CC BY
679
ВЕСТНИК ПЕРМСКОГО УНИВЕРСИТЕТА
2013 Геология Вып. 1(18)
ГЕОФИЗИКА, ГЕОФИЗИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ПОИСКОВ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ
УДК 550.838 (075.8)
Малоглубинная магниторазведка в условиях промышленных помех
Л.А. Гершанок
Пермский государственный национальный исследовательский университет. 614990, Пермь, ул. Букирева, 15. E-mail: geophysic@psu.ru
(Статья поступила в редакцию 20 декабря 2012 г.)
Рассмотрены проблемы малоглубинной магниторазведки в условиях промышленного мегаполиса, объединенные задачей выявления магнитных аномалий от источников, лежащих на небольшой глубине и создающих эффекты от нескольких до сотен нанотесл. Описана технология измерения магнитного поля и представлены результаты новых полевых градиентометрических исследований.
Ключевые слова: вертикальный градиент, горизонтальный градиент, магнитная индукция, магнитометр, градиентометр, магнитное поле.
Введение
В последнее время магнитометрические измерения используются широким кругом научных и производственных организаций при решении специализированных задач: трассирование трубопроводов, поиски затонувших судов, неразорвав-шихся авиабомб и подземных снарядов, изучение поведения оползней, обнаружение и изучение погребенных объектов культурного наследия. Все эти задачи объединяются общей проблемой, которая связана с изучением магнитных аномалий, обусловленных магнитными источниками, лежащими на небольшой глубине, не превышающей 10 м, и создающими аномалии разноамплитудного порядка - от нескольких до тысяч нанотесл. Такие исследования можно объединить в отдельную отрасль, называемую «малоглубинная магниторазведка», представляющую самостоятельное научно-практическое © Гершанок Л.А., 2013
направление разведочной магниторазведки, занимающейся изучением и выделением намагниченных источников приповерхностной части земной коры. При поисках магнитных источников, окруженных естественным магнитным полем, решение поставленных задач не представляет каких- либо затруднений. При исследованиях с магнитометром в переменном магнитном поле, где образуются промышленные помехи, возникают некоторые проблемы технологии малоглубинной магниторазведки. Рассмотрим их.
Г еотехнические задачи
С каждым годом приповерхностная природная геологическая среда интенсивно изменяется под действием различных промышленных сооружений и их отходов (трубопроводов, теплотрасс, скрытых выходов шахт и колодцев, сетей кабельных, подземных фундаментов, засыпанных
рвов, канав, траншей. Глубина их залегания составляет от 1 до 5 м.
Наиболее интенсивные магнитные аномалии создаются кабельной сетью под током от 100 до нескольких тысяч нТл. Знакопеременные аномалии вдоль линии кабеля имеют характерный вид «биений» при линейной форме [7]. Если кабельные сети обесточены, то амплитуда линейной аномалии достигает только 30 нТл. Аномалию дает не сам объект, а траншея, в которой находится кабель.
Изменение магнитного поля над подземными инженерными сооружениями отмечается аномалией от 100 до нескольких тысяч нТл. Аномалии имеют положительные и отрицательные части, форма аномалии в плане подчеркивает конфигурацию объекта.
Если подземные фундаменты кирпичные, то они могут представлять магнитные источники, которые создают аномалии величиной 50-500 нТл. Локальные аномалии имеют положительные и отрицательные части, при малой глубине для них характерен мозаичный вид, форма аномалии обусловлена формой объекта.
Объекты, к которым относятся трубопроводы, создают интенсивные аномалии от 100 до 1000 нТл, они хорошо проявляются в магнитных полях. Над местами сварки двух сегментов трубопровода амплитуда поля может увеличиваться или уменьшаться с изменением знака. Это зависит от приобретенной намагниченности во время производства труб, когда в результате действия температуры и величины окружающего магнитного поля, а также электромагнитного воздействия промышленных установок они приобретают устойчивые магнитные свойства. При сборке протяженного трубопровода, состоящего из набора отдельных труб, формируется комбинированная система разнополярных магнитных источников. Узлы соединения отдельных труб отметятся в магнитном поле специфическими локальными аномалиями различных знаков. Таким узлам соответствует наблюденное магнитное поле, несколько отличное от
спокойного поля, которое существует над средним участком трубы. Пространственный период аномалий вдоль трубопровода соответствует длине отдельных сегментов трубопровода, форма аномалий - линейная.
