Разработка цифровой аппаратуры и программно-методического обеспечения обработки данных МТЗ

Коноплин, Алексей Дмитриевич

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Разработка цифровой аппаратуры и программно-методического обеспечения обработки данных МТЗ
ВАК РФ 25.00.10, Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых

Автореферат диссертации по теме "Разработка цифровой аппаратуры и программно-методического обеспечения обработки данных МТЗ"

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК УРАЛЬСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ ИНСТИТУТ ГЕОФИЗИКИ

АВТОРЕФЕРАТ

Работа выполнена в Институте Геофизики Уральского отделения Российской Академии Наук.

Научный руководитель:

Доктор геолого-минералогических наук А. Г. Дьяконова Официальные оппоненты:

Доктор физико-математических наук, профессор А. Н. Мезенцев Кандидат технических наук Д. Н. Волынский

Ведущее предприятие - Горный институт Уральского отделения

Российской Академии Наук

Защита состоится тс?. в /4 часов

на заседании диссертационного совета Д 004.009.01 в Инстшуге геофизики Уральского отделения Российской Академии Наук (620016, г. Екатеринбург, ул. Амундсена, 100).

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке Института геофизики УрО РАН. Автореферат разослан "Я*2СЩ. года

Ученый секретарь диссертационного совета д. ф.-м. н.> профессор

Ю.В. Хачай

.....4 ЫЯВПЧ

¿a озс'

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

. Метод

Метод МТЗ был предложен в начале 50-х годов прошлого века А. И. Ти вым и Л. Каньяром. Последующее развитие этот метод получил благодаря работам М. Н. Бердичевского, Л. Л. Ваньяна, И. М. Варенцова, В. И. Дмитриева, М. С. Жданова, А. А. Кауфмана, А. А. Ковтун, Н. В. Липской, И. И. Рокитянского, Л. Н. Пороховой, Э. Б. Файнберга, F. X. Bostik, A. G. Chave, A. Jones, R. L. Mackie, D. J. Thomson, К. Vozoff, P. Weidelt и других i Метод

но

Структур.

Под руководством А. Г. Дьяконовой, на Урале были

а 11 региональных пр< елях, общей протя-4000 км. По результатам этих

обработки : остаётся скрытой.

С. ft г.

Актуальность исследований связана с необходимостью преодоления вышеперечисленных недостатков аппаратурно-методического обеспечения метода МТЗ, в связи с чем была поставлена цель работы:

Разработка и изготовление макетов цифровых электроразведочных станций с программным обеспечением, позволяющих измерять электромагнитное поле естественных и контролируемых источников в высокочастотном и длиннопериодном диапазонах.

Задачи работы:

-разработка и создание цифровой узкополосной аппаратуры аудиомагнитотел-лурического зондирования и программного интерфейса для неё, обеспечивающей также возможность измерений с контролируемым источником; разработка методики наблюдений и программного обеспечения для обработки результатов комплексных измерений с естественным и искусственным источниками;

-разработка и изготовление компьютеризированной цифровой низкочастотной аппаратуры МТЗ с использованием торсионных магнитных датчиков, стабильно работающей в диапазоне периодов от единиц секунд до суток; создание программного обеспечения для обработки МТ данных.

Научная новизна.

1. Совместно с А. И. Человечковым и О. Л. Соколом-Кутыловским разработана цифровая аппаратура "Гроза" для измерения и регистрации пяти компонент электромагнитного поля естественных и искусственных источников. Отличительные особенности аппаратуры:

- применение 16 фиксированных частот, оптимально размещённых в диапазоне, используемом в методе аудиомагнитотеллурического зондирования при решении структурных задач. Высокая избирательность измерительных каналов позволяет эффективно использовать аппаратуру в условиях интенсивных промышленных помех. Научная новизна так же подтверждается патентом на изобретение.

2. С использованием оптико-механического блока торсионных магнитометров разработана низкочастотная аппаратура магнитотеллурического зондирования, отличающаяся широким динамическим и частотным диапазоном, высокой разрядностью квантования, большой продолжительностью непрерывной записи, малыми габаритами, малым весом и энергопотреблением. Процесс регистрации полностью

автоматизирован, продолжительность работы без обновления носителя информации не менее одного полевого сезона.

3. Для обработки широкодиапазонных данных магнитотеллурического зондирования создана программа обработки с использованием робастной статистики, позволяющая вычислять передаточные функции по временным рядам измеренного электромагнитного поля, в том числе с привлечением информации одной или нескольких удалённых опорных точек.

Практическая ценность. Созданные макеты цифровой узкополосной аппаратуры аудиомагнитотеллурического зондирования "Гроза" и аппаратуры широкополосного магнитотеллурического зондирования МТЦ-01 используются при проведении региональных исследований: аппаратура "Гроза" с 1998 г., а с 2001 г. низкочастотная аппаратура МТЦ-01. Данные, полученные с применением узкополосной аппаратуры, позволили выявить особенности геоэлеюрического строения верхних горизонтов коры различных зон Южного Урала (Сакмарской, Зилаирской, Урал-Тау), Северного Урала (профиль Яйва - Кытлым - Серов - Гари), и ВосточноЕвропейской платформы (западный отрезок профиля Темиртау - Куйбышев). Низкочастотная аппаратура МТЦ-01 применялась при исследованиях геоэлектрического разреза восточной части Восточно-Европейской платформы (республика Татарстан) и некоторых районов Башкирии (южное сечение профиля Уралсейс-95). Результаты исследований, проведенных с применением новой аппаратуры АМТЗ и МТЗ, подтверждают результаты подобных работ прошлых лет. За счёт повышения точности измерений, расширения частотного и динамического диапазона, увеличения объёма измеряемых данных, применения высокопроизводительных процедур компьютерной обработки данных удалось получить результаты в тех районах, где ранее из-за высокого уровня помех или по какой-либо причине не удалось провести такие измерения, или не удалось обработать результаты съёмки. Были получены данные в районах, где ранее магнитотеллурическая съёмка вообще не проводилась.

В результате проведённых обширных экспериментальных работ выявлены новые черты структурно-тектонического строения рассмотренных территорий в большом диапазоне глубин.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на международной научной конференции "Чтения имени А. Н. Заварицкого" (Екатеринбург 199% 2001);

на международной научно-практической конференции молодых учёных и специалистов "Геофизика-99" (Санкт-Петербург 1999); Международной геофизической конференции "Геологоразведка-2000" (Санкт-Петербург 2000); на И, III и V геофизических чтениях памяти В. В. Федынского (Москва 2000, 2001, 2003); на первой и третьей Уральской молодёжной научной школе по геофизике (Екатеринбург 2000, 2002); на научных чтениях памяти Ю. П. Булашевича "Ядерная геофизика, геофизические исследования литосферы, геотермия" (Екатеринбург 2001); на 26, 27, 29 сессии международного семинара им. Д. Г. Успенского "Вопросы теории и практики геологической интерпретации гравитационных, магнитных и электрических полей" (Екатеринбург 1999, 2002; Москва, 2000);

Публикации. По теме диссертации опубликовано 16 работ, в том числе 1 патент на изобретение.

Личный вклад. Работа подготовлена по результатам исследований начатых автором в 1998 г. в составе лаборатории электрометрии под научным руководством д. г.-м. н А. Г. Дьяконовой. Исследования проводились в соответствии с плановой тематикой института и при поддержке Российского Фонда Фундаментальных Исследований (гранты 98-05-64816, 98-05 79025, 99-05-79075, 01-05-65190, 01-05-79171).

В процессе подготовки выполнен большой объём экспериментальных исследований, результаты которых отражены в совместных публикациях с сотрудниками, участвовавшими в работе на различных её стадиях: П. Ф. Астафьевым, В. С. Вишневым, О. В. Баталовой и др.

Личный вклад автора заключается в разработке и внедрении в практику новой цифровой аппаратуры, разработке алгоритмов и создании программы обработки данных МТЗ, непосредственном участии в проведении полевых работ, и обработке полученных материалов.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, трёх глав, заключения, двух приложений, и списка литературы из 64 наименований. Диссертация изложена на 121 странице, содержит 44 рисунка и 5 таблиц. Защищаемые положения приведены в заключении.

Автор искренне благодарен своему научному руководителю д. г.-м. н. А. Г. Дьяконовой за помощь и поддержку при подготовке диссертации. Автор также признателен всем сотрудникам лаборатории электрометрии ИГф УрО РАН, уча-

етие которых позволило выполнить эту работу: д. т. н. А. И. Человечкову, д. т. н. О. Л. Соколу-Кугыловскому, к. г.-м. н. П. Ф. Астафьеву, к. т. н. В. С. Вишневу, к. т. и. А. Н. Ратушняку, О. В. Баталовой и др.

, д. ф.-м. н. О. А. Хачай за ценнь: ользования вейвлет анализа в обработке ] Автор признателен д. ф.-м. н. С. А. Вагину (СПбГУ) за <

аппаратуры, к. ф.-м. н. М. Ю. Смирнову (СПбГУ) за ценные советы и обсуждение некоторых вопросов обработки данных, к, ф.-м. н. И. М. Варенцову (ИГЭМИ ИФЗ РАН) за предоставление возможности тестирования алгоритмов обработки.

боты и

10. Магнитный момент диполя искусственного источника, А-м

30000

С учётом особенностей естественного электромагнитного поля в низкочастотном диапазоне была разработана и создана широкодиапазонная аппаратура маг-нитотеллурического зондирования. При разработке конструкции станции ставилась задача создания аппаратуры, требующей минимального вмешательства оператора в ходе проведения измерений, обеспечивающей требуемый динамический диапазон линейным квантованием сигнала, и с учётом состояния современной элементной базы, минимальный набор узлов, реализованных аппаратно. Все эти задачи были выполнены. Кроме того, в отличие от других станций аналогичного назначения, в разработанной аппаратуре есть возможность визуализации записываемой информации, что часто помогает при проведении эксперимента.

При разработке низкочастотной аппаратуры был использован опыт геофизиков Санкт-Петербургского Государственного Университета, любезно предоставленный С. А. Вагиным.

Аппаратура МТЦ-01 представляет собой автоматизированную цифровую станцию для измерения колебаний естественного электромагнитного поля, в диапазоне периодов 1.6 ч- 10000 сек. Амплитудный диапазон станции составляет ±1000 нТл для каналов измерения магнитного поля, и ± 2000 мВ для каналов измерения электрического поля. В аппаратуре используется 24-разрядное аналого-цифровое преобразование, поэтому все измерения ведутся без каких-либо переключений чувствительности. Частотный диапазон аппаратуры может быть изменён путём уменьшения частоты дискретизации вп(п= Мб) раз, т. е. в п раз увеличиваются наименьший и наибольший периоды измеряемых колебаний. В аппаратуре используются торсионные магнитомеханические датчики магнитного поля, ранее применявшиеся в магнитотеллурической аппаратуре МТЛ-71, однако в аппаратуре МТЦ-01 полностью изменена электронная часть датчиков, что позволило расширить их амплитудный диапазон до ± 1000 нТл.

Аналоговая часть аппаратуры содержат в себе минимальный набор необходимых для работы аппаратных средств - предварительные буферные усилители, фильтры низкой частоты и аналого-цифровой преобразователь (24-разрядный дельта-сигма АЦП AD7714 производства фирмы Analog Devices). Вся система управле-

ния станцией реализована программно и находится в компьютере. В систему управления входят: система управления аналого-цифровым преобразователем, система самотестирования, системы хранения и просмотра информации. Программа управления станцией написана на языке Object Pascal, а подпрограммы наиболее низкого уровня (управления АЦП) на языке ассемблера микропроцессоров семейства х86.

Аппаратура МТЦ-01 имеет следующие технические характеристики:

1. Разрядность аналого-цифрового преобразования 24

2. Количество каналов 5

3. Длительность интервала дискретизации, с 0.398

4. Продолжительность непрерывной записи (без программной децимации), с 80000

5. Рабочий диапазон частот, Гц 0^0.628

6. Диапазон измерения электрического поля, мВ ±2000

7. Диапазон измерения магнитного поля, нТл ± 1000

8. Уровень шума: каналов электрического поля, мВ 0.005

каналов магнитного поля нТл 0.005

9. Переходное затухание между каналами (по напряжению), Дб 90

10. Потребляемая мощность, Вт 10

Все основные функции координации работы комплекса реализованы программно. К ним относятся:

- инициализация и начальная калибровка АЦП;

- коммутация каналов АЦП;

- выполнение последовательности самотестирования;

- реализация последовательного интерфейса АЦП;

- мультиплексирование данных;

- фильтрация и децимация потока данных;

- операции сохранения данных в файловой системе компьютера;

- визуализация данных;

- синхронизация времени и определение момента старта/остановки записи;

Глава 2. Обработка магнитотеллурических данных

Во второй главе описываются алгоритмы обработки МТ - данных и приводятся результаты тестирования аппаратуры и алгоритмов.

В силу особенностей узкополосного сигнала обработка данных аппаратуры "Гроза" выделена в отдельную процедуру.

Сигнал, прошедший через тракт аналоговой узкополосной фильтрации с преобразованием частоты имеет малую когерентность, если его обрабатывать во всём объёме записи, но когерентность высока, если запись обрабатывать отдельными участками.

В первой стадии обработки полевые данные путём свертки с комплексной фильтрующей функцией во временной области преобразуются в серию мгновенных комплексных значений амплитуд. На этой же стадии ведется отбраковка заведомо непригодных для обработки участков записи, и вводятся поправки, учитывающие аппаратурные коэффициенты передачи и фазовые сдвиги. В качестве фильтрующей применена функция до = (i-cosa/Xcos<* + /sinat), где а - коэффициент затухания, со -центральная частота сигнала, i - .

В следующей стадии обработки полученный сигнал анализируется по двум характеристикам - по коэффициенту частной когерентности и по коэффициенту корреляции между абсолютными значениями амплитуд электрических и магнитных компонент. Коэффициент частной когерентности учитывает постоянство фазовых и амплитудных соотношений между компонентами, а коэффициент корреляции абсолютных значений амплитуд служит критерием выделения синхронных всплесков интенсивности поля. Если сигнал имеет коэффициенты ваше некоторого заданного порога, то они подвергаются дальнейшей обработке, если нет, то отбрасываются. Затем по значениям, прошедшим отбраковку вычисляется поле значений кажущегося сопротивления (вероятность получения величины кажущегося сопротивления в зависимости от этой величины). В качестве оценки кажущегося сопротивления берется значение медианы этого распределения. Для определения величины порога отбраковки были проведены расчёты рк при разных значениях порога отбраковки. По результатам проведенных расчетов и, ориентируясь на аналогичные исследования, проведённые другими авторами (Смирнов M Ю., 1998) величина порога когерентности была определена равной 0.4, а величина порога коэффициента корреляции равной 0.65. Таким образом, вычисляются значения для каждого способа отбраковки (по когерентности и по корреляции амплитуд) и для каждой составляющей (рху и рух).

Обработка широкополосных данных МТЗ выполняется в несколько стадий. На первой стадии производится фильтрация помех во временной области. Отфильтровать удаётся помехи четко сосредоточенные либо в частотной (периодическая помеха с частотой промышленной сети), либо во временной области (различные импульсные помехи).

Для подавления периодических помех в программе обработки используется режекгорный фильтр с конечной импульсной характеристикой (КИХ фильтр).

Для подавления импульсных и ступенчатых помех во временной области применяется нелинейная фильтрация. Для её реализации использован метод скользящей медианы, и преобразование осуществляется как:

y'iW-mediy}4),

где у i - исходная последовательность, у\ - преобразованная последовательность, Довременная область, по которой определяется значение медианы. Для подавления ступенчатых помех фильтруется не сам исходный временной ряд, а функция смежной разности между соседними значениями:

d (í) = med{df^},

где d¡=yryi.j - разность между соседними значениями, d\t) - отфильтрованная последовательность. После этого фильтруемый участок исходной последовательности заменяется значениями накопленной суммы отфильтрованных значений d%(t):

у] - y¡~\ •

На второй стадии обработки решается основная задача обработки магнитотел-лурических данных - определение частотно-зависимых передаточных функций -тензоров входного импеданса z, адмитанса y , вектора Визе W, магнитного импеданса м и теллурического параметра т .

В данной работе предложено использовать в качестве частотного анализатора вейвлет преобразование. В отличие быстрого преобразования Фурье (БПФ), от широко применяемого при обработке МТ данных (A. G. Chave, D. J. Thompson, 1989, Семёнов В. Ю.,1985) вейвлет преобразование позволяет получить хорошую локализацию в частотной и временной областях (Дрёмин И. М., Иванов О. В., и др., 2001), что используется при отбраковке помех.

Вей влет преобразование представляет собой от времени Е(() и Н(г) в а и Ь один из которых (а) а второй (Ь) - во временной.

Е (а, Ь) и И (а, Ь)

функции был

от об-

осуществляется путём семенном про-Морле:

цг{1 ) = ехр(—+ \Ы ),

алгоритма

I в этих точках. Параметр а сии а,«вмДа, где = 1.0905. начальные \ от верхней и нижней частоты диапазона, которые либо либо определяются исходя из дли

прогрес-

[ от частоты)

частота 1

г (со) = (со) (а#;7. (ф) = г ' (со) = ($ш (со)(т))-' гдмя, ¡т, ма

процесса. При отсутствии некоррелированной помехи в При

обе

значение р, а адмитансная - завышенное (Семёнов В. Ю., 1985). При этом импе-дансная оценка асимптотически несмещена при отсутствии помех в каналах магнитного поля, а адмитансная - при отсутствии помех в каналах магнитного поля. Поэтому при обработке вычисляются обе оценки.

Дальнейшее уточнение оценки передаточной функции обеспечивается путём проверки на выполнение условия предсказания мгновенной спектральной плотности с погрешностью не большей некоторой заданной:

£J |£(£У>//)| '£2 |Я(*>,Г,)| '

где Ё(й)^),й(й>,(1) - векторы с координатами заданными спектральными плотностями на частоте со в момент времени (или по вейвлет коэффициентами при а = ¿>,=0.

Если погрешности предсказания si и б2 не превышают заданного порога бп, то значения мгновенной спектральной плотности, соответствующие этому моменту времени суммируются, если хотя бы одна погрешность больше заданной, то этот момент времени отбраковывается. По отбракованным коэффициентам снова вычисляются значения передаточных функций. Процедура повторяется до тех пор, пока расхождение между импедансной и адмитансной оценками больше заданной величины.

Если доступен временной ряд удалённой опорной точки (R), то значение передаточной функции определяется как (Gamble et al., 1979):

2(со) = sER(co) ■ s~H[R (ay). В этом случае в процедуре проверяется выполнение условия:

_ I-(^у,г,-)-Sj-J-1 j-1, ^2 ~ J-;-1. I-

Таким образом в алгоритме обработки реализуется робастность.

Дальнейшее увеличение устойчивости к помехам может быть получено путём использования опорного сигнала нескольких удалённых точек.

Предположим, имеется рядовая точка МТЗ, на которой записаны компоненты электромагнитного поля, и синхронные записи поля на п удалённых точках Rxl, Ryb Rx2» Ry2, • • • Rxn> Ryn» где Rxb Ryi - компоненты поля электрического или магнитного

поля на удалённой опорной точке. В этом случае передаточная функция определяется как

Я'ЯЕщ. ^^нт. и?,

где ¿--тензор импеданса, ^>Лд.,¡щ.,^ я - матрицы взаимных спектральных плотностей электромагнитного поля в точке измерения и удалённой опорной точки. При чётном числе N опорных каналов ¿Нщ ^ определяется как математическое ожидание произведения матрицы взаимной спектральной плотности в точке измерения на матрицы взаимных спектральных плотностей удалённых опорных точек:

при нечётном числе N опорных каналов зЩ Яы - произведение матрицы взаимной спектральной плотности точки измерения с одной из опорных точек на матрицы взаимных спектральных плотностей удалённых опорных точек:

то есть производится суммирование спектральных плотностей с весом, в роли которого выступает взаимная спектральная плотность удалённых опорных точек.

На последнем этапе обработки производится сглаживание кривых и объединение кривых, полученных в разных диапазонах в одну кривую. Объединение и сглаживание проводится в логарифмических координатах. Значение рк сглаженной

кривой в точке с координатой / определяется как:

р(г) = ехр(~ !!»(/>(*,■ ))/(&1(у)),

где, 2М - количество точек на интервале осреднения, - координата (период) точки исходной последовательности,/- сглаживающая функция, 5 - суммарный вес всех значений сглаживающей функции в точках исходной последовательности данных:

Значение аргумента сглаженной кривой определяется как:

где г - комплексная компонента тензора магнитотеллурического импеданса.

При наличии больших разбросов в исходных кривых применяются сглаживание методом скользящей медианы. В этом случае значение точки сглаженной кривой определяется как:

т = ) • у[т(А))} + / • тей{ 1т(г(/,) •

где / - координата сглаженной точки (период) , Т(1) - период точки исходной последовательности.

Вторая часть главы 2 посвящена тестированию аппаратуры и алгоритмов обработки.

Тестирование аппаратуры "Гроза".

Чтобы убедится в корректности результатов, получаемых при проведении АМТЗ с естественным источником и определить их устойчивость в зависимости от характера сигнала, было решено провести измерения с применением искусственного источника сигнала.

Использование искусственного источника поля в аудиодиапазоне позволяет повысить достоверность информации, получаемой при зондировании в области частот 600 Гц - 2000 Гц, связанной с минимумом интенсивности естественного электромагнитного поля и наиболее полно реализовать возможности узкополосной аппаратуры "Гроза", которая ориентирована на измерение именно монохроматического высококогерентного сигнала.

В данной работе рассматриваются результаты комплексных электромагнитных исследований в п. Поспелково, расположенном в 14 км восточнее г. Серова, где наблюдается высокий уровень промышленных помех.

Для возбуждения поля был использован диполь с магнитным моментом около 5000 А*м2, расположенный на расстоянии 250 -350 м, создающий поле на частотах аппаратуры "Гроза". Для контроля и сравнения результатов в точке наблюдения также проводились измерения с аппаратурой АЧЗ - 11 (разнос 50 м, рабочие частоты от 600 Гц до 160 кГц). По измеренному сигналу производилось вычисление мгновенных комплексных значений поля в каждом канале и вычисление матрицы взаимных спектров 8у = Н[ • Н/ (где Ц, Н/ - соответственно комплексная и комплексно сопряжённая амплитуда поля в каналах; \9 }) и вычислялись коэффициенты 16

когерентности между каналами Co¡j = I S¡j |2 / | S¡¡ • Sjj |, которые использовались для определения соотношения сигнал / помеха в каждом канале. В отличие от магнито-теллурического поля, которое имеет характер случайного процесса, сигнал искусственного источника строго определен и поле иного происхождения всегда уменьшает значение когерентности Co¡j. Как показали вычисления, почти на каждой частоте есть пара каналов (чаще всего Нг и Еф) имеющих высокую взаимную когерентность (> 0.95) один из которых выбирается в качестве опорного. Амплитуда поля окончательно определяется как отношение А; = S¡ ref / ref (где A¡ - комплексная амплитуда поля в канале i, S¡ ref - взаимный спектр вычисляемого и опорного канала, Sref ref - квадрат амплитуды опорного канала). Предложенная схема обработки результатов позволяет обойтись без использования дополнительного канала для регистрации опорного сигнала, который существенно усложняет конструкцию аппаратуры и проведение работ.

Как и ожидалось, даже при очень малой интенсивности поля в точке записи (1 5 пТл на частотах 600 -s- 2000 Гц и до 30 пТл на частотах ниже 160 Гц) коэффициенты когерентности между каналами находятся в пределах 0.95 -г- 0.99, что говорит о хорошем соотношении сигнал / помеха.

По полученным значениям амплитуд поля рассчитывалось эффективное удельное сопротивление, соответствующие сопротивлению однородной среды, по способу, предложенному В. С. Титлиновым (Титлинов В. С., Журавлёва Р. Б., 1995).

Полученные результаты имеют существенно лучшую воспроизводимость и меньшую погрешность по сравнению с использованием естественного источника при меньшем времени измерения.

Тестирование алгоритма обработки данных магнитотеллурического зондирования проводилось на синтетических сериях любезно предоставленных И. М. Ва-ренцовым в рамках международного проекта COMDAT (Варенцов И. М., Соколова Е. Ю., 1994). Данные включают в себя два набора временных серий по 30270 точек каждый, с интервалом дискретизации 20 сек. Магнитные компоненты имеют характер случайного процесса с равномерной спектральной плотностью в диапазоне периодов 80 - 30000 сек, электрическое поле рассчитано из магнитного поля через

заданную передаточную функцию. Структура синтетических временных рядов учитывает многие реальные особенности естественного поля. Один из наборов временных рядов - модельный - не содержит помех и служит эталоном, второй - осложнён различного рода некоррелированными и коррелированными помехами сосредоточенными как во временной, так и в частотной области. Помехи имеют нормально распределённую (шумовую) и аномальную (импульсные и ступенчатые помехи) составляющие с уровнем от 4 до 45 % от величины квадрата спектральной плотности полезного сигнала и равномерное распределение в пределах от -180° до 180° по фазе. Имеется также запись магнитного поля на удалённой опорной точке, в которой тоже присутствуют помехи. Результаты обработки этих данных представлены в таблице 1. Как видно из таблицы применение отбраковки при обработке позволяет значительно снизить погрешность получаемого результата. Использование сигнала удалённой опорной точки даже без применения процедур отбраковки также позволяет значительно улучшить результат.

Табл. 1. Сравнение погрешности определения модуля, % и аргумента, ° компонент тензора импеданса разных методов обработки. Методы: 1-адмитансная оценка, без отбраковки; 2-импедансная оценка, без отбраковки; 3-среднее по методам 1 и 2; 4- адмитансная оценка, с отбраковкой; 5 - импедансная оценка, с отбраковкой; 6 - среднее по методам 4 и 5; 7 - обработка с удалённой опорной точкой.

Метод Zxx Zxy Zyx Zyy

|Z|, % |Z|,% ¡Z|, % |Z|, %

1 43.3 30.5 22.0 2.79 13.5 1.89 26.2 22.7

2 55.3 67.3 273 2.55 26.4 1.69 35.1 30.8

3 26.5 22.7 11.2 1.46 7.92 0.75 14.3 3.01

4 52.1 35.2 10.1 5.94 6.38 1.75 32.6 18.4

5 50.2 39.4 10.7 5.87 10.5 L71 35.2 32.7

6 19.1 13.1 3.68 1.22 5.74 0.71 25.2 2.31

7 25.9 24.1 4.97 1.52 2.76 0.74 13.5 5.87

Для проверки процедуры на практических данных, а также проверки процедуры обработки с использованием нескольких опорных точек были взяты данные, полученные во время полевого сезона 2002 года на Южном Урале, в районе Джабык-ского гранитного массива. Естественное электромагнитное поле в этом районе ос-

ложнено помехами различного происхождения, что затрудняет проведение исследование методом МТЗ. Для проведения измерений использовалась магнитотеллу-рическая аппаратура МТЦ-01, описанная выше, и серийно выпускаемая станция вМ8-06 производства фирмы "МеЬготх" (ФРГ). В качестве профильных данных при обработке использовались данные аппаратуры МТЦ, в качестве опорных каналов использовались временные ряды ОМБ-Об.

Было проверено три варианта обработки: стандартная (без использования опорных точек), с применением одной опорной точки и с применением двух опорных точек, в качестве которых использовались каналы записи электрического и магнитного поля вМЗ-Об. Результаты обработки приведены на рис. 1 -3. На рис. 1 показаны результаты стандартной обработки. Как видно из рисунка адмитансные (Кху (У), Яух (У)) и импедансные (Лху (2), Яух (2)) оценки передаточной функции 2, и, следовательно, определяемого по ней кажущегося сопротивления сильно отличаются, что говорит о большой доле некоррелируемых помех. На рис. 2 приведены результаты обработки с одним опорным каналом (магнитным или электрическим).

Рис. 1. Результаты обработки данных стандартной процедурой. Лху (У), Пух (У) - адмитансная оценка, Яху (2), 11ух (2) - импедансная оценка.

Рис. 2. Результаты обработки с использованием удалённой опорной точки. Яху (У), Яух (У) - удалённый канал магнитного поля, Лху (Т), Кух (2) - удалённый канал электрического поля.

Рис. 3. Результаты обработки с двумя опорными каналами. Кху (У), Лух (У) -адмитансная оценка, Лху {Ъ\ Лух {X) - импедансная оценка.

И в третьем варианте была использована обработка с использованием двух опорных каналов. Как видно, такая техника позволила радикально уменьшить неопределённость получаемого результата. Если сравнить полученный результат с результатом обработки с одной опорной точкой, то видно, что наиболее близким

оказывается результат с опорным магнитным каналом, что, скорее всего, свидетельствует о коррелированное™ помехи но электрическому полю.

Однако на этапе обработки в общем случае бывает невозможно установить, какой из каналов наименее зашумлён, а в некоторых случаях большая доля шума присутствует во всех каналах, поэтому если доступны два или более опорных каналов, то предпочтение следует отдавать обработке с несколькими опорными точками.

Глава 3. Результаты применения аппаратуры и алгоритмов обработки на примере региональных исследований на нефтеносных площадях ВосточноЕвропейской платформы.

Комплексные электромагнитные исследования по отрезку сейсмического профиля "Гранит" проводились с целью выявления в консолидированной земной коре зон трещиноватости, представляющих собой вероятные промежуточные коллекторы флюидов и оценки их характера насыщения.

По величине удельного электрического сопротивления породы, слагающие изучаемую площадь можно подразделить на две группы:

- высокоомные интрузивные, эффузивно-осадочные, метаморфические породы фундамента, сопротивление которых составляет тысячи и первые десятки тысяч Ом-м для малоизменённых разностей и сотни Ом-м для метаморфических образований. В породах с включением магнитных минералов наблюдается существенное уменьшение сопротивления до единиц - сотен Ом-м. Сопротивление кристаллических пород в зонах тектонической нарушенности среды имеет такой же порядок.

- перекрывающие кристаллический фундамент Восточно-Европейской платформы осадочные образования мощностью до 1,5 км, сложенные переслаивающимися между собой толщами. По данным методов ВЭЗ, ЗСБЗ, и электрического каротажа породы осадочного чехла имеют сопротивление единицы - десятки Ом-м. Кроме того, верхней карбонатно-терригенной толще встречаются пласты с сопротивлением до 2000 Ом-м.

При проведении региональных исследований применялся комплекс элекгро-разведочных методов: ИЭМЗ - индукционное зондирование с локальным магнитным источником (вертикальный магнитный диполь), и МТЗ - магнитотеллуриче-ское зондирование с естественным источником поля. Выполнение данных работ '

осуществлялось с аппаратурным обеспечением собственного изготовления, описанным выше, и с аппаратурой промышленного изготовления ОМ8 - 06 производства "МеНотх".

Основные результаты обработки полевых измерений были представлены в виде зависимости рху, рух, аргументов основных компонент тензора импеданса, и параметров неоднородности N и асимметрии А от частоты по профилю.

Из полученных данных видно, что верхняя часть разреза, которую характеризуют, прежде всего, данные АМТЗ, имеет малую степень отличия от горизонтально-слоистой среды, что и характерно для осадочного чехла. Высокая степень локальной неоднородности отмечается только в районе 19 точки, которая наиболее близка к Алтунйно-Шунакскому разлому и имеет большие значения параметров неоднородности.

В диапазоне МТЗ, данные которого характеризуют строение фундамента, можно отметить более высокую неоднородность геоэлектрического разреза, что, скорее всего, связано с блоковой структурой строения фундамента. Так же, как и по данным АМТЗ, качественно наиболее чётко выделяется Алтунино-Шунакский разлом, с которым связана аномалия параметров неоднородности и асимметрии.

В первом приближении геоэлекгрическую среду возможно рассматривать как двумерно-неоднородную, хотя в диапазоне АМТЗ, среда, за исключением одной аномальной точки, более похожа на горизонтально-слоистую. Большинство полярных диаграмм показывает, что региональное направление теллурического тока -субмеридиональное, что совпадает с данными электромагнитных исследований по Восточно-Европейской платформе и Предуральскому краевому прогибу. Эти результаты в совокупности свидетельствуют о том, что при глубинных исследованиях на Восточно-Европейской платформе и Предуральском прогибе наименее искаженными являются субширотные (У) кривые (Дьяконова А. Г., Файнберг Э. Б., и др., 1987) которые были выбраны для интерпретации.

Интерпретация данных проводилась в две стадии. Вначале были построены альтернативные варианты моделей, основанные на решении обратной задачи в горизонтально-слоистой среде. На второй стадии при построении геоэлектрических моделей используется аппарат численного моделирования в двумерно-неоднородной среде, где учитывается взаимное влияние локальных аномалиеобра-

зующих эффектов друг на друга. На данной стадии исследований построены альтернативные варианты 1-D инверсных моделей по программам J1.H. Пороховой (Mel-2D), Э.Б. Файнберга (r-lD-inv) и A.A. Бобачева (IPIMT), любезно предоставленные авторами в пользование

Альтернативные геоэлектрические модели были рассчитаны по программам Mel-2D и 1Р1_МТ. В моделях хорошо отражены структурно-тектонические связи глубинного строения рассматриваемой территории с особенностями строения осадочного чехла. В первой модели отчетливо прослеживается общая структура нефтегазоносной провинции, а во второй - гетерогенность консолидированной части коры и литосферы. По результатам интерпретации построен геоэлектрический разрез (рис. 4).

а)

в)

О 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150км

1' Удельное элеюрическое сопротивление, Ом.м

—I Ii I' I I Wi ШШШШШ

1 5 10 20 50 100 200 500 1000 >1000

Рис. 6. Геоэлектрический разрез, построенный по результатам исследований по профилю "Гранит": а - полярные диаграммы главного и дополнительного импеданса в высокочастотном (1) и низкочастотном (2) диапазоне; б - геоэлектрический разрез верхней части коры; в - глубинный геоэлектрический разрез.

Заключение.

Основные результаты работы заключаются в следующем:

1. Разработана и изготовлена цифровая узкополосная аппаратура аудиомагни-тотеллурического зондирования прошедшая лабораторные и полевые испытания. Функциональные возможности станции позволяют проводить исследования методом АМТЗ с естественным источником электромагнитного поля, а также исследования с применением искусственного источника гармонических колебаний в варианте МТЗ и других модификациях.

2. На основе узкополосной математической фильтрации с использованием алгоритмов выделения полезного сигнала по когерентности и с применением робаст-ных алгоритмов разработано программное обеспечение для обработки узкополосных магнитотеллурических данных.

3. На основе 24-разрядного дельта-сигма АЦП и торсионных магнитных датчиков разработана цифровая компьтеризированая аппаратура широкополосного низкочастотного магнитотеллурического зондирования МТЦ-01, имеющая широкий динамический диапазон и высокую стабильность, особенно в области низких частот.

4. На основе вейвлет преобразования разработано программное обеспечение обработки широкополосных магнитотеллурических данных, алгоритмы которого используют робастные методы оценок передаточных функций, а также позволяют вести обработку с использованием одной или нескольких удалённых опорных точек, что позволяет значительно повысить устойчивость результатов в условиях сильных некоррелируемых и коррелируемых помех и расширить область применения МТЗ.

5. С использованием созданного программно-аппаратного комплекса (методы АМТЗ - МТЗ) проведены исследования на нефтеносных площадях ЮжноТатарского свода (республика Татарстан), по данным которых построен геоэлектрический разрез вдоль отрезка профиля ГСЗ "Гранит", пересекающего два крупных месторождения нефти - Ромашкинское и Ново-Елховское. В разрезе отражены следующие структурно-тектонические особенности:

-оценено сопротивление осадочного чехла в северной части Южно-Татарского свода и выявлена его унаследованная связь с глубинной частью разреза;

-установлена неоднородно-контрастная по электрическим сопротивлениям, так называемая "консолидированная часть" литосферы:

-фрагментарно в разрезе прослеживается коровый проводник в диапазоне глубин 10-30 км;

-Ромашкинское месторождение выделяется как сводовое высокоомное поднятие, ограниченное с двух сторон ослабленными грабенообразующими впадинами (разломами) к одной из которых приурочено Ново-Елховское месторождение. В центральной части Ромашкинского месторождения наблюдается глубинный субвертикальный разлом, с аномально высокой проводимостью (>1000 см), корни которого прослеживаются вплоть до глубин порядка 100 км. В местах выявленных аномалий наблюдаются аномалии других физических полей: магнитного (-3000 нТл), и гравитационного (зона разуплотнения вещества по данным гравиразведки).

Результаты выполненной работы позволили сформулировать следующие основные защищаемые положения:

1. Разработана цифровая узкополосная аппаратура аудиомашитотеллуриче-ского зондирования, позволяющая проводить исследования на 16 фиксированных частотах в диапазоне 10 - 2000 Гц методом АМТЗ с использованием естественного или контролируемого источников электромагнитного поля. За счёт использования измерений в узкой частотной полосе (0.3 Гц) достигается высокая помехоустойчивость. Применение наряду с естественным контролируемых источников поля (заземлённая линия или петля) позволяет повысить достоверность получаемых результатов зондирования верхней части геоэлектрического разреза.

2. Разработана, изготовлена и опробована в полевых условиях низкочастотная цифровая станция магниггопгеллурического зондирования МТЦ-01, позволяющая измерять вариации электромагнитного поля в диапазоне периодов 3*10000 сек в автономном режиме, и обладающая широким динамическим диапазоном.

3. Предложен, реализован и опробован на обширном полевом материале алгоритм обработки магнитотеллурических измерений в широком диапазоне частот, в том числе синхронных измерений с одной или несколькими удалённой опорными точками, позволяющий получать стабильные результаты при входном сигнале с различным спектральным составом и высоким уровнем помех.

Основное содержание работы изложено в следующих публикациях:

L Коноплгш А. Д., Вишнев В. С., Дьяконова А. Г. Стартовая геоэлектрическая модель коры Тагильской зоны на Северном Урале. Тезисы докладов Международного семинара им. Д. Г. Успенского "Вопросы теории и практики геологической интерпретации гравитационных, магнитных и электрических полей". Екатеринбург: УГТТА, 1999. С 181-183.

2. Дьяконова А. Г., Иванов К С., Вишнев В. С., Астафьев П. Ф.% Коноплин А. Д Первые результаты исследований глубинного строения Сакмарской зоны Урала по данным АМТЗ - МТЗ. Тезисы докладов Международной научной конференции '"Чтения А. Н. Заварицкого", Екатеринбург, Институт геологии и геохимии УрО РАН, 1999. С 44-4.

3. Коноплин А. Д. Перспективы магнитотеллурических исследований на Урале с внедрением высокочастотной цифровой помехозащищённой аппаратура "Гроза". Тезисы докладов Международной научно-практической конференции молодых учёных и специалистов "Геофизика - 99", Санкт-Петербург, 1999 n С 66 - 68.

4. Дьяконова А, Г., Вишнев В. С, Астафьев П. Ф„ Коноплин А. Д Состояние и перспективы развития магнитотеллурических исследований на Урале. Тезисы докладов Международного семинара им. Д. Г. Успенского "Вопросы теории и практики геологической интерпретации гравитационных, магнитных и электрических полей". М.: 2000. С 70 -72.

5. Дьяконова А. Г., Иванов К С., Коноплин А. Д, Вишнев В. С., Астафьев П. Ф., Иванов Н. С Особенности геоэлекгрического строения коры и мантии зоны сочленения Восточно-Европейской платформы и Южного Урала* Тезисы докладов геофизических чтений памяти В. В. Федынского. М.: 2000 С 17.

6. Коноплин А. Д, Астафьев Я. Ф., Вишнев В. С, Дьяконова А. Г., Некоторые результаты детальных региональных исследований Южного Урала по данным индукционных и магнитотеллурических зондирований. В сб. Теория и практика геоэлектрических исследований. Екатеринбург, 2000 г. С 106 - ИЗ.

7. Коноплин А. Д., Человечков А. И Аппаратурное обеспечение методов индуктивной электроразведки в диапазоне частот 10 Гц - 160 кГц. Тезисы докладов третьих геофизических чтений памяти В. В. Федынского. М.: 2001 С 66.

8. Коноплин А. Д., Астафьев П. Ф., Вишнев В. С, Дьяконова А. Г\ Новые подходы к изучению геоэлекгрического строения коры и верней мантии Южного Ура-

ла. Тезисы докладов Международной научной конференции "Геологоразведка -2000 Санкт-Петербург, 2- 6 октября 2000 г., С 104 -105.

9. Коноплин А. Д. Методика автоматизированной обработки данных АМТЗ. Уральская молодёжная научная школа по геофизике. Тезисы докладов. Екатеринбург: УрО РАН, 2000 г. С 126-130.

10. Дьяконова А. Г., Нургалиев Д. К, Астафьев П. Ф., Коноплин А. Д., Вишнев

B, С, Хасанов Д. И., Утемов Э.В. Новые возможности геоэлектрики при изучении нефтегазоносных залежей на примере Ромапвсинского и Ново-Елховского месторождений. Материалы пятых геофизических чтений памяти В. В. Федынского (в печати).

11. Дьяконова А. Г., Коноплин А. Д., Вишнев В. С., Астафьев П. Ф., Иванов Н.

C, Варданянц И. Л. Результаты электромагнитных исследований на профиле Яйва - Кытлым - Серов - Гари. Уральский геофизический вестник № 2,2001 г. С 30 - 36.

12. Патент на изобретение № 2207596 (РФ) Измерительное устройство для электроразведки. Бюллетень изобретений № 18, 2003 г., МКИ в 01 V 3/08. Человечков А. К, Коноплин А. Д., Иванов Н. С., Астафьев П. Ф., Вишнев В. С.у Дьяконова А. Г.

13. Коноплин А. Д. Цифровая станция магнитотеллурического зондирования. Тезисы докладов Международного семинара им. Д. Г. Успенского "Вопросы теории и практики геологической интерпретации гравитационных, магнитных и электрических полей". Екатеринбург, 2002, УГГТА С 274.

14. Коноплин А. Д. Комплексная система обработки измерений МТЗ ~ АМТЗ. Материалы третьей Уральской молодёжной научной школы. Екатеринбург, 2002 УрО РАН, С 49 - 52.

15. Коноплин А. Д Повышение устойчивости результатов обработки данных МТЗ путём увеличения ранга тензора взаимной спектральной плотности. Материалы четвертой Уральской молодёжной научной школы по геофизике. Пермь, 2003, Горный Институт УрО РАН, С 80- 83.

16. Коноплин А. Д, Человечков А. Я. Цифровая аппаратура магнитотеллурического зондирования. Практика приборостроения, № 2,2003, С 34-40.

Подписано в печать 17-Л 2.2003. Формат 60x84 1/16 Усл. печ. л. 2 Тираж 100 Заказ № 208

Размножено с готового оригинал-макета в типографии УрО РАН« 620219, Екатеринбург» ГСП-169, ул. С. Ковалевской, 18.

O ¿

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Коноплин, Алексей Дмитриевич

Введение.

Глава 1. Разработка цифровой аппаратуры магнитотеллурического зондирования 13 1.1 Структура высокочастотной (10 Гц - 10 кГц) части спектра электромагнитного поля Земли. 13 1.2Узкополосная аппаратура аудиомагнитотеллурического зондирования "Гроза". 17 1.3Особенности магнитотеллурического поля в низкочастотной области. 26 1.4Низкочастотная аппаратура магнитотеллурического зондирования МТЦ-01. 28 1.5Методика калибровки аппаратуры. 33 Выводы

Глава 2. Обработка магнитотеллурических данных.

2.1 Обработка узкополосных данных аппаратуры АМТЗ "Гроза".

2.2 Обработка широкополосных данных АМТЗ, МТЗ и МТЗ с удалённой опорной точкой.

2.2.1 Препроцессинг и фильтрация во временной области.

2.2.2 Преобразование в частотную область и отбраковка помех.

2.2.3 Анализ влияния помех на передаточную функцию магнитотеллурического импеданса.

2.3 Сглаживание кривых МТЗ.

2.4 Тестирование алгоритмов обработки и аппаратуры

2.4.1 Тестирование аппаратуры "Гроза"

2.4.2 Тестирование алгоритмов обработки широкополосных данных 71 Выводы

Глава 3. Результаты применения аппаратуры и алгоритмов обработки на примере региональных исследований на нефтеносных площадях ВосточноЕвропейской платформы. 84 3.1 Результаты электромагнитных исследований по участку сейсмического профиля "Гранит" (республика Татарстан).

3.1.1 Аппаратурное обеспечение и методика проведения полевых работ

3.1.2 Результаты обработки и интерпретации 90 Выводы

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Разработка цифровой аппаратуры и программно-методического обеспечения обработки данных МТЗ"

Актуальность темы обусловлена необходимостью разработки аппара-турно-технологического обеспечения полевых измерений метода магнито-теллурического зондирования (МТЗ) в широком диапазоне частот и совершенствованием способов обработки полученных данных, что расширяет диапазон применения метода для решения региональных и поисково-разведочных задач.

Метод магнитотеллурического зондирования отличается высокой эффективностью, широким диапазоном глубин исследования, большим количеством информативных характеристик и относительно низкими затратами на проведение исследований. Эти преимущества основаны на использовании в качестве источника возбуждения естественного электромагнитного поля Земли, имеющего широкий частотный спектр и высокую пространственную однородность.

Метод МТЗ появился в начале 50-х годов прошлого века, как метод изучения электрических свойств глубоких слоёв Земли. Моментом рождения МТЗ можно считать выход статьи академика А. Н. Тихонова "Об определении электрических характеристик глубоких слоев земной коры". Несколько позже Л. Каньяр (Франция) предложил способ трансформации магнитотел-лурических данных в более привычные в электроразведке кривые кажущегося сопротивления. Модель горизонтально - слоистой среды, на которую подает плоская электромагнитная волна - наиболее простая модель в МТЗ - получила название модели Тихонова - Каньяра. Большой вклад в развитие теоретических и методических основ внесли советские и иностранные учёные: М. Н. Бердичевский, Л. Л. Ваньян, И. М. Варенцов, В. И. Дмитриев, М. С. Жданов, А. А. Кауфман, А. А. Ковтун, Н. В. Липская, И. И. Рокитянский, Э. Б. Файнберг, П. Вайдельт, К. Возофф, Ф. Джонс, А. Чэйв и др. Первые результаты применения МТЗ были получены в конце 50-годов А. М. Алексеевым, М. Н. Бердичевским, Б. Е. Брюнелли, А. Е. Ланцовым при исследованиях осадочного чехла Западной Сибири в СССР [1] и Ф. Бостиком, Г. Смитом,

Д. Ранком в США. Первоначально успешному применению МТЗ способствовали следующие факторы:

- измерения проводились в том частотном диапазоне, в котором часто возникают квазигармонические пульсации магнитного поля относительно большой амплитуды. Для регистрации пульсаций с амплитудой несколько нТл и периодом от единиц до нескольких сотен секунд было легко создать аналоговую аппаратуру с фоторегистрацией. Гармонические или почти гармонические пульсации поля, которые почти в чистом виде появляются в широком диапазоне периодов можно обрабатывать практически без применения какой-либо вычислительной техники.

- простейшая теоретическая модель созданная для МТЗ - модель Тихонова - Каньяра достаточно точно описывает среду во многих случаях, например в условиях мощного сравнительно однородного осадочного чехла, что, создавало благоприятные предпосылки для успешного применения МТЗ в этих условиях.

Значительный объём исследований в различных регионах был проведён с использованием аналоговой техники, даже после появления более совершенной цифровой аппаратуры.

Несколько позже после того, как были получены первые успешные результаты применения метода в низкочастотном диапазоне (ГМТЗ), начались первые попытки проведения подобных измерений в высокочастотном диапазоне - диапазоне аудиомагнитотеллурического зондирования (АМТЗ). Изучение характеристик естественного электромагнитного поля велось до этого в рамках исследования помех радиоприёму и распространения радиоволн [2]. Впервые измерения электромагнитного поля в звуковом диапазоне для изучения свойств земной коры были проделаны В. А. Ан, Н. П. Владимировым, С. М. Крыловым в начале 60-х годов. Необходимо отметить, что развитие техники измерений в диапазоне АМТЗ проходило медленнее, чем в низкочастотном МТЗ, а исследования методом АМТЗ не носили такой массовый характер, как исследования методом МТЗ, хотя данные АМТЗ имели высокую востребованность. Причиной тому было несовершенство измерительной техники, отсутствие незатратных и эффективных средств для записи быстро-переменных процессов и более сложная структура электромагнитного поля в диапазоне АМТЗ.

В дальнейшем прогресс был направлен в сторону развития цифровой техники регистрации и обработки данных МТЗ. После аналоговых станций с записью на фотобумагу (например, семейство аппаратуры MTJI) были созданы цифровые станции, к которым относятся - отечественные ЦЭС (ЦЭС-1 -ЦЭС-4, ЦЭС-М), ЦАИС, зарубежные - МТ1, GMS-05, V5-16. Развитие техники регистрации и обработки данных позволило расширить диапазон применения МТЗ, повысить надёжность получаемых результатов, повысить устойчивость данных к влиянию помех.

В настоящее время для разработчиков аппаратуры стали легко доступны такие средства как быстродействующие АЦП с большой разрядностью и высокой линейностью преобразования, энергонезависимая твердотельная память и память с низким энергопотреблением, средства спутниковой синхронизации времени (в системе GPS), позволяющие создавать аппаратуру МТЗ с высоким метрологическими характеристиками.

Однако, несмотря на успехи в области развития измерительной и вычислительной техники, проблемы получения надёжных, достоверных данных в МТЗ до сих пор остаются актуальными, а использование высокоточной аппаратуры и мощной вычислительной техники не может гарантировать получение надёжного результата [14].

Естественное электромагнитное поле отличается рядом особенностей, которые придают известное своеобразие всем вариантам исследований методом МТЗ. Эти особенности следующие:

• электромагнитное поле имеет характер случайного процесса, т. е. в общем случае невозможно предсказать изменение поля, хотя и существуют определённые закономерности в частотном спектре;

• электромагнитное поле имеет низкую, особенно в аудиодиапазоне, хотя и достаточную для проведения исследований интенсивность;

• в индустриальных районах на естественное электромагнитное поле накладывается поле промышленных помех, имеющее интенсивность на несколько порядков больше;

• в отличие от методов электроразведки с контролируемым источником невозможно отделить естественное поле от поля помех в процессе проведения измерений.

Поэтому актуальны аппаратурно-методические разработки, направленные на повышение точности, помехоустойчивости, информативности, технологичности измерений и обработки результатов средствами современной вычислительной техники. Актуальность совершенствования техники измерений и обработки высока, так как от точности проведенных измерений зависит качество интерпретации и в конечном итоге ценность получаемой геологической информации.

Цели работы:

• развитие и совершенствование аппаратурно-методической базы магнитотеллурических исследований; разработка алгоритмов и программного обеспечения для измерительной аппаратуры и обработки данных МТЗ;

• комплексирование измерений с естественным и контролируемым источниками в высокочастотной области на основе однотипной аппаратуры.

Задачи работы:

• разработка и создание цифровой узкополосной аппаратуры аудио-магнитотеллурического зондирования, обеспечивающей также возможность измерений с контролируемым источником в виде вертикального магнитного диполя; разработка программного интерфейса для неё, методики наблюдений и программного обеспечения для обработки результатов комплексных измерений с естественным и искусственным источниками; • разработка и изготовление компьютеризированной цифровой низкочастотной аппаратуры МТЗ с использованием торсионных магнитных датчиков, стабильно работающей в диапазоне периодов от единиц секунд до суток; создание программного обеспечения для обработки широкополосных магнитотеллурических сигналов; создание программного обеспечения для обработки данных синхронных магнитотеллурических наблюдений при значительном удалении базисной и опорной измерительной точки друг от друга.

Научная новизна

Практическая ценность Созданные макеты цифровой узкополосной аппаратуры аудиомагнитотеллурического зондирования "Гроза" и аппаратуры широкополосного магнитотеллурического зондирования МТЦ-01 используются при проведении региональных исследований: аппаратура "Гроза" с 1998 г., а с 2001 г. низкочастотная аппаратура МТЦ-01. Данные, полученные с применением узкополосной аппаратуры, позволили выявить особенности геоэлектрического строения верхних горизонтов коры различных зон Южного Урала (Сакмарской, Зилаирской, Урал-Тау) [15, 16, 17, 24, 25], Северного Урала (профиль Яйва - Кытлым - Серов - Гари) [18, 26], и ВосточноЕвропейской платформы (западный отрезок профиля Темиртау - Куйбышев) [16]. Низкочастотная аппаратура МТЦ-01 применялась при исследованиях геоэлектрического разреза восточной части Восточно-Европейской платформы (республика Татарстан) и некоторых районов Башкирии (южное сечение профиля Уралсейс-95). Результаты исследований, проведенных с применением новой аппаратуры АМТЗ и МТЗ, подтверждают результаты подобных работ прошлых лет. За счёт повышения точности измерений, расширения частотного и динамического диапазона, увеличения объёма измеряемых данных, применения высокопроизводительных процедур компьютерной обработки данных удалось получить результаты в тех районах, где ранее из-за высокого уровня помех или по какой-либо причине не удалось провести такие измерения, или не удалось обработать результаты съёмки. Были получены данные в районах, где ранее магнитотеллурическая съёмка вообще не проводилась.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на международной научной конференции "Чтения имени А. Н. Заварицкого" (Екатеринбург

1999, 2001); на международной научно-практической конференции молодых учёных и специалистов "Геофизика-99" (Санкт-Петербург 1999); Международной геофизической конференции "Геологоразведка-2000" (Санкт-Петербург 2000); на II, III и V геофизических чтениях памяти В. В. Федын-ского (Москва 2000,2001, 2003); на первой и третьей Уральской молодёжной научной школе по геофизике (Екатеринбург 2000, 2002); на научных чтениях памяти Ю. П. Булашевича "Ядерная геофизика, геофизические исследования литосферы, геотермия" (Екатеринбург 2001); на 26, 27, 29 сессии международного семинара им. Д. Г. Успенского "Вопросы теории и практики геологической интерпретации гравитационных, магнитных и электрических полей" (Екатеринбург 1999, 2002; Москва, 2000);

Публикации. По теме диссертации опубликовано 16 работ, в том числе 1 патент на изобретение.

Личный вклад Работа подготовлена по результатам исследований начатых автором в 1998 г. в составе лаборатории электрометрии под научным руководством д. г.-м. н А. Г. Дьяконовой. Исследования проводились в соответствии с плановой тематикой института и при поддержке Российского Фонда Фундаментальных Исследований (гранты 98-05-64816, 98-05 79025, 99-05-79075, 01-05-65190, 01-05-79171).

Структура и объём работы Диссертация состоит из введения, трёх глав, заключения, двух приложений, и списка литературы из 64 работ. Диссерта

Заключение Диссертация по теме "Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых", Коноплин, Алексей Дмитриевич

Выход

ЭА2 Я6 10К

Я12 25.2К

•♦13.5У ■-13.5У

ОА1-ОАЗ КР140УД25А

Рис. Б.1. Принципиальная электрическая схема предусилителя электрических каналов

Я4 85.6К р?5 240 „

01 Ж

УР2

750К ИЗ 448 Я2 750К

О со т

-и

Р6 9.09К

С1 0.15

Я7 240 Выход 13.5 V

1о с

ЭА1 К140УД25А

С4 0.1

С5 100.0

С2 0.1

-13.5У сз -ь 100.0

У01ЛЯ)2КФДМ

1град

Рис. Б.2. Принципиальная электрическая схема магнитометра.

Рис. Б.З. Принципиальная электрическая схема системы самотестирования.

Вх. т 274К

Р2 зок

С1

4.7 оо т

-и ыс

5У

ЯЗ 15К

Я9 2.4К

У01 Ж

ГО2 ■13.5 V «

ОА1КР140УД25А

ЭА2

КР140УД25А

Р> со т т +и

-и

Ш 10К 13.5У

-13.5У

5У

Я510К I

Яб 1К Я71К

ОЭ4.1 К561ИЕ10

БАЗ АЭ780

Я1 КТ3107А Р810К

001 А07714У

7г

78 : 9 ю 16 17

А1 А2 АЗ А4 А5 А6

ЯЕР+ ЯЕР-АЭШ ООЫО

Л/#

-г— Л.+

С3 Т Т С4 0.1 юо.о

002-003 КР1533ЛН2 \Ю1-\Ю2 КД522А

ЭРЮУ эоит

БУЫС ЗСЬК и1 ио

ЭЭ2.4

003.2

ОРЗ.З 003.43У1МС 1 1>

С5=т= =т= С6 0.1 100.0

Рис. Б.4 Принципиальная электрическая схема АЦП.

Заключение.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Коноплин, Алексей Дмитриевич, Екатеринбург

1. Александров М. С., Бакленева 3. М., Гладштейн Н. Д., Озеров В. П., Потапов А. В., Ремизов J1. Т. Флуктуации электромагнитного поля Земли в диапазоне СНЧ. М.: Наука, 1972 - 195 с.

2. Алексеев А. М., Бердичевский М. Н., Брюнелли Б. Е., Бурдо О. А. Наблюдения короткопериодических вариаций электромагнитного поля Земли. Известия АН СССР, серия геофиз. № 8, 1959 г.

3. Астафьева Н. М. Вейвлет-анализ: основы теории и примеры применения. Успехи физических наук, т. 166 № 11 1996.

4. Боровков А. А. Курс теории вероятностей. М.: "Наука", 1972. 288 с.

5. Воронин И. П., Степанов В. П., Гольштейн Б. Л. Геофизическое изучение кристаллического фундамента Татарии. Изд-во Казанского Университета; Казань, 1982 г., 200 с.

6. Бердичевский М. Н. Электрическая разведка методом магнитотеллурического профилирования. М.: Недра. 1968. 255 с.

7. Вагин С. А. Совершенствование методики регистрации и интерпретации магнитотеллурических данных и результаты зондирований в восточной части Балтийского щита. Дис. докт. физ-мат. наук Л.: 2001.

8. Варенцов И. М., Соколова Е. Ю. Генерация синтетических серий МТ данных. Физика Земли. 1994. № 6. С 80 - 88.

9. Вешев А. В., Ивочкин В. Г., Игнатьев Г. Ф. Электромагнитное профилирование. Л.: "Недра", 1971, 216 с.

10. Владимиров Н. П., Ан В. А., Вишнев В. С., Краснобаева А. Г. Характеристика вертикальной компоненты земных токов. Изв. АН СССР, Физика Земли, № 11, 1975, с 108-111.

11. Владимиров Н. П., Краснобаева А. Г., Вишнев В. С., Астафьев П. Ф. Особенности естественного электромагнитного поля на Конево-Карасьевском гранитном массиве. В сб.: Электроразведка в области скважин. - Свердловск: УНЦ АН СССР, 1975, с. 142- 150.

12. Гутников В. С. Фильтрация измерительных сигналов. JL: Энергоатомиздат, 1985.- 192 с.

13. Дрёмин И. М., Иванов О. В., Нечитайло В. А. Вейвлеты и их использование. Успехи физических наук, т. 171 № 5 2001.

14. Дьяконова А. Г., Коноплин А. Д., Вишнев В. С., Астафьев П. Ф., Иванов Н. С., Варданянц И. JI. Результаты электромагнитных исследований на профиле Яйва Кытлым - Серов - Гари. Уральский геофизический вестник № 2, 2001 г. С 30 - 36.

15. Дьяконова А. Г., Файнберг Э. Б., Годнева Г. С. Электропроводность верхней мантии Уральского региона. Методы решения прямых и обратных задач электроразведки. М., 1987 г., с. 108 124.

16. Елисеев А. А., Редько Г. В., Сомов Г. М., Федоров А. Б., Кашин С. И., Семенов В.Н. Аппаратура для измерения ЕЭМПЗ в звуковом диапазоне. Геофизическая аппаратура. Вып. 100, 1995. С 27-37.

17. Иванов. В. В. Методы вычислений на ЭВМ. Киев, Наукова думка, 1986. -584 с.

18. Киселёв Б. В., Крывой П. В. Солитонная модуляция геомагнитных пульсаций типа Pel Вопросы геофизики вып. 35, 1998 С 349 352.

19. Клейменова Н. Г. Современные представления о природе высокочастотных вариаций электромагнитного поля Земли (1 Гц 1 кГц). Изв. АН СССР, серия геофиз., 1963, № 12.

20. Коноплин А. Д., Человечков А. И. Аппаратурное обеспечение методов индуктивной электроразведки в диапазоне частот 10 Гц 160 кГц. Тезисыдокладов третьих геофизических чтений памяти В. В. Федынского. М.: 2001 С 66.

21. Коноплин А. Д., Человечков А. И. Цифровая аппаратура магнитотеллури-ческого зондирования. Практика приборостроения, № 2, 2003, С 34 -40.

22. Коноплин А. Д. Методика автоматизированной обработки данных АМТЗ. Уральская молодёжная научная школа по геофизике. Тезисы докладов. Екатеринбург: УрО РАН, 2000 г. С 126-130.

23. Коноплин А. Д. Комплексная система обработки измерений МТЗ — АМТЗ. Материалы третьей Уральской молодёжной научной школы. Екатеринбург, 2002 УрО РАН, С 49 52.

24. Коноплин А. Д. Повышение устойчивости результатов обработки данных МТЗ путём увеличения ранга тензора взаимной спектральной плотности. Материалы четвертой Уральской молодёжной научной школы по геофизике. Пермь, 2003, Горный Институт УрО РАН, С 80 83.

25. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике. М.; Наука, 1974.- 832 с.

26. Кочеров А. Б. Особенности обработки результатов с цифровой аппаратурой АМТ-метода Вопросы геофизики вып. 35, 1998 С 206 216.

27. Моисеев О. Н., Попов М. К., Легонькова Н. П. Усовершенствование полевой аппаратуры для AMT зондирований Вопросы геофизики вып. 35, 1998 С 217 - 221.

28. Молочнов Г. В., Артамонов JI. В. Об оценке эффективности методик электромагнитных зондирований с вертикальным магнитным диполем. Вопросы геофизики. Вып. 35. СПб.: изд. СПбГУ, 1998, с. 28 29.

29. Порохова JI. Н. Выбор шага на кривой магнитотеллурического зондирования. В сб.: Вопросы геофизики JL: 1974 вып. 24 с. 292 300.

30. Рокитянский И. И. Индукционные зондирования Земли. Киев, Наукова думка, 1981.- 296 с.

31. Савельев А. А. Геоэлектрическое строение земной коры Среднего Урала и Балтийского щита по данным AMT зондирований. Дис. кан. физ-мат. наук JI. 1986.

32. Семенов В. Ю. Обработка данных магнитотеллурического зондирования. М.; "Недра ", 1985.- 133 с.

33. Смирнов М. Ю., Успенский Н. И., Ковтун А. А. Обработка МТ — информации цифровой AMT — станцией. Геофизическая аппаратура. Вып. 101, 1998. С 74-80.

34. Смирнов М. Ю. Обработка магнитотеллурических данных с использованием робастных статистических процедур. Вопросы геофизики вып. 35, 1998. С 198-205.

35. Солонина А. И., Улахович Д. А., Яковлев JI. А. Алгоритмы и процессоры цифровой обработки сигналов. СПб.: БХВ-Петербург, 2001. 464 с.

36. Хемминг Р. Цифровые фильтры. М.: Недра 1987. 221 с.

37. Человечков А. И., Коноплин А. Д., Иванов Н. С., Астафьев П. Ф., Вишнев В. С., Дьяконова А. Г. Патент на изобретение № 2207596 (РФ) Измерительное устройство для электроразведки. Бюллетень изобретений № 18, 2003 г., МКИ G 01 V 3/08.

38. Электроразведка. Справочник геофизика. М.; "Недра", 1989.

39. Aarons J. Low frequency electromagnetic radiation 10 — 900 cycles per second. J. Geophys. Res., 1956, 61, № 4.

40. Baiser M., Houri A. Diurnal power variations of the earth ionosphere cavity modes and their relationship to worldwide thunderstorm activity. J. Geophys. Res., 1962, 67, №2.

41. Chave A. D., Thomson D. J., Ander M. E. On the robust estimation of power spectra, coherences and transfer functions. J. Geophys. Res. 1987 Vol. 92. P. 633-648.

42. Chave A. D., Thomson D. J. Some comments on magnetotelluric response function estimation. J. Geophys. Res. 1989 Vol. 94. N BIO P. 14215-14225.

43. Daubechies I. Ten Lectures on Wavelets. http://www.siam.org/catalog/mcc02/daubechi.htm

44. Dejghan A. J., Watts D. R. Ground-roll compression using the wavelet transformation. J. Geophysics № 6, 1997 vol. 62 p 1896 1903.

45. Konig H. L. Atmospherics geringster Frequenzen. -Z. angew. Phys. 1959, 11, №7.

46. Reitch E. Euclid and the art of wavelet estimation: Basic algorithm for noise-free data. J. Geophysics № 6, 1997 vol. 62 p 1931 1939.

47. Sokolova E. Y., Varentsov I. M. Project to Compare MT Data Processing Techniques Using Synthetic Data Sets http://user.transit.ru/~igemi/comp pO.htm

48. Schuman W. O. Uber sphärische elektromagnetische Eigenschwingungen in Räumen die Plasmen enhalten. Z. Natuforsch., 1949, 4a, № 7.

49. Schuman W. O. Uber die Strahlunglosen Eigenschwingungen einer leitenden Kugel, die von einer Luftschicht und einer Ionospharehulle umgeben ist. Z. Natuforsch., 1952, 7a, № 2.

50. Szarka L., Menvielle M. Analysis of rotational invariants of the magnetotelluric impedance tensor. Geophysical Journal International vol. 129 №1 1997. p 133- 142.

51. Ward S. H. Afmag airborn and ground. Geophysics, 1959, V 27 № 12.

52. Wusthoff P. Weltkarten von der Veteilung der Gewitterage.-Fernmelde-Praxis, 1956, 33, № 13.

53. Xavier G., Jones A. G. Atmospheric sources for audiomagnetotellurics (AMT) sounding. Geophysics 2002. v 67, № 2, p. 448 458.

Информация о работе

Коноплин, Алексей Дмитриевич
кандидата технических наук
Екатеринбург, 2003
ВАК 25.00.10

Диссертация

Разработка цифровой аппаратуры и программно-методического обеспечения обработки данных МТЗ - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы