Разработка технологии пешеходной магнитометрии для целей инспекции на месте в рамках Договора о всеобъемлющем запрещении ядерных испытаний

Сагарадзе, Дмитрий Александрович

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Разработка технологии пешеходной магнитометрии для целей инспекции на месте в рамках Договора о всеобъемлющем запрещении ядерных испытаний
ВАК РФ 25.00.10, Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых

Автореферат диссертации по теме "Разработка технологии пешеходной магнитометрии для целей инспекции на месте в рамках Договора о всеобъемлющем запрещении ядерных испытаний"

На правах рукописи

Сагарадзе Дмитрий Александрович

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ПЕШЕХОДНОЙ МАГНИТОМЕТРИИ ДЛЯ ЦЕЛЕЙ ИНСПЕКЦИИ НА МЕСТЕ В РАМКАХ ДОГОВОРА О ВСЕОБЪЕМЛЮЩЕМ ЗАПРЕЩЕНИИ ЯДЕРНЫХ ИСПЫТАНИЙ

Специальность 25.00.10 — Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Екатеринбург • 2005

Работа выполнена в Федеральном государственном унитарном предприятии "Российский федеральный ядерный центр — Всероссийский научно-исследовательский институт технической физики им. акад. Е.И. Забабахина" (ФГУП РФЯЦ — ВНИИТФ им. акад. Е.И. Забабахина) Федерального агентства по атомной энергии

Научный руководитель доктор геолого-минералогических наук,

Ведущая организация — Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский проектно-изыскательский и научно-исследовательский институт промышленной технологии" (ФГУП ВНИПИпромтехнологии) Федерального агентства по атомной энергии

Защита диссертации состоится 18 марта 2005 г. в 12 часов на заседании диссертационного совета Д 004.009.01 при Институте геофизики УрО РАН по адресу: 620016, г. Екатеринбург, ул. Амундсена, 100.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИГФ УрО РАН.

профессор Кормильцев Валерий Викторович

Официальные оппоненты:

доктор геолого-минералогических наук, профессор Владимир Викторович Филатов; кандидат физико-математических наук Наталья Васильевна Федорова

Автореферат разослан

2005 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор физико-математических наук, профессор

Ю.В. Хачай

В 1994—1996 годах на Конференции по разоружению был согласован текст Договора о всеобъемлющем запрещении ядерных испытаний (далее по тексту — Договор или ДВЗЯИ). По решению Генеральной Ассамблеи ООН в сентябре 1996 года Договор был открыт для подписания и на сегодняшний день подписан более чем 160 государствами. Согласно положениям Договора, он может вступить в силу при условии его ратификации 44 государствами, обладающими на сегодня ядерными технологиями. В сентябре 2000 года Договор был ратифицирован Российской Федерацией.

Договор направлен на принятие эффективных мер по ядерному разоружению и нераспространению ядерного оружия. Для обеспечения Договора предусматривается применение эффективной системы контроля, включающей международную систему мониторинга и инспекционную деятельность,

В случае фактического нарушения Договора (проведение ядерного взрыва), с помощью средств международной системы мониторинга, которые включают сеть сейсмических, радионуклидных, гидроакустических и инфразвуковых станций, а также и национальные технические средства государств-участников Договора, в большинстве случаев возможно получение информации, на основании которой можно сделать предположение о нарушении Договора. Любое государство-участник этого Договора вправе потребовать у международного сообщества проведение инспекции на месте сомнительного события (далее по тексту — инспекция на месте, или ИНМ). Цель инспекции на месте — окончательное подтверждение или опровержение факта нарушения Договора.

Актуальность работы

Для обеспечения надежного контроля Договора и предотвращения его нарушения необходимо наличие инспекционных технологий. Поэтому, на стадии вступления Договора в силу, разработка инспекционных технологий является актуальной задачей и связана с рядом методологических и технических задач.

гамма-спектрометрия, отбор и анализ твердых, жидких и газообразных экологических проб); геофизические методы (активная, пассивная и резонансная сейсмометрия, магнитометрия, гравиметрия, электрометрия и грунтопроникающие радарные измерения).

Одним из методов инспекции, как записано в Протоколе к Договору, является картирование магнитного поля с целью обнаружения аномалий или артефактов. В ходе совместных международных встреч экспертов по инспекционным видам и технологиям было принято их называть технологиями, а данный метод — технологией магнитометрии (ММ).

Цель применения геофизических технологий в ходе инспекции на месте состоит в поиске, локализации и идентификации скрыто проведенного подземного ядерного взрыва (ПЯВ) и определение его эпи-или гипоцентра. Это осуществимо только при их комплексном применении. При этом, каждая технология в отдельности должна обладать исчерпывающими возможностями для поиска эпи- или гипоцентра подземного ядерного взрыва.

Цель работы

Цель данной работы заключается в разработке технологии ММ для картирования магнитного поля методом пешеходной съемки модуля полного вектора магнитной индукции Земли. Технология ММ должна быть средством поиска и локализации эпицентральной зоны ПЯВ. Ее эффективность должна быть испытана и подтверждена практически на объектах ПЯВ.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Экспериментально изучены особенности аномалиимодуля полного векторамагнитной индукции иустановлены косвенные признаки проведения ПЯВ в скважине, обсаженной ферромагнитными конструкционными материалами. К указанным косвенным признакам относятся: а) ориентировка аномальной оси по магнитному меридиану вследствие изменения направления и величины остаточной намагниченности под воздействием факторов взрыва на колонну обсадных труб; б) заметная динамика указанной аномалии в первое время после взрыва.

2. Доказан факт существования и определеныхарактеристикиано-малии модуля полного вектора магнитной индукции петрофизического характера, какрезультата воздействия ПЯВнамагнитные горные по -роды. Аномалия петрофизического характера образуется, прежде всего, в результате температурного воздействия ПЯВ и, как следствие,

последующего термоперемагничивания при остывании пород от температур ниже точки Кюри в современном геомагнитном поле.

Предметом исследований является методика пешеходных измерений полного вектора магнитной индукции и его вертикальной составляющей, технические средства для его осуществления, логическая организация этих измерений и их применимость для поиска и локализации эпицентральной зоны подземного ядерного взрыва.

Объектами исследований являются аномалии модуля полного вектора магнитной индукции и его вертикальной составляющей в эпи-центральных зонах подземных ядерных взрывов. Данные исследования были проведены, в основном, на скважинных объектах ПЯВ.

Основные задачи исследований

Для достижения цели данной работы были решены следующие задачи:

1. Проведены экспериментальные работы на 22 объектах ПЯВ (на бывшем Семипалатинском испытательном полигоне и объектах в Оренбургской области).

2. Проанализированы и систематизированы экспериментальные данные. Определены характеристики аномалий модуля полного вектора магнитной индукции (Д7)ь и его вертикальной составляющей 1(Д2)

3. Проанализированы известные физико-математические модели (ФММ) образования аномалий ДТ„ как результата проведения подземного ядерного взрыва. Показаны достоинства данных моделей и определены причины неадекватности между моделируемыми и реальными аномалиями Д Т. Определен подход для разработки корректной ФММ образования аномалии Д7' в результате проведения ПЯВ.

4. По результатам экспериментальной отработки технологии ММ с использованием отечественных и зарубежных магнитометров, были установлены оптимальные технические требования к ним. Выполнение требований обеспечило эффективное применения выбранных магнитометров в рамках технологии ММ для целей инспекции на месте.

5. Разработано методическое руководство по технологии ММ для

инм двзяи.

Научная новизна работы

1. В результате экспериментальных работ, лично выполненных автором на трех объектах, и обобщения ранее полученных данных, детально изучены аномалии модуля полного вектора магнитной индукции Земли АТ, а также его вертикальной составляющей АИ в эпи-центральных зонах подземных ядерных взрывов. Установлено, что изученные геомагнитные аномалии являются следствием воздействия подземного ядерного взрыва на ферромагнитные конструкционные элементы (обсадные и спускные колонны труб при скважинных испытаниях ядерного оружия) и на вмещающие породы в магнитном поле Земли.

2. Установлены характеристики аномалий в эпицентральной зоне непосредственно над устьем скважины, где проводился подземный ядерный взрыв. Над устьем скважины аномалия ' имеет величину от + 10 300 до +56 000 нТл. Для аномалий характерны большая амплитуда, большой горизонтальный градиент над устьем скважины (до 44 000 нТл/м), а также динамические изменения амплитуды в течение периода от нескольких дней до нескольких месяцев после подземного ядерного взрыва. К периферии, на расстоянии 10 ч- 25 м севернее от устья, положительная часть аномалии затухает, уменьшается до нуля и переходит в область отрицательных значений -2800 -5- -300 нТл. Ось, соединяющая максимум и минимум данной аномалии всегда направлена по магнитному меридиану. Такая ориентация аномалии связана с перемагничиванием колонны обсадных труб в результате воздействия ПЯВ в современном геомагнитном поле. Это является косвенным признаком проведенного ПЯВ и существенным отличительным признаком данной аномалии от других аномалий техногенного характера.

возрастает от »5 нТл на периферии (800 1000 м от устья скважины) до 60 нТл ближе к устью скважины, на расстоянии = 50 м. Нам не удалось наблюдать динамику петрофизической аномалии непосредственно после взрыва по причине отсутствия недавних событий. Однако она должна иметь место в первые дни и недели после испытаний вследствие известных процессов эволюции очага ядерного взрыва. Таким образом, установлены косвенные признаки проведения ПЯВ по данным магнитометрии.

4. При физико-математическом моделировании для прогнозирования аномалии AT, как следствия воздействия ПЯВ на материалы с высокой магнитной проницаемостью (каковым является ферромагнитные колонны обсадных труб), использованы программы ИГф УрО РАН, учитывающие наряду с остаточной намагниченностью эффект размагничивания, который оказывает существенное влияние на характер аномалии. По результатам физико-математического моделирования установлено также, что основной причиной образования периферийной аномалии петрофизического характера являются магнитные породы, которые подверглись эффекту термонамагничивания от воздействия ПЯВ. Кроме этого установлено, что эффект термонамагничивания не является единственным. Поэтому, в дальнейшем, для совершенствования физико-математического моделирования аномалии ' необходимо проверить влияние магнитострикционного и магнитоупругого эффектов, а также влияние зоны откола на геомагнитную аномалию, как следствия воздействия ударной волны от ПЯВ в верхних слоях геологического разреза.

5. По нашему техническому заданию в лаборатории квантовой магнитометрии УГТУ — УПИ разработан специализированный магнитометр на базе POS-1. В данном магнитометре реализованы новые алгоритмы обработки сигналов с повышенным быстродействием, которые позволили проводить измерения в высоко градиентных геомагнитных полях, характерных для эпицентральной зоны ПЯВ. Данный магнитометр был адаптирован для совместной работы с приемниками системы глобального позиционирования (GPS). Это позволило, при необходимости, проводить съемку на поисковом этапе без предварительной разбивки сети наблюдений на местности, что важно ввиду ограниченности времени инспекции.

Практическая значимость и реализация работы

инспекций на месте, о котором сказано в Протоколе к Договору о всеобъемлющем запрещении ядерных испытаний (часть II, пункт 13). Оперативное руководство является документом исключительной важности для осуществления инспекций на месте. Проект данного документа был подготовлен в помощь Временному техническому секретариату Подготовительной комиссии Организации Договора о всеобъемлющем запрещении ядерных испытаний (ВТС ПК ОДВЗЯИ) и инспекционной группе при подготовке и проведении инспекций. Оперативное руководство основано на положениях Договора и результатах работы ВТС ПК ОДВЗЯИ и ее вспомогательных органов.

