Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Применение высокочувствительных пешеходных магнитометров в геофизических исследованиях

ВАК РФ 25.00.10, Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых

Автореферат диссертации по теме "Применение высокочувствительных пешеходных магнитометров в геофизических исследованиях"

На правах рукописи

005060732

МУРАВЬЕВ Лев Анатольевич

ПРИМЕНЕНИЕ ВЫСОКОЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ ПЕШЕХОДНЫХ МАГНИТОМЕТРОВ В ГЕОФИЗИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЯХ

Специальность 25.00.10 - геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

6 ИЮН 2013

Екатеринбург 2013

005060732

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте геофизики им. Ю. П. Булашевича Уральского отделения Российской академии наук

Научный руководитель

кандидат физико-математических наук

Доломанский Юрий Константинович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук Астраханцев Юрий Геннадьевич

Заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор, Корзунин Геннадий Семенович

Ведущая организация:

ФГБУН Горный институт УрО РАН, г. Пермь.

Защита состоится 18 июня 2013 г. в 14 часов на заседании Диссертационного Совет Д 004.009.01 в Институте геофизики им. Ю.П. Булашевича УрО РАН по адресу: 620016, Россия, г. Екатеринбург, ул. Амундсена, 100.

С диссертацией можно ознакомиться Ю. П. Булашевича УрО РАН

Автореферат разослан « » мая 2013 г.

в библиотеке Института геофизики им.

*7

Ваш отзыв в одном экземпляре, заверенный гербовой печатью, просим направлять п адресу: 620016, г. Екатеринбург, ул. Амундсена, 100, ИГФ УрО РАН, учёном секретарю диссертационного совета.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор физико-математических наук, профес

Ю.В. Хачай

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Важной проблемой современной разведочной геофизики является выявление и исследование слабоконтрастных геологических объектов. Под таковыми понимаются объекты, слабо проявляющиеся в физических полях, регистрируемых геофизической аппаратурой. Сложность их изучения обусловлена тем, что геофизические измерения проходят на фоне помех совершенно разной природы. Произошедшие в последнее время принципиальные изменения в аппаратурном обеспечении практически всех видов геофизических работ, связанные с повышением чувствительности и разрешающей способности приборов, делают эти исследования еще более актуальными.

В данной работе рассмотрена возможность использования высокочувствительной модульной магнитометрической аппаратуры для выявления и изучения характеристик геологических и искусственных слабоконтрастных объектов в магнитном поле. Примерами могут бьггь: пространственные неоднородности в верхней части геологического разреза, слабо дифференцированные по магнитным свойствам от вмещающей среды; глубинные протяженные геологические тела; искусственные магнитные объекты, имеющие небольшие размеры, что затрудняет их обнаружение в укрывающих средах; измененный в результате деятельности человека культурный слой. Дополнительная информация может быть получена путем наблюдения отражения в магнитном поле эффектов, возникающих при искусственном или естественном воздействии на эти объекты.

Появление высокочувствительных магнитометров позволит более надежно регистрировать малые изменения магнитного поля, вызванные, например, тектономагнит-ным, сейсмомагнигным, пьезомагнитным эффектами или электрокинетическими явлениями в геологической среде. Осложняющими исследования помехами могут быть: градиенты магнитного поля от других геологических тел, в том числе региональные аномалии; вариации земного магнетизма и техногенные магнитные помехи; погрешности приборов и методики измерений.

Целью настоящего исследования является методическая проработка процедуры получения надежных исходных данных магнитометрии с помощью имеющихся в настоящее время высокочувствительных приборов.

За методологическую основу работы была принята предписываемая инструкцией по магниторазведке технология проведения магнитной съемки. С помощью одной группы приборов осуществляется площадная съемка или мониторинговое наблюдение вблизи изучаемого объекта. Другая - расположена вне него и служит для регистрации вариаций геомагнитного поля.

Выполнен анализ методических и метрологических особенностей проведения измерений высокочувствительными магнитометрами в реальных геолого-геофизических условиях. Уточнена технология проведения магнитометрической съемки с учетом геомагнитных вариаций и с применением спутниковой топопривязки. Разработаны программные продукты для обработки результатов магнитометрической съемки и выделения сигналов на фоне вариаций геомагнитного поля. Итогом работы является методика использования высокочувствительных модульных магнитометров при геофизических исследованиях. Ее эффективность показана на различных практических примерах. Методика и программы применяются в практике геофизических работ в производственных организациях [9,12].

Актуальность темы. Повышение эффективности, глубинности и разрешающе способности геофизических методов исследования земной коры является актуально задачей. Прирост мировых минерально-сырьевых запасов в настоящее время связан поисками и разведкой месторождений, не обнаруженных ранее ввиду слабой диффе ренциации поисковых признаков в наблюдаемых полях. Одним из оперативных, высо копроизводительных и экономичных геофизических методов является магнитометрия.

Появление высокочувствительной магнитометрической аппаратуры позволяет н только выполнять исследования более эффективно, но и осуществлять недоступны ранее геофизические эксперименты. При повышении чувствительности магнитомет рической аппаратуры на 2-3 порядка расширяется круг регистрируемых физическк ■ явлений, которые влияют на конечный результат эксперимента. Они могут исказил или затруднить интерпретацию результатов магнитной съемки, а также стать нет средственным предметом изучения.

Степень разработанности. Увеличение чувствительности магнитометрически; приборов до уровня ниже 1 нТл, и усовершенствование методик их применения связа но с работами Е.Б. Александрова, Г.В. Васюточкина, JI.JI. Декабруна, Г.К. Жирова В.П. Пака, А.Я. Ротштейна, В.П. Трипольского, B.C. Циреля и др. Теоретические экспериментальные работы В.М. Стоцкого, В.М. Рыжкова, А.И. Филатова, В. Балдин позволили создать ядерно-прецессионный оверхаузеровский магнитометр с отсчетно" величиной 0,001 нТл, который выпускается серийно в лаборатории квантовой магни тометрии УрФУ, возглавляемой В.А. Сапуновым. Основные положения методик пешеходной магнитометрической съемки заложены В.В.Бродовым, Г.В. Васюточ-киным, Ю.С.Глебовским, В.Е.Никитским и закреплены в виде инструкции по магниторазведке. Появление высокочувствительных и компактных пешеходных магнитометров позволяет применить методы магнитометрической съемки для решения ка традиционных, так и новых геофизических проблем. Особенности протекания геомагнитных вариаций во взаимосвязи с геологическим строением изучались Ю.П. Була-шевичем, Б.А. Ундзенковым, В.А. Шапиро, Н.В. Федоровой, В.А. Пьянковым.

Цель работы: разработка методики применения современных высокочувствительных магнитометров для изучения геологических объектов и явлений на фоне геомагнитных помех и развитие программных средств обработки магнитных измерений.

Для достижения этой цели решались следующие прикладные задачи:

а) экспериментально исследованы метрологические характеристики современных российских и зарубежных высокочувствительных магнитометров в реальных геолого-геофизических условиях;

б) уточнена методика выполнения наземных магнитных съемок с применением высокочувствительных магнитометров;

в) экспериментально исследована погрешность определения координат портативными спутниковыми средствами навигации, совмещенными с магнитометром;

г) созданы средства обработки результатов измерений геомагнитного поля с учетом вариации и спутниковой топопривязкой;

д) предлагаемая методика использования высокочувствительных магнитометров испытана на следующих примерах: выявление приповерхностных неоднородностей геологического строения на фоне слабоградиентной протяженной аномалии; поиск и картирование кимберлотовых тел; выявление ферромагнитных объектов в укрывающих средах и изучение археологических памятников.

Научная новизна данной работы заключается в том, что впервые:

- в естественных геолого-геофизических условиях экспериментально исследованы метрологические характеристики современных высокочувствительных пешеходных магнитометров: квантовых Scintrex-SM5 и Geometries G-858 и оверхаузеровских POS;

- исследована погрешность определения координат навигационным приемником GPS (на примере Garmin) при построении магнитных карт;

- разработано программное обеспечение для обработки результатов магнитометрической съемки со спутниковой топопривязкой и учета вариации геомагнитного поля;

Практическая значимость. Разработанные технологии использования высокочувствительных магнитометров имеет практическую ценность в различных областях техники и науки, в частности: поиске и разведке полезных ископаемых, археологии, инженерной геофизике, экологии, для целей обнаружения скрьггых ферромагнитных объектов промышленного и военного происхождения.

Накоплен положительный опыт применения наземной магнитометрии по разработанной методике в комплексе геофизических исследований на золото [9], для целей картирования кимберлитовых трубок [12], на рассыпном месторождении демантоидов [1], для построения модели разреза при поиске углеводородов [4].

Технология применения магнитометров на примере POS, а также программные продукты для обработки результатов измерений внедрены автором в ряде геофизических организаций, среди которых «МП Электра», г. Южно-Сахалинск, горно-рудное общество «Катока», республика Ангола.

Методология и методы исследования основаны на изучении трудов отечественных и зарубежных ученых и специалистов-практиков в области высокоточной магнитометрии, геофизики и приборостроения. Поставленные задачи решались в основном экспериментальными методами: натурные эксперименты, моделирование, сравнение результатов, полученных в различных условиях. Обработка выполнялась с использованием современного программного обеспечения и вычислительной техники.

Положения, выносимые на защиту:

1. Экспериментально показано, что синхронизация моментов измерений высокочувствительными оверхаузеровскими магнитометрами с точностью 10'3 с позволяет регистрировать в разностном режиме изменения геомагнитного поля амплитудой 0,50,05 нТл в зависимости от геолого-геофизических условий в месте наблюдения.

2. Разработанная методика пешеходной магнитной съемки с определением координат с помощью навигационного приемника GPS позволяет выделять поле от слабоконтрастных магнитных объектов на фоне более протяженных и интенсивных аномалий геологической среды.

3. Использование высокочувствительных магнитометров при проведении микромагнитной съемки археологических памятников позволяет выявлять особенности их строения, что показано на примере картирования двух укрепленных городищ эпохи Бронзы на Южном Урале.

Фактический материал и личный вклад автора. Работа подготовлена по результатам исследований, начатых автором в 1999 г. под научным руководством к.ф.-м.н Ю.КДоломанского. Личный вклад автора заключается в выработке методики проведения экспериментов; обработке их результатов; разработке программного обеспечения; подготовке отчетных материалов и публикаций.

Непосредственное проведение экспериментальных работ осуществлялось ав. ром лично, совместно с руководителем, а также при помощи сотрудников лаборатс рии-обсерватории Арти ИГФ, отделения геофизики Геологического факультета МГУ ООО «МП Электра». Результаты наземной геомагнитной съемки в Анголе получень сотрудниками геофизического сектора ГРО «Катока» при участии и под руководство автора. Интерпретация результатов магнитных съемок на Западно-Байкаловско: участке и в республике Ангола на основе адаптивного метода решения обратной зада чи магнитометрии выполнена автором совместно с В.А.Кочневым. Опробование усовершенствование методики магнитной съемки археологических памятников проведено совместно с В.В.Носкевичем и под руководством Н.В.Федоровой. Анализ результатов выполнен совместно с научным руководителем. Результаты работ отражены публикациях при равном вкладе авторов.

Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность обеспечена при менением адекватных методик экспериментальных работ, современных средств обра ботки результатов, верификацией на различных объектах, проведением контрольных измерений в необходимом объеме. Результаты работы доложены и обсуждены на международных научных конференциях (35-я и 36-я сессии Международного семинара им. Д. Г. Успенского, Ухта, 2008, Казань, 2009; "Геонауки - от новых идей к новым открытиям", С.-Петербург, 2008; "170 лет обсерваторских наблюдений на Урале: история и современное состояние", Екатеринбург, 2006; "Геомодель", С-Петербург,

2006, Четвертые и пятые научные чтения памяти Ю.П.Булашевича, Екатеринбург,

2007, 2009), молодежных научных конференциях (4-я, 5-я, 6-я, 7-я, 8-я, 10-я, 14-я Уральская молодежная школа по геофизике, Екатеринбург, 2004, 2006, 2008, 2010, Пермь, 2003, 2005, 2007, 2013; Десятая Всероссийская научная конференция студентов-физиков и молодых ученых, Москва 2004; "Ломоносов", Москва, 2007, 2008, 2009), а так же на отчетных конференциях молодых ученых ГОУ УГТУ-УПИ (20022007 гт) и др. Результаты некоторых работ вошли в отчеты, имеющиеся в фондах организаций (ООО «МП Электра», ГРО «Катока», «ФГеоКонсалтинг», ФГУП «Сверд-ловскАвтодор», ООО «Урупская ГТК»)

Публикации. По теме диссертации опубликовано 38 научных работ, в том числе 7 статей и 31 публикация в сборниках тезисов и материалов конференций, 2 статьи опубликованы в журналах из утвержденного ВАК перечня ведущих периодических изданий.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение содержит обоснование актуальности темы, формулировки её цели, научной новизны, практической значимости и положений, выносимых на защиту.

Первая глава включает общее описание принципа работы модульных геомагнитометров, обзор разработанных к настоящему времени моделей этой аппаратуры. Приводится сравнительная характеристика современных, активно применяемых в геофизической практике моделей пешеходных магнитометров: POS, Geometries G-858 и Scintrex SM-5 NAVMAG. Отсчетная величина этих приборов составляет Ю-3 нТл, что многократно превосходит параметры существовавшей ранее аппаратуры. Однако при ее использовании возникает множество методических особенностей, которые влияют на достоверность эксперимента, и могут исказить или затруднить интерпретацию его результатов. Необходимы методическая проработка процедуры получения надежных исходных данных магнитометрии, анализ условий, влияющих на получение

максимальной точности измерения, определение границ применимости новых приборов. Для регистрации геомагнитного поля в работе использован ядерно-прецессионный магнитометр POS на основе процессорного оверхаузеровского датчика (рис. 1). Прибор обладает высокой градиентоустойчивостью, возможностью сохранения данных в энергонезависимой памяти и реализацией подключения навигационного приемника GPS для определения координат точки измерения. Проведенные в лабораторных и обсерваторских условиях эксперименты позволили определить при отсчетной величине 0,001 нТл, абсолютную точность прибора ±0,5 нТл, и чувствительность до 0,02 нТл. Общее достоинство ядерно-прецессионных магнитометров перед магнитометрами с оптической накачкой (квантовыми) - абсолютное измерение магнитного поля. Поэтому их можно использовать не только в магнитораз-ведочных работах, но и для долговременных мониторинговых наблюдений, в том числе обсерваторских.

Во второй главе рассмотрены особенности проведения магнитометрических исследований современными высокочувствительными магнитометрами в реальных геолого-геофизических условиях.

Выполненные в Менделеевском институте метрологии (Шифрин В.Я) метрологические исследования ряда протонных и квантовых магнитометров с использованием стандартной калибровочной системы показали, что ошибки и стандартные погрешности измерения геомагнитного поля даже в лабораторных условиях могут в сотни раз превышать отсчетную точность прибора. Для выявления как можно малых особенностей изменения геомагнитного поля, вызванных процессами в геологической среде, проводятся одновременные наблюдения несколькими приборами. Одна группа приборов располагается на изучаемом объекте, а другая вне его (рис. 2), и регистрируется разность показаний между ними. Запись вариации проводится в течение нескольких часов до суток. Поскольку все измерения проходят на фоне псевдослучайных помех, обусловленных как явлениями в ионосфере, так и процессами, проходящими на поверхности и в земной коре, среднее квадратическое отклонение разности показаний магнитометров будет зависеть от временного сдвига моментов включения приборов и спектральной плотности возмущений геомагнитного поля (рис. 3).

