The course aims at explaining mechanisms that form the distribution of the electrical conductivity in the Earth's crust and mantle and their relation to thermodynamical, structural and tectonic conditions in the earth. Physical principles as well as selected practical aspects are given of electromagnetic induction methods based on the excitation by a natural geomagnetic variation field which are used for electromagnetic depth soundings of the earth. Case studies of anomalous electrical conductivities are presented from regions corresponding to basic types of tectonic structures.
Last update: T_KG (03.05.2002)
Přednáška je zaměřena na vysvětlení mechanismů určujících rozložení elektrické vodivosti v zemské kůře a plášti a jejich vztahu k termodynamickým, strukturním a tektonickým podmínkám v zemi. Jsou vysvětleny fyzikální základy i vybrané praktické aspekty elektromagnetických indukčních metod založených na buzení přirozeným geomagnetickým variačním polem, které se využívají pro hlubinné elektromagnetické sondování země. Jsou rozebrány příklady anomálií elektrické vodivosti charakteristické pro základní typy tektonických struktur.
Aim of the course -
Last update: T_KG (02.04.2008)
The lecture presents the electrical conductivity as one of the fundamental physical parameters of the Earth?s interior, which plays a significant role in geophysical studies of the temperature distribution, mineral composition, structural setting, fluid content and of specific assemblies of electronic conductors due to tectonic processes in the Earth. The lecture presents models of the electromagnetic induction in the Earth due to natural time variations of the external geomagnetic field. By presenting details of the magnetotelluric and geomagnetic depth sounding methods, the lecture demonstrates basic principles of the electromagnetic induction experiments, of the statistical data processing and analysis, as well as of the physical and geological interpretation of the depth electromagnetic soundings.
Last update: T_KG (02.04.2008)
Předmět objasňuje úlohu elektrické vodivosti jako jednoho ze základních fyzikálních parametrů zemského nitra. Vysvětluje význam elektrické vodivosti pro geofyzikální studium rozložení teploty, minerální stavby, strukturních parametrů, obsahu fluid a tektonicky podmíněné koncentrace elektronových vodičů uvnitř zemského tělesa. Předmět seznamuje s modely elektromagnetické indukce v Zemi, vyvolané přirozenými variacemi vnějšího zemského magnetického pole. Na příkladu metod magnetotelurického a magnetovariačního sondování demonstruje principy elektromagnetických indukčních experimentů, statistického zpracování a analýzy dat a fyzikální i geologické interpretace hlubinných elektromagnetických sondáží.
Course completion requirements -
Last update: prof. RNDr. František Gallovič, Ph.D. (10.06.2019)
Oral exam
Last update: prof. RNDr. František Gallovič, Ph.D. (10.06.2019)
Ústní zkouška
Literature -
Last update: T_KG (26.03.2008)
Berdichevsky, M. N. and Zhdanov, M. S., Advanced Theory of Deep Geomagnetic Sounding, Elsevier, Amsterdam 1984.
Kaufman, A. A. and Keller, G. V., The Magnetotelluric Sounding Method, Elsevier, Amsterdam 1981.
Magnetotelluric Methods, Geophysics reprint series No. 5, Vozoff K. (ed.), Society of Exploration Geophysics, Tulsa, Oklahoma 1989.
Parkinson, W. D., Introduction to Geomagnetism, Scottish Academic Press, Edinburgh 1983.
Last update: T_KG (26.03.2008)
Berdichevsky, M. N. and Zhdanov, M. S., Advanced Theory of Deep Geomagnetic Sounding, Elsevier, Amsterdam 1984.
Kaufman, A. A. and Keller, G. V., The Magnetotelluric Sounding Method, Elsevier, Amsterdam 1981.
Magnetotelluric Methods, Geophysics reprint series No. 5, Vozoff K. (ed.), Society of Exploration Geophysics, Tulsa, Oklahoma 1989.
Parkinson, W. D., Introduction to Geomagnetism, Scottish Academic Press, Edinburgh 1983.
Teaching methods -
Last update: T_KG (11.04.2008)
Lecture
Last update: T_KG (11.04.2008)
Přednáška
Syllabus -
Last update: T_KG (19.01.2003)
Introduction
Subject of geoelectricity as a geophysical discipline. Classification of geoelectrical methods.
Electrical conductivity of the earth's materials
Physical principles of the electrical conductivity. Electrical conductivity of minerals, rocks, fluids and melts. Mechanisms of the electrical conductivity in the earth, mixture laws. Electric macro-anisotropy and its possible geodynamical interpretation. Relation of the electrical conductivity to other geophysical parameters. Other electromagnetic parameters - permitivity, permeability, electrochemical parameters.
