УДК 550:34:662.1
© А.М Мухаметшин, В.Е. Петряев, 2011
А.М. Мухаметшин, В.Е. Петряев
ОПЫТ ЗОНДИРОВАНИЙ МЕТОДОМ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ НА УРБАНИЗИРОВАННЫХ ТЕРРИТОРИЯХ ГОРОДА ЕКАТЕРИНБУРГА
Приведены результаты зондирования методом переходных процессов проводимого с целью выявления и локализации электропроводных зон с определением их элементов залегания - падения и простирания.
Ключевые слова: метод переходных процессов, геоэлектрический разрез, урбанизированные территории.
ІГЛак известно, аппаратура метода переходных процессов работает в диапазоне времени от нескольких микросекунд до нескольких десятков миллисекунд. В некоторых видах аппаратуры, которую используют и для решения задач структурной электроразведки, переходный процесс регистрируется в диапазоне от долей миллисекунд до нескольких десятков секунд. Измеряемой величиной является отнесенная к току в генераторном контуре производная по времени от потока неустано-вившегося магнитного поля через приемный контур. Иногда измеряется непосредственно поток неустановившегося поля через приемный контур, отнесенный к току в генераторном контуре. Измеряемая величина для сосредоточенного приемного контура нормируется на число витков и площадь одного витка в квадратных метрах, т.е. на эффективную площадь контура [1].
В стандартном варианте обычно аппаратура МПП содержит генератор импульсов тока (генератор), нагруженный на не-заземленную проволочную петлю (генераторный контур); приемный контур в виде проволочной петли (двухпетлевой вариант МППД) или многовитковой рамки (рамочно-петле-вой вариант МППР), со-
единенный с измерителем неустановив-шегося напряжения напрямую либо через предварительный усилитель. Модификация метода, в которой генераторным и приемным контуром служит одна и та же петля, получила название однопетлевой (МППО). Аналогичные результаты измерений могут быть получены с двумя петлями - генераторной и приемной, которые пространственно совмещены. Этот вариант в дальнейшем сокращенно называют МППД, как и в случае пространственно разнесенных петель. Многовитковая приемная рамка может устанавливаться не только на поверхности земли, но и опускаться в скважину (скважинная модификация рамочно-петлевого варианта СМПП) [1].
В качестве генератора используется коммутатор тока тиристорного или транзисторного типа и устройство управления. Источником энергии служит для него источник постоянного тока. Для некоторых видов аппаратуры это аккумуляторная батарея, для других - питаемое от переносной электростанции выпрямительное устройство. Как правило, источник постоянного тока выполнен в виде самостоятельного конструктивного блока, нередко вмонтированного в корпус генератора [1].
Измеритель обычно включает в себя входное стробирующее устройство, соединенное через усилитель последовательно с накопителем и индикатором напряжения. Все эти устройства соединены с узлом управления, элементы которого вместе с индикатором размещены на передней панели измерителя. Накопитель и индикатор напряжения выпускались аналоговыми или цифровыми. В последнем случае измеритель имеет дополнительно аналого-цифровой преобразователь. В некоторых приборах он включен между усилителем и цифровым накопителем, в других - между аналоговым накопителем напряжения и цифровым регистратором. Узел управления представляет собой логическую цифровую схему с элементами управления, позволяющими устанавливать диапазон времени регистрации, диапазон измеряемого напряжения и другие режимы работы. В аппаратуре, зарекомендовавшей себя с наилучшей стороны, измеритель построен с применением микропроцессорной техники по магистрально-модульному принципу. Измеритель содержит процессор ПРЦ, оперативное запоминающее устройство ОЗУ, постоянное запоминающее устройство ПЗУ, пульт управления, индикатор измеряемого напряжения, а также входной аналого-цифровой преобразователь АЦП. Каждый из этих узлов присоединен к магистрали (система проводников, по которым передаются адресные и информационные данные) [1].
Генератор создает в незаземленной петле однополярные или разнополярные импульсы тока. Формирование импульсов осуществляется коммутатором, подключающим на заданный интервал времени источник постоянного тока к незаземлен-ной петле. Этот процесс периодически повторяется. Длительность разнополярных импульсов тока приблизительно равна длительности пауз. В режиме однопо-
лярпых импульсов тока длительность их составляет менее 1/3 длительности паузы. При зондировании горизонтальнослоистого разреза рабочая часть паузы составляет 1/3 от длительности импульса тока, чтобы можно было пренебречь влиянием фронта включения. Приемная петля или рамка преобразует неустано-вившееся поле в электрический сигнал, который поступает на вход измерителя.
Устройство стробирования блокирует вход измерителя во время токового импульса и подключает его к выходу приемного контура на промежутки времени ^ с задержкой ^, относительно заднего фронта токового импульса. Сформированные таким образом строб-импульсы напряжения сигнала усиливаются, суммируются и усредняются накопителем, в качестве которого может использоваться аналоговая интегрирующая цепь (синхронный фильтр). В этом случае усредненное на интервале времени Дt напряжение в течение N периодов накопления регистрируется стрелочным прибором или после аналого-цифрового преобразования регистрируется цифровым индикатором. Указанные операции производятся для ряда значений задержки й, максимальное число которых достигает несколько десятков. Для аналоговой аппаратуры в каждом цикле измерений регистрируется напряжение сигнала, соответствующее одной задержке. В цифровой аппаратуре в одном цикле регистрируется напряжение для нескольких десятков (сотен) значений задержки ^ [1].
Сигнал, поступающий на измеритель, часто осложнен внешними электромагнитными помехами. Накопление сигнала путем многократного повторения переходного процесса и суммирования выборки сигнала, соответствующей задержке ^, существенно увеличивает отношение полезного сигнала к помехе, равномерно распределенной в широком диапазоне
частот. Эффект накопления имеет место и при интегрировании (усреднении) сигнала на интервале Дt в одной реализации, если на этом интервале сигнал спадает достаточно медленно. Для усиления этого эффекта временной интервал Дt увеличивают пропорционально задержке 1. Вместе с тем накопление сигнала недостаточно эффективно подавляет интенсивные помехи, сосредоточенные в относительно узкой полосе частот, например промышленные гармонические помехи. Для уменьшения влияния таких помех период стробирования выбирают кратным периоду помехи. В случае разнополярных импульсов тока возбуждения вычитание двух строб-импульсов, задержанных на одно и тоже время 11 относительно импульсов тока положительной и отрицательной полярности, приводит к сложению полезного сигнала и вычитанию помехи. Для однополярных импульсов тока возбуждения из одного (рабочего) строб-импульса сигнала вычитается другой (спорный) строб-импульс, задержанный по отношению к первому на промежуток времени, кратный периоду помехи. В этом случае полезный сигнал уменьшается незначительно, но, как и в первом случае, основная и все остальные гармоники промышленной частоты, а также медленно меняющиеся помехи существенно подавляются. Импульсные помехи, сосредоточенные в узкой временной области, так называемые «атмосфери-ки», исключаются путем отбрасывания результата измерения, пораженного этой помехой. В аналоговой аппаратуре эту операцию производит наблюдатель, в программно-управляемой аппаратуре— микропро-цессор после некоторых логических операций [1].
Как известно, при изучении ранних стадий при зондированиях методом переходных процессов (ЗМПП), метод позволяет изучить верхнюю часть геоэлектри-
ческого разреза, обеспечивая возможность решения гидрогеологических и инженерно-геологических задач. Для всех этих целей используется аппаратура с широким временным диапазоном [1].
При исследованиях на урбанизированных территориях достаточно эффективной оказалась трансформация неустано-вившегося сигнала в кривые кажущейся продольной проводимости Sx (или относительной скорости затухания переходного процесса) и эффективной глубины исследования Нт. Эти параметры вычисляются по значению неустановившегося сигнала и его производной или по значениям сигнала для двух соседних моментов времени измерения [1].
Зондирование методом переходных процессов предусматривалось с целью выявления и локализации электропроводных зон с определением их элементов залегания - падения и простирания. Полевые электроразведочные исследования ЗМПП выполнены в объёме 6 основных и 1 контрольной физических точек рамками 50х50 м с шагом 25-50 м на площади застройки 110х140 м в условиях развитой сети подземных коммуникаций и временных строений.
Изучение неустановившегося магнитного поля вихревых токов в геологических образованиях разреза проводилось при ступенчатом изменении тока в неза-земленном генераторном контуре размером 50-60х50-40 м, расположенном на поверхности земли. Измерения отношения наведенной ЭДС в приёмном (соосном) незаземленном контуре (аналогичных размеров) к силе тока (21-22 А) в генераторном контуре проводились с использованием специализированной аппаратуры «Импульс-Ц2» на временах задержки от
0,064 до 8,0 мсек. Наблюдения переходного процесса на каждой точке зондирования состояли из 3 независимых повторных циклов измерений (и/1, мкВ/А) в
диапазоне времени 0,064-8,0 мсек, при числе накоплений 50 на каждой временной задержке. Таким образом, каждое результирующее значение переходной характеристики является средним из 150 рядовых однократных измерений. Кроме того, были выполнены контрольные замеры в объёме 16,7% от основных измерений. Средняя арифметическая погрешность полевых наблюдений ЗМПП при этом не превысила 3 %. Камеральная обработка зондирования методом переходных процессов заключалась: 1 -в построении переходных характеристик и их анализе; 2 -в расчётах кажущегося реактивного сопротивления и определении эффективной глубины зондирования; 3 - в расчётах относительной скорости затухания переходного процесса и её приращений в разрезе; 4 - в выделении и локализации горизонтов повышенной электропроводности с определением их элементов залегания на плане и геоэлектрических разрезах.
Результаты зондирования методом переходных процессов представлялись в виде графиков переходных характеристик; совмещённых графиков относительной скорости затухания переходного процесса, кажущегося реактивного сопротивления с вынесенной границей эффективной глубины зондирования и выделенными горизонтами зон повышенной электропроводности. Здесь же, были представлены геоэлектрические разрезы в изолиниях относительной скорости затухания переходного процесса в масштабе 1:500. Кроме того, представлен в масштабе 1:500 «План изомощности кор выветривания», а также составлены «Планы относительной электропроводности некоторых горизонтов (230, 215, 200 м)».
Из анализа переходных характеристик следует, что они соответствуют в некоторой степени однородному по электропроводности геологическому разрезу, не-
смотря на экранирующее влияние наземных металлоконструкций и подземных инженерных сооружений. Для сглаживания влияния помех от инженерных сооружений на результаты измерений и более детальной дифференциации геоэлек-трического разреза, кроме прямого расчета кажущегося реактивного электрического сопротивления (р), были выполнены вычисления относительной скорости затухания переходного процесса [1]. Для учета экранирующего влияния инженерных коммуникаций была определена эффективная глубина зондирования для каждого пункта измерений. Все выполненные вычисления представлены в виде соответствующих графиков в логарифмическом масштабе глубины зондирования с выделенными горизонтами повышенной электропроводности и совмещенными с колонками инженерно-геологических скважин.
Графики кажущегося электрического сопротивления оказались малоинформативными. Сказалось сильное экранирующее влияние инженерных коммуникаций и как следствие - снижение эффективной глубины зондирования. Дополнительным фактором понижения эффективной глубины зондирования явилось увеличение электропроводности и мощности верхней части разреза.
Использование графиков относительной скорости затухания ПП позволило более надежно дифференцировать разрез пределах эффективной глубины зондирования. В верхней части разреза интервалами пониженного сопротивления характеризуются отложения песчаноглинистого состава и щебнисто-
глинистые коры выветривания, что хорошо согласуется с данными инженерно-геологи-ческого бурения. Ниже, отдельный максимум, сменяющийся минимумом относительной скорости затухания (ПК №21), скорее всего, отвечает зоне дробле-
ния и интенсивной трещиноватости, что также не противоречит геологической документации по скважине с-1. Геологогеофизические данные позволили создать прогнозный «План изомощности кор выветривания», на котором просматриваются зоны кор повышенной мощности линейного типа. На юго-востоке участка -субширотного простирания (скважина с-2) и в западной части участка, в площади рамки зондирования ПП ПК №24 - северо-восточного простирания (с-72686, с-79326) субширотная линейная зона дробления падает на юг и характеризуется повышенной электропроводностью. В западной части участка (западная половина рамок ЗМПП ПК №21 и ПК №26 и восточная площадь рамки ПК №25) выделяется зона несколько повышенной электропроводности северо-восточного простирания. Северная часть данной зоны изучена недостаточно. Зона крутопадающая, нарушает корреляцию электропроводных горизонтов и вероятнее всего характеризует блок сильнотрещиноватых, ослабленных пород. Мощность данного тектонического блока 30-50 м. Северовосточная часть участка представлена породами высокого сопротивления. Лишь на глубине 30-35 м (горизонт 215 м) высокоомный блок пород рассекается горизонтальной электропроводной зоной мощно-
стью 3-5 м, которая фиксируется на всей площади участка. Кроме того, в пределах всего участка на отметке 180 м также выделяется достаточно мощная (7-10 м) высокоэлектропроводная зона горизонтального простирания. Электропроводные интервалы данных зон увеличенной мощности вероятнее всего отражают узлы сопряжения тектонических нарушений, например, в интервале пикетов №25-№26.
Отстроенные планы относительной электропроводности горизонтов 215 и 200 м, которые дают представление о пространственной характеристике зон электропроводности с глубиной. Область повышенной электропроводности смещается в юго-восточном направлении, при этом, не меняя своего простирания, установленного на плане горизонта 230 м. На горизонте, расположенном глубже него на 15 метров, горные породы характеризуются более однородным строением, что свидетельствует о том, что электропроводная зона горизонтального простирания, выделенная на геоэлектрических разрезах является маломощной. Построить план относительной электропроводности на большей глубине (например на горизонте 185 м) при имеющихся ЗМПП в количестве 6 петель не представляется возможным.
-------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Электроразведка: Справочник геофизика. В двух книгах/ Под ред. В.К.Хмелевского и В.М.Бондаренко. Книга первая.-2-е изд. - М.: Недра, 1989. шгЛ
— Коротко об авторах ---------------------------------------------------------------
Мухаметшин А.М. - доктор геолого-минералогических наук, профессор кафедры геоинформатики УГГУ, научный руководитель ООО «ЛЫиК - Инновационные технологии», anisimov_v (dog) гбб.ги
Петряев В.Е.- Уральский государственный горный университет, office@ursmu.ru