Полевые исследования выполнены в магнитоспокойные дни в различное время суток, на территории обсерватории Арти. На рис. 4 приведен пример разностей показаний двух жестко синхронизованных магнитометров, а также третьего прибора, синхронизованного с первыми вручную. В первом случае среднее квадратическое отклонение шумового разностного сигнала составило 0,03 нТл, а во втором на порядок выше - 0,3 нТл. Таким образом, для обеспечения точности учета вариации на уровне чувствительности прибора, особенно при долговременных режимных наблюдениях необходима жесткая синхронизация моментов измерений аппаратуры.

Выполнено натурное сравнение метрологических характеристик магнитометров POS с наиболее часто применяемыми в геофизических исследованиях зарубежными

Рис. 1. Пешеходный градиентометр POS.

и

магнитометр 2 □

магнитометр 1 О

исследуемая особенность

вмещающая среда

z7

' ^ R(14

воздействие

Рис. 2. Схема эксперимента по выявлению отклика в магнитном поле при воздействии на геолого-геофизическую особенность.

I ]11!111М ........ I |Ш1Ш I IIIIIMII |ИШ111 |1Ш1ГГ

100001000 100 10 1 0.1 0.01 0.001 Период, Т, с

Рис. 3. Усредненный спектр возмущений геомагнитного поля (Яновский В.М.).

- геомагнитное по

ч

квантовыми магнитометрами - Scintrex и Geometries. Сравнение магнитометров POS и Geometries G-858 осуществлено на удаленном от промышленных помех полигоне геологического факультета МГУ в д. Александрова. График магнитного поля и разности показаний трех приборов показан на рис. 5. При точной синхронизации и одинаковой периодичности измерений разностные сигналы подобны друг другу. В начале записи! на графиках разности между каждым прибором POS и Geometries выявляется дрейф длительностью около 10-15 минут, связанный с прогревом датчика Geometries. Ширина «шумовых» разностных полосок составляет около 0,05 нТл.

В аналогичном эксперименте, проведенном на территории геофизической обсерватории Арти (Свердловская область), выполнено сопоставление характеристик 7 датчиков пяти магнитометров (в скобках обозначения приборов на графиках разностей показаний, рис. 6): градиентометры POS (grl, gr2) и Scintrex SM-5 (scl, sc2), два пешеходных (posl, pos2) и один стационарный (pos3) магнитометры POS. Удалось разделить влияние различных факторов на каждый из датчиков в зависимости от типа магнитометров.

Обнаружен существенный по величине температурный дрейф квантового магнитометра Scintrex. Выявлены различия в характеристиках (дрейф, выбросы значений поля) между различными экземплярами одного по конструкции прибора POS, наиболее стабильной оказалась пара недавно изготовленных приборов. Значение наименьшей величины разностного сигнала не отличается от определенного ранее значения и составляет 0,05 нТл. Таким образом, повышение чувствительности магнитометров позволяет регистрировать эффекты, вызывающие изменение магнитного поля амплитудой до единицы нанотеслы. Их необходимо учитывать при осуществлении высокоточных магнитных измерений [7,8,10].

Разностные си синхронизаци синхронизация вручную.

Время, час:мин

18:00 к 20:00

Рис. 4. Влияние точности синхронизации моментов измерений на выявление особенностей геомагнитного поля в разностном варианте[8].

1200 13:00 14:00 15:00

Время. час:мин

Рис. 5. Вариация магнитного поля (левая

ось) и разности показаний магнитометров

POS и Geometries G-858 (правая ось) [7].

Результаты экспериментов по одновременному наблюдению вариаций геомагнитного поля несколькими магнитометрами позволяют сделать выводы:

- предел выявления особенностей изменения магнитного поля указанными типами магнитометров составляет не менее 0,05 нТл, это минимальная зарегистрированная «ширина» разностного сигнала в реальных геолого-геофизических условиях;

- природа этого разностного сигнала может быть связана как с процессами, возникающими в приборах, так и с отражением в магнитном поле физических явлений, происходящих вблизи датчика. Эти явления сами могут быть объектами исследований;

- указанная точность достижима только с применением точной (1 мс) синхронизации моментов измерения магнитного поля и с исключением влияния на процесс измерения внешних факторов (температура и т.п.).

- в экспериментах по получению отклика в магнитном поле при искусственном или естественном воздействии на геолого-геофизическую неоднородность среды (например, разлом, рудное тело, скважина) точки наблюдения следует выбирать после изучения эффекта от приповерхностных «микромагнитных» явлений.

- для долговременных наблюдений следует проводить отбор приборов, характеризующихся минимальным уровнем дрейфа показаний.

Третья глава представляет методику проведения магнитометрической съемки с применением компьютеризированного магнитометра POS и содержит анализ применимости спутниковой топопривязки (GPS) для получения координат точки измерения. Описано программное обеспечение для обработки результатов магнитометрической съемки.

Применение высокочувствительных компьютеризированных магнитометров требует уточнения методики проведения пешеходной магнитометрической съемки, закрепленной в существующей «Инструкции по магниторазведке». Перед проведением высокоточной съемки необходимо жестко (до 1 мс) синхронизовать часы магнитометров между собой. Один из источников погрешности при выполнении высокоточных съемок - намагниченность элементов конструкции самого магнитометра. Предложен способ оценки величины этой погрешности. Для ее уменьшения следует отдалять блок регистрации магнитометра от датчиков не менее чем на 5 метров.

Предлагается два режима выполнения магнитометрической съемки: съемка по заранее подготовленным пикетам или непосредственно в движении с применением

?(МХ> 21:00 22:00 23:00 0:00 1:00 Время, час:мнн

Рис. 6. Вариация и разности показаний между

различными датчиками магнитометров POS и

Scintrex SM-5 [7].

спутниковой топопривязки (называемый в дальнейшем пешеходный или непрерывный режим). Также может применяться смешанная методика: перемещение между пикетами в непрерывном режиме и отдельное измерение на пикете с записью его номера и координат. Непрерывный режим магнитной съемки позволяет получать более детальную информацию о магнитном поле вдоль съемочного маршрута. Однако он характеризуется большей погрешностью итоговых результатов по сравнению с измерениями при полной остановке датчика в точке [15].

Сопряжение магнитометра с приемником спутниковой системы позиционирования (GPS) позволяет существенно повысить эффективность и оперативность выполнения магнитных съемок. Приемник системы GPS конструктивно соединен с магнитометром и передает в устройство накопления данных значения координат. Каждое измерение магнитного поля сопровождается привязкой точки наблюдения к географическим координатам. Приведено общее описание системы спутникового позиционирования и источников погрешностей, сопутствующих определениям координат.

Для натурной оценки данной погрешности была проведена серия экспериментов. На рис. 7 приведен разброс значений координат, определяемых приемником GPS Gar-min 1П+, установленным в одной точке в условиях плохой видимости спутников в лесу. Видно, что ошибка в определении координат может достигать десятков, и даже до сотни метров. Погрешность плановой привязки навигационным приемником GPS изучена во время проведения комплекса геофизических работ на острове Уруп [9]. Координаты более 400 пикетов, расположенных на двух участках 2x2 км были записаны навигатором Garmin III+, сопряженным с магнитометром, а также с помощью геодезических измерений с применением тахеометра и геодезических приемников GPS Trimble. Измерения координат проводились в разное время в течение 3 месяцев, на каждой точке измерение бралось однократно. Диаграммы, иллюстрирующая разность полученных координат, приведены на рис. 8.

Нулю соответствует «точное» измерение, полученное топосъемкой. Каждая точка изображает отклонение значений координат пикета, полученных приемником GPS Garmin от «точных». Число определений координат на участках Купольный и Айнский составило 157 и 260, а среднеквадратичная погрешность 4 м и 2 м соответственно. Условия видимости спутников в районе каждого пикета были различными, участок Айнский в целом отличался большей открытостью горизонта, чем участок Купольный.

Приведенные результаты показывают, что погрешность определения координат с помощью навигационного приемника GPS (на примере Garmin) составляет от 5 до 50 метров и зависит от условий видимости спутников. Таким образом, спутниковую то-попривязку с помощью сопряженного с магнитометром приемника GPS Garmin можно использовать при съемках масштаба не более 1:50 000. При микромагнитных съемках определение координат с помощью навигационного приемника GPS приводит к существенным искажениям полученного распределения магнитного поля. Дальнейшее улучшение точности топопривязки возможно с применением приемников с большей чувствительностью, выносных антенн, а также математических приемов обработки спутниковых определений координат.

