Лаборатория электромагнитных полей ИНГГ СО РАН, г....

23
Лаборатория электромагнитных полей Лаборатория электромагнитных полей ИНГГ СО РАН, г. Новосибирск ИНГГ СО РАН, г. Новосибирск ПЛОТКИН В.В. ПЛОТКИН В.В. МОДЕЛИ ГАЛЬВАНИЧЕСКИХ И ИНДУКЦИОННЫХ ЭФФЕКТОВ ПРИ МАГНИТОТЕЛЛУРИЧЕСКОМ ЗОНДИРОВАНИИ

Upload: mufutau-kane

Post on 03-Jan-2016

73 views

Category:

Documents


1 download

DESCRIPTION

МОДЕЛИ ГАЛЬВАНИЧЕСКИХ И ИНДУКЦИОННЫХ ЭФФЕКТОВ ПРИ МАГНИТОТЕЛЛУРИЧЕСКОМ ЗОНДИРОВАНИИ. ПЛОТКИН В.В. Лаборатория электромагнитных полей ИНГГ СО РАН, г. Новосибирск. Искажения кривых МТЗ вызваны нелокальностью электромагнитного отклика зондируемой среды. - PowerPoint PPT Presentation

TRANSCRIPT

Page 1: Лаборатория электромагнитных полей ИНГГ СО РАН, г. Новосибирск

Лаборатория электромагнитных полейЛаборатория электромагнитных полейИНГГ СО РАН, г. НовосибирскИНГГ СО РАН, г. Новосибирск

ПЛОТКИН В.В.ПЛОТКИН В.В.

МОДЕЛИ ГАЛЬВАНИЧЕСКИХ И ИНДУКЦИОННЫХ ЭФФЕКТОВ ПРИ МАГНИТОТЕЛЛУРИЧЕСКОМ

ЗОНДИРОВАНИИ

Page 2: Лаборатория электромагнитных полей ИНГГ СО РАН, г. Новосибирск

Искажения кривых МТЗ вызваны нелокальностьюэлектромагнитного отклика зондируемой среды.Рассмотрим простую модель, когда горизонтально слоистая среда включает локализованные возмущения электропроводности вида:),,( zyx

dVzyxzzyyxxzyx ),,(),()()(),,( 11 При возбуждении среды вертикально падающей плоской волной амплитуды пространственных гармоник поля первого приближения удовлетворяют следующим уравнениям (по методу возмущений, поле ~ ):

nyxn

yxyikxik

yxnyx

ikkk

zEzzei

ekzd

edyx

022

)0(,2

10)1(,

2

2

)1(,

2

),()(8

tie

Page 3: Лаборатория электромагнитных полей ИНГГ СО РАН, г. Новосибирск

Тогда для амплитуд справедливо выражение (без учета отражений от земной поверхности):

Здесь необходимо учесть связь полей на уровне возмущения с их значениями на земной поверхности. Она выражается достаточно громоздкими формулами.

),(8

2)( )0(

,210

11

)1(, zEe

i

RkRk

RRze yx

yikxikyx

yx

.122

2

111

N

N

k

karcthhkcth

k

karcthhkcthR

Page 4: Лаборатория электромагнитных полей ИНГГ СО РАН, г. Новосибирск

Приведем для наглядности окончательные выражениядля случая возмущения в однородной среде:

Электрическое поле представляет собой сферическую волну из точки локализации неоднородности и затухающую в среде на расстояниях порядка толщины скин-слоя от центра неоднородности.

,)(4

),,(22

0

)(10

0,0)1(

,

2200

0

zzr

eieEzyxE

zzrkzk

yxyx

.)()(

,4

)0,,(

2220

220

10,0

)1(,

2200

0

yyxxr

zr

e

zeEyxH

zrkzk

yxxy

Page 5: Лаборатория электромагнитных полей ИНГГ СО РАН, г. Новосибирск

Вклад в добавки к импедансам в точке зондированияот удаленных как по глубине, так и по латерали малых возмущений электропроводности определяется следующим образом:

.,,

,),(,),(),(4

)0(

)1()0()1()1(

)0(

)1()0()1()1()1()1(

22

21

2100

01

0

)1(22

210

0

y

xyxyyy

x

yxyxxxxyyx

kzk

xy

H

HZEZ

H

HZEZZZ

ezr

zkzr

ie

k

iZ

.),(),()(4 0

21

0

)1( 0

zyyzyk

zyyy

xxi

ek

iZ zkxx

При 222 )()( zyyxx

При 222 )()( zxxyy

.),(),()(4 0

21

0

)1( 0

zxxzxk

zxxx

yyi

ek

iZ zkyy

Page 6: Лаборатория электромагнитных полей ИНГГ СО РАН, г. Новосибирск

Рассмотренные возмущения поля носят индукционный характер, так как при понижении частоты их амплитуда стремится к нулю. В то же время толщина скин-слоя на больших временных периодах неограниченно возрастает, необходим учет все более дальних неоднородностей.

С другой стороны, если толщина скин-слоя много больше размера неоднородности, поле подчиняется другому уравнению, становится потенциальным, не зависит от частоты и описывает гальванические эффекты:

).,,(),,(,0 )0()1(0 zyxEzyxEjdiv

zzyyxxrr

rEr

r

EzyxE

,,,

3

4),,(

5

)0(

3

)0(

0

1)1(

Его решение описывается полем электрического диполя:

Page 7: Лаборатория электромагнитных полей ИНГГ СО РАН, г. Новосибирск

При описании гальванических искажений использовался метод возмущений. Если возникающие в неоднородной среде заряды приводят к полям, сравнимым по величине с полем, возбуждающим среду, нужно учитывать и их влияние на перераспределение зарядов:

rrRVdR

R

r

rrEErE

,)(

)()(

4

1)(

30

Если в горизонтально слоистой среде неоднородности сосредоточены в тонкой в сравнении с толщиной скин-слоя пленке, то после интегрирования по ее толщине для горизонтальных компонент электрического поля верно:

,,,),(),(

),(),(),(

),(),(

4

1),(

3

0

yyxxRydxdR

RyxEyxE

yxTyxSyxS

yxSyxEEyxE

zz

Page 8: Лаборатория электромагнитных полей ИНГГ СО РАН, г. Новосибирск

Используя двумерное Фурье разложение и представляя неоднородностей пленки следующим образом

получим уравнение для горизонтальных компонент электрического поля на пленке в виде:

,exp),(4

1),(

,exp),(),(

2dxdyyikxikyxST

S

Skkf

dkdkyikxikkkfyxSTS

S

yxyx

yxyxyx

.

,0)()()(

),(),(

1

122

12

2111

*

)1(

)1(22*

1

22

0

NN

NN

yx

yxyxyx

yx

k

karcthhkcth

k

karcthhkcthR

ddkekif

kkekkRk

kkkkfE

Page 9: Лаборатория электромагнитных полей ИНГГ СО РАН, г. Новосибирск

Рассмотрим простой случай, когда неоднородности представлены одной пространственной гармоникой:

Тогда для поля получается следующее выражение:

.)()(),(

,),(

00

00

kkkkFkkf

eeFyxSTS

S

yx

rkirki

.,2/,sinexp),(,

1

2/

,3cos2cosImsin121

Im2)(

000*0

02

002

220

000

consthkhFrkSyxSR

hki

rkrkrkk

EkkrE

Поле определяется величиной приведенного импеданса полупространства под пленкой, отношением толщины пленки к характерному размеру неоднородностей. Оно не зависит от средней электропроводности пленки.

Page 10: Лаборатория электромагнитных полей ИНГГ СО РАН, г. Новосибирск

Кажущееся сопротивление среды в зависимости от периода (вверху) для моделей без приповерхностных неоднородностей (сплошная линия) и с ними (пунктир) в различных пунктах по горизонтали (относительное расстояние ), а также коэффициент гальванического смещения в зависимости от (внизу):

100

101

102

103

104

100

101

102

103

104

0

1

0.4

0.3

0.2

xy, Омм

Т, сек

k0r

0 1 2 3 4 5 60

50

100

150

k0r

xy

.)0(

1)0(

1

2

0

2

20

0

0

2

xyxxy

x

xxxy

y

xx

xyxy

E

E

EE

H

EE

Z

rk0rk0

Page 11: Лаборатория электромагнитных полей ИНГГ СО РАН, г. Новосибирск

Представленные аналитические модели индукционных и гальванических эффектов помогают понять природу нелокальности электромагнитного отклика и особенности возмущений МТ кривых.

