Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Высокоразрешающие режимные наблюдения в методе сопротивлений

ВАК РФ 25.00.10, Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых

Автореферат диссертации по теме "Высокоразрешающие режимные наблюдения в методе сопротивлений"

с

Макаров Дмитрий Валентинович

На правах рукописи

ВЫСОКОРАЗРЕШАЮЩИЕ РЕЖИМНЫЕ НАБЛЮДЕНИЯ В МЕТОДЕ СОПРОТИВЛЕНИЙ

25.00.10 - Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых

19 ЛИГ 7775

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва-2015

«05561453

005561453

Работа выполнена в ФГБОУ имени М.В. Ломоносова»

ВО «Московский государственный университет

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Модин Игорь Николаевич

доктор технических наук,

доцент

Глазунов Владимир Васильевич

доктор технических наук, профессор геологоразведочного факультета ФГБУ ВПО Национального минерально-сырьевого университета «Горный»

Капустин Владимир Викторович

кандидат физико-математических наук, технический директор ООО "НИИ Геотех"

Ведущая организация:

ФГБУН Институт физики Земли имени О.Ю. Шмидта Российской академии наук (ИФЗ РАН)

Защита состоится 23 сентября 2015 г. в 14 часов 30 минут на заседании диссертационного совета Д.501.001.64 по защите докторских и кандидатских диссертаций при Московском государственном университете имени М.В. Ломоносова по адресу: 119991, Москва, Ленинские горы, д. 1, ауд. 308.

С диссертацией можно ознакомиться в читальном зале Отдела диссертаций Научной библиотеки МГУ (Ломоносовский проспект, д. 27, Фундаментальная библиотека, сектор «А», 8 этаж, к. 812) и на сайте в системе "Наука-МГУ" (ИСТИНА) по адресу: http://istina.msu.ru/dissertations/9340962/.

Автореферат разослан «» 2015 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

Никулин Борис Александрович /¡И —'

Общая характеристика работы

В последние десятилетия все чаще ставится вопрос о безопасности эксплуатации различных инженерных сооружений. Контроль стабильности сооружения, ее прогноз, осуществление профилактических и защитных мероприятий по предотвращению потенциальной угрозы сооружению представляют важнейшую задачу мониторинга. Решение этой задачи невозможно без целенаправленных долговременных наблюдений за объектом, позволяющих понять механизмы его изменения и разработать рекомендации по его управлению. Отдельное место в подобных наблюдениях занимает мониторинг геологической среды.

Наиболее ценная информация о состоянии геологической среды может быть получена путем геологического бурения и дальнейших исследований в скважинах. Расстояние между скважинами, как правило, составляет десятки метров. Вследствие этого с помощью таких исследований редко удается получить полную картину состояния геологической среды, связанной с конкретным инженерным сооружением.

Напротив, геофизика - технология, в которой дистанционно измеряется эффект от больших объемов грунтов. Геофизические работы можно проводить как в профильном, так и в площадном вариантах. В силу относительно низкой трудозатратности такие работы могут выполняться по густой сети наблюдений. Как следствие, результаты обработки геофизических измерений имеют высокую разрешающую способность по сравнению с результатами бурения.

Использование информации, получаемой с помощью геологического бурения, в комплексе с результатами геофизических изысканий позволяет наиболее полно описать геологическое строение изучаемого объекта.

Актуальность темы

Широкое применение в инженерно-геологическом мониторинге получили малоглубинные геофизические исследования, в частности режимные электроразведочные наблюдения методом сопротивлений. Такие работы часто ведутся с целью изучения динамики оползневых, фильтрационных, карстовых и мерзлотных процессов, происходящих в непосредственной близости от конкретного инженерного сооружения.

Отдельным направлением в мониторинге является поиск и локализация в пространстве объектов, обладающих малыми размерами и малым контрастом в физических свойствах с вмещающей средой. К таким объектам относятся зоны обводнения и фильтрации в гидротехнических сооружениях (например, в насыпных плотинах) и сооружениях транспортной инфраструктуры. Кроме того, важной задачей является обнаружение несанкционированных туннелей и подкопов, ведущих на охраняемые территории.

При проведении геофизического мониторинга исследуются не абсолютные значения тех или иных параметров, а их изменения во времени. Такие изменения являются зачастую величинами малыми, не более первых процентов от фонового уровня. Измерения с такой точностью требуют специфичного проектирования мониторинговых работ, которое предполагает учет множества факторов, влияющих на исследуемый физический параметр, использование априорной информации, использование аппаратуры высокой точности и оптимальной методики измерений и обработки получаемых данных.

Обоснование выбора физического поля для ведения геофизического

мониторинга является принципиальной задачей при проектировании работ.

