Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Применение малоглубинной электроразведки для изучения трехмерно неоднородных сред

ВАК РФ 25.00.10, Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых

Автореферат диссертации по теме "Применение малоглубинной электроразведки для изучения трехмерно неоднородных сред"

На правах рукописи

Павлова Александра Михайловна

ПРИМЕНЕНИЕ МАЛОГЛУБИННОЙ ЭЛЕКТРОРАЗВЕДКИ ДЛЯ

ИЗУЧЕНИЯ ТРЕХМЕРНО НЕОДНОРОДНЫХ СРЕД

25.00.10 - Геофизика, геофизические методы поиска полезных ископаемых

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

6 НОЯ 2014

Москва - 2014

005554633

005554633

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова»

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук, доцент Шевнин Владимир Алексеевич Официальные оппоненты:

Колесников Владимир Петрович, доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Пермский государственный национальный исследовательский университет», геологический факультет, научный консультант лаборатории электроразведки

Иванов Андрей Александрович, кандидат геолого-минералогических наук, ООО «НИИ ГЕОТЕХ», заместитель руководителя геофизического департамента

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное учреждение высшего профессионального образования Национальный минерально-сырьевой университет "Горный"

Защита состоится 17 декабря 2014 г. в 14 часов 30 минут на заседании диссертационного совета Д.501.001.64 по защите докторских и кандидатских диссертаций при ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова» по адресу: 119991, Москва, Ленинские горы, д. 1, геологический факультет, ауд. 308.

С диссертацией можно ознакомиться в читальном зале отдела диссертаций Фундаментальной библиотеки МГУ имени М.В. Ломоносова (Ломоносовский проспект, д. 27, сектор «А», 8 этаж, к. 812) и на сайте МГУ имени М.В. Ломоносова http://istina.msu.ru/dissertations/6905354/

Автореферат разослан «А? » £>£4У Л Я 2014 г.

Учёный секретарь диссертационного совета

Ь — Никулин Борис Александрович

Общая характеристика работы

Свыше 100 лет методы сопротивлений используются в малоглубинной электроразведке для изучения геоэлектрически неоднородных сред. В общем случае все геоэлектрические среды обладают трехмерным строением. Однако ранее точность и детальность работ, подразумеваемая решаемой задачей, допускала использование либо одномерного приближения строения среды для исследований в условиях ровного рельефа и субгоризонтальных границ, либо двумерного приближения при изучении линейных или локальных неоднородностей или в условиях большого перепада высот. В последнее время задачи, которые ставятся перед геофизиками, становятся значительно сложнее. Для их решения часто недостаточно таких приближений, и необходимо проводить исследования, учитывающее трехмерное строение среды. Вместе с увеличением требуемой детальности работ это приводит к усложнению методик изучения геоэлектрической среды. Разработке и оптимизации методик исследования трехмерных сред посвящена моя диссертационная работа.

Актуальность

Большинство разработанных и успешно применяемых в настоящее время модификаций метода сопротивлений предполагает приближенное одномерное или двумерное строение среды. При изучении сложно построенных трехмерных геоэлектрических сред такими методами, в результатах измерений возникают искажения. Они влекут за собой некорректную интерпретацию результатов. Для получения корректного результата необходимо либо совершенствовать способы подавления этих искажений, либо развивать трехмерные методы исследования, в которых искажения будут нести полезную информацию.

Актуальными для развития являются оба направления. Двумерные методики измерений в общем случае лучше развиты, проще в реализации, дешевле и производительнее трехмерных. К тому же они имеют меньше ограничений по расположению сети наблюдений. Поэтому исследования эффектов от трехмерных

1

неоднородностей в двумерных данных дают возможность улучшить результат интерпретации и минимизировать вероятность ошибочных выводов без перехода к более сложной и дорогой трехмерной методике измерений.

Трехмерные методики изучения, в свою очередь, очевидно, лучше подходят для изучения трехмерных сред при необходимой высокой детальности и точности. Поэтому их разработка и оптимизация также актуальна. Такие методики предполагают: трехмерные сети наблюдений (в общем случае, площадные), 30-аппаратуру и оборудование для ускорения измерений, алгоритмы автоматической ЗО-инверсии для решения обратной задачи. В настоящее время геофизики во всем мире активно разрабатывают специализированную аппаратуру и работают над оптимизацией уже существующих алгоритмов решения обратной задачи в трехмерном варианте. Моя работа в этом направлении посвящена разработке сети наблюдений, направленной на получение оптимального результата в зависимости от поставленной задачи и предполагаемого строения изучаемой среды. Описанная в моей работе технология пссвдо-ЗВ-электротомографии является сейчас наиболее успешной разработкой по совокупности таких факторов, как производительность, качество получаемого результата, скорость и простота производства полевых работ и обработки.

Профилирование методом СГ также позволяет изучать трехмерно неоднородные среды. Этот метод является незаменимым на стадии поиска и локализации аномальных участков, так как позволяет быстро проводить измерения на больших площадях. Как любая методика профилирования, метод СГ наиболее чувствителен к горизонтальным неоднородностям разреза, поэтому позволяет выявлять положение аномальных объектов в плане и достаточно точно описывать горизонтальную геометрию. В моей работе рассматриваются методики с двумя положениями питающей линии для каждого планшета. Переход от одной питающей линии к двум перпендикулярным существенно повышает качество результатов: увеличивается точность оценки сопротивления в аномальных зонах, увеличивается точность описания горизонтального положения локальных объек-

тов и появляется возможность картировать линейные высокоомные объекты любой ориентации.

