Алексеев Дмитрий Александрович
Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук
|
содержание |
Опыт геоэлектрических исследований в зоне перехода от Евроазиатского континента к Тихому океану свидетельствует о присутствии интенсивных аномальных эффектов, связанных со значительными контрастами электропроводности (суша-океан) в относительно тонком с точки зрения глубинных исследований (толщиной до 10 км) приповерхностном слое. Они оказывают существенное влияние на разрешающую способность электромагнитного зондирования по отношению к глубинным аномалиям электропроводности, представляющим основной интерес в геоэлектрических исследованиях. Совокупность этих явлений, получившая в литературе название берегового эффекта, требует адекватного учета при интерпретации электромагнитных данных [Алексеев, 2007].
Береговой эффект анализировался различными исследователями в рамках подходов физического [Dosso, 1973] и математического (численного) [Бердичевский и др., 1989] моделирования. Последнее направление развивалось преимущественно в классе двумерных моделей, однако в последние годы стали появляться попытки трехмерного моделирования [Никифоров и др., 2004].
Физическая природа берегового эффекта имеет достаточно простое объяснение в рамках двумерного приближения, позволяющего разделить аномалию на гальваническую и индукционную части. Гальваническая аномалия связана с перераспределением поперечного (к линии берега) тока, затекающего из проводящего океана в осадочный чехол и глубинные проводящие зоны континента [Бердичевский, Яковлев, 1989]. Индукционная аномалия связана с концентрацией избыточного продольного тока в водной толще в пределах прибрежной зоны.
Предшествующие исследования берегового эффекта концентрировались на изучении амплитудных характеристик магнитотеллурического поля и импеданса [Бердичевский и др., 1989]. В то же время, имеются яркие аномальные эффекты, искажающие фазовые характеристики ЭМ-поля и приводящие к нарушению дисперсионного соотношения в магнитотеллурическом импедансе [Ваньян, Пальшин, 1990; Варенцов и др., 1996].
Соотношение Крамерса-Кронига [Kronig, 1926], являющееся следствием принципа причинности, получило название дисперсионного соотношения. Теория дисперсионных соотношений в магнитотеллурическом импедансе была построена П. Вайдельтом [Weidelt, 1972; Weidelt, Kaikkonen, 1994] и подробно представлена в монографии [Бердичевский, Дмитриев, 1991]. Дисперсионные соотношения связывают кажущееся сопротивление и фазу импеданса:
![\begin {displaymath} ln {{\rho_K (\omega_0)} \over {\rho_K (\infty)}} = {{\pi} \over {4}} pv \int_{0}^{\infty} { [ {{\pi} \over {4}} + \varphi ( \omega )] {{\omega d \omega} \over {\omega^{2}-\omega_0^2}}} \end {displaymath}](http://images.geo.web.ru/pubd/2009/11/16/0001183154/tex/formula1.gif)
где ρK - кажущееся сопротивление, φ - фаза импеданса, ω - частота, pv - главное значение интеграла.
П. Вайдельт доказал существование дисперсионных соотношений в импедансе одномерной среды и в TM-импедансе двумерной среды. Йи и Паулсон [Yee, Paulson, 1988], исходя из принципа причинности, распространили доказательство Вайдельта на среды произвольной размерности (1D, 2D и 3D). Однако этот результат был подвергнут критике, так как в моделях 2D-TE и 3D электрическое и магнитное поля взаимодействуют друг с другом и применение причинно-следственной схемы (магнитное поле - причина, электрическое поле - следствие) не оправдано [Светов, 1991]. Численные эксперименты показали, что существуют трехмерные модели, в которых дисперсионные соотношения в главных импедансах грубо нарушаются, а их фазы выходят за пределы "нормального" (первого или четвертого) квадранта [Berdichevsky, Pokhotelov, 1997].
С целью анализа аномалии, приводящей к нарушению дисперсионного соотношения в TE-импедансе [Алексеев и др., 2009], численное моделирование ЭМ поля выполнено для 2D модели берегового эффекта (рис. 1). Модель содержит горизонтально-слоистую "нормальную" среду, которая на глубинах от 0 до 3 км осложнена контактом двух блоков, отвечающих континенту (слева) и океану (справа). Моделирование проводилось с помощью программы К. Новожинского [Новожинский, Пушкарев, 2001] в диапазоне периодов от 0.25 до 16 ч. На рис. 2. показаны кривые продольного кажущегося сопротивления ρTE и фазы продольного импеданса φTE по профилю длиной 2000 км. Аномальное поведение донных фазовых кривых φTE наблюдается в интервале расстояний 20-260 км от берега. Короткопериодные фазы φTE выходят за пределы "нормального" IV квадранта (0, -90o) и достигают значений -180...-330o. Длиннопериодные фазы φTE (при Т > 8 ч) повсеместно лежат в пределах "нормального" квадранта. В рассматриваемой зоне кривые кажущегося сопротивления ρTE также имеют аномальный характер: они изменяют свой вид и смещаются по уровню в область более низких значений. С увеличением периода аномальный эффект затухает.
Отмечаемая аномалия магнитного поля связана с индуктивным взаимодействием избыточных продольных токов, концентрирующихся в проводящей морской воде в зоне континентального склона, т.е. с горизонтальным скин-эффектом. На дне океана эти токи создают интенсивное аномальное магнитное поле, превышающее нормальное магнитное поле по амплитуде и находящееся с ним практически в противофазе. В результате полное поле оказывается направленным против нормального.
Степень нарушения дисперсионного соотношения можно оценить, сравнивая модельные значения фазы продольного импеданса со значениями фазы, вычисленными по кривым кажущегося сопротивления. На рис. 3. показаны модельные кривые ρTE, φTE и кривая φTE, рассчитанная по модельной кривой ρTE. Кривые зондирования приведены для пункта, находящегося на дне океана на расстоянии 170 км от берега. Расхождения между исходной фазовой кривой и фазовой кривой, вычисленной по кривой кажущегося сопротивления, превышают 90o на периодах менее 10000 с. Максимальное расхождение отмечается на самых коротких периодах и достигает величины 140o. Расхождения уменьшаются с понижением частоты. Наиболее яркие нарушения дисперсионного соотношения отмечаются в интервале 220-260 км. При удалении в сторону океана аномальное магнитное поле затухает и дисперсионные соотношения восстанавливаются.
Таким образом, рассмотренная двумерная модель берегового эффекта демонстрирует нарушение дисперсионных соотношений в магнитотеллурическом импедансе, полученном на дне океана. Характерная особенность этой модели заключается в том, что профиль наблюдений лежит ниже проводящей области, в которой индуцируются интенсивные избыточные токи.
|
