Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Импульсные электромагнитные зондирования в микросекундном диапазоне
ВАК РФ 25.00.10, Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых
Автореферат диссертации по теме "Импульсные электромагнитные зондирования в микросекундном диапазоне"
на правах рукописи
Барсуков Павел Олегович
ИМПУЛЬСНЫЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ЗОНДИРОВАНИЯ В МИКРОСЕКУНДНОМ ДИАПАЗОНЕ
25.00.10 - геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых
АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук
г. Троицк - 2004 г.
Работа выполнена в Институте геоэлектромагнитных исследований Российской Академии Наук
Официальные оппоненты:
доктор технических наук, профессор Якубовский Ю.В. доктор физико-математических наук Гохберг М.Б. доктор физико-математических наук Губатенко В.П.
Ведущая организация:
Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, кафедра геофизических методов исследований земной коры геологического факультета.
Защита диссертации состоится 1т июня 2004 г. в 15м
на заседании Диссертационного Совета Д.212.121.07 при Московском
государственном геологоразведочном университете
Адрес: 117485 Москва ул. Миклухо-Маклая д.23, МГТРУ. 6-38 ауд.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного геологоразведочного университета
Автореферат разослан " " мая 2004 г.
Ученый секретарь
Диссертационного Совета Д.212.121.07
к.т.н., профессор
Боганик Г.Н.
2 ooC-4 eizeils
Y £ 7 Общая характеристика работы
Актуальность исследований
Импульсные электромагнитные зондирования - это один из популярных и широко используемых методов геоэлектрических исследований геологических структур и месторождений полезных ископаемых. В электроразведке метод обычно называют ЗС- зондирования становлением поля, Mllll- метод переходных процессов (ТЕМ- Transient ElectroMagnetic или TDEM -Time Domain ElectroMagnetic)
Имеется несколько модификаций этого метода, различающихся конфигурацией и типом приемных и излучающих антенн. Однако во всех модификациях ЗС исследуется реакция геологической среды на возбуждение импульсами магнитного или электрического поля - т.н. переходные характеристики среды или процессы становления.
Различают зондирования становлением в дальней и ближней зонах -ЗСД и ЗСБЗ (ЗСБ). ЗСД - это исследования переходных характеристик в дальней зоне источника, т.е. на таких расстояниях г и временах t, на которых выполняется условие t/цст г2«1 (ц и а- магнитная проницаемость и проводимость среды). Напротив, в ЗСБ исследования проводят в ближней зоне источника, где t/цст ^»1.
ЗСД и ЗСБ имеют свои преимущества и недостатки по глубине и разрешающей способности исследований, в возможностях интерпретации, в технико-экономических показателях, таких как производительность и стоимость.
Как электроразведочный метод ЗС начался с работ С.М.Шейнмана и
A.Н.Тихонова около 60 лет назад. В дальнейшем теория и эксперимент ЗС развивались в СССР усилиями JI.JI. Ваньяна, В.И.Дмитриева, П.П.Фролова, О.А.Скугаревской, А.А.Кауфмана, Л.А.Табаровского,Ф.М. Каменецкого,
B.М.Тимофеева, Ю.ВЛкубовского, В.А .Сидорова, В.В.Тикшаева, А.Б. Великина, Ю.И., Булгакова, Г.А.Исаева, Б.И.Рабиновича, П.П. Макагонова, И.А.Безрука, Г.Б.Ицковича, М.М.Голдмана, Ю.А.Нима и др.
За рубежом в развитии метода ЗС принимали участие J.Wait, B.Spies, T.Lee, G.West, L.Buselli, A.Hoerdt, M.Nabighian, R.Smith, P.Weidelt, K-M.Strack,
C.Stoyer, K.Vosoff, P.Weidelt, A.Reiche, G.Keller и др. исследователи. В настоящее время ЗС активно развивается в работах
A.К. Захаркина, М.И. Эпова. Г.М. Тригубовича, В.С.Могилатова,
B.В. Филатова (Новосибирск), С.Н. Шерешевского, Я.Л. Литмановича,
A.A. Петрова (С-Петербург), В.П. Губатенко, В.П. Лепешкина, Б.В. Бучарского (Саратов), Э.Б.Файнберга и Е.О.Хабенского (Москва).
Проблемы, связанные с зондированиями в частотно дисперсных средах, исследовались В.А Сидоровым, Ф.М. Каменецким, Б.С.Световым,
B.В.Агеевым, В.В.Кормильцевым, А.Н.Мезенцевым, Г.В.Астаханцевым, Г.В.Улитиным, Г.В.Журадлерой) А.В.Кутппгпвыу, Е.А.Шемякиным,
ЮС. НАЦИОНАЛЬНАЯ БИБЛИО0ЕКА С Петербург
жбгк
A.Ф.Постельниковым, Д.С.Даевым, Н.О.Кожевниковым, А.А.Рыжовым,
B.Задорожной, А.М.Яхиным и др.
В России за последнее десятилетие создана целая серия современной аппаратуры для исследований становлением поля: ИМПУЛЬС, ЦИКЛ, СТРОБ, КОД. На мировом геофизическом рынке аппаратура ЗС представлена компаниями Geonics (Канада), Zonge(CUIA), SIRO (Австралия) и AEMR (Голландия).
Современные мировые тенденции развития метода ЗС направлены на :
расширение временного диапазона в область малых времен для решения инженерных, гидрогеологических и других задач в области малых и сверхмалых глубин;
использование поляризационных и суперпарамагнитных явлений в ЗС как источника дополнительной геологической информации; разработку инверсионных процедур и трансформаций данных ЗС для интерпретации площадных данных;
разработку автоматизированных систем измерений, сбора и интерпретации данных для снижения затрат на полный комплекс ЗС исследований; В соответствии с потребностями рынка геофизических услуг в методе ЗС имеются потенциальные возможности существенного увеличения производительности исследований с одновременным повышением их качественных характеристик и расширением области применения метода.
Практическая реализация этого потенциала и определяет актуальность темы диссертации. Объекты исследований
Электромагнитные процессы в геологических средах с частотно зависимыми электрическими и магнитными свойствами.
Физические процессы, протекающие в приемно-излучающих антеннах с распределенными параметрами.
Физические и математические проблемы, связанные с процессами диффузии импульсного электромагнитного поля в промежуточной зоне ЗС. Цель исследований
Разработка современного комплекса импульсных электромагнитных зондирований, обеспечивающего высокопроизводительные исследования малых глубин в максимально широком диапазоне геологических и техногенных условий. Задачи исследований
Теоретически и экспериментально изучить процессы распространения электромагнитных импульсов в неоднородных геоэлектрических средах и в средах с частотной дисперсией электрических и магнитных свойств. Найти, обосновать и создать эффективные алгоритмы для инверсии и интерпретации данных ЗС в таких средах. Опробовать созданные алгоритмы на экспериментальных данных, доказать их эффективность и надежность в различных геолого-геофизических условиях. Оценить возможные погрешности
инверсии ЗС данных в неоднородных и дисперсных средах. Сформулировать ограничения применимости инверсионных процедур и стратегию поиска приближенных решений обратной задачи ЗС. Методы исследований
Экспериментальные (полевые и лабораторные) исследования переходных характеристик ЗС на образцах и т-яки в различных геологических регионах, математическое моделирование электромагнитных процессов в неоднородных и частотно дисперсных средах, физическое пленочное моделирование.
Математическое решение обратных задач и приближенные методы интерпретации данных ЗС. Научная новизна
Разработан устойчивый алгоритм аппроксимации (сглаживания) данных ЗС, основанный на анализе экспоненциальных спектров диффузионных процессов становления.
Разработан алгоритм нормировки процессов ЗС в промежуточной зоне, существенно снижающий зависимость кажущегося сопротивления от размера и конфигурации приемно-излучающей системы антенн. Разработана дифференциальная трансформация переходных характеристик ЗС промежуточной зоны в зависимость кажущего сопротивления от глубины исследования.
Разработан алгоритм решения прямых и обратных задач в горизонтально слоистых средах с произвольными моделями частотной дисперсии электропроводности, диэлектрической и магнитной проницаемости. Обнаружен и изучен антенный поляризационный эффект- АПЭ, проявляющийся в инверсии полярности и аномально медленном спаде электрических потенциалов в антеннах. Амплитуда АПЭ пропорциональна квадрату сопротивления проводов антенны и определяется частотной дисперсией диэлектрической проницаемости горных пород. Подробно изучено явление суперпароамагнитной релаксации субдоменных частиц магнитных минералов в горных породах. Обнаружен и изучен каминный суперпароамагнитный эффект, проявляющийся в виде аномального замедления скорости суперпарамагнитной релаксации магнитных частиц в приповерхностных породах над рудными месторождениями. Практическая значимость
Разработанная система импульсных электромагнитных зондирований в микросекундном диапазоне (ТЕМ-РАБТ) позволяет с высоким разрешением исследовать неоднородные геологические среды с частотно зависимыми электрическими и магнитными свойствами в диапазоне глубин ~ 300 м. Наибольшая геологическая и технико-экономическая эффективность системы достигается при использовании совмещенных приемно-излучающих антенн и зондированиях в промежуточной зоне ЗС.
Система позволяет снизить затраты и увеличить производительность исследований в 3-5 раз по сравнению с существующими отечественными и мировыми технологическими аналогами Апробация и публикации
Разработанная система импульсных электромагнитных зондирований TEM-FAST используется двадцатью геофизическими компаниями в России, Туркменистане, Франции, Италии, Швейцарии, Голландии, Германии, Швеции, Дании, Никарагуа, Мадагаскаре, Реюньоне и Японии.
Основные принципы построения системы, результаты ее применения и новые физические эффекты, исследованные с ее помощью, доложены на российских и международных конференциях:
1.«Патологически вырожденные процессы ЗС» Школа-семинар «Индуктивная Электроразведка», п.Славское, 1989.
2. «Экспрессная модификация МПП (TEM-FAST) для поиска россыпей золота, гидрогеологических исследований и гражданского инжиниринга»
НТД-91 ЦНИГРИ, Москва, ЦНИГРИ, 1991.
3. "Geoelectrical Study in Vicinity of Giza Pyramids, Egypt."
13-th Workshop on Electromagnetic Induction in the Earth. Japan, Jule 1996. "Search of underground galleries in Vorontsov Palace-museum by ТЕМ" 1-st international workshop "Electric, Magnetic and EM methods applied to cultural heritage" Ostuni, Italy 1997.
4. "Double IP-effect in Electromagnetic Transients"
The 14-th Workshop on EM Induction in the Earth., Sinaia, Rumania 1998.
5. "Electromagnetic Resonance in Transients?"
The 14-th Workshop on EM Induction in the Earth., Sinaia, Rumania 1998.
6. "TEM-FAST - импульсная электромагнитная технология исследования геологических сред» Вопросы теории и практики геологической интерпретации гравитационных, магнитных и электрических полей. Москва, ИОФЗ РАН, 2731 январь 2002.
7. "Innovative approach to ЕМ research and monitoring of environment"
III International Workshop on Magnetic, Electric and ElectroMagnetic Methods in Seismology and Volcanology (MEEMSV-2002), Moscow, Sep. 3-5 2002
8. "An application of magnetic and electromagnetic methods for environmental research" 8-th meeting "Environmental and Engineering Geophysics" EEGS-ES 8-12 Sep 2002 Aveiro, Portugal.
9. «Применение метода переходных процессов (технология TEM-FAST) для решения задач малоглубинной геоэлектрики и исследований окружающей среды».
Первая Всероссийская школа-семинар по электромагнитным зондированиям Земли. Москва, 10-15 ноября 2003 г.
10. «Инверсия ТЕМ данных в поляризующихся и суперпарамагнитных средах». Первая Всероссийская школа-семинар по электромагнитным зондированиям Земли. Москва, 10-15 ноября 2003 г.
11. «Антенный поляризационный эффект в ТЕМ».
Первая Всероссийская школа-семинар по электромагнитным зондированиям
Земли. Москва, 10-15 ноября 2003 г.
Всего по теме диссертации опубликовано более 20 статей, тезисов и научных
сообщений, включая 10 печатных работ в рецензируемых изданиях.
Защищаемые положения
1. Импульсные электромагнитные зондирования геологических сред в микросекундном диапазоне охватывают область времен и расстояний, в которой затухание электромагнитного поля от излучающей антенны определяется в равной мере, как скин-эффектом, так и геометрическим рассеянием. В этой, промежуточной зоне ЗС, совмещенные приемно-излучающие антенны позволяют максимально ослабить влияние боковых неоднородностей и эффективно использовать для интерпретации экспериментальных данных алгоритмы одномерной инверсии и трансформации.
2. Разложение импульсных откликов неполяризующейся среды на экспоненциально затухающие составляющие позволяет аппроксимировать полевые данные функциями с совершенной монотонностью и эффективно использовать их для подавления помех и вычислений кажущегося сопротивления в промежуточной зоне ЗС. Кажущиеся сопротивления слабо зависят от конфигурации приемно-излучающей системы антенн и служат основой для вычислений трансформаций - зависимости кажущегося сопротивления от глубины зондирования. Трансформации позволяют с высоким разрешением создавать трехмерные электромагнитные образы, которые дают качественно правильное представление об исследуемой геологической среде.
3. Частотная дисперсия электрических свойств среды проявляется в индуктивных ЗС как в виде индукционно вызванной поляризации, так и в виде антенного поляризационного эффекта - АПЭ. В антеннах с распределенными емкостью и сопротивлением АПЭ инвертирует полярность переходных процессов и аномально медленно убывает во времени. Амплитуда АПЭ пропорциональна квадрату сопротивления проводов антенн.
4. Суперпарамагнитные явления, связанные с релаксацией намагниченности нанометровых ферромагнитных частиц в горных породах, проявляются в виде процесса становления, убывающего во времени как Их.
Над некоторыми месторождениями руд и разломными зонами наблюдается каминный суперпарамагнитный эффект - аномальное замедление скорости спада процесса становления.
5. Разработанная TEM-FAST система - это высокопроизводительная технология ЗС в диапазоне глубин до 300 м. TEM-FAST эффективно используется для исследований неоднородных и частотно дисперсных геологических сред и позволяет решать разнообразные научные и прикладные геоэлектрические проблемы.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, 7 глав, заключения и списка литературы из 72 наименований. Работа содержит 195 страниц текста, 88 рисунков и 4 таблицы.
Автор выражает глубокую благодарность коллегам, с которыми ему посчастливилось вместе работать:
Э.Б.Файнбергу, Е.О.Хабенскому, Б.С.Светову, В.В.Агееву, В.Ф.Лаптеву, ЮЛ.Титкову, Е.М.Ершову, Харитонову А.В. (Москва), Ю.В.Николаеву (г,Октябрьский), В.Д.Брагину (Бишкек), О.А.Сусину (Севастополь), а также зарубежным коллегам
P.Andrieux (Париж), D.Fabre, J-M Vengeon, F.Robach (Гренобль), Gad El-Oady (Каир).
Становление поля в горизонтально однородных средах
Этот раздел посвящен анализу процессов становления поля в совмещенных приемно-излучающих антеннах над слоистыми горизонтально однородными средами без частотной дисперсии электропроводности и магнитной восприимчивости.
