Анализ магнитотеллурических функций отклика, полученных в пункте зондирования Кем Туи (Cam Thuy), Северный Вьетнам

Полный текст

1. ВВЕДЕНИЕ

Становление метода магнитотеллурического зондирования (МТЗ) основывалось на его использовании в районах с более или менее горизонтальным расположением пластов горных пород, что характерно для осадочных бассейнов [Vozoff, 1972]. Геоэлектрический разрез в подобных районах хорошо аппроксимировался горизонтально-слоистой или одномерной (1D) моделью среды, позволяющей рассчитывать кажущиеся сопротивления и фазы импеданса для сочетания слоев с различными удельными электрическими сопротивлениями, что вполне удовлетворяло потребности интерпретации на этой стадии развития метода.

Успешное применение метода на практике способствовало его развитию и постановке в более сложнопостроенных районах. При этом возникли трудности в использовании горизонтально-слоистой модели при интерпретации, что вызвало необходимость усложнения интерпретационной модели и ее замене двухмерной (2D) моделью в отвечающих ей реальных геоэлектрических обстановках. Ограниченные возможности вычислительной техники в это время приводили к тому, что при интерпретации в основном использовались амплитудные кривые кажущегося электрического сопротивления и реже фазы импеданса.

Дальнейшее продвижение МТЗ в области складчатых образований и на кристаллические щиты и расчеты моделей с региональными и локальными (поверхностными) геоэлектрическими неоднородностями, позволили оценить их искажающее влияние при определении удельных электрических сопротивлений глубинных слоев. Искажающие эффекты были разделены на индукционные и гальванические [Бердичевский, Дмитриев, 2009]. Последние приводили к искажению только амплитудных характеристик интерпретационных параметров и не затрагивали фазовые. А так как гальванические искажения широко распространены и существенно затрудняют интерпретацию, то чтобы избавиться от них при интерпретации стали использовать фазы импеданса, что привело к введению в практику интерпретации фазового тензора и исследованию его свойств [Бердичевский, Дмитриев, 2009; Caldwell et al., 2004; Bibby et al., 2005], а также исследованию динамики изменения фазы с изменением периода вариаций над различными типами геоэлектрических разрезов.

В простом случае индукции в горизонтально-слоистом разрезе фазы импедансов $Z_{xy}$ будут располагаться в первом квадранте (0°–90°), а фазы импеданса $Z_{yx}$ в третьем (–90°…–180°) [Lilley, Weaver, 2010]. Однако в сложных трехмерных структурах эти условия могут нарушаться. Обычно выход фаз из своих квадрантов объясняется действием электрической анизотропии разреза [Heise, Pous, 2003; Lezaeta, Haak, 2003; Yu et al., 2019], канализацией теллурических токов [Liddell et al., 2016], присутствием 2D- и 3D-структур с большим контрастом электрических сопротивлений [Selway et al., 2012; Shao, Xiao, 2016], а также трехмерным характером геоэлектрического разреза [Piña-Varas, Dentith, 2018]. Рассмотрение этого эффекта на отдельных синтетических цифровых моделях разрезов позволило зафиксировать выход фазы только одного из главных импедансов вне пределов своего квадранта в работе [Worzewski et al., 2012] и выход фаз обеих главных импедансов из своих квадрантов для моделей с поверхностными высокопроводящими блоками в пределах земной коры в работе [Shao, Xiao, 2016].

Такая же ситуация наблюдается и при обработке экспериментальных результатов, когда отмечаются случаи выхода фазы одного из главных импедансов из своего квадранта [Piña-Varas, Dentith, 2018]. Только в эксперименте, описанном в работе [Vadoodi et al., 2021], упоминается о том, что на некоторых пунктах МТЗ наблюдался одновременный выход обеих фаз из своих квадрантов в области длинных периодов.

Выход фаз из своих квадрантов рассматривался и при исследовании проблемы нарушения дисперсионных соотношений 1-го и 2-го родов, и выполнении принципа причинности в магнитотеллурическом (МТ) поле [Zorin et al., 2020a; 2020б].

Для исследования физических основ выхода фаз импедансов из своих квадрантов был применен анализ потоков электромагнитной энергии в разрезах, используемых для этих целей 2D-моделей, в которых наблюдаются выходы фаз из своих квадрантов [Key, Constable, 2011; Wang et al., 2019; Selway et al., 2012]. Оказалось, что пространственные области выхода фаз из квадрантов (ВФК) совпадают с областями, характеризующимися отрицательными (снизу вверх) компонентами плотности потоков электромагнитной энергии. Условием их существования является высокая контрастность удельных электрических сопротивлений (УЭС), не ниже чем в 1000 раз, блоков 2D-разреза [Selway et al., 2012], что выполняется и для 3D-моделей, изучаемых в работе [Shao, Xiao, 2016].

Во время работы во Вьетнаме по программе ДВО РАН “Дальний Восток” в рамках научных проектов ВАНТ 19-021 и 18-1-004 [Никифоров и др., 2020] был получен большой объем записей пятикомпонентных вариаций магнитотеллурического поля в сложных геологических условиях Северного Вьетнама. При обработке материалов с трех пунктов в юго-западной части Северного Вьетнама Ким Сон (KSN), Йен Кат (YNK), Кем Туи (CTH) было обращено внимание на отклонение фазовых кривых главных импедансов от нормального вида, заключающееся в выходе какой-либо из них из своего квадранта на этих пунктах. Наиболее сильные искажения наблюдались в пункте CTH округа Кем Туи (Cam Thuy) провинции Тханьхоа (Thanh Hoa), где встроенные в программу обработки данных критерии определения знака вертикальной компоненты вектора Умова–Пойнтинга потока электромагнитной энергии показали ее отрицательное значение во всем диапазоне зарегистрированных периодов. Данное значение вертикальной компоненты потока свидетельствовало о направленности вектора потока энергии из земли в верхнее полупространство. Оказалось, что для этого случая наблюдается выход из своих квадрантов и фаз обеих главных компонент импеданса.

