Magnetotelluric and Raiomagnetotelluric investigations, an example on Midsommar Island in Sweden

Transcript

1 مجلة فيزيك زمين و فضا دوره 38 شماره صفحة *1 بهروز اسكويي و آيدا هوشياريفر 1 استاديار گروه فيزيك زمين مو سسة ژي وفيزيك دانشگاه تهران ايران 2 دانشجوي كارشناسي ارشد ژي وفيزيك گروه فيزيك زمين مو سسة ژي وفيزيك دانشگاه تهران ايران (دريافت: 87 / 12 / 12 پذيرش نهايي: ( 90 / 7 / 19 چكيده روشهاي الكترومغناطيسي روشهاي ژي وفيزيكي قدرتمند و متداولي هستند كه ميتوان آنها را در توصيف رسانايي الكتريكي مواد زمين بهكار گرفت. دادههاي مگنتوتلوريك و راديومگنتوتلوريك در سال 2000 در يك سايت در جزيره ميدسومار غرب استكلهم در كشور سوي د جمعآوري گرديدهاند. اين تحقيق تحت پوشش طرح انرژي بيركا براي بهنقشهدرآوردن ساختارهاي زيرسطحي عمق به روشهاي ژي وفيزيكي و حفاري چاه صورت گرفته است. اين تحقيق تركيب دادههاي موجود اين جزيره را مورد بررسي قرار داده است كه شامل دادههاي RMT با قابليت تشخيص ويژگيهاي سطحيترين بخش پوسته و دادههاي MT كه ويژگيهاي الكتريكي بخشهاي عميقتر پوسته بالايي زمين است. نتايج وارونسازي دادههاي اين سايت اندازه گيري به خوبي با اطلاعاتي كه از چاه حفر شده تا عمق 964 متري بهدست آمده است مطابقت ميكند. اطلاعات چاه وجود مواد رسانا در عمق 900 متري و گسترش آنها در اعماق بيشتر را نشان ميدهد. اين لاية رسانا به وضوح با دادههاي MT اين جزيره تاييد شده است. واژههاي كليدي: راديومگنتوتلوريك مگنتوتلوريك مقاومت ويژه الكتريكي ميدسومار رسانايي الكتريكي Magnetotelluric and Raiomagnetotelluric investigations, an example on Midsommar Island in Sweden Oskooi, B. 1 and Hoshyarifar, I. 2 1 Assistant Professor, Earth Physics Department, Institute of Geophysics, University of Tehran, Iran 2 M.Sc. Student of Geophysics, Earth Physics Department, Institute of Geophysics, University of Tehran, Iran (Received: 2 March 2009, Accepted: 11 Oct 2011) Abstract Recent studies show that electromagnetic methods are robust and widespread geophysical methods that can be employed to delineate the electrical conductivity of earth materials. In this paper Magnetotelluric and Radio-magnetotelluric methods have been used to map the Earth's structures. The Magnetotelluric (MT) method is a frequency-domain electromagnet (EM) sounding technique used to investigate the electrical structure of the earth's surface. The method exploits naturally existing EM fields as a signal source. The MT method has a wide range of applications, from shallow investigations (geotechnics, ground water, and environment) to moderate and deep target in exploration of natural resources (mineral, geothermal and petroleum) depending on frequency band used. In general the Radio-magnetotelluric (RMT) uses the MT-principles by employing artificial transmitters far off the measuring site in the frequency range from about 10 khz up to 300 khz. This is called Controlled source RMT method. At the same time we can take the advantage of using signals from powerful communication transmitters for boskooi@ut.ac.ir دورنگار: تلفن: * نگارنده رابط:

2 مجلة فيزيك زمين و فضا دوره 38 شماره submarines in the very low frequency range (VLF) from 10 to 30 khz. In this study we used only the latter case. Data were collected in year 2000 at one site located on Midsommar Island, west of Stockholm, Sweden. This work has been done under the coverage of Björkö Energy Project which has been designed to map the structure at depth with geophysical methods and by drilling. Combined data including RMT data which reflects the characteristics of the uppermost part of the earth and MT data reflecting the characteristics of the deeper parts of the earth s upper crust at the island are considered. Hence, a good coverage from surface to deeper part of the earth can be obtained. For RMT measurements radio signals with frequency ranges from 15 to 30 khz have been used while in MT method three bands have been applied with frequency ranges from 256 Hz to 8192 Hz, 8 Hz to 256 Hz, and 0.25 s to 8 Hz for band 1 to band3, respectively. In some frequencies a weak correlation were observed due to the noisy data which were collected mostly from band 3. So these data were put aside and we placed more emphasis on the rest. MT and RMT data, resulted from 1D inversion, had been processed in order to obtain resistivity variation with depth. As a result, electrical structures from upper parts of the crust to 3000 meters depth have been plotted for this site. RMT data are being used to evaluate the characteristics of structures from the surface to 200 meters depth, which demonstrate decrease in the electrical resistivity. This parameter increases down to 600 meters depth then there is a decline in the electrical resistivity in deeper parts. From 900 meters to 1300 meters, a conducting zone has been detected by using MT data. Inversion results correlate perfectly with borehole data which had been drilled to 964 meters depth on the island. From the surface to 200 meter depth low electrical resistivity about 300 can be detected which interpreted as brackish water. From 200 meters to 670 meters the electrical resistivity increases to about 5000and the lithology of this part indicates Jotnian sandstone with sharp boundary. From 670 meter to 900 meter the electrical resistivity exceeds. From 900 meters to 960 meters depth the electrical resistivity decreases to about 600 most probably due to the electrical nature of the breciated quartz lithology at that depth. From this depth down to 1300 meter a conducting zone is detected probably due to the abundant fractures in rocks which contain fluids and the MT data confirms this by showing resistivity lows. In regard to the frequency gap between MT and RMT data, it is suggested to combine another electromagnetic method such as, CSMT which data can be controlled better with less noisy data while filling this gap. Professor Laust Pedersen from Uppsala University is apprecitaed for providing the data to be reprocessed and reported. Key words: Electrical conductivity, Electrical resistivity, Magnetotelluric, Midsommar Island, Radiomagnetotelluric. 1 مقدمه مقاومت ويژه الكتريكي در بيشتر مواد زمين در بازهاي از چند دهم اهممتر (Ωm) تا دهها هزار اهممتر قرار دارد. بنابراين تفاوت زيادي در مقاومت ويژه بين ساختارهاي زمينشناسي در همسايگي يكديگر وجود دارد. در برخي مناطق تفاوت بين مقاومت ويژه الكتريكي مواد به قدري زياد است كه ميتوان با استفاده از آن مرزهاي مشخصي را تعيين كرد و به نقشه درآورد. روشه يا الكترومغناطيسي روشهايي قدرتمند چندمنظوره و گسترده هستند كه با آنها ميتوان مقاومت ويژه الكتريكي مواد زمين را تعيين كرد. اين روشها براساس پاسخ