Результаты, полученные автором, используются в учебном процессе подготовки международных инспекторов по ИНМ ДВЗЯИ.

Результаты, полученные в данной работе, явились технической основой для успешной разработки технологии ММ для ИНМ в условиях ДВЗЯИ. Технология ММ была разработана и прошла практическую апробацию, а ее применение согласно методического руководства, позволяет найти и локализовать эпицентр скважинного ПЯВ при проведении международной инспекции на месте.

Следует отметить, что в диссертации сформулирован и намечен дальнейший ход работ для продолжения исследований в данной области. Новые результаты исследований также будут учтены в последующих вариантах Оперативного руководства.

Апробация работы

Основные выводы и положения данной работы были представлены на международных рабочих встречах экспертов по ИНМ ДВЗЯИ: Вена, Австрия, 25—31 мая 1999 г. [2]; Вена, Австрия, 2—6 февраля 1998 г. [3]; Фарнборо, Англия, 8—12 ноября 1999 г. [4]; Пекин, Китай, 15—19 октября 2001 г. [6]; Хиросима, Япония, 3 июля 2003 г. [5]; Международный семинар им. Д.Г. Успенского "Вопросы теории и практики геологической интерпретации гравитационных, магнитных и электрических полей", Екатеринбург, 1999 г. [7].

Элементы технологии ММ демонстрировались в Национальном институте геофизики и вулканологии (Италия, Рим, 2003 г.). Результаты отражены в техническом отчете Организации ДВЗЯИ [1]. Отработка технологии ММ также проводилась на бывшем Семипалатинском полигоне совместно с Институтом геофизических исследований Национального ядерного центра Республики Казахстан (ИГИ НЯЦ РК) при поддержке Временного технического секретариата Подготовительной комиссии Организации ДВЗЯИ. Результаты работ отражены в совме-

стном докладе на Третьей международной конференции "Мониторинг ядерных испытаний и последствий" (Республика Казахстан, 2004 г.).

Публикации

По теме диссертации опубликовано 8 работ. Кроме этого, автором выпущено 12 внутренних спецотчетов (РФЯЦ — ВНИИТФ).

Структура диссертации

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, и списка литературы. Содержание изложено на 100 страницах машинописного текста, включает 28 рисунков, 19 таблиц. Список литературы содержит 59 наименований.

Личный вклад автора

Исследования геомагнитных полей в местах проведения подземных ядерных взрывов начаты автором в 1997 году. Теоретической и методологической основой работы автора послужили труды отечественных специалистов в данной области, а именно: сотрудников РФЯЦ — ВНИИТФ A.B. Ушкова, О.Н. Шубина (г. Снежинск); сотрудников Всероссийского проектно-изыскательского и научно-исследовательского института промышленной технологии — ВНИПИпромтехнологии Л.Н. Ще-кина, Н.Г. Щетинина, A.A. Тер-Семенова (г. Москва); сотрудников Гидрологической экспедиции 16 района, партии 27, ПГО "ГИДРОСПЕЦ-ГЕОЛОГИЯ" А.И. Степина, И.Н. Недбаева (г. Курчатов); A.C. Акси-мова, P.C. Блинова, А.Ж. Низамова и др. А также работы Нижнетагильского филиала УПИ (В.Е. Каплан, Ю.В. Телешов). Большинство работ автора были выпущены в соавторстве с В.Г. Антошевым и Ю.А. Сахаровым (РФЯЦ — ВНИИТФ).

Обработка ранее полученных данных по некоторым объектам подземных ядерных взрывов, систематизация и обобщение характеристик геомагнитных аномалий подземных ядерных взрывов, анализ физико-математических моделей и моделирование, выполнение договора между РФЯЦ — ВНИИТФ и УГТУ — УПИ по разработке специализированного магнитометра на базе POS-1 и его последующая апробация, экспериментальные работы на объектах подземных ядерных взрывов в Оренбургской области и на объекте бывшего Семипалатинского испытательного полигона, а также других техногенных объектах, доработка проекта методического руководства и его экспериментальная отработка — эти работы проводились по инициативе автора, при его непосредственном участии или руководстве.

Благодарности

Автор считает приятной обязанностью поблагодарить своего научного руководителя — заведующего лабораторией электрометрии Института геофизики УрО РАН, доктора геолого-минералогических наук, профессора Валерия Викторовича Кормильцева за настойчивость и поддержку в написании диссертации.

Автор благодарен старшему коллеге по разработке геофизических технологий В.Г. Антошеву и непосредственному начальнику Ю.А. Сахарову, без творческого участия которых успешное завершение данной работы было бы невозможным.

Автор признателен А.Н. Ратушняку за оказанные консультации по поводу написания диссертации, а также Ю.К. Доломанскому и Ю.В. Каплану за участие и поддержку во время демонстрационного эксперимента магнитометров POS-1 в Италии.

Автор благодарен начальнику лаборатории Квантовой магнитометрии УГТУ — УПИ A.B. Сапунову и всем коллегам данной лаборатории за сотрудничество и разработку магнитометра POS-1.

Автор благодарен H.H. Беляшовой — директору ИГИ НЯЦ РК и всем сотрудникам института за сотрудничество и создание условий для проведения экспериментальных работ по данной технологии на бывшем Семипалатинском испытательном полигоне.

Автор признателен директору отдела по Инспекции на месте Временного технического секретариата Подготовительной комиссии Организации Договора о всеобъемлющем запрещении ядерных испытаний В.Б. Крюченкову и его коллегам за приглашения и финансовую поддержку в участии на курсах по обучению инспекторов и в полевых работах в Республике Казахстан.

1. Воздействие подземного ядерного взрыва на вмещающие породы

Исходя из задач, решаемых в рамках Договора о всеобъемлющем запрещении ядерных испытаний, подразумеваются только камуфлет-ные ПЯВ.

Анализ механизма образования структурных изменений вмещающих пород показал, что в результате проведенного ПЯВ происходят значительные структурные изменения вмещающих пород, простирающиеся вплоть до свободной поверхности. В зависимости от горно-геологических условий в окружающем ядерный заряд пространстве образуются зоны испарения и плавления породы, зоны смятия и дробления.

В верхней части геологического разреза при отражении ударной волны образуется откольная зона. Вследствие мощных электромагнитных (ЭМИ), тепловых (испарения, плавления и сильного разогрева горных пород в котловой зоне) и механических воздействий могут происходить значительные изменения остаточной намагниченности пород и обсадной колонны. Размеры зон воздействия ПЯВ оцениваются приведенными ниже эмпирическими зависимостями по данным работы Б.И. Нифонтова и И.Е. Протопопова (Подземные ядерные взрывы. — М.: Атомиздат, 1965. —160 с). Для описания процессов при сильных взрывах обычно пользуются условиями подобия. Это означает, что все пространственные (например, радиус полости, радиусы зон дробления и трещиноватости и т. п.) и временные (время образования полости и т. п.) характеристики взрыва меняются с изменением мощности взрыва Ж пропорционально Большинство данных по результатам воздействия ПЯВ нормировано с мощностью взрыва в 1 кт.

Зоны воздействия ПЯВ на породы по форме близки к шару. Поэтому, их размеры выражаются радиусом.

Радиус зоны испарившейся породы

^ИСП = ^ИСП^ ^ '

где Ж— мощность взрыва, кт; кисп = 1,8 н-2,3.

(1.1)

Радиус зоны плавления

-^пл ~ КпК

1/3

(1.2)

где

пл

Радиус полости

Я„=к}Ут, (1.3)

где для гранита; для каменной соли и доломита;

для аллювия и туфа.

Радиус зоны смятия

л, см« (1,зч 6)ЯП.

Радиус зоны дробления

Дздр ~(1,5-ь2,5)/?п.

(1.4)

(1.5)

Высота столба обрушения

^ст.обр ~ (1.5 + 6)Т?п.

(1.6)

Ширина столба обрушения

5 =

п-

(1.7)

Эти параметры непосредственно не регистрируются в ходе инспекции на месте, но позволяют оценить объемы испарившихся, оплавленных и раздробленных пород при построении физико-математических моделей образования аномалий в качестве входных данных для прогнозирования вероятности обнаружения аномалий физических полей в конкретных условиях инспекционного района и для решения задач интерпретации.

2. Экспериментальные работы

В данном разделе представлены результаты экспериментальных работ по измерению геомагнитного поля на объектах ПЯВ и обобщены характеристики магнитных аномалий. Представлены косвенные признаки подземных ядерных взрывов, которые были установлены в результате экспериментальных работ по измерению геомагнитного поля в местах проведения ПЯВ.

Для выявления аномалий геомагнитного поля Земли в эпицент-ральной зоне 22 объектов ПЯВ произведены измерения полного вектора магнитной индукции Земли (7) и в некоторых случаях его вертикальной составляющей (Z). Данные работы проводились различными специалистами: К.В. Мясниковым, Л.Н. Щекиным и A.A. Тер-Семе-новым (ВНИПИпромтехнологии); В.Е. Капланом, Ю.В. Теляшовым (Нижнетагильский филиал УПИ); А. И. Степиным (Гидрологическая экспедиция 16 района, партия 27, ПГО "ГИДРОСПЕЦГЕОЛОГИЯ"); Ф.И. Ляпиным, А.П. Рыжковским, Н.Я. Распоповым (партия № 113); A.C. Аксимовым, P.C. Блиновым, А.Ж. Низамовым и др.; Б.Б. Фомичевым, В.Г. Антошевым и автором диссертационной работы (РФЯЦ — ВНИИТФ).

Аномальные значения модуля полного вектора магнитной индукции (ДТ) вычислялись по формуле (2.1):

(2.1)

где - аномальное значение модуля полного вектора магнитной

индукции в г-й точке топосети по результатам вычисления; ?изм(»,./) — измеренное значение модуля полного вектора магнитной индукции

в 1-й точке топосети в /-Й момент времени; ^мвс(/) —измеренное значение модуля полного вектора магнитной индукции мапштовариацион-ной станцией (МВС) /-й момент времени.

Некоторые измерения на объектах ПЯВ были сделаны как до, так и после проведения ПЯВ. Это позволило вычислить разностный

эффект аномалий (разность) "до" и "после" —

Значения Д^разн или А^разн вычислены по формулам (2.2) и (2.3): Л^разн = Дгпосле - дгд0 ; (2.2)

А^разн = Д^после ~ А^до • (2.3)

На рисунках введены некоторые условные обозначения. Например, символ I на рисунках с планом изодинам обозначает направление на север, а символ ф обозначает положение устья скважины. При проведении измерений на площадях или на профилях положение устья скважин выбиралось в центре этой площади или посередине профиля.

По результатам экспериментальных работ по измерению модуля полного вектора магнитной индукции Земли и его вертикальной со-ставляюгцей в местах проведения ПЯВ было установлено, что в месте проведения ПЯВ существуют аномалии магнитного поля Земли Д Т и ЬТ. (рис. 1).

