MAGNETOTELLURIKUS ADATOK STATISZTIKAI VIZSGÁLATA STATISTICAL INVESTIGATION OF MAGNETOTELLURIC DATA

Átírás

1 MAGNETOTELLURIKUS ADATOK STATISZTIKAI VIZSGÁLATA STATISTICAL INVESTIGATION OF MAGNETOTELLURIC DATA NÁDASI Edre, TURAI Edre 2, SZABÓ Norbert Péter 3 taársegéd, kutató mérök, gfe@ui-miskolc.hu Geofizikai Taszék, MTA-ME Műszaki Földtudomáyi Kutatócsoport, Miskolci Egyetem 2 egyetemi doces, gfturai@ui-miskolc.hu 2 Geofizikai Taszék, Miskolci Egyetem 3 egyetemi doces, tudomáyos főmukatárs, gfmail@ui-miskolc.hu 3 Geofizikai Taszék, MTA-ME Műszaki Földtudomáyi Kutatócsoport, Miskolci Egyetem Kivoat: Jele publikáció magetotellurikus (MT) geofizikai adatok statisztikai vizsgálatát tartalmazza. Klasszikus és moder, többváltozós statisztikai módszereket egyarát felhaszáltuk. A számításokat már feldolgozott adatokkal, a szodázási görbék látszólagos fajlagos elleállás és fázis értékeivel végeztük. Az északkelet-magyarországi Cserehátból származó 24 MT állomás adatai képzeték vizsgálatuk tárgyát. Átlag szodázási görbék és korrelációs térképek előállítása, valamit klaszteraalízis alkalmazása alapjá votuk le geofizikai és a mérési területre voatkozó földtai következtetéseiket. Kulcsszavak: geofizika, elektromágeses idukció, magetotellurika, statisztika, klaszteraalízis Abstract: This paper deals with statistical aalysis of magetotelluric (MT) data. Classical ad moder, multivariate statistical methods were applied as well. The calculatios were doe o processed MT data, o the apparet resistivity ad phase values of MT soudig curves. The object of our statistical ivestigatios was the 24 MT statio data from the Cserehát regio, NE Hugary. The geophysical ad local geological coclusios were draw based o the prepared average soudig curves, correlatio maps ad the results of cluster aalysis. Keywords: geophysics, electromagetic iductio, magetotellurics, statistics, cluster aalysis. BEVEZETÉS A magetotellurika (MT) passzív elektromágeses geofizikai kutatómódszer, melyek vizsgálati mélysége a regisztrált hullámok periódusidejétől függőe a éháy tíz métertől a több száz kilométerig terjed, így akár a földköpey vizsgálatára is alkalmas. Haszálata sorá a természetes elektromágeses tér vízszites kompoeseiek a Föld felszíé törtéő mérésével becsüljük a felszí alatti térrész elektromos fajlagos elleállását. Alkalmazási területe széleskörű: a tudomáyos célú köpeykutatáso túl az érc-, a széhidrogé- és a geotermikus kutatásokál is elterjedt geofizikai módszer. Jele taulmáyba az észak-magyarországi Cserehátba gyűjtött MT adatredszer statisztikai vizsgálatát végeztük el aak érdekébe, hogy a 3D iverziós feldolgozást további iformációkkal támogassuk meg. Az Irota, Gada és Felsővadászi községek közötti erdővel borított mérési területe 24 MT állomás adatai álltak redelkezésükre (. ábra). Az adatok érckutatási céllal kerültek regisztrálásra, ugyais a régóta iaktív kutatási területe szulfid ásváyosodáshoz kapcsolódó ércdúsulás remélhető. Midezt a korábbi fúrásos kutatások, az ismert geomágeses és gravitációs aomáliák [], valamit a friss földtai észlelések és ayagvizsgálatok is alátámasztják [2]. Az MT állomások adatait statisztikus frekvecia aalízissel dolgoztuk fel, így előálltak mide állomásra az egyes frekveciákhoz tartozó látszólagos fajlagos elleállás (ρa) és fázis 38