Primary sources of the natural electromagnetic field of the Earth
Frequency range of geoelectrical induction methods, sources of the primary electromagnetic field in radio-, audio- and helio-frequency bands, their structure in time and space.
Electromagnetic plane wave in a layered conductor - Cagniard-Tikhonov magnetotelluric model
Direct and inverse magnetotelluric problem. Plain wave impeding on the surface of a layered conductor. Cagniard-Tikhonov fundamental model of the magnetotelluric problem, impedance of a layered earth, apparent resistivity and impedance phase. Long period asymptotics of magnetotelluric curves. Analytical properties of the magnetotelluric impedance.
Electromagnetic induction in a layered earth due to spatially non-uniform sources
Maxwell's equations in a wave number domain. Magnetotelluric and magnetic spectral impedances for a layered conductor. Magnetotelluric and geomagnetic induction soundings. Limitations of the Cagniard-Tikhonov model with a non-uniform source field. Generalization to spherical conductors - global electromagnetic soundings into the mantle depths.
Electromagnetic field in laterally inhomogeneous structures
Classification of lateral inhomogeneities (local, regional, 2-D, 3-D). Modelling of electromagnetic fields in horizontally inhomogeneous structures (laboratory models, numerical models). Impedance tensor. Approximate models, Born approximation and its extensions, induction in a thin sheet. Distortions of the magnetotelluric curves due to lateral inhomogeneities, local/regional composite models of the magnetotelluric field. Deep geomagnetic soundings - geomagnetic transfer functions and induction arrows.
Magnetotelluric practice, geoelectrical models
Practical aspects of magnetotelluric and geomagnetic depth soundings (instrumentation, data acquisition, data processing, interpretation). Geoelectrical projects. Electrical anomalies within the earth, their explanation in terms of thermodynamic, structural and tectonic conditions. Estimates of the electrical conductivity of the lower mantle and the earth's core.
Last update: T_KG (19.01.2003)
Úvod
Předmět geoelektřiny jako geofyzikální disciplíny. Klasifikace geoelektrických metod.
Elektrická vodivost materiálů zemského nitra
Fyzikální principy elektrické vodivosti. Elektrická vodivost minerálů, hornin, fluidů a tavenin. Mechanismy elektrické vodivosti v zemi, směšovací pravidla. Elektrická makroanizotropie a její možná geodynamická interpretace. Vztah elektrické vodivosti a jiných geofyzikálních parametrů. Další elektromagnetické parametry - permitivita, permeabilita, elektrochemické parametry.
Primární zdroje přirozeného elektromagnetického pole Země
Frekvenční obor geoelektrických induktivních metod, zdroje primárního elektromagnetického pole v oboru radio-, audio- a helio-frekvencí, jejich prostorově-časová struktura.
Rovinná elektromagnetická vlna ve zvrstveném vodiči - Cagniard-Tichonovův magnetotelurický model
Přímá a obrácená magnetotelurická úloha. Rovinná vlna dopadající na povrch zvrstveného vodiče. Cagniard-Tichonovův fundametální model magnetotelurické úlohy, impedance zvrstvené země, zdánlivý odpor a fáze impedance. Dlouhoperiodická asymptotika magnetotelurických křivek. Analytické vlastnosti magnetotelurické impedance.
Elektromagnetická indukce ve zvrstvené zemi od prostorově nehomogenních zdrojů
Maxwellovy rovnice v oblasti vlnových čísel. Magnetotelurické a magnetické spektrální impedance pro zvrstvený vodič. Magnetotelurické a geomagnetické induktivní sondování. Omezení Cagniard-Tichonovova modelu s nehomogenním zdrojovým polem. Zobecnění na sféricky symetrické vodiče - globální elektromagnetické sondování do plášťových hloubek.
Elektromagnetické pole v laterálně nehomogenních strukturách
Klasifikace laterálních nehomogenit (lokální, regionální, 2-D, 3-D). Modelování elektromagnetických polí v horizontálně nehomogenních strukturách (laboratorní a numerické modely). Přibližné modely, Bornova aproximace a její rozšíření, indukce v tenké vrstvě. Distorze magnetotelurických křivek v důsledku laterálních nehomogenit, kompozitní modely magnetotelurického pole s lokální a regionální složkou. Magnetovariační sondáž - geomagnetické přenosové funkce a indukční vektory.
Magnetotelurická praxe, geoelektrické modely
Praktické aspekty magnetotelurických a magnetovariačních sondáží (přístrojové vybavení, sběr a zpracování dat, interpretace). Geoelektrické projekty. Geoelektrické induktivní anomálie, jejich termodynamické, strukturní a tektonické příčiny. Odhady elektrické vodivosti ve spodním plášti a v zemském jádře.
