Magnetotelurika

DomůVýzkum a výukaMagnetotelurika
Magnetotelurická metoda (MT) je geofyzikální elektromagnetická metoda sloužící ke zjišťování elektrického odporu hornin v hloubkách od prvních desítek metrů až po první stovky kilometrů. Na rozdíl od většiny ostatních geoelektrických metod, využívajících uměle vybuzené pole (cívkou, anténou), používá MT jako zdroj indukce v zemském tělese variace přírodního elektromagnetického pole Země. Z velmi přesných měření polí indukovaných těmito variacemi dovedeme následně spočítat elektrický odpor hornin pod studovanou oblastí. Hloubkový dosah metody je závislý na frekvenci registrovaných variací – čím nižší frekvenci variací měříme, tím hlubší jejich dosah. Zdrojem těchto přírodních variací jsou především jevy související s interakcí slunečního větru se zemskou magnetosférou a dále ionosférické a meteorologické jevy, jako jsou např. tropické bouře.

Obr. 1 Stavba magnetotelurické stanice na Malé Fatře, Slovensko.

Obr.2 Schéma MT měření – dva elektrické dipóly Ex a Ey registrují elektrické složky, tři magnetické cívky Hx, Hy a Hz zaznamenávají magnetické pole. Uprostřed bývá plechová bedna s dataloggerem a baterií.

Vzhledem k tomu, že se jedná o metodu pracující na principu elektromagnetické indukce, je citlivá zejména na vodivé struktury, ve kterých je efekt elektromagnetické indukce silný. Dobrými vodiči v Zemi mohou být elektricky vodivé materiály jako grafit, jíly či rudy, kapaliny nebo roztavené magma či obecně místa s vysokou teplotou. Díky svému velkému hloubkovému dosahu se metoda tradičně používá k výzkumu korových a svrchněplášťových struktur (hloubky prvních desítek kilometrů). Jedná se např. o vodivé zóny spjaté s fluidy v zemské kůře (ta mají často souvislost se vznikem zemětřesení) či grafitizované zóny odpovídající bývalým subdukčním zónám. Dále jsou to místa se zvýšeným tepelným tokem či klasické geologické struktury jako jsou sedimentární pánve nebo zlomové struktury. MT metoda se též využívá pro studium vulkánů a distribuci magmatu pod povrchem. Z praktického hlediska se vysokofrekvenční (tudíž mělká) MT měření využívají při průzkumu na ropu a zemní plyn nebo na geotermální energii.

Při samotném měření se registrují dvě elektrické (Ex, Ey) a tři magnetické (Hx, Hy, Hz) složky elektromagnetického pole (obr. 2). Elektrické složky se měří pomocí dvou dipólů – kabelem o délce 50 – 100 m se propojí dvě do země zakopané elektrody, mezi kterými se následně měří elektrické napětí. K měření magnetických složek slouží indukční cívky zakopané do země (z důvodu potlačení teplotních změn a mechanických otřesů), ve kterých se vlivem přirozeného magnetického pole indukuje elektrický proud. Pro zvlášť hluboká měření se složky magnetického pole registrují pomocí speciálního magnetometru typu fluxgate. Veškerý příchozí signál zaznamenává datalogger. Doba měření na jednom místě se pohybuje od necelé hodiny při hloubkách do jednoho kilometru, kolem tří dnů při tradičních korových průzkumech až po více než týden při velmi hlubokých experimentech.

Po zpracování naměřených dat je konečným výsledkem každého MT průzkumu tzv. geoelektrický řez (v případě 1D/2D, nebo krychle v případě 3D). Ve 2D se typicky jedná o řez podél profilu s hloubkou, který zobrazuje namodelované elektrické odpory. Vzhledem k velkému rozpětí elektrických odporů u hornin (několik řádů) se řez běžně vykresluje v logaritmické škále (obr. 3).

Největší předností MT metody je její přirozený zdroj indukce v zemském tělese, z čehož vyplývá i její velký hloubkový dosah srovnatelný pouze se seismickými metodami. Zároveň je však její fyzikální princip i její největší slabostí. Registrované variace přírodního elektromagnetické pole Země jsou totiž velmi slabé v porovnání s civilizačními zdroji. Veškerá měření v obydlených oblastech jsou proto silně kontaminována civilizačním šumem. Ten pochází zejména z elektrických rozvodných soustav, provozu stejnosměrných elektrických železnic nebo z celkové nevyváženosti trojfázové sítě. Tento šum je přitom velmi těžké eliminovat a projevuje se i na vzdálenosti desítek kilometrů od rušivých struktur. Obecně platí, že nízkofrekvenční signál je tímto šumem více poškozen, a tak je použití MT metody v obydlených oblastech pro hluboké studie velmi limitováno. Metodu lze tak bez potíží uplatnit hlavně v neobydlených či málo industrializovaných oblastech (některé země třetího světa, ostrovy, polární a pouštní regiony).

Obr. 3 Výsledný geoelektrický řez z MT metody zhruba od Jindřichova Hradce po Břeclav do hloubky 30 km, který ukazuje logaritmy elektrických odporů. Studené barvy vyjadřují nevodivé struktury (označené R): R1 – Moldanubikum, R2 – Dyjský terán, R3 – Slavkovský terán. Zatímco teplé barvy představují vodiče (označené C): C1 – grafitizovaná zóna, C2 – terciérní sedimenty, C3 – Brunia. Trojúhelníky nad profilem označují měřené body.

Obr. 4 Stavba MT stanice v západních Čechách nedaleko obce Kopanina. Na obrázku je dobře vidět připravený výkop pro magnetickou cívku.

Magnetoteluriku využívají skupiny Vulkanické a magmatické procesy a Environmentální a aplikovaná geofyzika. Metoda má na Geofyzikálním ústavu dlouhou tradici trvající již několik desetiletí. Dříve převládal teoretický výzkum orientovaný především na numerické inverzní modelování v nehomogenním a anizotropním prostředí (chová se odlišně v různých směrech) nebo na zpracování MT dat. Dnes se zaměřuje spíše na aplikaci MT při řešení různých geologických otázek. Ta zahrnují širokou škálu témat a měřítek – od relativně mělkých průzkumů v prvních stovkách metrů zaměřených na zlomové struktury a sedimentární pánve, přes regionální geologickou stavbu až po kontinentální litosférické struktury či magmatické systémy. Pracovníci zabývající se magnetotelurikou se účastní celé řady terénních měření, ať už na našem území, v Německu, Rumunsku či na Slovensku nebo i ve vzdálenějších zemích jako jsou Norsko, Švédsko, USA či Antarktida.

Od roku 2019 na GFÚ pracuje Graham Hill, který dříve působil zejména na Novém Zélandu, v Antarktidě a v USA. Jeho hlavním zájmem je aplikace magnetoteluriky na geodynamicky aktivní oblasti, jako jsou vulkanické/magmatické systémy a riftové či subdukční zóny. Zabývá se též rolí korových fluid v geologických procesech. Graham Hill se konkrétně věnoval magnetotelurickým průzkumům vulkanického systému Mount St. Helens, Transantarktického pohoří, četným vulkanickým a geotermálním systémům na Novém Zélandu (např. Tongariro, Ohaaki, Rotorua) a vulkanickému systému Mount Erebus na Antarktidě. V rámci působení na našem ústavu se věnuje vulkanickému systému Katmai na Aljašce, kde v roce 1912 proběhla nejsilnější erupce 20. století; vyhledávání mineralizovaných zlomových struktur ve Skandinávii; dlouhodobému monitoringu vulkánů (Mt. St. Helens, Stromboli, Hawai) a nově solným pňům v Maroku.