CC BY
23
- © К.О. Соколов, 2014
УДК 51:622.831:550.839
К.О. Соколов
ВЕЙВЛЕТ-КРИТЕРИЙ ДЛЯ АНАЛИЗА ДАННЫХ ГЕОРАДИОЛОКАЦИИ МЕРЗЛОГО ГОРНОГО МАССИВА
Предложен способ применения георадиолокации для изучения зон повышенной электропроводности в мерзлом горном массиве. Разработан критерий оценки георадиолокационных радарограмм на основе результатов расчета непрерывного вейв-лет преобразования георадиолокационных трасс. Соотношение высоких и низких частот в данных георадиолокации зависит от электрофизических свойств изучаемой геологической среды и ее строения. Наличие пород повышенной электропроводности на участке проведения георадиолокационных работ увеличивает это соотношение. Этот показатель можно использовать для локализации зон неоднородностей мерзлого горного массива повышенной электропроводимости. Критерий позволяет проводить автоматизированную обработку площадных георадиолокационных данных с целью выявления зон слоистых и нарушенных пород, участков с высоким содержанием глинистых частиц, таликов, криопэгов и т.д. Предлагаемый метод анализа может быть эффективно использован при георадиолокационном картировании разрывных нарушений на россыпных месторождениях криолитозоны. Ключевые слова: георадиолокация, вейвлет преобразование, электропроводность, слоистая структура, нарушенные породы, мерзлый горный массив, россыпные месторождения.
Листанционное изучение свойств горных пород является одной из основных задач геофизики. Большое разнообразие существующих геофизических методов обусловлено их ограниченными возможностями по получению полной информации (свойства, местоположение и геометрия) об объекте исследования [1]. Большой интерес вызывает задача получения информации о свойствах и строении мерзлого горного массива одним геофизическим методом. Эту информацию можно получить, используя волновые методы геофизики (георадиолокация и сейсморазведка), позволяющие изучать строение многолетнемерзлых пород по отраженным от их границ волнам, частотно-временные характеристики которых зависят и от некоторых свойств горных пород (влажность, плотность и др.).
В зоне распространения много-летнемерзлых горных пород существует много локальных зон повышен-
ной электропроводимости (талики, криопэги и пр.), которая зависит от минерального состава, влажности, физико-механических и др. свойств горных пород [3]. В настоящее время разработано несколько способов определения свойств горных пород методом георадиолокации [4-7], но они имеют ограничения по глубине, площади и строению исследуемого участка массива горных пород, из-за которых не применяются в повсеместной обработке георадиолокационных данных.
При прохождении георадиолокационного сверхширокополосного зондирующего импульса в геологической среде ее амплитуда и частотный состав зависят от электропроводимости, чем она больше, тем меньше значения амплитуд сигналов и тем больше их спектр смещается в область низких частот. Для эффективного отслеживания частотного состава георадиолокационных трасс по профи-
лю предлагается использовать результаты вейвлет-преобразования данных георадиолокационных съемок.
Для выделения зон повышенной электропроводимости на георадиолокационном разрезе необходимо выработать критерий, позволяющий определять смещение спектра сигналов в область низких частот. Если мощность перекрывающих пород, точно неизвестна, то неизвестен также и временной интервал трассы, который необходимо анализировать. В этих условиях для оценки частотно-временных характеристик георадиолокационных трасс предлагается использовать непрерывное вейвлет-преобразование (НВП), которое успешно применялось для анализа данных георадиолокации россыпных месторождений криоли-тозоны [8] и, при использовании комплексных вейвлетов, имеет высокую разрешающую способность по частоте.
Рассмотрим трассы георадиолокационного профиля, полученного
при пересечении неоднородности с повышенной электропроводимостью (рис. 1). Исследования проводились георадаром ОКО-2М с АБДЛ «Тритон» (центральная частота 30 МГц), с разверткой 400 нс (при диэлектрической проницаемости е = 9 (мерзлые породы), глубина зондирования составляет 20 м). Трасса на рис. 1, а содержит типичные 1,5-2 периодные сигналы вплоть до максимальной глубины исследования. В Фурье-спектрах верхней и нижней частей трассы преобладают частоты около 40 МГц, что говорит о невысоком поглощении электромагнитной энергии в горных породах. В нижней части георадиолокационной трассы, полученной внутри неоднородности (рис. 1, б), сигналы не имеют четкой структуры, характерной для отраженных сигналов, обладают низкими амплитудами и основные частоты находятся в интервале 20-40 МГц. Верхняя часть трассы схожа по амплитудно-частот-
Рис. 1. Георадиолокационные трассы и результаты оконного преобразования Фурье: а) породы с ненарушенной слоистой структурой, б) породы с высокой электропроводимостью
Рис. 2. Вейвлет-спектры фрагментов георадиолокационных трасс (200-400 нс), представленных на рис. 1
ным параметрам и конфигурации с трассой рис. 1, а, т.к. они получены при зондировании одних и тех же перекрывающих пород.
