Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Использование электромагнитных полей близких гроз для поисков и разведки месторождений полезных ископаемых (в Гвинейской Республике и других экваториальных и тропических зонах)

ВАК РФ 04.00.12, Геофизические методы поисков и разведки месторождений полезных ископаемых

Автореферат диссертации по теме "Использование электромагнитных полей близких гроз для поисков и разведки месторождений полезных ископаемых (в Гвинейской Республике и других экваториальных и тропических зонах)"

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ПО ВЫСШЕМУ ОБРАЗОВАНИЮ

МОСКОВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ГЕОЛОГОРАЗВЕДОЧНАЯ АКАДЕМИЯ имени .СЕРГО С РДОЖОНИКИДЗЕ

На правах рукописи УДК-: 550.831

ЕАНГУРА СОРИБА СОРЕЛЬ

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ БЛИЗКИХ ГРОЗ ДЛЯ ПОИСКОВ И РАЗВЕДКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ ( В ГВИНЕЙСКОЙ РЕСПУБЛИКЕ И ДРУГИХ ЭКВАТОРИАЛЬНЫХ И ТРОПИЧЕСКИХ ЗОНАХ)

Специальность 04Л 0.12 — Гео^зические методы поисков и разведки

месторождений полезны> ископаемых

Автореферат диссертации на соискание ученой степе ни кандидата технических наук

Москва -1993

Работа выполнена в Московской Государственной Геологоразведочной Академии им. Серго Орджоникидзе

Научный руководитель доктор технических наук,

профессор Л.З.Бобровников

Официальные оппоненты : доктор технических наук,

профессор Ю.В.Якубовский

кандидат технических наук, доцент Н.А.Кажакин

Ведущая организация': Центральный Нау.чно-Исследо-

ват ельский Геологоразведочный Институт (ЦШГРИ)

Зашита диссертации состоится " № " 3993 г,

в « /5* « чщсов на заседании .Специализированного Совета А. 053.55.03 при Московской Государственной Геологоразведочной Академии по адресу 117485, г.Москва, ул.Миклухо-Мак-,лая, 23, ауд. 6-38.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Академии.

Автореферат разослан" " 1993 г.

Ученый секретарь Специализированного совета ^ ипрофессор ЮЛ.Блох

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ. Гвинея является одной из быстро развивающихся стран западной Африки и имеет все возможности стать промытленно развитой страной. Предпосылок к этому очень много, ибо Гвинея обладает богатейшими месторождениями полезных ископаемых, и в первую очередь - месторождениями бокситов, разведанные запасы которых превышают 20 миллиардов тонн. Имеются также крупные железорудные месторождения, месторождения алмазов, золота и различных строительных материалов. В некоторых районах Гвинеи ощущается недостаток пресной воды и проблема ее поисков является весьма актуальной и в ряде случаев - даже очень острой.

Геологоразведочные исследования в Гвинее проводятся уже более столетия, но геологическая (и, тем более-геофизическая) изученность является недостаточной. Трудность применения геофизических методов объясняется тем обстоятельством, что многие месторождения приурочены к корам выветривания, для изучения которых применение многих методов разведочной геофизики весьма затруднено многими факторами. В частности, при магниторазведке большие помехи создают траппы, имеющие чрезвычайно сложный, изменчивый спектр магнитных свойств. Применение гра-виразведки очень затрудняется сильно пересеченным, местами горным рельефом местности, вследствие чего стоимость грави-разведки оказывается очень высокой. Сейсморазведочные методы позволяют достаточно уверенно изучать рельеф поверхности фундамента и получать литологический разрез рыхлых отложений. Однако их применение также затруднено сложным рельефом местности и очень большой стоимость» работ. Электроразведка по методам сопротивления и ВП осложняется очень высокими сопротивлениями верхних слоев коры выветривания, делающим во многих районах страны почти невозможным (особенно - в сухой сезон) выполнение заземлений для питающих и приемных электродов. Хорошие результаты дают индуктивные методы электроразведки, однако их применение также затруднено сложным рельефом местности, почти не позволяющим при искусственном возбуждении поля выкладывать питающие петли больших размеров. Помимо этого, очень велик (особенно з сезон дождей) уровень электромагнитных помех естественного происхождения, вызываемых электрическими разрядами молний при очень частых грозах.