При геоэлектрических исследованиях приповерхностных геологических структур (до 100-300 м) возможно и целесообразно использовать совмещенные петлевые антенны с размерами ЬхЬ от 10x10 до 100x100 м*м и диапазон времен становления от первых микросекунд до 10-20 мс. Выбор именно совмещенных установок, в которых одна и та же горизонтальная петлевая антенна используется как для возбуждения электромагнитного поля, так и для измерений откликов среды, определяется следующими факторами: высокой производительностью полевых исследований (поскольку отпадает необходимость применять измерительные датчики, обеспечивать синхронизацию измерителя и генератора и т.д.); простотой и компактностью измерительной аппаратуры, в которой отпадает необходимость в существенном усилении принимаемого сигнала от приемного датчика, коррекции частотных характеристик датчиков и т.п.; локальностью исследований - слабой зависимостью регистрируемых сигналов от поверхностных неоднородностей, поскольку отклики среды усредняются в пределах достаточно большого контура антенны; ценными свойствами сигналов ЗС в совмещенных антеннах, которые эффективно используются при интерпретации данных зондирований. При средних сопротивлениях пород от 10-100 Ом*м 80% измеряемых переходных характеристик в динамическом диапазоне от 1 мкВ до 10 В и возбуждающих токах 1~ 1-4 А соответствует промежуточной зоне ЗС, т.е. 0.1< 1/цстЬ2<3 (1- время, цист- магнитная проницаемость и проводимость среды). В этой зоне ЗС затухание электромагнитного поля от излучающей антенны определяется в равной мере, как скин-эффектом, так и геометрическим рассеянием. Таким образом, малоглубинные зондирования ЗС правильней было бы называть зонированиями в промежуточной зоне, хотя традиционно их называют ЗСБЗ- (зондирования становлением в ближней зоне). Поведение процессов становления поля в промежуточной зоне, к сожалению, не удается описать простыми аналитическими выражениями, как это имеет место для ближней и дальней зон ЗС, что вынуждает исследователей применять численные методы анализа.
Именно по этой причине в ЗС принята нормировка переходных характеристик в кажущееся сопротивление на основе асимптотических выражений для ближней зоны зондирований. Несмотря на простоту и устойчивость такой нормировки, у нее есть существенный недостаток - форма кривых кажущегося сопротивления для одинаковых моделей среды зависит от размера антенны. Для инверсии данных ЗС в классе горизонтально слоистых моделей среды, это,
конечно же, не имеет значения, поскольку прямая задача решается с учетом реального размера антенны. Однако этот свойство кривых кажущегося сопротивления p(t), рассчитанных по формулам ближней зоны ЗС, не позволяет эффективно использовать трансформации p(t)-» p(h), которые по своей природе должны характеризовать исследуемую среду вне зависимости от конфигурации применяемой установки зондирований.
В работе предложен и реализован иной способ нормировки переходных характеристик, базирующийся на «полной» формуле ЗС над однородным полупространством, которая справедлива при любых параметрах t/цстЬ2. В совмещенных круглых антеннах радиуса R сигнал становления E(t) можно выразить в виде
E(t)/J = ^j—F(t/r) Т = //crR2 (1)
00
F(t/r) = (t/T)ju2a(t,u)jf(u)du (la)
о
- и V г
аМ = [е - еф и) ] (2)
и л! лит
Нетрудно заметить, что функция ^ЕфЛ из (1) зависит только от известного размера установки Я и нормированного времени \1х. Если теперь экспериментально зарегистрированные характеристики поля ЕэксфЛ умножить на ^цяЯ, то разрешая нелинейное уравнение
* - = (3)
/ллК 1
относительно переменной т=цст Я2 для каждого времени X можно найти значение проводимости ст или сопротивления р=1/а. Функция Р(1/т) (1а), описывающая поведение поля над однородным полупространством в любой стадии становления, может быть легко вычислена и табулирована. Уравнение (3) устойчиво разрешается в интервале 0.2< Х1\уа Я2. На ранних стадиях становления, соответствующих дальней зоне Мца И2« 0.2, сигнал в совмещенных антеннах не зависит от сопротивления среды Р(1/т)-»1/(2я) и проводимость ст не может быть найдена из (3). На поздних стадиях ЗС при \J\xa Я2>3 найденная из (3) проводимость а совпадает с величиной, которая может быть получена при традиционной нормировке по формулам ближней зоны становления.
На рис.1 приведен пример нормировки переходных процессов, соответствующих трехслойной модели среды, по формуле
ближней зоны (А) и из уравнения (3) - (Б).
Рис 1. Кажущиеся сопротивления ЗС над трехслойной моделью среды для совмещенных антенн разного размера. А- нормировка ближней зоны, Б- нормировка по «полной» формуле (1-3).
Кривые сопротивления на (А) совпадают лишь на временах 1>500 мкс, в то время, как на (Б) они отличаются не более, чем на 10% всюду при 1> 4 мкс.
Трансформации переходных характеристик поля
Трансформациями переходных характеристик в ЗС называют процедуру вычислений зависимостей кажущегося сопротивления от кажущейся глубины исследования на основе либо переходных характеристик Е(1), либо кривых кажущегося сопротивления р(1:). Иногда в качестве трансформаций используют зависимость продольной проводимости Б от глубины
исследований (8Т.- трансформация)
Цель различного рода трансформаций - получение приближенной картины строения исследуемой геологической среды и оценки ее основных параметров. Иногда геоэлектрический разрез, построенный по трансформациям, называют «псевдоразрезом» или электромагнитным образом исследуемой среды. Достоинством всех известных и широко используемых в ЗС трансформаций является простота и оперативность вычислений. Обычно для построения трансформаций не требуется какая-либо априорная информация об изучаемой среде (например, предположение о горизонтальной однородности).
Напротив, электромагнитные образы сред, построенные по трансформациям, в совокупности с геологическими данными служат априорной информацией для начала более детальной интерпретации данных на основе инверсий, аналитических продолжений полей и т.д.
Разработанная в диссертации трансформация относится к дифференциальному типу и базируется на особенностях поведения переходных характеристик поля и его временных производных на каждом времени t в каждой, отдельно взятой точке зондирований. Электромагнитный 2D или 3D образ изучаемой среды строится в виде томографической картинки, состоящей из фрагментов, полученных на основе трансформаций в каждой точке зондирований по профилю и площади исследований.
Использование временных производных от экспериментально зарегистрированных переходных характеристик 3С существенно увеличивает разрешающую способность трансформаций, однако снижает устойчивость вычислений. Для получения оптимального результата в трансформациях • необходимо учитывать информацию об универсальных аналитических свойствах переходных характеристик поля ЗС и информацию о шумах и 1 погрешностях измерений, искажающих экспериментальные данных. Первым этапом построения трансформаций является этап сглаживания и "вычислений временных производных сигналов становления. В основе этой процедуры лежит идея, сформулированная Б.С.Световым и П. О. Барсуковым. В предположении о том, что сигналы ЗС подчиняются диффузионному уравнению, можно утверждать, что переходные характеристики представимы в виде суперпозиции экспоненциально затухающих во времени элементарных процессов: 00
ДО = \E(s)e-stds (4)
о
Действительная функция F(s) от действительной, положительной частоты s называется экспоненциальным спектром процесса f(t).
В.П.Губатенко и др. исследователями показано, что в совмещенных приемно-излучающих антеннах в средах с частотно независимой проводимостью экспоненциальный спектр положителен E(s)X), а все производные сигнала f(t) являются функциями с «совершенной монотонностью», т.е.
= (-1)" [sHE{s)e~stds (-1)" ^>0 п>0 и t>0 (5) dt" j dt"
Проблема сглаживания переходных характеристик ЗС сводится к решению задачи на минимум функционала невязки О:
\\u(t)-m\\ (6)
где U(t) - исходные переходные характеристики поля, измеренные с погрешностью ±A(t), f(t)- синтезированная переходная характеристика из (4), || • || - среднеквадратическая норма, учитывающая погрешности измерений A(t) на каждом времени t. Поиск минимума П (6) в предположении, что E(s)>0, приводит к вычислению экспоненциального спектра E(s), причем если в среде нет частотной зависимости проводимости, то одновременно выполняется условие невязки: | U(t) - f(t) | < A(t) для каждого времени t. Далее во всех операциях, необходимых для получения трансформаций, используется синтезированная переходная характеристика f(t) и ее временные производные, полученные на основе E(s) (например (5)). Отметим, что сколь бы не были велики ошибки в вычисленных спектрах E(s) (вариационная задача (6) весьма неустойчива), синтезированная переходная характеристика f(t) и все ее производные всегда остаются гладкими функциями времени. На втором этапе построения трансформаций по синтезированным характеристикам f(t) вычисляются зависимости кажущего сопротивления от времени p^t) на основе уже описанного ранее алгоритма (3). Третий этап вычислений связан с увеличением разрешающей способности трансформаций и вычислением кажущейся глубины исследований. Заметим, что на этом этапе, где используются временные производные кажущегося сопротивления, принципиально важно, чтобы исходные кривые p^t) не содержали искажений (или содержали их по минимуму), связанных с влиянием размера установки зондирований.
Кажущееся сопротивление pK(t) трансформируется в ph(t) на основе простой идеи, плодотворно используемой в методе МТЗ: ph(t)= p,c(t)*k(t), где
J_ älapk(t)
(l-v)3/2 In/
Сопротивление ph(t) возрастает, если растет логарифмическая производная v>0 и уменьшается, если v<0.
Кажущаяся или эффективная глубина hk исследований для каждого времени t определяется как
К = ^ р € [pkph] ц = 4Я-10-7 Гн/м
Параметр ß имеет размерность Ом*м, регулирует разрешающую способность трансформаций и выбирается между значениями величин p^t) и ph(t). Для среднего уровня погрешностей в исходных данных Aß« (pK*ph)1/2 « рк k(t)1/2.
| v| <i
На четвертом этапе на трансформированных кривых рь(Ьк) определяются области (точки) в которых имеются экстремумы скорости изменения ри(Ьк) т.е. <32рь(Ьк)/<1Ьк2 = 0. На основе моделирования процессов ЗС в слоистых средах установлено, что границы слоев локализуются в окрестностях именно этих точек и по ним можно с приемлемой погрешностью оценить мощности слоев и их количество. Эти оценки необходимы для определения стартовой модели разреза, которая используется в качестве начального приближения при Ш инверсиях.
На рис.2 представлены трансформации процессов ЗС и слоистые модели, которые им соответствуют. Модельные расчеты выполнены для совмещенных приемно-генераторных антенн размером 25x25 м*м. Горизонтальными маркерами обозначены кажущиеся глубины (Ь=Ьк), соответствующие условию (12рь(Ь)/сШ2 = 0.
01кл-ш Ойпмп
Рис. 2 Трансформации переходных характеристик ЗС в р(Ь) и соответствующие им слоистые модели среды. Горизонтальная ось- сопротивление, вертикальная - глубина.
В горизонтально слоистых средах трансформации E(t) -» p(t)—» p(h) используются, как правило, только для определения стартовых моделей для 1D инверсий.
Следует заметить, что в средах с частотной зависимостью проводимости сглаживание методом экспоненциальных спектров при условии положительности F(s) из (4) не приводит к желаемому результату и условие невязки | U(t)-f(t) | < A(t) не выполняется для всех времен t. Для эффективного сглаживания в этом случае ограничения на знак E(s) не накладываются.
С другой стороны, большие погрешности при сглаживании E(t) с ограничением на знак экспоненциальных спектров говорит о том, что исследователь имеет дело с частотно дисперсной средой и должен применять соответствующие алгоритмы для интерпретации экспериментальных данных.
Напомним, что любые неоднородности исследуемой среды в отсутствии частотной дисперсии проводимости при ЗС с совмещенными антеннами не могут нарушить условие E(s)>0.
Зондирования горизонтально неоднородных сред
Для оценки эффективности ЗС с совмещенными антеннами и алгоритмов 1D инверсий и трансформаций было проведено физическое моделирование процессов становления над различными моделями геологических структур. Для моделирования использовались алюминиевые пластины и пленки. Диапазон измерений переходных характеристик от 4 мкс до 4000 мкс. В качестве антенны использовалась 20-витковая катушка размером 10x10 см*см. Коэффициент пересчета модельных результатов в «натурные» к=400 для линейных размеров и 1/400 для продольных проводимостей.
Экспериментально полученные на пленочных моделях переходные характеристики обрабатывались точно так же, как и обычные полевые данные, т.е. последовательно использовались процедуры, соответствующие ранее описанным этапам трансформаций.
На рис.3 приведены результаты 1D инверсий (А) и пленочная модель (Б). Как видно, значимые отклонения результатов 1D иинверсий и трансформаций наблюдаются лишь вблизи вертикальных неоднородностей. Субвертикальная пластина, имитирующая разломную зону, локализуется с достаточно большими погрешностями, тем не менее, возможна оценка ее наклона и глубины залегания. Заметим, что в краевых частях модели имитирован рельеф дневной поверхности с уклоном 15-20% и плоскость антенны совпадает с этой поверхностью (как это и происходит на практике). Однако даже в этих весьма неблагоприятных условиях зондирований оценки глубины залегания пластин оказываются близкими к истинным.
Рис.3 Результаты Ш инверсии (А) и пленочная модель (Б).
Размер совмещенной антенны 40x40 м*м (два пикета на профиле). Пикеты соответствуют центру антенны.
На рис.4 показан электромагнитный образ, полученный на основе трансформаций Еф -> р(0-> р(Ь), и пленочная модель разреза.
г 200
иоо
100 160 200 260 300 Э60 400 460 600 560 000 «ПН1 ПМапев, т
Рис 4. Электромагнитный образ, полученный на основе трансформаций.
Тестирование разработанной системы трансформаций и одномерных инверсий на пленочных моделях показало, что при использовании совмещенных приемно-излучающих антенн получаемые электромагнитные образы качественно правильно отражают строение исследуемых структур. Даже в сложно построенных моделях с резкими вертикальными и наклонными проводящими неоднородностями удается количественно оценить параметры моделей с приемлемой точностью. Значимые искажения в результатах Ш инверсий или трансформаций появляются лишь тогда, когда центр совмещенной антенны ЬхЬ располагается на расстояниях ближе, чем 1.5Ь от горизонтальной неоднородности. Если расстояние оказывается больше, результат инверсии оказывается неискаженным. Наилучшие результаты в резко неоднородных средах достигаются при совмещении электромагнитных образов, полученных по трансформациям и на основе Ш инверсий.
Зондирования сред с частотной зависимостью электрических свойств
Как показывают экспериментальные исследования, частотная дисперсия электропроводности горных пород существенно искажает результаты ЗС.
Даже незначительные отношения проводимостей на высоких а« и низких сто частотах (ст^/сто ~l.05-r-l.10) в приповерхностных отложениях приводят к появлению т.н. «отрицательных аномалий ЗС». Индуцированные в горных породах токи изменяют свое направление и создают вторичное магнитное поле, направленное навстречу породившему его первичному магнитному полю. Регистрируемая в приемной антенне э.д.с., также изменяет свой знак, и переходные характеристики становятся отрицательными. Интерпретационные алгоритмы, основанные на квазистационарной теории взаимодействия э-м полей с проводящей средой, перестают работать и метод ЗС теряет свою эффективность. Понятно, что для преодоления этой проблемы необходимо «модернизировать» квазистационарную теорию и рассматривать процессы взаимодействия полей со средой с учетом токов смещения. Для горизонтально слоистых сред такое «обновление» не представляет проблемы: в известных аналитических формулах частотно независимая проводимость заменяется на дисперсную комплексную функцию ст—> ст(1со)=ст'(®)+ и затем производится интегрирование по пространственным и временным гармоникам для получения переходных характеристик ЗС. Экспериментально полученные на образцах горных пород зависимости ст(1<в) обычно аппроксимируются простыми функциями, содержащими несколько параметров. Чаще всего используются формулы (дисперсионные модели) Дебая, Кола-Кола, Девидсона. Все они содержат такие параметры как поляризуемость г|=1- а0/ат и постоянную времени релаксации т. Самая простая и физически «прозрачная»
дисперсионная зависимость была получена Дебаем
-) Л = 1-
р = 10)
(?)
1 + рт а^
Модель Кола-Кола, которая чаще всего используется для описания дисперсии в частотной области, можно представить в виде суперпозиции элементарных процессов Дебая:
О(Р) = 1 П =1 "rF(s)ds 1 + (Р*У о P + s
F(s) =
1
($г)с sin(^c)
п [1 + (sr)c cos(^c)] + [(5Г)С sin(^)]
(7а)
Функцию F(s) иногда называют спектром (распределением) Фарадея (рис. 5). 1.ЕН»
1.Е-04
0.0001 0.001 0.01
100 1000 10000
«X
Рис 5. Функция распределения Фарадея Е(в) для различных «с» (7а).