Аномалии, связанные с проведением ПЯВ, имеют свои особенности. Аномалии Ь.7. и Д Г до и после проведения ПЯВ различаются по амплитуде. В течение периода времени от нескольких дней до нескольких месяцев после ПЯВ в эпицентральной зоне происходит изменение

аномалий и АТ. Разностные з н а ч с течением времени

уменьшаются. Наиболее сильные изменения происходят ближе к устью скважины. К периферии от скважины, начиная с 50 до 200 м,

разн

и Д Г,

разн

д тп

значения аномалии "¿разн более сглаженные и различаются в меньшей степени (рис. 2, 3, 4). Следует заметить, что на рис. 2 показана пет-рофизическая аномалия по результатам работ Л.Н. Щекина, A.A. Тер-Семенова (ВНИПИпромтехнологии), Б.Б. Фомичева, В.Г. Антошева (РФЯЦ — ВНИИТФ).

Рис. 1. Скважина "Регион-1", план изодинам Д Г и изображение в виде поверхности на площади 30 X 50 м2 после проведения ПЯВ

Форма аномалии ДТ близка к плоскосимметричной, имеет области положительных и отрицательных значений. Расстояние между полюсами (между минимумом и максимумом аномалий) составляет от 10 до 25 м (рис. 1). На рис. 5 приведен план изодинам ДТна большей площади для скважины "Регион-2".

№

-900 -500 -100 300 700

Рис. 2. Скважина № 5, разность Д^р^до и после ПЯВ через 1 месяц по профилям через устье скважины (по результатам энергетической фильтрации исключена аномалия от обсадной колонны): Ряд1 — широтный профиль; Ряд2 — меридиональный профиль

800 400

(м)

Рис. 3. Скважина № 5, разность ДТразк до и после ПЯВ по меридиональному профилю: Ряд1 — через 10 дней; Ряд2 — через 1 месяц

2000

(м)

Рис. 4. Скважина № 5, разность ДГразн до и после ПЯВ

по широтному профилю:

Ряд1 — через 10 дней; РядЗ — через 1 месяц

Максимум положительной области значений AT соответствует устью скважины и может достигать 56 000 нТл. В непосредственной близости к устью скважины имеется высокоградиентная зона, с фактическим горизонтальным градиентом от 24 433 до 43 999 нТл/м.

В эпицентральной зоне от воздействия ПЯВ происходит перемаг-ничивание приповерхностных металлических предметов. Это выражается в виде локальных аномалий небольшого размера. В некоторых случаях перемагниченные предметы создают аномалии противоположного знака по сравнению с тем, что были до ПЯВ. Кроме этого, изменяются аномалии и от природных источников (например, зона разлома). Над одной из таких зон было установлено увеличение амплитуды аномалии до 200 нТл.

Направление линии полюсов аномалий до ПЯВ не всегда совпадает с магнитным меридианом и может отклоняться на угол до 17°. Направление линии полюсов аномалий после ПЯВ в большинстве случаев совпадает с магнитным меридианом или отклоняется на угол не более 2°. То есть в результате воздействия ПЯВ происходит пере-магничивание обсадной колонны труб, что выражается в изменении амплитуды аномалии, а также в смещении отрицательного минимума аномалии (рис. 6, 7), данные приведены по результатам работ В.В. Горина, A.A. Кулемина, А.Ж. Низамова и др.

Рис. 5. Скважина "Регион-2", план изодинам Д7"(нТл) на площади 400 X 350 м2

Зарегистрирована периферийная, малоконтрастная, протяженная аномалия петрофизического характера и установлены ее характеристики. Ее протяженность по уровню поля от 5 нТл и больше составляет от 1450 до 2000 м, при этом, установлена зависимость глубины ПЯВ от протяженности аномалии. Это отношение составляет 1/3. Амплитуда периферийной аномалии может достигать 26 60 нТл на расстоянии 40 метров от устья скважины. Над устьем скважины периферийная аномалия сопрягается с интенсивной и высокоградиентной аномалией, вызванной наличием колонны обсадных труб. Следует заметить, что выявление данной аномалии по результатам измерений поля Т является сложной задачей из-за ее малой амплитуды, которая соизмерима с погрешностью измерений, а также наличия различного рода магнитных помех, связанных как с геологией, так и с техногенной деятельностью человека. Поэтому, в дальнейшем, в наших исследованиях предусмотрены работы по изучению применимости и эффективности фильтров сглаживания при наличии априорной информации. Такой априорной информацией может быть

установленная протяженность аномалии, ее амплитуда и форма, глубина ПЯВ (рис. 8) по данным работ А. И. Степина, И.Н. Недбаева, (Гидрологическая экспедиция 16 района, партия 27, ПГО "ГИДРО-СПЕЦГЕОЛОГИЯ").

1П-1-1-1-1-1-1-1-1-1-г

-25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25

(М)

Рис. 6. Скважина № 19, план изодинам ДГ(нТл) до проведения ПЯВ

Обобщенные характеристики аномалии Д Т после проведения ПЯВ приведены в табл. 1. По результатам сравнительного анализа установлено, что по своим характеристикам аномалии природного характера отличаются от аномалий ПЯВ. Наиболее близкими по характеристикам оказались аномалии от технологических скважин. Однако, размеры этих скважин, как правило, меньше и поэтому аномалии отличаются своими амплитудами и размерами. На основании этого можно заключить, что для достоверности идентификации аномалии от ПЯВ нужны более тщательные и качественные измерения, с оценкой погрешности в каждой точке. По нашему опыту проведения работ установлено, что необходимо проводить многократные в каждой точке измерения. Оптимальная площадь для таких измерений от

100Х 100 м2 до 50х 50 м2 с устьем скважины в центре Шаг измерений должен быть от 5х 5 до 1 х 1 м

<м)

Рис 7 Скважина № 19, план изодинам ЛГ(нТл) после проведения ПЯВ

Рис 8 Скважина № 7, разность Д7" ДО и после ПЯВ по меридиональному профилю через устье скважины

Таблица I

Обобщенные характеристики аномалии Д Т после проведения ПЯВ

Название характеристики аномалии Д7" Описание и значения

Форма аномалии в эпицснтральной зоне Форма аномалии — двухполюсная, с доминирующей по амплитуде областью положительных значений над устьем скважины и областью отрицательных значений меньшей амплигуды на расстоянии 10 + 25 м Меридио профиль 1 I нальный Ь Широт профи.1 1 ный 1Ь

Симметрия, ориентация Аномалия в плане близка к плоскосимметричной. Линия полюсов (ось аномалии) ориентирована в соответствии с магнитным меридианом Земли. Максимальное установлшное отклонение не более 2°

Экстремумы Максимум соответствует устью скважины и находится в пределах от 10 300 до 56 000 нТл. Минимум расположен севернее максимума на 10+25 м и находится в пределах от-2800 до-300 нТл

Максимальный измеренный горизонтальный градиент Над устьем скважины, между полюсами аномалии ДТ и находится в пределах от 25 000 до 44 000 нТл/м

Размер области положительных значений аномалии АТв эпицентраль-ной зоне (над устьем скважины) по уровню поля >0нТл От 40x50 до 160x120 м (в широтном и меридиональном направлениях соответственно)

Размер области положительных значений аномалии АТв эпицентраль-нойзоне по уровню поля >50 нТл > 55x50 м (в широтном и меридиональном направлениях соответственно)

Окончание табл. 1

Название характеристики аномалии ДТ Описание и значения

Срок существования аномалии (над устьем скважины) Десятки лет

Форма периферийной аномалии Положительная, однополк увеличением положитсльш к устью скважины юная, малоконтрастная с плавным >1х значений АТс периферии к ДТ 4 ™

Амплитуда периферийной аномалии Увеличивается от 5 нТл до 26+60 нТл на расстоянии около 50 м к устью скважины

Размер области положительных значений периферийной аномалии ДГ по уровню поля ¿5 нТл От 1450 до 2000 м

Некоторые характеристики аномалий по скважинам Для аномалии Д Т в эпицентральной зоне характерен высокий градиент. В табл. 2 приведены сведения для скважин с наибольшим фактическим градиентом. Максимумы ДГв области положительных значений (над устьями скважин) приведены в табл. 3.

Таблица 2

Максимальный фактический градиент

Скважина № Градиент ДГ(нТл/м)

12 43999

17 25439

18 43114

20 24858

21 24433

Таблица 3

Экстремумы АТ и расстояние между ними

Скважина № Глубина ПЯВ (м) Мощность ПЯВ (кт) Максимум АТ (нТл) Минимум ДГ(нТл) Расстояние между макс, и мин. (м)

1 <480 <150 26694 -1500 13

5 <500 <30 40550 -900 20

11 <600 <80 10289 -2773 20

12 <500 <110 56395 -687 13

13 <3 <370 — -2543 10

14 <620 <150 32865 -896 10

15 <570 <75 10340 -700 20

16 <470 не проводился 34558 -505 9

17 <465 <3 47504 -570 25

18 <400 <80 56000 -250 12

19 <10 <200 19300 -1360 12

20 <3 <490 48410 -298 12

21 <3 <500 52328 -361 14

В табл. 3 не приведены данные по скважинам №№ 2—4, так как на них проводились измерения АХ, на скважинах №№ 6—9 измерения Д Г проводились только по профилям с использованием магнитометра ММП-203, который в виду малой градиентоустойчивости не позволил сделать измерения вблизи устья скважины. На скважине № 10 измерения над устьем не делались, но получена теоретическая оценка максимума, который равен 29 000 нТл по данным работ Ю.В. Телешова, В.Е. Каплана, В.А Пятова (Нижнетагильский филиал УПИ, 1992 г.).

По результатам анализа экспериментальных данных зависимость максимума аномалии от мощности ПЯВ установить не удалось.

В табл. 4 приведены размеры положительной части аномалий Д7 в эпицентральной зоне (над устьем скважины) по уровню поля >0 нТл. Размеры аномалий АТ петрофизического характера по уровню поля от 5 нТл и больше составляет от = 1450 до =2000 м (табл. 5). По результатам анализа экспериментальных данных установлено, что данная аномалия является следствием воздействия ПЯВ на вмещаю-

щие породы. Как было сказано выше, глубина проведения ПЯВ и протяженность периферийной аномалии соотносятся, примерно, как 1/3.

Таблица 4

Размеры области положительных значений аномалии А Т по уровню поля >0 нТл

Скважина № Размер в широтном направлении (м) Размер в меридиональном направлении (м)

1 90 90

5 40 50

И 50 40

12 80 80

14 40 50

16 >20 >30

17 >30 >20

18 >40 >40

19 50 >35

20 160 120

21 160 120

Таблица5

Размер периферийной аномалии Д Т в зависимости от глубины и мощности ПЯВ

Скважина № Глубина ПЯВ («м) Мощность ПЯВ («кг) Размер периферийной аномалии (жм)

5 500 30 2000

6 640 140 1800

7 600 150 ' 1450

8 550 90 2000

9 600 110 1600

3. Оборудование

В ходе экспериментальных работ при съемке Z и Г был учтен опыт использования магнитометров отечественного и иностранного производства (ПМ-001, М-27М, ММП-203, ММ-33, ММ-60, G-856, GSM-19, POS-1).

