Введение к работе
Объекты исследования - метод малоглубинного индукционного частотного электромагнитного зондирования и метод сопротивлений Первый исследуется на предмет создания программно-алгоритмического обеспечения калибровки, обработки данных и изучения возможностей портативной наземной аппаратуры, второй - на предмет обоснования его модификации и совместного использования с частотными зондированиями для поиска ледовых линз в древних высокогорных курганах, перекрытых каменной насыпью
Для компенсации прямого поля в аппаратуре малоглубинного индукционного частотного электромагнитного зондирования (условное название ЭМС) применена трехкатушечная схема зонда Чтобы обеспечить глубокую компенсацию, приемные катушки должны иметь близкую к постоянной амплитудно-частотную характеристику и, следовательно, небольшие измерительные моменты Эти обстоятельства приводят к необходимости измерять малые сигналы на фоне сильных электромагнитных помех Для высокоточной количественной интерпретации данных аппаратуры ЭМС требуется знать расстояния между центрами генераторной и приемных катушек, а также зависящие от частоты измерительные моменты Определить эти параметры с требуемой точностью прямым измерением или расчетом не удается Имеющиеся в настоящее время подходы к калибровке каротажных и наземных электромагнитных приборов не обеспечивают возможности калибровки аппаратуры ЭМС Таким образом представляется весьма актуальным разработка и внедрение нового способа калибровки аппаратуры в виде программно-алгоритмического обеспечения для теоретического (расчетного) описания соответствующих сигналов, а также верификации данных, полученных в калибровочной установке
Для предварительной (в некоторых случаях итоговой) обработки измерений требуются программно-алгоритмические средства, позволяющие перевести результаты в кажущуюся электропроводность Чтобы представлять возможности аппаратуры при проектировании полевых работ и для обработки данных, необходимо корректно оценивать глубинность исследования в различных геоэлектрических ситуациях На сегодня исследования глубинности зачастую проводятся исходя из толщины скин-слоя для плоской волны, падающей на полупространство Такой подход дает весьма приближенные значения Более точные результаты
можно получить, если учитывать как модели искомого объекта и вмещающей среды, так и параметры конкретной аппаратуры Такие оценки весьма актугшьны для оптимального использования существующего аппаратурно-программного комплекса ЭМС и обработки его данных
Созданные программные средства работы с данными аппаратуры ЭМС представляли собой набор консольных приложений, имеющих ограниченные возможности Работу с результатами зондирования требовалось автоматизировать, создать программный пакет с эргономичным интерфейсом, позволяющим оператору сосредоточиться на обработке и интерпретации данных, не затрудняя работу сложностью управления Необходимость этого определяется высокими технологическими требованиями к программному обеспечению, сопутствующему геофизической аппаратуре
До настоящего времени не было методики, позволяющей диагностировать малые объемы мерзлого грунта и льда под каменными курганными насыпями Решение этой задачи необходимо для археологии, поскольку наличие льда в кургане создает условия для сохранения ценных материалов, а его отсутствие приводит к напрасным затратам на проведение раскопок Это определяет актуальность разработки нового геофизического подхода для поисков ледяных линз и оценки их параметров под насыпью, на которой невозможно электрическое заземление
Цель исследований - увеличить достоверность измерений и полноту извлечения информации о геоэлектрическом строении среды на малых глубинах, повысить уровень автоматизации работы с данными частотного зондирования, повысить достоверность обнаружения и локализации линз мерзлоты в древних высокогорных курганах
Основные задачи исследований
разработать программно-алгоритмические средства для высокоточной калибровки и экспресс-обработки данных аппаратуры частотного электромагнитного зондирования, оценки ее глубинности, а также создать программный пакет для автоматизации работы с данными,
обосновать целесообразность применения модификации метода сопротивлений и ее совместного использования с малоглубинным частотным зондированием для обнаружения и локализации ледовых линз
Фактический материал, методы исследований и аппаратура
Теоретической основой решения поставленных задач являются уравнения Максвелла Автор опирался на работы А А Кауфмана, Г М Морозовой, Л А Таборовского, М И Эпова, В С Могилатова, Ю А Да-шевского, А К Манштейна, И Н Ельцова и других широко известных специалистов в области малоглубинной геоэлектрики
Основными методами исследования являются математическое моделирование, лабораторный и полевой эксперимент
Результаты математического моделирования согласуются с данными, полученными А А Кауфманом, Л А Табаровским, М И Эповым, В С Могилатовым, а также результатами других математических (рассмотрение аналитических асимптотических приближений) и физических (лабораторный эксперимент) методов, примененных соискателем
Для реализации алгоритмов и разработки пакета автоматизации использовались среды программирования Compaq Fortran и Delphi
Аппаратура электромагнитного малоглубинного частотного зондирования ЭМС разработана в Лаборатории электромагнитных полей Института геофизики СО РАН (на сегодня Институт нефтегазовой геологии и геофизики СО РАН) М И Эповым, А К Манштейном и др В течение 2000-2006 гг выполнены многочисленные работы с использованием аппаратурно-программного комплекса ЭМС Значительную часть составляют междисциплинарные геофизические исследования археологических памятников, выполненные совместно с Институтом археологии и этнографии СО РАН под руководством дин, академика РАН В И Молодина Также комплекс применялся для решения различных задач инженерной геофизики по заказу администрации Самарской области (2003 г) и города Новосибирска (2004 г)
В 2002 г в Италии сотрудниками Института геофизики СО РАН, Университета г Феррара и компании „Геостуди Астье" были совместно проведены сравнительные электроразведочные работы При этом наряду с ЭМС использовалось два типа иностранной индукционной аппаратуры (GEM-300 и ЕМ-31) Испытания показали, что аппаратурно-программный комплекс ЭМС находится на мировом уровне и по ряду параметров превосходит другие приборы
В 2003 г в Горном Алтае на плато Укок были проведены комплексные экспериментальные работы по определению мерзлоты в высокогорных курганах с использованием оригинальной модификации метода сопро-
тивлений и метода частотных зондирований (комплекс ЭМС) Аналогичные исследования были проведены в 2005 г в Монгольском Алтае
Высокое качество и работоспособность программно-алгоритмических средств и программного пакета автоматизации подтверждены Институтом проблем освоения севера СО РАН, сотрудники которого использовали ЭМС при исследовании и предварительной разведке на археологических поселениях Тоболо-Ишимья (акт внедрения от 2003 г)
Защищаемые научные результаты:
Разработаны способ и программно-алгоритмическое обеспечение калибровки аппаратуры малоглубинных частотных зондирований, основанные на подборе параметров аппаратуры при использовании избыточной экспериментальной информации
Создан и реализован программно алгоритм оценки глубинности аппаратуры частотных зондирований, который в отличие от традиционных учитывает априорные геоэлектрические модели искомого объекта и вмещающей среды, а также чувствительность аппаратуры, создано программно-алгоритмическое обеспечение экспресс-обработки и визуализации данных
Научно обоснованы совместное применение и алгоритмы интерпретации модификации метода сопротивлений и частотных зондирований для поиска ледовых линз в древних высокогорных курганах
Новизна работы. Личный вклад
1 Разработаны программно-алгоритмические средства для математического моделирования электромагнитных полей в однородной и горизонтально-слоистой изотропной среде Поля возбуждаются магнитным диполем либо петлей конечного размера Расчет сигналов возможен в точечном приемнике и петле конечного размера С помощью этих средств для аппаратуры ЭМС достигнуто следующее
определены области применимости низкочастотного и дипольного приближений - для частотного диапазона аппаратуры ЭМС может быть использовано только дипольное,
научно обоснована эффективность трехкатушечной схемы компенсации прямого поля в аппаратуре ЭМС,
разработан способ (алгоритм) калибровки портативной аппаратуры, основанный на подборе параметров аппаратуры при использовании избыточной экспериментальной информации,
разработан алгоритм трансформации сигнала аппаратуры ЭМС в кажущуюся электропроводность,
реализован алгоритм оценки глубинности, позволяющий учесть априорные геоэлектрические свойства искомого объекта и вмещающей среды, а также характеристики аппаратуры
-
Создан программный пакет автоматизации работы с данными аппаратуры ЭМС Программы имеют эргономичный визуальный интерфейс для оперативного выполнения всех необходимых действий, начиная с выгрузки первичных данных из прибора и заканчивая визуализацией обработанных данных
-
Проведено трехмерное математическое моделирование электрических полей, возникающих при использовании метода сопротивлений, который модифицирован для поиска линз многолетней мерзлоты в высокогорных курганах Эта модификация характеризуется специальной схемой расположения генераторных и измерительных электродов по периметру кургана из-за невозможности заземления непосредственно над ним По результатам математического моделирования установлено
наиболее информативной для обнаружения мерзлоты является параллельная генераторным линиям компонента электрического поля,
при построении карты аномального потенциала, центр аномалии совпадает с центром искомого изолирующего объекта,
обосновано совместное применение малоглубинного частотного зондирования и метода сопротивлений для оценки параметров ледовой линзы
Практическая значимость работы
Разработанный подход к калибровке аппаратуры ЭМС позволяет с высокой точностью устанавливать необходимые для описания зонда параметры, что делает возможным количественную обработку экспериментальных данных
Алгоритм трансформации сигнала в кажущееся сопротивление позволяет получить первое приближение при количественной обработке данных частотного зондирования
При оценке глубинности учитывается одновременно ряд факторов, разным образом влияющих на размеры области исследования В результате определяются оптимальные для достижения максимальных значений глубинности рабочие частоты и величины расстояний между генераторной и приемными катушками Также становится возможной оценка максимально возможной глубины исследования существующей аппаратуры ЭМС для решения конкретных задач
Программный пакет автоматизации работы с данными зондирования внедрен с несколькими комплектами аппаратуры и успешно применяется сотрудниками двух российских институтов (Институт проблем освоения севера СО РАН и Институт почвоведения СО РАН) и Генуэзского университета (Италия) Аппаратура и программный пакет используются при проведении лекционных и практических занятий на Кафедре геофизики Геолого-геофизического факультета Новосибирского государственного университета
Разработанные программно-алгоритмические средства позволяют эффективно применять программно-аппаратурный комплекс ЭМС для оперативного, неразрушающего решения малоглубинных задач коммунального хозяйства, строительства и экологического мониторинга, что особенно важно в условиях современных мегаполисов
Математическое моделирование электрических полей, возникающих при использовании модификации метода сопротивлений для обнаружения ледовых линз в высокогорных курганах, позволило провести интерпретацию экспериментальных материалов и выявить наиболее перспективные для раскопок объекты На основе совместного применения метода малоглубинного частотного зондирования с методом сопротивления сделаны количественные оценки параметров ледяной линзы, присутствующей на одном из объектов На выделенных курганах были проведены археологические раскопки Летом 2006 г в Монгольском Алтае было обнаружено сенсационное захоронение (сообщение в газете „Наука в Сибири", 2006, №33-34)
Апробация работы и публикации
Работа выполнена в Лаборатории электромагнитных полей Института нефтегазовой геологии и геофизики им А А Трофимука СО РАН
Основные результаты докладывались на Международной конференции молодых ученых, специалистов и студентов „Геофизика -
2001 "(Новосибирск, 2001) и международных конференциях „Малоглубинная геофизика", организованных Европейской ассоциацией EAGE в 2004 (Утрехт, Нидерланды) и 2006 (Хельсинки, Финляндия) годах
Результаты исследований и применения разработок автора по теме диссертации опубликованы в девятнадцати работах, из которых шесть -в журналах по перечню ВАК (Геофизика, Геофизический вестник, Археология, этнография и антропология Евразии)
Успешному проведению исследований на всех этапах способствовала доброжелательная поддержка сотрудников Лаборатории электромагнитных полей Института геофизики СО РАН автор благодарен специалистам в области электромагнитных зондирований Ю А Дашевско-му, Г М Морозовой, Ю Н Антонову, В С Могилатову, В Н Ульянову, Е Ю Антонову, И Н Ельцову, К В Сухоруковой, Ю А Манштейну, В Н Глинских, Г А Борисову, В В Потапову, А Ю Соболеву, Е В Павлову, Г Л Панину
Автор признателен академику РАН В И Молодину за научную поддержку Автор благодарен сотрудникам Института археологии и этнографии СО РАН И Ю Слюсаренко, Ю Н Гаркуша, А Е Гришину, содействовавших выполнению междисплинарных работ Нельзя не отметить внимание и всестороннее содействие на всем протяжении исследований со стороны старшего научного сотрудника ИАЭ СО РАН, кандидата исторических наук М А Чемякиной
Необходимо отметить неоценимую помощь кандидата технических наук, доцента А К Манштейна - полезные обсуждения, научные консультации, организацию и помощь в проведении экспериментальных работ, постоянное внимание и всестороннюю поддержку
Автор глубоко благодарен научному руководителю доктору технических наук, академику РАН М И Эпову за многочисленные научные консультации и ценные замечания по диссертации, за корректное руководство
Объем и структура работы