Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Аппаратурное и методическое обеспечение наземного электромагнитного индукционного многочастотного зондирования

ВАК РФ 25.00.10, Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых

Автореферат диссертации по теме "Аппаратурное и методическое обеспечение наземного электромагнитного индукционного многочастотного зондирования"

На правах рукописи

МАНШТЕЙН Александр Константинович

АППАРАТУРНОЕ И МЕТОДИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ НАЗЕМНОГО ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИНДУКЦИОННОГО МНОГОЧАСТОТНОГО ЗОНДИРОВАНИЯ

25.00.10 - геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Новосибирск 2012

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте нефтегазовой геологии и геофизики им. A.A. Трофимука Сибирского отделения Российской Академии наук (ИНГГ СО РАН)

Официальные оппоненты:

Балашов Борис Петрович, доктор технических наук, ООО "НТК ЗаВеТ-ГЕО", г. Новосибирск, генеральный директор;

Гохберг Михаил Борисович, доктор физико-математических наук, профессор, ИФЗ РАН, г. Москва, заведующий лабораторией;

Тригубович Георгий Михайлович, доктор технических наук, профессор, СНИИГГиМС, г. Новосибирск, заместитель директора по научной работе.

Ведущая организация:

Федеральное государственное бюджетное учреждении науки Институт вычислительной математики и математической геофизики Сибирского отделения Российской Академии наук (ИВМиМГ СО РАН), г. Новосибирск.

Защита состоится 31 января 2013 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 003.068.03 при Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте нефтегазовой геологии и геофизики им. A.A. Трофимука Сибирского отделения Российской Академии наук, в конференц-зале.

Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью, просьба направлять по адресу: просп. Ак. Коптюга, 3, Новосибирск, 630090 факс: (383) 333 25 13 e-mail: NevedrovaNN@ipgg.nsc.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИНГГ СО РАН. Автореферат разослан 1 ноября 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

канд. геол.-мин. наук, доцент

H.H. Неведрова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Объект исследования - аппаратурное и методическое обеспечение как важная составляющая наземного метода электромагнитного индукционного частотного зондироваиия.

Актуальность новых технических решений

Востребованность электроразведки в геоэкологии, инженерной геофизике, в археологии, строительстве, в военной отрасли обусловила развитие наземного аппаратурно-методического обеспечения электромагнитных зондирований с контролируемыми источниками. При этом наиболее существенной для настоящего времени является проблема определения геоэлектрического строения среды на малых глубинах (до Юм) при индуктивном возбуждении первичного переменного электромагнитного поля. Опыт многих исследователей привел к осознанию, что для этого необходим принципиально новый аппаратурпо-методический комплекс, новые технические решения в его разработке. Как известно, наиболее локальным из электромагнитных методов является зондирование становлением поля, однако получение информации о строении среды вблизи дневной поверхности с использованием имеющейся аппаратуры метода ЗС весьма затруднительно, а во многих случаях невозможно.

Наземные исследования электромагнитными частотными зондированиями осуществляются в режимах профилирования и картирования приборами с малым набором рабочих частот. В большинстве из них не применяются частоты более 50 кГц. следовательно, по их данным невозможно построить вертикальные геоэлектрические разрезы начиная с поверхности.

Приборы, предназначенные для профилирования и картирования, основанные на схеме двухкатушечного индукционного зонда, одночастотные. Глубина зондирования зависит от расстояния между источником возбуждения поля и приёмником. Известные из публикаций трёхкатушечные приборы работают в узком частотном диапазоне в режиме профилирования. Такие технические решения имеют ряд недостатков. Во-первых, увеличивается объём среды, где наводятся вихревые токи, и возникает сложность в определении точки замера. Во-вторых, узкий частотный диапазон не обеспечивает требуемой разрешающей способности зондирования. В-третьих, аппаратура слабо защищена от электромагнитных помех. И наконец, графики профилирования, карты распределения кажущегося удельного электрического сопротивления и другая информация не выводятся в процессе съемки, что экономически значимо.

1

Таким образом, актуальность новых технических решений определяется необходимостью создания аппаратурно-методического комплекса, который позволяет: восстанавливать пространственное распределение удельного электрического сопротивления на глубинах до 10 м в виде геоэлектрических разрезов и карт; выполнять зондирования в условиях сильных электромагнитных помех; получать информацию о строении среды в реальном масштабе времени.

Цель работы - повысить достоверность данных электромагнитных частотных зондирований путем разработки многочастотной трёхкатушечпой помехозащищённой быстро работающей аппаратуры и её методического сопровождения: обеспечить построение геоэлектрических разрезов и карт, получение информации о геоэлектрическом строении среды на глубину до 10 м в процессе зондирования.

Поставленные научно-технические задачи

1. Выполнить научно-техническое обоснование к проектированию наземной аппаратуры электромагнитного многочастотного зондирования па базе трёхкатушечного зонда с оценкой его глубинности.

2. Разработать помехозащищённый быстродействующий аппаратурный комплекс малоглубинпого многочастотного индукционного зондирования.

3. Разработать методическое и программно-алгоритмическое обеспечение для наблюдения и сбора данных в процессе зондирования.

4. Проверить в полевых условиях разработанный аппаратурно-методический комплекс при решении задач в археологии, геоэкологии, инженерной геофизике, вулканологии.

Теоретическая база, методы исследования и аппаратура

Технические решения базируются на теории электромагнитных зондирований с контролируемыми источниками, на научных результатах и опыте российских и зарубежных учёных в области теоретических, методических и аппаратурных разработок для исследования с поверхности земли и в скважинах, в первую очередь Института нефтегазовой геологии и геофизики им. A.A. Трофимука Сибирского отделения РАН.

Основные методы исследования:

- стендовые и полевые эксперименты, инженерные расчёты, теоретический анализ, компьютерное и физическое моделирование;

- сравнительный анализ результатов математического моделирования с данными экспериментов на калибровочной установке;

- верификация результатов геоэлектрических построений путём их сопоставления с результатами вскрытий изучаемых объектов.

Выполнены сравнительные полевые работы аппаратурно-методическим комплексом ЭМС и аппаратурой: георадарометрии (GSSI, США), многоэлектродных вертикальных электрических зондирований на постоянном токе (IRIS SYSCAL, Франция), частотного профилирования (ЕМ-31 Geonics, США), магниторазведки (квантовый магнитометр-градиентометр G-858 Geometries, США) и многочастотного электромагнитного профилирования (GEM-300 GSSI, США) на тестовых участках (Италия). Целевыми объектами при этом служили археологические памятники древнеримской и средневековой эпохи, погребённые фрагменты зданий, металлические трубопроводы, подземные городские сооружения. Установлено преимущество комплекса ЭМС в помехоустойчивости и чувствительности к объектам.

Предложенные технические решения доведены до конструкторской документации, получен сертификат соответствия аппаратуры ЭМС требованиям технического регламента о безопасности машин и оборудования, налажено малосерийное производство.

Защищаемые научные результаты

1. Теоретически и экспериментально обоснованные, апробировапные и запатентованные технические решения по разработке помехозащищённого аппаратурного обеспечения наземных электромагнитных индукционных частотных зондирований с поверхности до глубины 10 м на базе трёхкатушечного многочастотного зонда (14 дискретных частот в диапазоне 2,5-250 кГц), которое включает оригинальные устройства: источник электромагнитного поля; цифровой регистратор сигналов; систему электростатического экранирования; высокоскоростную телеметрическую систему управления аппаратурой, помещённые в радиопрозрачный жёсткий корпус.

2. Методическое и алгоритмическое обеспечение наземной аппаратуры частотного зондирования, состоящее из: запатентованного способа автоматизированной калибровки аппаратуры; алгоритма визуализации геофизических данных в виде графиков, карт распределения удельного электрического сопротивления и геоэлектрических разрезов; рекомендаций по выполнению полевых работ; алгоритмов и программ получения данных в процессе зондирования; элементов спутниковой системы навигации GPS.

Научная новизна и личный вклад

1. Оригинальные технические решения для разработки наземной аппаратуры индукционного многочастотного зондирования ЭМС:

- используется фиксированное расположение двух встречно включенных приёмных катушек с ферритовыми сердечниками, моменты

которых не зависят от частоты электромагнитного поля (пат. РФ №2152058);

- помехозащищённость аппаратуры (работоспособность в переменном магнитном поле напряжённостью до 30 А/м) обеспечивается мощным (до 1000 Вт) управляемым источником электромагнитного поля высокостабильных дискретных частот в диапазоне 2,5-250 кГц и соответствующими селективными узкополосными регистраторами сигналов;

- быстродействие аппаратуры достигается за счет параллельной работы четырёх фазочувствительных цифровых регистраторов. Одновременно работающие четыре дельта-сигма аналого-цифровые преобразователи обеспечивают полосу пропускания 20 Гц, подавление сигнала 50 Гц на 100 дБ за приемлемое время (60 мс);

- система электрического экранирования аппаратуры разработана с учётом свойств электростатического поля над заряженной пластиной (пат. РФ № 106761);

- разработанные алгоритмы телеметрического управления с применением карманного персонального компьютера и аппаратуры GPS дают возможность получать геофизическую информацию в процессе зондирования.

2. Методическое обеспечение аппаратуры ЭМС:

- способ калибровки устройства для электромагнитного индукционного частотного зондирования, включающий расположение замкнутого калибровочного кольца между устройством и поверхностью земли, измерение сигнала от индуцированных токов в калибровочном кольце при нескольких фиксированных положениях устройства над кольцом, подбор с помощью математического расчета эффективных расстояний от центра генераторного диполя до центров приемных диполей, моментов приемных контуров, зависящих от частоты, и уточненного положения калибровочного кольца, обеспечивающих совпадения расчетных сигналов с экспериментальными для всех рабочих частот и множества расстояний до кольца (пат. РФ № 2461850);

- алгоритмы визуализации геофизических данных и построения геоэлектрических карт и разрезов;

- рекомендации (методика) по выполнению полевых работ.

Практическая значимость

Для наземной электроразведки разработан индукционный многочастотный аппаратурно-методический комплекс, не имеющий аналогов, с помощью которого получают геофизическую информацию в процессе зондирования на глубину до Юм. Применение комплекса для сбора информации о характере геологического разреза экономически

4

выгодно, что подтверждается его востребованностью па рынке в России и за рубежом.

По сравнению с зарубежными разработками, основанными также на применении электромагнитного индукционного частотного метода, уникальными свойствами многочастотного комплекса ЭМС являются:

- получение ииформации для построения геоэлектрических разрезов с поверхности до глубины 10 м;

- получение геофизической информации в процессе зондирования;

- получение кондиционных данных при высоком уровне электромагнитных помех;

- эффективность работы в широком диапазоне удельных электрических сопротивлений горных пород (1-300 Омм).