Для практики МТЗ важно создать численные алгоритмы учета этой нелокальности отклика поля, требующие минимальных затрат и изменений существующих методик и аппаратуры для эксперимента.

Следует попытаться воспользоваться возможностями синхронной регистрации в ограниченной области на поверхности зондируемой среды с помощью небольшого количества пунктов зондирования и применить новые метода анализа МТ поля .

Page 12: Лаборатория электромагнитных полей ИНГГ СО РАН, г. Новосибирск

Магнитотеллурическое поле имеет диффузионный характер. Поэтому на величинах компонент поля в точке их регистрации (точке 5) существенно сказывается лишь обстановка в окрестности порядка толщины скин-слоя на частоте зондирования.

9

Ly

8

6

7

5

3

4

2

Lx

1

Lz

Это означает, что при инверсииданных и решении обратнойзадачи достаточно варьироватьэлектропроводность лишь в указанной окрестности (точки 1-9)и тем самым снизить требования к необходимым вычислительнымресурсам, а также повыситьбыстродействие алгоритмаобработки данных МТЗ для сложных геологических условий.

Page 13: Лаборатория электромагнитных полей ИНГГ СО РАН, г. Новосибирск

При расчетах электромагнитного поля можно использовать метод Треффца, сходный с методом конечных элементов. Расчетная область представлена совокупностью нескольких конечных элементов в виде параллелепипедов, в которых среда однородна. Внутри элементов в качестве базисных функций используются точные решения уравнений Максвелла в виде плоских волн:

,)(4

)(3

)(2

)(1

llnn zzkzzkyykyykx eaeaeaeaE

,)(8

)(7

)(6

)(5

llmm zzkzzkxxkxxky eaeaeaeaE

.)(12

)(11

)(10

)(9

nnmm yykyykxxkxxkz eaeaeaeaE

Page 14: Лаборатория электромагнитных полей ИНГГ СО РАН, г. Новосибирск

Преимущество алгоритма в том, что можно применить поэтапный подход, при котором исследуемый объем последовательно заменяется возрастающим количеством параллелепипедов. Это дает возможность достигать компромисса между необходимой точностью и вычислительными затратами.

На нижней и на боковых гранях расчетной области были поставлены условия излучения. На верхней грани объема задавались входные значения горизонтальных компонент магнитного или электрического поля.

Для определения всех элементов тензора импеданса в точке зондирования расчет осуществлялся дважды с линейно независимыми входными значениями компонент поля на поверхности объема. Затем определялисьзначения кажущегося сопротивления.

Page 15: Лаборатория электромагнитных полей ИНГГ СО РАН, г. Новосибирск

В качестве примера рассмотрим случаи зондирования 3-D неоднородной среды с двумя слоями пониженного сопротивления, изменяющимися вдоль латеральных координат. Сначала алгоритм и программа проверялись сравнением с результатами для горизонтально слоистой среды (Lx=Ly=600 км):

100

102

104

-100

-90

-80

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

, Омм

глуб

ин

а,

км

100

101

102

103

104

105

100

101

102

103

104

Период, сек

ap,

Ом

м

Lp

xy

yx

Lp

xy

yx

по формулам для горизонтально слоистой среды

Результаты численного счета:

Ex, Ey=0

Ey, Ex=0

Page 16: Лаборатория электромагнитных полей ИНГГ СО РАН, г. Новосибирск

100

101

102

103

104

105

100

101

102

103

104

Период, сек

ap,

Ом

м

Lp

xy

yx

10-5

100

105

-100

-90

-80

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

, Омм

глуб

ин

а,

км

123

10-5

100

105

-100

-90

-80

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

, Омм

456

10-5

100

105

-100

-90

-80

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

, Омм

789

9

Ly

8

6

7

5

3

4

2

Lx

1

Lz

Седло: профили в областях 3, 5, 7 одинаковые, в областях 2, 4, 6, 8 все сопротивления умножены на 0.7, в областях 1 и 9 на 0.1