Следует заметить, что в местах сварки труб может происходить быстрый износ металла с появлением ржавчины, которая вызовет уменьшение магнитной восприимчивости. В магнитном поле эта химическая реакция может отметиться четкой отрицательной локальной аномалией.
Применение магниторазведки необходимо для изучения местоположения системы подземных коммуникаций. При решении этой задачи возникает множество вопросов по поводу выбора технологии магниторазведочных исследований. Если определяется местоположение одной трубы, то задача может быть решена однозначно, но если имеется несколько труб или их пересечений, то аномальные эффекты от нескольких труб накладываются друг на друга и решение обратной задачи усложняется [2].
Вопросами решения геотехнических задач в области нефтяной промышленности много занимался коллектив МГУ [2] с целью изучения отображения в геофизических полях трасс нефтепроводов и разработки методов их обнаружения. Их теоретические расчеты показали, что ширина ожидаемой аномалии от трубопровода может достигать 6 м. При этих условиях максимально допустимое расстояние между точками наблюдений на профиле должно составлять 2 м.
Рис. 1. Вид аномалии А Т над трубой
Сильномагнитные трубы могут создавать магнитные аномалии, достигающие
амплитуды до 1000 нТл, вид магнитной аномалии над трубопроводом демонстрируется на рис.1. На графиках АТ наблюденного магнитного поля по профилям над трубой ее ось отчетливо прослеживается по максимальным значениям АТ (рис.2) [2].
Г, нТл
56800 ■
56700
Рис. 2. Графики наблюденного магнитного поля над трубопроводом (по В.А. Шевнину [2])
Технология полевых работ в условиях спокойного магнитного поля не требует обязательного учета вариационных наблюдений, а в случае поисковых исследований в переменном магнитном поле с изменчивой амплитудой требует разработки специальной методики наблюдений, исключающей вариационные наводки.
Выбор методики магнитной съемки определяется характеристиками целевого объекта и поставленной геологической задачей. Сеть наблюдений зависит от ожидаемых размеров аномалий, которые выбираются исследователем исходя из предварительной информации об объекте: размеры источника, глубина залегания и магнитные свойства изучаемого объекта.
Положение и глубина залегания трубы могут определяться с помощью магнитометрии с использованием высокоточной аппаратуры.
Пример определения местоположения трубопровода можно посмотреть на рис. 3, где показан график вертикальной со-
Рис. 3. График 2 по профилю, пересекающему газопроводы «Ухта-Торжок-1» (по Е.И.Крапивскому [5])
ставляющей магнитного поля, пересекающей газопроводы «Ухта-Торжок-1», по данным Е.И. Крапивского и др.[5]. Стрелками показано расположение газопроводов. Измерения выполнены магнитометром М-27. Местоположение трубопроводов уверенно фиксируется по результатам измерений вертикальной составляющей аномального магнитного поля по пересекающим их профилям.
Исследованием характера магнитного поля вдоль трубопровода занимался д.т.н. И.Н. Модин, МГУ [7]. Им проведены исследования стационарного магнитного поля во времени по результатам 16 проходов по профилю. График аномального изменения по профилю представлен на рис. 4. Было установлено, что магнитное поле, характеризующее объект, может указать на конструкционные особенности трубопровода, состояние его изоляции и поверхности металла.
Нами выполнены исследования по полевому моделированию определения аномального магнитного эффекта от трубы конечных размеров, закопанной на небольшую глубину. Участок работ находился в зоне действия электромагнитных наводок от железнодорожной магистрали Пермь - Екатеринбург.
X. м
Рис. 4. График изменения стационарного магнитного поля по результатам 16 проходов по профилю (по И.Н. Модину [7])
Для повышения качества измерительного материала площадной съемки с шагом по профилю 1, 5 м применялись различные технологии наблюдений: однократная методика по профилю с одновременной регистрацией вариаций; методика Лаутербаха; наша синхронная методика [1] с двумя приборами; технология с повторениями в обратном ходе. Результаты измерений в виде карты ДТ представлены на рис. 5. Объёмный вид магнитной аномалии, полученный в результате наблюдений с ММП-203Д по методике с повторениями и с учётом вариаций, измеренных прибором на высоте 1 м, показан на рис.
6.
Рис. 5. Модельное магнитное поле А Т
над трубой____________________________
Анализ картины магнитного поля показывает, что концы трубы четко подчеркиваются локальными магнитными аномалиями, определяя этим вышесказанное о том, что каждая труба в процессе производства становится магнитом, обладающим двумя полюсами. Следовательно, чередование знакопеременных локальных магнитных аномалий может служить поисковым признаком местоположения металлической трубы.