С этих позиций очень перспективными являются методы электроразведки, основанные на применении естественных электромагнитных полей, обусловленных ударами молний в ближних грозах. В мировой геофизической практике хорошо известен метод АФМАГ, основанный на изучении соотношения напряженности вертикальной компонеты электромагнитного поля молниевого грозового разряда к горизонтальным компонентам,- но применимый лишь для случаев дальних и сверхдальних гроз. На близких расстояниях от молниевых разрядов этот метод применен быть не может, ибо в этом случае и в первичном и во вторичном электромагнитных полях имеются как горизонтальные, так и вертикальная магнитные компоненты.

В этой связи актуальной и весьма важной для геофизических методов поисков и разведки месторождений полезных ископаемых в тропических и экваториальных зонах представляется разработка метода и аппаратуры, позволяющих использовать электромагнитные поля ближних гроз.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ : изучение возможности создания электрораэве-

дочного метода поисков и разведки месторождений полезных ископаемых, основанного на использовании электромагнитных полей молниевых разрядов ближних гроз и создание аппаратуры для их измерения в полевых условиях. ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ:

- теоретическое и экспериментальное изучение спектров первичных электромагнитных полей молниевых разрядов в ближних и волновых зонах;

- выбор информационных параметров электромагнитных полей молниевых разрядов в ближней зоне от них, связанных с электропроводностью горных пород;

- обоснование и теоретический анализ возможных структурных схем измерительной аппаратуры;

- теоретический расчет и разработка принципиальных схем измерительной аппаратуры;

- создание макетов аппаратуры, их отладка и испытание в лабораторных условиях;

- проведение экспериментальных полевых работ с разработанной аппаратурой.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА РАБОТЫ :

- экспериментально и теоретически изучены спектры электромагнитных полей молниевых разрядов в ближней и волновой зонах;

- предложены методы измерения параметров электромагнитных полей молниевых разрядов в ближних и волновых зонах, отображающих кажущуюся электропроводимость горных пород в точке наблюдений;

- созданы и испытаны макеты аппаратуры.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ РАБОТЫ : обоснован, создан и испытан в лабораторных и полевых условиях макет аппаратуры для многочастотных измерений параметров электромагнитных полей не только молниевых разрядов, но и других электромагнитных импульсных полей случайного происхождения, предназначенный для поисков и разведки месторождений хорошо проводящих руд и подземных вод в тропических и экваториальных зонах Африки (и в первую очередь г в Гвинейской Республике). ОБЪЕМ РАБОТЫ :

Диссертационная работа состоит из введения, 4-х глав, заключения и содержит 56 рисунков и 8 таблиц. Список литературы состоит из 50 наименований.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ : основные результаты, изложенные в диссертации, докладывались на расширенном заседании кафедры технической кибернетики МГГА, на семинаре Проблемного Совета ГФФ МГГА по электромагнитным геофизическим методам поисков и разведки месторождений полезных ископаемых, на кафедре информационно - измерительной техники в Рязанском Радиотехническом институте и на кафедре геофизики Конакрийского Университета. ПУБЛИКАЦИИ. По теме диссертации опубликованы три статьи в журнале "Геология и Разведка", Известия ВУЗов.

ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ :

- Первичные электромагнитные поля молниевых разрядов на близких расстояниях от них имеют в частотном диапазоне от нуля до сотен герц равномерную, практически независимую от частоты спектральную плотность. Поэтому на близких расстояниях от гроз поиски и разведку месторождений полезных ископаемых, представленных телами повышенной электропроводности, целесообразно проводить выполняя относительные многочастотные, амплитудные измерения полного вектора электромагнитного поля-

-1ли его отдельных компонент.

Измерительные устройства должны быть параллельными двух-грехчастотными и должны позволять проводить измерения отноше-тя амплитуд отдельных частотных составляющих или разности их ■юрмированных значений.При этом приемники магнитных компонент электромагнитного поля молниевого разряда целесообразно выполнять на основе индуктивного трехкомпонентного Нх, Ну, Нг чагнитоприемника с несколькими дополнительными горизонтальными магнитоприемниками Нху, Нух, расположенными таким образом, чтобы получить всенаправленную диаграмму приема в горизонтальной плоскости

- Выполненные экспериментальные полевые исследования на нескольких инженерных объектах доказывают, что разработанная аппаратура может работать не только в полях естественного происхождения, но и в случайных электромагнитных полях, обусловленных работой различных промышленных электротехнических импульсных установок и устройств.