2 Műszaki Tudomáy az Észak Kelet Magyarországi Régióba 207 (φ) adatok TE (traszverzális elektromos) és TM (traszverzális mágeses) módusba. Ezek a meyiségek (ρate, ρatm, φte, φtm) képezték klasszikus (átlag, szórás, korreláció) és moder (klaszter aalízis) statisztikai vizsgálataik tárgyát.. ábra. A mérési terület műholdképe a 24 MT mérési pottal 2. AZ MT ADATOK FELDOLGOZÁSA A magetotellurikus adatok feldolgozásáak alapfeladata az ú. impedacia tezor elemeiek [3] a meghatározása. Eek alapját a yers mérési adatok, vagyis az elektromos és mágeses térkompoesek (Ex, Ey, Hx, Hy, Hz) terepe regisztrált idősorai jeletik. A hagyomáyos, ipari gyakorlatba alkalmazott magetotellurikus adatfeldolgozás legfotosabb lépései a következőek [3]: időtartomáyba törtéő előszűrés, frekveciatartomáyba törtéő átalakítás, gyors Fourier-traszformáció (FFT- Fast Fourier Trasform), a műszer átviteli függvéyéek korrekciója, teljesítméysűrűség spektrumok számítása, az impedacia tezor elemeiek kiszámítása. Ezt követőe a látszólagos fajlagos elleállás (ρa(ω)) és fázis (Φ(ω)) értékek a Cagiard formulák [4] alapjá számíthatók: ρa = µω 2 Zij [ohmm] és () 39

3 ahol: Im( Z ij ( ω)) ϕ = ij ( ω) arctg [rad], (2) Re( Zij ( ω)) i=x; j=y TE módus eseté, i=y; j=x TM módus eseté, µ a közeg abszolút mágeses permeabilitása, µ µ0, µ0 a vákuum abszolút mágeses permeabilitása, ω a körfrekvecia. A látszólagos fajlagos elleállás és fázis értékeket a periódusidő függvéyébe ábrázolva kapjuk az egyes mérési potokra a szodázási görbéket (2. ábra). A fet ismertetett lépések a WiGLik (verzió:.55) felszíi geofizikai adatfeldolgozó szoftver segítségével törtétek. 2. ábra. Az ir03 mérési pothoz tartozó MT szodázási görbe. Pirossal a TE, kékkel a TM módus jelölve. 3. MÓDSZEREK ÉS EREDMÉNYEK 3.. Klasszikus statisztikai elemzések A szodázási görbék egyes frekveciákhoz tartozó látszólagos fajlagos elleállás és fázis értékeiből (TE és TM) átlagot (3) és szórást (4) számítottuk: = ρ i a i a átlag f =, ρ, ( ), ( ρ ρ ) a, i a, átlag i= ρ a, szórás ( f ) =, 2 = ϕ i i átlag f = ϕ ( ), (3) ( ϕ ϕ ) átlag i= ϕ szórás ( f ) =. (4) i 2 320

4 Az így kapott értékeket a periódusidő függvéyébe ábrázoltuk (3. ábra), a fajlagos elleállás adatokat log-log, míg a fázis adatokat szemilogaritmikus skálá. 3. ábra. A területe várható MT szodázási görbék, a szórásitervallumok feltütetésével. Piros szíel a TE, kék szíel a TM módust jelöltük. A feti két grafikoo a látszólagos fajlagos elleállás, alul a fázis görbék láthatóak. A látszólagos fajlagos elleállás görbékről elmodható, hogy a szórás a agy frekveciáko alacsoy. TE módus esetébe a 3 Hz, TM módus esetébe az 50 Hz feletti frekveciákra igaz ez a megállapítás. A fázisgörbék eseté külööse TM módba jeletős szórás figyelhető meg a agy frekveciák esetébe is. A TE és a TM szodázási görbék közötti korrelációs együtthatók (Pearso-féle) alapjá korrelációs térképeket (ρa és φ) szerkesztettük. Ezek alapjá (4. ábra) a földtai szerkezet egy-, illetve többdimeziós jellegére voatkozóa tudtuk következtetéseket levoi. Miél agyobb ugyais a korrelációs együttható, aál ikább egydimeziós, azaz vízszitese rétegzett struktúrát várhatuk az adott pot esetébe. A látszólagos fajlagos elleállásra meghatározott korrelációs térképe látható, hogy erős korrelációs értékek adódtak az ir32, ir06, ir07 és ir0 MT állomások esetébe. A legalacsoyabb korrelációs együtthatók az ir30, ir3 és ir34 állomásokál jeletkeztek. Mivel 32