Наземный аппаратурно-методический комплекс ЭМС позволил внедрить в практику электромагнитное индукционное многочастотное зондирование как новое направление в малоглубинной геоэлектрикс. Применение разработанного комплекса ЭМС в инженерной геофизике показало высокую степень достоверности данных и его экономическую эффективность [26].

Локальность зондирования, присущая аппаратуре ЭМС, позволила применить её для исследования подземной структуры доступных площадок вулканов на глубину до 6 м. Впервые в мире с использованием разработанного аппаратурно-методического комплекса детально изучено подповерхностное строение вулканогенных образований: фумарол, грязевых котлов, подземных потоков гидротермальных вод вулканов Южной Камчатки [10].

Высокая чувствительность аппаратуры ЭМС к изменению удельного электрического сопротивления (УЭС) грунтов по вертикали позволяет успешно применять её для решения различных задач археологии. Результаты подтверждены на большом числе раскопок (более 50). выполненных Институтом археологии и этнографии СО РАН под руководством академика РАН В.И. Молодина [16-21].

С помощью аппаратурно-методического комплекса ЭМС в период с 2000 по 2011 гг. выполнены поисковые работы: на территории Новосибирской области, Алтайского края, Самарской области, Кемеровской области (2000); Красноярского края и Камчатской области (2007-2010); Италии (2002); Монголии (2005-2007); Франции (2009); Горного Алтая (2011) и т.д. При этом выполнялись исследования грунта для инженерно-геологических изысканий; поиск и локализация археологических памятников, не выраженных на дневной поверхности; инженерно-экологический анализ областей загрязнения; оконтуривание

границ захоронения промышленных отходов; исследование взаимосвязи уровня плодородия сельскохозяйственных земель с УЭС почвы.

Применение аппаратуры ЭМС в комплексе с мощным сейсмическим вибрационным источником позволило получить новые данные о динамических процессах в водонасыщениых терригеппых породах, что важно при решении классических задач сейсмологии. Обнаруженная возможность исследования воздействия на обводнённые грунты мощными вибраторами открывает повое направление в электроразведке для получения гидрогеологических характеристик осадочных пород [2].

Диссертант с 2002 года читает специальный курс лекций "Экологическая геофизика" на геолого-геофизическом факультете Новосибирского госуниверситета, ряд разделов которого основан на результатах, полученных в ходе выполнения диссертационного исследования. По материалам лекций подготовлено и издано учебное пособие "Малоглубинная геофизика" [15]. Аппаратурно-методический комплекс ЭМС успешно применяется в учебной полевой геофизической практике ГГФ НГУ.

Разработки соискателя нашли отражение и развитие в трёх защищенных кандидатских диссертациях, одна из которых (Г.Л. Панин, 2010) защищена под его научным руководством.

Признание международных экспертов

На прошедшем в 2011 г. 110-м Европейском салоне изобретений "Конкурс Лепин" в Страсбурге (Франция) аппаратурно-методический комплекс ЭМС (NEMFIS) получил серебряную медаль, которая выражает признание международными экспертами высокого технического уровня аппаратуры. На сегодняшний день аппаратура многочастотного электромагнитного зондирования уже применяется в Италии, Греции, Франции, Австрии, Бельгии, Польше, Мексике, Чили и Турции (см. http://www.nemfis.ru).

Апробация работы и публикации

Результаты диссертационной работы представлялись и получили одобрение специалистов на

• международных научных форумах (около 15):

Международной геофизической конференции SEG-95 (Санкт-Петербург, 1995 г.); Международной геофизической конференции и выставке ЕАГО, EAGE, SEG "Москва 97"; EAGE 64-th Conference & Exhibition (Florence, Italy, 27-30 May 2002); EAGE-EGU-AUG Joint Assembly (Nice, France, April 2003); Международной геофизической конференции и выставке SEG "Москва-2003"; 9-th meeting of Environmental and Engineering Geophysics (Prague, Czech Republic,

September 2003); Международной геофизической конференции и выставке (Москва, 1-4 сентября 2003 г.); 10-th European Meeting of Environmental and Engineering Geophysics (Utrecht, The Netherlands, 6-9 September 2004); EG U General Assembly (Vienna, Austria, 19-24 April 2009); Международной геофизической конференции "Актуальные проблемы электромагнитных зондирующих систем" (Украина, Киев, 25 сент.-2 окт. 2009 г.); EGU General Assembly (Vienna, Austria, 02-07 May 2010); NATO Advanced Research Workshop: Environmental Security: Panel on Water Security, management and Control (Marrakesh, 31 May-2 June 2010); 16-th European Meeting of Environmental and Engineering Geophysics (Zürich. 5-8 September 2010) и др.

• всероссийских семинарах и конференциях (более 5):

На IV Международном научно-практическом геолого-геофизическом конкурсе-конференции молодых учёных и специалистов "Геофизика-2003" (Санкт-Петербург, 1-4 октября 2003 г.); Первой Всероссийской школе-семинаре по электромагнитным зондированиям Земли (Москва, 10-15 ноября 2003); VI Международном научном конгрессе ГЕО-СИБИРЬ-2010; на конференциях в г. Чите (2004) и в г. Новосибирске (2002-2004); на 5-й Всероссийской школе-семинаре им. М.Н. Бердичевского и Л.Л. Ваньяна по электромагнитным зондированиям Земли (ЭМЗ-2011) (Санкт-Петербург, 16-21 мая 2011 г.) и др.

По теме диссертации опубликовано 43 работы, в их числе разделы в 2 монографиях, 9 публикаций в журналах, рекомендованных перечнем ВАК, 3 патента, 11 в российских ведущих рецензируемых научных изданиях и 3 в зарубежных научных рецензируемых изданиях. 15 публикаций в других научных изданиях.

Наиболее крупные результаты по теме работы вошли в сборники "Основные результаты научно-исследовательских работ ОИГГМ СО РАН" за 2001-2005 годы. Результаты геофизических работ по распознаванию "замерзших" пазырыкских курганов Алтая (2005-2007 г.) вошли в список достижений Сибирского отделения РАН.

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте нефтегазовой геологии и геофизики им. А. А. Трофимука Сибирского отделения Российской академии наук. Исследования проводились в соответствии с планами НИР Института по программам фундаментальных исследований СО РАН: 1996-2000 г. (№3.1.15.5), на 1998-2000 г. (гос. per. №01980003021), на 2001-2003 г. (гос. per. № 01200101571), на 2004-2006 г. (№ 28.7.2). Исследования по теме диссертации поддержаны грантами РФФИ 95-05-15602-а, 00-06-80241-а, 02-05-74597-3, 03-06-80415-а, 06-06-80295-а, 09-05-01138-а,

09-06-00204-3, интеграционными проектами СО РАН № 87 (2003-2005 г.), № 109 (2006-2008 г.).№ 16 (2009-201 1 г.).

Благодарности

Успешному проведению исследований на всех этапах способствовала поддержка д.т.п., профессора, академика РАН М.И. Эпова. На протяжении многих лет совместные работы по археологии находили неизменную и доброжелательную поддержку академиков РАН В.И. Молодипа и А.П. Дерсвянко. Автор благодарен им, а также всем коллегам по полевым работам за всестороннюю помощь и внимание к применению и усовершенствованию аппаратурно-методического комплекса ЭМС.

Автор искренне признателем своему учителю д.т.н., профессору

A.A. Кауфману, оказавшему большое влияние па формирование научной позиции соискателя.

Автор благодарен своим коллегам Ю.Н. Антонову. Е.Ю. Антонову, Ю.А. Дашевскому, В.Н. Глинских, К.В. Сухоруковой, Е.В. Балкову, Г.Л. Панину, Б.М. Глинскому, | М.А. Чемякиной [ С.Б. Бортниковой за содержательные и плодотворные обсуждения на разных этапах работы,

B.И. Самойловой - за консультации и рекомендации по оформлению диссертации.

Успешному проведению исследований способствовала доброжелательная поддержка сотрудников Лаборатории

электромагнитных полей Института нефтегазовой геологии и геофизики им. A.A. Трофимука СО РАН.

Автор признателен директору компании Geostudi Astier s.r.l. доктору философии Gianfranco Morelli в г. Ливорно, профессору Университета г. Пиза Mario Marchisio, профессорам Giovanni Santarato и Abu Zeid с кафедры геофизики Университета г. Феррара за обеспечение полевых работ в Италии.

Неоценимую помощь при решении методических вопросов оказал к.т.н. Ю.А. Манштейн.

Автор глубоко благодарен всем товарищам и коллегам за содействие в разработке новой электроразведочной аппаратуры.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения и приложения. Объём - 190 страниц машинописного текста, 56 рисунков и 9 таблиц. Список использованных источников содержит 122 наименования.

Последовательность изложения материалов в диссертации обусловлена логикой выполнения наукоёмкой разработки. Исследования сгруппированы вокруг следующих вопросов:

- развитие методов и средств проектирования наземной аппаратуры электромагнитного индукционного многочастотного зондирования;

- изготовление и настройка аппаратуры ЭМС;

- разработка методического сопровождения аппаратуры;

- экспериментальное применение аппаратуры и методики в полевых работах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении поставлены цели и задачи, обоснована актуальность разработки принципиально новой аппаратуры наземного частотного зондирования, изложены выносимые на защиту технические решения, определены их научная новизна и практическая ценность разработанного аппаратурно-методического комплекса ЭМС. Введение и начало первой и второй глав содержат краткий анализ известных аппаратурных решений.

В главе 1 приведено научно-техническое обоснование к проектированию наземной аппаратуры частотного зондирования ЭМС.

В основу разработки нового наземного аппаратурного комплекса для исследования малых глубин, с возможностью построения геоэлектрического разреза, положена идея применения трёхкатушечного зонда малой длины, работающего в широком частотном диапазоне.

1.1. Значения э.д.с. в зонде рассчитывались по формулам дипольного приближения, приведённым в методических рекомендациях

A.Н. Кузнецова, Г.М. Морозовой, Б.С. Светова, Л.А. Табаровского,

B.П. Соколова и др. "Дипольные частотные зондирования двухслойной среды", 1980. Аппаратура ЭМС основана на модификации частотных зондирований с индукционными катушками, где источником сигнала является замкнутая токовая петля с моментом Мг. На расстоянии г от неё регистрируется э.д.с. пропорциональная вертикальной компоненте переменного магнитной поля Н-. Такая установка обозначается М- - Н: и определяется как магнитное частотное зондирование. Вертикальная компонента магнитного поля от вертикального магнитного диполя, расположенного на поверхности проводящего полупространства, описывается следующим выражением:

Н . = 9 - (9 - 9 ¡кг - 4 к-г: + ¡к V У1']}- (1)

4ж г { к ~г~ I

где волновое число к определяется токами проводимости и

рассчитывается по известной формуле: к = фаци = ^¿^ора . (2)

Здесь / - мнимая единица: М- = 5' п /, где 5 - площадь генераторной петли, п - число витков, I- /() е"'" - ток в петле; со - круговая частота; /./=/./„ = 4л-10"7 П 1/м - магнитная проницаемость; а - удельная электропроводность. При этом сигнал в приёмнике (с моментом М,) рассчитывается по формуле:

'4 кг к' г' I

Здесь М, = Б, п, - момент приемной петли, 5, - площадь петли, п, - число витков.