Работа выполнена на кафедре технической кибернетики Московской Государственной Геологоразведочной Академии имени Серго Орджоникидзе, все сотрудники которой оказывали диссертанту постоянную помощь и всемерную поддержку. Диссертант особенно благодарен: своему научному руководителю, профессору Л.З.Бобровникову, ст. преподавателю Н.В.Сушкевич, с.н.с. В.А Попову, доценту В.В.Никанорову, доценту Ю.В.Аладинскому и с.н.с. В.А. Шульгину - помощь со стороны которых была наиболее значительной.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Экспериментальное изучение электромагнитных полей

молниевых разрядов тропических гроз.

Электрический разряд молнии, возникающий между облаком и поверхностью Земли (или между облаками) имеет сложную импуль-сно-колебательную форму, в которой имеется несколько "прямых" и "обратных" разрядов. При этом наибольшего значения ток достигает во время главного разряда, длящегося в тропических грозах от нескольких десятков до сотен микросекунд,- хотя изредка наблюдаются "супермолнии", в которых длительность отдельных молниевых разрядов может доходить до нескольких сотен миллисекунд. Пространственная структура электромагнитного поля молниевых разрядов очень сложна, поскольку, например, в средних широтах примерно 20-30% молний ударяют строго вертикально ("облако - поверхность Земли") и 30-40% горизонтально (при молниевых разрядах между отдельными облаками). В остальных 30-50% траектория электрического разряда может иметь как вертикальные, так и горизонтальные участки различной протяженности. В экваториальных областях молнии во время гроз происходят, преимущественно (80-90%) горизонтально, между облаками. В среднем длина (или высота) молнии в тропических грозах составляет 1-2 км, хотя иногда, особенно в горных условиях, имеют место молниевые разряды протяженностью до 8-10 км.

В 1987 году, в сезон летних дождей, диссертант провел экспериментальные исследования грозовых молниевых разрядов в Гвинейской Республике. С этой целью была собрана измерительная установка, состоящая из измерительной линии, двух зазем-лителей, фильтра нижних частот и электронного осциллографа с

ждущей разверткой и с фоторегистратором. Во время шестидневных исследований удалось записать 3 очень близких гроз, 5 из которых прошли прямо над доном, где была расположена измерительная установка. Остальные прошли в 1-2 км от дома. За это время была сделана запись почти ста ударов молний, из которых более половины может быть опознана как удары отдельных молний. На остальных фотозаписях имеются многократные наложения от почти одновременно случившихся молниевых ударов и определить однозначно,-что и где,-практически нельзя. Следует заметить, что во всех наблюдаемых грозах большинство молниевых разрядов происходило между облаками.

Тридцать наиболее характерных записей молниевых разрядов были проанализированы, в результате было выяснено:

- длительность большинства наиболее значительных по величине отдельных молниевых импульсов колеблется от 80 до 150 мкс; -некоторые импульсы (по-видимому - в конце молниевых разрядов между облаками и поверхностью Земли) имеют длительность от 500-600 до 9000 мкс и более;

-интервалы времени между отдельными импульсами могут изменяться от десятков микросекунд до десятков миллисекунд.

Затем был проведен спектральный анализ наиболее характерных фрагментов отдельных записей - с помощью компьютерной программы разработанной доцентом кафедры технической кибернетики МГГА В.В.Никаноровым (который любезно предоставил ее для использования диссертанту, за что последний выражает глубокую благодарность). В результате анализа были получены спектральные плотности нескольких десятков импульсных молниевых сигналов двух характерных видов

- сравнительно низкочастотная, монотонно спадающих с повышением частоты,имеющая первый минимум в области 2,8-3,0 кГц;

- сравнительно высокочастотная, имеющая первый минимум на частотах 14-15 кГц.

