Физика Земли, 2021, № 1, стр. 69-94

2.1. Измерения в поле СНЧ-антенны “Зевс”

Положение Фенноскандинавского щита и Кольского полуострова с расположением архейских блоков земной коры показано на рис. 1а, рис. 1б. Здесь и далее под Кольским полуостровом понимается вся территория Мурманской области до границы с республикой Карелия.

Архейские блоки земной коры Кольского полуострова (рис. 1б) представляют собой монотонные в геологическом отношении провинции, сложенные древнейшими гранитогнейсовыми породами [Батиева, 1978]. Они отличаются в среднем высоким электрическим сопротивлением в десятки тысяч Ом · м и практически полным отсутствием рудоперспективных проводящих объектов. По этой причине архейские блоки долгое время оставались в стороне от интересов электроразведки. Только в начале 70-х годов прошлого века высокое сопротивление архейских пород Мурманского блока привлекло внимание связистов при выборе территории для размещения радиопередающей антенны сверхнизкочастотного (СНЧ) излучения “Зевс”, предназначенной для связи с подводными лодками [СНЧ радиопередающая…, 2015]. Первые зондирования с этой целью выполнены в 1972–1974 гг. А.В. Яковлевым (Ленинградский государственный университет) с установками вертикального электрического зондирования (ВЭЗ) на постоянном токе с разносами АВ до 16 км [Яковлев, 1993]. Работы проводились в западном секторе Мурманского блока. Основное требование при выборе места расположения СНЧ-источника “Зевс” сводилось к тому, чтобы антенна располагалась на достаточно однородной территории высокого удельного электрического сопротивления, порядка 10⁴–10⁵ Ом · м. При выборе площадки выполнено около 100 зондирований ВЭЗ. Обобщение этих измерений выполнено в работе [Семенов, 1978]. Полученные результаты подтвердили среднее высокое сопротивление пород Мурманского блока. Это послужило основанием для размещения в районе Североморска СНЧ-антенны “Зевс”, которая действует по настоящее время и осуществляет связь с субмаринами, находящимися в подводном положении, на удалениях до 10 тыс. км [Velikhov, 1994; СНЧ радиопередающая…, 2015].

В 1990-м году в поле СНЧ антенны “Зевс” выполнены дистанционные зондирования на постоянном токе путем подключения генераторной станции ЭРС-67 непосредственно к кабелю АВ антенны “Зевс”, минуя согласующие конденсаторы главной энергетической установки. Положение питающей линии АВ длиной 55 км и ближних пунктов зондирования (1–13) показано на рис. 1в. Положение дальних (на удалениях до 92 км) пунктов зондирования (14–17) показано на рис. 1б. В линию АВ подавались разнополярные прямоугольные импульсы тока с периодом следования 8 с от генераторной станции “Энергия-4” мощностью 29 кВт. Амплитуда тока, генерируемого по схеме удвоения, составляла 45–50 А при среднем выходном напряжении генераторной станции 600 В. Регистрация сигналов осуществлялась с помощью 6-канальной станции ЦАИС разработки СКБ РАН [Аскеров, 1989]. Все каналы станции гальванически развязаны между собой. Это позволяло дополнительно к трем магнитным компонентам H_x, H_у, H_z и двум взаимно ортогональным компонентам электрического поля Е_х, Е_у проводить измерения с диагональной линией Е_ху путем подключения дальних электродов линий Е_х и Е_у к шестому, гальванически отвязанному электрическому каналу U. Благодаря этому удавалось измерять не только амплитуду, но и направление полного горизонтального вектора электрического поля.

Результаты дистанционных наблюдений в поле СНЧ-антенны “Зевс” представлены на рис. 2 в трех форматах.

На рис. 2а приведен график ρ_k в линейно-логарифмическом масштабе, в формате профилирования. В нижней части рисунка штрихпунктирными линиями показаны разломные зоны. Буквами а, б, в, г, д обозначены гранито-гнейсовые породы различного состава, согласующиеся в отдельных случаях с поведением графика ρ_k. На рис. 2б показаны экспериментально измеренные вектора полного электрического поля (сплошные стрелки) и теоретически рассчитанные (штриховые стрелки). Удовлетворительное согласие положения экспериментально измеренных и теоретически рассчитанных векторов позволяет сделать вывод об отсутствии резкой горизонтальной неоднородности среды в районе СНЧ-антенны “Зевс” и о том, что наблюдаемые на рис. 2а резкие изменения ρ_к обусловлены локальными неоднородностями среды. На рис. 2в результаты наблюдений представлены в билогарифмическом масштабе, в формате вертикального электрического зондирования ВЭЗ. Можно видеть, что в диапазоне средних разносов (10–30 км) кривая ВЭЗ имеет изрезанный вид с перепадом значений ρ_к от 10 до 40 тыс. Ом · м. При дальнейшем увеличении разносов до 92 км кривая кажущегося сопротивления на рис. 2в приобретает вид непрерывно восходящей кривой зондирования. Геологическая природа резких перепадов сопротивления в диапазоне разносов 10–30 км предположительно связывается с влиянием тектоники и с изменениями петрографического состава гранито-гнейсовых пород.

2.2. Глубинные зондирования в поле МГД-источника “Хибины”

В период с 1974 по 1990 гг. на территории восточной части Балтийского щита выполнены зондирования в поле МГД-источника “Хибины” на удалениях до 750 км от источника [Геоэлектрические.., 1989]. В настоящей работе рассмотрены результаты регистрации МГД-сигналов на территории Мурманского блока на удалениях 110, 200 и 350 км от источника (точки 1а, 2а и 3а на рис. 1б) [Краснобаева, 1981; Дьяконов, 1982; Жамалетдинов, 1982]. Известно [Велихов, 1989], что в МГД-эксперименте “Хибины” применен источник в виде морского контура, заводненного в противоположные заливы между полуостровами Средний и Кольский. При расчетах кажущегося сопротивления по постоянному току принято, что на больших временах становления (свыше 2–3 с) ток заводненного МГД-источника “Хибины” стекает со всей поверхности заливов по разные стороны полуостровов Средний и Рыбачий (рис. 1б). Заливы при этом выполняют роль неэквипотенциальных заземлителей (электродов). Протекая по заливам, ток испытывает сопротивление морской воды и частично ответвляется гальваническим путем в земную кору через морское дно. Доля этого тока зависит от времени установления поля, от распределения электрического потенциала в морской воде и от сопротивления морского дна и морской толщи. По экспериментальным оценкам доля тока гальванической природы составляет в среднем 20% от полного тока МГД-генератора, достигающего величины 20–22 кА. Схема расчетов геометрических коэффициентов и кривых кажущегося сопротивления ρ_к в поле заводненного источника с примерами экспериментальных оценок и теоретических расчетов приведена в работе [Жамалетдинов, 1990]. Детальное рассмотрение результатов с построением сводного геоэлектрического разреза, совместно с данными ВЭЗ и измерений в поле СНЧ-антенны “Зевс”, выполненных в 1990 году, приведено в работе [Жамалетдинов, 2015] и показано ниже на рис. 3.

Сводная кривая ρ_k на рис. 3а выделена в виде жирной штрихпунктирной линии. При ее построении, как видно из рисунка, преимущественный вес отдан результатам зондирований с установками ВЭЗ и “Хибины”. Кривая зондирования в поле СНЧ-источника “Зевс” фактически изъята из внимания. Основанием для этого было предположение о том, что изрезанный вид кривой ρ_к установки “Зевс” в диапазоне разносов 10–30 км (рис. 2) обусловлен влиянием локальных приповерхностных элементов неоднородности разреза, не оказывающих существенного влияния на результаты зондирования.

Результаты решения обратной задачи на основе сводной кривой кажущегося сопротивления приведены на рис. 3б в виде геоэлектрического разреза. В верхней части разреза выделяется сухая морена мощностью 4 м и сопротивлением порядка 2.5 × 10⁴ Ом · м. Ниже залегает обводненная морена сопротивлением порядка 2 × 10³ Ом · м. Морену подстилают кристаллические породы, верхняя часть которых, сильно трещиноватая и обводненная, имеет низкое сопротивление – 3 × × 10³ Ом · м. м Ниже глубины 0.2–0.3 км залегают плотные кристаллические породы сопротивлением порядка 10⁴ Ом · м и выше. Далее с глубиной сопротивление кристаллических пород постепенно (градиентно) возрастает до значения 2 × ×10⁵ Ом · м на глубине 20–30 км.

При интерпретации результатов ВЭЗ-ДЗ на рис. 3 принято, вслед за автором работы [Семенов, 1978], что плавный рост сопротивления с глубиной связан с понижением пористости и трещиноватости пород и с соответствующим понижением содержания в породах влаги. Если исключить из внимания область резких перепадов кажущегося сопротивления в диапазоне разносов 10–30 км, то можно заключить, что глубинный разрез характеризуется наличием плохо проводящей части земной коры сопротивлением до 200 тыс. Ом · м и мощностью 25–30 км. Наиболее резкий, скачкообразный рост сопротивления отмечен на глубине порядка 10–15 км. Глубже 25–30 км происходит постепенный спад кажущегося сопротивления под действием возрастающей с глубиной температуры. На глубине 100–150 км удельное сопротивление пород опускается до 5 тыс. Ом · м.

Представленный на рис. 3б вариант решения обратной задачи является результатом весьма грубого осреднения изрезанной части кривой кажущегося сопротивления, измеренной в поле источника “Зевс” в диапазоне средних разносов 10–30 км. В следующем разделе 3, посвященном эксперименту “Мурман-2018”, будет приведен новый вариант интерпретации результатов с учетом измерений в поле источника “Зевс”, проигнорированных на рис. 3.

2.3. Магнитотеллурические зондирования

В середине 80-х годов прошлого века появилось несколько научных сообщений, указывающих на существенную электрическую неоднородность строения Мурманского блока. В работах [Вагин, 1985; Ковтун, 1986] представлены результаты АМТ-МТ-зондирований с широкодиапазонной аналоговой аппаратурой. Зондирования выполнены в районе поселков Териберка, Дальние Зеленцы и на дороге Кола-Серебрянка. В упомянутых работах указывалось, что на территории Мурманского блока на глубине около 10 км существует промежуточный проводящий слой с продольной проводимостью 20–30 См и с удельным сопротивлением порядка 100 Ом · м. В последующие годы наличие этого слоя было обнаружено и на других участках Карело-Кольского полуострова [Ковтун, 2004]. Более того, в работах [Vanyan, 2001; 2002] промежуточный проводящий слой на глубине 10 км был проинтерпретирован в комплексе с сейсмическими данными и распространен на всю территорию восточной части Балтийского щита. Был сделан вывод, что под верхней толщей земной коры на глубине 10 км располагается промежуточный проводящий слой, коррелируемый с сейсмическим волноводом и связываемый с существованием флюидов на этой глубине. Сводная диаграмма кривых кажущегося сопротивления и геоэлектрических разрезов по результатам магнитотеллурических зондирований на территории Кольского полуострова приведена на рис. 4б и рис. 4в по данным работы [Ковтун, 2004]. На рис. 4а приведена схема распространения архейских блоков на территории Кольского полуострова и показано положение пунктов глубинного зондирования АМТ-МТЗ, а также пунктов ЧЗ-МГД-зондирования на территории Енско-Беломорского блока архейских пород. На рис. 4б представлены минимальные кривые ${{\rho }_{Т}}$ и на рис. 4в приведены соответствующие геоэлектрические разрезы для архейских блоков земной коры Кольского полуострова по результатам решения обратной задачи АМТ-МТ-зондирований.

Можно видеть, что на всех пунктах АМТ-МТЗ, расположенных в пределах архейских блоков земной коры, выделяется слой повышенной проводимости на глубине порядка 10 км и еще два проводящих слоя на глубинах 40 и 200 км. Полученные по результатам АМТ-МТЗ геоэлектрические разрезы на рис. 4в резко противоречат представленным на рис. 3б результатам глубинных зондирований с контролируемыми источниками на Мурманском блоке в поле источников “Хибины” и “Зевс”, а также результатам ЧЗ-МГД-зондирований, выполненных на территории Енско-Беломорского (Ковдорского) блока архейских пород [Велихов, 1984] и результатам эксперимента “FENICS-2007” [Жамалетдинов, 2011], приведенным ниже, на рис. 5.

С целью поисков причины отмеченных расхождений нами в 2010 и 2018 гг. выполнено несколько АМТЗ в районе дорог на Териберку и на Серебрянку, где проводились АМТ-МТ-зондирования в работах [Вагин, 1985; Ковтун, 1986]. На рис. 5 приведен пример сопоставления разных результатов АМТЗ и результатов зондирований в поле контролируемых источников.

Рассмотрение кривых кажущегося сопротивления ρ_Т АМТ-МТЗ на рис. 5а показывает, что на периоде 0.1 с низкочастотная асимптотика минимальной кривой ρ_Т АМТЗ 2018 года (кривая 2) указывает на проводящий слой на глубине 10 км и этим как бы подтверждает гипотезу о существовании промежуточного проводящего слоя на глубине 10 км, обозначенную кривой (1) в работе [Ковтун. 2004]. Однако максимальная кривая ρ_Т (3) того же АМТЗ 2018 г. на периоде 0.1 с восходит к уровню 10⁵ Ом · м и полностью противоречит возможности существования проводящего слоя на глубине 10 км. Заметим, что на рис. 5а минимальная кривая ρ_Т (2) 2018 г. не совпадает полностью с кривой ρ_Т (1). Это обусловлено, с одной стороны, отсутствием точных координат пунктов АМТ-МТЗ в работах [Вагин, 1985; Ковтун, 1986] и, с другой стороны, разными типами приемной аппаратуры и программ обработки. Тем не менее, можно заметить, что максимальная кривая ρ_Т АМТЗ 2018 г. (3) хорошо согласуется с кривыми ρ_ω (4) и (5), полученными по результатам зондирований с мощными контролируемыми источниками.

Итоговые модели геоэлектрических разрезов представлены на рис. 5б кривыми 6, 7 и 8. Разрез 8 получен по результатам зондирований с промышленными ЛЭП в эксперименте “FENICS-2007” [Жамалетдинов, 2011]. Разрез 7 получен по результатам МГД-зондирований в комплексе с частотными зондированиями в Ковдорском районе [Велихов, 1984]. Можно видеть, что результаты зондирований с контролируемыми источниками, несмотря на разные районы исследований, хорошо согласуются между собой, но, в то же время, почти на 3 порядка отличаются от модели геоэлектрического разреза, полученной по минимальной кривой ρ_Т АМТЗ (кривая 6 на рис. 5б). Выбор между минимальной и максимальной кривыми АМТ-МТЗ во многом определяется интуицией интерпретатора. В работах [Вагин, 1985; Ковтун, 2004] главным критерием в пользу выбора минимальных кривых ρ_Т АМТ-МТЗ для интерпретации параметров глубинного разреза явился наблюдаемый на них выход длиннопериодных асимптотик на периоде 10 000 с на уровень глобальной кривой МВЗ с значениями ρ_Т на уровне 100 Ом · м (рис. 4). Но это – сугубо качественный, феноменологический критерий, предложенный в работе [Рокитянский, 1971] для коррекции статических искажений МТЗ. В данном случае расхождение кривых МТЗ на минимальные и максимальные обусловлено, по-видимому, не столько двухмерностью среды и влиянием предполагаемых статических искажений, сколько неоднородностью близко расположенного аврорального источника вариаций электромагнитного поля.

В заключение раздела отметим, что большой объем магнитотеллурических зондирований на территории Мурманского блока выполнен А.Г. Краснобаевой-Дьяконовой в 1978 г. в ходе реализации эксперимента по зондированию с МГД-источником “Хибины” [Краснобаева, 1981; Дьяконов, 1982]. Измерения проводились с применением аналоговой аппаратуры МТЛ-71 в диапазоне частот 1–1000 Гц. По результатам обработки установлено среднее высокое сопротивление Мурманского блока (десятки тысяч Ом · м) и наличие промежуточного проводящего слоя на глубине 70–90 км, связываемого с сейсмическим волноводом. Тонкие особенности электропроводности верхней толщи земной коры (меньше 20–30 км) остались за пределами наблюдений вследствие низкочастотного характера приемной аппаратуры.

2.4. Частотные зондирования в поле контролируемого источника

В 1986 году на территории Мурманского блока проведены экваториальные частотные электромагнитные зондирования (ЧЗ) с использованием горизонтального электрического диполя длиной 2 км и автомобильного генератора ЭРС-67 мощностью 29 кВт. Измерения выполнены на разносах 16, 39 и 88 км вдоль дороги Кола-Серебрянка [Жамалетдинов, 1991] с целью проверки возможности существования промежуточного проводящего слоя на глубине 10 км, установленного ранее [Вагин, 1985] и описанного в предыдущем разделе. Положение питающего диполя АВ и пунктов частотного зондирования показано на рис. 1в. Результаты ЧЗ в виде кривых кажущегося сопротивления ρ_ω приведены ниже на рис. 6.

На рис. 6 видно, что на разносе 16 км наблюдается высокое сопротивление земной коры – выше 10⁵ Ом · м. На следующем разносе 39 км кажущееся сопротивление уменьшается до 5 × 10³ Ом · м на частоте 8 Гц, указывая на существование гипотетического проводящего слоя на глубине 10 км по результатам формальной, одномерной интерпретации. При дальнейшем увеличении разноса до 88 км трасса частотного зондирования пересекла область АМТ-МТ-зондирований, выполненных в работе [Вагин, 1985] в районе пересечения дороги Кола-Серебрянка с дорогой на пос. Териберка. Кажущееся сопротивление ЧЗ здесь вновь увеличилось до уровня 10⁵ Ом · м (рис. 6), указывая на среднее высокое сопротивление земной коры и отсутствие обнаруженного поданным МТЗ проводящего слоя на глубине 10 км. Тем не менее, тень сомнения в таком утверждении остается из-за нисходящей ветви кривой ЧЗ на разносе 39 км на рис. 6. В работе [Жамалетдинов, 1991] сделано предположение, что аномальный ход кривой ЧЗ на разносе 39 км обусловлен влиянием Чудзъяврского разлома, пересеченного трассой зондирования.

3.1. Методика эксперимента “Мурман-2018”

Эксперимент “Мурман-2018” выполнен на территории распространения архейских кристаллических горных пород Мурманского блока, являющегося частью Фенноскандинавского щита (рис. 7a). Основной задачей эксперимента явилось изучение природы глубинных геофизических границ в условиях “нормального” разреза, не подверженного влиянию электроннопроводящих аномалий проводимости, сложенных сульфидно-углеродистыми породами [Жамалетдинов, 1982; 1990]. Схема расположения питающих и приемных линий в эксперименте “Мурман-2018” приведена на рис. 7б.

Основным методом в эксперименте “Мурман-2018” явилось дистанционное зондирование на постоянном токе (ДЗ). Зондирование осуществлялось путем линейного наращивания расстояния между источником и приемником со средним шагом от 2.5 до 5 км в интервале разносов от 5 до 56 км. Измерения в каждой точке зондирования проводились с осевой и экваториальной установками, при субширотном и субмеридиональном расположении питающих линий (АВ1 и АВ2 на рис. 7б). Ток в форме меандра подавался в каждую линию поочередно на одной из трех частот (0.194, 0.382 или 0.942 Гц), выбиравшихся в зависимости от расстояния до источника и от соотношения “сигнал–шум” в точке приема. В зависимости от соотношения “сигнал–шум” выбиралась также длительность записи в каждой точке – от 2 до 10 мин. Наличие условий ближней зоны на этих частотах контролировалось по результатам частотных зондирований (рис. 12– рис. 14).

Запись компонент электрического поля велась при помощи широкополосной 32‑битной магнитотеллурической измерительной станции VMTU-10 [Kopytenko, 2010]. Для записи использовались два электрических канала (Е_х и Е_у). Датчиками поля служили две взаимно ортогональные симметричные заземленные линии M-0-N длиной 2 × 50 м со средней точкой “0” для подавления некогерентных помех. Приемные линии M-0-N ориентировались по магнитному меридиану (Е_х) и по магнитной широте (Е_у). Принятая ориентировка питающих и приемных линий дала возможность рассчитывать кажущееся сопротивление по полному полю для экваториальной и осевой установок.

Широкий динамический диапазон станции VMTU-10 (32 бита) избавляет от необходимости применения фильтров для подавления промышленной частоты. Полная автономность, низкое энергопотребление, наличие GPS синхронизации и дистанционный контроль за параметрами записи во время процесса регистрации АМТ-сигналов с помощью системы Wi-Fi делают станцию VMTU-10 идеальным прибором для зондирований как с естественными, так и с контролируемыми источниками [Kopytenko, 2010; Жамалетдинов, 2012].

В качестве питающих диполей использовались две взаимно ортогональные (под углом 80°) заземленные линии – субширотная AB1, длиной ~1.9 км, и субмеридиональная AB2, длиной ~1.6 км. Положение питающих линий в укрупненном масштабе приведено на рис. 7б.

В качестве источника тока использовался автономный генератор “Энергия-4” мощностью до 29 кВт, разработанный в ЦЭС КНЦ РАН в 2014 году [Колобов, 2018; Баранник, 2019]. Для синтеза выходного напряжения генератора используется метод широтно-импульсной модуляции (ШИМ), что позволяет формировать в питающих линиях периодический ток произвольной частоты и формы (синус, меандр, модифицированный меандр и т.д.). Генератор ”Энергия-4” разработан, прежде всего, для проведения электромагнитных зондирований в аудио-диапазоне частот (2–2000 Гц). Максимальная амплитуда выходного напряжения в диапазоне частот 2–49 Гц составляет 1000 В, а в диапазоне 50–2000 Гц – 1200 В. Функциональная схема, принцип действия, силовая элементная база генератора, а также оригинальные схемотехнические решения, использованные при его проектировании, рассмотрены в работе [Колобов, 2017].

В ходе эксперимента “Мурман-2018” при зондированиях на постоянном токе в питающие линии подавался ток в форме разнополярных прямоугольных периодических сигналов (меандра) крайне низкой частоты – от 0.194 до 0.942 Гц. Соблюдение условий постоянного тока на этих частотах контролировалось по результатам частотных зондирований, приведенных на рис. 12. Кроме того, оно вытекает из прямых расчетов волнового параметра kr, который должен быть много меньше единицы. Здесь $kr = {{2\pi r} \mathord{\left/ {\vphantom {{2\pi r} \lambda }} \right. \kern-0em} \lambda }$ , где r – расстояние между источником и точкой приема в километрах и $\lambda $ – длина электромагнитной волны в земле, $\lambda = \sqrt {10\rho Т} $, км. Приняв $\rho $ = 10⁵ Ом · м, нетрудно определить, что на частоте 1 Гц длина волны $\lambda $ составит 1000 км, а параметр $kr$ на удалении 50 км составит величину 0.3, то есть будет много меньше единицы. Тем более условие постоянного тока будет соблюдаться на частотах ниже 1 Гц и на удалениях, меньших 50 км.

Суммарное активное сопротивление излучающих контуров AB1, AB2 составляло 55 и 57 Ом, соответственно. Максимальная амплитуда силы тока в питающих линиях во всем диапазоне частот находилась в пределах 20 А.

3.2. Методика обработки результатов дистанционных зондирований (ДЗ)

Обработка результатов измерений в режиме ДЗ осуществлялась тремя способами – спектральная обработка на основе быстрого преобразования Фурье (БПФ), спектральная обработка на основе прямого и обратного дискретного преобразования Фурье (ДПФ) с восстановлением формы сигнала и обработка в режиме традиционного накопления сигнала с предварительной фильтрацией [Cкороходов, Колобов, 2019]. Особое внимание, уделенное процедуре обработки, обусловлено тем, что по мере удаления от источника поля, амплитуда полезного сигнала убывает пропорционально кубу расстояния и его уверенная регистрация на фоне интенсивных помех, создаваемых высоковольтными промышленными ЛЭП и военными радарными установками, представляет сложную техническую задачу.

Спектральная обработка на основе БПФ сводилась к определению амплитуды первой гармоники сигнала на основной частоте, задаваемой генератором (f₁). Спектр определялся через процедуру расчета спектральной плотности мощности сигнала (СПМ). Далее амплитуда измеренного электрического поля определяется выражением:

где Δf – шаг дискретизации по частоте.

Аналогичная процедура спектрального преобразования производилось с током источника. Далее выполнялась нормировка сигнала по источнику путем вычисления отношения амплитуд первых гармоник сигнала и тока.

Второй способ определения амплитуды сигнала основан на дискретном преобразовании Фурье. Он позволяет производить визуальный контроль формы электрического поля в земле. Для этого производится вычисление первой (основной) и высших гармоник. Далее сигнал восстанавливается во временном представлении путем проведения операция свертки (обратного преобразования Фурье):

Амплитуда сигнала определялась с использованием только нечетных гармоник f_n = f₁(2n – 1). В условиях сильно зашумленного сигнала (на удалениях 25–50 км и более) количество высших гармоник, используемых для определения амплитуды и для восстановления формы сигнала, ограничивалось числом k = 5–9. При относительно уверенном приеме сигнала (на малых и средних удалениях) количество высших гармоник увеличивалось до 21–31.

Третьим явился способ арифметического накопления (сложения сигналов). Он основан на том, что временной ряд делится на фрагменты, равные периоду полезного сигнала. Далее полезный сигнал накапливается в одной фазе. Случайные помехи при этом редуцируются. Дополнительно производилось накопление по четным гармоникам. Временной ряд в этом случае делится на фрагменты, равные двум периодам сигнала (f = f₁× 2n). Поскольку импульсы при этом складываются в противофазе, то влияние полезного сигнала исчезает, и измеренное поле по мере накопления становится равным естественному шуму. Отношение результатов накопления по нечетным и четным гармоникам дает количественную информацию о соотношения “сигнал–шум”, то есть о превышении полезного сигнала над шумами.

Результаты накопления сигналов ДЗ разными методами и при разных удалениях от источника (8 и 56 км) проиллюстрированы ниже на рис. 8.

Представленные на рис. 8 результаты определения амплитуды и формы сигнала при разных методах накопления в эксперименте “Мурман-2018” позволяют сделать следующие выводы. Накопление путем свертки результатов дискретного преобразования Фурье (ДПФ) может накапливать ошибку при восстановлении формы сигнала, поскольку на фоне шума сложно определить необходимое для этого количество гармоник. В условиях данного эксперимента для решения поставленной задачи наиболее быстрым и удобным способом определения амплитуды сигнала явилась спектральная обработка по первой гармонике БПФ. Таким же способом определялась и амплитуда силы тока, на которую осуществлялась нормировка измеренных по первой гармонике сигналов для последующего определения величины кажущегося сопротивления. Режим простого накопления в этих условиях дает менее уверенные результаты, особенно на больших удалениях от источника.

3.3. Интерпретация результатов дистанционных зондирований

Начальным этапом дистанционных зондирований явилось проведение вертикальных электрических зондирований (ВЭЗ) на постоянном токе. Измерения проводились с аппаратурой АНЧ-3 [Бобровников, 1974]. ВЭЗ выполнены в районе расположения питающих линий АВ1 и АВ2 (см. рис. 7б) с применением коллинеарных четырехэлектродных установок с произвольным несимметричным расположением электродов. Расчеты геометрических коэффициентов и кажущегося удельного электрического сопротивления (ρ_к) выполнены по традиционным формулам [Жданов, 1986]. Результаты ВЭЗ совместно с результатами дипольных дистанционных зондирований с экваториальной (ДЭЗ) и осевой (ДОЗ) установками приведены на рис. 9.

Данные ВЭЗ для осевой и экваториальной установок привели к получению примерно одинаковых по виду и по абсолютным значениям кривых кажущегося сопротивления с расхождением значений ρ_к в пределах погрешности наблюдений (относительная погрешность – 5–7%). Отмеченный характер ВЭЗ свидетельствует о высокой горизонтальной однородности верхней части разреза в районе расположения питающих линий.

Наклон кривых ВЭЗ к оси ординат на рис. 9 составил примерно 30 градусов. Это указывает на постепенный (градиентный) рост удельного электрического сопротивления с глубиной, связанный с уменьшением пористости и влажности горных пород. Жирной штрихпунктирной линией показано гипотетическое продолжение кривой ВЭЗ в область больших разносов (до 100 км) в предположении продолжающегося градиентного роста сопротивления с глубиной. Такая экстраполяция ВЭЗ принята в соответствии с прежними традиционными представлениями о строении кристаллической земной коры в виде модели типа “К” с мощным плохо проводящим средним слоем, характеризующимся градиентным увеличением сопротивления вплоть до глубины 20–30 км [Keller, 1966; Семенов, 1978; Жамалетдинов, 1982]. Однако дистанционное зондирование 2018 года с линейным шагом изменения разносов привело к необходимости построения иной модели. В нижней части рис. 9 приведены результаты ДЭЗ и ДОЗ по трассе на Мурманск, показанной на рис. 7б. Неожиданной особенностью результатов ДЭЗ и ДОЗ явилось резкое изменение характера кривых ρ_k в диапазоне разносов от 2–3 до 30–40 км. Вместо ожидавшегося по данным ВЭЗ продолжения градиентного роста ρ_k по мере удаления от источника в область больших разносов на кривых ДЭЗ и ДОЗ наблюдается стабилизация значений ρ_k на уровне средней величины 2 × 10⁴ Ом · м с резкими отклонениями в область больших и меньших значений ρ_k от 5 × 10³ до 5 × 10⁴ Ом · м.

Необходимо заметить, что на рис. 9, так же как и на последующих рис. 10–12 , не показаны бары погрешности. Вызвано это тем, что они сливаются с шириной линии графиков вследствие незначительной величины погрешности, которая, как правило, не превышала 10–15%. Это хорошо видно на рис. 8, где на максимальном (в режиме постоянного тока) разносе 56 км отношение “сигнал–шум” достигает 20 и, следовательно, погрешность не превышает 5–10%. На меньших разносах погрешность еще меньше. Однако на удалении 105 км влияние шума уже заметно, и для этого разноса на рис. 13 и рис. 14 бары погрешности показаны. При измерениях сигналов контролируемого источника они составляют 0.1–0.2 порядка, а на кривых ρ_T АМТЗ достигают 0.5–0.6 порядка.

Поведение кривых ρ_k в зависимости от рабочих разносов проиллюстрировано на рис. 10 в линейно-логарифмическом масштабе для всех трех трасс зондирования с установками ДЭЗ и ДОЗ. Можно отметить на рис. 10, что кривые зондирования по трассам на Мурманск–Ура-Губу (рис. 10а) и на п. Туманный (рис. 10б) имеют общие особенности. Вплоть до разносов 25–40 км на обеих трассах наблюдается изрезанный характер кривых ρ_k. Значения ρ_k изменяются симметрично в большую и в меньшую стороны относительно средней величины 20 кОм · м и затем резко возрастают на разносах, больших 40 км. В направлении на Туманный резкое возрастание значений ρ_k наблюдается несколько раньше, чем в направлении на Мурманск (на разносе свыше 20 км). Из общей тенденции выбиваются результаты зондирования по трассе на п. Териберка. На больших разносах (свыше 25 км), с приближением к побережью Баренцева моря, значения ρ_k опускаются до 10³ Ом · м (рис. 10в), что объясняется влиянием прибрежных осолоненных осадков.

Резкие перепады значений ρ_k на всех трех трассах (рис. 10) могут быть связаны с влиянием субвертикальных зон трещиноватости и разломов. В этом отношении важно отметить, что наибольшая амплитуда изменений ρ_k, связываемых с эффектом профилирования, наблюдается не для осевой, как следовало бы предположить, а для экваториальной установки ДЭЗ с меридиональным расположением питающей линии АВ и приемных линий M-0-N (рис. 9). Это указывает на возможное проявление на результатах ДЭЗ макроанизотропии с преимущественным влиянием зон трещиноватости и разломов субмеридионального простирания, поперечного относительно запад–северо-западной вытянутости Мурманского блока.

Можно предполагать, что влиянием субмеридиональных разломов, выполаживающихся с глубиной наподобие листрических зон трещиноватости [Давиденко, 1979, Горяинов, 1993], обусловлено существование на глубине 2–7 км промежуточного проводящего слоя дилатантно-диффузионной природы (ДД-слоя), описанного в работах [Жамалетдинов, 2002; 2017]. В этой части геоэлектрического разреза электропроводность горных пород определяется существованием свободных флюидов в открытых полостях, которые могут образовываться за счет явлений дилатансии при совместном воздействии и противоборстве литостатического и тангенциального давлений [Николаевский, 1986]. Верхняя толща земной коры до глубины 10–15 км, совместно с верхним слоем градиентного увеличения сопротивления пород с глубиной, может быть определена, вслед за автором [Ваньян, 1996], как область хрупкого состояния земной коры.

При дальнейшем увеличении разносов до 70–105 км значения ρ_k резко увеличиваются до 150–300 кОм · м, указывая на существование более плохо проводящего основания. Таким образом, качественный анализ поведения кривых ρ_k дистанционного зондирования, благодаря непрерывному (линейному) шагу изменения разносов, позволяет составить представление о градиентно-ступенчатом характере изменения параметров геоэлектрического разреза с глубиной.

Рассмотренные выше на рис. 9 и рис. 10 кривые ρ_k 2018 г. имеют много общих черт с результатами 1990 г., рассмотренными в самом начале статьи на рис. 2 и рис. 3. Несмотря на то, что центры зондирований разных лет удалены между собой более чем на 30–40 км, а кривые ρ_k получены с применением разной измерительной аппаратуры и обработаны разными методами, тем не менее, они похожи между собой как по форме, так и по абсолютным значениям и повторяют согласный между собой градиентно-ступенчатый вид. Это послужило основанием к тому, чтобы провести заново инверсию результатов 1990 г. и представить их совместно с данными 2018 г., что и выполнено ниже, на рис. 11.

Обратная задача решалась методом подбора с применением одномерной программы на основе фильтров Андерсена [Anderson, 1979]. Результаты подбора приведены на рис. 11 для двух зондирований, выполненных в 1990 и 2018 гг. Подбор для работ 1990 г. на рис. 11а выполнен с учетом всех экспериментальных данных (ВЭЗ, “Зевс” и МГД-зондирование с установкой “Хибины”), без грубого сглаживания, в отличие от подбора, приведенного в начале статьи на рис. 3а. При подборе данных 2018 года (рис. 1б) кривая ρ_k на интервале разносов 2–8 км (ввиду недостаточного количества пунктов зондирования) нанесена путем экстраполяции градиентного поведения кривой ВЭЗ по аналогии с данными 1990 года (рис. 1а), где кривая ВЭЗ выполнена с разносом АВ = 16 км.

Сравнивая разрезы на рис. 11а и рис. 11б, можно отметить небольшие расхождения в моделях (около одного порядка), наблюдаемые в верхних частях разрезов на глубинах до первых сотен метров. В средней части разрезов (в диапазоне глубин от 0.2 до 10 км) значения удельного сопротивления в обоих пунктах зондирования практически совпадают между собой и находятся в пределах 10–20 кОм · м (рис. 11в). Для получения более полного согласия с экспериментальными данными на всех трех моделях в обоих пунктах зондирования в геоэлектрические разрезы внесен промежуточный проводящий слой (порядка 10⁴ Ом · м) в интервале глубин от 3-х до 7–10 км (ДД-слой, описанный выше). Благодаря этому в теоретических расчетах на обоих разрезах получил подтверждение перегиб кривой ρ_k в интервале разносов от 10 до 30–40 км.

Глубинные части разрезов на рис. 11 включают три возможных варианта моделей, отличающихся между собой по величине удельного сопротивления промежуточного плохо проводящего слоя, помещенного на глубине 10 км. Его удельное сопротивление изменяется от 10⁵ Ом · м для модели М1 до 10⁷ Ом · м для модели М3 (рис. 11в). Можно видеть из рис. 11, что разрешающая способность дистанционных зондирований к параметрам плохо проводящего основания невелика. Изменения сопротивления на моделях М1–М3 от 10⁵ до 10⁷ Ом · м (на три порядка) привели к изменениям кажущегося сопротивления менее чем на 1 порядок. С наибольшей долей вероятности, учитывая широкий диапазон эквивалентности, можно отдать предпочтение модели М2, на которой сопротивление кристаллических пород земной коры скачкообразно увеличивается на глубине 10 км с 2 × 10⁴ до 10⁶ Ом · м.

На кривой зондирования 2018 г. (рис. 11б) измерения выполнены только до разноса 105 км, тогда как на кривой 1990 года (рис. 11а) имеются измерения на разносах 110, 200 и 350 км. Причем значения кажущегося сопротивления в этом диапазоне разносов уменьшаются с увеличением глубины зондирования. Это уменьшение может быть связано с влиянием возрастающей с глубиной температуры. Возможны и другие, альтернативные варианты истолкования поведения кривой ρ_к МГД-зондирования на разносах 110–350 км на рис. 11а. В частности, понижение ρ_k на больших разносах на МГД-данных может быть вызвано влиянием расположенной в 30–40 км к северу береговой линии Баренцева моря, вдоль которой проходит трасса зондирования (см. рис. 7б) или влиянием слабо проводящих пород структуры Колмозеро-Воронья, расположенной южнее трассы зондирования. Наконец, понижение сопротивления может быть обусловлено недостаточно полным учетом геометрии заводненного источника “Хибины” на больших удалениях от него. Решение всех этих вопросов требует специальных расчетов и дополнительных наблюдений, которые выходят за рамки данной работы, нацеленной на изучение электропроводности верхней толщи земной коры до глубины 20–30 км. Сведения о параметрах электропроводности нижней толщи земной коры и о параметрах верхней мантии могут быть получены по результатам дистанционных зондирований на удалениях до 700–800 км от источника в рамках эксперимента “FENICS-2019”. С этой целью намечено выполнить прецизионную обработку прямоугольных сигналов низкой частоты (0.384 Гц и ниже) в условиях однородных плохо проводящих архейских пород Карельского мегаблока.

3.4. Частотные зондирования CSAMT в комплексе с АМТЗ

Частотные зондирования с контролируемым источником (Control Source Audio MagnetoTellurics, CSAMT) выполнены в 11 точках. Они обозначены звездочками и показаны номерами от 0 до 10 в кружках на рис. 7б. Расчеты геометрических коэффициентов и кажущегося сопротивления CSAMT выполнены по значениям модулей полных векторов электрического E_tot и магнитного H_tot поля, а также по значениям полного входного импеданса Z_tot = E_tot∕H_tot [Жданов, 1986; Шевцов, 2001; 2019].

Для полного электрического поля кажущееся сопротивление определяется выражением (3):

где: I – амплитуда силы тока (А) в дипольном источнике; L_AB – длина (м) питающего диполя; E_tot – модуль полного вектора горизонтальной составляющей электрического поля (в В/м) с декартовыми компонентами вдоль (E_x) и поперек (E_y) питающего диполя АВ.

Геометрический коэффициент $K_{{tot}}^{E}$ определяется через геометрические коэффициенты для декартовых компонент в условиях квазистационарной дальней зоны источника по расстоянию r между центрами измерительной линии и питающего диполя и углом ϴ между осью питающего диполя (AB) и направлением из его центра O на центр измерительной линии O':

Аналогично для модуля полного вектора горизонтальной составляющей магнитного поля имеем:

H_tot – модуль полного вектора горизонтальной составляющей напряженности магнитного поля (А/м) с декартовыми горизонтальными компонентами H_x и H_y и геометрическими коэффициентами:

Кажущееся сопротивление по полному импедансному отношению напряженностей электрического и магнитного поля: Z_tot =E_tot∕H_tot , определяется как:

где: Z_tot = E_tot∕H_tot (Ом); ω = 2πf; f = 1/T – частота тока в источнике (Гц); T – период (с); E_tot – напряженность электрического поля в мВ/км и H_tot – напряженность магнитного поля в мА/км.

Данные АМТЗ представлены в виде значений эффективного кажущегося сопротивления, полученных по определителю матрицы импеданса:

Для определения амплитуды и фазы измеренного поля использовались длины измерительных линий и амплитудно-частотные и фазово-частотные характеристики датчиков и измерительных каналов станции. Далее выполнялся спектральный анализ, и оценивалась автокорреляционная спектральная плотность мощности для каждой компоненты поля в точке наблюдений и для силы тока в источнике. Кроме того, вычислялись взаимнокорреляционные спектральные плотности мощности для сопряженных и анти сопряженных пар измеренных компонент поля (9) [Семенов, 1985; Шевцов, 2017] для вычисления компонент тензора импеданса:

При спектральном анализе использовался метод Уэлча со скользящим окном Блэкмана–Харриса на основе БПФ [Engelberg, 2007] с перекрытием до 25% для АМТЗ и до 75% для CSAMT.

Кривые кажущегося сопротивления CSAMT (ρ_ω) приведены на рис. 12 на примере двух точек зондирования, расположенных вдоль трассы на п. Туманный при относительно небольших удалениях от источника (12 и 22 км).

Кривые кажущегося сопротивления ρ_ω CSAMT на рис. 12 имеют вид, согласный с теоретическими расчетами [Вешев, 1980]. Значения ρ_ω, рассчитанные по полному электрическому полю (ρ_ωE_tot), по полному магнитному полю (ρ_ωH_tot) и по полному входному импедансу (ρ_ωZ_tot) совпадают между собой только на высоких частотах (сотни герц), в пределах волновой зоны на уровне значений (1–2) × 10⁴ Ом · м. Можно отметить, что результаты CSAMT в пределах волновой зоны согласуются с результатами зондирований на постоянном токе по абсолютным значениям кажущегося сопротивления.

На частотах ниже 50–200 Гц условия дальней зоны нарушаются. Проявляется это в том, что кривые кажущегося сопротивления по электрическому полю с понижением частоты выходят на постоянные значения, кривые зондирования по полному входному импедансу воздымаются вверх по шкале сопротивлений под углом порядка 45°, а кривые по полному магнитному полю, наоборот, приобретают нисходящий вид под углом – 45°. При этом, по мере увеличения разносов от 12 до 22 км, область выхода кривых ρ_ω в зону постоянного тока смещается в сторону более низких частот – от 200 Гц на разносе 12 км до 50–70 Гц на разносе 22 км.

Более сложный вид имеют кривые CSAMT на больших удалениях от источника. В качестве иллюстрации на рис. 13 и рис. 14 приведены результаты дипольного экваториального и осевого зондирований CSAMT от диполей АВ2 и АВ1, соответственно, совместно с АМТЗ в точке Ура-Губа на удалении 105 км от диполя АВ2. Измерения выполнены станцией VMTU-10 с индукционными датчиками IMS‑007 и с двумя взаимно-ортогональными симметричными приемными электрическими линиями M-0-N длиной 2 × 50 м. На рис. 13 приведены результаты CSAMT-зондирований с экваториальной установкой в поле диполя АВ2 (кривые 1–3). Там же приведены результаты АМТ‑зондирования (кривая 4) с теми же приемными датчиками станции VMTU-10 и с теми же линиями M-0-N.

В поведении кривых кажущегося сопротивления на рис. 13а можно отметить ряд важных особенностей. Кривая (2) кажущегося сопротивления CSAMT, рассчитанная по полному электрическому полю ($\rho _{\omega }^{{{{E}_{{tot}}}}}$), смещена параллельно вниз относительно кривой (1), рассчитанной по полному магнитному полю ($\rho _{\omega }^{{{{H}_{{tot}}}}}$), примерно в 2.9 раз на частоте волновой зоны f_вз= 100 Гц. Обозначим это смещение как ${{\delta }_{{HE}}} = {{\rho _{\omega }^{{{{H}_{{tot}}}}}} \mathord{\left/ {\vphantom {{\rho _{\omega }^{{{{H}_{{tot}}}}}} {\rho _{\omega }^{{{{E}_{{tot}}}}}}}} \right. \kern-0em} {\rho _{\omega }^{{{{E}_{{tot}}}}}}}$. Кривая (3), рассчитанная по полному входному импедансу ($\rho _{\omega }^{{{{H}_{{tot}}}}}$), смещена также параллельно вниз относительно кривой по полному магнитному полю $\rho _{\omega }^{{{{H}_{{tot}}}}}$, но на величину ${{\delta }_{{{\text{HZ}}}}} = \delta _{{{\text{HE}}}}^{2}$, то есть в 8.4 раза. Отмеченные смещения строго согласуются с уравнениями (3)–(8), приведенными выше. Результаты обработки АМТЗ в той же точке Ура-Губа показывают, что кривая кажущегося сопротивления 4 на рис. 13а, рассчитанная по эффективному входному импедансу ($\rho _{Т}^{{{{Z}_{{{\text{эфф}}}}}}}$), имеет аномально низкое значение 10⁴ Ом · м на частоте 100 Гц и близко совпадает (в пределах погрешности) с кривой CSAMT $\rho _{\omega }^{{{{H}_{{tot}}}}}$, рассчитанной по полному входному импедансу в поле контролируемого источника. Учитывая общую физическую природу кривых (3) и (4) в пределах волновой зоны, можно заключить, что обнаруженные особенности кривых (2–4) на рис. 13 являются результатом статического искажения, которое можно количественно учесть путем параллельного смещения кривой (2) на величину ${{\delta }_{{{\text{HE}}}}}$ и кривых (3–4) на величину ${{\delta }_{{{\text{HZ}}}}}$, то есть в 2.9 и 8.4 раза, соответственно. Принятая процедура количественного учета статических искажений обосновывается тем, что кажущееся сопротивление $\rho _{\omega }^{{{{H}_{{tot}}}}}$ определяется по измерениям напряженности магнитного поля с помощью датчиков, не имеющих гальванической связи с землей (уравнения (5), (6)). Это, в свою очередь, означает, что результаты нормировки по полному магнитному полю CSAMT, выполняемой с учетом геометрических параметров установки и параметров тока, отражают истинное сопротивление верхней толщи земной коры в условиях одномерного разреза и в пределах действия квазистационарной волновой зоны. Под “квазистационарной волновой зоной” понимается относительно узкий частотный диапазон, ограниченный по частоте сверху и снизу. Снизу, со стороны низких частот (в зоне постоянного тока) он ограничен условием k₁r $ \ll $ 1, где k₁ – волновое число в земле. Со стороны высоких частот, где начинают влиять токи смещения, квазистационарная волновая зона ограничена условием k₀r $ \ll $ 1, где k₀ – волновое число в воздухе [Гасаненко, 1958; Shevtsov, 2019].

Учитывая отмеченные особенности, на рис. 13б приведены исправленные за статическое смещение кривые кажущегося сопротивления CSAMT (2, 3) и АМТЗ (4). Можно видеть, что после параллельного смещения по оси сопротивления кривые (2–4) практически сошлись между собой и с кривой (1) в пределах погрешности наблюдений, которая для АМТЗ достигает 0.5 порядка.

Аналогичные по виду параллельные смещения кривых кажущегося сопротивления кривых CSAMT наблюдаются и в результатах осевого зондирования в точке Ура-Губа, приведенных на рис. 14.

На кривых ρ_ω CSAMT на рис. 14а наблюдаются те же признаки проявления статического искажения, что и на рис. 13а. Исправленные за статическое смещение кривые CSAMT и АМТЗ приведены на рис. 14б. Можно видеть, что кривые CSAMT (1–3) на рис. 14б практически слились между собой, тогда как кривая АМТЗ (4) смещена от них на 0.5 порядка вниз. Можно отметить также, что кривые осевого CSAMT (1–3) на рис. 14б характеризуются примерно на 0.5 порядка более высокими значениями кажущегося сопротивления в сравнении с экваториальным CSAMT на рис. 13б. Кроме того, можно отметить, что на осевой установке на рис. 14, в сравнении с экваториальной на рис. 13, наблюдаются более крутые восходящие ветви кривых кажущегося сопротивления по электрическому и магнитному полю на частотах выше 200 Гц. Такое поведение кривых ρ_ω, обусловленное влиянием токов смещения находится в согласии с общей теорией распространения электромагнитного поля заземленной электрической линии [Гасаненко, 1958; Bernstein, 1974; Вешев, 1980; Шевцов, 2001]. В области низких частот (ниже 10 Гц) на кривых ρ_ω осевого зондирования CSAMT четко проявлены признаки выхода их в ближнюю зону, отмеченные выше на рис. 12 . Это проявляется в резком воздымании кривой $\rho _{\omega }^{{{{Z}_{{tot}}}}}$ по полному входному импедансу и в резко нисходящем виде кривой $\rho _{\omega }^{{{{H}_{{tot}}}}}$ по полному магнитному полю.

В целом результаты наблюдений CSAMT в точке Ура-Губа подтверждают резко восходящий вид кривой зондирования с увеличением разносов свыше 30–40 км, отмеченный по данным дистанционного зондирования в предыдущем разделе на рис. 9 и рис. 10.