3 15 ساختارهاي زيرسطحي نسبت به انتشار ميدانه يا الكترومغناطيسي استوار هستند (اسكويي و همكاران.(2005 در دهة 1950 تيكونوف و كانيارد دريافتند كه اگر ميدانه يا تغييرات مغناطيسي و الكتريكي درصورتيكه بهطور همزمان اندازهگيري شود ميتوان نسبت مختلطي به نام امپدانس را بهدست آورد كه نفوذ ميدانه يا الكترومغناطيسي را به داخل زمين توضيح ميدهد. نفوذ بستگي ميدانه يا دوره به اين الكترومغناطيسي به داخل زمين سيگنالهاي رسانايي ساختارهاي زيرزميني دارد. الكترومغناطيسي ميدانه يا و الكترومغناطيسي كه بهطور طبيعي در زمين القا شدهاند طول از حدود موجهايي تا 10 3 ثانيه دارند. عمق زيادي كه با استفاده از اين روش ميتواند به تصوير كشيده شود يكي از مزاياي اين روش در مقايسه با ديگر روشهاي الكترومغناطيسي است كه معمولا در آنها بيشينه عمقي كه ميتوان كاوش كرد با اندازه منبع موجود محدود ميشود. بررسي روشهاي صورت ميگيرد: روشه يا زمان و ديگري روشه يا بسامد. در اين تحقيق الكترومغناطيسي در دو حوزه الكترومغناطيس الكترومغناطيسي در در حوزه حوزه روشهايي كه مورد بررسي قرار ميگيرد در حوزة بسامد هستند. منشا روش مگنتوتلوريك (MT) ميدانهاي طبيعي است. ديگر روشه يا الكترومغناطيسي به منابع تغذيه قدرتمند و كنترل جريان نياز دارند. از جمله اين روشها روش راديومگنتوتلوريك (RMT) است كه در اين تحقيق نتايج و دادههاي آن نيز مورد بررسي قرار ميگيرد. ميدسومار (Midsommar) واقع در جنوبغرب جزيره بيركا (Bjorko) در درياچه ملارن (Malaren) كشور سوي د ميپردازد. دادههاي مورد استفاده در سال 2000 را نگارنده برداشت كرده است و اين عمليات تحت پوشش پروژه انرژي بيركا Project) (Bjorko Energy براي به نقشه درآوردن ساختارهاي عمقي با استفاده از روشه يا ژي وفيزيكي MT اندازهگيريهاي RMT و از RMT صورت سيگنالهاي براي است. گرفته راديويي در بازه تا هرتز و در اندازهگيريهاي MT از سه باند بسامدي كه در جدول زير آورده شده استفاده شده است. جدول 1. بازه بسامدهاي MT مورد استفاده در پروژه.MT باند 1 بسامد بالايي (هرتز) 8192 بسامد پاييني (هرتز) /4 s در اين بررسي نتايج حاصل از وارونسازي يكب عدي (1D inversion) تركيب دادههاي مگنتوتلوريك و راديومگنتوتلوريك آورده شده است كه ساختار عمق را از نزديكي سطح زمين تا عمق 3000 متر نشان ميدهد. 3 وارونسازي يكب عدي دادهها inversion) -1D) بهمنظور تفسير صحيح اندازهگيريهاي سطحي مولفههاي ميدانهاي مغناطيسي و الكتريكي نياز به دانستن مفاهيم اوليه برهمكنش اين ميدانها با زمين است. پديده توليد و انتشار امواج الكترومغناطيسي در اواسط قرن نوزدهم بررسي شد. تحقيقات تجربي (مانند وارد و ههمن 1991) نشان ميدهند كه همه پديدههاي الكترومغناطيسي از معادلات ماكسول پيروي ميكنند. 2 منطقه مورد بررسي اين تحقيق به بررسي ساختار پوسته فوقاني زمين در جزيره

4 مجلة فيزيك زمين و فضا دوره 38 شماره شكل 1. نقشه زمينشناسي منطقه مورد بررسي (هنكل 2000). در مبحث القا موج روشن شده است كه در مورد يك توزيع رسانايي كلي در زمين مولفههاي ميدان الكتريكي افقي ) y E) x, E و بهصورت زير با مولفههاي ميدان مغناطيسي افقي ) y H) x H, مرتبط هستند (كانتول 1960): (1) يك ماتريس 2 2 است كه درحكم تانسور امپدانس مختلط شناخته ميشود: (2) Magnetotelluric ) بهمنزلة تابع تبديل مگنتوتلوريك (Transfer Function شناخته ميشود. براي يك زمين 1D كه هيچ جهت ترجيحي وجود ندارد معادلات ماكسول ساختار زير را براي تانسور امپدانس بهدست ميدهد: بهدليل اينكه در عمل زمين به شكل ي ك ب عدي واقعي وجود ندارد از دترمينان (Determinant) تانسور امپدانس كه به آن امپدانس موثر (Effective Impedance) نيز ميگويند استفاده ميشود (لي و پدرسون 1991). دترمينان تانسور امپدانس را با استفاده از عناصر ماتريس امپدانس به صورت زير محاسبه ميشود: (4) و مقاومتويژه ظاهري و فاز براي زمين يكب عدي به صورت زير قابل محاسبه است: (5) (6) كه i=xx,xy,yx,yy,det و μ 0 نفوذپزيري مغناطيسي در فضاي آزاد و DET بيانگر دترمينان دادهها است. وارونسازي يكب عدي = ai xx 1 yy 2 ai i μ0ω ρ = ϕ = pahse ) ( i xy yx دادههاي دترمينان با استفاده Ex H = E y H = xx yx 0 = x y xy yy 0 (3)