Page 17: Лаборатория электромагнитных полей ИНГГ СО РАН, г. Новосибирск

100

101

102

103

104

105

100

101

102

103

104

Период, сек

ap,

Ом

м

Lp

ap

xy

yx

10-5

100

105

-100

-90

-80

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

, Омм

глуб

ин

а,

км

123

10-5

100

105

-100

-90

-80

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

, Омм

456

10-5

100

105

-100

-90

-80

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

, Омм

789

9

Ly

8

6

7

5

3

4

2

Lx

1

Lz

Изменение вдоль оси OX:в областях 2, 5, 8 профили одинаковые, в областях 1, 4, 7, и 3, 6, 9 умножены на 0.1Lx=Ly=100 км

Page 18: Лаборатория электромагнитных полей ИНГГ СО РАН, г. Новосибирск

100

101

102

103

104

105

10-1

100

101

102

103

T, сек

+++++ Lp

xy

yx

10-5

100

105

-100

-90

-80

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

глуб

ин

а,

км

, См/м

0.003

0.005

0.005 0.006

0.006 0.007

0.00

70.007

0.007

0.008

0.00

8

0.0

08

0.009

0.009

0.009

0.0080.009

(z=0)

км

км См/м

Карта поверхностных неоднородностей

-50 0 50-50

0

50

2

4

6

8

10x 10

-3

Модель с поверхностными неоднородностями

Дополнительно можно учитывать тонкие в сравнении с толщиной скин-слоя поверхностные неоднородности, ответственные за гальванические эффекты - смещение кривых МТЗ по оси сопротивлений:

Page 19: Лаборатория электромагнитных полей ИНГГ СО РАН, г. Новосибирск

Кажущееся сопротивление зависит от латеральной неоднородности возбуждающего среду поля. Для этой же модели среды и поверхностных неоднородностей электропроводности при возбуждении неоднородным магнитным полем гальванические искажения кривых имеют уже другой вид:

100

101

102

103

104

105

10-2

10-1

100

101

102

103

104

T, сек

+++++ Lp

xy

yx

10-5

100

105

-100

-90

-80

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

глуб

ин

а,

км

, См/м

0.4

0.50.6

0.6

0.7

0.7

0.7

0.8

0.8

0.8

0.8

0.8

км

км

Неоднородное магнитное поле на поверхности

нТл

-50 0 50-50

0

50

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

Page 20: Лаборатория электромагнитных полей ИНГГ СО РАН, г. Новосибирск

Электропроводностьна разных глубинах (слева),

Модуль электрическогополя на поверхности нав зависимости от периода (справа),

Расчеты для случая, когдана поверхности задавалисьпостоянные компоненты магнитного поля Hx=1 нТл Hy=1 нТл

0.00

3

0.004

0.005

0.005

0.00

6

0.006

0.007

0.00

8

0.0

08

0.00

9

0.009

0.008

глуб.0 км , См/м

-50 0 50-50

0

50

2

4

6

8

10x 10

-3

25

30

30

3540

40

40

45

45

50

45

T=1 сек Е(x,y), мкВ/м

-50 0 50-50

0

50

25

30

35

40

45

50

55

0.3

0.4

0.4

0.4

0.4

0.5

0.50.6

0.60.7

0.7

0.8

0.8

0.3

0.9

0.9

0.2

глуб.20 км , См/м

-50 0 50-50

0

50

0.2

0.4

0.6

0.8

1 8

8.5

8.5

9

9

9

9.5

9.510

9.5

9.5

T=10 сек Е(x,y), мкВ/м

-50 0 50-50

0

50

8

8.5

9

9.5

10

0.04

0.05

0.05

0.06

0.060.07

0.07

0.04

0.04

0.08

0.08

0.03

0.09

0.02

глуб.50 км , См/м

-50 0 50-50

0

50

0.02

0.04

0.06

0.08

0.11.15

1.15

1.2

1.2

1.251.25

1.3

1.3

1.3

1.35

1.35

1.35

1.4

T=100 сек Е(x,y), мкВ/м

-50 0 50-50

0

50

1.1

1.2

1.3

1.4

23

4

4

4

4

5

5

5

5

6

6

7

7

8

8

33

9

9

2

глуб.80 км , См/м

-50 0 50-50

0

50

2

4

6

8

10

0.17

0.18

0.19

0.19

0.2

0.2

0.210.21

0.22

0.22

0.22

T=1000 сек Е(x,y), мкВ/м

-50 0 50-50

0

50

0.16

0.18

0.2

0.22

0.24

Page 21: Лаборатория электромагнитных полей ИНГГ СО РАН, г. Новосибирск

Основой алгоритма решения обратной задачи является согласование между собой распределений компонент электромагнитного поля, известных на поверхности среды.