Процедура обработки результатов магнитометрической съемки включает пересчет координат из геодезических в прямоугольные, а также введение поправки за вариации геомагнитного поля по файлу данных вариационной станции. Для первичной обработки результатов съемки автором создана программа Surv, выполняющая эти действия в автоматическом режиме (рис. 9).

Количество определений

от I до 2 от 2 до 10

■ от 10 до 20

■ от 20 до 50

■ от 50 до 80

■ от 80 до 120

уч. Купольный

157 пикетов

[ V- vJ П R=4 м

-•с ' 1 •ч.у '

-10 -5 0

Восток, метры уч. Айнское

260 пикетов

Й R=2 м

•

-5 0 5

Восток, метры

-20

-10 0 Восток, м

2(1

Рис. 8. Разность между определениями координат с помощью сопряженного с магнитометром навигационного прием-Рис. 7. Разброс значений координат, определен- ника GPS Garmin и в результате геодези-ных приемником GPS Garmin в условиях плохой ческих работ для двух участков с разной

видимости спутников.

видимостью спутников [3].

Файл Проспотр Понош» Загрузить вариацию I Ргосел j Формат результата I

[ Загрузить съемку || Сохранить Фильтр д.

Вариация таблица | Вариация иифо |

Съемка таблад I Съемка имфо±

Fiekfl |0MS | ST |0ate (Time |UNE |POINT |Label |Giad |FieW2 |QMS2 Ы

80 11 -28-03 1 229:37 6230550 5647440 N£ 6.988 57235.5". 41 1—1

57242.8; 4$ 80 11 -28-0312:29.40 6230549 5647440 NE 6.194 57236.6:52 !

57242.3-27 80 11 -28-0312:29.43 6230549 5647440 NE 6.893 57235.4 35 :

57242.1' 32 80 11 -28-0312:29:46 6230549 5647440 NE 6.276 57235.« 40 i

57243« 36 80 11 -28-0312:29:49 6230550 5647441 NE 5.247 57238,4(41 !

57238.5:44 80 11 -28-03 1 229:52 6230552 5647443 NE 16.135 572223549 1

57253.Z48 80 11-28-03 1 229 55 6230554 5647444 NE 6.834 57246.4(54 1

57263.4" 34 80 11-28-03 1 229 58 6230556 5647446 NE 5.608 57257.8'40 :

57260.5:42 80 11-2&03 1 23001 6230557 5647448 NE 2.755 57257.7f 46 1

57250,7(203 82 11 -28 03 1 230.04 6230558 5647449 NE 20.767 57229.9:211 I

57250.9:70 80 11-28-03 1 230.07 62305595647451 NE 6.494 57244.4-74 i .

Ьгг"

Съемка: 11281222.tx

Варил»« 2_2003_KttnyTh_vanaron.txt tPOS) Съвта: Копи» «уци.ТХТ (CHAD)

Рис. 9. Пример рабочего окна программы учета вариации Биту: слева - отображение таблицы исходных данных; справа - отображение графиков поля.

Программа позволяет производить осреднение, фильтрацию данных, вывод графиков, а также обработку результатов съемки в непрерывном режиме: сглаживание координат, получение координат пикетов из значений координат, определенных на соседних точках. Имеется возможность работы с несколькими вариационными станциями, что позволяет проводить обработку измерений, выполняемых на объекте в течение нескольких дней. Процедура пересчета координат точек измерения в плоские прямоугольные в принятой на территории России проекции Гаусса-Крюгера выполнена по алгоритму ГОСТ Р 51794-2001. Программа обработки данных магнитометрической съемки SURV зарегистрирована в 2007 году. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2007610859.

Четвертая глава представляет результаты использования разработанных методических приемов магнитной съемки на различных объектах.

Выделение приповерхностных неоднородностей геологического строения с помощью магнитной съемки в непрерывном режиме. Методика непрерывных измерений в объеме около 400 погонных км была опробована на Западно-Байкаловском лицензионном участке, перспективном на углеводороды. Магнитометрическая съемка осуществлена автором в рамках комплексных работ, проведенных НПГЭ Горного Института УрО РАН по заказу ООО «ФГеоКонсалтинг». Наблюдения выполнены оверхаузе-ровскими магнитометрами POS-1 с одновременной регистрацией вариаций геомагнитного поля. Съемка по предварительно разбитой сети гравиметрических профилей произведена со спутниковой топопривязкой в непрерывном режиме с остановками на пикетах через 50 метров. Регистрация вариаций магнитного поля Земли с интервалами записи от 3 до15 секунд осуществлялась аналогичным магнитометром POS-1, установленном в спокойном магнитном поле с горизонтальным градиентом, не превышающем 3 нТл/м. На магнитную съемку затрачено 30 рабочих дней. Аппаратура POS показала хорошую работу при температурах до -30°С. Оценка погрешности съемки производилась по контрольным наблюдениям, расположенным равномерно на площади, в количестве 4.8% от общего числа пунктов. Средняя квадратическая погрешность определения магнитного поля составила 2.5 нТл.

Предварительная интерпретация выполнена с применением технологии решения трехмерной обратной задачи магнитометрии на основе адаптивного метода Adm-3d. Результатом стала послойная магнитная модель глубинного строения участка, приведенная в публикации [4]. Полученное решение показало, что наблюдаемые магнитные аномалии вызваны неоднородностями среды, расположенными на глубинах порядка 34 км. Контраст в магнитных свойствах вышележащих слоев выражен слабее. Анализ изменения поля вдоль профилей показывает, что помимо плавно изменяющегося в течение многих километров аномального магнитного поля амплитудой до 400 нТл, на некоторых участках профилей регистрируются менее протяженные с меньшей амплитудой аномалии. В основном величина их составляет до 50-100 нТл, протяженность -от 50 до 500 метров. Можно сделать предположение о примерно такой же глубине залегания источников этих аномалий - в осадочном чехле. Для достоверного выявления указанных локальных аномалий на фоне влияния глубокозалегающих магнитоак-тивных тел выполняется пересчет магнитного поля в верхнее полупространство. Для получения собственно локальных аномалий используется разница между полем, пересчитанным на 20 м и усредненным в окне 1 км (рис. 11).

Профиля локальных аномалий приведены на рис. 10 поверх карты магнитного поля участка. Некоторые особенности магнитного поля проявляются одинаково на

соседних профилях, однако небольшая протяженность некоторых аномалий не дает возможности увидеть эту корреляцию в масштабе приведенной карты. Усредненный в скользящем окне длиной 1 км модуль локальной составляющей магнитного поля построен на площадной карте (рис. 10, заливка). Его величина нормирована на единицу. Значения меньше 0,2 на карте не приводятся, отражены только области с повышенной величиной локальной составляющей поля.

(слева) Рис. 10. Карта магнитного поля участка и выявленные микромагнигные аномалии: а - изолинии аномального магнитного поля; б - остаточные локальные аномалии вдоль профилей измерения; в - шоссе и грунтовые дороги; г - линия электропередач; д - контур, объединяющий расположение наибольших амплитуд локальных магнитных аномалий [4, 17].

(внизу) Рис. 11. Обработка на примере одного из профилей: вверху - выделение локальных аномалий с помощью пересчета в верхнее полупространство; внизу - локальные аномалии по рядовым и контрольным измерениям [4, 17].

с;160

«{120

0 с

1 80

н

Ё 40

КЗ

5 ■

I)

мал и и но рядовым измерениям

--то же. по контрольным измерениям

1-1—1—I-1-1-1—1-1-1-1-1-1-1—I—I-1-1—г

13 14 15 16

Расстояние вдоль профиля, км

~г

4 6 К 1(1 12 14 Расстояние вдоль профиля, км

рядовые полевые измерения контрольные полевые измерения >ядовые измерения, пересчет на 20 м контрольные измерения, пересчет на 20 м

■ ■ - исходное магнитное поле - пересчет на высоту 20 м

Таким образом, непрерывный режим магнитометрической съемки с применением топопривязки навигационным приемником GPS на нефтеперспективном Западно-Байкаловском участке позволил выявить микромагнитные аномалии, связанные с геологическими неоднородностями в верхней части разреза.