Аппаратура магнитного частотного зондирования удобна в эксплуатации и производительна. Её большим преимуществом является то, что она не требует электрического контакта с исследуемой средой.

1.2. Расчёты значений амплитуды и фазы сигналов для трёхкатушечного зонда в зависимости от удельной электропроводности геологической среды выполнялись для реальной конструкции, элементы которой тестировались па экспериментальных установках [3].

Основные технические характеристики аппаратуры ЭМС

Моменты приёмных диполей, м~..................................................................................Мгі - 0,06; Мг2 = 0,27

Диапазон частот зондирования, кГц....................................................................2,5-250

Ток в источнике для крайних значений частот

диапазона, А................................................................................................................................................10-0,1

Момент генераторной петли при токе 1 А, А-м"..............................2,75

Число частот..................................................................................................................................................14

Диапазон измеряемых напряжений, мкВ......................................................1 —400

Ширина полосы пропускания регистратора, Гц................................20

Ослабление напряжения с частотой 50 Гц, дБ......................................100

Уровень собственных шумов, отнесенных к входу, мкВ.. 0,05

Основная погрешность измерения, не более, %................................± 5

Диапазон измеряемых УЭС среды, Ом-м....................................................1-300

Время работы на одной частоте, с............................................................................0,1

Питание от одной аккумуляторной батареи............................................12 В; 3,2 А-ч

Диапазон рабочих температур, °С............................................................................(-20) - +60

Размеры, м..........................................................................................................................................................2,75x0,35x0,08

Масса, кг..............................................................................................................................................................9

Численный анализ выполнялся при расположении зонда на поверхности однородного полупространства с УЭС в диапазоне от 1 до 300 Ом-м. Для этих условий разработан и программно реализован алгоритм перевода измеряемых величин в кажущееся УЭС.

1.3. Показано, что уравнения теории нормального поля вертикального магнитного диполя являются достаточными для получения по формулам вида (3) расчётных значений большинства технических характеристик аппаратуры.

1.4.-1.5. Выполнено исследование возможностей многочастотного индукционного зонда в двухкатушечном и в трёхкатушечном вариантах [5].

Для двухкатушечного зонда по формуле (3) вычислены сигналы на рабочих частотах аппаратуры (рис. 1а) и отклонения фазы измеренного сигнала от предельной, при которых отношение величии э.д.с. вторичного поля к э.д.с. первичного поля будет больше единицы. Из графика (рис. 1 б) видно, что для частоты 2.5 кГц и УЭС среды от 3 до 30 Ом-м отношение реальной составляющей полезного сигнала к величине сигнала первичного поля будет более 20 при очень малой погрешности фазировки (от 0,001 до 0,01 %).

При разработке аппаратуры ЭМС, исходя из частоты тактового кварцевого генератора (8 МГц) и коэффициентов делений в программируемой логической матрице, было рассчитано, что фаза сигнала будет регистрироваться с абсолютной погрешностью около 1 , или относительной - 0,3 %. Как показано на рис. 1 б, в этом случае значения сигналов, индуцированных первичным полем, только в три раза меньше полезного сигнала для УЭС менее 5 Ом-м, а при больших УЭС сигнал от прямого поля преобладает над полезным сигналом. Это значит, что в двухкатушечном зонде в режиме разового измерения выделение полезного сигнала с относительной погрешностью ± 5 % невозможно.

Рис. 1. Зависимости сигналов в двухкатушечном зонде от УЭС полупространства: а) диапазон УЭС с реальной частью э.д.с. большей 1 мкВ (сплошными линиями указаны зависимости на промежуточных частотах); б) отношение реальных составляющих э.д.с. вторичного поля к э.д.с. первичного поля на частоте 2.5 кГц при различных значениях погрешности фазы

Аналогичные оценки выполнены для трёхкатушечиого прибора (рис. 2). Величины моментов приёмников связаны условием компенсации первичного поля, которое предполагает равенство э.д.с. в приёмниках от первичного поля при размещении зонда в воздухе. Из условия С/ = следует

где /■/ , г; и М/ , М2, соответственно, - расстояния от генератора и моменты первого (ближнего) и второго приёмников.

Э.д.с., регистрируемая в трёхкатушечном зонде, рассчитывается по формуле (5) и описывается двумя слагаемыми: М

є = -ісоца-— {И,-И,), (5)

2 я к'

Л, = ^ [ 9 - ( 9 - ¡кг, - 4к2г; + ік 7: ) е"4 ], 7 = 1,2.

Использование в аппаратуре разностной схемы включения приёмных катушек позволяет подавлять сигнал первичного поля в 600-1000 раз по сравнению с величиной сигнала в приёмной катушке двухкатушечного зонда. При этом происходит уменьшение сигнала вторичного поля. Расчеты показывают, что при идеальной фазировке реальной составляющей величина разностного сигнала трёхкатушечиого зонда над средой примерно в 1,7 раза меньше, чем реальная составляющая сигнала двухкатушечного зонда.

Из анализа рис. 26 следует, что при ошибке фазировки в 1° и УЭС полупространства от 1 до 300 Омм величина реальной составляющей разностного сигнала от вторичного поля на всех рабочих частотах в 20 и более раз превосходит помеху - остаток разностного сигнала от прямого поля.

1.6. Эффективная работа трёхкатушечиого зонда в многочастотном режиме возможна при выполнении условия компенсации прямого поля на всех рабочих частотах. Это требует сохранения моментов приёмных катушек и неизменности действующих расстояний между центрами генераторной и приёмных катушек. Исследование стабильности моментов приёмных катушек в диапазоне частот от 2,5 до 250 кГц выполнено при подготовке патента РФ № 2152058 [12]. Было экспериментально установлено, что решающее влияние на стабильность момента приёмной катушки оказывает форма ферритового сердечника. Оптимальным оказался сердечник в виде полого цилиндра. При этом скии-слой в материале сердечника на верхней рабочей частоте должен быть больше, чем толщина его стенки.

Jill

10 УЭС. Ом*м ПК)

II) УЭС.Ом'м ПК)

Рис. 2. Зависимость э.д.с. в трёхкатушечном зонде от УЭС полупространства: а) отмечен уровень реальной части э.д.с. больше 1 мкВ: б) отношение разностных сигналов реальной составляющей вторичного поля к реальной части э.д.с. первичного поля при расфазировке в 1" для различных частот (сплошными линиями указаны зависимости для промежуточных частот)

1.7. Оценка чувствительности приёмной катушки. Чувствительность датчиков обычно выражают как отношение модуля э.д.с. в приёмной катушке к модулю индукции поля. В нашем случае это:

Для повышения чувствительности магнитоиндукционного датчика в аппаратуре ЭМС весьма эффективно используются сердечники из феррита, у которых значение достигает нескольких тысяч [15].

1.8. Расчет частотного диапазона аппаратуры

Известно, что по причине конечной удельной электропроводности горных пород электромагнитное поле убывает с глубиной пропорционально е~к~. Пусть глубинность зондирования г — 10 м. Тогда,

(6)

учитывая, что

значение соответствующих частот можно

найти из равенства:

2x-f-ft0_ 1 р 100

Задавая УЭС исследуемой среды и подставляя их в выражение (7), получим значения частот. Например: при р = 4 Ом м /= 5,07 кГц, при р = 200 Ом м /= 253,58 кГц.

Частоты выбираются так, чтобы при их уменьшении обеспечивался прирост глубины зондирования на постоянную величину [5].

1.9. Оценка глубины зондирования аппаратурой ЭМС выполнена для двух геоэлектрических моделей с анализом по относительному (изменение сигнала на 5 %) и по абсолютному критериям (сигнал должен быть больше 1 мкВ) [7]. Результаты вычислений представлены в виде графиков зависимостей глубины, при которой выполняются критерии, от удельной электропроводности (УЭП) верхнего слоя. Модель первая -проводящий слой (объект) на слабо проводящем основании; вторая -проводящий пласт мощностью 1 м (объект) в слабо проводящем полупространстве. Контраст УЭП объектов и вмещающей среды равен 10.

На рис. 3 видно, что с уменьшением УЭП слоя глубинность зондирования растёт (согласно относительному критерию), но при определённых значениях начинает уменьшаться в связи с реальным уровнем регистрируемых сигналов (согласно абсолютному критерию).

Рис. 3. Оценка глубинности зондирования аппаратурой ЭМС по относительному и абсолютному критериям для первой модели на частоте 20,4 кГц

Наиболее простая оценка глубинности зондирования аппаратурой ЭМС следует из анализа теоретических кривых частотного зондирования. Например, при размещении зонда на поверхности слоя переменной мощности с УЭС 100 Омм, лежащего на проводящем полупространстве с УЭС 10 Ом-м (рис. 4). При таких условиях проводящее основание можно выделить, если глубина его кровли не превышает 7 м.

Г. Гц

Рис. 4. Стандартная оценка глубинности зондирования аппаратурой ЭМС для геоэлектрической модели "пласт-основание" (модуль э.д.с.). Шифр кривых - глубина до проводящего основания, м

В главе 2 изложены научно обоснованные технические решения при разработке наземной помехозащищённой быстродействующей аппаратуры ЭМС индукционного многочастотного малоглубинного зондирования [28].

2.1. Первые разработки полевой аппаратуры для частотного зондирования были сделаны в Институте физики Земли АН СССР под руководством профессора А.И. Заборовского (1960) и Б.С. Эненштейна (1973). В ОКБ ИФЗ АН СССР был создан первый образец станции "СЧЗ-60" для зондирований в диапазоне частот от 0.1 до 420 Гц.

Работы по созданию аналогичной аппаратуры проводились также в Ленинградском государственном университете под руководством Л.Б. Гасаненко, Е.А. Маркина (1967), A.B. Вешева (1980), Г.В. Молочнова, М.В. Радионова (1982), во "ВНИИГеофизике" - под руководством A.M. Загармистра, A.M. Алексеева и Л.З. Бобровникова (Дипольные частотные ..., 1980; Полевая электроразведочная ..., 1986).