Особенностью спектральных плотностей практически всех видов изученных молниевых импульсов является малая их зависимость от частоты, наблюдаемая на участках 0-800 Гц. Это может позволить выполнять частотные полевые исследования, изучая амплитудно-фазовые характеристики электромагнитных полей над геологическим объектами, различающимися электропроводимостью, используя для этого узкополосные избирательные усилители в измерительных каналах. В этом случае возникает вопрос о виде напряжения сигнала на выходе избирательных усилителей, т.е. о сигнале, который непосредственно измеряется. В диссертации показано, что поскольку молниевые импульсы в ближней тропической грозе следуют с частотой, как минимум, 2-3 импульса в секунду, т.е. со средним периодом 0,3-0,5 секунды, то напряжение на выходе избирательного усилителя с достаточно большой эквивалентной добротностью имеет вид непрерывно флюктуирующей по амплитуде синусоиды с средней частотой настройки избирательного усилителя, у которой может быть измерена интенсивность : амплитудное, средневыпрямленное или среднеквадратичное значение; или фазовые параметры : активные, реактивные компоненты и фазовые сдвиги. Исходя из этих положений, измерительную аппаратуру можно выполнять подобно тому, как это делается для измерения гармонических сигналов, учитывая случайный характер изменения амплитуды лишь при построении выходных (индикаторных) каскадов, постоянные интегрирования в которых должны быть соответствующим образом подобраны и составлять, как минимум, 3-5 секунд, усредняя, таким образом, как минимум, 30-50 молниевых электромагнитных импульсов.

Обоснование методики измерений электромагнитных полей молниевых разрядов на близких расстояниях от них.

В тропических грозах до 80-90% молниевых разрядов происходят практически горизонтально, между отдельными облаками. Поэтому при теоретическом анализе в качестве основных источников электромагнитных полей при тропических грозах можно рассматривать горизонтальные электрические диполи, произвольно ориентированные и случайно изменяющие свое местоположение. При некотором удалении ( до 1-10 км.) от этих диполей их поле мохно рассматривать как поле плоской волны, падающей нормально к дневной поверхности Земли. Проведенные в диссертационной работе расчеты ( на основе результатов, опубликованных в работах A.A. Кауфмана и A.B. Вешева) :

- нормального поле нескольких плоских волн, приходящих с разных направлений,

- нескольких произвольно ориентированных горизонтальных электрических диполей,

- аномального поля проводящего шара, погруженного в проводящее полупространство,

показывают : чтобы исключить влияние изменения направления падения плоской волны и ее интенсивности, целесообразно выполнять относительные много частотные ( как минимум двух -трехчастотные ) измерения.

При этом,- в случае достаточно контрасных объектов целесообразно определять двухчастотный параметр - частотный коэффициент равный разности среднего значения амплитуды суммарного магнитного поля, измеренного на некоторой верхней частоте Wb и среднего значения амплитуды суммарного магнитного поля, измеренного на значительно более низкой частоте Wh, деленной на среднее значение амплитуды суммарного магнитного поля, измеренного на нижней частоте Wh:

. HJWB) - H_(WH)

А = _А-------

*■ н (Wh)

При поисках сравнительно слабо контрасных объектов лучше измерять трехчастотный параметр :

Hx(Wcp) - Ha(WH) H^Wb) - Hs(Wcp) H^Wcp) I^(Wb) 2 H2(Wh) H£(Wcp) H^(Wh) H^(Wcp)

В диссертации показано, что случае двухчастотных ( и, особенно - трехчастотных ) измерений частотный коэффициент не зависит ни от характеристик плоских волн, ни от проводимости полупространства,- даже в случае, когда источником поля являются несколько горизонтальных, произвольно ориентированных электрических диполей. В частности, в диссертации доказывается, что если в изучаемой однородной проводящей среде с некоторой конечной проводимостью расположен проводящий шар с другой, более высокой, проводимостью и если источником электромагнитного поля служит плоская волна, падающая нормально к дневной поверхности, то при двух - трехчастотных измерениях изучается чисто аномальный частотный параметр, отличный от нуля только при наличии неоднородностей в проводящем однородном полупространстве.

Таким образом, проведенные расчеты достаточно объективн доказывают целесообразность измерения на близких расстояния от тропической грозы двухчастотного или трехчастотного пара метров, которые не зависят от проводимости однородного полуп ространства и несут информацию о наличии локальных неоднород ностей в этом полупространстве. Важной особенностью двух трехчастотных параметров является их инвариантность относительно источников возбуждения : при изменении положения источников и интенсивности возбуждающего поля меняется направление и моменты диполей, поле которых эквивалентно полю шара, а величина частотных параметров ( особенно - при трехкомпо-нентном приеме сигналов) остается неизменной.