Также в настоящее время активно увеличивается объем работ по режимным наблюдениям с участием геоэлектрических методов. Система режимных наблюдений, разработанная при моем непосредственном участии конкретно для мониторинга состояния линейной каменно-набросной плотины (КНП) Богучанской ГЭС, позволила успешно решить все поставленные задачи в сложных технических условиях производства полевых работ. Система является основой для создания технических и методологических рекомендаций по построению специализированной сети наблюдений, обработке данных и комплексированию методов при геоэлектрическом мониторинге.

Цели и задачи

Целью работы является анализ и оптимизация существующих методик исследования сложно построенных трехмерно-неоднородных сред и оценка их эффективности при получении геолого-геофизической модели среды. В рамках каждого направления стоят свои задачи.

Влияние трехмерного строения среды на данные двумерных измерений. Предложить классификацию трехмерных неоднородностей. Определить типы искажений, возникающие при влиянии трехмерных неоднородностей на данные двумерных измерений, предложить способы минимизации таких искажений. Оценить эффективность способов минимизации. Построить систему режимных наблюдений для мониторинга состояния конкретного гидротехнического сооружения - каменно-набросной плотины Богучанской ГЭС. На фоне искажений от влияния продольных неоднородностей оценить возможность построения корректной геоэлектрической модели (разреза) и возможность выявления локальных аномалий. Оценить эффективность предложенной системы режимных исследований при выявлении зон фильтрации в теле плотины.

Метод СГ. Рассмотреть тензорную методику съемки, оценить ее эффективность в сравнении с традиционной методикой с двумя поляризациями. Опреде-

3

лить зависимость полученных результатов от азимута двух взаимно перпендикулярных питающих линий - насколько хорошо проявляются на карте СГ объекты различной формы и ориентации.

Псевдо-ЗР-электротомография. Оптимизировать методику псевдо-ЗЭ-электротомографии, а именно: технологию сбора, обработки, интерпретации данных и получение геологического результата. Определить, для каких задач и моделей среды целесообразно применять эту методику, какие в каждом случае существуют проблемы, изучить пути их решения. Оценить возможность и целесообразность применения 2-х перпендикулярных систем профилей. Выявить наличие зависимости результата от выбранного азимута параллельных профилей и отношения между шагом по профилю и между профилями. Провести моделирование и полевые эксперименты для оценки эффективности методики для разных моделей среды и объектов с разной контрастностью и геометрией.

Научная новизна

Предложена классификация основных типов трехмерных неоднородностей по их пространственным параметрам. Описаны эффекты и искажения, возникающие в данных двумерной электротомографии при влиянии неоднородностей разного типа. Предложены способы подавления таких искажений. Выявлен эффект ограничения глубины нижней границы локального трехмерного объекта при проведении автоматической двумерной инверсии со стандартным набором параметров по профилю электротомографии непосредственно над объектом. Выявлен эффект искажения от влияния продольного рельефа в данных двумерной электротомографии по профилю. Предложено два способа подавления влияния продольного рельефа: путем ввода полученных на основе моделирования коэффициентов в кажущееся сопротивление и путем построения разностных разрезов при режимных наблюдениях. Показана высокая эффективность системы режимных наблюдений при выявлении зон фильтрации в теле КНП Богучанской ГЭС.

Доказано, что методика ЭП-СГ с 2-мя перпендикулярными поляризациями позволяет надежно выявлять линейные объекты произвольной ориентации. Это подтверждено результатами моделирования и полевыми исследованиями.

Разработана методика псевдо-ЗП-электротомографии, включающая построение сети наблюдений, граф обработки и визуализации результатов. Выработаны основные рекомендации по выбору ее параметров и описан ряд возможных ограничений. Предложено использование 2-х перпендикулярных систем профилей в методике псевдо-ЗО-электротомографии. Выявлено наличие зависимости результата от параметров сети наблюдений (выбранного азимута параллельных профилей и отношения между шагом по профилю и между профилями).

Практическая значимость

Рассмотрены методики исследования трехмерно-неоднородных сред, для каждой методики отмечены достоинства и недостатки, определены услови применимости и эффективность для разных моделей сред. Это позволяет выработать оптимальные подходы к изучению любой сложно построенной среды с учетом поставленных задач и априорной информации о строении.

Обнаружено два важных для интерпретации искажения от трехмерных неод-нородностей в данных двумерной электротомографии по профилю: эффект ограничения глубины нижней границы трехмерного локального объекта и эффект влияния продольных неоднородностей (в частности, продольного рельефа). Предложенные способы коррекции влияния второго искажения при обработке позволяют повысить качество и достоверность результатов, получаемых при интерпретации.

Опыт проведения режимных наблюдения на основе электротомографии для мониторинга состояния каменно-набросной плотины Богучанской ГЭС показал, что разработанная система обладает высокой эффективностью при выявлении фильтрационных процессов. Показана принципиальная возможность наблюдать развитие различных фильтрационных процессов и определять их происхождение

с помощью геоэлектрических комплексных режимных наблюдений.

5

Доказаны преимущества проведения съемки ЭП-СГ в двух взаимно перпендикулярных поляризациях произвольного азимута и обработке с использованием теории пространственных инвариантов. Это позволяет закрепить в методике ЭП-СГ применение двух перпендикулярных питающих линий при малоглубинных исследованиях.

Разработанная методика псевдо-ЗО-электротомографии, в том числе в расширенном варианте с двумя ориентациями профилей, может применяться для решения широкого круга инженерных, структурных и археологических задач.