Наземная магнитная съемка при поиске кимберлитовых тел. Под руководством автора при участии сотрудника института геофизики В.В.Пономарева технология магнитометрической съемки по описанной методике с применением комплекса аппаратуры POS была внедрена в алмазодобывающей компании Катока (республика Ангола). Задача поиска кимберлитовых трубок иногда является одной из сложнейших для магнитометрии. Создаваемые этими объектами аномалии, как правило, невелики (десятки нанотесла), и поля перекрывающей толщи, неоднородной по мощности и магнитной восприимчивости, иногда их значительно превышают.

Наземная магнитная съемка проводилась для детализации результатов аэромагнитной съемки масштаба 1:5000, выполненной на перспективной площади ГНПП "Аэрогеофизика" в 2004 году. Сравнение результатов наземных и аэромагнитных съемочных работ на примере двух участков (рис. 12, 13) позволяет заключить, что наземная магнитная съемка дает дополнительную информацию и позволяет детализировать выявленные аэромагнитометрией аномалии. Сопоставление карт позволяет разделить аэромагнитные аномалии от нескольких объектов на вызывающие их источники. Качественная интерпретация выявленных аномалий возможна с применением геологической информации. Полученные карты магнитного поля вблизи поверхности, а также карты градиента помогут геологу выделять источники аномального поля и разделять их по глубине. Интерпретация результатов наземной магнитометрической съемки и аэромагнитометрии кимберлитовой трубки Чиузо на основе адаптивного метода решения обратных задач магнитометрии (В.А. Кочнев) приведен в публикации [13].

Обнаружение ферромагнитных объектов в укрывающих средах. Проблема поиска погребенных железных объектов является важной как экологической, так и инженерной задачей. Наземная магнитометрия, наряду с электромагнитными методами (ме-таллодетекторами), является одним из основных методов обнаружения погребенных железосодержащих предметов. Несмотря на наличие в арсенале поисковиков современных высокочувствительных глубинных металлоискателей, магнитометрический метод поиска не теряет актуальности, хотя и является более затратным и медленным.

Развитие технологии поиска захороненных железных объектов до уровня, позволяющего проводить поиски в сложных условиях (объекты, заглубленные в грунте или находящиеся под водой, пересеченная местность, большой градиент магнитного поля) - стало целью проекта МНТЦ №3753, соисполнителем которого был Институт геофизики УрО РАН. Технология основана на методике многоканальной градиентометриче-ской съёмки с помощью абсолютных модульных магнитометров. Экспериментальные работы проведены на специально созданном в геофизической обсерватории Арти полигоне. Непосредственно на поверхности земли были расположены 10 железных тел цилиндрической формы, различных размеров и весов. Позиционирование датчика магнитометра проводилось с помощью меток на веревках с точностью до 10 см. Съемка выполнена на шести высотах 0,5, 1, 1,5, 2, 2,5 и 3 м по сети 0,5x0,5 м. Для контроля погрешности измерений на высотах 0,5 и 1,5 м съемка выполнена дважды. Наименьшее достигнутое среднее квадратическое отклонение разности двух серий измерений составило 1,2 нТл. Основной источник погрешности - неточность позиционирования датчика. С ростом высоты съемки погрешность уменьшается.

Рис. 12. Карта аномального магнитного поля участка 414: слева - аэромагнитная съемка (высота 70 м); справа - наземная съемка (высота 3 м) [12].

Восток, м Восток, м

Рис. 13. Карта аномального магнитного поля участка Мбило: слева - аэромагнитная съемка (высота 70 м); справа - наземная съемка (высота 3 м) [12].

На рис. 14 показан результат измерения магнитного поля над цилиндром массой 15 кг. На высоте 3 м аномальный эффект составляет единицы нанотесла, но контур, форма и положение экстремумов аномалии достаточно хорошо выявляются. Таким образом, этот экспериментальный объект мог быть уверенно обнаружен на глубине 3 метра, что недоступно для современных металлодетекторов. Измерение поля на нескольких высотах и современные технологии интерпретации позволяют определять характеристики искомых скрытых объектов.

Рис. 14. Аномалия модуля магнитной индукции от цилиндра массой 15 кг на высотах 1, 2 и 3 м; обозначения осей - метры, раскраска едина для всех карт [16].

Магнитная съемка в непрерывном режиме с помощью пешеходного магнитометра может быть осуществлена на акватории с борта легкой лодки. Такая технология использована нами для локализации железных объектов, находящихся под водой [14].

Магнитометрическое картирование археологических памятников. Геофизические методы в настоящее время активно используются при археологических исследованиях для выявления остатков искусственных древних сооружений в верхней части геологического разреза. Интересующая археологов мощность разреза колеблется от первых десятков сантиметров до десяти метров. В этом интервале глубин расположен так называемый культурный слой, характеризующийся искусственно переработанными грунтами и содержащий остатки многовековой деятельности человека. Физические свойства этих объектов сильно изменчивы и могут быть изучены геофизическими методами, которые, в отличие от традиционных археологических способов исследования, являются неразрушающими. Из-за невозможности проведения раскопок на всей площади археологического памятника, которая часто составляет несколько гектар, геофизическая информация может оказаться единственным источником знаний о невскрытой его части. Предварительные геофизические исследования позволяют заменить сплошные раскопки выборочными, указать наиболее интересные для археологов площадки. На первоначальном этапе геофизических исследований на археологических памятниках используется магнитометрия по причине достаточной информативности, оперативности и экономичности.

Автором совместно с В.В.Носкевичем и Н.В.Федоровой разработана поэтапная технология магнитометрических исследований археологических памятников [2], опробованная на примере поселений бронзового века Журумбай, Коноплянка и Ольгино. На Южном Урале известно более двух десятков таких комплексов, принадлежащих синташтинской культуре и объединенных общим названием «Страна городов». Большинство из них открыто по результатам дешифрирования аэрофотоснимков. При магнитометрических работах использовались отечественные магнитометры-градиентометры POS и канадский градиентометр Scintrex SM-5. Перед проведением магнитной съемки с помощью металлодетектора была проведена очистка участка от техногенного железного мусора, наличие которого могло значительно исказить картину распределения магнитных аномалий от древних объектов. Участки съемки разбивались на планшеты размерами 20x20 м. Съемка проводилась по подготовленной сети наблюдений с детальностью 0,5x0,5 м.

Поселение Коноплянка имеет прямоугольную форму с закругленными углами. Размеры - около 140 метров по меридиану и 80 метров по широте. В настоящее время на местности рельеф поселения почти не просматривается, границы памятника не устанавливаются. В результате магнитной съемки, удалось точно привязать на местности расположение поселения и получить более детальную информацию о его архитектуре (рис. 15).

Рис. 15. Карта аномального магнитного поля северной части поселения Коноплянка. Выделены предполагаемые внутренние границы помещений [6].

На исследуемом участке четко выделяются протяженные аномалии, соответствующие стенам поселений и окружающим их рвам. Наиболее интенсивные аномалии изометричной формы, размерами до пяти метров, соответствуют очагам. Детальный анализ магнитной карты позволяет проследить границы между отдельными помещениями внутри памятника, особенности строения стен, рвов и других объектов [2, 6]. Таким образом, применение высокочувствительной аппаратуры при магнитометрическом картировании археологических памятников позволяет восстановить архитектуру, особенности внутреннего строения данных объектов в части, не охваченной раскопками [5].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Экспериментально доказано, что для надежного выявления как можно меньших изменений геомагнитного поля необходимо фиксировать разницу показаний между двумя магнитометрами при условии синхронизации моментов запуска измерения с точностью до 1 мс.