Использование электроразведочных методов геофизики является перспективным

направлением в мониторинге по следующим причинам: существует возможность

разработки помехозащищенной аппаратуры, с помощью которой сравнительно

просто вести автоматический сбор данных при постоянном контроле за

источником поля; параметры электрического поля и удельное электрическое

2

сопротивление обладают высокой чувствительностью к изменениям физико-механических свойств грунтового массива.

При проведении режимных геофизических наблюдений задачи, связанные с необходимостью расчленения геологического разреза отсутствуют, а необходимая точность измерений может быть достигнута увеличением времени измерения. Однако появляются проблемы, связанные с нестабильностью во времени как измерительной системы, так и внешних физических полей.

Данная работа направлена на разработку методического аппарата для проведения режимных наблюдений методом сопротивлений, а также создание автоматизированной многоэлектродной системы, предназначенной для выполнения этих наблюдений.

Цели и задачи работы

Целью работы является разработка и исследования комплекса средств электрического мониторинга, основанного на режимных наблюдениях методом сопротивлений с использованием многоэлектродных установок, а также иллюстрация возможности обнаружения аномалий, связанных с локальным изменением свойств геоэлектрического разреза во времени, с указанными средствами. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

• на основе литературных данных сделать обзор объектов инженерной и технической геофизики, на которых в настоящее время ведутся режимные электроразведочные наблюдения методом сопротивлений. Исследовать применяемые технологии сбора данных, способы их обработки и интерпретации;

• исследовать возможности стандартных полевых электротомографических методик в обнаружении локальных изменений в геоэлектрическом разрезе во времени;

• изучить способы выделения локальных изменений в геоэлектрическом разрезе во времени, основанные на вариациях кажущегося удельного сопротивления и удельного сопротивления, получаемого по результатам инверсии полевых данных;

• оценить с помощью численного моделирования эффективность наиболее часто применяемых в настоящее время электроразведочных установок для регистрации аномалий, возникающих при локальных изменениях геоэлектрического разреза;

• выполнить анализ возможных пространственно-временных помех и шумов, влияющих на результаты режимных наблюдений методом сопротивлений;

• разработать алгоритм обнаружения аномалии в изменяющемся геоэлектрическом разрезе, который учтет возможные колебания измеряемых величин, связанные с негативным влиянием помех на результаты измерения. Опробовать разработанный алгоритм на реальных полевых материалах режимных наблюдений методом сопротивлений.

Научная новизна

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

• показано, что анализ изменения кажущегося сопротивления во времени позволяет оценить -минимальную величину полезной аномалии от локального объекта, которая может быть обнаружена в процессе режимных наблюдений на конкретном полевом участке;

• показано, что анализ изменения кажущихся удельных сопротивлений является более устойчивым по сравнению с анализом изменения истинных удельных сопротивлений, получаемых в результате математической инверсии полевых данных;

• разработан алгоритм статистической обработки данных режимных наблюдений методом сопротивлений, основанный на подборе наблюдаемых аномальных полей аналитической функцией. При анализе результатов подбора применяется способ обратных вероятностей, использование которого позволяет выделить аномалии, связанные с появлением локального объекта в геоэлектрическом разрезе;

• систематизирован общий подход при проектировании системы длительного мониторинга, основанного на режимных наблюдениях методом сопротивлений. Сформулированы методические требования к проведению режимных наблюдений при поиске локальных неоднородностей в изменяющемся геоэлектрическом разрезе.

Теоретическая и практическая значимость

• на основе полевых данных показано, что исследование изменения кажущегося сопротивления является эффективным инструментом в анализе данных режимных наблюдений, позволяющим оценивать чувствительность выбранной методики к локальным неоднородностям в геоэлектрическом разрезе;

• на основе численного моделирования определены стандартные электроразведочные установки, применение которых позволяет наиболее эффективно обнаруживать локальную неоднородность геоэлектрического разреза, как по кажущемуся сопротивлению, так и по уровню сигналов, наблюдаемых в полевых условиях;

• выполнена систематизация возможных временных помех и шумов, имеющих проявление при проведении режимных наблюдений;

• разработан алгоритм цифровой обработки данных режимных наблюдений методом сопротивлений, позволяющий обнаруживать

возникновение горизонтальных линейных объектов типа «туннель» в геоэлектрическом разрезе с учетом внешних помех;

• экспериментально подтверждена возможность регистрации локальных изменений геоэлектрического разреза при помощи разработанного комплекса методических средств;

• предложена технология проведения длительного электрического мониторинга, основанного на режимных наблюдениях методом сопротивления, включающая методическое руководство по планированию режимных наблюдений методом сопротивлений.

Степень достоверности результатов

О достоверности результатов диссертационного исследования свидетельствуют: корректное использование современных инструментов разработки и исследования; совместное использование теоретического расчета, математического моделирования и физического эксперимента с анализом и взаимной проверкой их результатов. Показана повторяемость результатов экспериментов; полученные в работе результаты согласуются с результатами, полученными другими авторами, там, где их можно сопоставить.

Апробация и внедрение результатов работы

Основные результаты работы докладывались

• На научных семинарах на кафедре геофизических методов исследования земной коры МГУ имени М.В. Ломоносова, 2014 и 2015 гг;

• На 12-ой, 13-ой, 14-ой международных научно-практических конференциях и выставках «Инженерная геофизика», Геленджик, апрель 2012, 2013 и 2014 гг.;

• На 11-ом международном геофизическом научно-практическом семинаре «Применение современных электроразведочных технологий при поисках месторождений полезных ископаемых», Санкт-Петербург, ноябрь 2013 г;

• На 1-ой, 2-ой международных практических конференциях «Геотехнический мониторинг и мониторинг развития опасных геологических процессов», Москва, сентябрь 2013 и 2014 гг.

Публикации результатов работы

По материалам диссертации опубликовано 6 работ, в том числе: 2 публикации в печатных изданиях из перечня российских рецензируемых научных журналов, рекомендованных ВАК.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из титульного листа, оглавления, введения, 5 глав, заключения и списка литературы. Она изложена на 133 страницах машинописного текста и содержит 64 иллюстрации и 6 таблиц. Список литературы состоит из 116 наименований.

Защищаемые положения

На защиту выносятся следующие положения:

1. Анализ изменений параметров геоэлектрического разреза во времени следует проводить с учетом исследования вариаций соответствующих ему псевдоразрезов кажущегося сопротивления;

2. Разработанный автором алгоритм обработки данных режимных наблюдений, основанный на способе обратных вероятностей, позволяет обнаруживать локальные изменения геоэлектрического разреза во времени;

3. Разработана система требований к проведению режимных наблюдений методом сопротивлений, определяющая технологию электрического мониторинга локальных объектов. Требования предъявляются как к методике полевых наблюдений, так и к способам обработки получаемых материалов.

Благодарности

Выражаю глубокие благодарности

• научному руководителю И.Н. Модину за неоценимую помощь, предоставленные материалы и оборудование, продуктивные дискуссии и ценные советы;

• М.Н. Марченко за помощь в написании работы, уделенное мне время и конструктивную критику;

• В.А. Шевнину, A.A. Бобачеву, Д.К. Большакову, В.В. Макарову и Т.В. Ялову за критику, советы и большую помощь в процессе написания работы и ее проверки;

• содрудникам кафедры геофизических методов исследования земной коры, аспирантам, магистрантам и коллегам: Акуленко С.А., Баранчук К.И., Булычеву A.A., Груздеву А.И., Ерохину С.А., Ивановой C.B., Павловой A.M., Пелевину A.A., Скобелеву А.Д., Тамбергу A.C. за помощь и поддержку;

• родителям и друзьям за мотивацию и поддержку в период написания работы.

Основное содержание работы

Во Введении описана актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цели и задачи, теоретическая и практическая ценности работы, научная новизна результатов, а также защищаемые положения.

Глава 1. Применение режимных электроразведочных наблюдений в инженерно-геологическом мониторинге. Современное состояние

Глава 1 посвящена обзору современного состояния, степени развития и распространенности режимных электроразведочных наблюдений методом сопротивлений. В ней рассмотрены основные цели и задачи проведения режимных наблюдений как отдельного типа изыскательских геофизических работ, часто применяющихся в комплексе инженерно-геологического мониторинга.

Необходимо отметить, что в настоящее время термин «режимные наблюдения» зачастую является синонимом «мониторинговых наблюдений». В англоязычных публикациях для обозначения повторных электроразведочных измерений, как правило, используется словосочетание «geoelectrical monitoring», которое может быть переведено на русский язык как «геоэлектрический (электрометрический, электроразведочный, электрический) мониторинг». В связи с этим в работе под термином «геофизический мониторинг» понимаются повторные режимные геофизические наблюдения, а под термином «электрический мониторинг» - режимные электроразведочные наблюдения.

В первой части главы рассматриваются инженерно-геологические объекты, на которых в настоящее время проводятся режимные геофизические наблюдения. При этом мониторинг указанных объектов проводится не только с целью принятия решений для предотвращения какой-либо катастрофы, но и для общего исследования развития инженерно-геологических процессов.

Анализ публикаций последних лет показывает, что основными объектами исследований на сегодняшний день являются гидротехнические сооружения [Boleve, 2009; Cho et al., 2014; Sjodal, 2006; Большаков и др., 2012; Козлов, Павлова, 2013], хранилища бытовых и промышленных отходов [Slater, Binley, 2006; LaBrecque, 2004; Wilkinson et al., 2010; Dahlin et al., 2011; Loke et al., 2014], а также объекты транспортной инфраструктуры [Brunei et al., 2010; Chambers et al., 2014; Wilkinson et al., 2011]. Кроме того, обширные исследования связаны с изучением динамики оползневых [Bell et al. 2008; Chambers et al. 2009, 2010, 2011; Lebourg et al. 2010; Luongo et al. 2012; Supper et al. 2002, 2008, 2010, 2014; Wilkinson et al., 2011], карстовых [Leberfinger et al, 2000; Novak, 1993; Ерохии и др., 2011; Кузичкии u др., 2012] и мерзлотных процессов [Kneisel et al., 2014; Ottowit: et. al., 2011; Supper et al., 2014]. Состояния этих объектов напрямую связано с влиянием человека на геологическую среду.

Вторая часть главы посвящена методике режимных наблюдений в методе сопротивлений. Электрический мониторинг, основанный на методе электротомографии (ЭТ), является на сегодняшний день наиболее распространенным.

Общей тенденцией режимных наблюдений являются круглогодичные измерения с периодом повторных циклов менее 1 суток. Для осуществления таких работ конструируются специализированные автоматизированные программно-аппаратные комплексы (например, ALERT, GEOMON4D) [Ogilvy et al. 2009; Kuras et al., 2009; Supper et al., 2010; Supper et al., 2014]. Такие комплексы являются многоэлектродными многоканальными электротомографическими станциями, специально приспособленными к постоянному размещению на участке работ. Однажды установленные, они автоматически выполняют повторные измерения по заранее определенному расписанию. Получаемые полевые материалы пересылаются в офис для последующей обработки с помощью сотовой мобильной связи. Это позволяет сократить расходы,

необходимые для обеспечения мониторинговых работ (присутствие рабочего персонала на участке работ).

Другим важным аспектом режимных наблюдений являются способы обработки получаемой информации. Поскольку общая методика наблюдений основана на методе ЭТ, необходимо обрабатывать достаточно большой объем информации. Процедура инверсии измеренных полевых данных в истинные геолого-геофизические параметры изучаемой среды (а также их изменение во времени) является важнейшим этапом обработки данных. В связи с этим разрабатываются и совершенствуются алгоритмы автоматической инверсии данных непосредственно для режимных наблюдений [LaBrecque, Yang, 2001; Daily et al, 1992; Kim et al, 2009; Loke et al, 2014; Karaoulis et al, 2014].

Глава 2. Возможности стандартных электротомографических методик в режимных наблюдениях в методе сопротивлений

Глава 2 посвящена исследованию методики режимных наблюдений методом сопротивлений, наиболее распространенной в настоящее время. Исследование основано на анализе данных, полученных на геофизическом полигоне геологического факультета МГУ в дер. Александровка.

Оборудование было размещено вдоль одного профиля длиной 47 м, по которому в течение четырех суток (25-28.09.2013) через каждые два часа производились измерения методом электрической томографии. Всего на исследуемом участке было сделано 42 повторные съемки одной расстановки электротомографии. Дальнейший анализ данных выполнялся в предположении, что изучаемый геоэлектрический разрез должен оставаться неизменным по удельному электрическому сопротивлению (УЭС) (абсолютные значения УЭС, геометрические особенности слоев разреза). Исключением могла являться верхняя часть разреза (до 2 м), подверженная воздействию внешних метеорологических условий (изменение температуры воздуха, выпадение дождевых осадков).

По значениям кажущегося сопротивления (КС) каждого повторного цикла наблюдений была выполнена двумерная инверсия данных, в результате которой был получен набор геоэлектрических разрезов, соответствующих конкретному времени. Для оценки изменяемости разрезов во времени был рассчитан средний геоэлектрический разрез, относительно которого рассчитывались отклонения УЭС.

На Рисунке I изображен разрез модуля относительных отклонений УЭС, усредненный по всем повторным циклам наблюдений. Этот разрез показывает, в каких точках геоэлектрического разреза происходят наибольшие (наименьшие) изменения УЭС. Видно, что основные отклонения, достигающие и превышающие 10%, располагаются на глубинах от 0 до 3 м. Эти отклонения характеризуют действительные изменения верхней части разреза, которые происходили в течение всего эксперимента. Они могут быть связаны с изменением УЭС почвенного слоя под действием метеорологических условий (температура воздуха, выпадение дождей) а также с колебанием уровня грунтовых вод под профилем наблюдений.

модуль отклонения, %

2 4 6 8

5 10 15 20 25 30 35 40 45

расстояние, м

Рисунок 1. Средний разрез модуля отклонений УЭС геоэлектрических разрезов (слева) и средняя кривая изменения модуля отклонений УЭС от глубины (справа).

Ожидается, что отклонения УЭС на больших глубинах (более 3 м) должны быть близки к нулю. Однако, как следует из Рисунка 1, их средние значения по модулю колеблются в диапазоне от 2% до 4%, что противоречит условию

12

эксперимента о «неизменности» геоэлектрического разреза. В действительности, отклонения на больших глубинах связаны не с изменениями в геологической среде, а с неустойчивостью алгоритма инверсии данных. Одновременное выполнение задачи подбора параметров верхней части разреза, имеющей высокий контраст УЭС с остальной средой, а также задачи построения гладкой модели геоэлектрического разреза приводят к искажению результатов инверсии.

Положим, что в разрезе действительно произошло локальное изменение, которое необходимо обнаружить, выполняя режимные наблюдения с вышеописанной стандартной методикой измерений и обработки получаемых материалов. Очевидно, что если искомый эффект в отклонениях УЭС разреза менее 1% (малые размеры, большая глубина), соответствующее изменение в разрезе не может быть обнаружено.

Неустойчивость алгоритма инверсии определяет необходимость анализировать данные КС, связанные как с реальным изменением геоэлектрического разреза, так и с влиянием различных шумов естественного и искусственного происхождения на результаты измерений.

На Рисунке 2 показан средний псевдоразрез модуля относительных отклонений КС. Он может быть условно разделен на 3 области вдоль оси разноса. Сверху, до разноса 5.5 м наблюдается зона, в которой аномалии постепенно затухают сверху вниз от 5 до 0%. Среднее значение модуля отклонений в этой области составляет 1.6%. Отклонения соответствуют изменению УЭС верхней части разреза в течение эксперимента.

В интервале разносов от 7 до 13 м наблюдается зона «тишины», в которой максимальное значение аномалий составляет не более 2%, а на большей части этого интервала аномалии не превышают 1%. Среднее значение модуля отклонений здесь составляет 1.1%.

модуль отклонения, %

Ь м о м

расстояние, м

Рисунок 2. Средний псевдоразрез модуля отклонений КС (слева) и средняя кривая изменения модуля отклонений КС от разноса (справа).

Среднее значение модуля отклонений в третьей области, соответствующей нижней части псевдоразреза составляет 1.7%. Здесь нарушается гладкость исследуемого параметра. Известно, что размеры аномалии от некоторого объекта связаны с глубиной его залегания. Чем больше глубина, тем «спокойней» характер аномального поля. Поскольку большие разносы характеризуют относительно большие глубины, можно утверждать, что наличие «выбросов» в изучаемых данных связано с влиянием помех и шумов различного происхождения на изучаемые параметры.

Отклонения КС, которые наблюдаются в условиях «неизменного» геоэлектрического разреза в действительности показывают уровень фоновых помех и шумов, наблюдаемых в процессе эксперимента. Диапазон изменения уровня фона определяет чувствительность используемой методики к возможным целевым аномалиям. Так, например, фоновый уровень помех на разносах 15-20 м при данной методике составляет 1.7%.

Таким образом, при анализе данных режимных наблюдений необходимо исследоватОь не только изменения «истинных» УЭС, но и соответствующие им изменения кажущихся сопротивлений. Исследование псевдоразрезов отклонений

кажущегося сопротивления позволяет определить чувствительность конкретно выбранной методики к искомым целевым аномалиям.

Глава 3. Исследование возможностей стандартных электроразведочных установок с помощью численного моделирования

В Главе 3 приведены результаты математического двумерного моделирования методом интегральных уравнений для оценки возможностей различных стандартных электроразведочных установок при поиске горизонтально вытянутых малых объектов на относительно больших глубинах. Цель моделирования заключается в выборе оптимальной линейной электроразведочной установки при планировании наблюдений за бурением туннеля, как частного (и относительно простого) объекта электрического мониторинга. Для этого были выполнены расчеты, направленные на оценку уровня аномального электрического поля от объекта в однородном полупространстве (ОПП).

Одной из целей электрического мониторинга является регистрация изменений УЭС геологического разреза на ранних стадиях их возникновения. Размеры искомой «опасной» локальной зоны, как правило, существенно меньше глубины ее залегания. Аномальный эффект от такой зоны, очевидно, должен быть минимален. Поэтому при исследовании эффективности различных электроразведочных установок была выбрана такая неоднородность во вмещающем пространстве, которая заведомо будет давать минимальный аномальный эффект (Рисунок 3).

профиль наблюдений

(х=о, г=ю)

Рисунок 3. Модель геоэлектрического разреза.

Расчеты выполнены для следующих электроразведочных установок:

• симметричной четырехэлектродной установки Шлюмберже (АшпВ);

• дипольной осевой установки (АВтп);

• комбинированной трехэлектродной установки (Атп+тпВ);

• установки Веннер-а (АшпВ \V-ct);

• установки Веннер-Р (АВтп Р);

• установки Веннер-у (АтВп W-y);

• комбинированной трехэлектродной установки Веннера (Атп+тпВ ЧУ).

В качестве основных параметров сравнения установок были приняты (Рисунок 4):

• относительная аномалия КС, вычисляемая по формуле:

модель #» = (-?Ц--1)-100%,

фон

р

к

где р"одель — значения КС, получаемые в результате моделирования над

указанным геоэлектрическим разрезом с конкретной установки, рФон -сопротивление ОПП, равное 100 Ом-м;

• параметр Я, который, с одной стороны, соответствует интегральному сопротивлению среды, а с другой стороны - абсолютному аномальному сигналу, который будет наблюдаться над геоэлектрическим разрезом при постоянной силе тока в генераторной цепи. Параметр рассчитывался по формуле:

К

где К - коэффициент установки, соответствующий конкретной точке псевдоразреза КС;

• визуальная локализация аномальных зон 5р и Я. Оценивается на качественном уровне и фактически показывает, какие размеры имеет аномалия.

В результате анализа данных моделирования сделан вывод о том, что

комбинированная трехэлектродная установка (Агпп+тпВ) и симметричная

четырехэлектродная установка Шлюмберже (АтпВ) позволяют наилучшим

образом обнаруживать аномальный объект и определять его расположение в

пространстве. А Б

расстояние, м расстояние, м

Рисунок 4. Результаты моделирования для установки АтпВ. А - псевдоразрез относительных отклонений КС от сопротивления ОПП; Б - псевдоразрез параметра К.

Глава 4. Алгоритм обработки данных режимных наблюдений

Глава 4 посвящена созданию алгоритма обработки данных режимных электроразведочных наблюдений методом сопротивлений. В качестве целевого объекта мониторинга принято горизонтальное бурение туннеля на глубине, сильно превосходящей его размеры (Рисунок 3).

Разовые геофизические наблюдения в большинстве случаев не позволяют локализовать подобные объекты в пространстве. Создаваемая объектом аномалия пропадает на фоне вмещающего разреза, осложненного, как правило, неоднородностью верхней части разреза. Наличие искомого объекта в разрезе в результате попадает в область эквивалентных решений обратной задачи метода.

Тем не менее, такая задача может быть решена, используя предположение о том, что параметры искомого объекта (геометрия, УЭС) изменяются во времени. Сравнивая результаты повторных наблюдений, исследуются изменения, которые происходят в наблюдаемых полях. Другими словами, делается переход из

17

пространственной области поиска объекта (разовые геофизические наблюдения) к пространственно-временной (режимные геофизические наблюдения).

Наиболее эффективной электроразведочной установкой при поиске локальных неоднородностей является трехэлектродная комбинированная установка (Атп+шпВ). Использование такой установки позволяет выполнить О-трансформацию данных, которая позволяет повысить чувствительность данных к локальным неоднородностям в разрезе [Электрические зондирования, 1988\.

О = 1

'' ртпВ(х,К)'

где р^тп(х,К) и р""'Б(х,П) - значения сопротивления в соответствующих точках псевдоразреза КС.

Относительные отклонения параметра О (<5О), вызванные локальным изменением УЭС, от своего фонового значения, соответствующего вмещающему геоэлектрическому разрезу, приводят к возникновению на псевдоразрезе 5Б(х,К) разнополярной аномалии, симметричной относительно центра неоднородности (Рисунок 5).

Вычисление параметров геоэлектрического разреза, которые будут давать конкретную наблюденную аномалию в отклонениях параметра Д может быть реализовано с помощью метода подбора. Однако такой подход является весьма трудоемким, поскольку требует решения большого количества прямых задач от различных геоэлектрических разрезов.

Существует множество объектов, создающих аномалию подобной формы. Наиболее простым примером такого объекта является поляризованный диполь. Его потенциал вычисляется по формуле:

и = 1-к

где I - интенсивность источника, Я - его радиус, <р - угол его поляризации, отсчитанный от горизонтали, г - расстояние от источника до точки измерений.

расстояние, м

расстояние, м

Рисунок 5. Отклонения КС (А) и параметра £) (Б) от фона.

В связи с этим для упрощения можно заменить задачу о вычислении сложного геоэлектрического разреза задачей поиска параметров диполя, наилучшим образом аппроксимирующего аномалию параметра О. В этом случае, такие параметры диполя, как его интенсивность и радиус будут связаны с контрастом в УЭС туннеля и вмещающей среды. Вычисление положения источника относительно профиля наблюдений и его глубины будет давать приблизительную оценку положения в пространстве туннеля, а расчет угла поляризации - оценку возможного угла подхода туннеля к профилю.

Подбор параметров диполя производится с помощью минимизации невязки между реальными данными и их аппроксимацией. Далее на основе теории статистического анализа проверяется гипотеза о нахождении подбираемого поля в наблюденных данных. В качестве критериев проверки гипотезы выступают коэффициенты максимального правдоподобия и апостериорной вероятности [Никитин, Петров, 2008]:

М

М

А. = ехр(-

9 1 т 7 1

„ £ и1 . + — I иг . Ж> .), 2сг у = 1 а2 Д ^

Р. =

Л.

I

л.+Г

где Л, и Р/ - значения коэффициента правдоподобия и апостериорной вероятности в ¡-Й момент времени, <5Д; и 11,^ — значения отклонений параметра Э и его аппроксимации в ¡-й момент времени в /'-й точке наблюдений, а - дисперсия значений <5Д.

Если выполняется условие Л, >1 (Р/ >0.5), можно сделать вывод о том, что искомая аномалия присутствует в исследуемых данных. Стоит отметить, что эти

19

условия являются необходимыми, но не достаточными для нахождения полезного сигнала в анализируемых данных дО. Другими словами, если полезный аномальный сигнал существует в подбираемых данных, то значения коэффициентов правдоподобия и апостериорной вероятности будут Л, >1 и .Р,>0.5, соответственно. С другой стороны, выполнение условий Л, >1 и Р1 >0.5 не означают присутствие полезного аномального сигнала в данных дБ.

Помимо статистических критериев наличия поля единичного диполя в данных анализируются его параметры (положение в пространстве, интенсивность, угол поляризации). Их постоянство, а также соответствие априорной информации о возможном месте появления туннеля в пространстве позволяют оценить на качественном уровне правильность работы алгоритма обработки данных (Рисунок б).

конец движения туннеля

в

600

время, ч

g'S 1Е»005

J 5 1Е*001

■8- о 1Ё-003 -

■§■ ¡5 1Е-007 :

Ш^Шш —

расчет фона

02 f!

-О о

600

время, ч

°> 20 I с 11

i -в- о - расчет фона

о с -V, //лкятклУХ дЛ

- 12 1 - 10 ш

600

время, ч

Рисунок 6. Результат обработки модельных данных движения туннеля в ОПП (см. Рисунок 3, 5), искаженных белым шумом. А - схема бурения туннеля (в плане); Б - изменение параметра дБ во времени (ПК 1.5 м, разнос 10.5 м); В и Г - рассчитанные статистические коэффициенты и положения дипольного источника, соответственно.

По результатам анализа вычисленных статистических критериев и подобранных параметров диполя принимается конечное решение о наличии искомого объекта в наблюденных данных мониторинга.

Разработанный алгоритм был опробован на модельных данных одномерной и двумерной сред с различными шумами и помехами, распространенными при ведении режимных наблюдений. Кроме того, с помощью указанного алгоритма выполнена обработка реальных полевых данных режимных наблюдений.

Глава 5. Технология электрического мониторинга локальных объектов

На основе анализа материалов, изложенных в предыдущих разделах, в Главе 5 формулируются рекомендации, выполнение которых повышает вероятность обнаружения локальных изменений геоэлектрического разреза во времени. Размеры локальных объектов при этом существенно меньше глубины своего залегания. Эти рекомендации определяют технологию электрического мониторинга локальных объектов [Модин, Макаров, 2013а].

Технология электрического мониторинга локальных объектов - это совокупность методов, процессов и материалов, используемых при режимных электроразведочных наблюдениях и решающих задачу обнаружения локальных объектов во времени в геоэлектрическом разрезе.

С одной стороны, данная технология ставит задачу тщательного планирования этапов мониторинга. Такое планирование включает в себя предварительное изучение вмещающего геоэлектрического разреза, изучение возможных помех и шумов, характерных для данного участка, и моделирование аномального эффекта от объекта поиска.

С другой стороны, эта технология определяет необходимость существенного повышения точности измерений. Общая точность измерений может быть повышена с помощью специальных мер, предъявляемых к аппаратуре, методике съемки и способам дальнейшей обработки материалов.

21

Опираясь на выводы, сделанные ранее, автором описывается алгоритм проектирования систем длительного мониторинга. Алгоритм делится на три стадии.

На стадии предпроектных изысканий собирается всевозможная информация об участке работ и объекте исследования. По результатам анализа этой информации определяется полевая методика дальнейших измерений (расположение профилей, шаг между электродами, тип электроразведочной установки и пр.).

На стадии проектирования системы на основе опытно-методических работ определяются частные технические аспекты выполнения режимных измерений (материал и способ заземления используемых электродов, способ установки оборудования на местности и пр.).

На заключительной стадии подготовки к эксплуатации системы определяется график измерений (частота и время повторных циклов наблюдений), выполняется общая настройка системы (выходные токи и напряжения, накопления и пр.). Кроме того организуется доступ к различного рода дополнительной информации (метеорологические данные, графики работы близких промышленных объектов).

Заключение

В диссертационной работе выполнено исследование методики и технологии проведения режимных электроразведочных наблюдений методом сопротивлений. Результаты работы основаны на обзоре литературных источников отечественных и иностранных авторов, численном математическом моделировании и анализе полевых материалов режимных наблюдений. Их можно свести к следующим положениям:

1. Исследование изменения кажущегося сопротивления позволяет оценить общую чувствительность выбранной методики измерений к локальным изменениям в геоэлектрическом разрезе во времени. Такое исследование является важным этапом при подготовке к электрическому мониторингу, поскольку определяет минимальные величины аномалий в геоэлектрическом разрезе, которые возможно обнаружить с помощью конкретной аппаратуры, способа полевых измерений и обработки получаемых данных.

2. В подавляющем большинстве случаев методика проведения режимных наблюдений основана на электрической томографии. Анализ получаемых данных по такой методике выполняется с помощью оценки изменения геоэлектрического разреза, получаемого с помощью алгоритма инверсии данных кажущегося сопротивления. При этом необходимо понимать, что процедура инверсии привносит дополнительные ошибки в анализ данных, достигающие порой нескольких процентов. Такая величина ошибки не позволяет обнаруживать объекты, создающие аномалии порядка 1% в исследуемых параметрах разреза. В связи с этим автором разработан алгоритм обработки кажущихся сопротивлений, основанный на статистическом подходе к обработке данных мониторинга. Использование этого алгоритма позволяет обнаруживать слабые аномалии от искомых

локальных объектов с учетом возможного влияния естественных и искусственных помех.

3. На основе выполненного исследования автором сформулированы требования к проведению режимных наблюдений методом сопротивлений, проводимых при поиске локальных изменений во времени геоэлектрического разреза. Эти требования предъявляются к аппаратуре, используемой при измерениях, методике и технике проведения режимных наблюдений, а также к процессу проектирования мониторинговых работ. Их выполнение позволяет повысить эффективность режимных работ в обнаружении аномалий от слабоконтрастных по УЭС локальных объектов.

Режимные электроразведочные наблюдения методом сопротивлений все чаще проводятся для изучения процессов, происходящих в верхней части геологического разреза. Измерения проводятся как для контроля состояния эксплуатируемой геологической среды, так и для общего изучения ее динамики.

Полученные результаты способствуют развитию методики режимных наблюдений методом сопротивлений. Работа затрагивает вопросы, связанные как с процессом долговременных электроразведочных полевых измерений, так и со способами обработки и интерпретации результатов этих измерений.

Для дальнейшего развития методики режимных наблюдений необходимо: создание и внедрение в производство специализированной высокоточной электроразведочной аппаратуры и оборудования для электрического мониторинга; создание универсальных программ численного моделирования динамики изменения геоэлектрического разреза во времени; разработка специальных алгоритмов обработки получаемой информации, имеющей распределение как в пространстве, так и во времени; внедрение режимных электроразведочных наблюдений в производство, как стандартного метода инженерно-геологического мониторинга.

Публикации по теме диссертации

1. Макаров Д.В., Модин И.Н. Электрометрические исследования насыпной плотины в зоне вечной мерзлоты: первый этап мониторинга. Инженерные изыскания, №10-11,2013, С. 116-121;

2. Модин И.Н., Макаров Д.В., Александров П.Н. Возможности электротомографических станций при выполнении мониторинговых наблюдений. Инженерные изыскания, №9-10,2014, С. 22-31;

3. Агеев В.А., Модин И.Н., Макаров Д.В. Выявление слабых аномалий электрического и магнитного поля над непроводящими объектами. Тезисы докладов VIII Международной научно-практической конференции «Инженерная и рудная геофизика - 2012», Геленджик, Россия, 23-27 апреля, 2012;

4. Модин И.Н, Макаров Д.В. Основы электрического мониторинга для исследования процессов, происходящих в верхней части разреза. Тезисы докладов IX Международной научно-практической конференции «Инженерная и рудная геофизика - 2013», Геленджик, Россия, 22-26 апреля 2013 а;

5. Модин И.Н., Макаров Д.В. Влияние метеорологических факторов на данные электроразведочного мониторинга. Тезисы конференции «Применение современных электроразведочных технологий при поисках месторождений полезных ископаемых», Санкт-Петербург, Россия, 2013, С. 28-31;

6. Богданов М.И., Макаров Д.В., Модин И.Н. Низкочастотный мониторинг и влияние метеофакторов на его результаты. Тезисы X международной научно-практической конференции и выставки «Инженерная геофизика - 2014», Геленджик, Россия, 21-25 апреля 2014.

Заказ № 10829 Тираж - 100 экз. Печать трафаретная. Типография «11-й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 115230, Москва, Варшавское ш., 36 (499) 788-78-56 www.autoreferat.ru