В следующем примере рассмотрим синтетические данные для трехмерно неоднородной среды. По заданным на поверхности горизонтальным компонентам магнитного поля рассчитывались горизонтальные компоненты электрического поля. Определение параметров среды сводилось к минимизации следующего функционала:

).exp(),,(,

),(lg),(lg

),(lg),(lg),(lg),(lg

,,

2

,

20

20

,

20

20

mnlllnmlnmmnl

nmnmynmx

nmnmytnmynmtxnmx

zyx

yxEyxE

yxEyxEyxEyxE

Page 22: Лаборатория электромагнитных полей ИНГГ СО РАН, г. Новосибирск

Результаты решения обратной задачи

10-5

100

105

-100

-90

-80

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

глуб

ин

а,

км

, См/м

8296

0 100 200 300 400 50010

-4

10-2

100

102

0.0002223

Ex,

mkV

/m

0 100 200 300 400 50010

-4

10-2

100

102

279.6393

Ey,

mkV

/m

0.0

030.004

0.005

0.005

0.00

6

0.0

06

0.00

7

0.00

7

0.0080.0

08

0.0090.00

9

0.008

глубина 0 км, , См/м

-50 0 50-50

0

50

2

4

6

8

10x 10

-3

0.0

08

0.008

0.01

0.01

0.01

0.012

глубина 0 км, out, См/м

-50 0 50-50

0

50

4

6

8

10

12

14x 10

-3

0.0040.0040.005

0.005

0.0060.0060.007

0.007

0.008

0.008

0.00

30.002

глубина 10 км, , См/м

-50 0 50-50

0

50

2

4

6

8

10x 10

-3

0.003

0.004

0.004

0.005

0.005

0.006

0.006

0.007

0.007

0.0030.0

02

глубина 10 км, out, См/м

-50 0 50-50

0

50

2

4

6

8x 10

-3

0.3

0.4

0.4

0.4

0.4

0.5

0.50.6

0.60.7

0.7

0.8

0.8

0.3

0.9

0.9

0.2

глубина 20 км, , См/м

-50 0 50-50

0

50

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0.20.3

0.4

0.4

0.5

0.5

0.6

0.6

0.7

0.7

0.8

0.8

0.9

0.9

0.3

1

1

глубина 20 км, out, См/м

-50 0 50-50

0

50

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

0.030.04

0.05

0.050.06

0.060.07

0.07

0.04 0.04

0.08

0.08

0.030.02

глубина 50 км, , См/м

-50 0 50-50

0

50

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

0.0104

0.0104

0.010

6

0.01060.0108

0.0108

0.0110.0110.0112

0.0114

глубина 50 км, out, См/м

-50 0 50-50

0

50

0.01

0.0105

0.011

0.0115

23

4

4

4

4

5

5

5

5

66

7

7

8

8

33

9

9

2

глубина 80 км, , См/м

-50 0 50-50

0

50

2

4

6

8

10

2

2

2

3

3

4

4

5

5

6

6

7

7

8

8

1

9

9

глубина 80 км, out, См/м

-50 0 50-50

0

50

2

4

6

8

10

0.030.040.05

0.050.06

0.060.07

0.07

0.04

0.04

0.08

0.08

0.03

0.09

0.09

0.02

глубина 95 км, , См/м

-50 0 50-50

0

50

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

0.0

100

4

0.01004

0.010040.01003

0.01003

0.010030.010

02

0.01

002

0.01005

0.010050.01001

0.01

глубина 95 км, out, См/м

-50 0 50-50

0

50

0.01

0.01

0.01

0.0101

0.0101

Page 23: Лаборатория электромагнитных полей ИНГГ СО РАН, г. Новосибирск

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Приведенные результаты указывают на применимость выбранного алгоритма для учета искажений кривых МТЗ при зондировании трехмерно неоднородной среды.

Важно, что сложность строения геологической среды определяет лишь время вычислений по данному алгоритму и необходимые для этого ресурсы.

В случае предварительного анализа экспериментальных данных можно ограничиваться лишь грубым описанием среды, существенно снижая время обработки.