В Уральском отделении АН СССР под руководством Г.В. Астраханцева выполнялись исследования по применению электромагнитных зондирований для решения задач рудной разведки (диапазон частот 20 Гц^Ю кГц). Центральное конструкторское бюро "Геофизика" треста "Сибцветметавтоматика" разработало аппаратуру "ДЭМП-ЗМ" с индукционным возбуждением поля и регистрацией его магнитных компонент в диапазоне от 40 до 2500 Гц (Иванов, 1975).

15

Во второй половине прошлого столетия успешно развивается индукционная скважипная аппаратура частотных зондирований. Основой служат осесимметричные системы трёхкатушечных зондов с компенсацией прямого магнитного поля (Антонов, Приворотский 1975; Технология исследования ..., 2000). Однако прямое использование скважииной аппаратуры для решения задач наземной электроразведки нецелесообразно по причине малой глубины зондирования.

В первом десятилетии XXI века развитию наземной аппаратуры частотных электромагнитных зондирований способствует постоянный рост и совершенствование параметров полупроводниковых компонентов (Analog Device Company), а также то, что этот полевой геофизический метод нашел широкое применение для изучеиия структуры подповерхностного пространства в прикладных целях: при строительстве, в археологии, экологии и т.д. Так, А.И. Человечков, Б.М. Чистосердов, С.В. Байдиков использовали индукционную двухпетлевую установку при выявлении аномальных объектов в рудной электроразведке на Урале (2008).

В настоящее время рынок малоглубинной индукционной аппаратуры представлен изделиями трёх изготовителей: канадским GEONICS, американскими Geophysical Syrvey Systems Inc (GSS1) и Geophex Inc. В аппаратурных комплексах GEM-300 (GSSI) и GEM-2 (Geophex Inc) сигналы регистрируются на нескольких частотах. Известные автору попытки построения сводного геоэлектрического разреза по данным GEM-300 не принесли положительных результатов из-за особенностей калибровки этой аппаратуры.

2.2. Основой конструкции малоглубинной многочастотной аппаратуры ЭМС является трёхкатушечный зонд с индукционными катушками, моменты которых параллельны между собой и перпендикулярны оси прибора [9].

2.2.1. Источник электромагнитного поля представляет собой устройство с фазовым управлением тока в резонансном контуре. Генераторный модуль состоит из узла возбуждения и двух связанных контуров (накачки и резонанса). Для достижения резонанса на каждой частоте имеется блок коммутируемых ёмкостей [8]. Генератор возбуждает управляемое по фазе гармоническое по времени переменное магнитное поле. Экспериментально установлено, что фаза магнитного поля в центре генераторной катушки постоянна и не зависит от свойств среды. Только при близком (< 0,5 м) расположении металлических объектов изменяется фаза прямого поля. Значение фазы возбуждаемого магнитного поля регистрируется при каждом измерении амплитуды прямого поля.

2.2.2. Узкополосная цифровая измерительная система. Входной усилитель собран па основе инструментального усилителя ША163. Поскольку частота интенсивных индустриальных помех (50 Гц) намного ниже минимальной частоты сигнала, а частоты эфирных помех (в основном длинные волны) выше максимальной рабочей частоты, после входного усилителя следует фильтр с полосой пропускания в диапазоне 1300 кГц. Выделение регистрируемого сигнала выполняется методом синхронного детектирования. Оно даёт возможность проводить фазовую селекцию э.д.с. и является оптимальным для достижения наивысшей чувствительности в измерении двух составляющих сигнала - мнимой, которая синфазна с током в генераторной петле, и реальной, которая опережает мнимую на 90 (зонд в воздухе).

2.2.3. Полоса частот измерительной системы. При разработке аппаратуры теоретически исследован и экспериментально опробован способ получения узкой полосы частот (20 Гц) измерительной системы с допустимым временем преобразования 60 мс и использованием дельта-сигма АЦП со встроенным цифровым фильтром.

2.2.4. Линейность преобразования регистрируемого сигнала в цифровую форму достигается при отсутствии амплитудно-фазовых искажений в измерительной системе. Для оценки линейности передачи сигнала через предварительный усилитель, коммутирующий детектор и преобразователь в цифровую форму при различных фазах входного сигнала разработан специальный способ. При этом одновременно проверяется алгоритм первичной обработки сигнала в микроконтроллере. Источником магнитного поля в этом случае служит внешняя петля, питание которой осуществляется гармоническим током от высокостабильного генератора сигналов ГЗ-110 на выбранной рабочей частоте аппаратуры ЭМС. Петля располагается вблизи одной из приёмных катушек. На рис. 5 представлен результат регистрации сигнала на частоте 27,8 кГц.

Как видно из графика, точки лежат на окружности, центр которой находится около нуля (0,0). Относительное отклонение её радиуса от среднего не превышает 1,2 %.

2.2.5. Известно, что главным дестабилизирующим фактором ёмкости конденсатора является температура окружающей среды. Было исследовано влияние на регистрируемый сигнал изменения температуры (в пределах ± 10° С) деталей аппаратуры ЭМС.

Іт

< -80 -60 -40 -20 0 х

♦ -20

-80

зн. АЦПхЮОО

Рис. 5. Линейность преобразования аналогового сигнала в цифровую форму по реальной и мнимой компонентам (экспериментальные исследования измерительной системы)

Измерения фазы э.д.е. в пробной петле относительно импульсов накачки генераторного резонансного контура (¿) выполнялись с использованием переменного воздушного конденсатора (ДО, соединенного параллельно с конденсатором контура. Как видно из рис. 6, фаза возбуждаемого магнитного поля нелинейно зависит от изменения ёмкости резонансного контура. По оси абсцисс отложены значения АС/С0. По оси ординат -значения фазы синусоидальной э.д.с., считанные с экрана осциллографа. Выполненные в лаборатории измерения температурного коэффициента применяемых ёмкостей К73-17 дали среднюю величину ТКЕ = 5- ІСҐ'/град. Учитывая, что ТКЕ = АС/ (Сп-АТ), где АТ - прирост температуры конденсатора, величина АС/С0 = 2 % будет достигнута с приростом температуры на 40° С. Этот факт является доказательством достаточной стабильности фазы магнитного поля, возбуждаемого генераторным устройством, при изменении температуры конденсатора на ± 10° С. Из анализа графика на рис. 6 следует, что изменение фазы возбуждаемого магнитного поля в диапазоне ±1° происходит при изменении температуры окружающей среды на ± 20° С, что не ограничивает применение аппаратуры.

Рис. 6. Зависимость изменения фазы возбуждаемого магнитного поля от изменения температуры конденсаторов

2.2.6. Оценка погрешности измерений аппаратурой ЭМС сделана по данным полевых экспериментов, организованных и проанализированных в соответствии с ГОСТ Р ИСО 5725-2002. Поскольку точность регистрации полезного сигнала этой аппаратурой не зависит от лабораторий, выполняющих работу, то, как и указано в ГОСТе, можно применить статистический анализ для модели, где каждое измерение представляет собой сумму у = т + е,

здесь т - общее среднее значение (математическое ожидание); е - случайная составляющая погрешности каждого результата в условиях повторяемости.

Так как случайные погрешности возникают в результате одновременного воздействия большого числа факторов, их влияние па полезный сигнал может быть оценено с помощью статистической обработки. Статистическому анализу подвергались выборки из 200 значений 1?е(и,) и значений 1т(II,) для каждой из 14 частот. За наиболее вероятное значение сигнала принято среднее арифметическое и. Среднеквадратическое отклонение результатов регистрации от среднего значения (СКО) рассчитывалось по известной формуле для каждой выборки. Распределение случайных погрешностей на разных частотах для нескольких уровней сигнала (около 500, около 3000 и более 25000) представлено в виде гистограмм (рис. 7). Они построены стандартным методом. Кривая, проведённая через центры столбцов, представляет нормальное распределение, соответствующее закону Гаусса для доверительной вероятности 95 % (Левин, 1960). Это подтверждается на средней гистограмме, где видно, что для малых значений СКО вероятность появления больших погрешностей наименьшая.

Среднее значение сигнала 596,2. СКО - 60,9 ед. (10,2% от сигнала)

Среднее значение сигнала 3835,6. СКО - 30,4 ед. (0.8% от сигнала) 6С -

Среднее значение сигнала 26520,7. СКО - 43,2 ед. (0.16% от сигнала)

показания

Рис. 7. Распределение отклонений от среднего значения сигналов, регистрируемых аппаратурой ЭМС (на оси абсцисс показания регистратора)

Выполнение таких измерений при проведении полевых геофизических работ, кроме определения интервалов достоверности измерений, даст представление об уровне внешних помех.

В соответствии с требованиями ГОСТ Р ИСО 5725-2002 для оценки основной погрешности измерений аппаратурой ЭМС выполнены расчёты для шести уровней экспериментального сигнала и получено следующее выражение:

5 = ±(0.03 + —)%, (8)

ш

где т - уровень измеряемого сигнала в единицах АЦП пятиразрядного десятичного представления. Анализ процедуры получения формулы (8) показал, что главным критерием точности измерений является их повторяемость.

Для полноты описания аппаратуры приведём величины регистрируемых сигналов в абсолютных значениях. В лабораторных условиях определена средняя цена единицы пятиразрядного десятичного представления регистрируемого сигнала - 10 нВ. Максимальное число, соответствующее наибольшему сигналу в приёмных катушках - 65536. Если допустить, что наибольшая относительная погрешность ±5 %, а СКО 5 единиц, то минимальная измеряемая величина электрического напряжения составит ± 1 мкВ, а максимальная величина измеряемого электрического напряжения с учётом усиления (А"ус=8000) составит ±310 мкВ.

2.2.7. Эталонировка аппаратуры ЭМС. Конструкторская документация. Электростатическое экранирование

Важнейшими требованиями, которым должен отвечать многочастотный зонд, являются неизменность во время работы моментов генераторной и двух приёмных катушек и постоянство их взаимного пространственного расположения. Контроль и поверка этих величин, определение их эффективных значений выполняются с помощью эталонировки. Моменты катушек и расстояния между ними определяются в процессе настройки аппаратуры с использованием лабораторной установки с математической обработкой множества данных в одном эксперименте (Эпов, Балков, Манштейн, 2003; Способ калибровки ..., 2011) [13]. Установка эталонировки аппаратуры, кроме несущих конструкций, включает кольцо из медной толстой проволоки диаметром около 1 м. Оно размещается над землей под аппаратурой ЭМС в нескольких местах измерения относительно центра генераторной катушки. Размеры кольца, расстояния от центра кольца до центров катушек задаются с известной ошибкой и вводятся в программу расчета э.д.с. для каждого приёмника последовательно на всех рабочих частотах.