Были установлены следующие оптимальные требования к магнитометру для целей ИНМ в рамках ДВЗЯИ:

- измеряемая величина — модуль полного вектора магнитной индукции;

- диапазон измерений 20 000 - 100 000 нТл;

- градиентоустойчивость — не менее 20 000 нТл/м;

- время непрерывной работы от аккумулятора — не менее 12 часов (это требование предопределило предпочтение протонного магнитометра, основанного на эффекте Оверхаузера, и наиболее экономичного по энергопотреблению);

- визуализация и автоматическая запись данных (измеренное значение, пикет, профиль, время), удобный интерфейс;

- флэш-память достаточной емкости — наличие обязательно (объем памяти должен позволять записывать не менее 5000 измерений;

- возможность связи с компьютером через стандартные устройства — наличие обязательно;

- наличие возможности интегрирования магнитометра с навигационным приемником в системе глобального позиционирования (GPS) для записи географических координат в измеренных точках;

- "дружелюбие" (легкий, удобный для ношения во время работы, простой и надежный в эксплуатации) — крайне желательно.

Согласно выработанным критериям наиболее подходящим для целей ИНМ ДВЗЯИ является магнитометр POS-1, или подобный ему по техническим характеристикам (табл. 6).

Данный магнитометр может успешно применяться, как на больших площадях, так и для микромагнитной съемки на малых площадях для поиска и последующей локализации аномалий ДТ. Магнитометр прошел испьнания на объектах ПЯВ. По результатам экспериментальных работ можно заключить, что применение технологии ММ может быть эффективным в поиске таких артефактов ПЯВ, как стальные обсадные трубы скважин, или другие ферромагнитные металлические предметы-конструкции, которые сопутствуют проведению ПЯВ. Применение в данной технологии современного магнитометра POS-1, обладающего высокой гра-диентоустойчивостью и совмещенного с GPS, повышает ее эффективность в решении задач при проведении инспекции на месте в рамках ДВЗЯИ.

Таблица 6

Основные технические характеристики магнитометра POS-1

Магнитометр Протонный, на эффекте Оверхаузера, сдатчиком на стабильном веществе

Диапазон измерений 20000—100000 нТл

Чувствительность (CKQ цикл 0,5/3 сек) 0,15/0,01 нТл

Абсолютная погрешность/Воспроизводимость 0,5/0,1 нТл

Градиентоустойчивость не менее 20000 нТл/м

Цикличность измерений (6e3GPS/c GPS) 0,5; 1.0; 2.0; 3.0.../3,4,5,... с

Температурный диапазон -30/+60°С

Вес 1,8 га-

Потребляемая мощность (максимальная/режим ожидания) г/О,05 Вт

Время стабильности рабочего вещества 10 лет

Регистратор ОЬРОЗ

Дисплей Графический, ЖКИ, 240x128

Клавиатура Влагазащищенная, 32 клав.

Температурный диапазон -20/+60 °С

Потребляемая мощность (без подсветки/с подсветкой) 0,7/3 Вт

Вес 1,5 кг

Часы реального времени, стабильность 1 сек/сутки

Объем флэш-памяти (вариационная станция/площадная съемка: пикет, профиль, время, дата) 250000/80000 измерений

Интерфейс 2x118232,9600 бод

GPS' ' г САШМОР8ПР1ш

Погрешность позиционирования ±5м

Напряжение питания (внешний источник/внутренний) 10... 12 У/4 батареи АА

4. Физико-математическое моделирование геомагнитных аномалий от ПЯВ

Для успешного решения задачи интерпретации — идентификации найденной аномалии AT, как следствия ПЯВ, а так же для определения элементов залегания источников появилась необходимость в физико-математической модели магнитной аномалии от ПЯВ. В настоящей работе рассмотрен подход физико-математического моделирования на двух примерах, который может быть использован для технологии ММ. В основу моделирования, положены три механизма образования магнитных аномалий при проведении ПЯВ (О.Н. Шубин, В.Н. Ногин, РФЯЦ — ВНИИТФ, 1998 г.). Первый механизм связан с наличием обсадной трубы в скважине, индуцирующей вторичное магнитное поле в естественном магнитном поле Земли. Два других связаны с эффектами самого взрыва, который приводит:

- во-первых, к нагреву горных пород вблизи точки взрыва до температур, превышающих температуру Кюри и, следовательно, к их последующему перемагничиванию в соответствии с современным направлением магнитного поля Земли до значений намагниченности на порядок превышающих естественную остаточную намагниченность (термонамагничивание) ;

- во-вторых, к образованию столба обрушения, в котором происходит хаотизация кусков породы и "выключение" суммарного магнитного поля, связанного с естественной остаточной намагниченностью пород в области, охваченной обрушением; либо последующее термонамагничиванию части столба обрушения.

Магнитная аномалия от колонны обсадных труб

Колонна обсадных труб представляет собой наборную конструкцию труб различной длины и диаметра, располагаемую в скважине до определенной глубины. Длина колонны может быть от 20 до 600 м. Диаметр верхней трубы может быть от 800 до 5000 мм.

Для расчета магнитной аномалия от ферромагнитной колонны обсадных труб была выбрана программа физико-геологического моделирования магнитных полей 3 мерных геологических объектов (Magn_3D) (B.B. Кормильцев, А.Н. Ратушняк, Н.П. Костров, H.H. Вин-ничук, УрО РАН). В основу этой программы положено моделирование геофизических полей при помощи векторных интегральных уравнений, когда, например, вычисление напряженности внешнего магнитного поля осуществляется через расчет значений напряженности внутреннего магнитного поля:

где Р = [(|Х-1)# + /0С^ — вектор намагничивания; Ц-1 = % (в слабых

полях); % — магнитная восприимчивость (в ед. СИ); Я0, А/м — напряженность земного магнитного поля, в общем случае зависящая от координат; — напряженность аномального магнитного

поля; /д,, А/м — остаточная намагниченность.

В предложенной программе при моделировании учитывается эффект взаимного размагничивания, который оказывает существенное влияние на индуцированное магнитное поле для материалов с высокой магнитной проницаемостью Ц, каковым является ферромагнетик — углеродистая сталь. Из этого материала и изготовлены трубы обсадной колонны. Кроме этого, в разработанной программе параметрами являются размеры, положение и физические свойства элементарных объемов, которыми задается трехмерная модель. Это позволяет наилучшим образом приблизиться к конфигурации конструкционных элементов скважины ПЯВ.

На примере моделировании для объекта ПЯВ "Регион-2" в соответствии с географическими координатами и временем измерений геомагнитное поле принималось: = 3273 нТл, Ву0= 18 513 нТл, Вл = -49 561 нТл, высота измерений 2 м. Были получены следующие

характеристики аномалии

- аномалия двухполюсная, с областью положительных и отрицательных значений;

- максимум аномалии 50 483 нТл (фактический 50 539 нТл), минимум -296 нТл (фактический -298 нТл);

- расстояние между максимумом и минимумом 10 м (фактическое 12 м);

- максимальный горизонтальный градиент 40 692 нТл/м (фактический 24 433 нТл/м);

- размер области положительных значений аномалии в эпи-центральной зоне по уровню поля > 0 нТл равен 120х 120 м (фактический составляет 160х 120 м);

- размер области отрицательных значений аномалии Д^теор в эпи-

центральной зоне по уровню поля < -50 нТл равен 50 х 20 м (фактический 80x80 м).

Расчетные характеристики аномалии соответствовали следующим установленным параметрам: магнитная проницаемость ц = 198; остаточная намагниченность /осх=0 А/м, 1Жу=~2 А/м, /осг -434 А/м; диаметр трубы колонны 1 м; уровень верхнего среза колонны 0 м; нижнего среза -150 м. Расчетные размеры трубы близки к реальным.

Как следует из сопоставления расчетных и фактических результатов, расчетная аномалия такой же формы, как и фактическая, совпадает по экстремальным значениям. Немного различаются размеры положительных и отрицательных областей и максимальный горизонтальный градиент. Данные результаты моделирования свидетельствуют о высокой степени приближения полученной аномалии к фактической и подтверждают, что в эпицентральной зоне ПЯВ над устьем скважины основной вклад в аномалию вносит колонна обсадных труб.

Магнитная аномалия петрофизического характера (периферийная)

Ударная волна, образующаяся при камуфлетном ядерном взрыве, приводит к испарению породы, непосредственно окружающей ядерное взрывное устройство. При дальнейшем движении ударной волны, по мере падения ее амплитуды, падает и температура слоев породы, нагреваемых под ее воздействием. Часть ее оказывается расплавленной. Через некоторое время (от нескольких минут до нескольких суток) после завершения образования полости происходит обрушение свода и образуется столб обрушения. В аллювии и малопрочном туфе столб обрушения достигает дневной поверхности и образуется, так называемая, провальная воронка (в соли обрушения свода полости не происходит). При образовании столба обрушения куски породы теряют начальную ориентацию. В этом случае, в зависимости от времени образования столба обрушения возможен прогрев какой-то части породы от горячих газов внутри полости, в том числе и до температур выше точки Кюри. Если столб обрушения образовался спустя длительное время, когда температура внутри полости значительно снизилась, куски породы не подвергнутся эффекту термонамагничивания, т. е. будут иметь только индуцированную намагниченность в соответствии с современным геомагнитным полем. Хаотичное расположение облом-

ков породы в столбе обрушения приведет к "выключению" их суммарной остаточной намагниченности, вызванной древним полем Земли. Нагрев до температур выше точки Кюри и последующее остывание приводит к перемагничиванию этой части пород в соответствии с современным направлением вектора магнитной индукции Земли. При этом термоостаточная намагниченность в течение значительного времени (порядка 1 года) существенно превышает естественную остаточную и индуцированную намагниченности.

Результаты теоретического разностного эффекта ДУразн. теор для сопоставления с фактическими результатами, полученными на скважине № 6 через 8 месяцев после ПЯВ, приведены на рис. 9. Теоретическое значение Д^разн. теор рассчитывалось для гранита. Значение термоостаточной намагниченности , Ю"6 ед. Си (Справочник гео-

471

физика. Физические свойства горных пород. — М.: Недра, 1979. — 512 с.)

соответствовали значениям через 1 год после нагрева до температуры

Кюри. Для скважины № 6 в геологическом отношении характерны

граниты и граносиениты. Глубина ПЯВ = 640 м, мощность и ± 140 Кт. При этом, количество плавленой породы бралось 700 т/кт, а испарившейся — 68,6 т/кт.

На основании расчетов можно заключить, что после проведения ПЯВ в хрупких породах, вероятнее всего, происходит выпадение столба обрушения в полость и нагрев части (=1/3) выпавшей породы от продуктов плавления и испарения выше точки Кюри. Отличие расчетных значения Д^разн. теор от фактических объясняется "приблизительностью" модели. Кроме этого, расхождение фактических и расчетных результатов позволяет предположить, что нагрев, последующее остывание пород от точки Кюри и, как следствие — термоперемагничива-ние, может быть не единственной причиной образующейся аномалии в результате воздействия ПЯВ на вмещающие породы.

По полученным характеристикам периферийной аномалии можно заключить, что она носит петрофизический характер, т. е. связана с перемагничиванием пород, окружающих ПЯВ. Эта аномалия образуется, главным образом, ввиду термоперемагничивания пород, которые подвергаются испарению, плавлению и нагреву выше точки Кюри, а затем остывают в современном геомагнитном поле.

По периферийной аномалии, в случае ее выявления, можно оценить глубину залегания гипоцентра ПЯВ, которая равна 1/3 протяженности этой аномалии от уровня поля равного 5 нТл

50-1

-—Ряд2 i—РядЗ

Ю0-РЯД1

(м)

Рис 9 Разностные значения ДГдо и после проведения ПЯВ Ряд1 — фактическое ДТ'разн до и после ПЯВ, через 8 месяцев для скважины № 6,

Ряд2 — теоретическое Л^разн теор от эффекта термонамагничивания остывающих в течении 1 года пород, подвергшихся испарению и плавлению, а также при термонамагничивании 1/3 объема столба обрушения, РядЗ — теоретическое от эффекта термонамагничивания остывающих

в течении 1 года пород, подвергшихся испарению и плавлению, без термонамагничивания столба обрушения

5. Методическое руководство по применению технологии магнитометрии

В данной главе приводится описание разработанного методического руководства по применению технологии ММ Разработанное руководство было создано с учетом изученных методических особенностей и предназначено для обнаружения и локализации эпицентраль-ной зоны подземного ядерного взрыва при проведении инспекции на месте в рамках ДВЗЯИ методом пешеходной магнитометрии Руководство использовалось при практической отработке технологии ММ на объектах ПЯВ

Применение данной технологии для целей ИНМ делится на два этапа. Первый этап — поисковый. На этом этапе по данным других технологий инспекции на месте на одной или нескольких площадях размером =1x1 км2 проводятся поисковые работы на наличие локальных геомагнитных аномалий. В случае обнаружения подозрительных аномалий (по результатам полученных характеристик и по данным других технологий) проводится локализационный этап. На этом этапе проводят микромагнитную съемку для достоверной детализации характеристик аномалий.

Назначение и основные характеристики технологии ММ

Технология ММ применяется для картирования магнитного поля с целью обнаружения и локализации эпицентральной зоны ПЯВ. Это делается на основе выявления аномалии модуля полного вектора магнитной индукции ДТ от ферромагнитных конструкционных элементов, которые характерны для скважинных и штольневых ПЯВ, и от зон воздействия ПЯВ на окружающие породы.

Измеряемым параметром является модуль полного вектора магнитной индукции Тна поверхности Земли.

Измерения осуществляются в долях единиц системы СИ — нано Теслах (нТл), в диапазоне 20 000 ■*■ 100 000 нТл. Для высокоточных съемок, предусмотренных технологией, погрешность измерений должна быть не более ±5 нТл. Технология ММ применяется на площади 1 х 1 км2, определенной по результатам, полученным другими технологиями ИНМ.

Метод измерений

В основу технологии ММ положен метод измерения модуля полного вектора магнитной индукции Т, наблюдаемого на поверхности Земли. В эпицентральной зоне ПЯВ возникает локальная аномалия магнитного поля приращений Д Т, которая рассчитывается из разности (2.1).

На поисковом этапе измерения Т осуществляются на площади 1 х 1 км2 по равномерной топосети с шагом 25 м. При таком шаге мала вероятность пропуска аномальных точек области положительных значений в районе устья скважины. Размер этой области составляет не менее 40 х 50 м. В то же время, работа с топосетью такого шага не требует больших затрат по времени.

На этапе локализации замеры Т проводятся на площади 100х 100 м2 по равномерной топосети с шагом 5 м и последующим уменьшением шага

до 1 м на площади 50 х 50 м2, с целью детального выявления характеристик аномалии AT. Разбивка на этом этапе на последовательные измерения по двум площадям связана с повышением производительности. Может оказаться, что на поисковом этапе будет обнаружено несколько аномалий, с которыми необходимо прояснять ситуацию на этапе локализации. По результатам измерений по сети 5х 5 м на площади 100 х 100 м2 будут установлены предварительные характеристики аномалии. В случае, если аномалия по своим характеристикам похожа на искомую, то проводится съемка на площади 50x50 м2 с шагом 1 х 1 м для выявления характеристик аномалии с минимальной погрешностью.

Одновременно с измерением Т осуществляется измерение Гмвс — фактически изменяющегося на величину солнечно -суточных вариаций фонового значения модуля полного вектора магнитной индукции. Магнитометр, который устанавливается в качестве МВС, должен располагаться на расстоянии 1,5 ч- 2 км от поисковой площади. Такое расстояние выбирается для того, чтобы обеспечить измерения в одинаковых геологических условиях. Синхронность измерений (± 1 с), которую можно установить для МВС и магнитометра, работающего в поле, а также одинаковые геологические условия работы приборов, позволяют достигать минимальных погрешностей измерений. При отработке технологии ММ в поле с нормальным градиентом (2 нТл/м) удалось

провести измерения со среднеквадратической погрешностью ±1 3 нТл.

Максимальная амплитуда Гизм соответствует устью скважины, в которой проведен ПЯВ, и, по опыту работы, составляет 67 000 114 000 нТл, а максимальное значение ДТ находится в диапазоне 10 300 56 000 нТл (эти аномалии связаны с ферромагнитными обсадными трубами). При этом, наблюдаемые аномалии имеют сильноградиентный характер с градиентом 24 500 44 000 нТл/м (другие характеристики см. в табл. 1).

Погрешность определения координат центра аномалии от ПЯВ зависит от масштаба съемки. Для равномерной топосети с шагом 25 х 25 м погрешность составляет половину шага и равна 12,5 м. Для равномерной топосети с шагом 1 м погрешность составляет 0,5 м.

По результатам изменений Тдля ПЯВ, проведенного в штольне (К.В. Мясников, Л.Н Щекин, A.A. Тер-Семенов, ВНИПИпромтехно-логии), аномалия ДТ симметричная, знакопеременная, амплитудой до

1500 нТл и средней протяженностью более 50 м (приблизительно в 50 + 120 м от портала). В эпицентральной зоне для штольни аномалия знакопеременная с максимальным значением амплитуды 150 180 нТл.

Подготовка к выполнению измерений

На поисковом этапе проведение измерений может осуществляться без навигационного приемника GPS, на площади 1x1 км2. Тогда на местности организуется топосеть с шагом 25 х 25 м или используется топосеть других технологий ИНМ. При использовании GPS, в его память вводятся географические координаты углов площади съемки. Выбрав магистрали (две параллельные стороны квадрата площади), рассчитываются координаты на линии магистралей через каждые 25 метров и их координаты тоже вводятся в память GPS.

По результатам измерений магнитного поля на площади 1 х 1 км2, на основании анализа и интерпретации измеренных данных подготавливаются условия для последующих измерений на площадях 100 х 100 и 50 х 50 м2. Для этого, определяется центральная точка этих площадей (соответствующая максимуму выявленной аномалии на площади 1x1 км2). На этапе локализации съемка ведется с помощью мерных лент. Эти ленты представляют собой измерительные рулетки из немагнитного материала длиной 100 м или немагнитные, прочные и малорастяжимые шнуры, на которых нанесена разметка через 1 м. Для этого этапа измерений должно быть подготовлено 3 таких мерных шнура.

Выполнение измерений

Магнитометр МВС работает в автоматическом режиме измерения с цикличностью одно измерение за 3 секунды или с той же цикличностью, с которой будут вестись измерения полевым магнитометром (в случае автоматического режима) и погрешностью считывания 1 нТл. Магнито-измерительные преобразователи магнитовариационной станции и полевого магнитометра устанавливаются на одинаковой высоте от земли (1,5 2 м). При последующих измерениях высота не должна меняться. На поисковом этапе с топосетью, разбитой на местности, съемка на пикетах осуществляются серией измерений на каждом пикете (не менее 3-х). При этом время измерений желательно синхронизировать с моментами измерений МВС (осуществлять по электронным часам магнитометра или установкой автоматического режима измерений). Если при измерениях используется GPS, то по площади перемещаться согласно координатам точек, введенным в память GPS.

Ориентировка на местности осуществляется по навигационным показаниям GPS (направление и расстояние до точки). При этом, измерения могут вестись непрерывно, во время движения (магнитометр работает в автоматическом режиме с частотой 1 измерение за 3 секунды) или с остановками, не реже чем через 25 метров по ходу движения. При движении ориентируются по GPS, отслеживая направление и пройденное расстояние.

На этапе локализации измерения осуществляются с помощью мерных шнуров. Два из них натягиваются как магистрали, а по третьему, как по профилю, делаются измерения с последующим его перемещением, пока не будет охвачена вся площадь 100 х 100 м2с шагом 5x5 м, а затем, в случае необходимости, и площадь 50 х 50 м2 с шагом 1x1.

На поисковом этапе при работе по топосети на местности с остановками на каждом пикете необходимо 28 часов (площадь 1x1 км2, шаг измерений 25 х 25 м). При работе с GPS, когда магнитометр работает в режиме непрерывных измерений достаточно 20 часов. Продолжительность работы на локализационном этапе в пределах одной площади ЮОх 100 м2 (шаг измерений 5х5 м) не более 6 часов, в пределах площади 50 х 50 м2 (шаг измерений 1 х 1 м) не более 20 часов.

Кроме краткого вышеприведенного описания в руководстве по технологии ММ предусмотрены положения по обработке данных, безопасности персонала, по составлению отчетной документации и о техническом оснащении технологии.

Заключение

При подготовке скважинного камуфлетного ядерного испытания в соответствии с современными технологиями производится бурение скважины большого диаметра размером от 800 до 5000 мм на глубину в сотни метров (по опыту испытаний бывшего СССР и США). Как правило, эти скважины обсаживаются трубами из углеродистой стали, которая относится к ферромагнитным материалам. Глубина обсадки, в зависимости от геологии, может достигать от нескольких десятков до сотен метров. Кроме этого, при размещении заряда внутри скважины могут быть использованы спускные колонны, которые тоже могут быть изготовлены из ферромагнитных материалов. Такая технология проведения ПЯВ приводит к тому, что в месте подготовки и последующего проведения ПЯВ существуют аномалии магнитного поля. В диссертации, на основании выполненных исследований геомаг-

нитных аномалий в местах, подготовленных к проведению и проведенных ПЯВ, представлены следующие научно-технические результаты:

1. На объектах, подготовленных к ПЯВ, и на объектах после проведения ПЯВ существуют аномалии модуля полного вектора магнитной индукции Земли ДГи его вертикальной составляющей №. Аномалии до проведения ПЯВ и после его проведения отличаются между собой. Установлено, что аномалия Д Т представляет собой суперпозицию аномалий двух типов, а именно: а) аномалия над устьем скважины, которая обусловлена ферромагнитными конструкционными элементами (обсадные трубы и колонны); б) периферийной аномалии петрофи-зического характера, которая вызвана воздействием ПЯВ на вмещающие породы.

2. Аномалия Д Т над устьем скважины обладает высокой интенсивностью, большими горизонтальными градиентами. После проведения ПЯВ аномалия ориентирована своей осью в соответствии с магнитным меридианом, что связано с перемагничиванием колонны обсадных труб в результате воздействия ПЯВ в современном геомагнитном поле. Аномалия имеет специфические характеристики (табл. 1).

3. Кроме геомагнитной аномалии над устьем скважины существует периферийная аномалия петрофизического характера. По форме эта аномалия положительная, куполообразная, однополюсная, с плавным увеличением положительных значений с периферии к устью скважины. Ее амплитуда увеличивается от 5 до 26 * 60 нТл на расстоянии от 2000 до 50 м к устью скважины. Размер периферийной аномалии Д7"по уровню поля 5 нТл находится в пределах 1450 ■=■ 2000 м, и составляет 1/3 глубины проведенного ПЯВ. В результате воздействия ПЯВ на окружающие породы происходит их испарение, плавление, нагрев выше точки Кюри и последующее остывание в геомагнитном поле. Это приводит эффекту термоперемагничивания. При этом термоостаточная намагниченность в течение значительного времени существенно превышает естественную остаточную и индуцированную намагниченности. Это является одной из основных причин образования аномалии петрофизического характера, что было проверено физико-математическим моделированием.