2. На примере магнитометра POS показано, что при заявленной производителем чувствительности прибора в условиях обсерватории в 0,02 нТл, в реальных геолого-геофизических условиях невозможно выделить особенности изменения геомагнитного поля амплитудой менее чем 0,05 нТл.

3. Установлено, что при проведении длительных наблюдений геомагнитного поля дрейф разности показаний протонных магнитометров вследствие влияния геолого-геофизических факторов среды, а также изменений температуры, может достигать единицы нанотесла. Для организации долговременных мониторинговых измерений следует проводить отбор наиболее стабильных приборов и выбирать точку наблюдения с учетом геолого-геофизических условий вокруг нее [7,8,10].

4. Исследована точность определения координат с помощью навигационного приемника GPS (на примере Garmin), которая составляет от 5 до 50 метров и зависит от условий видимости спутников. Таким образом, спутниковую топопривязку с помощью сопряженного с магнитометром приемника GPS можно использовать при съемках масштаба не более 1:50 000. При микромагнитных съемках применение топопривязки с помощью GPS недопустимо, т.к. приводит к существенным искажениям полученного распределения магнитного поля.

5. Для достижения наибольшей точности пешеходной магнитной съемки предложено определять влияние намагниченности оператора и магнитометра и вычитать ее как девиационную поправку при обработке результатов.

6. Показано, что непрерывный режим регистрации магнитного поля во время съемки позволяет оперативно проводить картирование больших площадей, однако характеризуется меньшей точностью, чем традиционная методика съемки. Выявляемые в результате съемки в непрерывном режиме микромагнитные аномалии позволяют локализовать неоднородности геологической структуры в верхней части разреза.

7. Разработано программное обеспечение Surv, позволяющее эффективно проводить первичную обработку результатов магнитометрической съемки и учет вариации магнитного поля.

8. Методика магнитной съемки высокочувствительными магнитометрами показала свою эффективность при поиске и картировании кимберлитовых трубок [12,13], для картирования нефтеперспективного участка [4], для решения инженерных задач [16], в комплексе геофизических исследований на золото [9], на рассыпном месторождении демантоидов [1].

9. Микромагнитная съемка с применением высокочувствительных магнитометров позволяет увеличить эффективность поиска неразорвавшихся боеприпасов и других ферромагнитных объектов на суше и акваториях [14].

10. Применение высокочувствительных магнитометров позволяет эффективно выполнять магнитометрическое картирование археологических памятников, восстанавливать архитектуру, особенности строения территории, не охваченной раскопками [2,5,6].

Основные результаты диссертации изложены в следующих научных работах:

Статьи, опубликованные в ведущих рецензируемых научных журналах, рекомендованных Высшей аттестационной комиссией:

1. Давыдов В.А., Бакаев В.П. Муравьев ДА. Опытные геофизические работы на Полдневском месторождении демантоидов // Известия вузов - Горный журнал № 6, 2010 г, Екатеринбург: изд-во УГГГУ. - С. 99-104.

2. Носкевич В.В., Федорова Н.В. Муравьев Л.А. Использование магнитометрии при изучении археологических памятников эпохи бронзы на Южном Урале // Геофизика №4,2010 г. - С. 69-75.

Статьи, опубликованные иных периодических научных журналах:

3. Муравьев Л.А. Возможности высокочувствительных магнитометров POS при проведении геомагнитных съемок // Уральский геофизический вестник, №1(10) (сб. статей). - Екатеринбург: УрО РАН, 2007. - С.56-60.

4. Муравьев Л.А. Возможности магнитометрической съемки в непрерывном режиме при исследовании нефтеперспективного участка [Электрон, ресурс] // Электронный научный журнал "Нефтегазовое дело", 2007. - Режим доступа: http://www.ogbus.ru/authors/Muraviev /Muraviev_l .pdf.

5. Муравьев Л.А. Носкевич В.В., Федорова Н.В. Результаты магнитометрических исследований археологических памятников эпохи Бронзы на Южном Урале // Уральский геофизический вестник, №1(14). - Екатеринбург: УрО РАН, 2009. -С.44-49.

6. Носкевич В.В., Федорова Н.В. Муравьев Л.А. Картирование археологических памятников с помощью магнитометрии // Уральский геофизический вестник, №2(17). - ЕкатеринбурпУрО РАН, 2010. - С. 47-52.

7. Муравьев Л.А. Полевые исследования метрологических характеристик современных пешеходных магнитометров [Электрон, ресурс] // Международный научно-технический и производственный журнал «Науки о Земле» №1, 2011. - М.: ООО «ГеоДозор», 2012. - С. 50-67. - Режим доступа: http://geo-science.ru/wp-content/uploads/GeoScience-01 -201 l-p-50-67.pdf.

Основные публикации в сборниках материалов конференций:

8. Муравьев Л.А. Требования к точности синхронизации моментов измерения магнитного поля для выделения тектономагнитных сигналов // Четвертая Уральская молодежная школа по геофизике. Учебно-Научные материалы. Пермь, изд-во Горного института. 2003 г-С.136-137.

9. Муравьев Л.А. Применение магнитометров POS в комплексных геофизических изысканиях на золото // Шестая Уральская молодежная школа по геофизике. Учебно-Научные материалы. - Пермь, изд-во Горного института, 2005. -С.145-148.

Ю.Муравьев Л.А. Сравнение метрологических характеристик пешеходных магнитометров POS и Geometries // Современные проблемы геофизики. Седьмая Уральская молодежная школа по геофизике. Сборник материалов. - Екатеринбург: УрО РАН, 2006. - С. 94-98.

П.Доломанский Ю.К. Муравьев Л.А. Геомагнитный павильон обсерватории Арти // 170 лег обсерваторских наблюдений на Урале: история и современное состояние. Материалы международного семинара. - Екатеринбург, 2006. - С. 70-71.

12. Феликс Ж.Т., Файрузов Р., Пономарев В.В., Муравьев Л.А., Чифунгу Т., Перейра А. Технология наземной магнитометрии при обнаружения коренных месторождений алмазов. Глубинное строение. Геодинамика. Тепловое поле Земли.

Интерпретация геофизических полей. Четвертые научные чтения памяти Ю.П.Булашевича. Материалы. - Екатеринбург: ИГФ УрО РАН, 2007. - С. 169-172.

13. Муравьев Л.А. Кочнев В.А., Гоз И.В., Перейра А. Опыт решения обратных задач магнитометрии на кимберлитовом объекте. Там же. - С.86-88.

14. Муравьев Л.А. Угрюмов И.И. Поиск железных объектов на акватории при помощи наземного магнитометра // Девятая Уральская молодежная школа по геофизике. Современные проблемы геофизики: сборник материалов. - Екатеринбург: УрО РАН, 2008. - С. 120-121.

15. Муравьев Л.А. Некоторые особенности непрерывного режима наземной магнитной съемки // Вопросы теории и практики геологической интерпретации гравитационных, магнитных и электрических полей: Материалы XXXVI сессии Международного семинара (г. Казань, 26-31 января 2009 г.) / Сост. H.H. Равилова. -Казань: Изд-во Казан, гос. ун-та, 2009. - С 240-241

16. Доломанский Ю.К. Муравьев Л.А. Ратушняк А.Н., Федорова Н.В. Магнитометрический поиск техногенных железных объектов в укрывающих средах // Глубинное строение. Геодинамика. Тепловое поле Земли. Интерпретация геофизических полей. Пятые научные чтения памяти Ю.П.Булашевича. Материалы. -Екатеринбург: ИГФ УрО РАН, 2011. - С. 124-127.

П.Муравьев Л.А. Особенности обработки наземной магнитной съемки в непрерывном режиме для выделения слабоконтрастных геологических объектов // Четырнадцатая уральская молодежная школа по геофизике: сборник науч. материалов. - Пермь: ГИ УрО РАН, 2013. - С. 190-195.

