Forbidden

You don't have permission to access /zzz_siteguard.php on this server.

СПОСОБ МАГНИТОТЕЛЛУРИЧЕСКОГО ЗОНДИРОВАНИЯ - Патент РФ 2029320
Главная страница  |  Описание сайта  |  Контакты
СПОСОБ МАГНИТОТЕЛЛУРИЧЕСКОГО ЗОНДИРОВАНИЯ
СПОСОБ МАГНИТОТЕЛЛУРИЧЕСКОГО ЗОНДИРОВАНИЯ

СПОСОБ МАГНИТОТЕЛЛУРИЧЕСКОГО ЗОНДИРОВАНИЯ

Патент Российской Федерации
Суть изобретения: Использование: в геофизике. Сущность изобретения: при магнитотеллурическом зондировании в диапазоне периодов от единиц до сотен сек., для ослабления влияния пространственной неоднородности магнитотеллурического поля на результаты измерений импеданса производят компенсацию синхронно измеряемых компонент поля на сетке частот с весовыми коэффицентами. Весовые коэффициенты определяют по измерениям на интервалах времени, не совпадающих с интервалами собственно компенсации. Используя представления о резонансной структуре магнитотеллурического поля на поверхности земли на частотах резонансов магнитных силовых линий геомагнитного поля, выделяют области минимумов в спектре остатков компенсации, для которых снижено влияние пространственной неоднородности магнитотеллурического поля на результаты оценки импеданса. Для выделенных областей проводят оценку импеданса. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.
Поиск по сайту

1. С помощью поисковых систем

   С помощью Google:    

2. Экспресс-поиск по номеру патента


введите номер патента (7 цифр)

3. По номеру патента и году публикации

2000000 ... 2099999   (1994-1997 гг.)