Таким образом, для выявления зон повышенной электропроводности по данным георадиолокации необходимо определить на каком интервале профиля трассы имеют выраженную низкочастотную составляющую с учетом ее положения по глубине и простиранию.
На рис. 2 показаны трехмерные вейвлет-спектры нижних частей георадиолокационных трасс представленных на рис. 1. Как видно из рис. 2, б, сигналы полученные при зондировании неоднородности имеют частоты от 25 до 45 МГц, в отличие от рис. 2, а, где подобный разброс частот не наблюдается. Можно условно разделить вейвлет-спектр на две части, высокочастотную от 30 до 50 МГц, куда
попадают сигналы, имеющие строение типичное для слоистых сред и на низкочастотную от 10 до 30 МГц, характерную для зоны повышенной электропроводности. Так как, вследствие разнообразного наложения сигналов, помех и шумов во всех трассах могут присутствовать частоты из обоих указанных интервалов, то будем оценивать каждую трассу отношением энергии всего спектра к энергии низкочастотной части спектра. Таким образом, чем больше это соотношение, тем больше в трассе сигналов, характерных для слоистой структуры. Его уменьшение показывает преобладание в спектре низких частот, указывающих на повышение проводимости изучаемых пород и увеличение поглощения электромагнитной энергии в них.
На рис. 3, а представлен фрагмент георадиолокационного разреза, во временном интервале 200-400 нс (глу-
а) 0 200 4(1(1 (¡00 «00 1000 1200 1400 1.,м
Рис. 3. Фрагмент георадиолокационного разреза (а) и его оценка на основе НВП (б) 264
бина 10-20 м при е = 9), на котором присутствуют сигналы, отраженные от слоистых структур (0-300 м по профилю) и область нарушенных пород с высоким содержанием глины (3001600 м). Расчет соотношения (К) энергий высоких и низких частот (рис. 3, б) показал, что в области ненарушенных пород значения оценки находятся в интервале 35-40 отн.ед., в остальной части разреза значения составляют 28±4 отн.ед., что позволяет уверенно определять зоны со слоистой структурой. Расчет производился в Ма^аЬ Н2010а, с использованием вейвлета 'даиэ2' [8] и сглаживания результатов по алгоритму скользящего среднего для устранения мелких осцилляций. Возможности вейвлет-преобразования, позволяет нам обходиться без такой ручной корректировки георадиолокационных разрезов, как срез верхней части, как было сделано в предыдущем примере. Программное обеспечение, обрабатывая очередной разрез, из набора полученных при площадной съемке данных, в автоматическом режиме может определить глубину среза. Для этого необходимо указать область на георадиолокационном разрезе, где по априорным данным находится раз-
лом, рассчитать вейвлет-спектр трассы из этой области, который должен быть проанализирован по своему частотному составу. По результатам анализа выбирается временной интервал георадиолокационной трассы, где имеется устойчивое смещение спектра в низкочастотную область, в котором и будет рассчитываться предлагаемая оценка соотношения энергий.
Проведенные исследования показали перспективность применения предлагаемого критерия для изучения данных георадиолокации с целью выявления зон повышенной электропроводимости. Анализ результатов вейвлет-преобразования георадиолокационных данных позволяет оценить строение геологического разреза и электрофизические свойства слагающих его пород, на основе соотношения низких и высоких частот. Эта информация позволяет создать алгоритм автоматического картирования участков пород, в которых отсутствует слоистая структура, и имеются повышенные значения затухания электромагнитной энергии. Предлагаемый способ анализа не требует применения процедур предварительной обработки георадиолокационных данных.
1. Хмелевской В.К., Горбачев Ю.И., Калинин А.В., Попов М.Г., Селиверстов Н.И., Шевнин В. А. Геофизические методы исследований: учебное пособие для геологических специальностей вузов. - Петропавловск-Камчатский: изд-во КГПУ, 2004. - 232 с.
2. Изюмов С.В., Дручинин С.В., Вознесенский А.С. Теория и методы георадиолокации: учебн. пособие. - М.: Горная книга, МГГУ, 2008.
3. Манштейн А.К. Малоглубинная геофизика: пособие по спецкурсу. - Новосибирск: НГУ, 2002.
4. Нерадовский Л. Г. Методическое руководство по изучению многолетнемерзлых пород методом динамической георадиолокации. Избранные труды Российской школы по
_ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
проблемам науки и технологий. - М.: Изд-во РАН, 2009.