5 a fázisál egatív értékek is előfordulak, így ott természetese egatív korrelációs értékek is megjeleek. Megfigyelhető, hogy a mérési terület keleti felére eső állomások esetébe fordulak elő pozitív, helyekét erős korrelációs együttható értékek a fázisra meghatározott térképe. A korrelációs térképek alapjá megállapítható, hogy az ir6, ir7, ir9, ir0 és az ir2 mérési potok alatt jó közelítéssel D a földtai szerkezet. 4. ábra. A területre meghatározott korrelációs térképek, ρa paraméterre baloldalo, fázisra jobboldalo 3.2. Klaszteraalízis alkalmazása Az egyes mérési állomásokat a hozzájuk tartozó szodázási görbék alapjá csoportokba redeztük em-hierarchikus klaszterezést alkalmazva. A em-hierarchikus klaszterezési eljárások közül a leggyakrabba alkalmazott K-közép módszert [5] haszáltuk. A klaszterezést az adat objektumok között értelmezett L2 ormá alapuló euklideszi és az L ormá alapuló city-block távolság defiíciók alapjá is elvégeztük (5. ábra). 5. ábra. A K-közép klaszterezés eredméye city-block (bal oldal), valamit euklideszi (jobb oldal) távolság alapjá 322

6 A em-hierarchikus klaszterezési techikák sajátsága, hogy a klszterszámot előre szükséges megadi. Az MT állomások esetébe tapasztalati úto 3 csoport kialakítását tartottuk megfelelőek, de ettől eltérő csoportszámokat (2, 4, vagy 5) is létrehoztuk. Mivel az euklideszi távolságo alapuló klaszterezés érzékeyebb a kiugró elemekre, így a city-block távolság képzés haszálatával differeciáltabb csoportbeosztáshoz jutottuk (5. ábra). Ezt a beosztást felhaszálva krigeléssel iterpolált klaszter térképet készítettük (6. ábra), melye az ellipszissel jelölt területe aomália rajzolódik ki. 6. ábra. A K-közép módszerrel city-block távolság alapjá klaszterezett MT állomások csoportszámaiak iterpolált (krigelés) térképe 4. KONKLÚZIÓ Az MT szodázási görbék statisztikai vizsgálatai kiemelt fotosságúak bizoyultak a kiugró adatok kezelésébe. Az adatok miőségelleőrzéséél és a rossz mérési adatok szelektálásába is segítséget yújtaak. Eze műveletek elvégzése fotos lépés az iverziós futtatások megkezdése előtt. A várható látszólagos fajlagos elleállás és fázis, valamit a hozzájuk tartozó szórás görbék alapjá megállapítható, hogy a fedő üledékes összlet közel D-s jelleget mutat. A TE és TM módushoz tartozó görbék redszerit az szekudum feletti periódusokál ( Hz-él alacsoyabb frekveciák) kezdeek egymástól elváli. Az átlag görbék számításával egy a területre jellemző fajlagos elleállás szodázási görbe állt elő az Hz-él agyobb frekveciákra. A korrelációs térkép jól mutatja azokat a területeket, ahol az elektromágeses 323

7 szempotból többdimeziós (2D, 3D) szerkezetek megjeleek. Ugyais miél alacsoyabb a korrelációs együttható, aál kevésbé egydimeziós a geoelektromos struktúra. A legalacsoyabb korrelációs együtthatók az ir30, ir3 és az ir34 állomások esetébe jeletkeztek. A klaszteraalízis megmutatta, hogy az előzetese NYDNY-KÉK iráyítottsággal feltételezett szerkezeti elemek (vető, vetőzóa) valóba jele lehetek a területe. Az ir07 és ir33 állomások által meghatározott csapás meté ugyais egatív aomália rajzolódik ki a klaszterszámokat megjeleítő izovoalas térképe (6. ábra), ez az iráy pedig a feltételezett szerkezeti csapás-iráyal egyezik meg. Összességébe kijelethető, hogy az egy területről származó MT szodázási görbék statisztikai vizsgálatával haszos iformációk yerhetők, melyek a potosabb geofizikai modell felállítását és a földtai iterpretációt egyarát segítik. 5. FELHASZNÁLT IRODALOM [] SZALAY I., BRAUN L., PETROVICS I., SCHŐNVISZKY L. ÉS ZALAI P.: Észak-Magyarország geofizikai előkutatása Szedrői-hegység előkutatása, MÁELGI Évi Jel. 987-ről. pp [2] NÉMETH, N.: Geological observatio i the Cserehat betwee Irota ad Gada, Geoscieces ad Egieerig, 202, (), [3] SIMPSON, F., BAHR, K.: Practical Magetotellurics, Uiversity Press, Cambridge, 2005., ISBN [4] CAGNIARD, L.: Basic theory of the magetotelluric method of geophysical prospectig, Geophysics, 953, 8, [5] MACQUEEN, J. B.: Some Methods for classificatio ad Aalysis of Multivariate Observatios, Proceedigs of 5-th Berkeley Symposium o Mathematical Statistics ad Probability, Berkeley, Uiversity of Califoria Press, 967, :