Муравьев Лев Анатольевич Применение высокочувствительных пешеходных магнитометров

в геофизических исследованиях. Автореф. дисс. на соискание учёной степени кандидата тех. наук. Подписано в печать 08.05.2013. Заказ №154/13 Формат 60x90/16. Усл. печ. л. 1. Тираж 100 экз. Отпечатано с оригинал-макета в типографии "Печатное поле" 620075, г. Екатеринбург, ул. Тургенева, 7

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Муравьев, Лев Анатольевич, Екатеринбург

ФГБУН Институт геофизики им. Ю.П.Булашевича Уральского отделения Российской академии наук

На правах рукописи

04201358513

МУРАВЬЕВ ЛЕВ АНАТОЛЬЕВИЧ

ПРИМЕНЕНИЕ ВЫСОКОЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ ПЕШЕХОДНЫХ МАГНИТОМЕТРОВ В ГЕОФИЗИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЯХ

Специальность 25.00.10 - геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук

Научный руководитель: кандидат физ.-мат. наук Ю.К.ДОЛОМАНСКИЙ

Екатеринбург - 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..................................................................................................................3

ГЛАВА 1 СОВРЕМЕННЫЕ ВЫСОКОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЕ ПЕШЕХОДНЫЕ ГЕОМАГНИТОМЕТРЫ...........................................................................................12

1.1 Развитие техники абсолютных геомагнитных измерений...................12

1.2 Сравнительная характеристика современных пешеходных модульных высокочувствительных магнитометров..............................................................14

1.3 Оверхаузеровский ядерно-прецессионный магнитометр POS............17

1.4 Выводы по главе 1....................................................................................22

ГЛАВА 2 ВЫДЕЛЕНИЕ МАЛЫХ ИЗМЕНЕНИЙ ГЕОМАГНИТНОГО ПОЛЯ В РЕАЛЬНЫХ ГЕОЛОГО-ГЕОФИЗИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ................................23

2.1 Магнитометрические измерения в реальных условиях.......................23

2.2 Натурное сравнение магнитометров POS и geometries G858..............30

2.3 Натурное сравнение магнитометров POS и Scintrex SM-5..................33

2.4 Выводы по главе 2....................................................................................39

ГЛАВА 3 МЕТОДИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ МАГНИТОМЕТРИЧЕСКОЙ СЪЕМКИ СО СПУТНИКОВОЙ ТОПОПРИВЯЗКОЙ..........................................41

3.1 Общая характеристика магнитометрической съемки с применением магнитометров POS...............................................................................................42

3.2 Особенности спутниковой технологии определения координат точек измерения .........................................................................................................46

3.3 Экспериментальное изучение точности определения координат с помощью навигационного приемника GPS........................................................50

3.4 Непрерывный режим измерений............................................................55

3.5 Программное обеспечение для обработки результатов магнитометрической съемки................................................................................58

3.6 Выводы по главе 3....................................................................................62

ГЛАВА 4 ПРИМЕРЫ ПРИМЕНЕНИЯ ВЫСОКОЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ МАГНИТОМЕТРОВ.................................................................................................63

4.1 Выделение приповерхностных неоднородностей геологического строения с помощью магнитной съемки в непрерывном режиме....................................64

4.2 Обнаружение ферромагнитных объектов в укрывающих средах.......73

4.3 Наземная магнитная съемка при поиске кимберлитовых тел.............80

4.4 Магнитометрическое картирование археологических памятников.... 87

4.5 Выводы по главе 4....................................................................................93

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.........................................................................................................94

ЛИТЕРАТУРА...........................................................................................................96

ВВЕДЕНИЕ

Важной проблемой современной разведочной геофизики является выявление и исследование слабоконтрастных геологических объектов. Под таковыми понимаются объекты, слабо проявляющиеся в физических полях, регистрируемых геофизической аппаратурой [65]. Сложность их изучения обусловлена тем, что геофизические измерения проходят на фоне помех совершенно разной природы. Произошедшие в последнее время принципиальные изменения в аппаратурном обеспечении практически всех видов геофизических работ, связанные с повышением чувствительности и разрешающей способности приборов, делают эти исследования еще более актуальными.

В данной работе рассмотрена возможность использования высокочувствительной модульной магнитометрической аппаратуры для выявления и изучения характеристик геологических и искусственных слабоконтрастных объектов в магнитном поле.

Примерами могут быть: пространственные неоднородности в верхней части геологического разреза, слабо дифференцированные по магнитным свойствам от вмещающей среды; глубинные протяженные геологические тела; искусственные магнитные объекты, имеющие небольшие размеры, что затрудняет их обнаружение в укрывающих средах; измененный в результате деятельности человека культурный слой.

Дополнительная информация может быть получена путем наблюдения отражения в магнитном поле эффектов, возникающих при искусственном или естественном воздействии на эти объекты. Появление высокочувствительных магнитометров позволит более надежно регистрировать малые изменения магнитного поля, вызванные, например, тектономагнитным, сейсмомагнитным, пьезомагнитным эффектами, электрокинетическими явлениями в геологической среде.

Осложняющими исследования помехами могут быть: магнитные поля от других геологических тел, в том числе региональные аномалии; вариации земного

магнетизма и техногенные магнитные помехи; погрешности приборов и методики измерений.

Целыо настоящего исследования является методическая проработка процедуры получения надежных исходных данных магнитометрии с помощью имеющихся в настоящее время высокочувствительных приборов.

Для регистрации геомагнитного поля в работе использован ядерно-прецессионный магнитометр POS на основе процессорного оверхаузеровского датчика, обладающий высокой градиентоустойчивостыо, возможностью сохранения данных в энергонезависимой памяти и реализацией подключения навигационного приемника GPS для определения координат точки измерения. Прибор производится серийно в лаборатории квантовой магнитометрии УрФУ [78]. Проведенные в лабораторных и обсерваторских условиях эксперименты позволили определить при отсчетной величине 0,001 нТл, абсолютную точность прибора ±0,5 нТл, и чувствительность до 0,02 нТл [111].

За методологическую основу работы была принята предписываемая инструкцией по магниторазведке [26] технология проведения магнитной съемки. С помощью одной группы приборов осуществляется площадная съемка или мониторинговое наблюдение вблизи изучаемого объекта. Другая расположена вне него и служит для регистрации вариаций геомагнитного поля.

Выполнен анализ методических и метрологических особенностей проведения измерений высокочувствительными магнитометрами в реальных геолого-геофизических условиях. Уточнена технология проведения магнитометрической съемки с учетом геомагнитных вариаций и с применением спутниковой топопривязки. Разработаны программные продукты для обработки результатов магнитометрической съемки и выделения сигналов на фоне вариаций геомагнитного поля.

Итогом работы является методика использования высокочувствительных модульных магнитометров при геофизических исследованиях. Ее эффективность показана на различных практических примерах. Методика и программы применяются в практике геофизических работ в производственных организациях [43, 84].

Актуальность темы исследования. Повышение эффективности, глубинности и разрешающей способности геофизических методов исследования земной коры является актуальной задачей. Прирост мировых минерально-сырьевых запасов в настоящее время связан с поисками и разведкой месторождений, не обнаруженных ранее ввиду слабой дифференциации поисковых признаков в наблюдаемых полях. Одним из оперативных, высокопроизводительных и экономичных геофизических методов является магнитометрия.

Появление высокочувствительной магнитометрической аппаратуры позволяет не только выполнять исследования более эффективно, но и осуществлять недоступные ранее геофизические эксперименты. При повышении чувствительности магнитометрической аппаратуры на 2—3 порядка расширяется круг регистрируемых физических явлений, которые влияют на конечный результат эксперимента. Они могут исказить или затруднить интерпретацию результатов магнитной съемки, а также стать непосредственным предметом изучения.

Степень разработанности. Увеличение чувствительности магнитометрических приборов до уровня ниже 1 нТл, а также усовершенствование методик их применения связано с работами Е.Б. Александрова, Г.В. Васюточкина, Л.Л. Декабруна, Г.К. Жирова, В.П. Пака, А .Я. Ротштейна, В.П. Трипольского, В.С. Циреля и др. Теоретические и экспериментальные работы В.М. Стоцкого, В.М. Рыжкова, А.И. Филатова, В. Балдина позволили создать ядерно-прецессионный оверхаузеровский магнитометр с отсчетной величиной 0,001 нТл, который выпускается серийно в лаборатории квантовой магнитометрии УрФУ, возглавляемой В.А. Сапуновым.