Личный вклад автора и степень достоверности

Я участвовала в разработке и анализе теоретических исследований, на которых основана работа, самостоятельно выполнила все описанные в работе модельные расчеты, спланировала и провела экспериментальные исследования и обработку результатов, принимала непосредственное участие в полевых работах и/или обработке данных по всем производственным объектам исследований, приведенным в работе в качестве примеров. Все представленные в работе результаты являются подлинными и оригинальными.

Апробация

Всего по теме диссертации было сделано 16 докладов на конференциях. Результаты работы докладывались на VI-X Международных научно-практических конференциях «Инженерная и рудная геофизика", Геленджик, Россия 2010-2014 гг., Международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых учёных «Ломоносов-2009» и молодёжной конференции «Планета Земля-2009», Москва, Россия 2009 г, а также на конференциях за рубежом - Near Surface-2012-2013 18-19th European Meeting of Environmental and Engineering Geophysics, Paris, France, 2012 and Bochum, Germany 2013.

Публикации

Основные выводы изложены в 25 опубликованных работах, среди которых 4 статьи в реферируемых журналах, включенных в список ВАК, 4 статьи в техниче-

ских журналах, 1 монография и 16 тезисов докладов. Также результаты исследований были частично включены в бакалаврскую и магистерскую диссертации.

Структура и объем

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы, содержащего 135 названий работ отечественных и зарубежных авторов, включает 128 страниц текста, 58 иллюстраций и 9 таблиц.

Защищаемые положения

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. Предложена классификация типов трехмерных объектов, основанная на их форме и расположении относительно профиля наблюдений. Выявлены и описаны искажения геоэлектрического разреза, возникающие при изучении сред с трехмерными неоднородностями различного типа с помощью двумерной электротомографии по профилю (эффект ограничения глубины нижней кромки трехмерного объекта и эффект от влияния продольного рельефа).

2. Предложено два пути коррекции искажений от влияния продольных трехмерных неоднородностей на данные двумерных измерений: ввод рассчитанных на основе моделирования коэффициентов в кажущееся сопротивление и анализ разностных разрезов при режимных циклических наблюдениях. На примере режимных исследований КНП Богучанской ГЭС показана эффективность обоих способов коррекции.

3. Доказано, что при использовании двух перпендикулярных питающих линий в методе СГ форма и амплитуда аномалий инвариантов кажущегося сопротивления от линейных высокоомных объектов не зависит от их ориентации.

4. Предложено использование 2-х перпендикулярных азимутов профилей в методике псспдо-ЗО-электротомографии. Показана высокая эффективность такой методики при изучении сложно построенных трехмерных сред различной контрастности.

Благодарности

Выражаю самую глубокую благодарность:

- Шевннну В.А. за научное руководство мной, помощь при поиске и анализе материалов, на основе которых была создана работа, а также за чуткость и терпеливое отношение к автору на протяжении всего времени общения и научного руководства;

- Ерохину С.А. за веру в автора и благополучное завершение работы, положительные эмоции, терпение и поддержку в сложные моменты, помощь и участие во всех этапах проведения большинства исследований;

- Козлову О.В. за интересные идеи и научные консультации по многим аспектам работы и неиссякаемое доброжелательное отношение к автору;

- Стойновой A.M. за неоценимую помощь в создании и коррекции текста работы и иллюстраций и важную поддержку на последних этапах работы;

- Бобачеву A.A. за конструктивную критику, помощь с моделированием и разъяснение научных основ всей работы;

- Модину И.Н. за азы геофизического образования и полезные советы;

- Макарову Д.В., Ялову Т.В., Тамбергу A.C., Груздеву А.И., Шишкиной Т.В., Пелевину A.A., Толстову П.С., Баранцевой O.A., Молотовщиковой Т.А., Скобелеву А.Д. за участие в полевых работах и обработке данных при проведении экспериментов;

- Ильину М.М., Савичу А.И. за возможность заниматься научной работой и предоставленные материалы;

- Акуленко С.А., Большакову Д.К., Ивановой C.B., Марченко М.Н. за ценные советы и помощь в работе;

- маме Павловой Г.Н., а также Toce и Жасе за умение создать комфортные рабочие условия;

- папе Павлову М.В. и деду Павлову В.А за стимул к научному труду.

Основное содержание работы

Во введении обоснованы актуальность, практическая значимость и научная новизна работы, описаны цели, сформулированы защищаемые положения диссертационной работы.

Глава 1. Обзор геоэлектрических методов исследования сложно построенных неоднородных сред и тенденции их развития

Глава 1 посвящена обзору современного состояния и степени развития и распространенности методик исследования сложно построенных трехмерно неоднородных геоэлектрических сред.

В общем случае исследуемые электроразведочными методами реальные среды являются трехмерно неоднородными, а двумерное или одномерное приближение таких сред может приводить к неправильной интерпретации. Поэтому в последнее время активно предпринимаются попытки создать новые или оптимизировать существующие методики для изучения непосредственно трехмерно неоднородных сред. Все методики можно разделить на две группы в зависимости от цели конкретного исследования.

Первая группа объединяет методики, направленные на подавление искажений, вызванных трехмерной неоднородностью среды в двумерных данных.

