О влиянии экстремальной геомагнитной активности на точность проведения геофизических исследований в северных регионах

Северный регион подвержен интенсивным и частым возмущениям магнитного поля Земли, что влияет на биосферу и техносферу в данной местности (Kozyreva и др., 2022). В частности, влияние геомагнитной активности на проведение геофизических исследований может внести существенные неточности в данные, что создает повышенный риск отклонения при бурении и может оказывать негативное воздействие на экономическую эффективность проектов. Это несет значительные препятствия для проведения исследований, основанных на магнитных измерениях, и требует разработки новых подходов и технологий для подавления негативных воздействий.

Одним из способов снижения влияния геомагнитных бурь на точность измерений является использование данных с ближайших к месту проведения исследований обсерваторий. Однако логистические и технические ограничения могут затруднить размещение таких обсерваторий в непосредственной близости от мест бурения.

Принимая во внимание высокий интерес к северному региону во множестве работ, можно судить о том, что данная территория является чрезвычайно перспективной для нефтяной промышленности (Валяев, 2011; Визе, 1932; Грамберг и др., 1969). В свете растущего к ней интереса вопрос оперативного приема, регистрации и обработки активно меняющихся магнитных характеристик поля во время геомагнитной активности стал особенно актуальным (Воробьев, Воробьева, 2017).

Краткие сведения о природе и локализации экстремальных геомагнитных возмущений

Магнитные колебания, которые вызывают геомагнитные бури, имеют сложный и многогранный характер, поэтому до сих пор активно изучаются учеными. Бури могут быть краткосрочными либо достигать по продолжительности нескольких дней. Их происхождение связано с влиянием на геомагнитное поле Земли заряженных частиц, вызванным течением солнечного ветра и наличием космических излучений (Скороходов и др., 2013).

В результате такого взаимодействия происходит изменение кольцевого тока в

магнитосфере, что и приводит к возникновению геомагнитных бурь. Бури имеют значительное влияние не только на Земле, но и в околоземном космическом пространстве. Например, геомагнитные бури могут ухудшить радиосвязь, создавать трудности в работе систем навигации и связи, а также вызывать наведенные токи в линиях электропередач, что может приводить к авариям и повреждениям инфраструктуры (Скороходов и др., 2013).

Земное магнитное поле состоит из нескольких компонентов: главного поля, генерируемого в ядре Земли, корового поля от местной геологии и внешнего поля, создаваемого системами электрических токов в ионосфере и магнитосфере. Основная часть магнитного поля Земли в значительной степени генерируется в её ядре и меняется относительно медленно – менее чем на 150 нТл в год, а направление изменяется на несколько угловых минут в год по большей части земного шара, за исключением магнитных полюсов (Beggan и др., 2013).

Внешнее поле варьируется более быстро и интенсивно, вызывая изменения магнитного поля. Данные колебания связаны с ионизацией заряженными частицами верхних слоёв атмосферы с последующим возникновением сложной системы электрических токов, которые могут повлечь за собой флуктуации геомагнитного поля, при которых их интенсивность может достигать свыше 3000 нТл и вызывать смену направления действия поля на несколько градусов, особенно на высоких широтах, близких к авроральным регионам (Beggan и др., 2013; Lukianova, Christiansen, 2006; Papitashvili и др., 2002).

Влияние геомагнитных возмущений на геофизические исследования в северных регионах

Подверженность траектории скважины влиянию геомагнитных воздействий является значительной проблемой из-за высокой восприимчивости северных широт к возмущениям геомагнитного поля Земли, вызванным магнитосферными бурями (Гвишиани, Лукьянова, 2018). Они создают колебания азимута, что может привести к резким изменениям геометрических параметров скважины и значительным отклонениям от запланированного направления. Во время магнитной бури в авроральной зоне колебания магнитного склонения могут вызывать резкие отклонения магнитной стрелки от направления на магнитный полюс, что может привести к потере направления на истинный север. Следовательно, фактическая траектория бурения скважины окажется вне круга допуска, что потребует серьезной коррекции или даже остановки бурения для проверки правильности измерений (Булатов и др., 2003; Гвишиани, Лукьянова, 2018).

Во время магнитных бурь, даже умеренной интенсивности, амплитуда геомагнитных возмущений в авроральной зоне может составлять около 1000 нТл, и во время экстремальных бурь отклонения могут превышать 5000 нТл, что приводит к неприемлемо высоким ошибкам в позиционировании скважины. Любое значительное отклонение требует коррекции траектории бурения в реальном времени. Коррекции измерений инклинометра скважин обычно основаны на записи магнитных характеристик поля обсерваторией, оснащенной современными инструментами и расположенной в пределах 100 км от места бурения. Если данные отклонения не отфильтровываются на основе параллельных измерений в геомагнитных обсерваториях, они могут привести к недопустимо большим ошибкам в инклинометрических измерениях. Частота и интенсивность магнитных бурь, которые более распространены в северных регионах в периоды высокой солнечной активности, усугубляют эту проблему.

Рассмотрим событие, происходившее с 29.10.2003 по 30.10.2003. Серия солнечных вспышек вызвала один из самых мощных геомагнитных штормов с 1994 г. Максимальный К-индекс, характеризующий геомагнитную активность и классифицирующий геомагнитные бури, составил 9 баллов (табл. 1).

В целях определения влияния геомагнитных возмущений на геофизические исследования воспользуемся магнитными данными, предоставленными магнитной обсерваторией «Сёрёйа» (Soeroeya, код обcерватории SOD, географические координаты 70,54° N, 22,2° E) в рамках международной системы мониторинга геомагнитной активности IMAGE .