500 400 300 200 100 0 -100 -200 -300 -400 -500 -600 -700
-900 -1000
Рис. 6. Объёмный вид магнитной аномалии над трубой
Аналогичную картину описанной ситуации магнитного поля над трубопроводами можно наблюдать над железнодорожным полотном, которое тоже отмечается распределением локальных магнитных аномалий в виде цепочек чередования локальных положительных и отрицательных. Они указывают на места стыков рельсов.
На рис. 7, 8 приведены результаты аэромагнитной съемки масштаба 1:50 000 над железной дорогой в одном из районов Пермского края. На карте аномального магнитного поля (рис. 7) четко прослеживается присутствие цепеобразных локальных магнитных аномалий. На рис. 8 показана эта карта (ДТ)а после низкочастотной фильтрации. Остаточные локализованные аномалии не изменили характер чередования цепочек локальных положительных и отрицательных аномалий. Влияние железной дороги отобразилось более четкой локализацией магнитного поля. Наличие оставшихся аномалий (рис. 8) магнитного поля показывает, что процессы фильтрации не исключают влияния железной дороги, они искажают аномальный эффект, но его не исключают.
Рис. 7. Карта аномального магнитного поля, изолинии (АТ)а
Рис. 8. Карта остаточных аномалий магнитного поля (АТ)а после низкочастотной фильтрации
Полученный вывод должен быть учтен при геологической интерпретации магнитных карт, потому что наличие описанного вида локальных магнитных аномалий может дать ложное представление о геологическом разрезе, и они могут быть приняты за проявление элементов разломной тектоники.
Магнитные аномалии над железными объектами даже в условиях промышленных помех крупного мегаполиса можно фиксировать современными градиентометрическими установками, включающими протонные или квантовые магнитометры, или отдельными приборами.
Археологические магнитные исследования
К кругу малоглубинной магниторазведки относятся археологические исследования, которые основаны на изучении остаточного магнетизма изделий, выполненных человеческими руками из обожженной глины, по измерениям геомагнитного поля. Картировать по аномалиям магнитного поля можно «захороненные» стены и строения, глиняную посуду, кирпичи, кровельную черепицу, ямы для обжига, дороги, могилы, подземные ходы, монументы, жилые места, различные затонувшие предметы, корабли благодаря их значительным магнитным свойствам, от-
личным от магнитных характеристик окружающей среды. Вопрос применения малоглубинной магниторазведки для обнаружения археологических объектов хорошо изучен и представлен многочисленными исследованиями в различных регионах земного шара Т.Н. Смекаловой [10].
Исторические места, где имеется большое скопление железных предметов, имеющих повышенную намагниченность относительно магнитных свойств окружающих пород, можно изучать с помощью технологий, применяющихся в магниторазведке. Магнитный контраст, обусловленный различием в магнитных свойствах предметов культуры и окружающей среды, обычно вызван концентрацией, температурой и механической примесью минерала магнетита. Магнитная восприимчивость предметов в основном обеспечивается их индуцированной намагниченностью, остаточная намагниченность появляется только в том случае, если объекты ранее нагревались.
При археологических исследованиях наблюдается сложная картина магнитного поля, состоящая из сильных и слабых отрицательных и положительных магнитных аномалий от различных археологических структур. Рвы, колодцы, ямы создают локальные магнитные аномалии в
диапазоне до 20 нТл, обожженные объекты - от 10 до 1000 нТл.
Остатки печей, очагов, кострищ создают аномалии до 300 нТл. Наличие у ано-а
малии положительной части над объектом и отрицательной части к северу от объекта показано на рис.9.
Рис. 9. Магнитное поле над печью для выпечки хлеба в Египте: а - аномальный график АТ, в - карта магнитного поля (по Т.Н. Смекаловой [10])
Аномалии, наблюдаемые в историче-
Т.Н. Смекалова [10] провела магнитные измерения с протонным магнитометром GSM-19 в различных регионах земного шара. Ее исследования показывают характер изменения магнитного поля над обожженными объектами, которые она изучала в Египте на примере магнитного поля печи для выпечки хлеба (рис. 9). Во время эксплуатации печи приобреталась порциальная термоостаточная намагниченность глины, влияние которой в магнитном поле достигло интенсивности более 1000 нТл. Карта магнитного поля над этой печью по измерениям на высоте 60 см представлена на рис. 9, в.
Рис.10. Технология полевых измерений при археологических исследованиях (по Т.Н. Смекаловой)
ских местах, выявить очень сложно вследствие действия промышленных магнитных помех.
Полевые археологические исследования выполняются на профилях, привязанных к координатной сетке. На рис. 10 показаны пример разбивки сети наблюдений и технология измерений с протонным магнитометром GSM-19 [10].
Проблемы обнаружения бытового мусора
Технологии малоглубинной магнитометрии могут быть задействованы при поисках остатков строительного и бытового мусора на небольших участках. Сложность изучения техногенного мусора заключается в том, что его захоронения не видны и не всегда могут быть замечены и выявлены на поверхности. Аномалии от таких объектов не являются закономерными, поэтому они скорее всего отобразятся в магнитном поле случайными пиковыми сигналами. Технологически мусорная свалка может быть картирована по мозаичной картине пиковых локальных магнитных аномалий. Амплитуда их зависит от намагниченности объектов, размеров и материалов, из которых сделаны их детали.
в
Изучение карстующих пород
Изучение карстующихся пород и образовавшихся полостей тоже можно отнести к вопросам малоглубинной магнитометрии. Карст - процесс химического разрушения растворимых горных пород движущимися природными водами и его результат, проявляющийся в изменении физических и химических свойств пород, в нарушении их первичной слоистости и сплошности, в образовании специфических текстур, вторичных минеральных образований и форм рельефа.
При образовании приповерхностных карстовых форм происходит их заполнение глинистым материалом, имеющим повышенную магнитную восприимчивость. Если глинистые вместилища перекрываются рыхлыми отложениями небольшой мощности, то для их обнаружения вполне подойдут магниторазведочные технологические разработки. Для детального изучения зон закарстованности рекомендуется использовать площадные исследования и азимутальные градиентные измерения.
Поиск неразорвавшихся боеприпасов
Миллионы гектаров земли в разных странах земного шара, которые использовались для проведения военных мероприятий, засорены неразорвавшимися боеприпасами, лежащими или на поверхности, или на некоторой глубине. Их размеры варьируются от нескольких сантиметров (пули) до метров (бомбы). Очистка земли от снарядов в настоящее время является первоочередной задачей Министерства обороны всех стран мира по обеспечению качества окружающей среды. Исследования Военно-морской исследовательской лаборатории (Nelson и другие, UXO Forum, 1997) показали, что амплитуды магнитных аномалий над объектами сферической формы могут достигать 70 нТл при глубине залегания 0,54 м при высоте измерения 0,25 см. Эллипсовидные снаряды обнаруживаются по аномалиям от 19 до 124 нТл. Магнитные анома-
лии над боеприпасами обусловлены наличием у них ферромагнитных оболочек, которые приобретают в магнитном поле Земли заметную намагниченность. Указанные величины локальных магнитных аномалий могут быть обнаружены современными градиентометрическими установками магниторазведочной аппаратуры. Средствами обнаружения военных снарядов могут быть только многокомпонентные (векторные) магнитометры и магнитные градиентометры. Технология измерения реализуется с помощью магнитометров, включаемых дифференциально на жесткой базе величиной 0,25.. .1,7 м, которые образуют градиентометр [10, 12].
Г еологические малоглубинные объекты
Круг вопросов, решаемых малоглубинной магнитной съемкой, широк. К ним относится картирование контактов пород с различной намагниченностью и изучение трещиноватости массивов горных пород с целью определения господствующего направления зон трещиноватости. Эти процессы связаны с тектоническими напряжениями, вызывающими уменьшение намагниченности пород, или химическими изменениями, связанными с выносом и привносом магнитного материала к трещинам. В создании эффекта играет роль гравитационная сортировка магнитного и немагнитного материала при его переносе и отложении. Выполняя магнитные наблюдения градиентометрическими технологиями, можно путем анализа изменения направленных градиентов выяснить условия седиментации.
В арсенал малоглубинной магниторазведки можно включить изучение зарождения и развития оползневых деформаций. В литературе имеются немногочисленные сведения об использовании магнитных аномалий для изучения флюидальных структур в эффузивных породах.
Технологии полевых работ
При разработке технологии полевых наблюдений с целью проведения магнитных исследований для решения поставленных задач малоглубинной магниторазведки нами разрабатывались специализированные технологии съемок с применением двух протонных магнитометров GSM-19, разнесенных между собой на малое расстояние. Выбирался небольшой участок. Точки наблюдений располагались по заранее инструментально разбитой квадратной, прямоугольной или треугольной сетке. Расстояние между пикетами наблюдений не превышало 1-5 м.