2100000 ... 2199999   (1997-2003 гг.)
Номер патента: 2029320
Класс(ы) патента: G01V3/08
Номер заявки: 5037891/25
Дата подачи заявки: 03.10.1991
Дата публикации: 20.02.1995
Заявитель(и): Институт радиотехники и электроники РАН
Автор(ы): Морозов В.А.; Ремизов Л.Т.; Элбакидзе А.В.
Патентообладатель(и): Институт радиотехники и электроники РАН
Описание изобретения: Изобретение относится к геофизике, а точнее - к электромагнитному зондированию Земли с помощью естественных вариаций геомагнитного поля в диапазоне короткопериодных колебаний (периоды единицы-сотни секунд) и ориентировано на обнаружение относительно малых вариаций электрических свойств подстилающей среды, в том числе для обнаружения тектонических процессов-предвестников землетрясений.
Известен способ магнитотеллурического зондирования [1] , в котором синхронно измеряют горизонтальные компоненты магнитотеллурического поля и по выделенным узкополосной фильтрацией комплексным амплитудам вычисляют элементы тензоров импеданса и адмитанса. Способ обладает низкой помехоустойчивостью по отношению к местным помехам и пространственной неоднородности исходного поля геомагнитных вариаций.
Известен более совершенный способ магнитотеллурического зондирования [2] с привлечением синхронных измерений в дополнительном выносном пункте, используемых в качестве опорных колебаний при оценке искомых элементов тензоров импеданса (или адмитанса) в основном базовом пункте; способ получил название магнитотеллурического зондирования с выносным опорным пунктом. В этом способе выносной опорный пункт размещается на достаточно большом удалении от основного, так чтобы местные помехи в основном и выносном пунктах были некоррелированы, практически для этого может оказаться достаточно разнесения на (0,4-1) км.
Способ с выносным опорным пунктом позволяет существенно снизить влияние местных помех, некогерентных с источником магнитотеллурического поля, однако и в этом способе оценки существенно зависят от пространственной неоднородности исходного магнитотеллурического поля и могут существенно вырьировать от сеанса к сеансу.
Прототипом предлагаемого изобретения является способ магнитотеллурического зондирования [3], в котором относительно малый разброс результатов измерений импеданса обеспечивается благодаря многоэтапному отсеву измерений, дающих в синхронных измерениях компонент магнитотеллурического поля отклонения от их ожидаемых значений при найденном значении импеданса большие, чем α σ , где σ2 - дисперсия контролируемой невязки; α - коэффициент, больший 1; практически принимают α ≈ 1,5-2.
Недостатком способа-прототипа является то, что и в этом способе также не обеспечивается необходимая достоверность результатов измерений, так как результаты измерений импеданса могут существенно варьировать от сеанса к сеансу в течение суток при весьма малом разбросе от не отбракованных по невязке измерений в рамках отдельного сеанса из-за вариаций пространственной неоднородности магнитотеллурического поля.
Цель изобретения - ослабление влияния пространственной неоднородности магнитотеллурического поля на результаты измерений тензоров импеданса и адмитанса подстилающей среды путем соответствующего выбора области частот, в которой формируется искомая оценка.
Поскольку матрицы импеданса и адмитанса подстилающей среды связаны однозначно, далее обсуждается лишь матрица импеданса, или, для кратности - импеданс.
Цель достигается тем, что в способе магнитотеллурического зондирования, включающем синхронное измерение горизонтальных электрических и магнитных компонент магнитотеллурического поля в полевых и базовых пунктах, узкополосную фильтрацию исследуемых компонент поля, вычисление элементов тензора импеданса и адмитанса по комплексным амплитудам компонент поля, полученным узкополосной фильтрацией, в пределах цикла измерений длительностью То выбирают интервалы измерений длительностью Т1, Т2, Т3, где соседние интервалы могут частично перекрываться, формируют дополнительно оценки горизонтальных компонент магнитотеллурического поля по направлению магнитного меридиана ЕII, НIIи перпендикулярно к нему Е , Н , проводят раздельную компенсацию горизонтальных электрических ЕII , Е или магнитных НII, Нкомпонент магнитотеллурического поля по горизонтальным магнитным или электрическим компонентам соответственно на интервалах Ti (i = 1, 2, 3), при этом определение весовых коэффициентов компенсации (элементов тензора импеданса или адмитанса) для такой компенсации осуществляется на интервалах Тj, где j = 1, 2, 3 и i ≠ j, а для разнесенных измерительных пунктов на указанных интервалах Тi, Tj дополнительно проводят раздельную компенсацию электрических ЕII , Е и (или) магнитных НII , Нкомпонент полевого или базового пункта по электрическим или магнитным компонентам базового или полевого пункта соответственно, вычисляют спектральное распределение интенсивности остатков компенсации, в спектре интенсивности нескомпенсированных остатков находят статистически значимые локальные минимумы и соответствующие им частоты, вычисляют элементы тензоров импеданса и (или) адмитанса на частотах локальных минимумов.
На фиг. 1 представлены логарифмические спектры интенсивности электрической компоненты Ех до и после компенсации; на фиг. 2 представлены логарифмические спектры интенсивности электрической компоненты Еy до и после компенсации.
Исследованиями последних лет установлено, что оценки импеданса при магнитотеллурическом зондировании в диапазоне короткопериодных колебаний геомагнитного поля с периодами единицы-сотни секунд могут существенно варьировать от сеанса к сеансу в течение суток при весьма малом разбросе измерений в рамках отдельного сеанса. Хорошим примером такого рода могут служить многодневные измерения в районе Латвийской седловины (Балтийский щит), в которых вариации оценок импеданса на периоде Т = 40 с в течение суток составляли 30-40% и более при том, что главные компоненты тензора импеданса в течение 0,5-1 ч оценивались со среднеквадратичным разбросом, существенно меньшим, чем 7-9% . При работе на щитах и в областях с малой проводимостью осадочного чехла в этом интервале периодов отмечается большая погрешность измерений импеданса.
Оценка зависимости импеданса таких структур с малой проводимостью осадочного чехла от пространственной неоднородности МТ-поля в приближении неоднородной плоской волны хорошо согласуется с этим опытом наблюдений.
Неоднородная плоская волна характеризуется пространственной неоднородностью амплитуды и фазы, причем влияние пространственной неоднородности фазы реально оказывается доминирующим.
Способ ориентирован на обнаружение участков спектра с повышенной пространственной однородностью МТ-поля, в которых объективно существуют условия малого возмущения оценки импеданса из-за пространственной неоднородности МТ-поля.
Существование таких участков спектра следует из резонансной структуры пространственного распределения волновых пакетов МТ-поля на поверхности Земли.
Способ основан на установленном теоретически и экспериментально пространственном распределении амплитуды и фазы волновых пакетов МТ-поля рассматриваемого диапазона периодов в окрестности точки пространственного резонанса магнитной силовой линии на поверхности Земли. При данном состоянии магнитосферы эти резонансы проявляются в том, что нормированная амплитуда h = h(ΔX) и фаза ϕ = ϕ ( ΔX) меридиональной магнитной компоненты (Х) частоты f2(l) обладают явно выраженными резонансными свойствами по отношению к смещению ΔХ по меридиану из точки наблюдения Хо, где l - номер пространственной гармоники пространственного резонанса. На резонансной для данной точки Хо частоте fr(l) в окрестности точки Хо наблюдаются максимум амплитуды компоненты (Х) и наибольшая пространственная крутизна изменения фазы комплексной амплитуды (Х) по меридиану .
При этом данной точке измерений соответствует своя магнитная L-оболочка с резонансной частотой fr(1), определяемой геомагнитной широтой точки наблюдения Ф и связанной с ней параметром магнитной оболочки L = cos-2 Ф . Центральные частоты fo(1) волновых пакетов МТ-поля, наблюдаемых в данной точке, близки к резонансным частотам гармоник колебаний магнитной L-оболочки fr(l = 1), fr(l = 2) = l2fr(1), fr(l = 3)= =l3fr(1), где гармоникам собственных колебаний L - оболочек соответствуют l2 = 2-3, l3 ≈3-4 и т.д.
Для точек, сдвинутых по меридиану на ΔХ от пункта измерений, нормированная амплитуда h и фаза ϕ на частоте fr описываются зависимостями резонансного типа:
h ≃ , ϕ ≃ arctg где εe - характерный меридиональный размер резонансной области l-й гармоники; в средних широтах εe≈ 300 км (во всяком случае ε1 < 500 км.
В соответствии с изложенным наиболее резкие изменения фазы волнового пакета МТ-поля в пространстве происходят именно в центральной части спектра волнового пакета для продольной (по магнитному меридиану) компоненты магнитного поля .
В силу резонансной пространственной структуры МТ-поля области повышенной однородности поля оказываются вынесены на крылья спектральных линий собственных колебаний L-оболочек, где существенно падают пространственные производные амп- литуды и фазы и .
Напомним, что и длина волны λx неоднородной плоской волны (НПВ) в направлении оси Х при локальном описании волнового пакета МТ-поля с помощью неоднородной плоской волны связаны простой зависимостью
= = Kx где kx - волновое число НПВ в направлении оси Х.
Чем больше kx, тем больше возмущения импеданса . Наиболее сильно пространственная неоднородность фазы выражена у НII - компоненты МТ-поля.