При постепенном переходе от 2D к ЗО-съемке и развитии ЗО-алгоритмов решения прямой задачи в данный момент стало особенно актуальным изучение влияния 3 D-неоднородностей на двумерные измерения. Первая проблема - искажения параметров целевого объекта, вызванные использованием 2D-электротомографии и 20-инверсии при изучении непосредственно трехмерных сред, например, при исследованиях локальных карстово-суффозионных процессов (Cuevas Castellanos Р. et al, 2013; Куэвас Кастельянос П. и др., 2013; Ерохин С.А. и др. 2011), а также при изучении археологических объектов (Ерохин С.А., Павлова А.М, 2012; Morelli A. et al, 2004) и обследовании различных инженерных сооружений. Эти искажения необходимо учитывать при интерпретации. В рамках дву-

мерных исследований отчасти с ними можно бороться путем усовершенствования алгоритмов инверсии и подбором ее параметров (Loke М.Н., Lane J.W., 2002; Lines L.R., Treitel S„ 1984; Loke M.H., 1996-2009; Каминский A.E., 2001-2010; Pid-lisecky A., Knight R., 2008). Однако оптимальным будет переход к трехмерным методикам съемки, поскольку 3 D-инверсия в случае наличия трехмерных объектов дает лучшие результаты (Nimmer R.E. et al, 2008; Johansson В. et al, 2007; Козлова E.A., 2010; Dahlin et al, 2007; Yang X., Lagmanson M., 2006). Вторая проблема - искажения-помехи, вызванные влиянием нецелевых трехмерных неоднородно-стей на профильные данные двумерной электроразведки. Подавление помех и искажений геоэлектрических данных можно проводить путем фильтрации (Никитин A.A., Петров A.B., 2008; Светов Б.С., Пискун П.В., 2005; Ritz М. et al, 1999; Боба-чев A.A. и др., 1995; Бобачев A.A. и др., 1996; Vickery A., Hobbs В., 2002). Кроме того, подавление искажений возможно косвенным образом путем расчета разностных разрезов при режимных наблюдениях, например, при исследовании линейных плотин (Dahlin Т. et al, 2009; Sjödahl Р. et al, 2008; Козлов O.B, Павлова A.M., 2013; Boleve A. et 1, 2009; Большаков Д.К. и др., 2012; In-Ky Cho et al, 2013).

Во вторую группу входят методики, направленные на изучение конкретно трехмерных объектов.

ЭП-СГ. Электроразведка в комплексе с магниторазведкой успешно применяется во всем мире при археологических изысканиях (Франтов Г.С., Пинкевич A.A., 1966; Глазунов В.В., 1997; Станюкович А.К., 1994; Ерохин С.А., Кац М.Я. и др., 2012; Erokhin S.A. et al, 2012; Szalai S. et al, 2001). В частности, для решения задач поиска двумерных и трехмерных объектов на площади хорошо подходит метод срединного градиента (ЭП-СГ) с двумя перпендикулярными питающими линиями (Bibby Н.М., 1977; Bibby Н.М, 1986; Большаков Д.К. и др., 2009; Павлова A.M., 2009; Ерохин С.А., Модин И.Н. и др., 2012; Szalai S., 2011). В 2008 году у венгерских геофизиков возникла идея обобщить теорию этого метода и проводить двухкомпонентные измерения с двумя приемными линиями для каждой ориентации питающей линии с расчетом инвариантов (Varga М. et al, 2008).

10

ЗР-электротомография (ЗР-ЭТ). С точки зрения информативности самыми удачными попытками оптимизации электроразведочных измерений для детального изучения трехмерных сред, стали методики, в основе которых лежит метод электротомографии (Бобачев А.А. и др., 2007): площадная 2Р-электротомография - съемка по 2Р-профилям с последующей 2Р-инверсией по каждому (Ekinci Y.L., Кауа М.А.,2007); ЗР-электротомография - площадные измерения сигнала на приемных линиях разного азимута для разных положений питающего электрода с последующей ЗР-инверсией (Yang X., Lagmanson М., 2006; Cosentino P.L. et al, 2008; Cosentino P.L. et al, 2009; Павлова A.M., 2011); псевдо-ЗР-электротомография -площадная съемка по 2Р-профилям и последующая ЗР-инверсия по всему объему данных (Pahlin Т., Loke М.Н., 1997; Yang X., Lagmanson М., 2006; Pahlin Т. et al, 2007; Mauriello P. et al, 1998; Papadopoulos N.G. et al, 2007; Pavlova A.M., Shevnin V.A., 2013; Prahor M.G., 2007; Compare V. et al, 2009; Morelli A. et al, 2004; Myeong-Jong Yi et al, 2002; Chambers J.E. et al, 2011; Chambers J.E. et al, 2009).

Другие методики. Для изучения сложно построенных сред на основе методов ВЭЗ и ЭП Боголюбовым А.Н. был создан метод двух составляющих (МДС), суть которого заключалась в измерении и продольной (радиальной), и перпендикулярной (азимутальной) составляющих поля и анализе их соотношения (Боголюбов А.Н., 1972; Боголюбов А.Н. и др., 1984). Этот метод позволял выделять 2Р и ЗР неоднородности в области профиля ВЭЗ или ЭП, оценивать размеры и положение аномальных объектов, используя номограммы. Альтернативной методикой, использующей радиальную и азимутальную компоненты измеренного поля для картирования положения 2Р- и ЗР-объектов являются векторные измерения электрического поля (ВИЭП) (Электроразведка..., 1994; Modin I.N. et al, 1994; Геоэкологическое обследование..., 1999; Модин И.Н., 2010). Современное развитие методик определения анизотропии также способствует повышению эффективности малоглубинной электроразведки при изучении трехмерных сред (Изучение анизотропии..., 2012; Перваго Е.В., 1998; Семенов А.С., 1975; Bolshakov Р.К. et al, 1998; Watson К., Barker R„ 2010; Шевнин B.A. и др., 2013).

