Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Интерпретация данных векторных измерений электрического поля при инженерно-геологических и геотехнических изысканиях

ВАК РФ 25.00.10, Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Горбунов, Александр Александрович

Введение.

Глава 1. Метод векторной съемки (ВИЭП).

§1. Предпосылки использования векторных измерений при изучении неоднородных сред.

§2. Основы метода ВИЭП.

§3. Проблемы использования метода ВИЭП.

Глава 2. Обработка данных метода ВИЭП.

§1. Исправление данных ВИЭП за приповерхностные неоднородности.

§2. Расчет аномальных векторов кажущегося сопротивления через поправку за вмещающий разрез.

Выводы к Главе 2.

Глава 3. Методика эквивалентных квазидиполей при интерпретации данных

ВИЭП.

§1. Базовая интерпретационная модель метода ВИЭП.

§2. Определение положения электрического квазидиполя по созданному им электрическому полю.

§3. Влияние детерминированных и случайных помех на результаты подбора параметров квазидиполя.

§4. Выделение локальных неоднородностей геоэлектрического разреза по эквивалентным квазидиполям.

§5. Эквивалентные квазидиполи крупных объектов.

Выводы к Главе 3.

Глава 4. Интерпретация полевых данных метода ВИЭП.

§1. Поиск обводненной зоны в г. Донецке.

§2. Метод ВИЭП при обследовании нефтеналивных резервуаров.

§3. Метод ВИЭП при обследовании бетонного фундамента жилого дома в деревне Александровка Калужской области.

§4. Метод ВИЭП при исследовании братского воинского захоронения в бывшей деревне Малино (г. Зеленоград).

Выводы к Главе 4.

Глава 5. Исследования электрического поля катодной защиты.

§1. Электрическое поле катодной защиты.

§2. Лабораторные и натурные измерения электрического поля катодной защиты.

§3. Определение локального тока катодной защиты на резервуаре.

Выводы к Главе 5.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Интерпретация данных векторных измерений электрического поля при инженерно-геологических и геотехнических изысканиях"

Метод сопротивлений на постоянном токе по-прежнему является одним из основных методов электроразведки, применяемых при решении инженерно-геологических и геоэкологических, а также геотехнических, археологических и иных задач, решение которых связано с исследованием распределения удельного электрического сопротивления горных пород в верхней части разреза. Это связано с тем, что при достаточно высокой геологической информативности этот метод отличается относительно высокой технологичностью, низкой стоимостью аппаратуры, наличием детально разработанных теории метода и способов интерпретации данных.

Теория метода сопротивлений, полевые методики и приемы интерпретации разработаны, в основном, в рамках горизонтально-слоистой (одномерной) или двумерно-неоднородной моделей среды. Объекты инженерно-геологических и геотехнических исследований являются существенно трехмерными, а условия на дневной поверхности в районах залегания этих объектов затрудняют применение традиционных методик.

Поэтому разработка и совершенствование вариантов метода сопротивлений на постоянном токе, специально ориентированных на изучение разрезов, описываемых только трехмерными моделями, в условиях ограниченных возможностей применения традиционных полевых методик позволит существенно расширить область применения метода и увеличить его геологическую эффективность.

Естественным при исследовании трехмерно-неоднородного разреза представляется использование особенностей структуры электрического поля в таком разрезе. Эти особенности состоят в том, что составляющая электрического поля в направлении, перпендикулярном приемной линии традиционной установки не равна нулю. Анализ распределения этой компоненты электрического поля по площади открывает возможность исследования трехмерных локальных неоднородностей геоэлектрического разреза

Актуальность темы.

Необходимость исследования трехмерно-неоднородных сред возникает при решении многих задач. Заведомо трехмерными неоднородностями геоэлектрического разреза являются фундаменты зданий и сооружений, исследуемые в ходе инженерно-геологических, и археологических работ. Исследование карстовых и техногенных полостей неглубокого залегания, естественных и искусственных засыпанных воронок, структур, возникающих в результате мерзлотных процессов (бугров пучения и криопэгов) также требует использовать трехмерную модель среды. Существенная часть инженерно-геологических и геотехнических изысканий проводится в настоящее время в условиях городской застройки или на территории промышленных объектов, где затруднительно использовать традиционные профильные системы наблюдений.