Поэтому наиболее сильные вариации претерпевают при прочих равных условиях элемент импеданса Z , определяемый компонентами поля НII и Е,где Z~ - . Неоднородность МТ-поля по направлению параллели существенно меньше, чем по меридиану, поэтому и волновое число вдоль параллели k существенно меньше, чем волновое число вдоль меридиана kII(k << k II) .
На основании изложенного предлагается выделять удаленные от резонансных частот L-оболочек области частот, в которых ослаблены проявления пространственных резонансов L-оболочек.
В этих участках спектра колебания МТ волновых пакетов далеки от пространственных резонансов и поэтому обладают повышенной пространственной однородностью.
Выявить такие участки спектра помогает естественный дрейф во времени собственных частот L-оболочек fr(1), fr(2)... при компенсации компонент Е и ЕII по компонентам НII , Н на временных интервалах Ti с помощью весовых множителей, представляющих собой оценки элементов тензора импеданса, полученных на интервалах Тj, где i ≠ j. Такая компенсация с несовпадающими интервалами определения весовых коэффициентов и интервалами собственно компенсации при дрейфе частот пространственных резонансов даст минимальный уровень остатка в областях частот, где пространственные резонансные свойства L-оболочек проявляются наиболее слабо.
Энергия МТ-поля в таких далеких от резонансов областях частот определяется крыльями спектра сильно смещенных по частоте спектральных линий волновых пакетов МТ-поля. В этих нерезонансных областях спектра МТ-фон характеризуется повышенной пространственной однородностью и потому оценки импеданса в этих участках спектра наименее чувствительны к естественным вариациям (дрейфу) собственных частот магнитных L-оболочек в течение суток; относительная величина дрейфа собственных частот L-оболочек может составлять 30-40% за 9-10 ч.
Учитывая общий характер спада средней спектральной плотности МТ-поля с ростом частоты, выделение искомых статистически значимых минимумов в спектре остатков компенсации на несовпадающих интервалах Ti, Tj упрощается при переходе к логарифмам спектральной плотности исследуемых процессов, или, для краткости, к логарифмическим спектрам. В качестве критерия статистической значимости выявленного локального минимума в логарифмическом спектре остатков компенсации может использоваться любой статистический признак (критерий), ориентированный на малую вероятность случайного формирования такого минимума; в качестве примера укажем такие признаки статистически значимого локального минимума, как величина перепада спектральной плотности от минимума до ближайшего максимума, превышающая DдБ - число узкополосных отсчетов спектра от минимума до максимума, формируемых по неперекрывающимся участкам спектра, и, следовательно, статистически независимых. Возможны и комбинированные признаки статистически значимого минимума в зависимости от наблюдаемого локального спада логарифмического спектра и числа спектральных отсчетов от минимума до максимума.
Наши наблюдения показали наличие достаточно интенсивного МТ-поля в выделенных областях частот, удаленных от резонансных частот L-оболочек и обладающих поэтому повышенной пространственной однородностью, что позволяет провести достаточно точные измерения импеданса при значительно более слабой зависимости средних значений от пространственной неоднородности МТ-поля, чем это имеет место вблизи резонансных частот L-оболочек. Максимумы спектральных линий волновых пакетов МТ-поля близки к резонансным частотам L-оболочек, хотя могут и не совпадать с ними (как могут не совпадать частотная характеристика канала и спектр колебания на его выходе).
В силу резонансной пространственной структуры волновых пакетов МТ-поля области частот на крыльях спектральных линий МТ-поля характеризуются повышенной пространственной однородностью и могут быть выявлены по локальным статистически значимым минимумам логарифмических спектров остатков компенсации, полученных при разнесенных во времени интервалах оценки импеданса (адмитанса) и интервалах собственно компенсации с помощью этих оценок импеданса (адмитанса). Найденные в указанных областях частот оценки импеданса характеризуются повышенной устойчивостью по отношению к пространственной неоднородности МТ-поля и могут быть использованы для обнаружения малых вариаций параметров разреза.
При разнесенных измерительных пунктах с достаточно большим различием интегральной проводимости верхнего осадочного слоя возможно выделение областей частот с повышенной пространственной однородностью МТ-поля с помощью компенсации на интервалах Тi, Tj только электрических компонент: например, компенсация Е в выносном пункте по ЕII , Е в основном пункте. Это позволяет выбрать для компенсации измерительные каналы с наибольшим отношением сигнал/шум: например, выбрать лучший по отношению сигнал/шум вариант из возможных вариантов - Е(доп) по ЕII(осн), Е (осн) или Е(доп) по НII(осн), Н(осн), где индексы (осн) и (доп) относятся соответственно к основному и дополнительному (отнесенному) измерительным пунктам.