5 17 از رهيافت عرضه شده از سوي پدرسن (2004) صورت گرفته است. در اين برنامه خطاي ميانگين مربعي كل error) (total mean-square مدل برآورده شده براي تعريف سطح برش level) (truncation استفاده ميشود تا تعادل معقولي بين قدرت تفكيك و واريانس مدل بهدست آيد. اين تعادل بيشتر با دادهها تعيين ميشود و به فرضيات بيشتري بهجز اينكه جملات گرايست terms) (bias بايد بهخوبي برآورده شوند نياز ندارد. دادههاي MT بهصورت مقاومتويژه ظاهري و فازپاگيري (برحسب بسامد يا دوره تناوب) درحكم ورودي به برنامه برگردان پدرسن داده شدهاند (اسكويي و پدرسن.(2005 در شكلهاي 3 تا 5 نتايج وارونسازي با رسم مقاومتويژه برحسب عمق بههمراه مقاومتويژه و فاز برحسب بسامد آورده شده است. در شكل 3 سونداژ داده MT شامل اطلاعاتي از سه باند بسامدي آن و نيز اطلاعات بسامدهاي RMT نشان داده شده است. در سمت راست نمودار مقاومتويژه و فاز برحسب دوره آورده شده است. دورههاي كم مربوط به دادههاي MT و دورههاي بلندتر مربوط به دادههاي RMT هستند. درسمت چپ نتايج وارونسازي با استفاده از همة اين دادهها آورده شده است. از سطح تا عمقي در حدود 250 متر مربوط به دادههاي RMT است سپس تا عمق 3000 متر مربوط به دادههاي MT هستند. همانطور كه مشاهده ميشود از عمق 2000 متر به بعد مقاومتويژه ثابت باقي ميماند. دادههاي RMT (بسامدهاي زياد) اطلاعات را از قسمتهاي بالاي زير سطح فراهم ميكنند. نتايج وارونسازي دادههاي RMT بهتنهايي در شكل 4 آورده شده است. از سطح زمين بهترتيب رسانا ساختار تا عمق در حدود متر سپس ساختار مقاوم تا عمق 20 متر و بعد از آن ساختار رسانا تا عمق متر و تا عمق 80 متر ساختار مقاوم ميشود و درنهايت ساختار رسانا تا عمق 110 متر مشاهده ميشود. از عمق ميشود. از آنجا 150 دادههاي متر به بعد تقريبا مقاومتويژه ثابت داراي نوفه 3 باند بسامد با MT تشخيص داده شد نتايج وارونسازي با استفاده از داده RMT و دادههاي MT باند 1 و 2 در شكل 5 نشان داده شده است. همانطور كه مشاهده ميشود از عمق 200 تا 800 متر لايهاي مقاوم و به طرف عمق يك ناحيه انتقالي با ساختاري نسبتا رسانا از عمق 1000 تا 1400 متر وجود دارد. 4 اطلاعات چاه موجود در جزيره ميدسومار از نتايج لاگ چاه موجود كه در جزيره نيز براي تفسير دادهها استفاده شد. اين مشخصات لاگ بهصورت زير است. از سطح تا عمق 200 متر مقاومتويژه كم در حدود 300 Ωm مشاهده ميشود كه تفسير اوليه آن نشان از وجود آب شور فسيلشده دارد. از عمق 200 متر تا متر 670 افزايش مييابد مقاومتويژه و حدود در 4000 Ωm بنا بر اطلاعات موجود از نظر چينهگاري اين قسمت ماسهسنگ با سن جوتنين (ca Ga) (Jotnian) است. مشخص بستر وجود دارد و امتداد لايهها از عمق است. درجه مرز تا 670 متر شيب لايهها 80 درجه ميشود و مقاومتويژه نيز افزايش مييابد. از عمق 960 متر تا 900 متر مقاومتويژه كاهش مييابد در حدود 600 Ωm و سنگشناسي اين قسمت كوارتزهاي برشي شده است.

6 مجلة فيزيك زمين و فضا دوره 38 شماره شكل 2. توالي چينهنگاري چاه حفر شده در جزيره ميدسومار (هنكل 2000).

