КОЛЬСКИЙ ЗОНД

(проект)

ПРИРОДА КОРОВОГО ПРОВОДЯЩЕГО СЛОЯ НА МУРМАНСКОМ

ГЕОБЛОКЕ КОЛЬСКОГО ПОЛУОСТРОВА

Файнберг Э.Б., Абрамова Л.М., Барсуков П.О., Хабенский Е.О.

Цель эксперимента.

Важнейшим объектом исследований современной глубинной геоэлектрики является коровая электропроводность. Обнаруженные в последние годы во многих регионах мира проводящие коровые слои несут информацию о строениии, истории развития Земли и ее динамике. Идеальным полигоном для таких исследований является Балтийский щит, на котором практически нет осадков и поэтому отсутствует экранирование электромагнитного поля. Кольский полуостров можно рассматривать как “окошко” внутрь Земли.
В последнее десятилетие в восточной части Балтийского щита выполнено несколько десятков магнитотеллурических зондирований в диапазоне частот 0.0001-1000 Гц. Эти зондирования выявили широкое распространение проводящего корового слоя, на Кольском геоблоке глубина до этого слоя составляет 8-10 км. Выше и ниже проводящего слоя удельное сопротивление пород достигает 5-6 порядков. Аналогичные коровые слои обнаружены в пределах Белорусско-Балтийского гранулитового пояса в Белоруссии, на древних щитах в Канаде, Индии и ряде других регионов. Природа этих слоев неясна; в настоящее время ведется оживленная дискуссия по этому вопросу.
Некоторыми исследователями ставится под сомнение не только обнаружение проводящего слоя в коре Балтийского щита на таких глубинах, но и, в принципе, не допускается такой возможности. В подтверждение приводятся результаты эксперимента “Хибины”. В 1976-1987 г.г. на Кольском полуострове был поставлен уникальный эксперимент "Хибины" по глубинному зондированию Земли с мощным МГД генератором в качестве источника. Одной из основных задач этого эксперимента было построение распределения глубинной электропроводности земной коры и верхней мантии Балтийского щита. Модель электропроводности Балтийского щита, основанная на данных эксперимента "Хибины", характеризуется очень высоким сопротивлением фундамента и коры (105 - 106 Омм) и некоторым его уменьшением на границе Мохо (до 104 - 105 Омм). В части высокого сопротивления эти результаты согласуются с данными МТЗ, однако они не показывают увеличения электропроводности на глубинах 8-12 км. Следует отметить, что северовосточная часть Кольского полуострова не является идеальным местом ни для глубинных МТЗ, ни для применения метода зондирования с МГД-генератором в его модификации с заземленным кабелем в качестве источника. Обработка и интерпретация глубинных МТЗ здесь осложнена близостью источников геомагнитных возмущений и береговой линиии. Сотрудниками С.-Петербургского университета, поставившими МТЗ, выполнены модельные расчеты возможных искажений МТ-поля и подтвержден вывод о существовании проводящего слоя, однако этот вывод оспаривается сторонниками МГД-результатов. В свою очередь, непроста интерпретация МГД измерений, использующих столь сложный источник, как токовый вихрь вокруг полуострова Рыбачий, содержащий значительную гальваническую часть, подверженную влиянию локальных неоднородностей. Очевидно, что для решения вопроса о наличии проводящего корового слоя и исследования его природы требуется применить метод зондирования свободный от отмеченных недостатков, обладающий низкой чувствительностью к локальным геоэлектрическим неоднородностям, высокой разрешающей способностью и достаточной глубинностью. Таким инструментом является МПП - зондирование по методу переходных процессов с замкнутой петлей в качестве приемо-передающей антенны

II. Техническое обоснование эксперимента

Рассмотрим базовую геоэлектрическую модель эксперимента: двуслойная среда с r1~104 Омм, на глубине h1=10 км лежит проводящий слой сопотивлением r2=200 Омм. Для обеспечения максимальной локальности зондирований (чтобы уйти от влияния береговой зоны и боковых неоднородностей) предполагается поставить МПП с размерами приемо-передающих антенн от 100м х 100м до 4000м х 4000м. Зондирования с различными размерами антенн позволяют однозначно определить влияние боковых неоднородностей (разломов, локальных проводящих включений и пр.) и получить информацию о вертикальном распределении сопротивления начиная от первых десятков метров до глубин 10~12 км. Следует отметить, что зондирования с единой приемо-генераторной антенной показали свою эффективность в диапазоне глубин до 1км при размерах установок до 400м х 400м. Для исследований больших глубин установки этого типа применялись в отдельных экспериментах (Башкирия, ю.Урал, Киргизия).
На рис. 1, 2 показаны рассчитанные для выбранного разреза кривые кажущегося удельного сопротивления и сигнала в совмещенных квадратных установках различных размеров. Как видно из рисунков, информация о хорошо проводящем слое может быть получена:
- либо по поздней стадии становления поля, когда кажущееся удельное сопротивление выходит на асимптоту истинного сопротивления;
- либо по конфигурации и расположению так называемого интерференционного максимума, который проявляется на средней стадии становления. Второй способ предпочтительнее поскольку уровень сигнала в средней стадии на несколько порядков выше, чем в поздней. В данном случае наиболее информативной частью кривой является интервал 1мс - 50 мс по которому можно уверенно определить все три параметра разреза: r1, r2 и h1.
Рис. 2 позволяет оценить уровни полезного сигнала на времени 50 мс для различных размеров установки:
40 мкВ/А - 4000м х 4000м,
9 мкВ/А - 3000м х 3000м,
2 мкВ/А - 2000м х 2000м,
100 нВ/А - 1000м х 1000м
При измерениях в методе переходных процессов обычно применяется скользящая фильтрация, которая обеспечивает сужение частотного диапазона регистрируемого сигнала. Так, при уровне систематических динамических погрешностей регистрации формы импульсов не более 1%, частотная полоса входного сигнала на времени 50 мс может быть сужена до интервала 0.1-50 Гц с хорошим подавлением шумов вне этого интервала.
Как показаывет анализ данных МТЗ, среднее значение вертикальной компоненты магнитной индукции МТ поля для исследуемого района в рабочем диапазоне частот составляет 0.02 нТ. Следовательно, эффективное значение МТ-шума в антенне 4000м х 4000м на времени становления 50 мс может составить

e = wBL2 ~ 2pfL2B ~ 20 мВ


Для обеспечения измерений на временах становления до 50 мс необходимо и достаточно применить зондирующую последовательность прямоугольных импульсов с периодом повторения Т=2*50мс=100 мс, т.е. с частотой 10 Гц. Если предположить далее, что между зондирующим сигналом и помехой нет устойчивой корреляции, то для обеспечения соотношения сигнал:шум = 10:1 на времени становления 50 мс необходимо иметь:
а) ток в петле 10А;
б) число периодов зондирующего сигнала

n=(eпомеха/e сигнала)2 = (200мВ/400мкВ)2 = 25104

в) время измерений:

nТимп = 25104/10 с = 10 часов

г) Сопротивление антенны может быть ~50 Ом (ГПМП, 3.1 Ом/км);
д) Мощность генераторной установки (10А)2 50 Ом = 5 кВт;
е) Вес провода 73 кГ/км 16 км = 1.1 т

The work was supported by Russian Science foundation, project 97-05-64585