11

Глава 2. Влияние трехмерного строения среды на данные двумерных измерений

Глава 2 диссертационной работы посвящена разработке простейшей классификации различных типов трехмерных объектов и рассмотрению способов минимизации их влияния на результаты двумерных геоэлектрических измерений.

Постепенный переход от методик с двумерным приближением геоэлектрической среды к методикам, направленным на изучение непосредственно трехмерного строения сопряжен с проблемой влияния трехмерного строения на данные двумерных исследований. Ситуация, когда исследуемая среда заведомо трехмерная, а съемка проводится в рамках двумерной методики измерений, часто встречается: при археологических изысканиях, при инженерных геофизических изысканиях в зонах городской застройки, при работах на гидротехнических сооружениях, при исследованиях вблизи рек, каналов и других водоемов или непосредственно на них (акваторные методы), при исследованиях в условиях горного рельефа, в других случаях, когда среда трехмерна, а выбор двумерной методики измерений обусловлен иными факторами (например, экономическим).

Предлагаемая классификация трехмерных неоднородностей была создана для решения конкретной задачи: определить характер их влияния на данные двумерных измерений. Поэтому она основана на расположении неоднородностей в пространстве относительно выбранного положения профиля измерений. Кроме собственно трехмерных неоднородностей, очевидно включенных в классификацию, в нее будут входить также и двумерные неоднородности среды, неперпендикулярные линии профиля. Двумерные неоднородности, вытянутые вдоль профиля (вдоль оси X), будут называться продольными неоднородностями. А двумерные неоднородности, расположенные под углом аф90°, афО° к профилю, - пересекающими неоднородностями (Табл.2.1, Рис.2.1). Двумерные неоднородности, вытянутые перпендикулярно профилю (вдоль оси У), будут называться поперечными неоднородностями, они являются двумерными и в классификацию не входят.

Табл.2.1 Классификация трехмерных неоднородностей.

Пространственная характеристика неоднородности Двумерные неоднородности, расположенные вдоль профиля, а=0° Двумерные неоднородности, расположенные под углом <#90°, к профилю Собственно трехмерные неоднородности

Терминология Продольные неоднородности Пересекающие неоднородности Трехмерные неоднородности

На основе этой классификации было выявлено два важных для интерпретации эффекта влияния трехмерного строения среды на результаты измерений методом 2В-электротомографии по профилю. Один из них был выявлен при

решении задачи поиска опасных карстово-суффозионных полостей. Для обоснования возможности выявления пустых полостей методами электроразведки было проведено численное трехмерное моделирование методом интегральных уравнений (МИУ) в программе 1ЕЗШ, по результатам которого был выявлен эффект ограничения глубины нижней кромки трехмерного высокоомного изометричного объекта в методе сопротивлений. Основная идея заключается в том, что среда (модель) является трехмерной (р=р(х,у,г)), а источник точечным, то есть поле имеет математически трехмерный характер. Таким образом, моделируются условия, максимально приближенные к реальным измерениям при полевых исследованиях. В конкретном случае сеть наблюдений при моделировании представляла собой одиночный профиль 2Б-электротомографии, а обработка - 20-инверсию.

По результатам моделирования и инверсии почти для всех заданных моделей

наблюдалось явное завышение положения нижней кромки объекта на геоэлектри-

13

ческих разрезах относительно заданного в модели. Так, объект с большой глубиной нижней кромки может быть принят за объект, резко ограниченный по глубине, что имеет большое значение при определении размеров карстово-суффозионной полости и оценке опасности возникновения провала.

Было проведено сравнение результатов 20-инверсии по одному профилю над центром объекта и ЗО-инверсии по совокупности нескольких параллельных профилей (Рис.2.2). При одинаковых параметрах модели (горизонтальные размеры 40 м х 40 м; глубины положения верхней и нижней кромки 13 м и 100 м; р вмещающей среды 50 Ом-м; р «полости» 5000 Ом-м) точность оценки глубины нижней границы объекта (и, следовательно, его объема) по результатам ЗО-инверсии оказывается выше, чем по результатам 20. Хотя по ЗО-инверсии глубину нижней границы аномалии точно определить не удается, намечается явная тенденция к ее «углублению» относительно 20-инверсии.

Второй эффект влияния трехмерного строения среды на результаты измерений методом 20-электротомографии был обнаружен и изучался в рамках режимных наблюдений за состоянием каменно-набросной плотины (КНП) Богучанской ГЭС. Эффект заключается во влиянии продольного рельефа - откосов плотины, расположенных вдоль профиля наблюдений, - и других продольных неоднородностей, связанных с конструкционными элементами.

Когда целью исследований являются временные измерения геоэлектрического разреза, подавление любых постоянных помех, связанных с нецелевыми неод-нородностями среды, можно осуществить за счет расчета разностных разрезов

2Б-инверсия

Рис.2.2 Сравнение результатов 2Э- и ЗО-инверсии при одинаковой модели.

