Георадиолокация массива горных пород россыпных месторождений криолитозоны, перекрытого электропроводящим слоем Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

-------------------------------------------- © Л.Л. Федорова, К.О. Соколов,

2011

УДК 622.1

Л.Л. Федорова, К. О. Соколов

ГЕОРАДИОЛОКАЦИЯ МА ССИВА ГОРНЫХ ПОРОД РОССЫПНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ КРИОЛИТОЗОНЫ, ПЕРЕКРЫТОГО ЭЛЕКТРОПРОВОДЯЩИМ СЛОЕМ

Описана методика обработки данных георадиолокации на основе вейвлет-анализа, применение которой позволяет успешно проводить георадиолокационные исследования строения массива горных пород россыпных месторождений криолитозоны, при оттаявшем сезонно-талом слое.

Ключевые слова: георадиолокация, россыпное месторождение, вейвлет-анализ, крио-литозона.

Оперативное получение точных и надежных геофизических данных о геологическом строении и криогенном состоянии горного массива месторождений криолитозоны позволяет более детально изучить пространственную неоднородность физических свойств и структуры массива горных пород, оптимальным образом проводить добычные работы, снизить их себестоимость и повысить безопасность ведения горных работ.

Как показала практика разведки россыпных месторождений криолитозоны, наиболее оперативным и результативным геофизическим методом является метод георадиолокации, позволяющий исследовать строение мерзлого горного массива до глубины 30 метров[1]. Массив горных пород россыпных месторождений криолитозоны характеризуется слоистой структурой и может включать тонкие слои (мощностью % - У длины волны (X) центральной частоты спектра излучаемого георадаром) различной электропроводности, которые оказывают существенное влияние на частотные характеристики георадиолокационных сигналов, а также на распространение

излученных и отраженных от геологических границ электромагнитных волн, что не позволяет эффективно применять методы обработки, основанные на преобразовании Фурье, и требует разработки новых подходов к обработке геора-диолокационных данных.

Для изучения особенностей влияния структуры исследуемого массива на георадиолокационный сигнал проведено численное моделирование распространения электромагнитной волны (в спектре частот 50..300 МГц) в мерзлом горном массиве с тонким проводящим слоем. Распространение электромагнитной волны в среде, как известно[2], описывается уравнением:

е' дЁ дЁ

дг

ас

(1)

где

£-■

напряженность электрического

поля (В/м); е — действительная часть комплексной относительной диэлектрической проницаемости (безразмерная); с-скорость распространения электромагнитной волны в свободном пространстве (м/с); Цо - магнитная проницаемость свободного пространства (Г/м); а- проводимость (См/м).

5 10 и не

Рис. 1. Сигналы, полученные в результате численного моделирования георадиолокации мерзлых горных пород с электропроводящим слоем (а=0.086 См/м) толщиной h=0.4-0.2 м

Проведена серия расчетов решения этого уравнения с параметрами, соответствующими постепенно оттаивающему в весенне-летний период сезонноталому слою криолитозоны [3]. Для электропроводящего слоя - диэлектрическая проницаемость 8-4-50, электропроводимость о=10-4-0.12 См/м; для вмещающей породы 8-6, о=10-4. Для расчетов использовалась разработанная прикладная программа на языке программирования Эе1рЫ, позволяющая проводить моделирование распространения электромагнитной волны в многослойной среде.

На рис. 1 представлен типичный пример георадиолокационного сигнала, полученного в результате численного моделирования георадиолокации мерзлых горных пород с электропроводящим слоем (о=0.086 См/м) толщиной от 0.4 м до 0.2 м.

Из результатов численных расчетов следует, что для успешного определения границ тонкого проводящего слоя в массиве мерзлых пород метод цифровой

обработки сигналов должен предоставлять возможность обнаружения локальных особенностей сигналов.

При георадиолокационном зондировании тонкослоистых сред происходит наложение отраженных сигналов. Если исследуемые среды представлены диэлектриками, то достичь разрешения сигналов возможно стандартными средствами обработки и подбором соответствующего георадара с более высокочастотным спектром. При распространении в электропроводящем слое, гео-радиолокационный сигнал затухает и испытывает дисперсию, т.е. искажение своей формы, что маскирует сигналы, отраженные от последующих границ. Для их выделения по локальным особенностям сигнала перспективны методы частотно-временного анализа. Нами рассмотрен один из этих методов - непрерывное вейвлет-преоб-разование (НВП) и его возможности для анализа георадиолокационных сигналов [4]. На рис. 2 представлены результаты вейвлет-преобразования участков наложения импульсов георадиолокационных сигналов, полученных при численном моделировании процесса распространения электромагнитной волны в мерзлом массиве с проводящим слоем.

Несмотря на кажущуюся идентичность и неискаженность сигналов, представленных на рис. 2, а и 2, в, полученных при оа=0.012 См/м и ов=0.12 См/м, по их вейвлет-спектрам (рис. 2, б, г) возможно определить наличие наложения сигналов. Для выявления особенностей спектральных характеристик сигналов, получаемых при зондировании массива, перекрытого электропроводящим слоем, проведено физическое моделирование распространения электромагнитной волны в слоистой среде с верхним электропроводящим слоем.

f

10-

15- it, НС

а)

с

10-

15- > г t; не

в)

нвп

нвп

г)

t, НС

б)

f МГц

t, НС

Рис. 2. Примеры определения наложения сигналов от границ тонкого слоя с помощью непрерывного вейвлет-преобразования: а) георадиоло-кационный сигнал, полученный при моделировании с о=0.012 См/м; б) вейвлет-спектр области выделенной прямоугольником на рисунке (а);в) георадиолокационный сигнал, полученный при моделировании с о=0.12 См/м; г) вейвлет-спектр области выделенной прямоугольником на рисунке (в)

В эксперименте использовался георадар с антенным блоком спектра частот 125-650 МГц, разрешающей способностью в свободном пространстве 0.15 м. В качестве модели использовалась трехслойная среда: 1 слой - почва, влажность и толщина которой изменялись во время эксперимента ^1 = 0.15-0.03 м); 2 слой -мерзлый песок (толщиной 0.3 м); 3 слой - бетонная плита толщиной 0.2 м. Зондирования проводились с поверхности 1-го слоя при различной его влажности, которая менялась от 5 до 50 % через 510 единиц.

По результатам физического моделирования установлено, что при георадио-локационных зондированиях мерзлого массива, перекрытого маломощным проводящим слоем, происходит эффект маскировки сигналов, отраженных от его нижней границы. Если мерзлый горный массив перекрыт электропроводя-

щим слоем, то происходит рассеивание излучения и принимаемый георадиоло-кационный сигнал становится менее качественным и сложнее поддается интерпретации. Принимаемые георадиолока-ционные сигналы относятся к нестационарным, т.е. на разных участках сигнала импульсы, соответствующие границам слоев мерзлого горного массива, имеют различные амплитуды частотных составляющих вследствие их неравномерного поглощения в горных породах. Это позволяет использовать методы частот-но-времен-ного анализа для выявления слоистой структуры мерзлого горного массива посредством отслеживания динамики частоты вдоль всего георадио-локационного сигнала. На рис. 3 представлен пример определения слоистой структуры массива по частотновременным характеристикам (рис. 3,г) георадиолокационного сигнала (рис. 3,

ПОЧВА, \У=40%

ПЕСОК «= >

БЕТОН С < <

а)

ґ, не б)

/МГц

¿М1\

К55

НС

Сигнал

прямого

прохождения

Граница

почва-песок

Помехи (кратные переотражения в слое песка)

в)

г)

Рис. 3. Пример определения слоистой структуры массива по частотно-временным характеристикам георадиолокационного сигнала: а) физическая модель; б) георадиолокационный сигнал; в) Фурье спектр (а); г) вейвлет-спектр (а)

б) в сопоставлении со слоями физической модели (рис. 3, а), тогда, как на Фурье спектре (рис. 3, в) особенности слоистой структуры не прослеживаются и фильтрация не достигает положительного результата.

Разработанная нами методика обработки данных георадиолокации, основанная на частотно-временном анализе вейвлет-преобразования сигналов, предполагает следующие этапы: 1) предварительная обработка данных, с целью увеличения значения соотношения сигнал/помеха; 2) выбор вейвлета и диапазона его масштабов; 3) определение параметров вейвлет-обработки данных на основе совместного анализа трехмерного вейвлет-спектра и данных эксплуатационной разведки и опробования месторождения; 4) вейвлет-преобразо-вание данных с выбранными параметрами.

Выбор типа вейвлета. Многообразие известных вейвлетов позволяет выбрать наиболее подходящий для анализа георадиолокационных данных с целью максимального увеличения эффективности их обработки с точки зрения выявления границ слоистой структуры горного массива. При этом, основным критерием выбора вейвлета должно быть максимальное приближение его

формы к определенному классу функций, описывающих сигнал, т.е. необходимо, чтобы форма вейвлета отражала поведение сигнала или его составляющих.

Для обработки данных георадиолокации мерзлых пород нами выбран вейвлет «MexюanHat» (рис. 4, а), т.к. он по форме идентичен георадиолокацион-ному зондирующему импульсу, излученному в высокоомные мерзлые горные породы.

Георадиолокационные данные, полученные в летнее время, особенно на обводненных участках, сильно отличающихся по электрофизическим свойствам от мерзлых пород, имеют другой частотный состав. Как показало физическое моделирование, при прохождении электромагнитной волны через тонкий проводящий слой происходит затухание частот, особенно высоких, и искажение формы сигнала в виде увеличения числа гармоник в анализируемом сигнале. Соответственно и базисная функция должна иметь большее количество колебаний. Этим требованиям отвечает вейвлет «Morlet» (рис. 4, б).

Выбор диапазона масштабов вейвлета. Для получения информативного результата вейвлет-преобра-зования в

А

1 1 г 1 г 1 / 1 J а=0.5 1Ч— а=2 1 1 1 1 ■ I N I \

J ■ VY/4 V \У

А

t t

а) б)

Рис. 4. Вейвлеты для обработки данных георадиолокации: а) вейвлет «Mexican Hat» для анализа данных георадиолокации мерзлых горных пород (масштабы 0.5 и 2); б) вейвлет «Morlet» для анализа данных георадиолокации мерзлых горных пород с электропроводящим слоем (масштабы 0.5 и 2)

виде вейвлет-спектра необходимо выбрать начальный и конечный масштабы, а также шаг, с которым будет происходить приращение масштаба. Данные параметры индивидуальны для каждого вейвлета и варьируются в зависимости от георадара, которым производилась съемка, условий конкретного участка и решаемой задачи. Для отслеживания динамики частот в георадиолокацион-ном сигнале диапазон масштабов выбираются таким образом, чтобы он соответствовал спектру частот, излучаемому георадаром. Для повышения разрешающей способности георадиолокационных данных диапазон масштабов должен соответствовать полосе высоких частот георадара.

Определение параметров вейвлет-обработки данных. Для выбора оптимального масштаба а производится вейвлет-преобразова-ние одного сигнала (рис. 5, а), наиболее характерного для георадиолокационного профиля (или его участка) с диапазоном масштабов, соответствующих всему спектру частот исследуемого сигнала.

Результат такого вейвлет-преобразования наиболее информативен в трехмерном виде (рис. 5, г), на котором местоположение по времени t мак-

симальных значений энергии частот f указывает на глубину Н границ раздела слоев. При георадиолокационном исследовании сред с частотной дисперсией максимумы областей трехмерного энергетического вейвлет-спектра будут иметь разные частоты. Для сопоставления максимумов спектра и границ раздела сред необходимо сравнить их положение по глубине с данными бурения (рис. 5, б).

Для выделения на георадиолокаци-онном профиле одной границы плоскость оптимизации (рис. 5, в) выбирается по частоте максимума, соответствующего этой границе. Вейвлет-обработка профиля проводится с масштабом, установленным плоскостью оптимизации, что позволит оптимально выделить одну границу. Для выделения двух границ вейвлет-обработка проводится по частоте ^ плоскости оптимизации, расположенной на одинаковом удалении от максимумов энергетического вейвлет-спектра, характеризующих сигналы, отраженные этими границами (рис. 5, д, е).

Вейвлет-преобразование данных с выбранными параметрами проводится с помощью разработанного программного обеспечения в системе компьютерной математики МаЙаЬ, позволяющего:

Рис. 5. Иллюстрация проведения обработки георадиолокационных сигналов по разработанной методике: а) георадиолокационный сигнал; б) данные бурения; в) плоскость оптимизации параметра фильтрации по частоте ^ сигналов 2 и 3 на временном интервале ^43; г) трехмерный вейвлет-спектр георадиолокационного сигнала (результат вейвлет-преобразования); д) горизонтальная проекция (г); е) сигнал (а) после вейвлет-обработки

а) исходный георадиолокационный разрез

Рис. 6. Результат применения вейвлет-обработки данных георадиоло-кационного зондирования россыпного месторождении алмазов «Маят» ОАО «Алмазы Анабара»

проводить вейвлет-обработку, как отдельных сигналов, так и георадиолокационных профилей; выбирать спектр частот обрабатываемых георадиолокационных сигналов и соответствующие им параметры НВП; отображать трехмерный вейвлет-спектр выбранного сигнала; удалять шумы из георадиолокационных данных на основе дискретного вейвлет-преобразования.

Апробация методики проведена по георадиолокационным данным, полученным на участке россыпного месторождения «Маят» ОАО «Алмазы Анабара» (11 профилей общей протяженностью 5,58 км). В качестве примера, на рис. 6, а представлен фрагмент верхней части георадиолокационного профиля, полученного в летний период при зондированиях георадаром с антенным бло-

ком спектра частот 10-60 МГц. С помощью вейвлет-обработки удалось выделить слой песков, причем после повышения разрешающей способности мы смогли обнаружить выклинивание. Сравнительный анализ полученных данных с данными эксплуатационной разведки показали высокую степень сходимости.

Практическое применение разработанной методики позволяет проводить

1. Омельяненко А.В. Георадиолокаци-онные исследования многолетнемерзлых пород / А.В. Омельяненко, Л.Л. Федорова.- Якутск: Изд-во ЯНЦ СО РАН, 2006.- 136 с.

2. Копейкин, В.В. Распространение электромагнитных импульсов в подземной среде http://www.geo-radar.ru/articles/ article5.php

3. Мачерет Ю.Я. Радиозондирование

картирование границ тонкослоистых геологических сред, различной электропроводимости, что повышает достоверность интерпретации георадиолокаци-онных данных, и открывает возможность определения структуры россыпных месторождений криолитозоны перекрытых электропроводящим слоем.

--------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ледников / Ю.Я. Мачерет.- М.: Научный мир, 2006. -392 с.

4. Соколов К.О. Выявление границ продуктивного слоя алмазоносной россыпи частотно-временным анализом данных георадиолокации мерзлого горного массива / К.О. Соколов, Л.Л. Федорова, А.В Омельяненко// Горный информ.-аналит. бюллетень.-2009. - №7. -С. 147-152. ЕШ

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

Федорова Л.Л. - доцент, кандидат технических наук, Учреждение Российской академии Институт горного дела Севера им. Н.В. Черского Сибирского отделения РАН, лаборатория георадиолокации, lar-fed-90@rambler.ru

Соколов К.О. - м.н.с., Учреждение Российской академии Институт горного дела Севера им. Н.В. Черского Сибирского отделения РАН, лаборатория георадиолокации,

_ksokolov@mail.ru