Способ реализуется следующим образом.
По известной методике магнитотеллурического зондирования размещаются электрические и магнитные датчики Ех, Еy и Нх, Нy компонент магнитотеллурического поля (МТ-поля) в основном, а при наличии выносного - и выносном пунктах. В пределах доступного времени То выделяют интервалы Т1, Т2, Т3, при этом соседние интервалы могут перекрываться.
Проводят однородную регистрацию измеряемых компонент МТ-поля.
Узкополосной фильтрацией получают значения комплексных спектральных амплитуд измеряемых компонент МТ-поля по выбранной сетке частот во временных окнах интервалов Т1, Т2, Т3. В качестве примеров можно указать узкополосную фильтрацию в соответствующем временном окне по способу БПФ или узкополосную фильтрацию с заданной частотной характеристикой фильтров [1] на заданной сетке частот.
На заданной сетке частот находят комплексные амплитуды ЕII , Е , НII , Н компонент МТ-поля, ориентированных по магнитному меридиану и перпендикулярно ему (по магнитной широте).
На заданной сетке частот проводят раздельную компенсацию ЕII и Екомпонент МТ-поля на интервале Тi при определении весовых коэффициентов компенсирующих каналов на интервалах Тj, где i ≠ j, причем в качестве компенсирующих принимают НII , Н - каналы основного пункта, а при наличии отнесенного пункта в качестве компенсирующих берут каналы с наибольшим отношением сигнал/шум, либо НII , Н - каналы, если импедансы основного и отнесенного пункта близки (т.е. различие главных компонент тензора импеданса менее 30-50%). Находят спектры интенсивности нескомпенсированных остатков и по ним вычисляют логарифмические спектры интенсивности остатков.
Находят области частот статистически значимых локальных минимумов логарифмических спектров остатков, и на этих частотах на интервале измерений То выполняют оценку элементов тензора импеданса (адмитанса).
О статистической значимости (т.е. о неслучайности найденного локального минимума в логарифмическом спектре остатков) судят, например, по глубине перепада от минимума до максимума (скажем, на 5-10 дБ и более) при формировании каждого отсчета спектра остатков по 3-4 и более неперекрывающимся или слабо перекрывающимся временным окнам (сегментам); либо по числу отдельных независимых по спектру спектральных дискретов логарифмического спектра остатков на скатах к данному локальному минимуму, либо по комбинации этих признаков.
Наличие четырех-пяти регулярно размещенных точек на скате спектра с перепадом 5-1 дБ и более является надежным признаком статистически значимого локального минимума.
В силу изложенного ранее такая оценка (оценки) соответствует области спектра с повышенной пространственной однородностью МТ-поля, а, следовательно, в такой оценке, уменьшено влияние пространственной неоднородности МТ-поля и временных вариаций этой неоднородности.
Экспериментальное обоснование предлагаемого способа состояло в проверке положения о наличии неслучайных минимумов в логарифмических спектрах остатков компенсации горизонтальных компонент МТ-поля на несовпадающих интервалах Тi, Tj (i≠ j).
Ниже приводятся примеры соответствующих логарифмических спектров, полученные по результатам синхронных наблюдений горизонтальных компонент МТ-поля в Астраханской области с помощью штатных геофизических станций ЦЭС-2, приведенных на фиг. 1 и 2.
На фиг. 1 приводятся логарифмические спектры интенсивности электрической компоненты полевого пункта Ех в условных единицах, приближенно равной в условиях эксперимента компоненте Е , до (А) и после (В) компенсации по магнитным компонентам Нх, Нy базового пункта.
Компоненты Нх и Нy в базовом пункте в условиях эксперимента приближенно были равны Н и НII соответственно и приближенно повторяли временной ход компонент Нх и Нy в полевом пункте.
На фиг. 2 представлены логарифмические спектры интенсивности электрической компоненты Еy полевого пункта, приближенно равной ЕII до (кривая А) и после (кривая В) компенсации по электрическим компонентам Ех, Еy базового пункта.
Спектры получены в результате узкополосной фильтрации реализаций Ех, Еy - и Нх, Нy-компонент МТ-поля с помощью Фурье-преобразования (алгоритм БПФ) в области периодов τ≈ 1-100 с, интервалы Т1, Т2, Т3составляли 3 Тсегм, 4 Тсегм и 3 Тсегм соответственно, где Тсегм - длительность временного окна Фурье-анализа; Тсегм = 4 τмакс, где τмакс - наибольший период в заданной сетке частот; частота f1= соответствует первой гармонике Фурье-анализа, τмакс = 140 с, использовалось временное окно вида sint , так называемое "окно Хэннинга".