На каждой позиции кольца выполняются многократные (100-200) измерения сигналов. Эти данные в автоматическом режиме сравниваются с расчётными для каждого положения кольца. Далее методом подбора параметров выполняется минимизация функции невязки между величинами расчётных и измеренных сигналов. Результатом будет нахождение эффективных значений пяти параметров - моментов трёх катушек и расстояний между ними. Причем эффективные параметры определяются с высокой точностью - неопределённость не превышает 0.5 %. Так как эффективные расстояния между катушками определяются в рабочем режиме, то в этих величинах автоматически учитывается прогиб корпуса зонда.

Конструкторская документация. Для тиражирования аппаратурно-мстодического комплекса ЭМС создана конструкторская документация, разработаны и утверждены Технические условия - ТУ 4832-001-95472061-2012, ОКП 483224. Аппаратура соответствует требованиям технического регламента о безопасности машин и оборудования - сертификат № С-ГШ.АВ75.В.01601. Контрольный экземпляр конструкторской документации на изделие "Аппаратура ЭМС (НЕМР15)" хранится в геологических фондах ИНГГ СО РАН.

Электростатическое экранирование. Теоретически в аппаратуре учитывается только индуктивная связь между генераторной и приёмными катушками, а также между проводящей средой и зондом. Эксперименты показали, что на стабильность регистрируемого сигнала влияет ёмкостная связь между катушками и землей. Эта помеха исключается с помощью электрического экранирования плат, приёмных катушек и проводов. Недостаточность экранирования в виде заметного влияния на регистрируемый сигнал малого перемещения зонда или движения оператора минимизируется тщательным выполнением технологических приемов изготовления аппаратуры. Остаточное проявление ёмкостной связи записываются в начальный (нулевой) сигнал. Экспериментально установлено, что для малых размеров электронных компонентов на многослойной плате один металлизированный слой может служить большой заряженной пластиной. Из следствия теоремы Остроградского-Гаусса для электростатического поля известно, что напряженность электростатического поля вблизи заряженной пластины не зависит от расстояния до пластины. Значит, радиодетали на поверхности электронных плат находятся в однородном электрическом поле, которое не создает разности потенциалов в связи с их малыми размерами (1-3 мм). Этот же принцип экранирования заложен в конструкцию электростатических экранов приёмных рамок. Использование эффекта

однородности электрического поля заряженной пластины позволило избежать изготовления каркасных экранов для электронных плат и приемных катушек. Описанный способ экранирования аппаратуры ЭМС запатентован (пат. РФ № 106761) [ 14J.

В главе 3 представлено методическое и программно-алгоритмическое обеспечение систем управления и сбора данных аппаратуры ЭМС.

3.1. Управление аппаратурой может осуществляться с помощью клавиатуры, когда таковая имеется на корпусе прибора. Для удобства пуск выполняется дистанционно нажатием кнопки, соединённой кабелем с аппаратурой. После окончания полевых работ данные могут передаваться через стандартный последовательный порт в персональный компьютер для последующей обработки, интерпретации и визуализации с помощью созданного в лаборатории электромагнитных полей ИНГГ СО РАН программного пакета ISystem (Балков, Эпов, Манштейн, 2003) [25].

В основу второй, более производительный, системы управления и обработки данных положено использование карманного компьютера PockelPC и технологии беспроводной связи Bluetooth. Возможности современных карманных персональных компьютеров (КПК) позволили создать специализированные программные средства визуализации данных в процессе зондирования, что существенно повышает экономическую эффективность использования аппаратуры [27]. Разработанные алгоритмы системы управления и сбора данных реализованы в программном обеспечении (выполненном Е.В. Балковым и Г.Л. Паниным), которое включает:

- программу управления режимами работы аппаратуры ЭМС с использованием технологии Bluetooth;

- программу взаимодействия с GPS-приёмником с использованием технологии Bluetooth для определения абсолютных координат пунктов зондирования;

- программу отображения полученных в процессе зондирования данных в графическом виде (в виде карт электропроводности, геоэлектрических разрезов, кривых зондирования и профильных диаграмм).

Для визуализации данных в процессе зондирования разработай алгоритм аппроксимации данных как на регулярных сетках измерений (regular data - для измерений на регулярной сетке), так и на нерегулярных (scattered data - для измерений на нерегулярной сетке).

3.2. Варианты геоэлектрических построений

Разработанное программное обеспечение (ПО) для КПК представляет собой оконное приложение диалоговой структуры с

удобным для пользователя интерфейсом управления аппаратурой ЭМС и визуализации данных зондирования.

Профилирование. Регистрация сигналов ведется по профилю с автоматизацией процесса. Оператор задаёт размер шага в метрах и, опционально, общее число пикетов (точек измерений). При выполнении задания по выбранному алгоритму аппаратура выключается. В выбранном режиме в процессе зондирования на экране КПК строятся кривые зондирования, либо профильные диаграммы, либо геоэлектрические разрезы.

Наблюдения по площади на регулярной сетке с автоматизацией по предложенному алгоритму. Регистрация сигналов выполняется по размеченной регулярной сетке. В управляющей программе задаётся её размер и размеры шагов в метрах по обеим осям. В этом режиме предусмотрено построение на мониторе карманного компьютера в процессе зондирования карты электропроводности на выбранной частоте.

Площадные измерения на нерегулярной сетке. Регистрация сигналов выполняется на площади в произвольных точках, а для определения их координат используется GPS-приёмник, который может быть либо встроен в КПК, либо быть внешним и передавать GPS-данные с использованием технологии беспроводной связи Blueiooth. В этом режиме на мониторе карманного компьютера в реальном времени отображаются точки регистрации. Однако координаты могут быть записаны и в GPS-навигатор. В программном обеспечении КПК предусмотрена возможность записи текущего локального времени регистрации и использован алгоритм пересчета данных GPS в относительные координаты.

Виды визуализации данных. Геофизические данные представляются графически в виде:

- зависимостей кажущегося удельного электрического сопротивления от глубины - кривые частотного зондирования;

- кажущейся удельной электропроводности вдоль профиля на определённой частоте - профильные диаграммы;

- зависимости распределения кажущейся удельной электропроводности вдоль профиля от глубины - геоэлектрические разрезы;

- распределения по площади кажущейся удельной электропроводности, измеренной на определённой частоте, -геоэлектрические карты.

3.3.-3.4. Методика применения ЭМС в полевых условиях представляет собой совокупность указаний по подготовке к работе и управлению аппаратурой, разметке исследуемой площадки, по применению программ обработки данных.

Методика обработки данных включает руководства: по построению карт распределения кажущейся удельной электропроводности, геоэлектрических разрезов и диаграмм; по автоматической визуализации карт и разрезов; по построению разрезов с учётом рельефа; по подготовке файлов к построению набора геоэлектрических карт; по квазитрёхмерному представлению материала.

3.5. Алгоритм управления аппаратурой ЭМС с помощью карманного персонального компьютера реализован в виде программного обеспечения. ПО предназначено для управления системами наблюдения, сбора и обработки данных в режиме реального времени и вывода результатов в удобном для пользователя графическом виде (Система управления ..., 2006). Программное обеспечение тестировано на устройствах Pocket PC 2003 с операционной системой Windows Mobile 5.0. Передача данных между КПК, аппаратурой ЭМС и GPS-приёмником осуществляется по беспроводной связи Bluetooth.

В главе 4 приведены примеры применения аппаратурно-методического комплекса ЭМС при геофизических исследованиях в археологии, гидрогеологии, геоэкологии, при гсоэлектрическом картировании территорий с инженерными коммуникациями и при исследовании подповерхностного пространства вулканов.

4.1. Применение комплекса ЭМС в археологии связано с исследованиями малоконтрастных по электропроводности грунтов, где аномалии электропроводности слабо выражены. В таких случаях индукционный сигнал от аномалий в большей степени связан с вертикальными границами раздела структурных элементов исследуемой среды (см. табл.) [22, 23].

Первые широкомасштабные геофизические исследования распределения удельной электропроводности подземных структур археологических памятников выполнены при изучении городища Чича-1 в Новосибирской области. Инициатива использования аппаратуры ЭМС и руководство полевыми работами принадлежат академику РАН Вячеславу Ивановичу Молодину [1,4, 6].

4.2. Поиск мерзлоты в археологических объектах. Курганные могильники пазырыкской культуры находятся на плато Укок в Горном Алтае. С использованием аппаратуры ЭМС исследовано 12 курганов, в трёх из них на глубинах до 2 м выделены геоэлектрические аномалии в виде областей высокого удельного электрического сопротивления среды, что соответствует замёрзшему захоронению [11].

Таблица

Характеристика вмещающей среды и поисковых объектов

Название памятника Вмещающая среда Объект исследования

Грунтовые памятники городища Чича. Новосибирская область Суглинки естественного осадконакопления, почвенный слой Остатки жилища. Обломки керамики, кости, кусочки древесины. Утрамбованные суглинки и песок с несогласным залеганием слоев

Умревинский острог. Новосибирская область Песчанистые грунты с пропластками суглинков естественного залегания Остатки построек острога. Песчанистые грунты с пропластками суглинков с нарушенным залеганием

Грунтовые курганы. Самарская область Песчанистые фунты с пропластками суглинков естественного залегания Остатки деревянных конструкций. Песчанистые грунты с пропластками суглинков с нарушенным залеганием

Археологический памятник "Вилла Демидова" вблизи Флоренции, Италия Песчано-глинистые аллювиальные отложения с щебнем Фрагменты нижних частей зданий из древних кирпичей

Пазырыкские курганы, республика Горный Алтай Речные гравелистые отложения, перекрытые насыпью из крупных валунов Промороженная погребальная камера

Площадки размером до 2500 м2 исследовались по равномерной сетке с шагом 1 м за 2,5-3 часа, тогда как аналогичные исследования методом сопротивлений заняли бы времени на порядок больше. Последующее ручное вскрытие перспективных курганов подтвердило данные зондирования. Поиски захоронений с использованием наземного аппаратурного комплекса ЭМС электромагнитного индукционного многочастотного зондирования дали существенный экономический эффект.

4.3. Применение аппаратуры ЭМС при изучении гидрогеологических свойств осадочных пород [2].

На Быстровском полигоне (Новосибирская область) были поставлены эксперименты по исследованию с поверхности геологической среды с использованием искусственно возбуждаемых геофизических полей различной природы, а именно одновременного сейсмического

воздействия и электромагнитных зондирований (Новые геотехнологии и комплексные ..., 2002; Активная сейсмология ..., 2004). Постановка научных задач в этих экспериментах сделана академиком РАН М.И. Эповым. В результате с помощью аппаратуры ЭМС зарегистрированы изменения кажущегося удельного электрического сопротивления среды во время и после работы вибрационного сейсмического источника, сделаны оценки физико-механических свойств полифазных терригенных пород на глубине около 6 м. Аналогичные данные можно получить из наблюдений за уровнем грунтовых вод в скважинах, но их бурение и обустройство очень дороги.