5. Куляндин Г.А., Федорова Л.Л., Оме-льяненко А.В., Оленченко В.В. Определение электрофизических свойств пород горного массива методом георадиолокационного каротажа // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2011. - № 8. -C. 300-304.
6. Хакиев З.Б. Определение свойств грунта георадиолокационным методом / Радиолокация и радиосвязь: доклад III Всероссийской конференции, т. 1. - М., 2009. -C.177-181.
7. Денисов Р.Р., Капустин В.В. Обработка георадарных данных в автоматическом режиме // Геофизика. - 2010. - № 4. - C. 76-80.
8. Соколов К.О., Федорова Л.Л. Технология обработки данных георадиолокации россыпных месторождений криолитозоны на основе вейвлет-анализа / Фундаменталь-
ные и прикладные проблемы науки: труды I Международного симпозиума, т. 2 / Под ред. Шестакова А.Л. и др. - М.: Изд-во РАН, 2010. - С. 74-82. ЕШ
КОРОТКО ОБ АВТОРЕ_
Соколов Кирилл Олегович - кандидат технических наук, научный сотрудник, e-mail: _ksokolov@mail.ru,
Институт горного дела Севера им. Н.В. Черского Сибирского отделения РАН.
UDC 51:622.831:550.839
WAVELET CRITERION FOR DATA ANALYSIS OF GPR FROZEN ROCK
Sokolov K.O., Candidate of Technical Sciences, Researcher, e-mail: _ksokolov@mail.ru, N.V. Chersky Institute of Mining of the North, Siberian Branch of Russian Academy of Sciences.
We propose a method of using GPR to study the zones of high electrical conductivity in the frozen mountain range. Criteria for evaluation GPR radar gram on the basis of the calculation of the continuous wavelet transform GPR traces was developed. The ratio of high and low frequencies in the GPR data depends on the electrical properties of the geological environment and the study of its structure. The presence of high electric conductivity of rocks at the site of the GPR work increases this ratio. This indicator can be used to localize areas of inhomogeneities frozen massif increased conductivity.
Criterion allows for automated processing of area GPR data in order to identify areas of layered and broken rocks, soils with a high content of clay particles, taliks, cryopeg etc. The proposed method of analysis can be effectively used in GPR mapping faults on the alluvial deposits Cryolithozone.
Key words: GPR, wavelet transformation, the electrical conductivity, the layer structure, broken rocks, frozen mountain range, placer deposits.
REFERENCES
1. Khmelevskoi V.K., Gorbachev Yu.l., Kalinin A.V., Popov M.G., Seliverstov N.I., Shevnin V.A. Geofi-zicheskie metody issledovanii: uchebnoe posobie dlya geologicheskikh spetsial'nostei vuzov (Geophysic methods), Petropavlovsk-Kamchatskii: izd-vo KGPU, 2004, 232 p.
2. Izyumov S.V., Druchinin S.V., Voznesenskii A.S. Teoriya i metody georadiolokatsii: uchebn. posobie (Theory and methods of GPR: Educational aid), Moscow, Gornaya kniga, MGGU, 2008.
3. Manshtein A.K. Maloglubinnaya geofizika: posobie po spetskursu (Shallow geophysics), Novosibirsk, NGU, 2002.
4. Neradovskii L.G. Metodicheskoe rukovodstvo po izucheniyu mnogoletnemerzlykh porod metodom dinamicheskoi georadiolokatsii. Izbrannye trudy Rossiiskoi shkoly po problemam nauki i tekhnologii (A Study Guide for Investigation of Permanently Frozen Ground by Dynamic GPR. Selected Works of the Russian School of Problems of Science and Engineering), Moscow, Izd-vo RAN, 2009.
5. Kulyandin G.A., Fedorova L.L., Omel'yanenko A.V., Olenchenko V.V. Gornyi informatsionno-analit-icheskii byulleten', 2011, no 8, pp. 300-304.
6. Khakiev Z.B. Radiolokatsiya i radiosvyaz': doklad III Vserossiiskoi konferentsii, t. 1 (Radiolocation and Radio Communication: Proceedings of the Ill Russian Conference, vol. 1), Moscow, 2009, pp. 177-181.
7. Denisov R.R., Kapustin V.V. Geofizika, 2010, no 4, pp. 76-80.
8. Sokolov K.O., Fedorova L.L. Fundamental'nye i prikladnye problemy nauki: trudy I Mezhdunarodnogo simpoziuma, t. 2 ( Fundamental and Applied Problems of Science. Proceedings of the I International Symposium, vol. 2), Moscow, Izd-vo RAN, 2010, pp. 74-82.
A