Данные, полученные обсерваторией, представляют собой компоненты магнитного поля (северная X, восточная Y, вертикальная Z), составляющие вектор напряженности магнитного поля Земли F (рис. 1). В целях определения изменения магнитного склонения D (угол между северной компонентой X и горизонтальной проекцией вектора напряженности H) с течением времени, воспользуемся формулой D=arctan(Y/X) для пересчета компонент в магнитное склонение D и построим диаграммы (рис. 2, 3).

Рис. 1. Компоненты вектора напряженности

Диаграмма показывает, как меняется магнитное склонение во время геомагнитного шторма. В дни тишины (28.10.2003 и 31.10.2003) среднее значение магнитного склонения составило 7,3°, график не имел резких изменений. Начиная с 5:00 29.10.2003 и заканчивая 00:00 31.12.2003, наблюдаются постоянные резкие изменения склонения. При пиковой геомагнитной активности, произошедшей в 7:00 29.10.2023 и 19:00 30.10.2003, максимальные значения склонения составили 11,23° и 11,40° соответственно.

Таким образом, присуётствует необходимость применения высокоточного магнитометрического оборудования для мониторинга быстрых вариаций магнитного поля в реальном времени и дальнейшей корректировки измерений инклинометра.

Зависимость точности исследований от широтного диапазона

В целях оценки отклонений фактического бурения от запланированного в периоды геомагнитной активности используются агрегированные данные геомагнитных обсерваторий и станций. Данные включают в себя полные значения компонент магнитного поля (северной, восточной и вертикальной), которые, в свою очередь, позволяют получать абсолютные среднечасовые значения магнитного склонения (Гвишиани, Лукьянова, 2018).

На примере магнитограмм серии обсерваторий, расположенных в широтах 78,92°–58,26° в порядке убывания (табл. 2), рассмотрим обработанные магнитные данные (рис. 4).

Построенные для убывающих по географическим широтам обсерваторий гистограммы указывают на снижающуюся активность вариаций магнитного склонения по мере движения к низким широтам.

Снижение степени вариаций магнитного склонения в направлении юга вызвано отдалением от аврорального овала. Значения отклонения от нормы во время геомагнитной активности постоянно изменяются и могут достигать 10°, что определенно вызывает трудности при проведении геофизических исследований. При отдалении от аврорального овала в направлении северных широт также будет наблюдаться аналогичная картина (Соловьев и др., 2022).

Таким образом, бурение должно проводиться в близи магнитной обсерватории в целях более точной и оперативной коррекции данных.

Таблица 1. К-индекс во время геомагнитного шторма (

Дата	00–03	03–06	06–09	09–12	12–15	15–18	18–21	21–00	Kp max
29.10.2003	5-	4	9	8	8-	8-	9-	9-	9
30.10.2003	9-	7+	5+	5-	5	7	9	9	9

о с

2 о

Компонента X. Обсерватория SOR (28.10.2003 - 31.10.2003)

Рис. 2. Изменения компонент X и Y во время геомагнитного шторма 29.10.2003 – 30.10.2003 (https://space. fmi. fi)

Рис. 3. Изменение магнитного склонения во время геомагнитного шторма 29.10.2003 – 30.10.2003

Рис. 4. Гистограмма значений отклонения магнитного склонения от нормы во время магнитной бури 29.10.2003 – 30.10.2003. Отклонения посчитаны путем вычитания из магнитного склонения (t) усредненного магнитного склонения «тихого дня». Исходные данные принадлежат системе магнитного мониторинга «IMAGE»

Таблица 2. Географическое положение обсерваторий

№	Шифр	Название	Географическая широта, °	Географическая долгота, °
1	NAL	Ny Alesund	78,92	11,95
2	LYR	Longyearbyen	78,20	15,82
3	HOR	Hornsund	77,00	15,60
4	BJN	Bear Island	74,50	19,20
5	SOR	Soeroeya	70,54	22,22
6	MAS	Masi	69,46	23,70
7	MUO	Muonio	68,02	23,53
8	PEL	Pello	66,90	24,08
9	OUJ	Oulujärvi	64,52	27,23
10	HAN	Hankasalmi	62,25	26,60
11	NUR	Nurmijärvi	60,50	24,65
12	TAR	Tartu	58,26	26,46

Заключение

В работе рассмотрено, как экстремальная геомагнитная активность влияет на проведение геофизических работ в северных регионах и в зоне аврорального овала (не закончено). На примере геомагнитного шторма, произошедшего 29–30 октября 2003 г. показано, как меняются компоненты магнитного поля и магнитное склонение в частности.

Геомагнитные обсерватории и станции играют ключевую роль в фильтрации магнитных помех при проведении инклинометрических исследований скважин в северных условиях. Обсерватории проводят регулярные геомагнитные наблюдения, необходимые для решения задач физики Земли, солнечно-земных связей, радиофизики, экологии, геологии и геологоразведки. Они также обеспечивают точные данные для привязки спутниковых магнитных измерений.

Использование данных из геомагнитных обсерваторий в процессе инклинометрических исследований скважин позволяет увеличить точность и надежность измерений. Оперативные и точные данные, получаемые из этих обсерваторий, могут быть интегрированы в реальном времени для коррекции и калибровки данных, полученных от инклинометрических датчиков в скважинах.

В целях коррекции магнитных данных с большей точностью и оперативностью, для расширения проектов в северных регионах и развития независимой отечественной технологии геомагнитной коррекции в целом, следует расширять сеть геомагнитных обсерваторий, создавать пункты приема, регистрации и обработки магнитных данных на территории Российский Федерации.