При с<1 спектры Фарадея для модели Кола-Кола равномерны в широком диапазоне вт и определение какой-либо «характерной постоянной времени» теряет смысл.
Как показывают экспериментальные исследования дисперсионных процессов в ЗС, весьма удобной аппроксимационной конструкцией может служить формула, содержащая несколько (К) элементарных дебаевских процессов
О(Р)
N
I&P+1/г*
Таким образом, каждый слой Ш модели характеризуется как мощностью Ь и сопротивлением р=1/сто, так и дисперсионными характеристиками г|ь г|2,- и Т1Д2,... Обычно количество дисперсионных параметров в (8) N<5.
Б.С. Световым и др. исследователями показано, что обратная задача в классе горизонтально слоистых моделей с дисперсией электропроводности в общем случае не имеет единственного решения. Однако если на основе какой-либо априорной информации локализовать в пространстве поляризующийся слой, обратная задача решается единственным образом, хотя и в рамках эквивалентных моделей (в классической постановке обратной задачи без учета частотной дисперсии проводимости эквивалентность также присутствует).
Экспериментально установлено, что в подавляющем большинстве случаев поляризационный эффект индуцируется в приповерхностных хорошо проводящих отложениях (глины, суглинки). Этот факт легко экспериментально проверяется на основе сравнений переходных характеристик в антеннах разных размеров или в антеннах, приподнятых над поверхностью земли. Полагая, что только верхний (или ближайший к поверхности) проводящий слой обладает частотно дисперсионными свойствами, можно осуществить инверсию экспериментальных данных и найти не только мощности и сопротивления слоев, но и параметры дисперсии - поляризуемости г| и постоянные времени т. Инверсионный алгоритм незначительно отличается от традиционных алгоритмов Ш инверсий в классе горизонтально слоистых сред. Особенность заключается лишь в том, что для сужения пространства эквивалентных решений дисперсионный алгоритм минимизирует значения поляризуемости т]. Без этого условия модели с низкими значениями г] (стоо/ст0~ 1.02-1.05) в приповерхностных толщах и модели с огромными значениями поляризуемости (ста/сто > 10) в глубоко залегающих слоях (~ 100-300 м) могут оказаться эквивалентными, т.е. их переходные характеристики могут отличаться лишь в пределах интервалов погрешностей измерений. На рис. 6 приведены кажущиеся сопротивления Рк(0 для горизонтально слоистой модели с дисперсией сопротивления в верхнем и глубинном слоях.
1000
время (мкс)
Рис. 6 ркО) для моделей с дисперсией Дебая (7), г| = 1-ст</с7<
Как видно различия в кривых РкО), осложненных дисперсией в поверхностном и глубинном слоях, не велики (40% при 1=200 мкс), хотя поляризуемость г| глубинного слоя (-100 м от поверхности) в 50 раз выше, чем поверхностного. Однако, весьма малые дисперсии в поверхностном слое мощностью всего лишь 2 м и т]=0.5% существенно изменяют форму переходного процесса, хотя и не приводят к инверсии знака.
В качестве примера на рис 7 представлена карта распределения поляризуемости ц, полученная на основе Ш инверсий данных площадных зондирований в районе распространения мерзлых пород. Области с повышенными значениями поляризуемости у\>2% локализуют зоны оттаивания мерзлых пород (талики), что подтверждено скважинными исследованиями. Наблюдается корреляция между величиной поляризуемости и постоянной времени релаксации: чем выше т|, тем больше значения т.
В правой части рисунка показаны кажущиеся сопротивления, полученные в зонах с повышенными и низкими значениями поляризуемости.
втв, (18
Рис.7 Распределение поляризуемости т] (%) в приповерхностных глинистых отложениях мощностью Ь=5-25 м и сопротивлением р =30-80 Ом«м, постоянная времени релаксации т= 10-20 мкс, модель Дебая (7). Зондирования с совмещенными антеннами 50x50 м*м.
Отметим, что инверсия данных ЗС, полученных в поляризующихся средах, дает однозначные и устойчивые результаты только при использовании совмещенных антенн ЗС, в которых инверсия знака регистрируемого сигнала и всех временных производных возможна лишь вследствие частотной дисперсии электропроводности исследуемой среды.
В разнесенных же установках ЗС инверсия знака сигнала или его производных возможно из-за неоднородности среды, что приводит к неоднозначности и неустойчивости результатов инверсии
По мнению автора, физическая природа возникновения дисперсионных эффектов в ЗС с постоянными времени релаксации из микросекундного диапазона не связана с электрохимическими и электроосмотическими явлениями (в отличие от классического метода ВП). Заметное возрастание комплексной проводимости некоторых горных пород связано с аномально большими значениями диэлектрической проницаемости
103 -5-10 на низких частотах (f < 1Гц) и медленным убыванием б/бо до значений 3-10 при f ~ 0.1-И МГц. Уменьшение значений £ с частотой поля и появление квадратурной (мнимой) части диэлектрической проницаемости глубоко изучены в теории несовершенных диэлектриков (т.н. нормальная дисперсия б).
При сопоставлении результатов измерений поляризуемости гальваническим (метод ВП) и индукционным (ЗС) методами необходимо учитывать тот факт, что регистрируемые импульсные отклики поляризующейся среды p(t) или <r(t) принципиально различны. В диссертации теоретически и экспериментально показана возможность вычислений сравнительных оценок частотной дисперсии сред на основе характеристик ЗС и вторых временных производных от переходных характеристик метода ВП.
Полученные автором экспериментальные оценки дисперсии б для глинистых и известковых пород на основе ЗС хорошо согласуются с опубликованными результатами исследований s в частотном и временном диапазонах на образцах и естественном залегании горных пород.
В работе также приводится ряд экспериментальных результатов, свидетельствующих об аномальном поведении комплексной электропроводности некоторых горных пород: убывании сг(оо) с увеличением частоты электромагнитного поля, т.е. ст0> ст» в диапазоне частот 0.1-100 Кгц.
Такая дисперсия электропроводности также приводит к инверсии знака переходного процесса ЗС. Однако на временах, больше, чем постоянная релаксации дисперсионных процессов, переходные характеристики ЗС аномально возрастают.
В некоторых геологических условиях «аномальная» дисперсия электропроводности приводит к возникновению резонансных явлений -регистрируемые переходные характеристики многократно меняют знак, осциллируя с частотой 10-100 Кгц. Частота осцилляций не зависит от размера и конфигурации антенной установки ЗС и определяется исключительно свойствами горных пород. Подобные явления часто возникают в разломных зонах и служат хорошим поисковым признаком при геоэлектрических исследованиях сложных геологических структур.
Антенный поляризационный эффект
Описанные ранее эффекты вызванной поляризации в ЗС связаны с протеканием индукционных токов в геологических средах с частотной зависимостью электрических свойств. Однако это не единственный физический механизм, вызывающий искажения переходных характеристик поля ЗС в частотно дисперсных средах.
Экспериментально замечено, что регистрируемые переходные процессы в совмещенных установках зависят от распределенного сопротивления и емкости проводов, из которых изготовлена антенна. В поляризующихся средах наблюдаются «отрицательные аномалии ЗС» (т.н. «отрицательные хвосты»), аномально медленно затухающие во времени (Еф - 1Л) и регистрируемые вплоть до первых сотен миллисекунд. Теоретически можно показать, что столь медленный спад переходных процессов в совмещенных индукционных антеннах не может бьггь вызван ни особенностями структуры исследуемого геоэлектрического разреза, ни какой-либо особой частотной зависимостью электропроводности или диэлектрической проницаемости горных пород.
Для объяснения этого феномена была проанализирована математическая модель приемно-излучающей антенны с распределенными электрическими параметрами, лежащей на поверхности среды с частотно дисперсной диэлектрической проницаемостью. Эквивалентная электрическая схема приведена на рис 8.
Рис.8 Эквивалентная электрическая схема антенны на поверхности поляризующейся среды.
Предположим, что частотная зависимость диэлектрической проницаемости приповерхностных отложений описывается моделью Девидсона:
у к/ . srO Er<0 ■ _ .
еф)/е0=еГХ)+7р-у р = ш е0 =-— Ф/м
(1 + рт ) ЪЬл
где Eri> и Groo- относительные диэлектрические проницаемости на низких и высоких частотах, т- постоянная времени релаксации, v- т.н. логарифмическая скорость релаксации. Напряжение на терминалах совмещенной антенны U(t) после выключения постоянного тока I на временах, превышающих длительность индукционных процессов становления, описывается формулой
U(í) _ 4R2 C(0)-C(ao)e-t/T т 1-у I ~ тсг т T(v) V
где Г(у) - Гамма-функция Эйлера (Г(у)>0 при 0< v <1), R- суммарное сопротивление проводов антенны, С(0), С(оо) - емкость проводов антенны на низких и высоких частотах (емкость измеряется при разрыве антенны посредине периметра). Полярность сигнала всегда совпадает с напряжением Uo= IR, которое было на терминалах антенны до выключения тока I (переходная характеристика ЗС всегда имеет обратную полярность !). Как следует из (9) процесс U(t), названный антенным поляризационным эффектом (АПЭ), пропорционален квадрату сопротивления и емкости проводов антенны. Многочисленные измерения частотной зависимости диэлектрической проницаемости на образцах горных пород дают оценку параметра v в пределах v= 0.2-0.5, а постоянная времени релаксации т для глинистых пород лежит в пределах 10-100 мс. Таким образом, в диапазоне времен ЗС t ~ 0.1 - 5 мс скорость спада АПЭ крайне медленная U(t)~ 1/t0'7.
Формула (9) может быть получена и для дисперсионной модели Кола-Кола
[В/А] (10)
/я- г Г(-у) *
Полевые эксперименты полностью подтвердили гипотезу о физическом механизме проявления антенного поляризационного эффекта.
На рис.9 представлены результаты измерений с фиксированными совмещенными антеннами, подтверждающие справедливость (9) и (10).
[В/А] (9)
Рис 9. Антенный поляризационный эффект в совмещенных приемно-
излучающих антеннах: А - емкость проводов антенны изменяется в зависимости от влажности воздуха, Б - провода имеют различное сопротивление.
На рис. 10 изображена схема, поясняющая возникновение и проявление антенного поляризационного эффекта
Токи индукции
¿Х---^
Генератор тока
Ток!,,
I Напряжение на входе
Индукционное ЗС
Рис 10. Совмещенная приемно-излучающая антенна с сопротивление проводов Я и частотно зависимой емкостью С(1со).
Падение напряжения на каждом участке проводов антенны ТИдв заряжает емкость СО'оэ), а после выключения 10 создают на терминалах антенны напряжение, совпадающее по знаку с 11о=1(Д.- Направление же индукционных токов совпадает с -<11о/Л (пунктирная окружность).
Как показали эксперименты, АПЭ регистрируется не только в совмещенных антеннах. В установках «петля в петле», «петля-датчик» АПЭ также интенсивно проявляется, причем в зависимости от неоднородностей приповерхностного слоя пород и конфигурации приемно-излучающей антенной системы, знак АПЭ может изменяться и совпадать с индукционным процессом ЗС. Этот факт доказан экспериментально на основе искусственного создания неоднородностей распределенной емкости антенны - заглубления сегментов антенн в приповерхностные поляризующиеся породы.
Таким образом, распределенные частотно зависимые параметры реальных антенн создают даже в горизонтально однородных средах электрические поля, распределение которых резко отличается от круговой симметрии индукционных процессов ЗС. Эти поля регистрируются в виде антенного поляризационного эффекта. Постоянные времени и скорость релаксации АПЭ определяются дисперсионными параметрами среды и, как правило, АПЭ затухает значительно медленнее, чем индукционные процессы ЗС. АПЭ, по-видимому, может являться причиной многих необъяснимых до сих пор несоответствий в интерпретации данных ЗС и результатов, полученных другими методами геофизики.
Частотная дисперсия электрических свойств среды проявляется в индуктивных ЗС как в виде индукционно вызванной поляризации, так и в виде антенного поляризационного эффекта - АПЭ. В совмещенных установках ЗС оба процесса изменяют знак переходных характеристик или их первых производных. Индукционные ВП процессы пропорциональны току в излучающей антенне и не зависят от емкости и сопротивления проводов. АПЭ зависит от емкости проводов и при фиксированном токе пропорционален квадрату сопротивления проводов антенны. Как правило, релаксация АПЭ медленнее, чем 1Л, в то время как индукционные ВП убывают быстрее 1Л2.
Суперпарамагнитная релаксация (БРМ эффект)
В теории ЗС магнитные свойства исследуемых сред обычно не учитываются, полагая, что ц среды слабо отличается от |До= 4л 10"7 Г/м. Однако сначала австралийские, а затем и российские исследователи показали, что частотная дисперсия магнитной восприимчивости горных пород может существенно искажать измеряемые переходные характеристики и результаты интерпретации, полученные без учета этих явлений.
Частотная дисперсия магнитной восприимчивости или суперпарамагнитный эффект (8РМ) впервые был исследован Л.Неелем более 50 лет назад. Было установлено, что магнитный момент одинаковых субдоменных ферромагнитных частицы под воздействием температурных флюктуаций релаксирует после выключения намагничивающего поля по экспоненциальному закону 1(1)=10ехр(-1/т). Постоянная релаксации т экспоненциально зависит от константы магнитной анизотропии кь объема частиц V и тепловой энергии кТ: т=т0*ехр(-к1У/4кТ), т0«Ю'9 сек. Если объем частиц мал и энергия анизотропии к[У сравнима с тепловой, постоянная времени т лежит в наносекундном диапазоне и магнитный момент 1(0 практически мгновенно исчезает после выключения намагничивающего поля. Для частиц с большим объемом постоянная релаксации т лежит в миллисекундном или секундном диапазоне (в диапазоне ЗС). Крупные частицы могут релаксировать в диапазоне часов, месяцев, десятилетий или тысячелетий (предмет изучения палеомагнитологов).
Как правило, в горной породе содержание магнитных минералов очень мало и ансамбль частиц разных размеров можно рассматривать как «магнитный газ», не учитывая взаимодействия соседних частиц. Интегрируя магнитные моменты частиц разных размеров по объему образца, можно показать, что результирующий момент релаксирует обратно пропорционально логарифму времени
МО ~ 1/1п(1).
В индуктивном методе ЗС измеряется э.д.с., пропорциональная производной магнитного поля по времени, и сигнал в измерительной рамке, помещенной в суперпарамагнитную среду, затухает во времени как
т~ (и)
Хзрм- стационарная суперпарамагнитная восприимчивость, |у|<< 1 - небольшой безразмерный параметр, зависящий от функции распределения концентрации частиц с разными размерами (при магнитных измерениях 1(0 v считается пренебрежимо малой величиной и, как правило, не учитывается). Магнитные поля, создаваемые суперпарамагнитным эффектом всегда совпадают по направлению с намагничивающим полем, а полярность э.д.с., наведенной в приемной антенне, совпадает с индукционным процессов ЗС.
Таким образом, суперпарамагнитный эффект создает в приемнике дополнительный медленно меняющийся процесс ~l/t, накладывающийся на переходные характеристики ЗС, которые релаксируют быстрее, чем ~l/t2. Формальная интерпретация данных ЗС, осложненных SPM эффектом, приводит к локализации хорошо проводящих слоев в глубоких горизонтах исследуемой среды. Обнаружение ошибок в интерпретации, обусловленных влиянием SPM эффекта, возможно лишь при сопоставлении измерений, выполненных с различными размерами или конфигурациями приемно-излучающих антенн.
Амплитуда SPM эффекта в ЗС пропорциональна коэффициенту взаимоиндукции приемной и излучающей антенн и максимальна для совмещенных установок. В коаксиальных установках влияние SPM в 3-5 раз меньше. Для однородного проводящего и суперпарамагнитного полупространства в совмещенных антеннах LxL индукционный процесс ЗС в ближней зоне (поздние времена) пропорционален ~ L4, в то время как SPM процесс ~ L. Чем больше размер антенны L - тем меньше относительное влияние суперпарамагнитных эффектов. Однако при детальных исследованиях с малыми антеннами SPM эффект может оказаться значительно интенсивней, чем индукционный процесс ЗС.