4.4. Опыт применения аппаратуры ЭМС в геоэкологии. В качестве примера показано изучение структуры хранилища отходов Салаирского горнообогатительного комбината. По полученным данным построены карты распределения кажущейся удельной электропроводности отложений, выделены обводненные участки, построены геоэлектрические разрезы на глубину до 10 м. Данные зондирований подтверждены ручньм бурением. Зондирования и геоэлектрические построения выполнены в течение одного рабочего дня. Методом бурения аналогичную информацию не получить и за месяц работы.

4.5. Геоэлектрическое картирование и построение разрезов при изучении территорий с инженерными коммуникациями.

В результате исследования придомовой территории в центральной части г. Новосибирска построены геоэлектрические карты, на которых видно размещение труб водоснабжения и канализации вокруг многоквартирного дома, обнаружены все утерянные подземные сооружения.

В качестве примера на рис. 8 приведен геоэлектрический разрез очень простого случая поиска водопроводной трубы.

Работы с аппаратурой ЭМС на площадках действующей электростанции в Красноярском крае выполнялись под проводами выходных трансформаторов генераторных блоков. Напряжённость магнитного поля промышленной частоты в пунктах зондирования превышала 16 А/м. Аппаратура позволила установить распределение удельной электропроводности на глубину до 3 м и по этим данным построить геоэлектрические карты с изображением искомых инженерных сооружений. Их местонахождение подтверждено ручными раскопами. Никакой другой аппаратурный комплекс не может функционировать в условиях с такими большими электромагнитными помехами.

4.6. Индукционные частотные зондирования на поверхности вулканов. В 2007-2008 г. в рамках совместных геофизических и геохимических работ были выполнены исследования нескольких доступных площадок на поверхности вулканов Мутновский и Узон Камчатского полуострова. Так началось применение аппаратурно-методического комплекса ЭМС в вулканологии. Работы выполнены на

малых площадках благодаря уникальной локальности исследования аппаратуры ЭМС. На загазованных участках удавалось выполнить зондирования площадок размером до 300 м~ за 15-20 минут. Впервые получены данные о строении грязевых вулканов и фумарол на глубину до 6 м. Достоверность глубины исследования установлена по исследовательской скважине Института вулканологии и сейсмологии ДВОРАН [10, 24].

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47 49 51 53 55 57 59 61 63 65 67 69 71 73 75 77

Рис. В. Геоэлектрический разрез на территории с инженерными коммуникациями. Измерения выполнялись на футбольном поле через 0,5 м по профилю. На разрезе видна искомая металлическая водопроводная труба, заложенная в траншею на глубину 2 м. Новосибирск, 2001 г.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Научно обоснованные технические решения по разработке наземной аппаратуры ЭМС электромагнитного индукционного многочастотного малоглубинного (до 10 м) зондирования (вид аппаратуры представлен на рис. 9) и её методическое сопровождение имеют ряд преимуществ по сравнению с известными, являются оригинальными и направлены на увеличение разрешающей способности метода, подавление помех, на повышение достоверности получаемых данных и экономической эффективности исследований:

1. Применение двух встречновключённых приёмных катушек с постоянными по частоте моментами позволяет выполнять зондирования в широком частотном диапазоне электромагнитного поля (2,5-250 кГц). Наибольшая чувствительность магнитных антенн достигается заполнением сердечника катушек ферритом в виде пустотелых цилиндров, причем величина скин-слоя в материале сердечника на верхней рабочей частоте должна быть больше толщины его стенки.

2. Использование решений прямых задач наземного частотного зондирования для двух- и трёхкатушечных зондов с анализом погрешностей определения фазы показало, что для трёхкатушечного зонда точность установки фазы момента измерения допустима с неопределённостью 1°, тогда как для двухкатушечного зонда фазу необходимо позиционировать с точностью 0,01°. Получена более ясная, точная и достоверная информация о вкладе прямого переменного магнитного поля в полезный сигнал сравниваемых зондов. Показано, что технически выполнимая компенсация прямого магнитного поля в

трёхкатушечном зонде в 600 раз достаточна для регистрации полезного сигнала с погрешностью не более 5 %.

3. На примере исследования двух тестовых объектов, с удельным электрическим сопротивлением верхнего слоя от 1 до 300 Ом м, количественная оценка глубинности выполнена с учётом величины минимального регистрируемого сигнала (1 мкВ), и это значительно ограничило расчётную глубину зондирования. Наименее глубинной является реальная составляющая, более глубинной является модуль, и наибольшими значениями глубинности (10-12 м) характеризуется мнимая составляющая сигнала.

4. Высокая помехозащищённость аппаратуры достигнута за счет мощного (до 1000 Вт) управляемого электроразведочного генератора гармонического поля высокостабильных дискретных частот (14 значений в диапазоне от 2,5 до 250 кГц), число которых больше, чем размерность исследуемой среды, и применением четырёх параллельно работающих селективных узкополосных регистраторов, обеспечивающих дополнительно быстродействие аппаратуры.

5. Разработанная система электростатического экранирования узлов аппаратуры с учётом подавления синфазных электромагнитных помех, основанная на взаимной ориентировке плоскостей печатных плат электрических схем и вектора первичного магнитного поля, а также па учёте распределения электростатического поля над заряженной пластиной, обеспечивает простую и эффективную конструкцию электростатических экранов чувствительных приёмных элементов аппаратуры.

6. Разработанная высокоскоростная телеметрическая система управления аппаратурой и системы обработки данных на базе карманных персональных компьютеров, включая аппаратуру глобального позиционирования, позволяет получать геоэлектрические данные в процессе зондирования в виде геоэлектрических карт, разрезов, графиков, что значительно повышает экономическую эффективность полевых работ.

7. Созданный автоматизированный способ калибровки аппаратуры ЭМС, включающий физическую установку эталонирования и математическую обработку данных большого числа экспериментов, позволяет определять действительные значения дипольных моментов электроразведочного генератора, приёмных датчиков с ферритовыми сердечниками и эффективные расстояния между этими тремя рамками.

8. Известные недостатки наземной модификации метода электромагнитного частотного индукционного зондирования, а именно наличие эквивалентных решений, большая погрешность в определении глубин, нивелируются простым применением вертикального электрического зондирования в комплексе с индукционным

многочастотпым зондированием, а также применением метода прямого наблюдения и учёта априорной информации.

Небольшая стоимость аппаратурно-методического комплекса ЭМС и быстрое зондирование (0,1 с на любой частоте) делают применение его в полевых условиях экономически выгодным практически в любых условиях.

9. Разработанные аппаратура и методика частотных зондирований легко адаптируются для решения практических задач в различных областях деятельности человека. Область применения аппаратурно-программного комплекса ЭМС может быть расширена. Перспективные направления - выделение участков загрязнения грунтовых вод; изучение геохимических процессов в грунтах над подземными газовыми хранилищами; изучение рельефа скальных оснований под россыпными золотоносными месторождениями; оценка бонитета почв сельскохозяйственного назначения. По всем этим направлениям уже ведется работа, выполнены первые эксперименты.

Несомненно, работы по совершенствованию аппаратурно-методического комплекса наземного электромагнитного индукционного многочастотного зондирования необходимо продолжить. Во-первых, необходимо дальнейшее развитие аппаратурной части в связи с разработанным и запатентованным соискателем новым принципом совмещения в одном зонде частотного и геометрического зондирования. Следующим аспектом является развитие программно-алгоритмических средств автоматизированной численной интерпретации с геоэлектрическими построениями.

Рис. 9. Один из первых образцов аппаратуры ЭМС (на переднем плане) и аппаратура вЕМ-ЗОО (США) при сравнительных работах в Италии, 2002 г.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Монографии

I.Чича - городите переходного от бронзы к железу времени в Барабинской

лесостепи (первые результаты исследований / В.И. Молодин......А.К. Мамштейп [и

др.). Новосибирск: Изд-во Института археологии и этнографии СО РАН. 2001. 240 с.

2. Активная сейсмология с мощными вибрационными источниками /

А.С. Алексеев......А.К. Маиштейи |и др.|. Отв. ред. Г.М. Цибульчик. Новосибирск:

ИВМиМГ СО РАН. Изд-во СО РАН. Филиал "Гео", 2004. 387 с.

В журналах, рекомеиловапимх ВАК

3. Балков Е.В.. Маиштейи А.К. Трёхкатушечный зонд в индукционном зондировании//Геофизический вестник. 2001. №12. С. 17-20.

4. Архсолого-геофизические исследования городища переходного от бронзы к железу времени Чича-1 в Барабинской лесостепи. Первые результаты Российско-

Германской экспедиции / В.И. Молодин. Г. Парцингер.....А.К. Маиштейи [и др.]. //

Археология, этнография и антропология Евразии. 2001. № 3 (7). С. 104-127.

5. Балков Е.В.. Маиштейи А.К. Сравнение характеристик двухкатушечной и трёхкатушечной реализации индукционных зондов для малоглубинного частотного зондирования//Геофизический вестник. 2006. № 1. С. 12-17.

6. Опыт применения электромагнитного частотного зондирования для решения археолого-геофизических задач / Е.В. Балков. А.К. Маиштейи [и др.]. // Геофизика. 2006. № 1. С. 43-50.

7. Балков Е.В., Эпов М.И.. Маиштейи А.К. Оценка глубинности наземного электромагнитного индукционного частотного зондирования // Геофизика. 2006. № 3. С. 41 —45.

8. Булгаков А.Ю.. Маиштейи А.К. Геофизический прибор для автоматизации многоэлектродной электроразведки // Приборы и техника эксперимента. 2006. № 4. С. 123-125.

9. Маиштейи А.К., Панин Г.Л.. Тикунов С.Ю. Аппаратура частотного электромагнитного зондирования "ЭМС" // Геология и геофизика. 2008. Т. 49. № 6. С. 571-579.

10. Особенности строения проводящих каналов термальных источников вулкана Мутновский (Южная Камчатка) / Ю.А. Манштейн, С.Б. Бортникова, А.К. Маиштейи [и др.].//Докл. РАН. 2008. Т. 423. №3. С. 1-6.

II. Frozen mounds in Corny Altai: geophysical and geochemical studies / M.I. Epov. E.V. Balkov, M.A. Chemyakina, A.K. Manshtein [et al.] // Russian Geology and Geophysics V. 53. Issue 6. June 2012, P. 583-593.