Целью настоящего исследования будет являться всесторонний анализ и описание этого явления. Для этого будут рассмотрены особенности геологического строения района, проанализированы поляризационные характеристики электрических и магнитных вариаций, рассмотрен характер кривых кажущегося сопротивления и фаз импедансов, привлечены расчеты компонент вектора потока энергии во временной и частотной областях, а также использованы критерии направленности вертикальной компоненты потока, рассчитываемые с использованием экспериментальных значений импедансов.

Учитывая, что данные пункта CTH оказались менее зашумленными по сравнению с данными двух других пунктов, и, принимая во внимание большую точность и устойчивость расчета интерпретационных параметров для этого пункта, а также наблюдаемость отмеченных эффектов во всем диапазоне зарегистрированных периодов, исследование будет основано, в основном, на данных пункта CTH. Оценки этого явления на двух других пунктах будут приводиться для локализации района его распространения.

2. ГЕОЛОГИЧЕСКАЯ ОБСТАНОВКА В ОКРЕСТНОСТИ ПУНКТА НАБЛЮДЕНИЙ

Пункт наблюдений CTH (20.15543° N, 105.43110° E) располагался в округе Кам Тху (Cam Thuy) провинции Тханьхоа (Thuan Hoa) Северного Вьетнама (рис. 1) приблизительно в 70 км от северо-западного побережья мелководного Тонкинского залива с глубинами 40–80 м. Пункт располагался области юго-восточного фланга Сонг Ма сутуры (СМС) северо-западного простирания, которая рассматривается в работе [Su et al., 2018] как граница между Южно-Китайской и Индокитайской плитами, коллизия которых и привела к ее образованию. В поперечном направлении сутура ограничивается разломами Сонг Ма (Song MA) и Сонг Ла (Song LA) [Wen et al., 2015]. Северо-западная часть СМС еще называется Сонг Ма антиклинорием, в пределах юго-восточного выклинивания которого располагается пункт измерений. В этой области СМС контактирует с неоген-четвертичными осадочными толщами прибрежной области залива. Осадки картируются отрицательными гравитационными аномалиями в редукции Буге, в то время как область антиклинория характеризуется их положительными значениями [Duong et al., 2021].

Рис. 1. Тектоническое строение района исследований, наложенное на карту аномалий глобальной модели гравитационного поля в редукции Буге WGM2012 по работе [Bonvalot et al., 2012], и положение пункта измерений CTH. Толстыми черными линиями изображены региональные разломы, тонкими – локальные. Голубыми линиями оконтурены глубины в км (голубые числа) до кристаллического основания по данным интерпретации регионального гравитационного поля по работе [Duong et al., 2021]. Пунктиром, проходящим через пункт измерения, обозначено преимущественное направление электрического поля.

В зоне СМС представлены такие горные породы как амфиболиты, линзы метагаббро, метабазальты, граниты, перекрытые осадочными породами [Hau et al., 2018], а также серпентизированные перидотиты, диабазы, габбро, базальты и породы зеленокаменной фации метаморфизма [Zhang et al., 2013]. Согласно геологической карте, представленной в последней работе, измерения вариаций МТ поля производились в зоне залегания базальтов и андезитов.

Проведенными в зоне СМС сейсмическими, магнитотеллурическими, гравитационными исследованиями, описанными в работе [Duong et al., 2021], установлены секущие зону верхнекоровые разломы Thuong Xuan-Ba Thuoc (TX-BT) и Thuong Xuan-Vinh Loc (TX-VL). Первый располагается в меридиональном направлении приблизительно в 20 км западнее пункта CTH, а второй юго-восточнее пункта на удалении около 25 км и пересекающий зону СМС в направлении, перпендикулярном ее простиранию. Этот разлом маркирует зону контакта с осадочными толщами прибрежной области. Широко представлены и более мелкие разломы, образованию которых способствует сейсмическая активность района вдоль разлома TX-VL и юго-западнее его с локализацией гипоцентров землетрясений с М < 3 на глубинах до 15 км [Su et al., 2018; Wen et al., 2015].

Магнитотеллурическими исследованиями установлена высокая контрастность геоэлектрического разреза по УЭС с диапазоном их значений от 100 до 50 000 Ом ‧ м и определено северо-западное падение разлома Сонг Ма, достигающего глубин более 40 км [Duong et al., 2021]. Глубины до кристаллического фундамента (см. рис. 1), определенные по гравиметрическим данным, варьируют в районе исследований от 1 до 3 км.

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ДАННЫЕ

Для проведения настоящего исследования были использованы записи магнитотеллурических вариаций, полученные во время выполнения работ в Северном Вьетнаме в рамках научных проектов ВАНТ 19-021, 18-1-004 и VAST QTRU 02.01/19-20.

Запись магнитных и электрических вариаций осуществлялась длиннопериодной магнитотеллурической станцией LEMI-417M [http://kmstechnologies.com/Files/Flyer%20for%20website/LEMI-417_Brochure.pdf] с дискретизацией по времени 1 с. Феррозондовые датчики магнитного поля станции установлены на карданном подвесе, что обеспечивает компенсацию наклонов постамента в пределах ±8°. Для регистрации электрических вариаций использовались свинцовые электроды.

Датчики магнитного поля ориентировались по магнитному полю с последующим пересчетом в географическую систему координат. Приемные линии электрических каналов прокладывались по GPS-приемнику. Использовалась правая система координат с осью x, направленной на север, осью y – на восток и осью z – вниз. Длины приемных электрических линий по осям x, y в пункте CTH составляли 240 и 314 м соответственно. Северное и восточное заземления подключались к положительным клеммам соответствующих каналов регистратора.

Запись вариаций на пункте CTH производилась с 29 по 31 октября 2016 г. в геомагнитной обстановке, характеризуемой суммарными суточными значениями планетарного кp индекса 29, 25, 16 соответственно. В результате, после редакции выбросов и смещений была получена непрерывная реализация, содержащая 173 840 отсчетов пяти компонент вариаций магнитотеллурического поля. Полученные в результате ее цифровой обработки интерпретационные параметры МТ поля, импедансы и типперы использовались для изучения геоэлектрического строения Северного Вьетнама. Аналогичные параметры были раccчитаны и для соседних пунктов KSN (19.6262° N, 104.9522° E), и YNK (19.6802° N, 105.3805° E), находящихся на расстоянии 77.1 и 52.9 км, соответственно, от пункта CTH. Вследствие малости значений типперов (0.1–0.3) на пункте CTH они рассчитывались с большой ошибкой, не позволившей их использовать при анализе причин выхода фаз из своих квадрантов, и ограничиться анализом компонент матрицы импеданса.