Азимут αx оси ОХ местной системы координат составлял ≈ 100o, т.е. ориентация магнитной компоненты Нy приближенно соответствовала меридиональной, и, следовательно, Нy ≈ HII , Ex ≈ E .
На фиг. 1 и 2 приведены логарифмические спектры мощности Фурье-гармоник спектров Ех и Еy компоненты до и после компенсации по каналам Hx, Hy при несовпадающих интервалах Ti, Tj; по оси абсцисс отложен номер гармоники р.
На графиках логарифмических спектров остатков четко видны локальные минимумы при р ≈ 5 и р ≈ 10, соответствующие периодам τp= ;;τ5= τ1/5 ≈ 28 с и τ10 ≈ 14 с, с относительным уровнем остатков - [-(32-35)] дБ, что хорошо согласуется с резонансной моделью пространственной структуры МТ-поля и подтверждает справедливость основных моментов предлагаемого способа.
Таким образом выявлены частоты (области частот), на которых в течение данного измерения длительности То, включающего интервалы Т1, Т2, Т3, в наименьшей мере сказывается неоднородность пространственной структуры поля МТ-поля, а следовательно, становится реальным обнаружение малых временных вариаций импеданса подстилающей среды.
Статистическая значимость (неслучайность) выявленных локальных минимумов вблизи гармоник р = 5 и р = 10 в приводимых измерениях (см. фиг. 1 и 2) следует из регулярности хода логарифмического спектра остатков в окрестности этих минимумов: 3-5 независимых (по формирующих их участкам спектра) отсчетов спектра остатков на спадающем и возрастающем склонах логарифмического спектра остатков; при этом каждый отсчет в спектре остатков получен усреднением квадрата амплитуды спектрального дискрета остатка по 4 независимым (по времени) измерениям амплитуды остатка.
Глубокая компенсация сигналов МТ-поля на частотах локальных минимумов в спектре остатков р = 5 и р = 10 при компенсации на разнесенных интервалах Тi, Tj (на 32-35 дБ, или более (1-2) ˙103 раз по мощности) указывает на то, что в приведенном примере нерезонансной компонентной МТ-поля в рассмотренной области частот обеспечен достаточно высокий уровень МТ-сигнала, допускающий измерение импеданса с относительной точностью приближенно -(32+35) дБ, или ±2% для главных элементов тензора импеданса.
Удаленность выделенных частот р = 5 и р = 10 от резонансных частот L-оболочек геомагнитного поля обеспечивает ослабление влияния пространственной неоднородности МТ-поля на результаты измерения импеданса.
Далее на указанных частотах р = 5 и р = =10 по уже найденным на сегментах интервалов Т1, Т2, Т3 комплексным спектральным амплитудам компонент Ех, Еy и Нх, Hy проводится оценка импеданса известным однопунктовым методом [1], или по методу выносного опорного пункта.
Формула изобретения: 1. СПОСОБ МАГНИТОТЕЛЛУРИЧЕСКОГО ЗОНДИРОВАНИЯ, включающий синхронное измерение горизонтальных электрических и магнитных компонент магнитотеллурического поля в полевых и базовых пунктах, узкополосную фильтрацию исследуемых компонент поля, вычисление элементов тензора импеданса и адмитанса по комплексным амплитудам компонент поля, полученным узкополосной фильтрацией, отличающийся тем, что в пределах цикла измерений длительностью T0 устанавливают интервалы измерений длительностью T1, T2, T3, с возможностью частичного перекрытия соседних интервалов, формируют дополнительно оценки горизонтальных компонент магнитотеллурического поля по направлению магнитного меридиана и перпендикулярно к нему E и H, и проводят раздельную компенсацию горизонтальных электрических или магнитных компонент магнитотеллурического поля по горизонтальным магнитным или электрическим компонентам на временных интервалах Ti, где i = 1, 2, 3, при этом определение весовых коэффициентов компенсации, элементов тензора импеданса или тензора адмитанса, для такой компенсации осуществляют на интервалах обучения Tj, где j = 1, 2, 3 и i ≠ j, а для разнесенных измерительных пунктов на указанных временных интервалах Ti, Tj дополнительно проводят раздельную компенсацию электрических и/или магнитных , компонент полевого или базового пункта по электрическим или магнитным компонентам базового или полевого пункта соответственно, вычисляют спектральное распределение интенсивности остатков компенсации, в спектре интенсивности нескомпенсированных остатков находят статистически значимые локальные минимумы и устанавливают соответствующие им частоты, вычисляют элементы тензоров импеданса и/или адмитанса на частотах локальных минимумов.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что производят перебор возможных сочетаний интервалов обучения Tj и компенсации Ti при i ≠ j и для всех этих сочетаний определяют частоты статистически значимых локальных минимумов в спектре интенсивности нескомпенсированных остатков.