4. В течение времени от момента взрыва до нескольких месяцев после ПЯВ в эпицентральной зоне происходит изменение аномалий

Это установлено по полученным разностным значениям

ДГразн . Со временем разностные значения ЛТ'разн уменьшаются.

Наиболее сильные изменения происходят ближе к устью скважины, в эпицентральной зоне ПЯВ. К периферии, на расстоянии 50 м и более

от устья скважины, значения аномалии ЛУразн более сглаженные

и изменения аномалии проявляются в меньшей степени.

5. Установленные обобщенные характеристики аномалии Д Т являются косвенными признаками скважины, в которой мог бы быть проведен ПЯВ. Но наряду со всеми признаками особо следует отметить два из них: а) совпадение направления линии полюсов магнитной аномалий в эпицентральной зоне после ПЯВ с направлением магнитного меридиана Земли. Данный признак является следствием именно проведенного ПЯВ и не является обязательным для скважинных труб, которые не подвергались подобным воздействиям; б) изменение во времени геомагнитной аномалии в эпицентральной зоне ПЯВ также является косвенным признаком именно проведенного ПЯВ. Следует заметить, что динамика аномалии петрофизического характера не изучалась. Однако, исследования в этом направлении необходимы, т. к. по тем же вышеперечисленным причинам динамики магнитной аномалии в эпицентральной зоне не исключена динамика магнитной аномалии петрофизического характера.

6. Вышеприведенные результаты работы явились основой разработки технологии ММ и ее эффективного применения при ИНМ в условиях ДВЗЯИ. Технология ММ прошла апробацию на объектах ПЯВ "Регион-1" и "Регион-2" в Оренбургской области в 1999 и 2000 гг. Летом 2003 г. в Италии были продемонстрированы элементы технологии ММ с применением магнитометра POS-1, интегрированного с приемником GPS. Осенью 2003 г., технология ММ прошла проверку на бывшем Семипалатинском испытательном полигоне Республики Казахстан. Результаты данной апробации показали, что технология ММ может использоваться согласно Протоколу к Договору в ходе международной инспекции на месте для картирования магнитного поля с целью обнаружения артефактов ПЯВ, а именно для поиска и локализации эпицентральной зоны ПЯВ на основании косвенных признаков — характеристик аномалии модуля полного вектора магнитной индукции.

По теме диссертации опубликованы следующие работы автора:

1. Demonstration of Equipment for Geophysical Investigations in the Continuations Phase of an On-Site Inspection = Демонстрация оборудования геофизических исследований продолженной фазы ИНМ: Technical Report Preparatory Commission for the Comprehensive Nuclear-Test-Ban Treaty Organization. Vienna International Center PO BOX 1200 1400; CTBT0/PTS/TR/2003-1; (www.ctbto.orgl — Vienna, Austria, 2003. — 29 p.

2. Mapping of Magnetic Field During On-Site Inspection = Картирование магнитного поля при проведении инспекции на месте: Presentation at the Fourth CTBTO OSI Workshop. May 25—31, 1999, Vienna, Austria. — Vienna International Center PO BOX 1200 1400; CTBT/PC/OSI/WS-4/PR/13; (www.ctbto.orgl—Vienna. Austria, 1999. — 7 p. (Соавторы: Сахаров Ю.А., Антошев В.Г., Каплан Ю.В.).

3. Overview of Geophisical Methods for On-Site Inspection during CTBT Verification = Обзор геофизических методов для ИНМ при контроле соблюдения ДВЗЯИ: Presentation at Second CTBTO OSI Workshop. February 2—6, 1998, Vienna, Austria. — Vienna International Center PO BOX 1200 1400 CTBT/PC/V/OSI/ WSII/PR/13 (www.ctbto.orgl — Vienna, Austria, 1998. — 17 p. (Соавторы: Сахаров Ю.А., Антошев В.Г., Каплан Ю.В., Гвоз-дарев Ю.К.).

4. The Experience of Experimental Application of OSI Geophysical Technologies = Опыт экспериментальной отработки геофизических технологий ИНМ: Presentation at the Fifth CTBTO OSI Workshop. November 8—12,1999, Farnborough, United Kingdom. — Vienna International Center PO BOX 1200 1400 CTBT/PC/OSI/ WS-5/PR/28: (www.ctbto.orgl — Vienna, Austria, 1999. — 5 p. (Соавторы: Сахаров ЮА, Антошев В.Г., Каплан Ю.В., Гвоз-дарев Ю.К., Усачев А.П.).

5. Experimental Development of OSI Technologies on Peaceful Nuclear Explosion Sites = Экспериментальная отработка технологий ИНМ на объектах ПЯВ: Presentation at ninth CTBTO OSI Workshop. July 3, 2003, Hiroshima City, Japan. — Vienna International Center PO BOX 1200 1400 CTBT/OSIAVS-9/PR/36 (www.ctbto.orgl — Vienna, Austria, 2003. — 23 p. (Соавторы: Сахаров Ю.А., Антошев В.Г., Каплан Ю.В.).

6. Geophisical Technologies for Inspection Continvation Period = Геофизические технологии продолженного периода инспекции: Report at Seventh CTBTO OSI Workshop. October 15—19, 2001, Beijing, China. — Vienna International Center PO BOX 1200 1400 CTBT/OSIAVS-7/25; (www.ctbto.orgl — Vienna, Austria, 2001. — 19 p. (Соавторы: Сахаров Ю.А., Антошев В.Г., Каплан Ю.В., Гвоздарев Ю.К., Усачев А.П., Мокроусов В.А).

7. Геомагнитные аномалии от воздействия ПЯВ: Доклад на международном семинаре им. Д.Г. Успенского (26 сессия) "Вопросы теории и практики геологической интерпретации гравитационных, магнитных и электрических полей". 25—30 января 1999 г. — Екатеринбург, 1999. — 7 с. (Соавторы: Антошев В.Г., Каплан Ю.В., Сахаров Ю.А., Низамов А.Ж., Тер-Семенов A.A.).

8. Использование геохимических и геофизических методов при проведении полевого Эксперимента-2002 в рамках инспекции на месте: Доклад на Третьей международной конференции «Мониторинг ядерных испытаний и их последствий». 9—13 августа 2004 г. — Боровое, Республика Казахстан, 2004. — 29 с. (Соавторы: цБеляшов A.B., 'Шайторов В.Н., "Политиков М.И., "Дроздов A.B., ц Синева З.И., цТореев В.Ю., цЭдомин В.И., "Шелехова О.Х., 2)Гвоздарев Ю.К., 3)Мюрди Р. (цИнсти-тут геофизических исследований, Курчатов, Казахстан; 2)Все-российский научно-исследовательский институт технической физики, Снежинск, Россия; 3) Дивизион Инспекции на месте ОДВЗЯИ, Вена, Австрия).

Сагарадзе Дмитрий Александрович

Разработка технологии пешеходной магнитометрии для целей инспекции на месте в рамках Договора о всеобъемлющем запрещении ядерных испытаний

Автореферат

Лицензия ИД № 05050

Отпечатано с оригинала, подготовленного Издательством РФЯЦ — ВНИИТФ Адрес Издательства 456770, г Снежинск Челябинской обл ул Васильева, 13,РФЯЦ— ВНИИТФ тел (351-46) 5-23-50,5 24-17 E-mail tagor@onti ch70 chel su http // www vnut(7ng/index

Подписано в печать 26 01 05 Формат 60*84/16 Гарнитура Тайме Печать офсетная Уел п л 2,3 Тираж 100 экэ Заказ ^ 05-02-0020

Отпечатано в ООО "Растр-технология" 456770, г Снежинск, ул Транспортная, 66

2-5.00

t 17- л £ Л

ä г > J. < и

v. .3

«« »

... ä . -■4

2 2 MAP 2005

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Сагарадзе, Дмитрий Александрович

ВВЕДЕНИЕ.

1. ВОЗДЕЙСТВИЕ ПОДЗЕМНОГО ЯДЕРНОГО ВЗРЫВА НА ВМЕЩАЮЩИЕ ПОРОДЫ.

1.1. Фаза ядерных реакций.

1.2. Фаза гидродинамического воздействия.

1.3. Фаза статического воздействия.

1.4. Фаза терморадиационного последействия.

1.5. Выводы.

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РАБОТЫ.

2.1. Скважина №1.

2.2. Скважина №2.

2.3. Скважина №5.

2.4. Скважины №6, 7, 8.

2.5. Скважина №19.

2.6. Скважины "Регион-1" и "Регион-2".

2.7. Некоторые данные по другим скважинам.

2.8. Штольня.

2.9. Выводы.

3. ОБОРУДОВАНИЕ.

3.1. Магнитометры и технические требования к ним.

3.2. Выводы.

4. ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ГЕОМАГНИТНЫХ АНОМАЛИЙ ОТ ПЯВ.

4.1. Обзор математических моделей.

4.2. Магнитная аномалия от колонны обсадных труб.

4.3. Магнитная аномалия петрофизического характера (периферийная).

4.4. Выводы.

5. МЕТОДИЧЕСКОЕ РУКОВОДСТВО ПО ПРИМЕНЕНИЮ ТЕХНОЛОГИИ МАГНИТОМЕТРИИ.

5.1. Вводная часть.

5.2. Назначение и основные характеристики технологии ММ.

5.3. Метод измерений.

5.4. Средства измерений.

5.5. Условия выполнения измерений.

5.6. Подготовка к выполнению измерений.

5.7. Выполнение измерений.

5.8. Обработка и интерпретация результатов измерений.

5.9 Выводы.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Разработка технологии пешеходной магнитометрии для целей инспекции на месте в рамках Договора о всеобъемлющем запрещении ядерных испытаний"

В 1994-96 годах на Конференции по разоружению был согласован текст Договора о всеобъемлющем запрещении ядерных испытаний (далее по тексту - Договор, или ДВЗЯИ). По решению Генеральной Ассамблеи ООН в сентябре 1996 года Договор был открыт для подписания и на сегодняшний день подписан более чем 170 государствами [22]. Согласно положениям Договора, он может вступить в силу при условии его ратификации 44 государствами, обладающими на сегодня ядерными технологиями. В сентябре 2000 года Договор был ратифицирован Российской Федерацией.

В случае фактического нарушения Договора (проведение ядерного взрыва), с помощью средств международной системы мониторинга, которые включают сеть сейсмических, радионуклидных, гидроакустических и инфразвуковых станций, а также и национальные технические средства государств-участников Договора, в большинстве случаев возможно получение информации, на основании которой можно сделать предположение о нарушении Договора. Любое государство-участник этого Договора вправе потребовать у международного сообщества проведение инспекции на месте сомнительного события (далее по тексту - инспекция на месте, или ИНМ). Цель инспекции на месте - окончательное подтверждение или опровержение факта нарушения Договора.

Актуальность работы

В Протоколе к Договору оговорены и приняты виды и методы инспекционной деятельности. В их число вошли: визуальное наблюдение; измерение уровней радиоактивности (отбор проб, гамма-мониторинг, гамма-спектрометрия, отбор и анализ твердых, жидких и газообразных экологических проб); геофизические методы (активная, пассивная и резонансная сейсмометрия, магнитометрия, гравиметрия, электрометрия и грунтопроникающие радарные измерения).