Основным источником помех являлись электрические сети бытового и промышленного электропитания наиболее удаленные (до 2 км) от пункта CTH. Пункт KSN располагался в десятках метров от электрофицированных жилых строений и в приблизительно 500 м от высоковольтной линии электропередач, а пункт YNK находился на удалении порядка 1 км от окружающих его потребителей электроэнергии. Шумовая обстановка на пунктах хорошо просматривается по функциям когерентности.

Частотные характеристики используемой аппаратуры были предоставлены ее разработчиками и проверялись в лаборатории путем подачи на вход каналов синусоидального сигнала от генератора (Т = 1–1000 с).

4. ОБРАБОТКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ

В частотной области в магнитотеллурическом поле между горизонтальными компонентами $E_x,E_y$ вариаций электрического поля и горизонтальными компонентами геомагнитных  $H_x,H_y$вариаций  существуют линейные связи вида [Бердичевский, Дмитриев, 2009]:

$\begin{array}{l}{E}_x=Z_{xx}{H}_x+Z_{xy}{H}_y\\ E_y=Z_{yx}{H}_x+Z_{yy}{H}_y\end{array}$ (1)

или в матричной форме:

$\left[\begin{array}{l}{E}_x\\ E_y\end{array}\right]=\left[\begin{array}{l}{Z}_{xx}{Z}_{xy}\\ Z_{yx}{Z}_{yy}\end{array}\right]\left[\begin{array}{l}{H}_x\\ H_y\end{array}\right].$ (2)

Соответствующие матрице импеданса удельные кажущиеся сопротивления ${\rho }_{ij}$ и фазы импеданса ${\varphi }_{ij},$ где $i,j=x,y$ выражаются как

${\rho }_{ij}=\frac{1}{\mu \omega }{\left|Z_{ij}\right|}^2,$ (3)

${\varphi }_{ij}=\text{arctg}\frac{\mathrm{Im}{Z}_{ij}}{\mathrm{Re}{Z}_{ij}},$ (4)

где $\mu ,\omega$ - магнитная проницаемость и круговая частота, соответственно. Импеданс есть комплексная величина, представляемая как

$Z_{ij}=\mathrm{Re}{Z}_{ij}+i\mathrm{Im}{Z}_{ij}=\left|Z_{ij}\right|\cos \left({\varphi }_{ij}\right)+i\left|Z_{ij}\right|\sin \left({\varphi }_{ij}\right).$ (5)

Величина осредненного за период вектора потока электромагнитной энергии Умова–Пойтинга в МТ поле выражается через векторное произведение электрического E и магнитного H векторов как [Гольдштейн, Зернов, 1971]:

$S=\frac{1}{2}\mathrm{Re}\left(\mathit{E}\times {\mathit{H}}^{*}\right),$ (6)

где * – означает комплексное сопряжение. В возбуждающей разрез вертикально падающей плоской электромагнитной волне вектор потока энергии будет направлен вниз, что будет определяться положительным знаком его $S_z$-компоненты. При положительном ее значении, в вышеописанной системе координат, поток будет направлен вниз. Из (6) получим вертикальную компоненту потока энергии:

$S_z=\frac{1}{2}\mathrm{Re}\left(E_x{H}_y^{*}-E_y{H}_x^{*}\right).$ (7)

Подставляя в (7) выражения для компонент электрического поля из (1), получим:

$S_z=\frac{1}{2}\left(\mathrm{Re}{Z}_{xy}{\left|H_y\right|}^2-\mathrm{Re}{Z}_{yx}{\left|H_x\right|}^2+\frac{Z_{xx}^{\ast }-Z_{yy}}{2}{H}_y{H}_x^{\ast }-\frac{Z_{xx}-Z_{yy}^{\ast }}{2}{H}_x{H}_y^{\ast }\right).$ (8)

Или в матричной форме:

$S_z=\frac{1}{2}\cdot \left[H_x^{\ast }{H}_y^{\ast }\right]\left[\begin{array}{l}-\mathrm{Re}{Z}_{yx}\frac{Z_{xx}^{\ast }-Z_{yy}}{2}\\ \frac{Z_{xx}-Z_{yy}^{\ast }}{2}\mathrm{Re}{Z}_{xy}\end{array}\right]\left[\begin{array}{l}{H}_x\\ H_y\end{array}\right],$ (9)

где центральная матрица есть матрица квадратичной симметричной эрмитовой формы (8). Чтобы поток энергии был направлен вниз необходимо, чтобы $S_z>\mathrm{0,}$ а это требует положительной определенности квадратичной формы (8). Для выполнения этого требования необходимо и достаточно, чтобы последовательные главные миноры матрицы квадратичной формы были положительными [Корн, Корн, 1974], что приводит к условиям:

$-\mathrm{Re}{Z}_{yx}>0$ (10)

и

$-\mathrm{Re}{Z}_{yx}\mathrm{Re}{Z}_{xy}>{\frac{\left|Z_{xx}-Z_{yy}^{\ast }\right|}{4}}^2.$ (11)