Многокомпонентные наблюдения на дневной поверхности не относятся к широко используемым методикам полевых работ методом сопротивлений на постоянном токе. Тем не менее примеры таких работ известны уже с середины 1950-х годов, в частности, работы А. В. Вешева и В. В. Вронского. Предложенный А. Н. Боголюбовым метод двух составляющих (МДС) развился до самостоятельного и довольно широко известного метода электроразведки и хорошо зарекомендовал себя при решении ряда задач.

С середины 1990-х годов многокомпонентные наземные измерения развиваются на кафедре геофизики Геологического факультета МГУ. Выполнены значительные объемы работ по методу векторных измерений электрического поля (ВИЭП или векторная съемка). Векторная съемка применялась для решения задач шахтной геофизики (1994), поиска обводненных зон под фундаментами жилых домов (1995), при обследовании состояния днищ нефтеналивных резервуаров (1997-99), при обследовании братских воинских захоронений (2001). В ходе работ была отработана методика обработки и представления данных метода ВИЭП, разработаны подходы к качественной интерпретации данных. В связи с большим объемом работ и сложной структурой поля изучаемых объектов возникла необходимость более детального обоснования метода ВИЭП и перехода к количественной интерпретации материалов векторной съемки.

Цель и задачи работы.

Целью настоящей работы является совершенствование способов обработки и интерпретации данных метода ВИЭП при исследовании локальных объектов неглубокого залегания. Для достижения этой цели автором решаются следующие задачи.

1. Разработать алгоритм расчета аномального электрического поля от объекта исследования с учетом влияния вмещающего слоистого разреза при обработке данных метода ВИЭП.

2. Разработать способ количественной интерпретации данных метода ВИЭП.

3. Опробовать разработанные алгоритмы на типичных модельных примерах и полевых материалах.

4. Изучить особенности измерения электрического поля при исследовании металлических объектов, находящихся под катодной защитой.

5. Выработать рекомендации по обработке и интерпретации данных метода ВИЭП при исследовании объектов в различных горно-геологических условиях.

При решении этих задач получены новые научные результаты.

1. На основе решения одномерной прямой задачи метода сопротивлений для произвольной установки разработан и реализован алгоритм обработки данных метода ВИЭП для расчета аномального электрического поля локальной неоднородности. Показано, что влияние вмещающего слоистого разреза можно учесть, используя кривую зондирования, построенную по полевым данным метода ВИЭП.

2. Разработана и реализована технология количественной интерпретации данных метода ВИЭП, основанная на использовании наборов эквивалентных квазидиполей. Показано, что поле таких квазидиполей достаточно точно аппроксимирует аномальное электрическое поле объекта исследования. Автором установлены критерии определения геометрии и электрических свойств объекта по положениям эквивалентных квазидиполей. Впервые в практике применения ВИЭП автором на основе численных расчетов проведено определение глубины объекта.

3. Сделана оценка устойчивости определения параметров эквивалентной пары зарядов по данным, искаженным систематическим (геологическим) и случайным шумом. В работе показано, что эти параметры определяются с удовлетворительной точностью при значительном уровне техногенного и геологического шума.

4. На основе расчета полного электрического тока, стекающего в подстилающий слоистый разрез, разработан метод оценки коррозионной опасности днищ нефтеналивных резервуаров, находящихся под катодной защитой.

Практическая ценность работы.

1. Предложена базовая интерпретационная модель метода ВИЭП - локальная вставка в первом слое горизонтально-слоистой среды. Базовой модели удовлетворяют многие объекты, для изучения которых необходимо применять векторную съемку.

2. Используя базовую интерпретационную модель автором решена задача о внесении в наблюденное электрическое поле поправок для учета влияния вмещающего слоистого разреза. В ходе обработки полевых данных метода ВИЭП при расчете аномального поля удается исключить влияние слоистой среды и учесть конечную длину приемной линии. Метод применен при обработке полевых материалов, полученных при исследовании фундамента жилого дома (Калужская обл.) и братского воинского захоронения (г. Зеленоград).