Одним из методов инспекции, как записано в Протоколе к Договору, является картирование магнитного поля с целью обнаружения аномалий или артефактов. В ходе совместных международных встреч экспертов по инспекционным видам и технологиям было принято их называть технологиями, а данный метод - технологией магнитометрии (далее по тексту - технология магнитометрии или технология ММ).

Цель применения геофизических технологий в ходе инспекции на месте состоит в поиске, локализации и идентификации скрыто проведенного подземного ядерного взрыва (ПЯВ) и определении его эпи- или гипоцентра. Это осуществимо только при их комплексном применении. При этом, каждая технология в отдельности должна обладать исчерпывающими возможностями для поиска эпи- или гипоцентра подземного ядерного взрыва. Цель работы

Цель данной работы заключается в разработке технологии ММ для картирования магнитного поля методом пешеходной съемки модуля полного вектора магнитной индукции. Технология ММ должна быть средством поиска и локализации эпи-центральной зоны ПЯВ. Её эффективность должна быть испытана и подтверждена практически на объектах ПЯВ.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Экспериментально изучены особенности аномалии модуля полного вектора магнитной индукции и установлены косвенные признаки проведения ПЯВ в скважине, обсаженной ферромагнитными конструкционными материалами. К указанным косвенным признакам относятся: а) ориентировка аномальной оси по магнитному меридиану вследствие изменения направления и величины остаточной намагниченности под воздействием факторов взрыва на колонну обсадных труб, б) заметная динамика указанной аномалии в первое время после взрыва.

2. Доказан факт существования и определены характеристики аномалии модуля полного вектора магнитной индукции петрофизического характера, как результата воздействия ПЯВ на магнитные горные породы. Аномалия петрофизического характера образуется, прежде всего, в результате температурного воздействия ПЯВ и, как следствие, последующего термоперемагни-чивания при остывании пород от температур ниже точки Кюри в современном геомагнитном поле.

3. Изучены методические особенности и предложена технология магнитометрии, которая позволяет найти и локализовать эпицентр проведенного в скважине ПЯВ. Технология магнитометрии состоит из двух этапов (поиск, включающий изучение петрофизической аномалии, локализация оголовка на Л площади 100x100 м с погрешностью до десятка метров с последующим уменьшением площади и шага измерений и доведение погрешности локализации до полуметра) и позволяет в соответствии с разработанным методическим руководством для целей ИНМ ДВЗЯИ определить характеристики аномалии модуля полного вектора магнитной индукции, выявить косвенные признаки проведенного ПЯВ и на основании этого обнаружить его эпицентр. Предметом исследований является методика пешеходных измерений полного вектора магнитной индукции и его вертикальной составляющей, технические средства для его осуществления, логическая организация этих измерений и их применимость для поиска и локализации эпицентральной зоны подземного ядерного взрыва.

Объектами исследований являются аномалии модуля полного вектора магнитной индукции и его вертикальной составляющей в эпицентральных зонах подземных ядерных взрывов. Данные исследования были проведены, в основном, на сква-жинных объектах ПЯВ.

Основные задачи исследований

Для достижения цели данной работы были решены следующие задачи:

1. Проведены экспериментальные работы на 22 объектах ПЯВ (на бывшем Семипалатинском испытательном полигоне и объектах в Оренбургской области);

2. Проанализированы и систематизированы экспериментальные данные. Определены характеристики аномалий модуля полного вектора магнитной индукции (AT) и его вертикальной составляющей (AZ);

3. Проанализированы известные физико-математические модели (ФММ) образования аномалий AT, как результата проведения подземного ядерного взрыва. Показаны достоинства данных моделей и определены причины неадекватности между моделируемыми и реальными аномалиями ДТ. Определен подход для разработки корректной ФММ образования аномалии AT в результате проведения ПЯВ;

5. Разработано методическое руководство по технологии ММ для ИНМ ДВЗЯИ.

Научная новизна работы

1. В результате экспериментальных работ, лично выполненных автором (на трех объектах), и обобщения ранее полученных данных, детально изучены аномалии модуля полного вектора магнитной индукции Земли - ДТ, а также его вертикальной составляющей - AZ в эпицентральных зонах подземных ядерных взрывов. Установлено, что изученные геомагнитные аномалии являются следствием воздействия подземного ядерного взрыва на ферромагнитные конструкционные элементы (обсадные и спускные колонны труб при скважинных испытаниях ядерного оружия) и на вмещающие породы в магнитном поле Земли.

2. Установлены характеристики аномалий в эпицентральной зоне непосредственно над устьем скважины, где проводился подземный ядерный взрыв. Над устьем скважины аномалия ДТ имеет величину от +10300 до +56000 нТл. Для аномалий характерны большая амплитуда, большой горизонтальный градиент над устьем скважины (до 44000 нТл/м), а также динамические изменения амплитуды в течение периода от нескольких дней до нескольких месяцев после подземного ядерного взрыва. К периферии, на расстоянии 10-25 м севернее от устья, положительная часть аномалии затухает, уменьшается до нуля и переходит в область отрицательных значений -2800 + -300 нТл. Ось, соединяющая максимум и минимум данной аномалии всегда направлена по магнитному меридиану. Такая ориентация аномалии связана с перемагничиванием колонны обсадных труб в результате воздействия ПЯВ в современном геомагнитном поле. Это является косвенным признаком проведенного ПЯВ и существенным отличительным признаком данной аномалии от других аномалий техногенного характера.

3. На основании полученных разностных значений аномалий до и после подземного ядерного взрыва установлено, что в результате его проведения образуются положительные, протяженные, периферийные малоамплитудные аномалии AT петрофизического характера. Протяженность данных аномалий от 1,4 до 2 км. Амплитуда этих аномалий возрастает от ~5 нТл на периферии (800-1000 м от устья скважины) до 60 нТл ближе к устью скважины, на расстоянии ~50 м. Нам не удалось наблюдать динамику петрофизической аномалии непосредственно после взрыва по причине отсутствия недавних событий. Однако она должна иметь место в первые дни и недели после испытаний вследствие известных процессов эволюции очага ядерного взрыва. Таким образом, установлены косвенные признаки проведения ПЯВ по данным магнитометрии.

4. При физико-математическом моделировании для прогнозирования аномалии AT, как следствия воздействия ПЯВ на материалы с высокой магнитной проницаемостью (каковым является ферромагнитные колонны обсадных труб), использованы программы ИГф УрО РАН, учитывающие наряду с остаточной намагниченностью эффект размагничивания, который оказывает существенное влияние на характер аномалии. По результатам физико-математического моделирования установлено также, что основной причиной образования периферийной аномалии петрофизического характера являются магнитные породы, которые подверглись эффекту термонамагничивания от воздействия ПЯВ. Кроме этого установлено, что эффект термоперемагничи-вания не является единственным. Поэтому, в дальнейшем, для совершенствования физико-математического моделирования аномалии AT необходимо проверить влияние магнитострикционного и магнитоупругого эффектов, а также влияние зоны откола на геомагнитную аномалию, как следствия воздействия ударной волны от ПЯВ в верхних слоях геологического разреза.

5. По нашему техническому заданию в лаборатории квантовой магнитометрии УГТУ-УПИ разработан специализированный магнитометр на базе POS - 1. В данном магнитометре реализованы новые алгоритмы обработки сигналов с повышенным быстродействием, которые позволили проводить измерения в высоко градиентных геомагнитных полях, характерных для эпицентральной зоны ПЯВ. Данный магнитометр был адаптирован для совместной работы с приёмниками системы глобального позиционирования (GPS). Это позволило исключить предварительную разбивку сети наблюдений на поисковом этапе, что важно ввиду ограниченности времени инспекции. Практическая значимость и реализация работы.

Результаты, полученные в данной работе, явились технической основой для успешной разработки технологии магнитометрии для ИНМ в условиях ДВЗЯИ. Разработанное методическое руководство по трехэтапному применению технологии магнитометрии прошло несколько стадий доработок с начиная с проекта и заканчивая практической апробацией на конечном этапе. Применение технологии магнитометрии согласно методического руководства, позволяет найти и локализовать эпицентр сква-жинного ПЯВ при проведении международной инспекции на месте.

Основные положения, сформулированные в работе, после обсуждений на заседаниях рабочих встреч международных экспертов по инспекции на месте, вошли в проект Оперативного руководства для инспекций на месте, о котором сказано в Протоколе к Договору о всеобъемлющем запрещении ядерных испытаний (часть II, пункт 13). Оперативное руководство является документом исключительной важности для осуществления инспекций на месте. Проект данного документа был подготовлен в помощь Временному техническому секретариату Подготовительной комиссии Организации Договора о всеобъемлющем запрещении ядерных испытаний (ВТС ПК ОД-ВЗЯИ) и инспекционной группе при подготовке и проведении инспекций. Оперативное руководство основано на положениях Договора и результатах работы ВТС ПК ОДВЗЯИ и ее вспомогательных органов.

Следует так же отметить, что в диссертации сформулирован и намечен дальнейший ход работ для продолжения исследований в данной области. Новые результаты исследований так же будут учтены в последующих вариантах Оперативного руководства.

Апробация работы

Основные выводы и положения данной работы были представлены на международных рабочих встречах экспертов по ИНМ ДВЗЯИ: Вена, Австрия, 25-31 мая 1999. [3]; Вена, Австрия, 2-6 февраля 1998. [4]; Фарнборо, Англия, 24-31 мая 1999. [5]; Пекин, Китай, 15-19 октября 2001. [7]; Хиросима, Япония, 3 июля 2003. [6]; Международный семинар им. Д.Г. Успенского "Вопросы теории и практики геологической интерпретации гравитационных, магнитных и электрических полей" (Екатеринбург, 1999. [46]).

Элементы технологии ММ демонстрировались в Национальном институте геофизики и вулканологии (Италия, Рим, 2003 г). Результаты отражены в техническом отчете Организации ДВЗЯИ [1]. Отработка технологии ММ также проводилась на бывшем Семипалатинском полигоне совместно с Институтом геофизических исследований Национального ядерного центра Республики Казахстан (ИГИ НЯЦ РК) при поддержке Временного технического секретариата Подготовительной комиссии Организации ДВЗЯИ. Результаты работ отражены в совместном докладе на Третьей Международной конференции "Мониторинг ядерных испытаний и последствий" (Боровое, Республика Казахстан, 2004 г).

Публикации

По теме диссертации опубликовано 7 работ. Кроме этого, по теме диссертации автором выпущено 12 внутренних спецотчетов Всероссийского научно-исследовательского института технической физики (РФЯЦ-ВНИИТФ).