В случае горизонтально-слоистого разреза фаза импеданса $Z_{yx}$ будет лежать в третьем квадранте, где согласно (5) $\mathrm{Re}{Z}_{yx}<0$ и условие (10) будет выполняться сигнализируя о том, что в этом случае $S_z>0$ и поток энергии направлен вниз. Из неравенства (11) следует, что в общем случае поток энергии будет направлен вниз, если величины дополнительных импедансов малы по сравнению с главными импедансами. В противном случае можно ожидать отрицательных потоков энергии, т.е. направленных вверх. С другой стороны, правая часть (11) есть положительная величина, и для выполнения неравенства необходимо чтобы левая часть была положительной и превышала правую по величине. При выполнении второго условия это окажется возможным, если $\mathrm{Re}{Z}_{yx},\mathrm{Re}{Z}_{xy}$ будут с разными знаками. Из (5) и свойств косинусной функции следует, что это требование выполняется, если фаза ${\varphi }_{xy}$ лежит в пределах 1-го и 4-го квадрантов, а фаза ${\varphi }_{yx}$ в пределах 2-го и 3-го квадрантов. Появление отрицательных потоков энергии (снизу вверх) окажется возможным, если знаки реальных частей главных импедансов будут совпадать, т.е. фаза ${\varphi }_{xy}$ должна лежать в 1-ом квадранте, а ${\varphi }_{yx}$ в 4-ом, либо во 2-ом и 3-ем, соответственно. В случае же больших значений дополнительных импедансов, по сравнению с главными, неравенство (11) не будет выполняться независимо от знаков и значений реальных частей главных импедансов и потоки энергии будут устремлены вверх.

Средний поток энергии в (6) может быть рассчитан как по компонентам регистрируемых вариаций после их узкополосной фильтрации, так и их амплитудным спектрам пронормированным для корректного представления гармонических составляющих в вариациях МТ поля. Задавая временную зависимость гармонической составляющей множителем $e^{i(wt+\varphi )}$ и принимая постоянными их амплитуды из (6) для z-компоненты потока получим:

$S_z=\frac{1}{2}\mathrm{Re}\left[E_{0x}{e}^{i\left(wt+{\varphi }_{E_x}\right)}{H}_{0y}{e}^{-i\left(wt+{\varphi }_{H_y}\right)}-E_{0y}{e}^{i\left(wt+{\varphi }_{E_y}\right)}{H}_{0x}{e}^{-i\left(wt+{\varphi }_{H_x}\right)}\right],$ (12)

где: $E_{0x},E_{0y},H_{0x},H_{0y}$ – амплитуды; ${\varphi }_{E_x},{\varphi }_{E_y},$ ${\varphi }_{H_x},{\varphi }_{H_y}$ – фазы электрических и магнитных компонент; $\omega$-угловая частота; t – время; $i=\sqrt{-1}.$ После преобразований вертикальная компонента потока будет выражаться формулой:

$S_z=\frac{1}{2}\left[E_{0x}{H}_{0y}\text{}\cos \left({\varphi }_{E_x}\text{}-{\varphi }_{H_y}\right)-\text{}{E}_{0y}{H}_{0x}\text{}\cos \left({\varphi }_{E_y}\text{}-{\varphi }_{H_x}\right)\right].$ (13)

Так как две составляющие в (13) должны быть одного знака, то для этого необходимо, чтобы $|{\varphi }_{E_y}-{\varphi }_{H_x}|>\pi /2.$

Направление потока энергии МТ поля (т.е. знак $S_z$-компоненты) может быть определено и по мгновенному потоку энергии. Последний определяется по реальным зарегистрированным компонентам МТ поля. Можно показать, что для гармонических составляющих с временной зависимостью вида $\cos (wt+\varphi )$ и определению мгновенного потока по формуле в работе [Гольдштейн, Зернов, 1971]:

$S_z^m\left(t\right)=E_x\left(t\right)H_y\left(t\right)-E_y\left(t\right)H_x\left(t\right)$ (14)

его последующее усреднение (интегрирование) по периоду колебаний или временному интервалу приводит к выражению аналогичному (13). Подобные расчеты целесообразно выполнять после узкополосной цифровой фильтрации зарегистрированных колебаний, когда устраняются длиннопериодные тренды нулевой линии, могущие привести к большим значениям -компоненты и изменению ее знака.

Локальные проводящие неоднородности геоэлектрического разреза могут существенно исказить амплитудную структуру МТ поля, но не затрагивают его фазовые характеристики, позволяющие более адекватно оценивать региональную степень неоднородности разреза. В этом случае для оценки степени неоднородности разреза используется параметр асимметрии  фазового тензора и угол ориентации  системы координат его эллипса относительно опорной системы координат, определяемые, согласно работе [Caldwell et al., 2004], как:

$\beta =\frac{1}{2}\text{arctg}\left(\frac{{\Phi }_{xy}-{\Phi }_{yx}}{{\Phi }_{xx}+{\Phi }_{yy}}\right)$ (15)

и

$\alpha =\frac{1}{2}\text{arctg}\left(\frac{{\Phi }_{xy}+{\Phi }_{yx}}{{\Phi }_{xx}-{\Phi }_{yy}}\right).$ (16)

Разность этих величин $\theta =\alpha -\beta$ определяет направление большой оси эллипса фазового тензора  ориентирующегося в направлении главных осей 2D-структуры. Дополнительно, по формулам, приводимым в работах [Caldwell et al., 2004; Bibby et al., 2005] рассчитывались минимальные ${\Phi }_{\min }$и ${\Phi }_{\max }$ максимальные  значения фазового тензора, являющиеся малой и большой полуосями его эллипса:

${\Phi }_{\min }={\left({{\Phi }_1}^2+{{\Phi }_3}^2\right)}^{1/2}-{\left({{\Phi }_1}^2+{{\Phi }_3}^2-{{\Phi }_2}^2\right)}^{1/2},$ (17)

${\Phi }_{\max }={\left({{\Phi }_1}^2+{{\Phi }_3}^2\right)}^{1/2}+{\left({{\Phi }_1}^2+{{\Phi }_3}^2-{{\Phi }_2}^2\right)}^{1/2},$ (18)

где ${\Phi }_1=tr\left(\Phi \right)/2;$ ${\Phi }_2=\det \left(\Phi \right)/2;$ ${\Phi }_3=sk\left(\Phi \right)/2$ шпур, определитель и асимметрия фазового тензора, соответственно, являющиеся его инвариантами. Вычислялась также эллиптичность эллипса фазового тензора, определяемая как:

$\epsilon =\frac{{\Phi }_{\min }}{{\Phi }_{\max }}.$ (19)