Полевые исследования в разных регионах мира показали, что, как правило, интенсивный SPM эффект продуцируют поверхностные глинистые отложения (слой почвы, глин и суглинков мощностью до 0.5-1 м). Максимальный SPM эффект наблюдался на терригенно-осадочных породах, образовавшихся на эффузивах (например, базальт) с большим содержанием магнитных минералов. Как правило, суперпарамагнитная восприимчивость таких отложений достигает значений %spm ~ 500-5000 Ю"6 ед. СИ. Результаты зондирований с совмещенными антеннами малых размеров ( 25x25 -100x100 м*м ) в таких ситуациях существенно искажены суперпарамагнитными эффектами. Аналогичная ситуация часто встречается в Австралии при исследовании геологических структур, перекрытых реголитами ( L.Buselli и T.Lee). Интенсивный SPM эффект был обнаружен при исследованиях эффузивных толщ в горном массиве Мариоко (Япония, GERD).
Для изучения SPM эффекта приповерхностных пород был создан специальный индукционный датчик, имеющий форму тора, в полость которого помещались образцы исследуемых пород.
Чувствительность датчика достаточна для исследований SPM характеристик в диапазоне времен от 20 мкс до 20-50 мс.
На рис 11 показаны результаты измерений SPM восприимчивости Xspm , полученные при исследовании образцов поверхностных суглинков на золото -серебреных рудопроявлениях в Хакасии.
Рис 11. Суперпарамагнитная восприимчивость %3рм (хЮ"6 ед СИ) образцов поверхностных отложений на золото-серебреных рудопроявлениях Хакасии. Широта и долгота карты в метрах.
Наиболее интенсивные БРМ аномалии локализуются вблизи ореолов оруденения. В Восточной части планшета аномалии совпадают с зонами повышенного содержания магнетита в эффузивных породах. Эти зоны были «отбракованы» на основании измерений обычной магнитной восприимчивости (X > 600x10"6 СИ), которая показывала повышенное содержание магнетита. В центральной же части площади исследований % не превышала 100*10"6 СИ. Таким образом, «рудные» аномалии были локализованы по максимумам соотношений суперпарамагнитной и магнитной восприимчивости трХвРм /%•
Измерения БРМ эффектов оказались весьма полезными при решении задачи поисков и оконтуривания арсенала ВМФ СССР в инкерманских штольнях (Севастополь). Штольни с арсеналом боеприпасов были взорваны в 1941г. при наступлении немцев на Севастополь. Своды штолен обрушались, завалив арсенал, который практически не пострадал от взрыва. Попытки локализовать металлические объекты, находящиеся на глубине от 15 до 25 м под поверхностью известкового массива высокоточными магнитными измерениями не увенчались успехом из-за интенсивной засоренности поверхности мелкими металлическими объектами. Измерения же БРМ эффектов с совмещенными антеннами 25x25 м*м решили поставленную задачу.
На рис.12 показаны результаты магнитных измерений (ДТ) и распределение суперпарамагнитного сигнала ЕЛ.
26050
26000
25950
25900
25850
25800
25750
25700
25650
2605&
26000-
25950
2590&
25850-
258Ofr
2575»
25700-
25650-
29600 29650 29700 29750 29800 29600 29650 29700 29750 29800
Рис.12 Карты аномального магнитного поля (ДТ) и суперпарамагнитного сигнала (ЕЯ) в совмещенных антеннах 25x25 м*м над погребенным арсеналом боеприпасов (Севастополь, Инкерман, 2000 г.) Широта и долгота карт в метрах.
Каминный суперпарамагнитный эффект
Как уже отмечалось, спад переходных характеристик БРМ эффектов в достаточно широком диапазоне времен описывается формулой (11), в которой присутствует небольшой по величине параметр v.
Экспериментально было замечено, что над некоторыми геологическими объектами, находящимися в зонах разломов, параметр V становиться отрицательным, и достигает величин v- -0.2, в то время, как вне
аномальных зон V»! 0.05 (при погрешностях оценки Ау « ±0.02). Аномальное замедление релаксации 5РМ эффектов носило локальный характер и регистрировалось строго над известными рудными объектами. Такой характер аномалий позволил назвать обнаруженный эффект «каминным» по аналогии со столбом дыма, поднимающимся из трубы камина и долгое время не теряющим форму вертикального столба. На рис.13 приведены результаты измерений магнитной, суперпарамагнитной восприимчивости и логарифмической скорости релаксации БРМ сигналов (1+у) из (11). Измерения выполнены на образцах поверхностных отложений, отобранных по профилю на россыпном месторождении золота (Челябинская обл, п. Светлый, 1994 г.).
«. 10000,
1
600 800 1000 1200 расстояние по профило, и
1800
40 м
Магматические породы кислого состава Д rw
¿разлом М
00
Рис. 13 Магнитная (k mag) и суперпарамагнитная (к Spm) восприимчивость, логарифмическая скорость релаксации SPM эффекта c=l+v из (11), измеренные на образцах поверхностных отложений.
На остальных профилях, секущих региональный разлом вне россыпи, распределения кМАс и к5рм не отличаются от приведенных на рисунке, а величина | у|< 0.1. Аномальное замедление скорости релаксации наблюдается только над контуром россыпи. Аналогичные результаты были получены над рудопроявлением никеля в Воронежской обл.(п. Елань-Колено), где рудные тела субвертикально залегают на глубине около 500 м в зоне регионального разлома и перекрыты мощной терригенной толщей осадков. Несмотря на достаточно большую глубину залегания, аномалии скорости релаксации БРМ локализуются строго над контурами рудных тел.
В настоящее время не существует ясных и непротиворечивых объяснений физической природы обнаруженного феномена - каминного суперпарамагнитного эффекта. Однако существует гипотеза, которая в какой-то мере проливает свет на природу эффекта и позволяет надеяться на получение более четких объяснений в будущем.
Согласно теории суперпарамагнетизма и расчетам, сделанным на ее основе, логарифмическая скорость релаксации 1+у (11) не зависит ни от общей концентрации магнитных минералов в породе, ни от типа минерала (магнетит, маггемит или гематит, например), а точнее от константы анизотропии к]. Единственная причина, которая может вызвать замедление или ускорение скорости релаксации, это изменение характера функции распределения частиц по их размерам. В аномальных зонах суперпарамагнитные частицы с эффективными радиусами г= 25-34 нм (именно эти частицы «ответственны» за БРМ эффект в диапазоне времен ЗС) распределены так, что частиц с большими размерами (34 нм) значительно больше, чем частиц с меленькими (25нм). Вне аномальных зон концентрация почти равномерна и скорость релаксации равна 1+у~1.
Таким образом, можно предположить, что в аномальных зонах изменяется функция распределения суперпарамагнитных частиц по их размерам, что приводит к аномальному замедлению скорости релаксации БРМ эффекта. Отметим, что сделанное заключение относиться только к весьма узкому интервалу размеров частиц, находящихся при данной температуре в суперпарамагнитном состоянии с постоянными времени релаксации порядка т « 0.1-1 с.
Отметим, что каминный БРМ- эффект наблюдается только в геологических ситуациях, включающих в себя два фактора: наличие разломов в земной коре и повышенной концентрация какого-либо элемента (минерала) в локальной области внутри разломной зоны. Причем в случае с россыпью (рис 11), по-видимому, аномальным следует считать не золото Аи, а другие элементы (Ая, Ъь, Сг, Со и т.д.) и минералы (магнетит, пирит, арсенопирит, пирротин и др.), содержание которых в россыпи намного больше, чем золота.
В основе гипотезы каминного БРМ лежат два известных факта.
1. В разломных зонах существуют вертикальные потоки геогаза. В состав геогаза входят частицы минералов и химических элементов, которые были захвачены из пород и руд, через которые диффундирует геогаз. Размер частиц находится в интервале 10-100 нм.
Поверхностные глинистые и суглинистые отложения (и почва), обладая хорошими сорбционными свойствами, накапливают частицы, привнесенные геогазом.
2. Из публикаций, посвященных БРМ релаксации, следует, что суперпарамагнитные частицы резко изменяют свои БРМ свойства в случае внедрения в их кристаллическую решетку даже ничтожно малого количества «инородных» элементов. Причем в этом случае изменяется не столько константа анизотропии - к,, сколько агрегатное состояние частиц.
Т.е. частицы с дефектами кристаллической решетки объединяются в более крупные агрегаты, но, по-прежнему, обладают суперпарамагнитными свойствами. Этот факт экспериментально доказан для искусственных ферритов с внедрением в их кристаллическую решетку таких элементов, как №, Со и Сг.
Основываясь на этих известных фактах можно предположить, что механизм образования каминного БРМ эффекта может быть следующим. Геогаз, выделяющийся из разломных зон, захватывает элементы, сконцентрированные в залежах полезных ископаемых, через которые он диффундирует.
Эти элементы адсорбируются поверхностными глинистыми отложениями и почвой.
В процессе химических реакций, происходящих при выветривании поверхностных отложений, привнесенные элементы внедряются в кристаллическую решетку магнитных минералов, всегда находящихся в почве (магнетит, маггемит или гематит).
Мелкие частицы магнитных минералов изменяют свои агрегатные состояния, что приводит к замедлению скорости релаксации БРМ эффектов.
Такой механизм, связанный с потоками (вертикальными !) геогаза, объясняет необычную форму аномалий каминного БРМ эффекта.
Отметим, что аномалии концентраций самого геогаза также можно назвать каминным эффектом, поскольку они также строго соответствуют проекциям разломных зон на дневную поверхность даже при мощностях перекрывающих разломные зоны отложений в сотни метров.
Суперпарамагнитные явления в ЗС можно рассматривать как помеху, снижающую эффективность зондирований (в частности, глубинность исследований, поскольку она искажает поздние времена переходных характеристик). Для устранения этой помехи необходимо применять антенные установки с минимальным коэффициентом взаимоиндукции между приемной и излучающей антеннами (разнесенные установки «петля-петля», смещенные петлевые установки). При ЗС в ближней зоне такие приемы позволяют практически полностью избавиться от 8РМ. Однако в промежуточной зоне ЗС применение разнесенных установок резко снижает эффективность интерпретации данных из-за влияния горизонтальных поверхностных неоднородностей исследуемой среды. При зондированиях с малыми антеннами (10x10 - 25x25 м*м) поверхностный БРМ эффект устраняется при подъеме проводов антенны над поверхность земли. Этот же способ позволяет оценить глубину до БРМ слоя, если он находится на 20-30 м под поверхностью. В работе приведен пример локализации зоны фильтрации грунтовых вод на Норильском рудном поле, основанной на сравнении амплитуд 8РМ эффектов в совмещенных антеннах 25x25 м*м, приподнятых над поверхностью и лежащих на поверхности земли. Глубины залегания слоя Ь~20 м, что подтверждено буровыми скважинами. Подъем антенн на высоту 1.5-2 м практически всегда возможен с мелкими антеннами. Эта операция практически не искажает результат интерпретации индукционных переходных характеристик ЗС и не создает дополнительных трудностей, связанных с горизонтальными поверхностными неоднородностями исследуемой среды. Такой же прием применяется и в случае поверхностной поляризации среды - индукционный ВП и антенный эффекты резко ослабляются.
С другой стороны БРМ эффект можно использовать для извлечения полезной информации о геологическом строении изучаемого региона, для поисков техногенных и археологических объектов, исследований загрязнения окружающей среды и т.д. Для этих целей наиболее подходящей является небольшая совмещенная приемно-излучающая антенна, выполненная либо в виде незаземленной петли, либо в виде соленоида, тора или спиральной плоской катушки для исследования поверхностных пород в естественном залегании.
Применение TEM-FAST технологии для решения геологических и геоинженерных задач.
В этом разделе представлены результаты применения разработанной технологии для решения разнообразных геологических, геотехнологических, гидрогеологических, инженерных и др. задач. Результаты получены автором диссертации при исследованиях ЗС в различных геологических регионах в период 1984-2003 г. Все измерения переходных характеристик ЗС выполнены аппаратурой TEM-FAST, в разработке которой автор принимал самое активное участие вместе Е.О.Хабенским и Э.Б.Файнбергом.
Технические характеристики TEM-FAST 48
Генератор
- время выключения токового импульса по уровню lOjiV, 1=1 А
LxL=25x25 м*м .................................................. не более 4 us
LxL=100xl00 м*м.................................................. не более 20 pis
- Амплитуда токовых импульсов (А) ................................до 4
Приемник
- Полоса частот (MHz)............................................... не менее 4
- Количество автоматически регистрируемых задержек ....... 48
- подавление промышленных помех 50/60 Hz (dB).....не менее 60
- Внутренний шум (цУ)....................................... не более 0.1
- Динамический диапазон (макс, /мин.) .................... 10V /0.1 цУ
- Измеряемые величины:
Э.Д.С./ток......................................................................... V/A
погрешности измерений .................................................. V/A, %
- Возможные типы измерительных установок:
однопетлевая с размерами антенн от 0.1 х 0.1 до 400 х 400 m2
«петля в петле» - размер генераторной петли не более 400x400 m2 оптимальная конфигурация - одна петля размером 25x25 - 100x100 m2
Время измерений (сек)................................................. 18 - 300
Энергопотребление
- Штатная внутренняя батарея ............................... 12V, 2 А*час
- Среднее потребление, I=1A (тА).............................. не более 350
Другие характеристики
Работа с IBM-совместимым PC OS DOS/Win95/98/ME/2000/XP Palm PC OS WinCE, Pocket PC (порт RS232)
Вес (кг)............................................................................... не более 1.5
Размеры (мм) ............................................................ 103x27x310
Температурный диапазон работы................................. -20 0 - +65 0 С
Степень защиты корпуса прибора .................................. IP65
Производительность исследований (точек/день).......... до 100
На рис.14 представлен геоэлектрический разрез, полученный на основе Ш инверсий данных зондирований структуры осадочных пород на Русской платформе.
Distance, m
Рис 14. Геоэлектрический разрез структуры палеодолины. Высоомный слой (светлые тона) маркирует песчаные и известковые отложения, низкоомные зоны соответствуют суглинкам и глинам.
Зондирования выполнены с совмещенной антенной 50x50 м*м. Неровности в рельефе выделяемых слоев обусловлены погрешностями инверсии данных ЗС и эквивалентностью геоэлектрических разрезов, содержащих тонкие проводящие и непроводящие слои. Результаты интерпретации ЗС подтверждаются данными бурения.
На рис.15 представлен электромагнитный образ кимберлитовой трубки, полученный на основе трансформаций переходных характеристик ЗС в зависимость кажущегося сопротивления от глубины Е(0 -» р0)-> р(Ь).
D 250 500 750 1000 1250 1500 0hm-m
Distance, m
Рис 15. Электромагнитный образ кимберлитовой трубки и ее контур по геологическим данным. ЗС с совмещенными приемно-излучающими антеннами 50x50 м*м.
Хотя геологические и геоэлектрические контура трубки и не совпадают, общая структура объекта и его форма выделяется с приемлемой для стадии поисково-оценочных геофизических работ точностью. Рис.16 иллюстрирует результаты ЗС исследований оползневых процессов в Крыму.
Distance, m
Рис 16. Электромагнитный образ оползневого процесса (трансформации процессов ЗС). Форос, Крым, 2000 г.
В результате весеннего паводка блок терригенных отложений сместился на 100 м и разрушил автомагистраль. Смещение происходило вдоль зоны разлома (ПК 300-400) в коренных породах, сложенных алевролитами и аргиллитами Таврической серии (низкоомные толщи, обозначенные темными тонами). На основе ЗС были определены глубины до кровли стабильных коренных пород, необходимые для проведения восстановительных мероприятий (установка стабилизирующих свай).
На рис.17 показан геоэлектрический разрез зоны суффозии - размыва слоя глин, экранирующих отложения известняка.
зона суффозии
Юрские глины
с
%
э 01
230 300 0Мпсв,ш
Рис.17 Электромагнитный образ зоны суффозии, построенный по трансформациям переходных характеристик ЗС.