7 19 شكل 3. بهترتيب از بالا به پايين مقاومت ويژه فاز (سمت راست)و مدل يكب عدي مقاومتويژه برحسب عمق براي سه باند بسامدي MT و يك باند بسامدي RMT (سمت چپ). شكل 4. بهترتيب از بالا به پايين مقاومت ويژه فاز (سمت راست)و مدل يكب عدي مقاومتويژه برحسب عمق براي دادههاي RMT (سمت چپ).

8 مجلة فيزيك زمين و فضا دوره 38 شماره شكل 5. بهترتيب از بالا به پايين مقاومت ويژه فاز (سمت راست) و مدل يكب عدي مقاومتويژه برحسب عمق براي دادههاي باندهاي بسامدي 1 و 2 MT و باند بسامدي RMT (سمت چپ). 6 نتيجهگيري روش RMT بهخاطر استفاده از بازه بسامدي بالا داراي مزيتي است كه بيشتر ويژگيهاي بخش بالايي زير سطح زمين را نشان ميدهد و مزيت عمدة روش مگنتوتلوريك (MT) با بازه بسامدي وسيع در مقايسه با ساير روشه يا الكترومغناطيسي عمق نفوذ زياد آن است كه به همين دليل از اين روش اغلب در بررسيهاي عميق (پوسته و گوشتة بالايي) استفاده ميشود. بنابراين با تفسير دادههاي اين دو روش با هم مي توانيم مشخصات الكتريكي لايههاي فوقاني پوسته زمين را از نزديك سطح زمين تا اعماق قابلملاحظه بهدست آوريم. بررسيهاي تغييرات مقاومتويژه نسبت به عمق حاصل از تفسير دادههاي RMT و MT كه مستقيما از وارونسازي يكب عدي دادهها بهدست آمده است ساختار الكتريكي قسمت فوقاني پوسته زمين را در جزيره ميدسومار تا گسترش عمق 3000 متري نشان ميدهد. از سطح تا عمق 200 متري مقاومتويژه الكتريكي كه با دادههاي RMT قابل ارزيابي است كاهش مييابد سپس اين كميت تا عمق 600 متري افزايش مييابد و در اعماق بيشتر كاهش مقاومت ويژه الكتريكي تشخيص داده ميشود. از عمق حدود 900 متر تا 1300 متر نيز يك زون كاملا رسانا با كمك دادهاي MT قابل تشخيص است. نتايج وارونسازي دادهها بهخوبي با اطلاعات چاهي كه تا عمق 964 متري در جزيره حفرشده همخواني دارد. از سطح تا عمق با متر 200 مقاومتويژه كم در حدود 300 Ωm مشاهده ميشود كه تفسير اوليه آن

9 21 تا آبهاي شور فسيل شده ميتواند باشد. از عمق 200 متر 670 متر مقاومتويژه افزايش مييابد در حدود 4000 Ωm و سنگشناسي اين قسمت ماسه سنگ جوتنيان (Jotnian) تشخيص است. تا از عمق ميباشد و مرز مشخصي قابل متر مقاومتويژه همچنان افزايش مييابد. مقاومتويژه تا 900 متر تا از عمق متر 600 Ωm كاهش مييابد و سنگشناسي اين قسمت كوارتزهاي برشي شده است. از اين عمق به بعد تا عمق حدود 1300 متر احتمالا بهدليل شكستگيهاي فراوان سنگها كه حاوي شاره هستند از نظر الكتريكي يك زون رسانا تشخيص داده شده است كه دادههاي مگنتوتلوريك هم اين موضوع را تاييد ميكنند. منابع Cantwell, T., 1960, Detection and analysis of low frequency magnetotelloric signal, Ph.D. thesis, Geology and Geophysics, Massachusetts Institute of technology. Henkel, H., 2000, The Bjorko geothrmal energy project, Norge Geologiske Undersokelse Bulletin. Li, X. and Pedersen, L. B., 1991, The electromagnetic response of an azimuthally anisotropic half space, Geophysics, 56, Pedersen, L. B., 2004, Determination of the regularization level of truncated singular-value decomposition inversion, The case of 1D inversion of MT data, Geophys. Prosp., 52, Tikhonov, A. N., 1950, On determining electrical characteristics of the deep layers of the earth s crust, Doklady, 73, Ward, S. H. and Hohmann, G. W., 1991, Electromagnetic Theory for Geophysical Applications, Electromagnetic methods in applied geophysics, 2(3).