Эллиптичность фазового тензора  характеризующаяся отношением ${\Phi }_{\min }$ и ${\Phi }_{\max }$ значений в (19) и параметр  определяют тип геоэлектрического разреза. В 1D-разрезах $\beta =\mathrm{0,}$ а ${\Phi }_{\min }={\Phi }_{\max }$ и эллипс вырождается в окружность. 2D-разрезы будут характеризоваться $\beta =\mathrm{0,}$ но при этом ${\Phi }_{\min }\ne {\Phi }_{\max }$ и, в крайнем случае, контакта двух блоков с высокой контрастностью электрических проводимостей эллипс будет представляться прямой линией. Принято считать [Caldwell et al., 2004], что при $\beta <3°-5°$ разрез можно рассматривать близким к 1D или 2D. В то время как при $\beta >3°-5°$ и ${\Phi }_{\min }\ne {\Phi }_{\max }$ он может рассматриваться как трехмерный, повышая свою выраженность при возрастании значений

Использование этих величин фазового тензора позволяет оценить степень неоднородности геоэлектрического разреза и сопоставить ее с выходом фаз импеданса из их квадрантов, имея в виду и пониженную чувствительность фаз к локальным проводящим неоднородностям. Имеющиеся результаты исследований указывают на эффект изменения направления потоков энергии в МТ поле в случае высокой контрастности проводимостей блоков 2D геоэлектрического разреза [Selway et al., 2012], что будет проявляться и в случае его 3D-структуры.

5. РЕЗУЛЬТАТЫ ОБРАБОТКИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ

5.1. Поляризация МТ поля

Для исследования причин необычного поведения амплитудных и фазовых характеристик тензора импеданса в пункте CTH были рассмотрены поляризационные характеристики горизонтальных компонент зарегистрированных магнитных и электрических вариаций. Для устранения влияния длиннопериодных трендов в полученных реализациях они подвергались цифровой полосовой фильтрации во временной области с использованием цифровых фильтров, описанных в работе [Отнес, Эноксон, 1982]. Годографы электрических и магнитных вариаций, изображенных в исходной системе координат на ограниченных временных интервалах, чтобы различать годографы движения электрических и магнитных векторов полей, представлены на рис. 2. Из рисунка видно, что как магнитные, так и электрические составляющие имеют квазилинейную поляризацию, которая при сужении полосы пропускания фильтра на разных частотных интервалах переходит в линейную. При этом направление электрического поля выдерживается во всем диапазоне периодов, зарегистрированных вариаций, устанавливаясь в направлении ≈60° на СВ. Преимущественная ориентация магнитных вариаций варьирует при увеличении периода от практически меридионального направления в области короткопериодных вариаций, до уклонения от него на ≈15° к СВ в области длинных периодов. Вследствие этого меняется и угол между преимущественными ориентациями магнитных и электрических вариаций от ≈60° на коротких периодах до ≈45° на длинных. При сужении полосы пропускания узкополосных фильтров до 990–1000 с, т.е. рассмотрении поляризации узкополосных электрических и магнитных вариаций в области длинных периодов этот угол уменьшается до ≈20°.

Рис. 2. Поляризация вариаций электрического (черная линия) и магнитного полей (серая линия) полей в пункте CTH после полосовой фильтрации с полосами пропускания 10–40 с (а) и 10–1000 с (б).

5.2. Амплитудные и фазовые кривые кажущегося сопротивления

Компоненты тензора импеданса, используемые при расчете кажущихся сопротивлений и фаз по (3), (4), рассчитывались по отфильтрованным вариациям МТ поля. Это выполнялось с целью ослабить влияние длиннопериодных трендов и присутствовавшего в электрических каналах высокочастотного шума. Расчеты выполнялись по программе, основные особенности которой описаны в работе [Старжинский, Никифоров, 2011], в которой были введены критерии (10), (11) для оценки знака $S_z$-компоненты потока энергии в МТ поле. В практике его использования эпизодически встречались случаи с $S_z<0$ на узких частотных интервалах, которые трактовались действием помех в данных. При обработке данных пункта CTH соотношение $S_z<0$ наблюдалось во всем диапазоне периодов от 10 до 10⁴ с зарегистрированных вариаций.

Рассчитанные кривые кажущегося сопротивления (КС) и фаз импедансов представлены на рис. 3. Особенностью поведения кривых КС как для главных, так и для дополнительных импедансов является то, что при возрастании периода T колебаний начиная с  $T\approx$200 с они резко возрастают практически в направлении асимптоты, которое в осях $\rho -T$ составляет угол 45° с осью T. Причем в области длинных периодов (рис. 3а) наблюдается близость значений КС ${\rho }_{yx},$ ${\rho }_{xx}$ и ${\rho }_{xy},$ ${\rho }_{yy}.$ 

Рис. 3. Амплитудные (а) и фазовые (б) кривые кажущегося сопротивления в пункте CTH, полученные в результате обработки МТ вариаций и их стандартные отклонения. Цифрами на графике (б) пронумерованы квадранты фаз.

Аналогичная тенденция наблюдается и у фазовых кривых (рис. 3б) . При этом необходимо отметить, что фазы главных импедансов ${\varphi }_{xy}$ и ${\varphi }_{yx}$ лежат во 2-ом и 3-ем квадрантах, где косинус их значений отрицательный по величине, т.е. оба сомножителя в соотношении (10) имеют одинаковые знаки. Это значит, что соотношение (10) не будет выполняться, свидетельствуя об отрицательных потоках энергии, направленных вверх.

5.3. Характеристики фазового тензора в пункте CTH

Рассчитанные характеристики фазового тензора представлены на рис. 4. График асимметрии фазового тензора, изображенный на рис. 4а, указывает на возрастание ее абсолютной величины $\left|\beta \right|$ с возрастанием периода вариаций от значений около 20° до значений, близких к 90°, с заметным увеличением скорости возрастания на периодах превышающих ≈200 с. При этом необходимо понимать, что в $\beta$ в меньшей степени проявляется влияние мелких локальных проводящих неоднородностей за счет устранения гальванических эффектов в фазовых характеристиках. Следовательно возрастание $\beta$ с возрастанием периода указывает на увеличение региональной 3D-неоднородности разреза. Во всяком случае, очевидно, что исследуемый разрез должен рассматриваться как трехмерных во всем диапазоне зарегистрированных вариаций.

Рис. 4. Интерпретационные параметры фазового тензора в пункте CTH: (а) – асимметрия фазового тензора; (б) – ориентация большой оси эллипса фазового тензора; (в) – эллиптичность эллипса фазового тензора.

Аналогичные высокие, но несколько меньшие, значения $\beta \approx 40°$ были получены в складчато-надвиговой области в Иране к востоку от Персидского залива, возникшей в результате столкновения Арабской и Евроазиатской плит с широким развитием магматических и интрузивных пород и разломной тектоникой [Haghighi et al., 2018].

На графике рис. 4б представлено направление большой оси эллипса фазового тензора, выражающееся углом, отсчитываемым от оси x с положительными значениями в направлении движения часовой стрелки. Углы $\theta$ рассчитывались как разность значений $\alpha$ и $\beta$ в выражениях (16), (15), соответственно. Видно, что в области длинных периодов большая ось эллипса устанавливается в направлении $\approx 45°$ на СВ, что близко к преимущественному направлению электрического поля, изображенному на рис. 2. При определении простирания геологической структуры по углу  необходимо учитывать, что оно будет определяться с 90° неопределенностью [Bibby et al., 2005].

Не так определенно поведение эллиптичности фазового тензора, представленной на рис. 4в. Но тем не менее видно, что на периодах, больших 200 с, ее значения находятся в диапазоне 0–0.3, что указывает на присутствие контрастных проводимостей в геоэлектрическом разрезе.

5.4. Потоки энергии во временной и частотной областях

Таким образом, из вышеизложенного следует, что в разрезе вектор плотности потока электромагнитной энергии будет характеризоваться отрицательным значением вертикальной компоненты, указывающей на восходящие к дневной поверхности потоки энергии. В связи с этим возникает вопрос о знаке вертикальной компоненты плотности потока энергии в падающей (возбуждающей разрез) волне. Ранее оцениваемые ее знаки для других реализаций МТ поля были положительными, как положительными были и знаки $S_z$-компоненты, определяемые с использованием квадратичной формы (8) и никакого противоречия не возникало.

Для того чтобы рассмотреть этот вопрос применительно к конкретному пункту CTH, были рассчитаны средние и мгновенные вертикальные компоненты $S_z$ в частотной и временной областях по (7), (13), (14). При расчетах в частотной области использовались амплитудные спектры зарегистрированных компонент МТ поля, полученные с помощью алгоритма быстрого преобразования Фурье отфильтрованных исходных компонент, умноженных на оконную функцию Кайзера [Голд, Рэйдер, 1973] для уменьшения эффектов конечной длительности выборки. Функция Кайзера наиболее близка к оптимальным оконным функциям, построенным на основе использования вытянутых сфероидальных волновых функций, и является их упрощенной аппроксимацией [Рабинер, Гоулд, 1978]. Во временной области мгновенные спектры рассчитывались по (14) с последующим усреднением по временному интервалу.

На рис. 5а представлено спектральное распределение вертикальной компоненты вектора плотности потока энергии, рассчитанное по отфильтрованным колебаниям с полосой пропускания фильтра 5–1000 с. Из рисунка видно, что $S_z>0$ на всем интервале периодов за исключением, может быть, самой короткопериодной области, где просматриваются значения с $S_z<0.$

Рис. 5. Вертикальная компонента среднего потока энергии в спектральной области после полосовой фильтрации исходной реализации с полосой пропускания фильтра 5–1000 с.

6. ОБСУЖДЕНИЕ ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ

Представленные на рис. 2 годографы поляризации МТ поля указывают на стабильную ориентацию электрического поля в направлении ≈60° на СВ. Согласно рис. 1, это направление вкрест простирания основных региональных структур. К тому же, точка измерений, согласно представленным на рис. 1 данным, находится над выступом кристаллического фундамента. При этом ориентация электрического поля может определяться морфологией его поверхности и направлением его макро-и микротрещиноватости, способствующих канализации электрического тока, индуцируемого вариациями геомагнитного поля. Нарушение ортогональности главных направлений магнитного и электрического годографов, видимое на рисунке, свидетельствует о геоэлектрической неоднородности разреза. Такая устойчивая ориентация электрического поля с изменением периода, по-видимому, свидетельствует о влиянии поверхностных геоэлектрических неоднородностей, в то время как изменение ориентации магнитных годографов в этом случае может вызываться влиянием глубинных или удаленных от пункта по горизонтали проводящих неоднородностей.

Представленные на рис. 3 амплитудные и фазовые кривые кажущегося сопротивления по своему виду явно имеют аномальный характер. Во-первых, это видно из поведения амплитудных кривых ${\rho }_{xx},{\rho }_{xy},{\rho }_{yx},{\rho }_{yy},$ которые на периодах более 200 с резко возрастают практически вдоль асимптоты и не выполаживаются даже на периоде 10⁴ с. Такое их поведение трудно объяснить а рамках 1D-, 2D-, 3D-разрезов с умеренными контрастностями удельных сопротивлений. И более того значения ${\rho }_{xx}\text{, }{\rho }_{yy},$ близки к значениям ${\rho }_{xy}\text{, }{\rho }_{yx},$ что может указывать на высокую степень неоднородности геоэлектрического разреза.

Подобные кривые невозможно интерпретировать в рамках обычных представлений. Тем не менее мы задействовали программу 3D-инверсии МТ импедансов ModEM [Egbert, Kelbert, 2012] для этой цели с заданием стартовой модели в виде однородного полупространства с $\rho =100\text{ Ом}\cdot \text{м.}$ Но получить модель с приемлемой степенью аппроксимации экспериментальных данных не удалось. Нормированное среднеквадратическое отклонение составляло около 24. Это указывает на то, что необходимо подбирать какую-то сложную стартовую модель способную понизить это значение. Это окажется возможным, если удастся объяснить какими особенностями разреза обусловлено такое поведение кривых кажущегося сопротивления.