Ohm-fn
Суффозионные процессы, представляющие реальную опасность для промышленных и гражданских сооружений, распространены в западной части г. Москвы
Зондирования выполнены с совмещенной антенной 25x25 м*м, суффозионные процессы выделяются на разрезе в виде локальных зон с повышенным сопротивлением. Неоднородности сопротивления в верхних частях разреза связаны с влиянием на переходные процессы ЗС различных коммуникаций, труб и зданий, расположенных на территории исследований. Этими же факторами можно объяснить и некоторые неровности рельефа юрских глин, которые залегают, как правило в пределах Московской области, ровным горизонтальным слоем мощностью 7-10 м. Гидрогеологическая скважина (ПК 0) вскрывает слой глин в интервале глубин 16-25м.
Рис.18 иллюстрируют результаты ЗС, полученные при исследованиях зоны фильтрации грунтовых вод во французских Альпах.
О 2« «00 760 1000 1250 Охтмп
Dietance, ni
Рис. 18 Электромагнитный образ зоны фильтрации грунтовых вод через водораздел между двумя накопительными озерами. (Французские Альпы 1996 г.)
Поток вод регистрируется станцией мониторинга естественных потенциалов (ЕП), расположенной на водоразделе двух накопительных озер. Конфигурация зоны трещиноватости, по которой происходит фильтрация, выделяется по данным ЗС. Измерения выполнены с совмещенными антеннами 50x50 м*м, разрез кажущихся сопротивлений построен по трансформациям переходных характеристик.
На рис.19 представлен геоэлектрический разрез плато Великих Египетских пирамид (Гиза, Каир), построенный на основе Ш инверсий данных ЗС.
Distance, m
Рис. 19 Геоэлектрический разрез «Сфинкс-п.Хефрена» (Гиза, Каир, Египет, 1994 г.)
Плато сложено известковыми породами и весьма низкими удельными сопротивлениями (-1-15 Ом»м по данным ВЭЗ и каротажа) из-за интенсивной засоленности поровых вод. Однако в Восточной части плато, ближе к пойме р. Нил имеется локальная зона с высокими сопротивлениями (>100 Ом»м). Эта зона отчетливо фиксируется при площадных исследованиях ЗС. Известно, что в центральной части плато имеются подземные галереи и катакомбы, простирающиеся до глубин 10-15 м от поверхности. Судя по результатам интерпретации данных зондирований, эти галереи могут простираться и на большие глубины, вплоть до 50м. Левая (западная) граница зоны повышенного сопротивления совпадает с региональным разломом (ПК 750). В зону трещиноватости разлома пробурена скважина, обеспечивающая туристический комплекс Гизы питьевой водой. Резкая граница разломной зоны с низким сопротивлением пород также фиксируется ЗС.
Происхождение выделенной ЗС аномалии, по мнению египетских специалистов, явно техногенного характера и не может быть объяснено естественными особенностями геологического строения плато пирамид Гизы.
В настоящее время египетские геофизики продолжают изучение строения плато методом ЗС и ВЭЗ.
Заключение
На основе результатов исследований, выполненных автором в процессе работы над диссертацией, создана импульсная электромагнитная система ТЕМ-РАБТ, включающая в себя:
аппаратуру для измерений переходных характеристик в микросекундном диапазоне- ТЕМ-РА8Т-48НРС;
методику полевых исследований с совмещенной приемно-излучающей антенной;
программное математическое обеспечение - ТЕМ-КЕБЕАКСНЕЯ, позволяющее интерпретировать результаты ЗС в промежуточной и ближней зонах параметров становления поля в горизонтально неоднородных геологических средах с частотной дисперсии электрических и магнитных свойств.
Математическое и физическое моделирование переходных процессов показало, что в промежуточной зоне параметров становления, где затухание импульсов электромагнитного поля определяется как скин-эффектом, так и геометрическим рассеянием, интерпретацию данных ЗС можно производить на основе одномерной инверсии или трансформации сигналов становления.
Трансформации сигналов ЗС в зависимости кажущего сопротивления от глубины исследования позволяют приближенно интерпретировать и визуализировать данные в сложно построенных средах.
На полевых и модельных данных показано, что погрешности, возникающие при использовании одномерных процедур интерпретации в горизонтально неоднородных средах, оказываются достаточно малыми и принципиально не искажают изучаемую геоэлектрическую структуру. Этот эффект достигается при исследованиях в промежуточной зоне становления с совмещенными приемно-излучающими антеннами. Существенные искажения в результатах Ш инверсии присутствуют лишь вблизи субвертикальных контрастных по проводимости ЗБ структур на расстояниях не более 1-1.5 стороны применяемой совмещенной антенны. На больших расстояниях от неоднородностей одномерная инверсия и трансформации переходных характеристик поля дают неискаженный результат.
Электромагнитный образ изучаемой среды строится в виде томографической картинки, состоящей из фрагментов, полученных на основе точечных одномерных инверсий или трансформаций данных ЗС по профилю и площади исследований.
Для сред с частотно зависимой электропроводностью также разработан аппарат одномерной инверсия данных с определением параметров дисперсии. Предусмотрена возможность построения достаточно сложных конструкций дисперсионных моделей среды, что позволяет исследовать поляризационные
явления в ЗС и сопоставлять их с результатами метода ВП и измерениями комплексного сопротивления образцов горных пород.
Обнаружен и подробно исследован антенный поляризационный эффект, возникающий в антеннах с распределенными емкостью и сопротивлением. Этот эффект инвертирует знак регистрируемого переходного процесса, а его амплитуда пропорциональна емкости и квадрату сопротивления проводов антенны.
Подробно исследован суперпарамагнитный эффект в горных породах, связанный с особенностями динамики намагничения нанометровых зерен магнитных минералов. Этот эффект проявляется в виде аномально медленного затухания сигналов ЗС. Установлено, что над некоторыми месторождениями руд, находящимися в разломных зонах, наблюдается аномальное замедление суперпарамагнитной релаксации - каминный суперпарамагнитный эффект.
На экспериментальных примерах показано эффективность использования суперпарамагнитного эффекта для поисков рудных месторождений.
Разработанная система ТЕМ-РАБТ позволяет в 3-5 раз повысить производительность малоглубинных (до ~ 300 м) исследований ЗС по сравнению с существующими отечественными и зарубежными технологическими аналогами. Кроме того ТЕМ-РАБТ позволяет использовать для зондирований совмещенные антенны малых размеров (до 10x10 м*м), что дает возможность проводить детальные исследования ограниченных площадей в пределах мегаполисов и промышленных объектов в пределах глубин от 1-2 до 20-30 м.
Сопоставление производительности и качественных характеристик ЗС исследований проводилось независимыми экспертами в процессе совместных испытаний ТЕМ-систем ведущих мировых компаний 2оп§е, Сеошс8 и аппаратуры ТЕМ-РАБТ 48НРС и ТЕМ-РАЗТ 32 на геофизическом полигоне Гарши (Франция, 2001 г).
Разработанная программа ТЕМ-КЕЗЕАЯСНЕЯ позволяет эффективно обрабатывать и интерпретировать промышленные объемы данных ЗС, а также проводить научные исследования «тонких» эффектов в переходных характеристиках поля в неоднородных и дисперсных средах.
Публикации по теме работы
1. Барсуков П.О. Патологически вырожденные процессы ЗС Школа-семинар «Индуктивная Электроразведка», п. Славское, 1989, с.37-38.
2. Барсуков П.О. Экспрессная модификация МПП (TEM-FAST) для поиска россыпей золота, гидрогеологических исследований и гражданского инжиниринга НТД-91 ЦНИГРИ, Москва, ЦНИГРИ, 1991, с.26-27.
3 Барсуков П.О., Файнберг Э.Б., Хабенский Е.О. TEM-FAST - импульсная электромагнитная технология исследования геологических сред Вопросы теории и практики геологической интерпретации гравитационных, магнитных и электрических полей. Москва,
ИОФЗ РАН, 27-31 январь 2002, с.20-21.
4 Барсуков П.О., Файнберг Э.Б., Хабенский Е.О. Применение метода переходных процессов (технология TEM-FAST) для решения задач малоглубинной геоэлектрики и исследований окружающей среды. Первая Всероссийская школа-семинар по электромагнитным зондированиям Земли. Москва, 10-15 ноября 2003 г. с. 142-151.
5 Барсуков П.О., Э.Б. Файнберг, Е.О.Хабенский
Инверсия ТЕМ данных в поляризующихся и суперпарамагнитных средах. Первая Всероссийская школа-семинар по электромагнитным зондированиям Земли. Москва, 10-15 ноября 2003 г, с.30.
6. Барсуков П.О., Э.Б. Файнберг, Е.О. Хабенский Антенный поляризационный эффект в ТЕМ.
Первая Всероссийская школа-семинар по электромагнитным зондированиям Земли. Москва, 10-15 ноября 2003 г. с.55.
7. Барсуков П.О., Светов Б.С. Определение экспоненциальных спектров квазистационарных переходных процессов из экспериментальных данных. Алгоритмы и программы решения прямых и обратных задач электромагнитной индукции в Земле. М., ИЗМИР АН, 1982 с. 11-30.
8. Барсуков П.О. Радиочастотные колебания электропроводности горных пород. Электромагнитные зондирования АН СССР, Звенигород, 1984, с. 65.
9. Барсуков П.О. Осцилляции переходных процессов становления поля. Изв. Вузов, Геология и Разведка, 1985, 8, с.124.
10. Барсуков П.О. Переходные характеристики электромагнитного поля в средах с частотной зависимостью электропроводности. Электромагнитная индукция в верхней части земной коры.
М., ИЗМИРАН, Наука 1990, с.150-152.
11. Барсуков П..О. Файнберг Э.Б. «Каминный» суперпарамагнитный эффект над залежами золота и никеля. Доклады РАН 1997, т.353, 6, с. 811-814.
12. Барсуков П..О. Файнберг Э.Б. Исследование окружающей среды методом переходных процессов с использованием ВП и СПМ эффектов
Изв. РАН, Физика Земли 2002,11, с. 82-85.
13. Барсуков П..О. Файнберг Э.Б., Хабенский Е.О. Антенный поляризационный эффект в импульсных электромагнитных зондированиях Изв. РАН, Физика Земли, 2003, 11, с. 81-87.
14. Светов Б.С., Барсуков П.О. Трансформация квазистационарных переходных процессов геоэлектрики в эквивалентные волновые. Изв АН СССР, Физика Земли, 1984, 8, с.29-37.
15. Светов Б.С., Барсуков П.О. "Об использовании представления эффектов становления поля в виде суперпозиции экспоненциально затухающих элементарных процессов". Сб. Измерение и обработка одиночных сигналов при геофизических исследованиях с импульсными источниками. АН СССР, Апатиты, 1979, с.52-60.
16. Barsukov P.O. Fainberg Е.В. Double IP-effect in Electromagnetic Transients The 14-th Workshop on EM Induction in the Earth., Sinaia, Rumania
1998. p. 97-98.
17. Barsukov P.O. Fainberg E.B. Electromagnetic Resonance in Transients? The 14-th Workshop on EM Induction in the Earth. Sinaia, Rumania. 1998, p. 102.
18. Barsukov P.O. Fainberg E.B.An Application of Modern TEM-Fast Technology of Environmental Investigation The 14-th Workshop on EM Induction in the Earth, Sinaia, 1998 Rumania, p.41-42
19. Barsukov P.O Fainberg E.B and Andrieux P Search of underground galleries in Vorontsov Palace-museum by ТЕМ. 1-st international workshop "Electric, Magnetic and EM methods applied to cultural heritage" Ostuni, Italy
1997, p. 80-81.
20. Barsukov P.O Fainberg E .B Superparamagnetic effect over gold and nickel deposits European Journal of Environmental and Engineering Geophysics No 6,2001, p. 61-72.
21. Barsukov P.O Fainberg E .В., Khabensky E.O. An application of magnetic and electromagnetic methods for environmental research. 8-th meeting "Environmental and Engineering Geophysics"
EEGS-ES 8-12 Sep 2002, Aveiro, Portugal., p.232-235.
22. Barsukov P.O, Hassaneen A.Gh.,.Svetov B.S, Osman S.Sh. Geoelectrical Study in Vicinity of Giza Pyramids, Egypt. 13-th Workshop on Electromagnetic Induction in the Earth. Japan, Jul 1996, p.131-133.
23. Barsukov P.O., Fainberg E .B. Innovative approach to EM research and monitoring of environment 1П International Workshop on Magnetic, Electric and ElectroMagnetic Methods in Seismology and Volcanology (MEEMSV-2002), Moscow, Sep. 3-5,2002, p.71-74.
Подписано в печать 21.04.2004. Формат 60x84/16. Печ. л. 2,75. Тираж 120 экз. Заказ 0421-8.
Издательство «Тровант» 142191, Троицк Московской обл., В-52. Тел. 334-09-67 ЛР№ 071961 от01.09.99.
Типография издательства «Тровант»
РНБ Русский фонд
2006-4 16827
Содержание диссертации, доктора физико-математических наук, Барсуков, Павел Олегович
Введение.
Современное состояние и проблемы ЗС.
Глава 1. Становление поля в горизонтально однородных средах.
1.1 Однородное полупространство.
1.2 Однородное пространство.
1.3 Круглая или квадратная антенна?.
1.4 Слоистые среды.
1.5 Эквивалентность моделей среды.
1.6 Кажущееся сопротивление: нормировки ближней и промежуточной зон.
Глава 2. Трансформации переходных характеристик поля.
2.1 Сглаживание данных ЗС методом экспоненциальных спектров.
2.2 Трансформация переходных процессов E(t) в зависимости ph(hk).
2.3 Трансформации, как стабилизатор 1D инверсионных процедур ЗС.
2.4 Полезные свойства трансформаций
Глава 3. Зондирования горизонтально неоднородных сред.
3.1 Квазиодномерные среды.
3.2 Кусочно-слоистые среды.
3.3 Обсуждение результатов.
Глава 4. Зондирования сред с частотной зависимостью электрических свойств.
4.1 Физико-математические модели частотной дисперсии электрических свойств горных пород.
4.2 Дисперсия электропроводности при индукционных и гальванических методах исследований.
4.3 Измерения комплексного сопротивления образцов горных пород в частотной области.
4.4 Математическое моделирование ЗС в дисперсионных слоистых средах
4.5 Проблема разделения поляризационных и индукционных процессов.
4.6 Одномерная инверсия ЗС данных с IP эффектами.
4.7 Патологии в переходных характеристиках ЗС
Глава 5. Антенный поляризационный эффект.
5.1 Асимптотическое поведение переходных характеристик в ближней зоне
5.2 Незаземленная петля, как система с распределенными параметрами
5.3 Распределенные емкость и индуктивность антенн.
5.4 Экспериментальное изучение Антенного
Поляризационного Эффекта.
5.5 Обсуждение результатов изучения АПЭ.
Глава 6. Суперпарамагнитная релаксация.
6.1 Импульсные характеристики суперпарамагнитных материалов.
6.2 Измерения SPM эффектов образцов горных пород.
6.3 Магнитные антенны в суперпармагнитных средах
6.4 Каминный суперпармагнитный эффект
6.5 Экспериментальные исследования SPM в золоторудных провинциях.
Глава 7. Применение TEM-FAST технологии для решения геологических и геоинженерных задач.
Технические характеристики TEM-FAST 48 НРС.
7.1 Геологическое картирование.
7.2 Исследования карстовых и суффозионных зон.
7.3 Исследования оползневых процессов.
7.4 Исследования кимберлитовых трубок.
7.5 Исследования техногенного загрязнения окружающей среды.
7.6 Гидрогеологические исследования.
7.7 Специальные исследования.