между циклами измерений. В случае с КНП Богучанской ГЭС целью было проследить во времени развитие фильтрационных процессов, выражавшихся в аномальном снижении сопротивления при возникновении фильтрации в теле КНП. Поскольку такие аномалии должны иметь двумерный характер, их предполагалось отслеживать с помощью режимных наблюдений методом двумерной электротомографии на гребне. Для режимных исследований КНП Богучанской ГЭС была разработана система наблюдений со стационарной сетью свинцовых электродов. Всего с октября 2011 года по сентябрь 2013 года на стадии первого заполнения водохранилища было проведено 4 цикла наблюдений методом ЭТ. Цикл I был опорным, относительно него рассчитывались разностные разрезы с последующими циклами (Рис.2.3):

=

р (Рг+Р;)/2

"1 р' 100% = 2 Ш—£1 юо%

Р;+Р;

2.1

где р; - значения сопротивления в цикле I; р) - в циклах II, III или IV. Расчет разностных разрезов позволил полностью подавить влияние постоянных профильных неод-

СМОТРОВЫЕ

нородностеи на данные. Система режимных наблюдений на основе электротомографии показала свою пригодность для контроля фильтрационных процессов в толще грунтовых плотин и позволила описать два мало известных ранее явления, возникающих при

наполнении водохрани-

1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000 2100 2200 2300 2400 2500 2600 2700 2800 2900 3000

1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000 2100 2200 2300 2400 2500 2600 2700 2800 2900 3000

1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000 2100 2200 2300 2400 2500 2600 2700 2800 2900 3000

Рис. 2.3 Изменения сопротивления Вр на геоэлектрических разрезах КНП в ходе наполнения водохранилища: между циклами II и I, III и I, IV и 1.

лища, расположенного в зоне низких температур: 1) таяние мерзлых включений и субвертикальная фильтрация и 2) «растепление» и обводнение основания.

Разностные разрезы дают информации о временных изменениях изучаемой среды, но не о ее геоэлектрическом строении. Для этого необходим анализ самого геоэлектрического разреза по отдельному циклу наблюдений. Чтобы учесть влияние по крайней мере продольного рельефа на данные, при построении геоэлектрического разреза по отдельному циклу наблюдений был использован способ коррекции с помощью ввода коэффициентов в кажущееся сопротивление, рассчитанных на основе численного двумерного моделирования методом МИУ в программе \E2DF2. Влияние продольной неоднородности проявляется на геоэлектрическом разрезе в виде постоянной горизонтальной составляющей, и его можно минимизировать, если удалить постоянную составляющую из данных. Это можно осуществить, опираясь на результаты решения прямой задачи от заданной неоднородности-помехи, путем ввода коэффициентов в кажущееся сопротивление на каждом разносе. Полностью подавить влияние таким способом невозможно, но результаты исследований показали, что его можно в значительной степени преодолеть, если контролировать невязки между исходными данными и данными после коррекции. При использовании такого способа подавления влияния продольного рельефа в данных измерений на КНП Богучанской ГЭС контрастность неоднородностей после введения поправки уменьшилась, и геоэлектрический разрез стал более однородным по сопротивлению.

Глава 3. Теория пространственных инвариантов при обработке данных метода СГ

Глава 3 посвящена теории пространственных инвариантов тензора кажущегося сопротивления в методе электрического профилирования в варианте срединного градиента (ЭП-СГ).

Поскольку метод ЭП-СГ чувствителен к горизонтальным изменениям УЭС в верхней части разреза, он хорошо решает задачу картирования планового расположения трехмерных объектов. Линейный высокоомный объект лучше проявля-

16

ется при перпендикулярном распространении тока в среде, и все высокоомные объекты, ориентированные вдоль направления питающей линии, будут иметь небольшой аномальный эффект и могут быть пропущены при картировании. Поэтому в методе ЭП-СГ предпочтительнее использовать 2 перпендикулярные питающие линии для выявления линейных объектов любой ориентации.

При использовании двух направлений питающей линии и соответствующих им двух направлений приемной линии можно задать тензор кажущегося сопротивления и его простейший инвариант - детерминант (Varga М. et al., 2008):

- питающие линии.

Вычисленный по формуле 3.2 инвариант имеет смысл и размерность кажущегося сопротивления и, поскольку учитывает особенности поляризации аномальных объектов различной конфигурации, может использоваться для построения карт.

С помощью численного трехмерного моделирования методом МИУ в программе 1ЕЗШ для модели «Стены» (4 высокоомных линейных объекта, расположенных квадратом) было показано, что побочные компоненты (приемная линия перпендикулярна питающей) вносят небольшой вклад, которым можно пренебречь. Это означает, что р*у и рух стремятся к 0, а формула 3.2 принимает вид:

Пренебрежение побочными компонентами имеет большое значение для полевых исследований: при каждом положении питающей линии можно измерять только продольную компоненту поля (приемная линия параллельна питающей линии), что вдвое повышает производительность работ.

1 и 2

3.1

3.2

рГопп = (р-ркуу)1/2~рГ

3.3

Алгоритм математического моделирования учитывает особенности поляризации линейно протяженных аномальных объектов, поэтому результатами моделирования подтвержден характер изменения аномалии от азимута питающей ли-линии. Кроме этого, было доказано, что при расчете инвариантов амплитуда и форма аномалии не зависит от ориентации двух перпендикулярных питающих линий относительно простирания объекта (Рис.3.1). Использование инвариантов позволяет не только отражать реальную геометрию аномальных объектов, но и находить аномалии, которые до их вычисления выделить было сложно. Это было потверждено результатами исследований на участке «Семеновское» в с. Бородино, проведенных методом ЭП-СГ с двумя питающими линиями (Рис.3.2).

Рис.3.1 Карты аномалии при разных азимутах питающих линий (,пунктиром - питающие линии).