Основные положения методики пешеходной магнитометрической съемки заложены В.В.Бродовым, Г.В. Васюточкиным, Ю.С.Глебовским, В.Е.Никитским и закреплены в виде инструкции по магниторазведке. Появление

высокочувствительных и компактных пешеходных магнитометров позволяет применить методы магнитометрической съемки для решения как традиционных, так и новых геофизических проблем. Особенности протекания геомагнитных вариаций во взаимосвязи с геологическим строением изучались Ю.П. Булашевичем, Б.А. Ундзенковым, В.А. Шапиро, Н.В. Федоровой, В.А. Пьянковым.

Цель работы - разработка методики применения современных высокочувствительных магнитометров для изучения геологических объектов и явлений на фоне геомагнитных помех и развитие программных средств обработки магнитных измерений.

Для достижения этой цели решены следующие прикладные методические задачи:

а) экспериментально исследованы метрологические характеристики современных российских и зарубежных высокочувствительных магнитометров в реальных геолого-геофизических условиях;

б) уточнена методика выполнения наземных магнитных съемок с применением высокочувствительных магнитометров;

в) экспериментально исследована погрешность определения координат портативными спутниковыми средствами навигации, совмещенными с магнитометром;

г) созданы средства обработки результатов измерений геомагнитного поля с учетом вариации и спутниковой топопривязкой;

Предлагаемая методика использования высокочувствительных магнитометров испытана на следующих примерах: выявление приповерхностных не-однородностей геологического строения на фоне слабоградиентной протяженной аномалии; поиск и картирование кимберлитовых тел; выявление ферромагнитных объектов в укрывающих средах и изучение археологических памятников.

Научная новизна

Научная новизна данной работы заключается в том, что впервые:

- в естественных геолого-геофизических условиях экспериментально исследованы метрологические характеристики современных высокочувствительных пешеходных магнитометров: квантовых Scintrex-SM5 и Geometries G-858 и оверхаузеровских POS;

- исследована погрешность определения координат навигационным приемником GPS (на примере Garmin) при построении магнитных карт;

- разработано программное обеспечение для обработки результатов магнитометрической съемки со спутниковой топопривязкой и учета вариации геомагнитного поля;

Теоретическая и практическая значимость

Разработанная методика использования высокочувствительных магнитометров имеет теоретическую и практическую ценность в различных областях техники и науки, в частности: поиске и разведке полезных ископаемых, археологии, инженерной геофизике, экологии, для целей обнаружения скрытых ферромагнитных объектов промышленного и военного происхождения [22].

Накоплен положительный опыт применения наземной магнитометрии по разработанной методике в комплексе геофизических исследований на золото [43], для целей картирования кимберлитовых трубок [108], на рассыпном месторождении демантоидов [16], для построения модели разреза при поиске углеводородов [47].

Технология применения магнитометров на примере POS, а также программные продукты для обработки результатов измерений внедрены автором в ряде геофизических организаций, среди которых МП «Электра», г.Южно-Сахалинск, горно-рудное общество «Катока», респ. Ангола.

Методология и методы исследования основаны на изучении трудов отечественных и зарубежных ученых и специалистов-практиков в области высокоточной магнитометрии, геофизики и приборостроения. Поставленные задачи решались в основном экспериментальными методами: натурные эксперименты, моделирование, сравнение результатов, полученных в различных условиях. Математическая обработка выполнялась с использованием современного программного обеспечения и вычислительной техники.

Положения, выносимые на защиту

1. Экспериментально показано, что синхронизация моментов измерений высокочувствительными оверхаузеровскими магнитометрами с точностью 10" с позволяет регистрировать в разностном режиме изменения геомагнитного поля амплитудой 0,5—0,05 нТл в зависимости от геолого-геофизических условий в месте наблюдения.

2. Разработанная методика пешеходной магнитной съемки с определением координат с помощью навигационного приемника GPS позволяет выделять поле от слабоконтрастных магнитных объектов на фоне более протяженных и интенсивных аномалий геологической среды.

3. Использование высокочувствительных магнитометров при проведении микромагнитной съемки археологических памятников позволяет выявлять особенности их строения, что показано на примере картирования двух укрепленных городищ эпохи Бронзы на Южном Урале.

Фактический материал и личный вклад автора

Работа подготовлена по результатам исследований, начатых автором в 1999 г. под научным руководством к.ф.-м.н Ю.К.Доломанского. Проведение экспериментов, разработка технологии магнитной съемки, алгоритма обработки ее результатов выполнены автором лично. Эксперименты по сопоставлению метрологических характеристик магнитометров выполнены автором совместно с отделением геофизики Геологического факультета МГУ, с сотрудниками лаборатории-обсерватории Арти ИГФ а также при помощи коллектива ООО «МП Электра». Результаты наземной геомагнитной съемки в Анголе получены сотрудниками геофизического сектора ГРО «Катока» при участии и под руководством автора. Аэромагнитная съемка, выполнена «Аэрогеофизика», результаты предоставлены заказчиком - ГРО «Катока». Интерпретация результатов магнитных съемок на Западно-Байкаловском участке и в республике Ангола на основе адаптивного метода решения обратной задачи магнитометрии выполнена совместно с В.А.Кочневым. Разработка методики магнитной съемки археологических памятников проведена совместно с В.В.Носкевичем и под руководством Н.В.Федоровой.

Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность обеспечена применением адекватных методик экспериментальных работ, современных средств обработки результатов, верификацией на различных объектах, проведением контрольных измерений в необходимом объеме.

Результаты работы доложены и обсуждены на международных научных конференциях (35-я и 36-я сессии Международного семинара им. Д. Г. Успенского, Ухта, 2008, Казань, 2009; "Геонауки - от новых идей к новым открытиям", С.-Петербург, 2008; "170 лет обсерваторских наблюдений на Урале: история и современное состояние.", Екатеринбург, 2006; "Геомодель", С.Петербург, 2006, Четвертые и пятые научные чтения памяти Ю.П.Булашевича, Екатеринбург, 2007, 2009), молодежных научных конференциях (4-я, 5-я, 6-я, 7-я, 8-я, 10-я Уральская молодежная школа по геофизике, Екатеринбург, 2004, 2006,

2008, 2010, Пермь, 2003, 2005, 2007, Десятая Всероссийская научная конференция студентов-физиков и молодых ученых, Москва 2004), "Ломоносов" (Москва, 2007, 2008, 2009), а так же на отчетных конференциях молодых ученых ГОУ УГТУ-УПИ (2002-2007 гг) и др.

Результаты некоторых работ вошли в отчеты, имеющиеся в фондах организаций (ООО «МП Электра», ГРО «Катока», «ФГеоКонсалтинг», ФГУП «СвердловскАвтодор», ООО «Урупская ГТК»)

Публикации. По теме диссертации опубликовано 38 научных работ, в том числе 7 статей в периодических изданиях и 31 публикация в сборниках тезисов и материалов конференций, 2 статьи опубликованы в журналах из утвержденного ВАК перечня ведущих периодических изданий.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, содержит 110 страниц текста, 41 рисунок и 2 таблицы. Список литературы составляет 113 наименований, в том числе 22 на английском языке.

Благодарности

Автор выражает глубокую благодарность своему научному руководителю к.ф.-м.н. Ю.К.Доломанскому за постановку задачи, ценные дискуссии, и обсуждения деталей исследования, члену-корреспонденту РАН В.И.Уткину за всемерную помощь и моральную поддержку в осуществлении данной работы.

Автор благодарит к.ф.-м.н В.А.Сапунова и весь коллектив лаборатории Квантовой магнитометрии физико-технического института УрФУ за ценные обсуждения экспериментов, а также оперативное усовершенствование аппаратуры по рекомендациям автора, сформулированным в результате работы.

Автор благодарен заведующему геофи