Изобретения и патенты

12. Способ индукционного частотного зондирования: пат. 2152058 Российская Федерация, МПК CI. G 01 V 3/10 / А.К. Манштейн, М.И. Эпов. В.В. Воевода, К.В. Сухорукова; заявитель и патентообладатель Институт геофизики СО РАН. № 98112250; заявл. 24.06.1998; опубл. 2000 г.. Бюл. № 18. 1 с.

13. Способ калибровки устройства для наземного электромагнитного частотного зондирования: пат. 2461850 Российская Федерация / А.К. Манштейн. М.И. Эпов. Е.В. Балков, К.В. Сухорукова; заявитель и патентообладатель ИНГГ СО РАН. Приоритет от 28.06.2010.

14. Геофизический прибор для наземного индукционного частотного зондирования: пат. РФ № 106761 / А.К. Манштейн; заявитель и патентообладатель ИПГГ СО РАН. № 2011111465; заявл. 25.03.2011; зарегистрировано 20.07.2011. Описание полезной модели к патенту. ФСИСПТЗ РФ Бюл. № 20.

Учебное пособие

15. Манштейн А.К. Малоглубпнная геофизика: учебное пособие. Новосибирск: 11овосиб. гос. ун-т, 2002. 136 с.

Публикации в научных рецензируемых периодических изданиях

16. Лрхеолого-геофизичсские исследования российско-германской экспедиции в

Барабинской лесостепи / В.И. Молодин..... А.К. Манштейп [и др.]. // Проблемы

археологии, этнографии, антропологии Сибири и сопредельных территорий. Т. V. Новосибирск: Институт археологии и этнографии СО РАН. 1999. С. 454-461.

17. Геофизические исследования городища Чича-1 в 2000 году / М.И. Эпов, М.А. Чемякина. А.К. Манштейп [и др.]. // Проблемы археологии, этнографии, антропологии Сибири и сопредельных территорий. Т. VI. Под ред. ак. А.П. Деревянко, ак. В.И. Молодина. Новосибирск: Институт археологии и этнографии СО РАН. 2000. С. 447^56.

18. Геофизические исследования археологических памятников Барабинской лесостепи в 2002 г. / М.А. Чемякина. А.К. Манштейп. В.И. Молодин [и др.]. // Проблемы археологии, этнографии, антропологии Сибири и сопредельных территорий. Т. VIII. Новосибирск.: Изд-во Ин-та археологии и этнографии СО РАН, 2002. С. 484-490.

19. В поисках мерзлоты (результаты геофизических исследований курганных могильников на плато Укок) / М.И. Эпов, А.К. Маиштейн, В.И. Молодин [и др.]. // Проблемы археологии, этнографии, антропологии Сибири и сопредельных территорий. Т. IX. Новосибирск: Изд-во Института археологии и этнографии СО РАН, 2003. С. 528-534.

20. Геофизические исследования археологических памятников в СевероЗападной Монголии в 2005 г. / М.И. Эпов, В.И. Молодин, А.К. Манштейн [и др.]. // Проблемы археологии, этнографии, антропологии Сибири и сопредельных территорий. Т. XI. / Ред. А.П. Деревянко, В.И. Молодин. Новосибирск: Изд-во ИАЭ СО РАН, 2005. С. 503-506.

21. Электроразведочное картирование "замёрзших" пазырыкских курганов Алтая / М.И. Эпов, А.К. Манштейн, Ю.А. Манштейн [и др.]. // Проблемы археологии, этнографии, антропологии Сибири и сопредельных территорий. Т. XII. Ч. I. Новосибирск: Изд-во Института археологии и этнографии СО РАН, 2006. С. 510-515.

Статьи в зарубежных рецензируемых журналах

22. Mulli-frequency electromagnetic sounding lool EMS. Archaeological discoveries. Case stories. / Yu. Manstein, A. Manstein. N. Abu Zeid, [et al.]. // Geophysical Research Abstracts journal, © European Geophysical Society. 2003. V. 5, ISSN 1029-7006. P. 03500.

23. Manstein Yu.A., Manstein A.K., Scozzari A. Near surface geophysics: application of FD-EMI sounding to the study of historical resources // Geophysical Research Abstracts. 2009. V. 11. EGU2009-0.

24. Geochemical and geo-electrical study of mud pools at the Mutnovsky volcano (South Kamchatka, Russia): Behavior of elements, structures of feeding channels and a model of origin / E.P. Bessonova, S.B. Bortnikova, A.K. Manstein, [et al.]. // Elsevier Ltd. Applied Geochemistry 2012. N27. P. 1829-1843.

Материалы конференций

25. Балков E.B., Эпов М.И., Манштейн A.K. Математическое обеспечение комплекса малоглубинного электромагнитного зондирования. // IV международная научно-практическая геолого-геофизическая конкурс-конференция молодых учёных и специалистов "Геофизика-2003", (Санкт-Петербург, 1-4 октября 2003 г.): тез. докл. Санкт-Петербург, 2003. С. 22-24.

26. Манштейн А.К., Манштейн Ю.А., Балков Е.В. Электромагнитное многочастотное зондирование аппаратурой ЭМС // Материалы 9-й конференции "Окружающая среда и инженерная геофизика" (Прага, Чешская республика, сентябрь 2003 г.). Р-095. Прага, 2003. 4 с.

27. Система управления аппаратурно-программного комплекса малоглубинного частотного электромагнитного зондирования / А.А. Адайкин, Е.В. Балков, А.К Манштейн, М.М. Лаврентьев. // Международная конференция GraphiCon-2006. Новосибирск. 2006. 4 с.

28. Манштейн А.К. Наземные электромагнитные частотные зондирования. Сб. докл. 5-й школы-семинара ЭМЗ-2011. (Санкт-Петербург, 16-21 мая 2011 г.). СПб.: СПбГУ, 2011.8 с.

Технический редактор Е.В. Бекренёва Подписано в печать 25.09.2012 Формат 60x84/16. Бумага офсет №1. Гарнитура Тайме Печ.л. 2,0. Тираж 130. Зак. № 79_

ИНГГ СО РАН, 630090, Новосибирск, просп. Акад. Коптюга, 3

2012351309

/Л

U

2012351309

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, доктора технических наук, Манштейн, Александр Константинович, Новосибирск

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ НАУКИ ИНСТИТУТ НЕФТЕГАЗОВОЙ ГЕОЛОГИИ И ГЕОФИЗИКИ ИМ. А.А. ТРОФИМУКА СИБИРСКОГО ОТДЕЛЕНИЯ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК

АППАРАТУРНОЕ И МЕТОДИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ НАЗЕМНОГО ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИНДУКЦИОННОГО МНОГОЧАСТОТНОГО ЗОНДИРОВАНИЯ

05201350470

На правах рукописи

_

МАНШТЕИН Александр Константинович

25.00.10 - геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени доктора технических наук

НОВОСИБИРСК 2012

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ................................................................................................... 5

Глава 1. НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ

К ПРОЕКТИРОВАНИЮ НАЗЕМНОЙ АППАРАТУРЫ ЧАСТОТНОГО ЗОНДИРОВАНИЯ......................................... 17

1.1. Дипольные частотные электромагнитные зондирования....... 21

1.2. Технические требования к аппаратуре малоглубинного зондирования................................................................................ 26

1.3. Нормальное поле вертикального магнитного диполя.............. 30

1.4. Двухкатушечный зонд................................................................. 34

1.5. Трехкатушечный зонд.................................................................. 43

1.6. Многочастотный трехкатушечный зонд

над проводящим полупространством........................................ 47

1.7. Оценка чувствительности приемной катушки.......................... 51

1.8. Расчет необходимого частотного диапазона аппаратуры....... 52

1.9. Оценка глубины зондирования наземной индукционной аппаратурой ЭМС........................................................................ 53

1.9.1. Методика оценки глубинности.

Относительный и абсолютный критерии........................ 54

1.9.2. Оценка принципиально возможной глубинности обнаружения проводящего слоя...................................... 57

1.9.3. Уменьшение глубинности исследования в связи с реальным уровнем регистрируемого сигнала................. 58

Глава 2. НАЗЕМНАЯ АППАРАТУРА ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИНДУКЦИОННОГО ЧАСТОТНОГО

ЗОНДИРОВАНИЯ ЭМС............................................................ 63

2.1. Краткая история развития аппаратуры частотного

зондирования............................................................................... 63

2.2. Конструкция аппаратуры ЭМС................................................... 69

2.2.1. Источник электромагнитного поля.................................. 71

2.2.2. Узкополосная цифровая измерительная система.......... 73

2.2.3. Полоса частот измерительной системы........................... 77

2.2.4. Линейность преобразования сигнала

в цифровую форму............................................................ 79

2.2.5. Экспериментальное определение зависимости фазы возбуждаемого поля от температурного изменения емкости конденсатора резонансного контура генератора.......................................................................... 81

2.2.6. Оценка погрешности измерений аппаратурой ЭМС по экспериментальным данным............................................ 83

2.2.7. Эталонировка аппаратуры ЭМС. Конструкторская документация. Электростатическое

экранирование.................................................................... 87

Глава 3. МЕТОДИЧЕСКОЕ И ПРОГРАММНО-

АЛГОРИТМИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И СБОРА ДАННЫХ АППАРАТУРЫ ЭМС................................................................. 93

3.1. Управление аппаратурой............................................................. 93

3.2. Варианты геоэлектрических построений................................... 94

3.3. Руководство (методика) по применению ЭМС

в полевых условиях..................................................................... 96

3.4. Программное обеспечение обработки данных.......................... 98

3.5. Алгоритм программы управления аппаратурой ЭМС

с помощью карманного персонального компьютера.............. 113

Глава 4. ОПЫТ ПРИМЕНЕНИЯ АППАРАТУРНО-

МЕТОДИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА ЭМС......................................................120

4.1. Применение в археологии. Результаты исследования малоконтрастных грунтовых структур............................................................................120

4.2. Поиск мерзлоты в археологических объектах......................................................141

4.3. Применение аппаратуры ЭМС при изучении гидрогеологических свойств осадочных пород................................................146

4.4. Опыт применения аппаратуры ЭМС в геоэкологии. Изучение геоэлектрической структуры хранилища отходов Салаирского горно-обогатительного комбината............................................151

4.5. Геоэлектрическое картирование и построение разрезов при изучении территорий с инженерными коммуникациями................154

4.5.1. Геоэлектрическое картирование территории жилого

дома по ул. Авиастроителей, г. Новосибирск......................................................155

4.5.2. Геоэлектрическое картирование на территории Назаровской ГРЭС............................................................................................................................................159

4.6. Индукционные электромагнитные частотные зондирования

на поверхности вулканов......................................................................................................................161

ЗАКЛЮЧЕНИЕ......................................................................................................................................................................................170

ЛИТЕРАТУРА..........................................................................................................................................................................................173

ПРИЛОЖЕНИЕ....................................................................................................................................................................................183

1 .Сборочный чертеж аппаратуры ЭМС........................................................................................184

2. Электромонтажный чертеж аппаратуры ЭМС..........................................................185

3. Схема электрическая принципиальная. Плата МК............................................186

4. Сертификат соответствия..............................................................................................................................187

5. Справка о внедрении..............................................................................................................................................188

6. Акт о внедрении комплекса "ЭМС"..............................................................................................189

7. Признание международных экспертов....................................................................................190

ВВЕДЕНИЕ

Объект исследования - аппаратурное и методическое обеспечение как важная составляющая метода наземного электромагнитного индукционного частотного зондирования.