7.8 TEM-FAST, электрокаротаж и МТ зондирования.
Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Импульсные электромагнитные зондирования в микросекундном диапазоне"
Актуальность темы исследований
Импульсные электромагнитные зондирования - это один из популярных и широко используемых методов геоэлектрических исследований геологических структур и месторождений полезных ископаемых. В электроразведке метод обычно называют ЗС- зондирования становлением поля, МПП- метод переходных процессов (ТЕМ- Transient ElectroMagnetic или TDEM —Time Domain ElectroMagnetic)
Имеется несколько модификаций этого метода, различающихся конфигурацией и типом приемных и излучающих антенн. Однако во всех модификациях ЗС исследуется реакция геологической среды на возбуждение импульсами магнитного или электрического поля - т.н. переходные характеристики среды или процессы становления.
Различают зондирования становлением в дальней и ближней зонах - ЗС Д и ЗСБЗ (кратко ЗСБ). ЗСД — это исследования переходных характеристик в дальней зоне источника, т.е. на таких расстояниях г и временах t, на которых выполняется условие t/цсг г2 «1 (цист-магнитная проницаемость и проводимость среды). Напротив, в ЗСБ исследования проводят в ближней зоне источника, где t/fi<r г2»1.
ЗСД и ЗСБ имеют свои преимущества и недостатки по глубине и разрешающей способности исследований, в возможностях интерпретации, а также в технико-экономических показателях, таких как производительность и стоимость.
Как электроразведочный метод ЗС начался с работ С.М.Шейнмана и
A.Н.Тихонова около 60 лет назад. В дальнейшем Теория и эксперимент ЗС развивались в СССР усилиями ЛЛ. Ваньяна, В.И.Дмитриева, П.П.Фролова, О.А.Скугаревской, А.А.Кауфмана, Л.А.Табаровского,Ф.М. Каменецкого,
B.М.Тимофеева, Ю.В.Якубовского, В.А .Сидорова, В.В.Тикшаева,
А.Б. Великина, Ю.И. Булгакова, Г.А. Исаева, Б.И Рабиновича, П.П. Макагонова, И.А.Безрука, Г.Б.Ицковича, М.М.Голдмана, Ю.А.Нима и др.
За рубежом в развитии метода ЗС принимали участие J.Wait, B.Spies, T.Lee, G.West, L.Buselli, A.Hoerdt, M.Nabighian, R.Smith, P.Weidelt, K-M.Strack,
C.Stoyer и др. исследователи.
В настоящее время ЗС активно развивается в работах
A.К. Захаркина, М.И. Эпова. Г.М. Тригубовича, B.C. .Могилатова,
B.В. Филатова (Новосибирск), С.Н. Шерешевского, Я.Л. Литмановича,
А.А. Петрова (С-Петербург), В.П. Губатенко, В.П. Лепешкина, Б.В. Бучарского (Саратов), Э.Б.Файнберга и Е.О.Хабенского (Москва).
Проблемы, связанные с зондированиями в частотно дисперсных средах, исследовались А.Г.Тарховым, В.А Сидоровым, Б.С.Световым, В.В.Агеевым, П.Н. Александровым, В.В.Кормильцевым, А.Н.Мезенцевым, Г.В.Астаханцевым, Г.В.Улитиным, Г.В.Журавлевой, А.В.Куликовым, Е.А.Шемякиным, А.Ф.Постельниковым, Д.С.Даевым, Н.О.Кожевниковым, А.А.Рыжовым, А.М.Яхиным и др.
В России за последнее десятилетие создана целая серия современной аппаратуры для исследований становлением поля: ИМПУЛЬС, ЦИКЛ, СТРОБ, КОД. На мировом геофизическом рынке аппаратура ЗС представлена компаниями Geonics (Канада), Zonge(CIIIA), SIRO (Австралия) и АЕМЩГолландия).
Мировой рынок аппаратуры и программного обеспечения для ЗС существенно монополизирован. Главенствующие позиции занимают не более 57 компаний, поставляющих на рынок аппаратуру и программы. В то же время компаний, поставляющих инструменты и математическое обеспечение для исследований постоянным током, 43, георадарных исследований, насчитывается более полусотни.
Эта ситуация объясняется огромной разницей в уровне сложности аппаратуры для ЗС по сравнению с другими электроразведочными методами. Этот же вывод можно сделать и в отношении программного обеспечения для инверсий и интерпретации данных ЗС. Современные мировые тенденции развития метода ЗС это: расширение временного диапазона в область малых времен для решения инженерных, гидрогеологических и других задач в области малых и сверхмалых глубин; - разработка автоматизированных систем сбора и интерпретации данных (для снижения затрат на полный комплекс ЗС исследований); использование поляризационных явлений в ЗС как дополнительного источника геологической информации; разработка 3D инверсионных процедур и трансформаций данных ЗС для интерпретации площадных данных; совместная инверсия данных ЗС и МТЗ (АМТЗ) или ЗС и ВЭЗ (3D-DC) для получения геоэлектрической информации с максимально широкого диапазона глубин с высокой разрешающей способностью; В области исследований малых (до 300 м) и сверхмалых (1-5 м) глубин конкуренция на мировом рынке геофизических услуг весьма острая. Наибольшую конкуренцию ЗС создают: георадарные исследования, которые в благоприятных условиях обеспечивают глубинность исследований до 10-15 м при весьма высокой производительности, многоэлектродные системы 3D-DC (глубинность до 25-50 м), системы высочастотных 43 (глубинность 50-300 м), высокочастотная сейсморазведка, и, как это не покажется удивительным, малоглубинное скоростное бурение скважин (до 30-50 м) Стоимость этих исследований постоянно сокращается как за счет применения высоких технологий в аппаратном обеспечении, так и за счет современного математического обеспечения для сбора и интерпретации данных.
В последнее время в методе ЗС существуют возможности существенного увеличения производительности исследований с одновременным повышением их качественных характеристик. Практическая реализация этого потенциала сокращает стоимость полевых и камеральных исследований в 3-5 раз при повышении стоимости аппаратуры ЗС на 20-30 %.
Это и определяет актуальность темы диссертации. Объекты исследований
Физические и математические цроблемы, связанные с процессами диффузии импульсного электромагнитного поля в промежуточной зоне источников.
Электромагнитные процессы в геологических средах с частотно зависимыми электрическими и магнитными свойствами.
Физические процессы, протекающие в приемно-излучающих антеннах с распределенными параметрами. Цель исследований
Разработка современного комплекса импульсных электромагнитных зондирований, обеспечивающего высокопроизводительные исследования малых глубин в максимально широком диапазоне геологических и техногенных условий.
Задачи исследований
Теоретически и экспериментально изучить процессы распространения электромагнитных импульсов в неоднородных геоэлектрических средах и в средах с частотной дисперсией электрических и магнитных свойств. Найти, обосновать и создать эффективные алгоритмы для инверсии и интерпретации данных ЗС в таких средах. Опробовать созданные алгоритмы на экспериментальных данных, доказать их эффективность и надежность в различных геолого-геофизических условиях. Оценить возможные погрешности инверсии ЗС данных в неоднородных и дисперсных средах. Сформулировать ограничения применимости инверсионных процедур и стратегию поиска приближенных решений обратной задачи ЗС. Методы исследований
Экспериментальные (полевые и лабораторные) исследования переходных характеристик ЗС на образцах и in-situ в различных геологических регионах, математическое моделирование электромагнитных процессов в неоднородных и частотно дисперсных средах, физическое пленочное моделирование. Математическое решение обратных задач и приближенные методы интерпретации данных ЗС. Научная новизна
Разработан устойчивый алгоритм аппроксимации (сглаживания) данных ЗС, основанный на анализе экспоненциальных спектров диффузионных процессов становления.
Разработан алгоритм нормировки процессов ЗС в промежуточной зоне, существенно снижающий зависимость кажущегося сопротивления от размера и конфигурации приемно-излучающей системы антенн.
- Разработана дифференциальная трансформация переходных характеристик ЗС промежуточной зоны в зависимость кажущего сопротивления от глубины исследования.
Разработан алгоритм решения црямых и обратных задач в горизонтально слоистых средах с произвольными моделями частотной дисперсии электропроводности, диэлектрической и магнитной проницаемости. Обнаружен и изучен антенный поляризационный эффект- АПЭ, проявляющийся в инверсии полярности и аномально медленном спаде электрических потенциалов в антеннах. Амплитуда АПЭ пропорциональна квадрату сопротивления проводов антенны и определяется частотной дисперсией диэлектрической проницаемости горных пород.
- Подробно изучено явление суперпарамагнитной релаксации субдоменных частиц магнитных минералов в горных породах. Обнаружен и изучен каминный суперпарамагнитный эффект, проявляющийся в виде аномального замедления скорости суперпарамагнитной релаксации магнитных частиц в приповерхностных породах над рудными месторождениями.
Практическая значимость
Разработанная система импульсных электромагнитных зондирований в микросекундном диапазоне (TEM-FAST) позволяет с высоким разрешением исследовать неоднородные геологические среды с частотно зависимыми электрическими и магнитными свойствами в диапазоне глубин ~ 300 м. Наибольшая геологическая и технико-экономическая эффективность системы достигается при использовании совмещенных приемно-излучающих антенн и работе в промежуточной зоне ЗС.
Система позволяет снизить затраты и увеличить производительность исследований в 3-5 раз по сравнению с существующими отечественными и мировыми технологическими аналогами Апробация и публикации
Разработанная система импульсных электромагнитных зондирований TEM-FAST используется двадцатью геофизическими компаниями в России, Туркменистане, Франции, Италии, Швейцарии, Голландии, Германии, Швеции, Дании, Никарагуа, Мадагаскаре, Реюньоне и Японии.
Основные принципы построения системы, результаты ее применения и новые физические эффекты, исследованные с ее помощью, доложены на российских и международных конференциях: 1 .«Патологически вырожденные процессы ЗС»
Школа-семинар «Индуктивная Электроразведка», п.Славское, 1989.
2. «Экспрессная модификация МПП (TEM-FAST) для поиска россыпей золота, гидрогеологических исследований и гражданского инжиниринга»
НТД-91 ЦНИГРИ, Москва, ЦНИГРИ, 1991
3. "Geoelectrical Study in Vicinity of Giza Pyramids, Egypt."
13-th Workshop on Electromagnetic Induction in the Earth. Japan, Jule 1996. "Search of underground galleries in Vorontsov Palace-museum by ТЕМ" 1-st international workshop "Electric, Magnetic and EM methods applied to cultural heritage" Ostuni, Italy 1997
4. "Double IP-effect in Electromagnetic Transients"
5. "Electromagnetic Resonance in Transients?"
The 14-th Workshop on EM Induction in the Earth., Sinaia, Rumania 1998.
6. "TEM-FAST - импульсная электромагнитная технология исследования геологических сред» Вопросы теории и практики геологической интерпретации гравитационных, магнитных и электрических полей. Москва, ИОФЗ РАН, 27-31 январь 2002.
7. "Innovative approach to ЕМ research and monitoring of environment"
III International Workshop on Magnetic, Electric and ElectroMagnetic Methods in Seismology and Volcanology (.MEEMSV-2002), Moscow, Sep. 3-5 2002
8. "An application of magnetic and electromagnetic methods for environmental research" 8-th meeting "Environmental and Engineering Geophysics" EEGS-ES 8-12 Sep 2002 Aveiro, Portugal.
9. «Применение метода переходных процессов (технология TEM-FAST) для решения задач малоглубинной геоэлектрики и исследований окружающей среды».
10. «Инверсия ТЕМ данных в поляризующихся и суперпарамагнитных средах».
11. «Антенный поляризационный эффект в ТЕМ».
Первая Всероссийская школа-семинар по электромагнитным зондированиям Земли. Москва, 10-15 ноября 2003 г
Всего по теме диссертации опубликовано более 20 статей, тезисов и научных сообщений, включая 10 печатных работ в рецензируемых изданиях.
Защищаемые положения
1. Импульсные электромагнитные зондирования геологических сред в микросекундном диапазоне охватывают область времен и расстояний, в которой затухание электромагнитного поля от излучающей антенны определяется в равной мере, как скин-эффектом, так и геометрическим рассеянием. В этой, промежуточной зоне ЗС, совмещенные приемно-излучающие антенны позволяют максимально ослабить влияние боковых неоднородностей и эффективно использовать для интерпретации экспериментальных данных алгоритмы одномерной инверсии и трансформации.
2. Разложение импульсных откликов неполяризующейся среды на экспоненциально затухающие составляющие позволяет аппроксимировать полевые данные функциями с совершенной монотонностью и эффективно использовать их для подавления помех и вычислений кажущегося сопротивления в промежуточной зоне ЗС. Кажущиеся сопротивления слабо зависят от конфигурации приемно-излучающей системы антенн и служат основой для вычислений трансформаций - зависимости кажущегося сопротивления от глубины зондирования. Трансформации позволяют с высоким разрешением создавать трехмерные электромагнитные образы, которые дают качественно правильное представление об исследуемой геологической среде.
3. Частотная дисперсия электрических свойств среды проявляется в индуктивных ЗС как в виде индукционно вызванной поляризации, так и в виде антенного поляризационного эффекта (АПЭ). В антеннах с распределенными емкостью и сопротивлением АПЭ инвертирует полярность переходных процессов и аномально медленно убывает во времени. Амплитуда АПЭ пропорциональна квадрату сопротивления проводов антенн.
4. Суперпарамагнитные явления, связанные с релаксацией намагниченности нанометровых ферромагнитных частиц в горных породах, проявляются в виде процесса становления, убывающего во времени как 1/t.
Над некоторыми месторождениями руд и разломными зонами наблюдается каминный суперпарамагнитный эффект - аномальное замедление скорости спада процесса становления. 5. Разработанная TEM-FAST система - это высокопроизводительная технология ЗС в диапазоне глубин до 300 м. TEM-FAST эффективно используется для исследований неоднородных и частотно дисперсных геологических сред и позволяет решать разнообразные научные и прикладные геоэлектрические проблемы.
Автор выражает глубокую благодарность коллегам, с которыми ему посчастливилось вместе работать:
Э.Б.Файнбергу, Е.О.Хабенскому, Б.С.Светову, В.В.Агееву ,В.Ф.Лаптеву, Ю Л.Титкову, Е.М.Ершову (Москва), КХВ.Николаеву (г,Октябрьский), В.Д.Брагину (Бишкек), О.А.Сусину (Севастополь), а также зарубежным коллегам
P.Andrieux (Париж), D.Fabre, J-M Vengeon, F.Robach (Гренобль), Gad El-Oady (Каир).
Современное состояние и проблемы ЗС
Метод зондирования становлением поля применяется для геоэлектрических исследований геологических структур и поиска месторождений полезных ископаемых. Информация о распределении электропроводности в геологической среде содержится в электромагнитном отклике - реакции среды на импульсное электромагнитное возбуждение. За редким исключением, в качестве возбуждающего сигнала используется прямоугольный импульс магнитного или электрического поля. В качестве возбуждающей (или генерирующей, излучающей) антенны используется либо заземленная электрическая линия, либо незаземленная петля. В обоих случаях через антенну пропускают прямоугольные импульсы электрического тока с паузами, во время которых и производится измерения отклика или реакции среды. Сразу же после исчезновения тока в антенне, согласно закону Фарадея, в окружающей среде возникают электродвижущие силы и индуцированные токи. Распределение этих токов зависит от электропроводности (электрического сопротивления) отдельных участков (блоков) среды. Индукционные токи после выключения породившего их поля постепенно затухают в течение достаточно короткого промежутка времени. Электрическая энергия этих токов, в основном, трансформируется в тепловую, нагревая геологическую среду, и лишь небольшая ее часть «безвозвратно» уходит в пространство в виде излучения. Индуцированные токи, протекающие в среде, создают свое, т.н. вторичное магнитное поле. В приемных антеннах, которые могут быть либо электрическими заземленными линиями, либо незаземленными контурами, изменяющееся во времени вторичное магнитное поле создает напряжение, которое и регистрируется приемной аппаратурой. Изменяющееся во времени напряжение на терминалах приемных антенн, появляющееся после выключения тока в излучающей антенне, называют переходными характеристиками становления или переходными процессами.
Регистрируемая длительность переходных характеристик зависит от проводимости среды, размеров приемно-излучающей системы антенн и мощности возбуждающего импульса тока и, как правило, не превышает нескольких секунд.