В этом отношении можно вспомнить высказывавшуюся Г.А. Фонарёвым возможность обнаружения распространяющейся из недр Земли к поверхности плоской электромагнитной волны путем регистрации МТ вариаций на поверхности. В этом случае возбуждается горизонтально-слоистый разрез, подстилаемый воздушным слоем, имеющим бесконечно большое удельное сопротивление, и правые восходящие ветви кривых кажущихся сопротивлений должны неограниченно возрастать и, выполаживаясь, приближаться к значениям удельного сопротивления воздуха. Возможно, этот механизм каким-то образом реализуется и в сложных 3D-разрезах, в которых локально существуют области с восходящими к поверхности потоками плотности электромагнитной энергии, что и вызывает возрастание правых ветвей кажущегося сопротивления.

Отмеченные особенности поведения кривых кажущегося сопротивления и фаз импеданса на пункте CTH проявляются в разной степени на двух других пунктах KSN и YNK. Так, на первом пункте также наблюдаются восходящие ветви кривых ${\rho }_{xy}$ и ${\rho }_{yx}$ на периодах более 200 с и наиболее выраженные на кривых ${\rho }_{yx}.$ Характер этого возрастания значений не такой крутой как на пункте CTH и надо иметь ввиду что на этом пункте ${\rho }_{yx}$ почти на два порядка больше ${\rho }_{xy},$ а его фаза во всей области периодов располагается в первом квадранте, в то время как фаза ${\varphi }_{xy}$располагается в третьем. Отрицательные значения $S_z$ здесь определяются только для периодов более 1000 с.

На пункте YNK нет выраженных восходящих ветвей кривых кажущегося сопротивления, но здесь ${\rho }_{xy}$ более чем на порядок больше ${\rho }_{yx}.$ При этом фаза ${\varphi }_{xy}$ располагается в третьем квадранте, а ${\varphi }_{yx}$ в первом, т.е. и здесь фазы располагаются вне своих квадрантов. Отрицательные значения вертикальной компоненты потока энергии отмечаются только на периодах, не превышающих ≈800 с.

Необходимо заметить, что согласно (7), (13) выражение для расчета $S_z$ содержит два слагаемых, которые могут как складываться, так и вычитаться, уменьшая значение $S_z$ в последнем случае. Это указывает на то, что потоки энергии этих двух слагаемых могут быть разнонаправленными. Из этого следует, что из своего квадранта может выходить либо фаза ${\varphi }_{xy},$ либо ${\varphi }_{yx}.$ Последний случай описан в работе [Piña-Varas, Dentith, 2018], в которой он отмечается для $Z_{yx}$-компоненты импеданса и заключается в том, что с возрастанием периода вариаций фаза ${\varphi }_{yx}$ переходит из 3-его квадранта, нормального для нее, в 4-ый квадрант. К сожалению, в работе не анализируются потоки энергии и невозможно ничего сказать о направленности компоненты $S_z$ потока энергии. В данном случае он может быть как положительным, так и отрицательным в зависимости от знаков и величин двух слагаемых, его составляющих. Применение в этом случае программы ModEM позволило построить геоэлектрическую модель изучаемого района несмотря на то, что на некоторых пунктах измерений фазы $Z_{yx}$ импеданса выходили из своих квадрантов.

Раздельный анализ потоков энергии этих двух компонент наглядно представлен для случаев моделирования простых 2D-моделей поверхностных проводящих осадков на высокоомном основании [Selway et al., 2012] и берегового эффекта на контакте суша–море в работе [Key, Constable, 2011]. В этих моделях $S_z$ рассчитывается по компонентам МТ поля в модельном разрезе, полученном для продольной и поперечной поляризаций в результате решения прямой МТ задачи. Фиксируемый при этом выход фазы только продольного импеданса из своего квадранта сопровождается появлением в разрезе областей с отрицательными потоками энергии.

В нашем случае наличие таких областей в разрезе можно обнаружить, используя рассчитанные экспериментальные импедансы и соотношения (10), (11) для всего регистрируемого диапазона периодов, определяя интервалы, на которых эти соотношения не выполняются.

Изучение эффекта ВФК в работе [Piña-Varas, Dentith, 2018] показало, что он может наблюдаться в одном случае во всем диапазоне углов вращения матрицы импеданса, а в другом – только в определенном диапазоне изменения углов. Для того, чтобы выяснить как вращение будет сказываться на наших данных, были произведены расчеты импедансов и направления потоков энергии при использовании горизонтальных компонент вариаций МТ поля, пересчитанных в систему координат, повернутую относительно исходной на угол 60°, т.е. в направлении преимущественной ориентации электрического поля. При этом оказалось, что компонента потока энергии $S_z<0$ во всем диапазоне периодов вариаций, а восходящие ветви кривых КС сохранились, несколько изменившись.

Так как в рассмотренных ранее 2D-моделях среды присутствовал контакт контрастных по проводимости блоков вдоль одного направления и выход фазы из квадранта наблюдался только для одной поляризации поля, то можно предположить, что при наличии двух пересекающихся контактов ВФК будет наблюдаться для обеих поляризаций. В этом случае наблюдаемый нами выход обеих фаз ${\varphi }_{xy}$ и ${\varphi }_{yx}$ из своих квадрантов в пункте CTH можно объяснить существованием в районе исследований двух пересекающихся разломов. Один из них в области СМС сутуры, а второй представлен секущим TX-VL разломом, изображенным на рис. 1 и фиксируемым по геофизическим данным в работе [Duong et al., 2021] вдоль которого юго-восточное окончание СМС структуры контактирует со структурами прибрежной области.

Из проведенных исследований следует, что эффект ВФК наблюдается при существовании в районе регистрации вариаций электрически контрастных поверхностных как локальных, так и региональных блоков. При этом возникает вопрос не могут ли подобным образом проявляться и находящиеся на глубине контактирующие проводящие и высокоомные блоки. Для его разрешения необходим как соответствующий анализ уже имеющегося экспериментального материала, так и расчеты МТ полей для моделей с глубинными электрически высококонтрастными образованиями.