3. В рамках базовой интерпретационной модели разработана методика количественной интерпретации данных метода ВИЭП, основанная на решении обратной задачи для электрического квазидиполя. Методика отработана на значительном количестве модельных примеров. Ее эффективность продемонстрирована на реальных объектах, ранее обследованных с применением метода ВИЭП в г. Донецк, а также в ходе вновь проведенных работ в Калужской обл. и в г. Зеленограде.

4. Результаты интерпретации полевых материалов, полученном на ЛПДС «Торгили» (Тюменская обл.) показали возможность применения метода ВИЭП при обследовании состояния гидроизоляции металлических сооружений и были подтверждены результатами сейсморазведки МПВ.

5. С учетом стекания тока в подстилающий слоистый разрез решена задача оценки коррозионной опасности для большого количества нефтеналивных резервуаров, находящихся под катодной защитой. Предложен практический способ оценки такой опасности для основных типоразмеров нефтеналивных резервуаров линейных производственно-диспетчерских станций. Метод опробован на конкретном полевом материале, полученном на крупнейших ЛПДС «Южный Балык» и «Каркатеевы» (Тюменская обл.).

Апробация работы

Работа апробирована на полевых материалах, полученных при решении инженерно-геологических, археологических и геотехнических задач в различных регионах (Калужская обл., Тюменская обл., г. Донецк, г. Зеленоград).

Основные результаты и отдельные положения работы докладывались и обсуждались на 6-й конференции Европейского отделения Общества инженерной и экологической геофизики (г. Бохум, Германия, 2000), на Ломоносовских Чтениях (Москва, 2001).

Результаты, представленные в работе, используются в курсе «Электроразведка неоднородных и анизотропных сред» для студентов 5 курса и магистрантов 1-го года обучения специализации «Электрометрия» на кафедре геофизических методов исследования земной коры Геологического факультета МГУ.

Публикации

Основные положения работы изложены в 4 опубликованных работах, в том числе в учебном пособии «Электроразведка методом сопротивлений» и в монографии «Геоэкологическое обследование предприятий нефтяной промышленности».

1. Электроразведка методом сопротивлений. Под ред. В. К. Хмелевского, В. А. Шевнина. //М., изд. МГУ, 1994.

2. Геоэкологическое обследование предприятий нефтяной промышленности. Под ред. И. Н. Модина, В. А. Шевнина. // М. РУССО, 1999.

3. Gorbunov A. A., Modin I. N. Equivalent dipoles approach to the electrical field vector measurements data interpreting. // В сб.: Proceedings of the 6th EEGS-ES Meeting. Bochum, Germany. 2000.

4. Модин И. H., Горбунов А. А., Бобачев А. А. Современные подходы к использованию электроразведки постоянным током при исследовании трехмерно-неоднородных сред. // В сб. Тезисы докладов на научной конференции «Ломоносовские чтения». Секция «Геология». М., МГУ, 2001.

Структура и объем работы

Работа состоит из введения, 5 глав и заключения, содержит 84 страницы текста, имеет 44 рисунка и список литературы из 37 названий.

Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю к. г.-м. н. доценту И. Н. Модину за руководство настоящей работой, советы и консультации по теоретическим и практическим вопросам. Автор также весьма признателен д. ф.-м. н. профессору В. А. Шевнину, к. ф.-м. н. ассистенту Д. К. Большакову, м. н. с. А. А. Бобачеву, к. ф.-м. н. инженеру М. Н. Марченко, инженеру С. И. Волкову, инженеру С. В. Ивановой за помощь и поддержку действием и советом.

Заключение Диссертация по теме "Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых", Горбунов, Александр Александрович

Выводы к Гпаве 5

Дополнение измерений потенциалов катодной защиты исследованием электрического поля объектов, находящихся под катодной защитой позволяет более точно определять участки объекта, наиболее опасные в отношении коррозии металла. Использование метода ЕП-КЗ дает возможность классификации объектов по степени коррозионной опасности по локальному току катодной защиты с учетом влияния подстилающего слоистого разреза.

Заключение

На основании результатов, полученных в диссертационной работе, сформулированы защищаемые положения.

1. Расчет аномального электрического поля по данным метода ВИЭП можно производить путем исключения электрического поля, рассчитанного с использованием решения прямой задачи метода сопротивлений для горизонтально-слоистой среды, если известны параметры вмещающего слоистого разреза. В рамках базовой интерпретационной модели допустима также оценка нормального кажущегося сопротивления по кривой зондирования ВИЭП.

2. Электрическое поле квазидиполя удовлетворительно аппроксимирует аномальное электрическое поле вставки в первом слое слоистого полупространства в рамках базовой интерпретационной модели метода ВИЭП. Совокупность эквивалентных квазидиполей, определенных по аномальному электрическому полю вставки, находится в пределах этой вставки, причем положения полюсов квазидиполей оконтуривают положение вставки в плане, а положения центров квазидиполей - в разрезе. Во многих случаях параметры эквивалентных квазидиполей определяются с удовлетворительной точностью при наличии в полевых данных детерминированной и случайной помехи.

3. Методика эквивалентных квазидиполей (ЭКД) при интерпретации полевых материалов метода ВИЭП позволяет получить геологически значимые результаты, в том числе оценить глубину залегания объектов исследования. Методика ЭКД дает удовлетворительные результаты при интерпретации аномального электрического поля, структура которого существенно отличается от дипольной.

4. Дополнение измерений потенциалов катодной защиты исследованием электрического поля объектов, находящихся под катодной защитой позволяет более точно определять участки объекта, наиболее опасные в отношении коррозии металла. Использование метода ЕП-КЗ дает возможность оценки степени коррозионной опасности объектов по локальному току катодной защиты с учетом влияния подстилающего слоистого разреза.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Горбунов, Александр Александрович, Москва

1. Бахвалов Н. С., Жидков Н. П., Кобельков Г. М. Численные методы. М., Наука, 1987.

2. Бергман А. Катодная защита., М., Трубопроводный транспорт. 1980.

3. Бердичевский М. Н., Дмитриев В. И., Новиков Д. Б., Пастуцан В. В. Анализ и интерпретация магнитотеллурических данных. М., Диалог-МГУ, 1997.

4. Березина С. А. Разработка алгоритмов прямых и обратных задач метода сопротивлений для неоднородных сред. Автореф. дис. на соискание уч. ст. к. т. н. На правах рукописи М., 1993.

5. Боголюбов А. Н. Электропрофилирование на постоянном токе по методу двкх составляющих. // Методика геофизических исследований при инженерно-геологических изысканиях. /Тр. ПНИИС, т. XIV 1972.

6. Боголюбов А. Н., Боголюбова Н. П., Мозганова Е. А. Руководство по интерпретации кривых ВЭЗ МДС. М., Стройиздат. 1984. 200 с.

7. Бронский В. В. Векторные изменения в методе ПЛ. //Методы разведочной геофизики, Л. Изд-во НПО «Рудгеофизика», 1982, с. 15-23.

8. Вычислительная математика и техника в разведочной геофизике. Справочник геофизика. / под ред. В. И. Дмитриева. М., Недра, 1990.

9. Геоэкологическое обследование предприятий нефтяной промышленности. /Под ред. В. А. Шевнина, И. Н. Модина. М., Руссо, 1999

10. Ермохин К. М. Расчет полей постоянного тока в трехмерных неоднородных средах. Деп. ВИНИТИ № 6732-В85, М„ 1985

11. Ермохин К. М. Решение трехмерных задач детальной электро- и магниторазведки на основе метода объемных дипольных источников. Автореф. дис. на соискание уч. ст. д. т. н. На правах рукописи М., 1998.

12. Ермохин К. М, Изотова Е. Б., Петров А. А., Федоров А. Н. Интерпретация зондирований в неоднородных средах. Зап. ЛГИ, т. 113, 1987.

13. Заборовский А. И. Электроразведка. М. Гостоптехиздат, 1963.

14. Зыков Ю. Д. Геофизические методы исследования криолитозоны. М., МГУ, 2000.

15. Иванова С. В., Модин И. Н., Перваго Е. В. Выявление структуры нарушения угольного пласта с помощью электрического просвечивания на постоянном токе. //Сб. науч. тр. ВНИМИ, СПб., 1996.