К подобным результатам приводят и приближенные расчеть для электромагнитных полей, возбуждаемых сравнительно редкими вертикальными молниевыми разрядами, где главную роль играют токи, растекающиеся от точки удара молнии в Землю, однако, следует иметь в виду, что все расчеты выполнены для волновой зоны,- а в непосредственной же близости от грозы структура электромагнитных полей молниевых разрядов столь сложна, что не поддается даже приближенному анализу и требует тщательного экспериментального изучения. Но вполне ясно, - получить информацию о степени проводимости верхних слоев Земли и о наличии (или отсутствии) в них аномальных проводящих объектов, изучая соотношение отдельных компонент на одной рабочей частоте,- практически невозможно,-необходимо проводить многочастотные относительные измерения по заданным профилям, которые должны начинаться в некоторых "базовых", безаномальных точках, геоэлектрический разрез в которых достаточно хорошо изучен. При этом измерительная аппаратура должна предоставлять возможность проводить как многочастотные измерения полного вектора магнитного поля, так и покомпонентные многочастотные измерения, что особенно важно в случае изучения в электромагнитных полях удаленных гроз, где знание соотношения между отдельными - вертикальными и горизонтальными активными и реактивными составляющими,- может дать ценную информацию при поисках вертикальных или достаточно крутопадающих проводящих пластов и рудных тел удлиненной формы.

Функциональные схемы разработанных измерительных устройств.

В процессе работы над диссертацией диссертантом были рассчитаны, конструктивно разработаны, собраны и испытаны в лабораторных условиях отдельные функциональные узлы и блоки аппаратуры, для измерения электромагнитных полей молниевых разрядов. В диссертации приводятся функциональные схемы разработанных диссертантом макетов измерительных устройств, подробно рассматриваются принципы их работы и обосновываются методы расчета их отдельных узлов. В частности, анализируются индуктивные компонентные магнитоприемники, исследуются схемы высокостабильных компенсационных и автосинхронных избирательных усилителей, рассматриваются оригинальные схемы двухчас-тотных ( спектральных ) делителей напряжений, изучаются нелинейные процессы во входных целях предварительных усилителей, оптимизируются схемы сглаживающих фильтров и интеграторов, используемые в выходных каскадах, разработанных диссертантом измерительных устройств. На основе этих узлов и блоков было создано и испытано в лабораторных условиях несколько рггзлич-

ных макетов измерительной аппаратуры разной степени сложности, с различными метрологическими характеристиками и различными особенностями в эксплуатации.

Некоторые из разработанных измерительных устройств могут быть использованы и в других электроразведочных методах. В частности, значительный самостоятельный интерес представляет аппаратура для двухчастотных измерений, позволяющая производить измерение отношений мнимых и действительных компонент принимаемых сигналов. Высокой стабильностью отличалась, к примеру, аппаратура для многочастоттных нормированно-компен-сационных измерений. Интересно устройство, позволяющее измерять взаимную спектральную плотность принимаемых сигналов и оценивать тем самым, степень когерентности ( т.е. обусловленности одной и той же причиной - одним и тем же молниевым разрядом ) принимаемых сигналов на разных частотах. Может иметь широкое применение система компонентных индукционных магни-топриемников, обеспечивающая практически круговую диаграмму направленности в горизонтальной плоскости.

В конечном итоге, в результате трехлетних экспериментальных работ был создан макет универсальной трехчастотной аппаратуры, на котором был выполнен ряд экспериментов на Загорском полигоне МГГА и инженерных сооружениях в ближнем Подмосковье

Результаты экспериментальных полевых работ.

Одним из основных критериев, предъявляемых к аппаратуре для экспериментальных полевых исследований в Гвинее - портативность, малое потребление энергии питания и удобство пользования, поскольку работы, в основном, будут выполняться в условиях горной или сильно пересеченной, мало населенной местности, с зарослями различной растительности и ограниченной видимостью. Поэтому для этих работ диссертантом был создан измерительный прибор для трехчастотных амплитудных измерений, позволяющий упростить процесс измерений и свести его практически к одной операции: установке общим для всех каналов аттенюатором заданного уровня в одном из каналов. При этом все остальные измерительные каналы должны быть предварительно соответствующим образом настроены и откалиброваны.