Идея использовать импульсные реакции сред для изучения их электрического строения основана на т.н. «принципе скин-эффекта». Экспериментально и теоретически показано, что глубина проникновения электромагнитного поля в проводящие среды зависит от частоты этого поля и проводимости: чем ниже частота - тем глубже проникновение и чем выше проводимость среды, тем меньше глубина проникновения. Таким образом, высокочастотная часть поля проникает лишь на малые глубины, а низкочастотная - на большие.
Принцип скин-эффекга можно сформулировать и для нестационарных сигналов: чем больше время, прошедшее с момента выключения тока в антенне, тем глубже проникновение поля в среду. Таким образом, на ранних стадиях переходный процесс содержит информацию об участках среды, находящихся вблизи источника поля, а на поздних вдали - от него.
Более детальное изучение реакции проводящих сред на импульсное возбуждение электромагнитного поля позволило условно разделить пространство среды на ближнюю, промежуточную и дальнюю зоны.
Дальней зоной назвали такие расстояния г и времена становления t, для которых выполняется условие: «скин-глубина» h=(t/jacy)l/2 много меньше расстояния г ( ц и ст - магнитная проницаемость и проводимость среды). В ближней зоне, наоборот, «скин-глубина» много больше расстояния от источника до точки наблюдения поля: (t/jj,cr)1/2» г. В промежуточной зоне, согласно определению, (t/|aa)l/2 ~ г.
Обычно метод ЗС делят на модификации по регистрируемому временному диапазону и размеру приемно-излучающией системы антенн на: ЗСД - зондирования становлением в дальней зоне ЗСБЗ - зондирования становлением в ближней зоне
Эти две модификации ЗС различаются приемами интерпретации, глубинностью и детальностью исследований, методикой и аппаратурой для полевых работ. Однако обе они изучают один и то же физический процесс диффузии импульсов электромагнитного поля в проводящих средах. Разница лишь в математических приемах описания полей, а, точнее, в асимптотических приближениях для формул, описывающих процессы становления поля.
В настоящее время наиболее широко применяемой в мировой электроразведочной практике является модификация ЗС, использующая незаземленные контура в качестве приемной и излучающей антенной системы. Обычно такие антенные системы технологически и экономически эффективны при сравнительно небольших глубинах исследований — до 500 м, однако есть примеры их использования и для изучения более глубоких горизонтов.
Размеры контуров антенн обычно не превышают первых сотен метров, возбуждающие токи не более 10-20 А, максимальные длительности переходных процессов — до сотен миллисекунд.
Как правило, используется конфигурация цриемно-излучакяцих антенн типа «петля в петле» или точечный магнитоиндукционный датчик внутри или вне излучающей петли.
Для исследований приповерхностных отложений в пределах глубин от первых метров до 100-300 м используют антенны со стороной 50-100 м. Процессы становления в таких установках измеряются во временном диапазоне, начиная с первых микросекунд до 10-20 мс. Глубинность исследований зависит от мощности генератора и размера антенны и определяется максимальным временем, на котором удается зарегистрировать сигнал становления на фоне помех.
Однако наиболее важным параметром, определяющим эффективность малоглубинных зондирований, является минимальное время, на котором удается зарегистрировать сигнал. Чем меньше это время, тем меньше глубина, начиная с которой можно получить информацию об исследуемой среде. Наличие или отсутствие информации о ранних стадиях становления существенно влияет на эффективность и надежность интерпретации данных ЗС. В ряде случаев без этой информации принципиально невозможно провести устойчивую и надежную интерпретацию результатов зондирований.
Если проанализировать данные ЗС, полученные в установке «петля в петле» в диапазоне времен от микросекунд до миллисекунд, то можно убедиться, что зондирования практически в 90% случаев перекрывают дальнюю, промежуточную и ближнюю зону ЗС. Например, для антенны размером L х L=50x50 м2 и сопротивлении осадочных пород р ~30 Ом*м, имеем для t=5 мкс (t/fiaL2)1'2- 0.25, а для t=5MC (t/jiaL2)172- 8.
Нетрудно видеть, что практически весь временной диапазон измерений переходной характеристики в приведенном типичном примере, соответствует промежуточной зоне зондирований. Ситуация нисколько не измениться, если предположить, что сопротивление пород на порядок выше. Для ранних стадий t=5 мкс (t/jicrL2)1'2- 0.8, для поздних, по уровню сигнала ~ 1 мкВ/А при t=0.5 мс, имеем (t/jioL2)1'2- 8. По-прежнему основной диапазон измерений соответствует промежуточной зоне зондирований.
В промежуточной зоне оказываются неприменимыми простые асимптотические формулы ЗС ближней и дальней зон и нормировка сигналов в кажущееся сопротивление pk(t) дает весьма «неудобный» результат: pk(t) зависит от конфигурации и размеров приемно-излучающей системы антенн. Т.е. для одного и того же слоистого геоэлектрического разреза кажущееся сопротивление существенно отличается для различных конфигураций и размеров антенн.
Именно по этой причине палетки, которыми электроразведчики пользовались еще до недавнего времени для интерпретации данных ЗС, содержали целое семейство кривых pk(t) для каждой модели слоистого разреза, отличающихся параметром r/hi- отношением разноса (размера установки) к мощности первого слоя. Сейчас палетками, конечно, уже никто не пользуется, поскольку имеется множество компьютерных программ, обеспечивающих решение прямых и обратных задач ЗС для моделей слоистой среды. В конце концов, сейчас не очень важно «удобна» или «неудобна» нормировка в кажущееся сопротивление, отвечающая ближней зоне и примененная к промежуточной. Однако проблема нормировки сигналов ЗС встает тогда, когда требуется приближенная интерпретация данных зондирований, полученных в горизонтально неоднородных средах, а также в средах с частотной зависимостью электрических свойств.
Наиболее известными и широко используемыми способами такой интерпретации являются т.н. трансформации сигналов становления в зависимости эффективного (кажущегося) сопротивления от эффективной (кажущейся) глубины исследований. Сейчас используется с полдюжины подобных трансформаций, на основе которых строятся т.н. псевдоразрезы или электромагнитные образы исследуемых сред.
Как и в других геофизических методах (ВЭЗ, МТЗ, 43, георадар, сейсморазведка), трансформации не являются решением (даже приближенным) обратной задачи ЗС. Однако их следует рассматривать как весьма простой и эффективный способ визуализации и приближенной интерпретации данных. Очень часто трансформации позволяют создать электромагнитный образ среды, близкий как в качественном, так и в количественном отношении к.реальной геологической ситуации.
Однако все применяемые сейчас способы трансформаций сигналов ЗС эффективно работают лишь на поздних стадиях становления, т.е. в тех условиях, для которых они и были созданы. Как только сигналы ЗС выходят за цределы ближней зоны, трансформации начинают существенно искажать реальную геоэлектрическую картину исследуемой среды.
Поэтому весьма актуальной задачей является создание универсальной нормировки сигналов ЗС и соответствующих трансформаций, применимых как в ближней, так и в промежуточной зонах зондирований.
Несмотря на бурный прогресс в области решений прямых трехмерных задач геоэлектрики с контролируемым источником, перспектива создания надежных и универсальных алгоритмов 3D инверсий данных ЗС (да и 43 !) пока остается далекой. Правда в частных случаях, судя по публикациям и рекламе, имеется некоторый прогресс в этой области. Здесь, прежде всего, следует отметить комплекс ЗС, разработанный и реализованный в новосибирской электромагнитной школе.
Однако большинство исследовательских коллективов все же идут по пути приближенной 3D интерпретации данных на основе различных трансформаций сигналов ЗС, подобно тому, как в сейсмических и георадарных исследованиях используют временные разрезы - аналог трансформаций ЗС.
Понятно, что на этом пути интерпретации ЗС данных качество, устойчивость и универсальность трансформаций играет важнейшую роль. Еще одной стратегической задачей в ЗС является проблема создания алгоритмов решения прямых и обратных задач в геологических средах с частотной дисперсией электромагнитных свойств. Два последних десятилетия интерес к этой проблеме постоянно возрастает. Эта проблема находится на «стыке» двух разделов электроразведки: методов переменного электромагнитного поля (ЗС и 43) и метода ВП, изучающего поляризационные процессы в горных породах.
К настоящему моменту накоплен большой экспериментальный материал, включающий различные виды проявления дисперсионных эффектов в цроцессах становления. Кроме того, имеются экспериментальные данные о частотной дисперсии электрического сопротивления и диэлектрической проницаемости различных горных пород, измеренных на образцах в широком
3 '8 диапазоне частот от 10" до 10 Гц.
В области низких частот (до 10-100 Гц) физический механизм частотной дисперсии достаточно подробно изучен и описан математически в виде феноменологических аппроксимационных дисперсных моделей .
В высокочастотной области (более 1 МГц) также ясна физическая црирода дисперсии. В диапазоне 0.1-100 кГц ясного представления о природе частотной зависимости проводимости и диэлектрической проницаемости до сих пор нет. Однако это как раз тот частотный диапазон, в котором, как правило, и наблюдаются дисперсионные эффекты ЗС.
Экспериментальные исследования переходных характеристик показывают, что в диапазоне времен t=lMKC -10 мс метод ЗС сам является источником новой информации о частотной дисперсии горных пород. Причем наблюдаемые в ЗС эффекты впоследствии подтверждаются теоретическими и экспериментальными исследованиями на образцах горных пород.
Эта область исследований в ЗС обещает дать принципиально новое знание об электромагнитных цроцессах в горных породах. Уже сейчас имеются многочисленные примеры зондирований становлением, в которых показано, что дисперсионные эффекты позволяют локализовывать интересные с геологической и геотехнологической точки зрения объекты и структуры, которые не выделяются традиционными электромагнитными методами. Это и кимберлитовые трубки взрыва, ряд рудных месторождений, зоны загрязнения техногенными отходами, некоторые археологические объекты и т.д.
Есть примеры совершенно удивительных явлений в ЗС, которые не нашли до сих пор четкого объяснения. Например, сверхнизкочастотные резонансные явления в зонах разломов, «отрицательные переходные характеристики»- процессы становления в достаточно хорошо проводящих геологических средах, полярность которых во всем диапазоне измерений отрицательна.
При создании метода ЗС и его дальнейшем совершенствовании вполне очевидным и оправданным считалось утверждение о слабой магнитности исследуемых горных пород (магнитные руды не в счет!).
Однако экспериментальные исследования ЗС в различных регионах мира показали, что эффекты магнитной вязкости горных пород могут играть существенную (а иногда и решающую) роль в становлении электромагнитного поля (43 также!). Явление суперпарамагнитной релаксации нанометровых магнитных частиц в горных породах часто создает столь интенсивные аномалии в ЗС, что индукционные процессы просто неразличимы на фоне этих аномалий. Особенно сильно суперпарамагнитные эффекты проявляются в регионах широкого распространения эффузивных и эффузивно-осадочных пород, терригенных осадков с повышенным содержанием ферромагнетиков и т.п.
Само явление суперпарамагнетизма или магнитной вязкости было открыто около 60 лет назад. Сейчас интерес к этому явлению резко возрос в связи с проблемами создания магнитных носителей информации.
В геологии, а точнее в палеомагнитных исследованиях, это явление используется давно и достаточно эффективно. В ЗС и 43 частотная дисперсия магнитной восприимчивости до сих пор (за редким исключением) рассматривалась как «еще один фактор, искажающий результаты зондирований». Однако более детальные, в основном экспериментальные, исследования показали, что явление суперпарамагнетизма можно использовать как источник ценной дополнительной геологической информации при ЗС и 43.
Наконец, еще одна проблемная область ЗС- это технология измерений переходных характеристик поля. Кроме хорошо известных цроблем, связанных с помехоустойчивостью регистрации неустановившихся сигналов и исключения (или минимизации) собственных процессов приемно-излучающей системы антенн, существует и другая, новая проблема. Речь идет об электромагнитных процессах, протекающих в проводах приемных и излучающих антенн. 4астотные свойства реальных антенн, как систем с распределенными параметрами, в методе ЗС практически не изучались (по-видимому, за ненадобностью!). Эти свойства интересовали исследователей лишь в связи с проблемами самоиндукции магнитных петлевых антенн, т.е. в высокочастотном диапазоне (на ранних стадиях ЗС).
Однако экспериментальные исследования показали, что в антеннах с распределенными электрическими параметрами, находящимися в средах с частотно зависимой диэлектрической проницаемостью, наблюдается т.н. антенный поляризационный эффект. Этот эффект связан с релаксацией электрических зарядов, накопленных на элементарных участках проводов антенн, имеющих конечное распределенное сопротивление и емкость.
Эффект проявляется на поздних стадиях переходных процессов, зависит от сопротивления проводов и, в ряде случаев, резко искажает результаты зондирований. Например, регистрируемый переходный процесс в совмещенных цриемно-излучающих антеннах, часто зависит от сопротивления проводов, из которых изготовлена антенна, от расстояний провод-земля, влажности приповерхностного слоя почв и т.п.
Все описанные проблемы импульсных электромагнитных зондирований нашли свое отражение в представленной работе. Большинство проблем решено, разработаны эффективные алгоритмы и компьютерные программы, которые используются многими российскими и зарубежными компаниями для решения геологических, гидрогеологических, инженерных, археологических и др. задач.
Некоторые проблемы, как, например каминный суперпарамагнитный эффект, экспериментально исследован и объяснен на уровне гипотезы.
В целом создана система, названная "TEM-FAST", позволяющая исследовать практически любые геологические проблемы в пределах небольших глубин (до 300 м). Особенностью этой системы является то, что она может быть эффективно использована как для «стандартных, производственных» работ методом ЗС, так и для научных исследований.
В диссертации приводятся примеры использования разработанной системы при решении разнообразных геоэлектрических задач. Основная часть исследований выполнено непосредственно автором диссертации, некоторые данные любезно предоставлены компаниями, использующими разработанную технологию.
Система включает в себя:
- аппаратуру для исследований TEM-FAST 48НРС (или кратко TF-48), работающую в практически любых полевых условиях с карманным компьютером Palm PC, в который встроено программное обеспечение для сбора, обработки и интерпретации получаемых данных, методику полевых исследований с совмещенными приемно-излучаюпщми антеннами, компьютерную программу TEM-RESEARCHER, позволяющую решать прямые и обратные 1D задачи в частотно дисперсных и суперпара -магнитных средах; визуализировать и интерпретировать данные на основе 1D инверсий и трансформаций переходных характеристик в 3D средах
Все расчеты и графика, представленные в диссертации, сделаны в программе TEM-RESEARCHER. Полевые измерения, пленочное моделирование и измерения суперпарамагнитных эффектов выполнены с аппаратурой TEM-FAST (ТЕМ-32 и ТЕМ-48). Полевые исследования в различных регионах мира выполнены автором диссертации в период 1984-2003 г.г. при поддержке ЦНИГРИ, ИГЭМИ ИОФЗ РАН, РФФИ, ИНТАС, фонда Д.Сороса, различных российских и иностранных компаний и университетов, использующих технологию TEM-FAST.
Принципы построения и алгоритмы работы аппаратуры ТЕМ-48 (ТЕМ-32), в создании которой автор принимал самое активное участие, в работе не описаны, поскольку это выходит за рамки диссертации. Технические характеристики для полноты материала приводятся в последней главе работы.
Заключение Диссертация по теме "Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых", Барсуков, Павел Олегович
Выводы
- Распределенные сопротивление и емкость антенн при исследовании геологических сред с частотно зависимой диэлектрической проницаемостью продуцируют антенный поляризационный эффект- АПЭ. Этот эффект проявляется на поздних стадиях переходного процесса и регистрируется в виде медленно спадающего во времени процесса ~1Л (0'3"1'3-), знак которого противоположен полярности индукционных переходных характеристик. Регистрируемые Антенные поляризационные эффекты зависят от дисперсионных параметров исследуемой среды и при фиксированном токе пропорциональны квадрату сопротивления проводов антенны (индукционные процессы, как не осложненные, так и осложненные IP-эффектами не зависят от сопротивления проводов приемной антенны и пропорциональны току в излучающей антенне).