Аномальное поведение характерно и для фазовых кривых, представленных на рис. 3б. Они лежат вне своих квадрантов за исключением самой короткопериодной части кривых ${\varphi }_{xx}\text{, }{\varphi }_{yx},$ где согласно (5) $\mathrm{Re}{Z}_{yx}>\mathrm{0,}$ а $\mathrm{Re}{Z}_{xy}<0$ и выражение (10) должно быть положительным, но, видимо, за счет больших значений дополнительных импедансов выражение (11) не выполняется и потоки энергии направлены снизу вверх. И таким образом, согласно критериям (10), (11) для рассчитанных импедансов потоки энергии будут аномальны во всем диапазоне периодов.

Но если рассчитывать потоки энергии по (13), (14) как во временной, так и в частотной областях по исходным реализациям, то они будут положительными, т.е. направленными вниз для всего диапазона периодов, за исключением, может быть, самой короткопериодной области, как это видно на рис. 5. В этом случае можно усмотреть некоторое подобие с результатами работы [Selway et al., 2012], в которой указывается, что результирующий поток энергии будет являться суммой нисходящего и восходящего потоков. И вполне вероятно, что в этом диапазоне периодов восходящий поток превосходит нисходящий с обратным соотношением в остальной области периодов. Вполне понятно, что для исследования этого явления необходимо произвести расчеты структуры МТ полей и потоков энергии в сложных 3D-моделях среды аналогично тому, как это было сделано для 2D-моделей.

О сложном строении исследуемого разреза говорят и интерпретационные параметры фазового тензора, представленные на рис. 4. С учетом этого можно попытаться обнаружить подобное явление и в других регионах. Для этого, по публикациям, необходимо выбрать районы с подобными же значениями фазовой асимметрии  или других критериев 3D-разреза и определить направленность потока энергии по экспериментальным значениям импедансов.

ВЫВОДЫ

В результате обработки записей вариаций МТ поля, зарегистрированных в пункте CTH в Северном Вьетнаме, зафиксирован эффект одновременного выхода из своих квадрантов фаз импедансов $Z_{xy}$ и $Z_{yx},$ что сопровождается появлением в разрезе восходящих вверх потоков плотности электромагнитной энергии. В этих условиях наблюдается и необычное поведение всех кривых кажущегося сопротивления, заключающееся в неограниченном их возрастании с увеличением периода вариаций, начиная со значения около 200 с.

Такое поведение кривых кажущегося сопротивления и соответствующих импедансов делает невозможным осуществление 3D-инверсии импедансов для построения модели геоэлектрического разреза из-за больших ошибок аппроксимации экспериментальных данных. Для их понижения необходимо сконструировать стартовую модель разреза, способную адекватно отражать особенности поведения импедансов и их фаз на пункте CTH.

Подобные эффекты, но с выходом только одной из фаз импедансов из ее квадранта, наблюдаются на континенте в местах залегания поверхностных низкоомных осадков на высокоомном фундаменте [Selway et al., 2012; Piña-Varas, Dentith, 2018] или на побережье и дне морей [Key, Constable, 2011; Wang et al., 2019]. Они объясняются простыми 2D-моделями с высокой контрастностью проводимостей осадков (морской воды) и основания, достигающей значений в 1000 Ом ‧ м и более. При этом диапазон периодов, в пределах которых развиты эти эффекты, определяется соотношениями, связывающими мощность осадков или слоя воды, их удельных сопротивлений и удельного сопротивления фундамента.

Представляется, что с учетом всей имеющейся информации наблюдать подобные эффекты наиболее вероятно вблизи водоемов с соленой водой (морские бухты, соленые озера, разломы, насыщенные проводящими флюидами) и структур с высокой электрической контрастностью проводимостей слагающих их блоков горных пород.

ФИНАНСИРОВАНИЕ РАБОТЫ

Исследование выполнено при финансовой поддержке государственного задания по теме № 0211-2021-0015, регистрационный номер: 121021500053-6.

БЛАГОДАРНОСТИ

Автор благодарен Г.Н. Шкабарне за выполнение регистрации вариаций МТ поля, создателям всех упомянутых в статье сайтов за возможность доступа к представленным на них данным и публикациям, а также междунанодному гравиметрическому бюро (Bureau Gravimetrique International (BGI). DOI:10.18168/BGI) за доступ к гравиметрическим данным.

Об авторах

С.  С.  Старжинский

Автор, ответственный за переписку.
Email: ss_stars@poi.dvo.ru
Россия, Владивосток

Список литературы

Дополнительные файлы

Доп. файлы

Действие

1. JATS XML

Скачать

2. Рис. 1. Тектоническое строение района исследований, наложенное на карту аномалий глобальной модели гравитационного поля в редукции Буге WGM2012 по работе [Bonvalot et al., 2012], и положение пункта измерений CTH. Толстыми черными линиями изображены региональные разломы, тонкими – локальные. Голубыми линиями оконтурены глубины в км (голубые числа) до кристаллического основания по данным интерпретации регионального гравитационного поля по работе [Duong et al., 2021]. Пунктиром, проходящим через пункт измерения, обозначено преимущественное направление электрического поля.

Скачать (1MB)

Метаданные

3. Рис. 2. Поляризация вариаций электрического (черная линия) и магнитного полей (серая линия) полей в пункте CTH после полосовой фильтрации с полосами пропускания 10–40 с (а) и 10–1000 с (б).

Скачать (291KB)

Метаданные

4. Рис. 3. Амплитудные (а) и фазовые (б) кривые кажущегося сопротивления в пункте CTH, полученные в результате обработки МТ вариаций и их стандартные отклонения. Цифрами на графике (б) пронумерованы квадранты фаз.

Скачать (397KB)

Метаданные

5. Рис. 4. Интерпретационные параметры фазового тензора в пункте CTH: (а) – асимметрия фазового тензора; (б) – ориентация большой оси эллипса фазового тензора; (в) – эллиптичность эллипса фазового тензора.

Скачать (256KB)

Метаданные

6. Рис. 5. Вертикальная компонента среднего потока энергии в спектральной области после полосовой фильтрации исходной реализации с полосой пропускания фильтра 5–1000 с.

Скачать (223KB)

Метаданные