В этом трехчастотной измерительном устройстве вертикальная (Hz) и четыре горизонтальные (Нх , Нху , Ну , Нух) магнитные компоненты изучаемого электромагнитного поля принимаются с помощью соответственным образом ориентированных индукционных магнитоприемников ( конструкции с.н.с. МГГА Шульгина В.А.) и усиливаются с помощью специальных предварительных ма-лошумящих усилителей. В состав усилителя входят: малошумящий дифференциальный усилитель, два режекторных фильтра, настроенные, соответственно, на подавление напряжений помех с частотами 50 и 150 Гц и оконечный усилитель с регулируемым коэффициентом усиления. При этом - у каждого магнитолриемника имеется свой усилитель. Максимальный коэффициент усиления предварительного усилителя в целом К2=800 ; полоса пропускания 0,5-2500 Гц - при выключенных режекторных фильтрах и 0,5-800 Гц при включенных. Далее все принятые сигналы подаются на активный пятивходовый сумматор, собранный по стандартной схеме. С выхода сумматора напряжение подается на масштабный усилитель, коэффициент усиления которого может регулиро-

ваться ступенчато и плавно. С выхода регулируемого масштабного усилителя напряжение суммарного сигнала подается на входы трех активных двухкаскадных узкополосных фильтров, настроенных, соответственно, на частоты: wl=15 Гц; w2=75 Гц; w3=600 Гц. Поскольку необходима повышенная стабильность амплитудно-частотных характеристик фильтров и достаточно высокая избирательность вэкв = 10-15, то они выполнены по схеме компенсационного избирательного усилителя, схема которого подробно анализируется и приводится в соответствующем разделе в диссертации. С выходов фильтров напряжения сигналов VI, V2 и V3 подаются на входы двух спектральных делителей напряжений. При этом на один вход первого делителя (состоящего из сумматора, усилителя-ограничителя, узкополосного фильтра, дополнительного усилителя, имеющего коэффициент усиления К=10, выпрямителя и интегратора) подается напряжение с выхода фильтра wl (через дополнительный усилитель, имеющий коэффициент усиления К=10), а на его второй вход - напряжение с выхода фильтра w2. На выходе первого делителя действует постоянное напряжение, пропорциональное отношению напряжений с частотами w2 и wl т.е. V2/V1 Напряжение на выходе второго делителя (выполненного идентично с первым, за исключением того, что имеющийся в нем узкополосный .фильтр настроен на частоту иЗ) пропорционально отношению напряжений с частотами w3 и w2, т.е. V3/V2 Эти напряжение измеряются с помощью вольтметров постоянного напряжения, выполненных на микроамперметрах магнитоэлектрической системы. Напряжения, пропорциональные отношению напряжений подаются на схему вычитания, в результате чего получается напряжение, пропорциональное трехчастотному параметру :

U вых = kl V2/V1 - k2 V3/V2 - Д

где kl и к2 - коэффициенты передачи делительных схем. При калибровке (и соответствующей регулировке) всегда устанавливают kl = k2 = k = 1.

значение этого напряжения пропорционально относительной крутизне изменения графика спектра, которая, в свою очередь, зависит от электропроводимости изучаемой среды в точке измерений: крутизна тем больше, чем выше электропроводимость. При этом рабочие частоты wl, w2, w3 должны выбираться исходя из электропроводности искомых объектов в районе исследований. В частности, если вести поиски железных руд в Гвинее, в рудных провинциях Нимба или Симанду, где среднее сопротивление руд составляет 10 Ом.м, а песчано-глинистые вмещающие и перекрывающие породы имеют значительно большее сопротивление, то нижняя рабочая частота wl может быть выбрана 15-18 Гц; промежуточная рабочая частота w2 должна быть значительно выше частоты wl, поскольку используемые спектральные делительные схемы обеспечивают высокую точность деления только при соблюдении условия w2>>wl. Можно, в частности, показать, что погрешность измерений в 1% может быть достигнута только в случае, если w2>> (5___10) wl. С этих позиций, учитывая, что на указанных месторождениях ведется промышленная добыча руд и может быть значителен уровень сетевых, 50 Гц, 150 Гц помех, целесообразно выбрать w2=70-75 Гц. При этом верхняя рабочая частота может быть выбрана в пределах w3>(8..,10)w2, T.e.w3>600-750 Гц. Калибровка измерительного устройства осуществляется от трехчастотного генератора, частота которого стабилизирована с помощью кварцевого резонатора.

