Файл: Якубовский, Ю. В. Электроразведка учебник.pdf

Нормальное поле горизонтального электрического диполя. Элек­ трический диполь представляет собой элементарный заземленный на концах отрезок линейного проводника, через который течет пере­ менный электрический ток. Если этот отрезок имеет длину dl, а сила

иего величина может быть вычислена по закону Био-Савара:

Н= 21/г,

где / — сила тока, текущего в кабеле; г — расстояние до кабеля.

Рис. 173. Графики нормального поля горизонтального элек­ трического диполя.

В точках дневной поверхности поле кабеля имеет только вер­ тикальную компоненту.

Если породы обладают конечным сопротивлением, то в них инду­ цируются вторичные токи, текущие при условии однородности

282

Г л а в а X

МЕТОДЫ МАГНИТОТЕЛЛУРИЧЕСКОГО ПОЛЯ

§ 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О МАГНИТОТЕЛЛУРИЧЕСКОМ ПОЛЕ ЗЕМЛИ

Под м а г н и т о т е л л у р и ч е с к и м п о л е м в дальнейшем мы будем понимать переменную составляющую естественного элек­ тромагнитного поля Земли.

Эта переменная составляющая в свою очередь может рассматри­ ваться как сумма переменных электромагнитных полей различного происхождения, различающихся по интенсивности, характеру зави­ симости от времени, площади распространения и т. п.

Для геофизиков наибольший интерес представляют магнитотел­ лурические поля регионального характера, захватывающие колос­ сальные объемы Земли и приземного пространства. Происхождение этих полей в настоящее время связывают с воздействием на ионо­ сферу Земли потока заряженных частиц, посылаемых Солнцем. Попадая в постоянное магнитное поле Земли, этот поток фокуси­ руется в приполярных областях и возмущает равновесное состояние ионизированных газов в ионосфере. Сложные токовые системы, возникающие при этом в ионосфере, служат источниками вторичного электромагнитного поля, накладывающегося на постоянное электро­ магнитное поле Земли.

Связь магнитотеллурического поля Земли с солнечным излуче­ нием хорошо подтверждается соответствием между одиннадцати­ летней периодичностью пятнообразования на солнце и такой же периодичностью изменений среднегодовых значений напряженности магнитотеллурического поля. Удаленность токовых вихрей в ионо­ сфере от поверхности Земли хорошо согласуется с региональным характером магнитотеллурического поля.

Зависимость магнитотеллурического поля от времени имеет очень сложный характер. Наряду с непериодическими возмущениями поля можно выделить гармонические составляющие, характеризу­ ющиеся более или менее устойчивыми периодами. Наиболее длинно­ периодные вариации магнитотеллурического поля, именуемые б у х -

284

т а м и, имеют период, измеряемый десятками минут и более (рис. 175, а). С другой стороны, в спектре магнитотеллурического поля присутствуют высокочастотные составляющие с периодом от десятых до тысячных долей секунды. Для геофизиков наибольший интерес представляют с р е д н е п е р и о д н ы е в а р и а ц и и ,

Рис. 175. Типы вариаций магнитотеллурического поля.

а — бухты; б — среднепериодные вариации: 1 — меридиональ­ ная составляющая Е , 2 — широтная составляющая Я; в — высокочастотные вариации: 1 — широтная составляющая Е , 2 — меридиональная составляющая Е.

имеющие период от нескольких секунд до нескольких десятков секунд. Осциллограмма среднепериодных вариаций электрической и магнитной составляющих магнитотеллурического поля изображена на рис. 175, б.

Амплитуда среднепериодных вариаций изменяется со временем. По характеру этих изменений выделяют устойчивые вариации, продолжающиеся в течение нескольких часов, причем в течение этого времени амплитуда поля незакономерно и обычно плавно изменяется, а также изменяются цуги вариаций — серии, состоящие

285

из нескольких импульсов поля и разделенные периодом отно­ сительного покоя.

Амплитуда среднепериодных вариаций различна в различных районах земного шара. В целом интенсивность магнитотеллуриче­ ского поля возрастает с увеличением широты точки наблюдения. В средних широтах электрическая составляющая колеблется от десятых долей до единиц милливольт на 1 км; магнитная составля­ ющая изменяется в пределах нескольких стотысячных долей эрстеда (нескольких гамм).

Суточный ход среднепериодных вариаций различен для устой­ чивых вариаций и цугов. Устойчивые вариации наиболее интенсивны в период с нуля до 12 ч по Гринвичу, цуги вариаций — в период с 12 до 24 ч.

Рис. 170. Поляризация векторов магнитотеллурического ноля. а — линейная; б — нелинейная.

Характерной особенностью магнитотеллурического поля является то, что векторы Е и Н этого поля меняются в данной точке не только по величине, но и по направлению.

Изменение величины и направления поля в данной точке можно характеризовать кривой, которую описывают своими концами век­

характер, что отражает изменение не только величины, но и напра­ вления векторов Е или Н со временем (рис. 176, б).

§ 2. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МЕТОДОВ МАГНИТОТЕЛЛУРИЧЕСКОГО ПОЛЯ

Источником региональных магнитотеллурических полей, как указывалось выше, являются токи в ионосфере, возбужденные корпускулярным излучением Солнца. Электромагнитные волны, излучаемые этими токами, имеют очень сложные фронты, определя­ емые распределением токов в пространстве и их интенсивностью. Однако, учитывая, что магнитотеллурические поля изучаются в точ­ ках дневной поверхности, удаленных от токов в ионосфере на очень

286

большие расстояния, и линейные размеры исследуемых площадей невелики по сравнению с этими расстояниями, магнитотеллурическое поле в пределах исследуемой площади может рассматриваться как плоская электромагнитная волна, падающая на поверхность земли под некоторым углом, зависящим от положения изучаемой площади и электрического состояния ионосферы в данный момент.

На поверхности земли электромагнитная волна испытывает преломление (рис. 177). В соответствии с законом преломления электромагнитных волн

Учитывая, что электрическое сопротивление воздуха бесконечно велико, а земля имеет конечное значение р, в соответствии с фор­ мулой (IX .14) можно записать ѵв ѵ3; отсюда следует, что d — О, т. е. преломленная волна уходит в землю под прямым углом к поверх­ ности земля — воздух. Таким образом, теория методов магнито­ теллурического поля должна основываться на изучении особенностей плоской волны, распространяющейся в электрически неоднородной среде в вертикальном направлении. Расчеты полей плоской волны в неоднородных средах очень сложны и выполнены главным образом для горизонтально-слоистых сред.

Пусть на поверхность горизонтально-слоистой среды падает плоская электромагнитная волна (рис. 178). Будем полагать, что векторы напряженности электрической и магнитной составляющих поля поляризованы линейно.

Согласно сказанному выше эти векторы расположены в пло­ скости, перпендикулярной к направлению распространения волны. Если введем прямоугольную систему координат, ось z которой совпадает с направлением распространения волны, а ось х — с напра­ влением вектора Е, то электромагнитное поле будет иметь две вза­ имно перпендикулярные компоненты — Ех и Н у, каждая из которых будет зависеть только от координаты г. Отношение этих компонент

287