Структура диссертации

Заключение Диссертация по теме "Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых", Сагарадзе, Дмитрий Александрович

5.9 Выводы

В разработанном методическом руководстве по технологии ММ устанавливается порядок подготовки и выполнения измерений Т для обнаружения и локализации эпицентральной зоны ПЯВ на основании картирования магнитного поля. Кроме краткого вышеприведенного описания в руководстве по технологии ММ предусмотрены положения по безопасности персонала, по составлению отчетной документации и о техническом оснащении технологии. Методическое руководство было проверено практической отработкой технологии ММ на объектах ПЯВ. Полученными результатами в ходе практических работ было доказано, что технология ММ позволяет найти и локализовать эпицентральную зону ПЯВ по выявленным характеристикам аномалии. В методическом руководстве положение эпицентра связывают с положением максимума аномалии AT. При этом, следуя положениям методического руководства, обеспечивается высокая степень надежности в получении достоверных данных, высокая производительность и простота применения технологии ММ. Эти качества технологии достижимы благодаря учету методических особенностей при её практическом применении. К таким относятся, например, многократные измерения, на основании которых возможно сделать оценку среднеквадратической ошибки и оценить достоверность полученного результата. Кроме этого, применение современного магнитометра POS-1 с высокой градиентоустойчивостью позволяет проводить измерения в непосредственной близости от устья скважины. Это, в свою очередь, позволяет определить ориентацию аномалии AT, выявить положение экстремумов и определить все другие её характеристики. Применение магнитометра POS-1 интегрированного с приемником GPS позволяет проводить съемку без предварительной разбивки топосети и повысить производительность. Применение мерных шнуров на этапе локализации позволяет также обходится без разбивки топосети на местности и ускоряет процесс съемки. Синхронность измерений МВС и полевого магнитометра позволяют достигать наименьшей погрешности измерений. Подготовительные мероприятия, последовательность операций, предусмотренных методическим руководством, позволяют свести к минимуму ошибки при измерениях. Поэтому, следование пунктам методического руководства является необходимым и достаточным условием для поиска и локализации эпицентральной зоны ПЯВ при инспекции на месте в рамках Договора о всеобъемлющем запрещении ядерных испытаний.

6. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

При подготовке екважинного камуфлетного ядерного испытания в соответствии с современными технологиями производится бурение скважины большого диаметра размером от 800 мм и до 5000 мм на глубину в сотни метров (по опыту испытаний бывшего СССР и США). Как правило, эти скважины обсаживаются трубами из углеродистой стали, которая относится к ферромагнитным материалам. Глубина обсадки, в зависимости от геологии, может достигать от нескольких десятков до сотен метров. Кроме этого, при размещении заряда внутри скважины могут быть использованы спускные колонны, которые тоже могут быть изготовлены из ферромагнитных материалов. Такая технология проведения подземного ядерного взрыва в скважине приводит к тому, что в месте подготовки и последующего проведения ПЯВ существуют аномалии магнитного поля. В диссертации, на основании выполненных исследований геомагнитных аномалий в местах подготовленных к проведению и проведенных ПЯВ, представлены следующие научно-технические результаты:

1) На объектах подготовленных к ПЯВ, и на объектах после проведения ПЯВ существуют аномалии модуля полного вектора магнитной индукции Земли AT и его вертикальной составляющей AZ. Аномалии до проведения ПЯВ и после его проведения отличаются между собой. Установлено, что аномалия AT представляет собой суперпозицию аномалий двух типов, а именно: а) аномалии над устьем скважины, которая обусловлена ферромагнитными конструкционными элементами (обсадные трубы и колонны); б) периферийной аномалии петрофизического характера, которая вызвана воздействием ПЯВ на вмещающие породы;

2) Аномалия AT над устьем скважины обладает высокой интенсивностью, большими горизонтальными градиентами. После проведения ПЯВ аномалия ориентирована своей осью в соответствии с магнитным меридианом Земли, что связано с перемагничиванием колонны обсадных труб в результате воздействия ПЯВ в современном геомагнитном поле. Аномалия имеет специфические характеристики, а именно:

- форма аномалии AT близка к плоскосимметричной. Имеется область положительных и отрицательных значений. Область положительных значений слегка вытянутая по направлению юг-север;

- направление линии полюсов аномалий до ПЯВ не всегда совпадает с магнитным меридианом Земли и может отклоняться на угол до 17°;

- направление линии полюсов аномалий после ПЯВ совпадает с магнитным меридианом Земли, или может отклоняться на угол не более 2°;

- максимум положительной области значений AT соответствует устью скважины и может достигать от 10300 до 56000 нТл,

- минимум отрицательной части аномалии расположен на расстоянии от 10 до 25 м севернее максимума и может достигать -2800 нТл;

- наибольшее значение горизонтального градиента наблюдается на отрезке между максимумом и минимумом аномалии и, как установлено экспериментально, составляет от 24500 до 44000 нТл/м;

- размер области положительных значений аномалии AT в эпицентральной зоне над устьем скважины по уровню поля > 0 нТл составляет от 40x50 до 160x120 м в широтном и меридиональном направлениях соответственно;

- размер области отрицательных значений аномалии AT в эпицентральной зоне по уровню поля < -50 нТл составляет > 55x50 м в широтном и меридиональном направлениях соответственно;

- аномалия AT существует десятки лет, что превышает сроки инспекции на месте, которая может осуществляться в рамках Договора о всеобъемлющем запрещении ядерных испытаний. По своим характеристикам аномалии AT над устьем скважины отличаются от аномалий природного характера. Установленные обобщенные характеристики аномалии AT являются косвенными признаками скважины, в которой мог бы быть проведен подземный ядерный взрыв. Но на ряду со всеми признаками особо следует отметить совпадение направления линии полюсов аномалий после ПЯВ с магнитным меридианом Земли. Данный признак является следствием именно проведенного ПЯВ и не является обязательным для скважинных труб, которые не подвергались подобным воздействиям;

3) Кроме геомагнитной аномалии над устьем скважины существует периферийная аномалия AT петрофизического характера. По форме эта аномалия положительная, куполообразная, однополюсная, с плавным увеличением положительных значений ДТ с периферии к устью скважины. Её амплитуда увеличивается от 5 нТл до 26-60 нТл на расстоянии от 2000 до 50 м к устью скважины. Размер периферийной аномалии ДТ по уровню поля > 5 нТл находится в пределах 1450 - 2000 м, и составляет 1/3 глубины проведенного ПЯВ. В результате воздействия ПЯВ на окружающие породы происходит их испарение, плавление, нагрев выше точки Кюри и последующее остывание в геомагнитном поле. Это приводит эффекту термоперемагничивания. При этом термоостаточная намагниченность в течение значительного времени существенно превышает естественную остаточную и индуцированную намагниченности. Это является одной из основных причин образования аномалии петрофизического характера, что было проверено физико-математическим моделированием;

4) В течение времени от момента взрыва до нескольких месяцев после ПЯВ в эпицентральной зоне происходит изменение аномалий AZ и ДТ. Это установлено по полученным разностным значениям ДТ(раз11). Со временем разностные значениям ДТ(раз„) уменьшаются. Наиболее сильные изменения происходят ближе к устью скважины, в эпицентральной зоне ПЯВ. К периферии, на расстоянии 50 м и более от устья скважины, значения аномалии ДТ(раз„) более "сглаженные" и изменения аномалии проявляются в меньшей степени. Эти эффекты обусловлены перемагничиванием колонны обсадных труб и приповерхностных металлических предметов, а в некоторых случаях, связаны с природными источниками аномалий (например, зона разлома). Нестабильность магнитного поля в первые дни после ПЯВ может объяснятся, предположительно, активными процессами в породах после ПЯВ (остывание пород, радиационные воздействия, флюидодинамические процессы). Эти процессы могут сказываться на изменении геомагнитного поля. В более поздние сроки изменение магнитного поля может происходить из-за движения флюида (грунтовых вод), но уже в меньшей степени. Кроме этого, могут изменяться такие виды остаточной намагниченности (у пород, приповерхностных магнитных предметов, у колонны обсадных труб), как нормальной (Jr), так и идеальной (Jrt). Эти виды намагниченности появляются у ферромагнетиков в результате кратковременного воздействия магнитного поля (для Jr), или при одновременном воздействии постоянного (в данном случае геомагнитного) и переменного магнитных полей (для Jrt). Согласно [19] идеальная и нормальная виды остаточной намагниченности являются менее устойчивыми, чем, например, термоостаточная или динамическая. В результате этого может происходить их изменение под воздействием геомагнитного поля, как размагничивающего, которое в районе устья скважины дополнительно усиливается колонной обсадных труб. Изменения во времени геомагнитной аномалии в эпицентральной зоне ПЯВ является его косвенным признаком. Следует заметить, что динамика аномалии петрофизиче-ского характера не изучалась. Однако, исследования в этом направлении необходимы, т.к. по тем же вышеперечисленным причинам динамики магнитной аномалии в эпицентральной зоне не исключена динамика магнитной аномалии петрофизического характера;

5) Вышеприведенные результаты работы явились основой разработки технологии ММ и её эффективного применения при ИНМ в условиях ДВЗЯИ. Разработанная технология ММ прошла апробацию на объектах ПЯВ "Регион-1" и "Регион-2" в Оренбургской области в 1999 и 2000 г. Летом 2003 г, в Италии, были продемонстрированы элементы технологии ММ с применением магнитометра POS-1, интегрированного с приемником GPS. Осенью 2003, технология ММ прошла проверку на бывшем Семипалатинском испытательном полигоне Республики Казахстан. Результаты данной апробации показали, что технология ММ может использоваться согласно Протоколу к Договору в ходе международной инспекции на месте для поиска и локализации эпицентральной зоны ПЯВ, последующей его идентификации на основании косвенных признаков и выявленных характеристик аномалии модуля полного вектора магнитной индукции.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Сагарадзе, Дмитрий Александрович, Снежинск

1. Haggins G.H., "Nuclear explosions data for underground engineering applications" (Ядерные взрывы, данные для подземной прикладной инженерной деятельности), "Peaceful Nuclear Explosions", Vienna, 1970, 111-122.

2. Адугикин B.B., Перник JI.M. Образование холмов вспучивания при взрывах рыхления. Действие взрыва в неоднородной среде// Сборник Взрывное дело № 90/47. -М.: Недра, 1990.-287 с.

3. Блох Ю.И. Решение прямой задачи магниторазведки для трехмерных анизотропных объектов с учетом размагничивания // Изв. АН СССР. Физика Земли. 1987. № 12. С.49-55.

4. Блох Ю.И. Учет размагничивания при решении прямой задачи магниторазведки для трехмерных изотропных объектов // Изв. АН СССР. Физика Земли. 1983. № 5. С.113-117.

5. Бовт А.Н., Ловецкий Е.Е., Селяков В.И., Сироткин В.К., Фетисов B.C., Шурыгин Е.А. Механическое действие камуфлетного взрыва. М.: Недра, 1990. -179с.

6. Броуд Гарольд Л. Расчеты взрывов на ЭВМ. Геодинамика взрывов. -М.: Мир, 1976.-271 с.

7. Броуд Гарольд Л. Расчеты взрывов на ЭВМ. Подземные взрывы. -М.: Мир, 1975.- 162 с.

8. Буткович Т.Р. Влияние воды в горных породах на эффекты подземных ядерных взрывов. Подводный и подземный взрывы// Сборник статей. Перевод Николаева В.Н. М.: Мир, 1974. ^14 с.

9. Буткович Т.Р. Газовое уравнение состояния для природных материалов// Сборник статей: Механика, серия Новое в зарубежной науке. М.: "Мир", 1975. -Вып.З.

10. Винничук Н.Н., Костров Н.П., Ратушняк А.Н. Применение объемных интегральных уравнений в задачах магнитометрии. -Екатеринбург: УрО РАН, 1999.-52 с.

11. Вонсовский С.В. Магнетизм. М.: Наука, 1971. - 1032 с.18

Информация о работе

Сагарадзе, Дмитрий Александрович
кандидата технических наук
Снежинск, 2004
ВАК 25.00.10

Диссертация

Разработка технологии пешеходной магнитометрии для целей инспекции на месте в рамках Договора о всеобъемлющем запрещении ядерных испытаний - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы