CC BY
144
УДК 550.837
Ю.А. Манштейн, Е.В. Балков, А.К. Манштейн ИНГГ СО РАН, Новосибирск
ИССЛЕДОВАНИЕ ПОДПОВЕРХНОСТНОГО ПРОСТРАНСТВА МЕТОДОМ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИНДУКЦИОННОГО ЧАСТОТНОГО ЗОНДИРОВАНИЯ: МЕТОДИКА И ОБОРУДОВАНИЕ
Необходимость изучения первых метров подповерхностного пространства в настоящее время связана с возрастающими потребностями в решения задач дистанционного неразрушающего исследования при выполнении следующих мероприятий:
- Поиск, трассировка и диагностика подземных коммуникаций;
- Поиск и детальное изучение археологических памятников;
- Оценка влагонасыщенности грунта, построение карт;
- Выявление областей повышенной минерализации грунтовых вод;
- Контроль периметров охраняемых объектов;
- Выполнение антитеррористических мероприятий.
Настоящее сообщение посвящено описанию опыта решения некоторых из перечисленных задач, накопленному в Институте нефтегазовой геологии и геофизики.
Основным методом решения является малоглубинное электромагнитное индукционное частотное зондирование аппаратурно-программным комплексом ЭМС. На протяжении десяти лет разработки аппаратной, программной и методической части был достигнут и превзойден мировой уровень в применении частотного зондирования на глубины до 10 метров.
Аппаратурно-программный комплекс ЭМС, методика применения и обработка данных
Комплекс ЭМС разработан в лаборатории электромагнитных полей Института геофизики СО РАН (г. Новосибирск) и предназначен для круглогодичных исследований приповерхностной части пространства, для решения задач археологии, коммунального хозяйства, строительства, почвоведения и охраны окружающей среды.
Аппаратура ЭМС реализует метод электромагнитного индукционного частотного зондирования и представляет собой трехкатушечный зонд (рис. 1а). Генераторный контур излучает электромагнитное поле на 14 частотах в диапазоне 2.5-250 кГц. Моменты (М/ и М2) и положения центров (Ь1 и Ь2) приемных катушек, включенных навстречу, подобраны в соответствии с условием М11 Ь\ =М2 /132, обеспечивая в воздухе возможно более полную компенсацию первичного поля. Измеряются квадратурная и синфазная составляющие разностной э.д.с., индуцированной вихревыми токами текущими в среде.
Аппаратура ЭМС является автономным устройством с внутренним аккумулятором и постоянным запоминающим устройством. Корпус изготовлен из стеклопластика. Общая длина зонда в рабочем состоянии 2.75 м, в транспортном положении - 1.4 м. Масса не превышает 8 кг. На генераторной части корпуса расположены клавиатура и жидкокристаллический монитор (рис. 1). При полевых работах зонд управляется дистанционным пультом. Результаты измерений сохраняются в памяти, рассчитанной на данные с 10000 пикетов. Затем они передаются через стандартный порт в персональный компьютер для обработки. Аппаратура работает без гальванического контакта со средой и устойчива к воздействию внешних электромагнитных помех. Среднее время одного зондирования составляет 3 с.
і——— -I
Reciever 1 Reciever 2
<Р <Р
-------r2 = 2.5 m
Transmitter
<41:
r1 = 1.5 m
Рис. 1
Re(e) = f /л0а 4
(1)
Квадратурная компонента э.д.с. в низкочастотном приближении прямо пропорциональна удельной электропроводности а однородного полупространства (1).
тМ„ (м, М2 Л
Ч. ^1 4 у
где ґ- частота (Гц), //0=4Л--10“7 (Гн/м) - магнитная проницаемость вакуума, м & - момент генератора.
В аппаратуре используется широкий диапазон частот, что не всегда позволяет использовать выражение (1) для трансформации в кажущуюся электропроводность. Целесообразно применять точную формулу связи э.д.с. и кажущегося сопротивления. Выражение (2) описывает разностную э.д.с. (є ) для зонда, расположенного на поверхности однородного проводящего полупространства [1].
М
е = (2)
число среды. В (2) предполагается, что токи смещения существенно меньше вихревых.
Зависимость электропроводности от э.д.с. в (2) нелинейная и неоднозначная. Чтобы найти электропроводность на каждой частоте следует решать систему из двух трансцендентных уравнений для реальной и мнимой частей э.д.с. [2]. Так как сигнал измеряется с погрешностями, то и кажущиеся сопротивления также определяются с ошибкой и поэтому составляют диапазоны. Таким образом, для того чтобы однозначно определить кажущееся сопротивление нужно пересечь полученные для каждой из компонент сигнала диапазоны и взять среднее значение из пересечения. Можно выполнять трансформацию сигнала в кажущееся сопротивление по модулю. С одной стороны использование модуля означает увеличение погрешности измерений за счет недокомпенсации прямого поля в воздухе. С другой стороны это исключает возможные погрешности, связанные с неточностью определения фазы сигнала, облегчая калибровку устройства.
После нахождения значений кажущейся электропроводности по модели полупространства составляется стартовая горизонтально-слоистая модель. Сопротивления слоев задаются по кажущимся сопротивлениям, а мощности определяются в соответствии с толщиной скин-слоя и с учетом априорной информации. Такой подход хорошо работает только для сред с плавно изменяющимися параметрами. В общем, его целесообразно использовать в экспресс обработке. А ее результаты являются стартовой моделью для дальнейшей инверсии. Наиболее точно удается только восстановить распределение изменений по глубине. Для привязки к реальным глубинам необходимо использовать дополнительные данные о строении среды (шурф, бурение и т.п.).
Результаты инверсии данных зондирования в большинстве случаев представляются в виде карт распределения электропроводности на различных глубинах, соответствующих различным частотам, либо в виде геоэлектрических разрезов. Если в среде есть объекты конечных размеров, возможна их объемная визуализация с помощью изоповерхностей.
Для автоматизации работы с результатами зондирования, их интерпретации и визуализации создан программный комплекс ISystem. Он представляет собой оконное приложение диалоговой структуры и выполняет считывание данных с прибора, их просмотр, редактирование и печать, нормировку, трансформацию и визуализацию. Визуализация данных в виде карт и разрезов производится в одном из распространенных графических редакторов. Комплекс использует программную технологию ActiveX и редактор как сервер, автоматизируя его работу. В программный комплекс включены возможности автоматического построения разрезов с учетом рельефа дневной поверхности и возможность квази-трехмерной визуализации материала.
С целью повышения эффективности полевых работ в последних образцах ЭМС применен карманный компьютер и беспроводной канал связи стандарта BlueTooth для получения информации в режиме реального времени. Всё управление аппаратурой осуществляется со специального
интерфейса, позволяющего задавать размеры исследуемой площадки, формировать набор активных частот, запускать аппаратуру нажатием на клавишу карманного компьютера. С него возможно задавать режим автоматического запуска измерения с определенным шагом по времени и выдавать измеренные данные в реальном времени в виде кривых зондирования, диаграммы сигнала выбранной частоты, а также геоэлектрические разрезы и карты. Имеется визуализация текущей позиции прибора на сетке измерений. При работе по BlueTooth вся информация записывается в карманный компьютер, откуда затем легко переносится в носимый или стационарный компьютер для обработки в программе ISystem.
В следующих модификациях приборов планируется подключение GPS модуля. Производство приборов осуществляется с участием Опытного завода СО РАН.
Примеры применения комплекта ЭМС
Зондирование по профилю, пересекающему систему коммуникаций
На рисунке 2 представлен разрез, построенный по профилю длиной 30 м, пересекающему систему коммуникаций (территория автостоянки «Гусинское шоссе»). Определены места залегания водовода, трасс кабелей, канализации.
Рис. 2.
Исследование трубопровода
На рис. 3а показано отображение трубы при различных глубинах зондирования. На самой большой глубине видна несанкционированная врезка в трубопровод. На рис. 3б показан геоэлектрический разрез через данный трубопровод.
Рис. 3 (а, б)
© Ю.А. Манштейн, Е.В. Балков, А.К. Манштейн, 2006