16. Игнатова И. Д. Электроразведка методом сопротивлений при изучении сложно-построенных сред для подземных и наземных условий. Автореф. дис. на соискание уч. ст. к. т. н. На правах рукописи М., 1995.

17. Игнатова И. Д., Модин И. Н., Шевнин В. А. Векторные измерения в методе сопротивлений. М. Вестник МГУ, серия «Геология», 1996, №1.

18. Колмогоров А. Н., Фомин И. Н. Основы теории функций комплексного переменного и функционального анализа. М. Наука, 1981.

19. Любчикова А. В., Модин И. Н., Бобачев А. А. Учет влияния длины приемной линии на кривые ВЭЗ. //Мат-лы XVIII науч. конф. молодых ученых и асп. МГУ. М. 1992.

20. Модин И. Н., Игнатова И. Д., Шевнин В. А. Обработка векторных измерений в методе сопротивлений. //Тез. докл. научного семинара им. Д. Г. Успенского. 1994.

21. Молев М. Д. Геофизическое прогнозирование горно-геологических условий подземной разработки угольных пластов. Новочеркасск, ЮРГТУ, 2000.

22. Рогова С. А., Яковлев А. Г. Прямая задача электрического зондирования горизонтально-слоистого разреза для произвольной установки //Мат-лы XVIII науч. конф. молодых ученых и асп. МГУ. М. 1992.

23. Тихонов А. Н., Самарский А. А., Уравнения математической физики. М., Наука, 1983.

24. Трошков Г. А., Грознова А. А. Математические методы интерпретации магнитных аномалий. М., Недра, 1985.

25. Цирульский А. В. Вопросы теории и методы интерпретации потенциальных геофизических полей. JL: ЛГИ, 1985.

26. Цирульский А. В., Никонова Ф. И., Федорова Н. В. Метод интерпретации гравитационных и магнитных аномалий с построением эквивалентных семейств решений. /УНЦ АН СССР, Свердловск, 1980.

27. Шевнин В. А., Ракутухани Ф. Система расчета и тестирования линейных фильтров для решения прямой задачи электрических зондирований //Мат-лы XVIII науч. конф. молодых ученых и асп. МГУ. М. 1992.

28. Шевнин В. А., Яковлев, А. Г., Модин И. Н. и др. Методика и программное обеспечение интерпретации данных метода сопротивлений /Геофизические исследования в гидрогеологии и инженерной геологии. Тр. Гидрогингео., Ташкент, САИГИМС, 1991 г.

29. Электрическое зондирование геологической среды. /Под ред. В. К. Хмелевского, В.

30. А. Шевнина. М., МГУ, 1988. ч. 1: Прямые задачи и методика работ. 177 с.

31. Электрическое зондирование геологической среды. /Под ред. В. К. Хмелевского, В.

32. А. Шевнина. М., МГУ, 1992. ч. 2: Интерпретация и практическое применение. 196 с.

33. Электроразведка методом сопротивлений. /Под ред. В. К. Хмелевского, В. А. Шевнина. М., МГУ, 1994. 159 с.

34. Dreisen L. 6th EEGS-ES Meeting. Вступительное слово (устный доклад). Bochum, Germany. 2000.

35. Gorbunov A. A., Modin I. N. Equivalent dipoles approach to the electrical field vector measurements data interpreting. // В сб.: Proceedings of the 6th EEGS-ES Meeting. Bochum, Germany. 2000.

36. Jackson P. D., Earl S. J., Reece G. J. 3D resistivity inversion using 2D measurements of the electric field. //Geophysical prospecting, Vol. 49, No. 1, 2001.

37. Modin I. N., Ignatova I. D., Pervago E. V. Coal layer inhomogeneities investigations by vector resistivity measurements in mines. Report presented at EAEG 57th Annual Meeting. Glasgow, UK. 1995.

38. Modin I. N., Shevnin V. A., Pervago E. V., Ignatova I. D. Vector measurements in resistivity prospecting. Report presented at EAEG 56th Annual Meeting. Vienna, Austria. 1994.