Рис. 3.2 Карта инварианта для

участка «Семеновское» после обработки (пунктиром - аномальные зоны).

р. Ом м

На картах инварианта выделены аномалии от высокоомных объектов. Полигональная система, образованная их совокупностью, является реликтовой криогенной палеоструктурой, связанной с сезонным промерзанием и оттаиванием в период последнего четвертичного оледенения.

Глава 4. Псевдо-ЗБ-электротомография

Глава 4 посвящена методу псевдо-ЗЭ-электротомографии. В ней сформулировано понятие псевдо-ЗО-электротомографии, определены оптимальные параметры системы наблюдений и обработки, описаны преимущества и недостатки метода в сравнении с альтернативными методами изучения трехмерно неоднородных геоэлектрических сред и приведены примеры полевых экспериментов.

Псевдо-ЗБ-электротомография - это исследования методом 2Б-электротомографии по системе профилей, расположенных на площади, с последующей ЗО-инверсией всего объема данных. Система наблюдений чаще, хотя и не всегда, содержит набор параллельных 20-профилей, в этом случае она более производительна, проста в привязке и обладает равномерной горизонтальной разрешающей способностью.

Линейно протяженные объекты наиболее чувствительны к перпендикулярному распространению тока, при работах методом электротомографии за счет многочисленных положений питающих электродов этот эффект удается в некоторой степени преодолеть, но не до конца. Кроме того, при использовании системы параллельных профилей возможны случаи, когда аномальный объект располагается между профилями на некотором расстоянии от каждого. Все это вместе снижает достоверность определения положения границ объекта, глубины залегания и свойств. Поэтому для повышения точности результатов псевдо-ЗБ-съемки было предложено использовать два перпендикулярных направления профилей в площадной системе наблюдений (Рис.4.1).

Для сравнения аномального эффекта при использовании одной и двух перпендикулярных систем профилей и сравнения

• • • Ьтень^ •' 1 ■ • • 4

со* • со

1*1-6 5" -2 0 2 £ -4 •6

♦ « 1 1-. Са)* • • < • • 2 * • £ ш< • • * •

• М-Й

4

Рис. 4.1 Система наблюдений псевдо-ЗО-методики с 2-мя азимутами профилей.

результатов 2Б- и ЗБ-обработки было проведено численное трехмерное моделирование методом МИУ в программе 1ЕЗШ над моделью с совокупностью линейных неоднородностей разной ориентации - модель «Стены-Рвы» (Рис.4.1, Рис.4.2). При анализе результатов моделирования можно зафиксировать эффект поляризации линейных объектов, влияющий на данные даже при большом количестве положений питающих электродов на каждом профиле (Рис.4.3). Отмечена важная особенность эффекта: при одной ориентации профилей по результатам 2Б-инверсии лучше проявляется линейный объект любого контраста (и высокомный, и проводящий), перпендикулярный направлению профилей, по результатам ЗБ-инверсии для высокоомного линейного объекта закономерность та же, а для проводящего объекта закономерность обратная - лучше проявляется линейный объект, параллельный профилям.

8

Рис.4.2 Модель «Стены-Рвы» для математического моделирования.

Контраст 10, вмещающая среда 30 Омм, объект 300 Ом м, высота стен 2 м

Контраст 0.01, вмещающая среда 3000 Ом-м, объект 30 Ом-м, высота стен 2 м

2Б-инверсия

ЗБ-инверсия

2Б-инверсия

ЗО-инверсия

Рис.4.3 Трехмерные геоэлектрические модели по результатам 2Б- и ЗВ-инверсии данных моделирования по методике псевдо-ЗБ-электротомографии над моделью «Стены-Рвы».

По результатам моделирования было проведено сравнение возможностей методики псевдо-ЗЭ-электротомографии (частью которой является ЗО-инверсия) и площадной 20-электротомографии (с 20-инверсией). ЗО-инверсия, в целом, показывает лучшие результаты (Рис.4.3) преимущественно благодаря двум основным факторам: 1) учету трехмерного строения среды при ЗБ-инверсии в отличие от 2В и 2) способности ЗЭ-инверсии работать с большим контрастом сопротивлений.

Также был получен большой опыт успешного применения псевдо-ЗО-электротомографии на различных объектах при решении разнонаправленных задач геоэлектрического картирования. Основной целью проведения полевых экспериментов было оценить эффективность применения методики при решении различных задач малоглубинной электроразведки и определить ее производительность. Всего было снято 11 планшетов: 1 на Александровском плато, 1 на пойме р. Воря, 4 планшета рядом с с. Шекшово, 1 на стадионе в г. Москва, 4 планшета в с. Бородино. В полевых экспериментах выявлена зависимость результирующей трехмерной модели от ориентации системы профилей для разных моделей среды. Характер зависимости мало изучен, и априорный критерий выбора оптимальной ориентации не определен. Поэтому при проведении работ, в которых требуется высокая детальность, целесообразнее проводить съемку в двух ориентациях, поскольку она дает более надежный результат по сравнению с одной произвольной ориентацией.

Для псевдо-ЗБ-съемки был выработан общий граф методики сбора и обработки данных, включающий следующие этапы:

1. Разбивка квадратного планшета.

2. Съемка на каждом профиле по методике традиционной 20-электротомографии в одной или двух ориентациях.

3. Съемка рельефа по каждому профилю.

4. Первичная обработка и подготовка к трехмерной инверсии.

5. ЗО-инверсия.

6. Статистический анализ, выделение геоэлектрических комплексов.

