatity, 2015. pp. 65–74. [in Russian].

Zhamaletdinov A.A. Theory and methodology of deep electromagnetic soundings with powerful controlled sources (critical analysis experience). St. Petersburg: Publishing House of St. Petersburg State University, 2012. 163 p. ISBN 978-5-98340-271-0

Zhamaletdinov A.A., Velikhov E.P., Shevtsov A.N., Kolobov V.V., Kolesnikov V.E., Skorokhodov A.A., Korotkova T.G., Ivonin V.V., Ryazantsev P.A., Birulya M.A. The Kovdor-2015 Experiment: Study of the parameters of a conductive layer of dilatancy–diffusion nature (DD layer) in the Archaean Crystalline Basement of the Baltic Shield, Doklady Earth Sciences, 2017, vol. 474, no. 2, pp. 641–645, https://doi.org/10.1134/S1028334X17060095

Zhamaletdinov A.A., Velikhov E.P., Shevtsov A.N., Skorokhodov A.A., Kolobov V.V., Ivonin V.V., Kolesnikov V.E. The Murman-2018 Experiment on remote sensing in order to study the “impenetrability” boundary at the transition between brittle and plastic states of the crystalline Earth’s crust, Doklady Earth Sciences, 2019, vol. 486, no. 2, pp. 575–579, https://doi.org/10.1134/ S1028334X19050301

Zhdanov M.S. Electrical intelligence. Moscow: Nedra, 1986. 316 p. [in Russian].

About the author

SHEVTSOV Alexander Nikolaevich – Candidate of Physical and Mathematical Sciences, Senior researcher, Geological Institute FRC “Kola Science Center of the Russian Academy of Sciences”. 184209, Apatity, Murmansk region, Fersman st., 14. Tel.: +7(815) 557-92-08. E-mail: anshev2019-01@mail.ru