После проведения полевых измерений с высоким качеством строились карты изодинам с сечением от 1 до 5 нТл и карты графиков ДТ. Обрабатывались карты статистическим методом, заключающимся в построении роз-диаграмм по изодина-мам ДТ. Они соответствуют розам-диаграммам простирания аномалий. Полную, 360-градусную, розу можно заменить по-лурозой, которая также будет иллюстрировать господствующее простирание магнитных аномалий. Розы относим к середине аномалии.
аномалий. Немаловажное значение имеют амплитуда, особенности намагниченности и вертикальные и горизонтальные градиенты поля.
На условия проведения полевых работ и вероятность обнаружения искомых магнитных объектов существенно влияют дополнительные факторы, создающие переменные магнитные наводки различной частоты. Они могут создаваться случайными мелкими ферромагнитными объектами на поверхности Земли, близкими крупными железосодержащими строительными конструкциями. Т рудноисключаемыми помехами являются электромагнитные поля, создаваемые линиями электропередач, железнодорожными и трамвайными путями.
Для исключения промышленных помех полевые исследования лучше проводить современными градиентометрическими установками, включающими квантовые и протонные магнитометры. Технология производства ими автоматически исключает вариационные поправки. Пример выявления малоглубинного источника по скорости изменения магнитного поля с высотой, полученной вертикальным протонным магнитометром - гради-ен-тометром GSM-19, показан на рис.12.
Рис. 11. Роза-диаграмма направления изодинам АТ
Пример розы-диаграммы направления изодинам АТ, полученной по результатам магнитной съемки с магнитометром GSM-19 на территории промышленного мегаполиса с целью решения техногенной задачи, представлен на рис.11. При интерпретации результатов съемки кроме формы розы учитывались и другие особенности
Рис.12. Полевые измерения значений магнитной индукции протонным магнитометром - градиентометром GSM-19 [10]
На практике нами использовались конечные разности значений измеряемого элемента земного магнетизма. Эти разности определялись по горизонтальному и вертикальному направлениям и приводились к единице расстояния делением вычисленной разности на величину интервала между пикетами измерений. Вычисленный градиент «приписывают» точке пространства, находящейся в середине между пикетами. Вычисленная разность значений модуля измеряется в тех же единицах, что и сам модуль. Разность значений поля, приведенная к базе 1 м, измеряется в нТл на метр.
Идея использования измерений градиентов аномалий геомагнитного поля существует давно [6], поскольку результаты таких измерений не зависят от величины нормального (базисного) поля, суточных и короткопериодных вариаций и позволяют более четко оценивать размеры намагниченных тел, их положение в пространстве, а также глубину залегания.
Имея большой опыт в таких экспериментах, можно заметить, что первый путь, учитывающий перемещение в пространстве измерительных приборов, дает хороший полевой материал, но трудоемкий по технологии съемки.
Конструкции разработанных магнитных градиентометров позволяют получать значения градиентов сразу. Гораздо удобнее оказались новые российские (ММ111 -
1, г.Санкт-Петербург) [11] и зарубежные магнитометры-градиентометры (GSM-19 и SM-5 GEM Systems) [9, 12, 13, 14]. Последние для работы в полевых условиях наиболее устойчивы.
Современные градиентометрические технологии измерений
Технологически градиентные измерения можно разделить на повысотные и горизонтальные. Для повысотных измерений вертикального градиента специально предназначен квантовый магнитометр-градиентометр SM-5. Сборка этой модификации, разработанной фирмой Sintrex,
для минимальной базы датчиков показана на рис. 13.
В зависимости от поставленных геоло-го-технических задач исследователь с этим прибором сам может изменить не только базу разноса датчиков, но и смонтировать более удобный технологический вариант для работы в полевых условиях. На рис. 13 представлена новая сборка прибора SM-5 (вид со спины оператора), разработанная кафедрой геофизики Пермского государственного национального исследовательского университета и Горным институтом УрО РАН для измерения вертикального градиента. Такая сборка является удобным вариантом для работы в лесных массивах Урала.