Актуальность новых технических решений

Востребованность электроразведки в геоэкологии, инженерной геофизике, в археологии, строительстве, в военной отрасли обусловила развитие наземного аппаратурно-методического обеспечения электромагнитных зондирований с контролируемыми источниками. При этом наиболее существенной для настоящего времени является проблема определения геоэлектрического строения среды на малых глубинах (до 10 м) при индуктивном возбуждении первичного переменного электромагнитного поля. Опыт многих исследователей привел к осознанию, что для этого необходим принципиально новый аппаратурно-методический комплекс, новые технические решения в его разработке. Как известно, наиболее локальным из электромагнитных методов является зондирование становлением поля, однако получение информации о строении среды вблизи дневной поверхности с использованием имеющейся аппаратуры метода ЗС весьма затруднительно, а во многих случаях невозможно.

Наземные исследования электромагнитными частотными зондированиями осуществляются в режимах профилирования и картирования приборами с малым набором рабочих частот. В большинстве из них не применяются частоты более 50 кГц, следовательно, по их данным невозможно построить вертикальные геоэлектрические разрезы начиная с поверхности.

Приборы, предназначенные для профилирования и картирования, основанные па схеме двухкатушечного индукционного зонда, одночастотные. Глубина зондирования зависит от расстояния между источником возбуждения поля и приёмником. Известные из публикаций трёхкатушечные приборы

работают в узком частотном диапазоне в режиме профилирования. Такие технические решения имеют ряд недостатков. Во-первых, увеличивается объём среды, где наводятся вихревые токи, и возникает сложность в определении точки замера. Во-вторых, узкий частотный диапазон не обеспечивает требуемой разрешающей способности зондирования. В-третьих, аппаратура слабо защищена от электромагнитных помех. И наконец, графики профилирования, карты распределения кажущегося удельного электрического сопротивления и другая информация не выводятся в процессе съемки, что экономически значимо.

Таким образом, актуальность новых технических решений определяется необходимостью создания аппаратурно-методического комплекса, который позволяет: восстанавливать пространственное распределение удельного электрического сопротивления на глубинах до 10 м в виде геоэлектрических разрезов и карт; выполнять зондирования в условиях сильных электромагнитных помех; получать информацию о строении среды в реальном масштабе времени.

Цель работы - повысить достоверность данных электромагнитных частотных зондирований путем разработки многочастотной трёхкатушечной помехозащищённой быстро работающей аппаратуры и её методического сопровождения: обеспечить построение геоэлектрических разрезов и карт, получение информации о геоэлектрическом строении среды на глубину до 10 м в процессе зондирования.

Поставленные научно-технические задачи

1. Выполнить научно-техническое обоснование к проектированию наземной аппаратуры электромагнитного многочастотного зондирования на базе трёхкатушечного зонда с оценкой его глубинности.

2. Разработать помехозащищённый быстродействующий аппаратурный комплекс малоглубинного многочастотного индукционного зондирования.

3. Разработать методическое и программно-алгоритмическое обеспечение для наблюдения и сбора данных в процессе зондирования.

4. Проверить в полевых условиях разработанный аппаратурно-методический комплекс при решении задач в археологии, геоэкологии, инженерной геофизике, вулканологии.

Теоретическая база, методы исследования и аппаратура

Технические решения базируются на теории электромагнитных зондирований с контролируемыми источниками, на научных результатах и опыте российских и зарубежных учёных в области теоретических, методических и аппаратурных разработок для исследования с поверхности земли и в скважинах, в первую очередь Института нефтегазовой геологии и геофизики им. А.А. Трофимука Сибирского отделения РАН [Кауфман, 1965].

Основные методы исследования:

- стендовые и полевые эксперименты, инженерные расчёты, теоретический анализ, компьютерное и физическое моделирование;

-сравнительный анализ результатов математического моделирования с данными экспериментов на калибровочной установке;

- верификация результатов геоэлектрических построений путём их сопоставления с результатами вскрытий изучаемых объектов.

Выполнены сравнительные полевые работы аппаратурно-методическим комплексом ЭМС и аппаратурой: георадарометрии (GSSI, США), многоэлектродных вертикальных электрических зондирований на постоянном токе (IRIS SYSCAL, Франция), частотного профилирования (ЕМ-31 Geonics, США), магниторазведки (квантовый магнитометр-градиентометр G-858 Geometries, США) и многочастотного электромагнитного профилирования (GEM-300 GSSI, США) на тестовых участках (Италия). Целевыми объектами при этом служили археологические памятники древнеримской и средневековой эпохи, погребённые фрагменты зданий, подземные городские сооружения,

металлические трубопроводы. Установлено преимущество комплекса ЭМС в помехоустойчивости и чувствительности к объектам.

Предложенные технические решения доведены до конструкторской документации, получен сертификат соответствия аппаратуры ЭМС требованиям технического регламента о безопасности машин и оборудования, налажено малосерийное производство. Внешний вид аппаратуры представлен на рис. 1, с. 16 .

Защищаемые научные результаты

1. Теоретически и экспериментально обоснованные, апробированные и запатентованные технические решения по разработке помехозащищенного аппаратурного обеспечения наземных электромагнитных индукционных частотных зондирований с поверхности до глубины 10 м на базе трехкатушечного многочастотного зонда (14 дискретных частот в диапазоне 2,5-250 кГц), которое включает оригинальные устройства: источник электромагнитного поля; цифровой регистратор сигналов; систему электростатического экранирования; высокоскоростную телеметрическую систему управления аппаратурой, помещенные в радиопрозрачный жёсткий корпус.

2. Методическое и алгоритмическое обеспечение наземной аппаратуры частотного зондирования, состоящее из: запатентованного способа автоматизированной калибровки аппаратуры; алгоритма визуализации геофизических данных в виде графиков, карт распределения удельного электрического сопротивления и геоэлектрических разрезов; рекомендаций по выполнению полевых работ; алгоритмов и программ получения предварительных геофизических данных в процессе зондирования; элементов спутниковой системы навигации GPS.

Научная новизна и личный вклад

1. Оригинальные технические решения для разработки наземной аппаратуры индукционного многочастотного зондирования ЭМС:

- используется фиксированное расположение двух встречно включенных приёмных катушек с ферритовыми сердечниками, моменты которых не зависят от частоты электромагнитного поля (пат. РФ № 2152058);

- помехозащищённость аппаратуры (работоспособность в переменном магнитном поле напряжённостью до 30 А/м) обеспечивается мощным (до 1000 Вт) управляемым источником электромагнитного поля высокостабильных дискретных частот в диапазоне 2,5-250 кГц и соответствующими селективными узкополосными регистраторами сигналов;

- быстродействие аппаратуры достигается за счет параллельной работы четырёх фазочувствительных цифровых регистраторов. Одновременно работающие четыре дельта-сигма аналого-цифровые преобразователи обеспечивают полосу пропускания 20 Гц, подавление сигнала 50 Гц на 100 дБ за приемлемое время (60 мс);

- система электрического экранирования аппаратуры разработана с учётом свойств электростатического поля над заряженной пластиной (пат. РФ № 106761);

- разработанные алгоритмы телеметрического управления с применением карманного персонального компьютера и аппаратуры GPS дают возможность получать геофизическую информацию в процессе зондирования.

2. Методическое обеспечение аппаратуры ЭМС:

- способ калибровки устройства для электромагнитного индукционного частотного зондирования, включающий расположение замкнутого калибровочного кольца между устройством и поверхностью земли, измерение сигнала от индуцированных токов в калибровочном кольце при нескольких фиксированных положениях устройства над кольцом, подбор с помощью математического расчета эффективных расстояний от центра генераторного диполя до центров приемных диполей, моментов приемных контуров,

зависящих от частоты, и уточненного положения калибровочного кольца, обеспечивающих совпадения расчетных сигналов с экспериментальными для всех рабочих частот и множества расстояний до кольца (пат. РФ № 2461850);

- алгоритмы визуализации геофизических данных и построения геоэлектрических карт и разрезов;

- рекомендации (методика) по выполнению полевых работ.

Практическая значимость

Для наземной электроразведки разработан индукционный многочастотный аппаратурно-методический комплекс, не имеющий аналогов, с помощью которого получают геофизическую информацию в процессе зондирования на глубину до 10 м. Применение комплекса для сбора информации о характере геологического разреза экономически выгодно, что подтверждается его востребованностью на рынке в России и за рубежом.

По сравнению с зарубежными разработками, основанными также на применении электромагнитного индукционного частотного метода, уникальными свойствами многочастотного комплекса ЭМС являются:

- получение информации для построения геоэлектрических разрезов с поверхности до глубины 10 м;

- получение геофизической информации в процессе зондирования;

- получение кондиционных данных при высоком уровне электромагнитных помех;

-эффективность работы в широком диапазоне удельных электрических сопротивлений горных пород (1-300 Ом-м).

Наземный аппаратурно-методический комплекс ЭМС позволил внедрить в практику индукционное многочастотное электромагнитное зондирование как новое направление в малоглубинной геоэлектрике. Применение разработанного комплекса ЭМС в инженерной геофизике показало высокую степень достоверности данных и его экономическую эффективность.

Локальность зондирования, присущая аппаратуре ЭМС, позволила применить её для исследования подземной структуры доступных площадок вулканов на глубину до 6 м. Впервые в мире с использованием разработанного аппаратурно-методического комплекса детально изучено подповерхностное строение вулканогенных образований: фумарол, грязевых котлов, подземных потоков гидротермальных вод вулканов Южной Камчатки.

Высокая чувствительность аппаратуры ЭМС к изменению удельного электрического сопротивления (УЭС) грунтов по вертикали позволяет успешно применять её для решения различных задач археологии. Результаты подтверждены на большом числе раскопок, выполненных Институтом археологии и этнографии СО РА