21

7. Построение трехмерной геоэлектрической модели (Рис.4.4).

8. Построение геолого-геофизической модели (гидрогеологической, археологической, инженерной, литологической и.т.д.) (Рис. 4.4).

Геоэлектрическая ЗБ-модель

Геолого-геофизическая ЗР-модель

Рис. 4.4 Геоэлектрическая и геолого-геофизическая трехмерные модели по результатам псевдо-ЗО-электротомографии.

Заключение

Основные результаты работы можно свести к следующим положениям:

1. Выявлены и описаны искажения, возникающие при изучении сред с трехмерными неоднородностями с помощью двумерной электротомографии по профилю, что позволит учитывать их при обработке и вырабатывать способы подавления. Показана высокая эффективность системы мониторинга плотины как трехмерной среды на основе двумерной электротомографии. Выявлены новые эффекты фильтрации, возникающие в теле плотины при наполнении водохранилища в зоне пониженных температур. Это дает возможность предсказывать их проявления на других гидротехнических объектах в аналогичных условиях.

2. На основе теоретических расчетов, результатов моделирования и полевых исследований показано, что при использовании 2-х перпендикулярных питающих линии в методе СГ форма и амплитуда аномалий инвариантов кажущегося сопротивления от линейных высокоомных объектов не зависит от их ориентации.

3. Разработана методика псевдо-ЗО-электротомографии, включающая построение сети наблюдений, граф обработки и визуализации результатов. На основе результатов численного моделирования и полевых экспериментов показаны преимущества использования 2-х перпендикулярных азимутов профилей при изучении трехмерных сред. Это позволяет повысить точность измерений и расширить круг задач, решаемых с помощью площадных наблюдений.

Результаты работы способствуют развитию методов малоглубинной электроразведки для исследования сложно построенных трехмерно неоднородных сред.

Для дальнейшего развития рассматриваемого направления необходимо: создание и внедрение в производство высокоточной аппаратуры для геоэлектрического мониторинга; разработка специализированных электроразведочных комплексов для площадных исследований; создание универсальных программ численного ЗП-моделирования и обработки, способных работать с профильными и площадными данными 20-, ЗЕ)- и псевдо-ЗО-методик.

Публикации по теме диссертации

Публикации в реферируемых журналах из списка ВАК:

1. Ерохин С.А., Модин И.Н., Новиков В.П., Павлова A.M. Возможности электрической томографии при изучении карстово-суффозионных воронок. Инженерные Изыскания, 11, ПНИИИС, 2011, с. 16 - 22.

2. Козлов О.В., Павлова A.M. Геоэлектрический мониторинг каменно-набросной плотины Богучанской ГЭС методом электротомографии. Инженерные изыскания, ПНИИИС, 12/2013, с. 40-47.

3. Шевнин В.А., Ерохин С.А., Павлова A.M. Изучение анизотропии с помощью азимутальных измерений в методе естественного поля. "Записки Горного института", т.200, 2013, с.108-113.

4. Павлова A.M., Шевнин В.А. ЗБ-электротомография при исследовании ледниковых отложений. Геофизика, ЕАГО, №6.2013, 2013, с. 32-37.

Публикации в иных журналах и тезисы конференций:

1. Павлова A.M. Электроразведка в археологии: выделение аномалий с использованием пространственных инвариантов тензора кажущегося сопротивления. Электронное научное издание ГЕОразрез, 2009, № 2-2009(4), www.georazrez.ru

2. Ерохин С.А., Модин И.Н., Павлова A.M. Паленов А.Ю., Пелевин А.А., Стойнова A.M. Пример комплексных геофизических исследований археологического объекта на Бородинском поле. Электронный журнал ГЕОразрез, 2012, №4-2012(12), www.georazrez.ru

3. Ерохин С.А., Павлова A.M., Балашов А.Ю., Шевнин В.А., Модин И.Н., Бо-бачев А.А. Методические электротомографические исследования при археологических раскопках в селе Бородино. Археология Подмосковья: Материалы научного семинара. Выпуск 8. 2012, М., Институт археологии РАН, с. 435-446.

4. Павлова A.M. Результаты 3 D-электротомографии при исследованиях ледниковых отложений Александровского плато. Электронное научное издание ГЕОразрез, 2013, №1- 2013(13), www.georazrez.ru

5. Козлов О.В., Павлова A.M. Электротомография при геоэлектрическом мониторинге плотины Богучанской ГЭС. Тезисы и материалы IX Международной научно-практической конференции и выставки «Инженерная геофизика - 2013», Геленджик., Россия, 2013, 9 с.

6. Cuevas Castellanos P., Shevnin V.A., Krivosheya K.V., Pavlova A.M., Ryjov A.A., Bobachev A.A. resistivity modeling of sinkholes effects caused by karst and suf-fosion. Procs. Near Surface 2013 - 19th European Meeting of Environmental and Engineering Geophysics, Bochum, Germany, 8-11 September 2013.

7. Pavlova A.M., Shevnin V.A. 3D electrical resistivity tomography in glacial sediments' research. Procs. Near Surface 2013 - 19th European Meeting of Environmental and Engineering Geophysics, Bochum, Germany, 8-11 September 2013.

Подписано в печать Ш 10.2014 г. Формат А5 Бумага офсетная. Печать цифровая. Тираж 130 Экз. Заказ № 4197-10-14 Типография ООО "Ай-клуб" (Печатный салон МДМ) 119146, г. Москва, Комсомольский пр-кт, д.28 Тел. 8-495-782-88-39