- Распределенное сопротивление антенных контуров, по которым протекают токи, создает даже в случае симметрии вращения системы антеннасреда асимметричные электрические поля с радиальными и вертикальными компонентами.
- АПЭ регистрируется как в совмещенных приемно-излучающих, так и в разнесенных антеннах.
- АПЭ усиливается при увеличении значений емкости проводов относительно земли, что происходит, например, при увеличении влажности воздуха, почвы и травяного покрова.
- Для подавления АПЭ необходимо либо уменьшить емкость антенн по отношению к земле (например, подвешивая провода над землей), либо уменьшить сопротивление проводов.
Глава 6. Суперпарамагнитная релаксация
Физическое явление, названное суперпарамагнетизмом, можно пояснить следующим образом.
Магнитные материалы делятся на парамагнетики, диамагнентики и ферромагнетики. Ферромагнетики обладают собственным магнитным моментом во внешнем магнитном поле и сохраняют его после его выключения. Парамагнетики (и диамагнетики) обладают магнитным моментом только во внешнем магнитном поле. После его отключения магнитный момент достаточно быстро пропадает, несмотря на то, что каждая магнитная частица по-прежнему обладает собственным магнитным моментом. Однако в ансамбле частиц собственные магнитные моменты направлены хаотично и суммарный вектор намагниченности равен нулю. «Разрушение» упорядоченной структуры магнитных моментов происходит под действием тепловых флюктуаций, энергия которых равна кТ (постоянная Болъцмана на температуру). Если энергия, удерживающая магнитные моменты в определенном направлении (энергия анизотропии Wi=V*ki, V- объем частицы, ki- удельная энергия магнитной анизотропии), много меньше кТ, суммарный вектор намагниченности исчезает достаточно быстро (парамагнетик). Если Wj»kT релаксация весьма медленная (ферромагнетик). Очевидно, что существует диапазон размеров частиц, в котором постоянная времени релаксации оказывается сравнима с временным диапазоном эксперимента. В этом случае исследуемый магнитный материал следует отнести к суперцарамагнетику.
Например, при палеомагнитных исследованиях постоянная релаксации магнитных моментов горных пород может измеряется столетиями и тысячелетиями и все породы и руды, которые относятся к ферромагнетикам (магнетит, гематит, пирротин и др.), следует рассматривать как суперпарамагнитные материалы.
Для измерений в ЗС (от мкс до сек) «палеомапштные суперпарамагнетики» окажутся ферромагнетиками, а в суперпармагнитном состоянии будут находится магнитные частицы с постоянной времени от 100нс до 1 сек.
Таким образом, суперпарамагнетизм — это пограничное состояние магнитного материала между пара- и ферромагнетизмом. После выключения намагничивающего внешнего поля результирующий вектор намагниченности суперпарамагнитного материала релаксирует к нулевому состоянию за время, сравнимое с временным диапазоном эксперимента.
Следует отметить, что в горных породах всегда присутствуют магнитные минералы в виде частиц, размеры которых покрывают весьма широкий диапазон. В осадочных и терригенно-осадочных породах зерна магнетита, маггемита, гематита имеют размер от нанометров до тысяч микрон. Их содержание таково, что эффективная магнитная восприимчивость этих пород доходит до n* 10"3 ед. СИ. В эффузивных породах содержание магнитных минералов еще выше и восприимчивость достигает п* 10"2 ед. СИ.
Практически все известные горные породы обладают суперпарамагнитными свойствами: как правило, чем выше значения магнитной восприимчивости, тем интенсивней проявляется суперпарамагнетизм.
6.1 Импульсные характеристики суперпарамагнитных материалов
Суперпарамагнетизм или магнитная релаксация (вязкость) мелких ферромагнитных частиц была открыта JI. Неелем [61]. Суперпарамагнитные явления в горных порода подробно изучены Т. Нагатой [32].
В индуктивной импульсной электроразведке суперпарамагнитый эффект (SPM) описан в работах [17,60,54,8,9,50,25].
В качестве иллюстрации проявления этого природного феномена можно привести описание элементарного физического опыта с обожженной глиной, обладающей сильными суперпарамагнитными свойствами.
Если в соленоид в качестве сердечника поместить обожженную глину (красный кирпич) и по обмоткам пропускать импульсный ток, то в паузах между импульсами можно наблюдать достаточно мощный сигнал, спадающий во времени как ~l/t. Этот результат первоначально может вызывать удивление, поскольку проводимость кирпича весьма слабая н никакого эффекта присутствие сердечника в соленоиде вызывать не должно. Тем не менее, сердечник из обожженной глиньт создает почти такой же эффект, какой бы создал небольшой образец меди с высоким уровнем электропроводности.
Дело в том, что при обжиге глин, содержащиеся в ней немагнитные и слабо магнитные гидроокислы железа восстанавливаются до магнетита и маггемита (сильно магнитные минералы). Размер зерен магнетита — от нанометров до 0.1 мм. Поэтому обожженная глина обладает как суперпарамагнитными свойствами за счет нанометровых частиц, так и остаточной намагниченностью за чет крупных зерен.
Суперпарамагнитные свойства керамики часто используются для определения возраста при археологических исследованиях, подобно тому, как это делается в палеомагнитных исследованиях.
В последнее время явление суперпарамагнетизма исследуется в связи с проблемами создания новых магнитных носителей информации, например [69].
В ЗС с магнитными антеннами SPM проявляется в виде сигнала на поздних стадиях становления, убывающего как ~1 А (индукционные процессы убывают, как правило, значительно быстрее ~l/t5/2). Формальная интерпретация (инверсия) таких процессов всегда дает фиктивный слой в глубине исследуемой среды с аномально высокой электропроводностью. Причем его глубина и проводимость изменяется при изменении размера и конфигурации приемных и излучающих антенн.
Отметим, что SPM эффект существенно зависит от температуры. С увеличением температуры в суперпарамагнитное состояние переходят достаточно крупные частицы магнитных минералов горной породы и концентрация SPM-частиц возрастает. Поэтому можно ожидать, что гранитойдные и базальтовые глубинные толщи могут обладать интенсивными SPM свойствами, что, несомненно, должно сказываться на результатах МТ и MB зондирований.
Для объяснения SPM явления, следуя Л. Неелю, рассмотрим динамику намагничения мелких магнитных частиц.
Пусть в каком-либо объеме образца горной породы находятся магнитные частицы с радиусами г и объемами v=4/37ir3. Концентрация частиц такова, что их взаимодействием можно пренебречь (тл. «магнитный газ»). Намагничивающее поле Н, которое действовало достаточно долго, выключается ступенью в момент времени t=0. После выключения поля намагниченность образца J(t) (магнитный момент на единицу объема - А*м2/м3 = А/м) описывается формулой
J(?) = /0exp(-t/r(v) ) (6.1) где Jo- начальная (статическая) намагниченность, зависящая от поля Н, а постоянная времени релаксации равна: ф)= г0 ехр(-|^) г0 *Ю-9 сек (6.2) кТ- энергия тепловых флюктуации (при Т=300° К кТ « 4* 10"21 Дж), kj- константа магншнои анизотропии (Дж/м3).
В таблице 6.1 приведены справочные и расчетные данные, включающие значения констант анизотропии и радиусов (объемов) частиц, имеющих постоянную времени релаксации т=1 сек.
Заключение
На основе результатов исследований, выполненных автором в процессе работы над диссертацией, создана импульсная электромагнитная технология TEM-FAST, включающая в себя: аппаратуру для измерений переходных характеристик в микросекундном диапазоне- TEM-FAST-48HPC методику полевых исследований с совмещенной приемно-излучающей антенной программное математическое обеспечение — TEM-RESEARCHER, позволяющее интерпретировать результаты ЗС в промежуточной и ближней зонах параметров становления поля в горизонтально неоднородных геологических средах с частотной дисперсии электрических и магнитных свойств.
Математическое и физическое моделирование переходных процессов показало, что в промежуточной зоне параметров становления, где затухание импульсов электромагнитного поля определяется как скин-эффектом, так и геометрическим рассеянием, интерпретацию данных ЗС можно производить на основе одномерной инверсии или трансформации сигналов становления.
Трансформации сигналов ЗС в зависимости кажущего сопротивления от глубины исследования позволяют приближенно интерпретировать и визуализировать данные в сложно построенных средах.
На полевых и модельных данных показано, что погрешности применения одномерных процедур интерпретации в горизонтально неоднородных средах оказываются достаточно малыми и не искажают принципиально изучаемую геоэлектрическую структуру. Этот эффект достигается при исследованиях в промежуточной зоне становления с совмещенными приемно-излучающими антеннами. Существенные искажения в результатах 1D инверсии присутствуют лишь вблизи субвертикальных контрастных по проводимости 3D структур на расстояниях не более 1-1.5 стороны применяемой совмещенной антенны. На больших расстояниях от неоднородностей одномерная инверсия и трансформации переходных характеристик поля дают неискаженный результат.
Электромагнитный образ исследуемых трехмерных геологических структур строится как совокупность результатов точечных одномерных инверсий или трансформаций в виде томограммы.
В средах с частотно зависимой электропроводностью также возможна одномерная инверсия данных с определением параметров дисперсии. Предусмотрена возможность построения достаточно сложных конструкций дисперсионных моделей среды, что позволяет исследовать поляризационные явления в ЗС и сопоставлять их с результатами метода ВП и измерениями комплексного сопротивления образцов горных пород.
Обнаружен и подробно исследован антенный поляризационный эффект, возникающий в антеннах с распределенными емкостью и сопротивлением. Этот эффект инвертирует знак регистрируемого переходного процесса, а его амплитуда пропорциональна квадрату сопротивления проводов антенны.
Подробно исследован суперпарамагнитный эффект в горных породах, связанный с особенностями динамики намагничения нанометровых зерен магнитных минералов. Этот эффект проявляется в виде аномально медленного затухания сигналов ЗС. Установлено, что над некоторыми месторождениями руд, находящимися в разломных зонах, наблюдается аномальное замедление суперпарамагнитной релаксации — каминный суперпарамагнитный эффект.
На экспериментальных примерах показано эффективность применения суперпарамагнитного эффекта для поисков рудных месторождений.
Разработанная технология TEM-FAST позволяет повысить в 3-5 раз производительность малоглубинных (до ~ 300 м) исследований ЗС по сравнению с существующими отечественными и зарубежными технологическими аналогами.
Сравнение производительности и качественных характеристик исследований проводилось независимыми экспертами в процессе совместных испытаний ТЕМ-инструментов компаний Zonge, Geonics и аппаратуры TEM-FAST 48НРС на геофизическом полигоне Гарпш (Франция 2001 г) [70].
Разработанная программа TEM-RESEARCHER позволяет эффективно обрабатывать и интерпретировать промышленные объемы данных ЗС, а также проводить научные исследования «тонких» эффектов в переходных характеристиках поля.
Библиография Диссертация по наукам о земле, доктора физико-математических наук, Барсуков, Павел Олегович, Троицк
1. Аверьянов B.C. Роль магнитной кристаллографической анизотропии в процессах магнитной вязкости ферритов.
2. Изв АН СССР Физика Земли, 1965, 7, с.82-89
3. Агеев В.В. Светов Б.С. Влияние поляризуемости горных пород на результаты электромагнитных зондирований.
4. Изв. РАН, Физика Земли, 1999,1, с. 19-27.
5. Александров П.Н. О смене знака электродвижущей силы в совмещенных установках Изв. РАН , Физика Земли, 1994,4, с.55-61.
6. Барсуков П.О., Светов Б.С. Определение экспоненциальных спектров квазистационарных переходных процессов из экспериментальных данных. Алгоритмы и программы решения прямых и обратных задач электромагнитной индукции в Земле. М., ИЗМИР АН, 1982 с.11-30.
7. Барсуков П.О. Радиочастотные колебания электропроводности горных пород. Электромагнитные зондирования АН СССР, Звенигород, 1984, с 65.
8. Барсуков П.О. Осцилляции переходных процессов становления поля. Изв. Вузов, Геология и Разведка, 1985, 8, с.42.
9. Барсуков П.О. Переходные характеристики электромагнитного поля в средах с частотной зависимостью электропроводности. Электромагнитная индукция в верхней части земной коры.
10. М., ИЗМИРАН, Наука 1990, с. 150-152.
11. Барсуков П.О. Файнберг Э.Б. «Каминный» суперпарамагнитный эффект над залежами золота и никеля. Доклады РАН 1997, т.353, 6, с.811-814.
12. Барсуков П.О. Файнберг Э.Б. Исследование окружающей среды методом переходных процессов с использованием ВП и СПМ эффектов
13. Изв. РАН, Физика Земли 2002,11, с.82-85.
14. Барсуков П.О. Файнберг Э.Б., Хабенский Е.О. Антенный поляризационный эффект в импульсных электромагнитных зондированиях
15. Изв. РАН, Физика Земли, 2003, 11, с. 81-87.
16. Брычков Ю.А, Прудников А.П. Интегральные преобразования обобщенных функций. М., Наука, 1977,287 с.
17. Ваньян JI.JI. Становление электромагнитного поля и его использование длярешения задач структурной геологии. Наука, Новосибирск 1966. 103 с.
18. Великин А.Б. Булгаков Ю.И. Индуктивная электроразведка методом переходных процессов с совмещенными источником и приемником поля. Л., Недра 1967,130 с.
19. Гасаненко Л.Б. Поле вертикального гармонического магнитного диполя над поверхностью многослойной структуры.
20. Уч. записки Лен. гос. ун-та 1959, No. 278.
21. Гринберг Г. А. Избранные вопросы математической теории электрических и магнитных полей АН СССР, 1948, Ленинград, 727с.
22. Губатенко В.П. Тикшаев В.В. Об изменении знака электродвижущей силы индукции в методе становления электромагнитного поля.
23. Изв АН СССР, Физика Земли, 1979, 3, с.95-99.
24. Захаркин А.К.,Бубнов В.М., Крыжановский В.А.,Полетаева М.Г.,Тарло Н.Н. Магнитная вязкость горных пород новый осложняющий фактор метода ЗСБЗ. Сб. Поиск полезных ископаемых в Сибири методом ЗСБЗ., Новосибирск, 1988, с.19-26.
25. Захаркин А.К.,Тарло Н.Н. Физическое моделирование метода ЗС. Сб. Поиск полезных ископаемых в Сибири методом ЗСБЗ., Новосибирск, 1988, с.30-44.
26. Иоссель Ю.А.,.Кочанов Э.С , Струнский М.Г. Расчет электрической емкости, Энергоиздат, Ленинград. ,1981, 288с.
27. Калантаров ПЛ.,.Цейтлин Л.А Расчет индуктивностей, Л.Энергия, 1970, 416с.
28. Каменецкий Ф.М. Электромагнитные геофизические исследования методом переходных процессов, М.,ГЕОС, 1997, 162 с.
29. Каменецкий Ф.М, Сидоров В.А., Тимофеев В.М., Яхин А.М. Индукционные электромагнитные переходные процессы в проводящей поляризующейся среде Электромагнитная индукция в верхней части земной коры, ИЗМИРАН, М. Наука 1990 с.14-40.
30. Кауфман А. А. Морозова Г.М Теоретические основы метода становления поля в ближней зоне. Наука СО, Новосибирск 1970,122 с.
31. Кинг Р, Смит Г. Антенны в материальных средах, Мир, М,1984, т. 1. 616 с.
32. Кожевников Н.О. Суперпарамагнетизм в геоэлектрике, Иркутск 1990, 33 с.(деп. ВИНИТИ N4584-B90)26
-
Барсуков, Павел Олегович
-
доктора физико-математических наук
-
Троицк, 2004
-
ВАК 25.00.10
- Импульсная индуктивная электроразведка при исследовании сложнопостроенных сред
- Зондирования методом переходных процессов при исследовании криолитозоны
- Повышение эффективности применения магнитно-импульсной обработки руд с целью их разупрочнения перед измельчением
- Исследование возможностей метода переходных процессов для задач геонавигации горизонтальных скважин
- Программно-алгоритмические средства для задач малоглубинной геоэлектрики