разработанный макет аппаратуры был тщательно испытан в лаборатории радиоэлектроники МГГА : были исследованы амплитудные и амплитудно-частотные характеристики отдельных функциональных узлов и всей измерительной аппаратуры в целом. При этом использовались прецизионная аппаратура, состоящая из поверочной измерительной установки В1-5, прецизионного электронного осциллографа С1-40; трех прецизионных источников напряжения с высокоточными делителями Ф7046; трех универсальных цифровых вольтметров Щ-31; анализатора спектра для изучения шумов С4-72 и трех низкочастотных генератора Г6-15.Исследования приемников магнитного поля и их наладка осуществлялись в специальном магнитном многослойном экране конструкции ВНИИ-метрологии. Проведенные лабораторные исследования разработанного трехчастотного измерителя показывают, что его характеристики являются достаточно стабильными, вследствие чего полевые измерения, выполненные с их помощью являются достоверными.

По независящим от диссертанта причинам не удалось провести испытания разработанной аппаратуры ни на месторождениях Гвинейской Республики, ни на месторождениях России или стран СНГ. Поэтому было принято решение испытать разработанную аппаратуру на Загорском полигона МГГА, разбив профиль наблюдений таким образом, чтобы он пересекал трассу магистрального газопровода высокого давления, расположенного вблизи высоковольтной линии электропередачи. В пользу такого места испытаний говорят те обстоятельства, что:

а) трубы газопровода достаточно хорошо могут имитировать проводящее рудное тело;

б) по трубам газопровода протекают "блуждающие" токи различного - естественного и искуственного - происхождения, в результате чего вокруг трубопроводов возникает весьма интенсивное, случайно изменяющееся электромагнитное поле сложного спектрального состава в очень широкой полосе частот;

в) расположенная вблизи газопровода линия электропередачи, в свою очередь, также является источником интенсивных электромагнитных полей сложного спектрального состава.

Вследствие всего этого электромагнитное поле, возникающее над трубами топропода. имо«т весьма сложный спектральный состав и содержит как горизонтальные, тчк и вертикальные компоненты .

Профиль наблюдений бил рапбит по прогеко, поросекающой трассу газопровода почти под прямым углом так, что газопровод оказался примерно в его середине. Во время половых исследований профиль был пройден многократно : дважды в 19У0 г. в разные дни, с интервалом в 3 дня и пять раз,- в 1991 г. По этим результатам можно определить, что в районе пикета N12 имеется небольшое увеличение проводимости неизвестного происхождения. Трубы газопровода начинают чувствоваться аппаратурой на сравнительно большом расстоянии : до 20-30 метров и хорошо отмечаются в районах 32-34 и 36-38 пикетов. При этом труба в районе 32-34 пикетов, по-видимому, имеет несколько больший диаметр, чем труба в зоне 36-38 пикетов.

Результаты первого дня измерений 1991 г. практически полностью совпали с результатами измерений 1990 г. При этом максимальная относительная ошибка в центральной части профиля на превышала 10%. Однако в некоторых точках профиля результаты 1991 г. существенно отличались от результатов, полученных в 1990 г. Поэтому было принято решение провести многодневные

статистические измерения в четырех наиболее характерных точках профиля : двух главных аномальных точках (пикеты N33 и N37), расположенных над трубами газопровода, и в двух точках, где влияние газопровода практически не чувствуется (пикеты N25 и N42).

Анализ полученных результатов наблюдений позволяет сделать вывод о том, что вполне приемлемая погрешность измерений (не более +5%) может быть получена по усреднению трех десятиминутных измерений (за это время выполняется и потом усредняется 9-11 отдельных измерений), сделанных или друг за другом, с интервалом в 1 час (т.е., например, в 10, 11 и 12 часов) или трех измерений, выполненных в один и тот же час через один день. Если же выполнять однократные измерения (в 10-ти минутном интервале), то максимальная относительная погрешность измерений в аномальных точках может достигать 12-15%. В беэяномальных (фоновых) точках относительная погрешность при этом может оказаться больше 20%.

В августе 1992 г. полевое опробование аппаратуры было продолжено на двух объектах искусственного происхождения : над водопроводным подземном водоводом, в районе пос.Восточный, на его пересечении с Щелковским шоссе, и над коллектором сточных вод в микрорайоне Выхино, в месте его пересечения с Московской автомобильной дорогой.

Водовод выполнен в виде двух железобетонных тоннелей, перекрытых слоем грунта толщиной 3-4 м. Визуально трасса водовода достаточно хорошо просматривается и имеет (на поверхности) ширину порядка 12-16 м. Профиль наблюдений был пройден дважды: 3 и 5 августа 1992 г. Из результатов видно, что водовод отмечается достаточно уверенно, однако границы аномалии, вызванной водоводом, достаточно размыты, что, по-видимому, обусловлено нарушением гидроизоляции стенок тоннелей и утечкой воды из них. Из сравнения результатов наблюдений в разные дни следует, что абсолютная максимальная погрешность измерений в центре аномальной зоны не превышает 0,1%. При этом максимальная относительная погрешность составляла 12%. Вне аномальной зоны относительная погрешность измерений составила примерно 20%.

Были выполнены также наблюдения над коллектором сточных вод. В визуально достаточно хорошо просматриваемой зоне коллекторов, имеющей ширину около 12 м, находится 3 стандарных железобетонных коллектора, выполненных из колец диаметром около 3 метров. Наблюдения выполнялись 4-го и 6-го августа 1992 г., с полным прохождением всего профиля. Зона коллекторов хорошо выделяется: максимальное значение измеряемого трехчастотного коэффициента в центра зоны коллекторов превышает фоновое значение почти в 7 раз. Максимальная абсолютная погрешность измерений в центре аномалии не превышала 0,1%. При этом относительная погрешность была порядка 8%. Измерения фона выполнялись с погрешностью не более 20%. Сравнивая результаты наблюдений над водоводом и коллектором сточных вод, можно по величине регистрируемого параметра судить о степени проводимости воды в водоводе и коллекторе. Чем проводимость выше,- а это имеет место в коллекторе сточных вод,- тем больше абсолютное значение регистрируемого трехчастотного параметра.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В выполненные исследования позволили получить следующие

научные результаты:

- экспериментально и теоретически изучены спектры электромагнитных полей молниевых электрических разрядов в ближних от тропической грозы зонах;

- выбраны основные информационные параметры электромагнитных полей молниевых разрядов, позволяющие судить о степени электропроводимости горных и осадочных пород в точке наблюдения и ее пространственном изменении - при измерениях, выполняемых вдоль профиля наблюдений;

- предложены и теоретически обоснованы структурные схемы измерительной аппаратуры, позволяющей проводить электроразведочные работы в электромагнитных полях электрических молниевых разрядов в непосредственной близости от них;

- выполнен теоретический анализ предложенных структурных схем измерительной аппаратуры;

- проведены теоретические расчеты и осуществлена разработка принципиальных схем измерительной аппаратуры;

- создано несколько макетов измерительной аппаратуры, произведена их наладка, эталонировка, метрологическая поверка и испытание в лабораторных условиях;

- выполнены экспериментальные полевые работы, доказавшие, что разработанная аппаратура позволяет проводить электроразведочные измерения в случайных импульсных электромагнитных полях с произвольной прстранственной ориентацией их компонент.

Основное содержание диссертации опубликовано в статьях •■

1.Бангура С., Принципы построения аппаратуры для измерения электромагнитных полей грозового происхождения.

•Ж."Геология и разведка ", 1990 № б , МГГИ. М. Бангура С.Аппаратура для измерения электромагнитных по -лей звукового диапазона частот естественного происхождения.

Ж."Геология и разведка", 1990 »Г-7,МГРИ.

3.Бангура С.,Двухчастотное измерительное устройство для

изучения электромагнитных полей естественного происхождения. Ж.,Геология и разведка",199СР 9.МГРИ, Деп.в ВИЭМСе от0506 90 Г- 888 МГ-90.