Рис.13. Измерение вертикального градиента квантовым магнитометром - градиентометром с минимальной базой разноса датчиков ( а ), новая технологическая сборка магнитометра SM-5 ( в)
Рис. 14. Технологические установки измерения горизонтального градиента: а - заводская конструкция градиентометра SM-5, в - новая модификация сборки SM-5 кафедры геофизики ПГНИУ
Технологические установки квантового магнитометра - градиентометра SM-5 для измерения горизонтального градиента изображены на рис.14, а,в. На рис.14, а демонстрируется заводская сборка, а на рис. 14, в - сборка ПГНИУ. Выбор базы конструкции зависит от поставленных задач разведки.
В открытых районах с ровным рельефом местности можно измерить горизонтальный градиент датчиками, установленными на колесной базе, сцепленной с автомобилем. На рис. 15 показан градиентометр G-858 на колесной базе в модификации С.С. Звежинского [3]. ___
Рис. 15. Градиентометр G-858 на
колесной базе [3]
Технология магнитных наблюдений в осложненных условиях
С каждым годом возможности высокоточной магниторазведки для решения различных геологических задач значительно сужаются. Особенно усложняется проведение работ в районах с индустриальными помехами, которые могут иметь постоянный характер или изменяться во времени и по амплитуде. Железные дороги, линии электропередач, как правило, индуцируют на большие расстояния переменные во времени помехи, достигающие десятков и сотен нанотесл. Нами был изучен характер поведения магнитных вариаций на участке детальных исследований в условиях промышленных помех крупного мегаполиса. Изучение вариационного фона и режима выполнялось двумя протонными магнитометрами марки GSM-19 в различные дни и часы суток. Отметим, что в вечернее время амплитуда фона несколько снижается, но частотная составляющая остается почти неизменной, поэтому нет необходимости переносить полевые работы на темное время суток, когда промышленная энергетическая нагрузка на город уменьшается.
Пример изменения амплитуды магнитного поля во времени (график вариаций АТ) показан на рис. 16 . Максимальный разброс интенсивности магнитного поля за 30 мин. достигает 900 нТл, периодичность изменяется от минуты до десятков минут. Ход вариационной кривой не подчиняется определенной закономерности. Средняя амплитуда поля варьирует в пределах 150 - 200 нТл.
Для исключения влияния промышленных помех в полевых измерениях нами применены специальные градиентометрические технологии, исключающие переменную часть магнитного поля. Исследования проведены с целью изучения и обнаружения приповерхностных магнитных источников, лежащих на малой глубине.
Опытные работы выполнены на участке площадной съемки протонным магнитометром GSM-19v по методике Лаутербаха [1]. Было разбито 7 профилей, расстояние между пикетами составило 1,5 м. Результаты работы демонстрируется на рис. 17, где показана этажерка, состоящая из двух карт магнитного поля ДГ, разнесенных по высоте. Карты построены по результатам наблюдений в разные дни на высоте приемного датчика 160 см. Анализируя полученные результаты наблюдений, отмечаем, что локальная положительная аномалия, расположенная в центре каждой карты, уверенно фиксируется на той и другой картах и коррелируется местоположением. Поперечные размеры этой аномалии тоже одинаковые, они оценивают глубинность центра магнитного источника менее 2 м.
Для исключения искажающих влияний, вариаций магнитного поля с периодами от нескольких секунд до минут нами предложен способ магнитной съемки, основанный на измерениях отдельных приращений двумя протонными магнитометрами. Рассмотрим данную технологию наблюдений более подробно.
нитного поля АТ одного участка
Эта технология высокоточных магниторазведочных работ позволяет автоматически учесть влияние геомагнитных вариаций, исключить переменные наводки, но конечные результаты будут зависеть от помех, вызванных неидентичностью технических параметров спаренных магнитометров. Постоянное систематическое расхождение отсчетов двух приборов может дать нарастающую невязку, приводящую к образованию ложных магнитных аномалий с амплитудами в десятки нТл.
Для исключения постоянной аппаратурной невязки между двумя спаренными приборами в градиентометрической связке нами [1] разработана новая методика магнитных наблюдений, позволяющая в процессе съемки автоматически учитывать геомагнитные возмущения и аппаратурные технологические невязки приборов. Перед началом полевых работ магнитометры необходимо проверить на идентичность и синхронность выходного сигнала и скомпоновать рабочую пару. При съемке спаренными магнитометрами важно соблюдать строгую ориентацию датчиков относительно вектора магнитной индукции, постоянную высоту расположения датчиков и следить за одновременностью взятия отсчетов.
Последовательность работы на профиле двух операторов такова[6]. В начале профиля два магнитометра устанавливаются на двух соседних пунктах, и одновременно по условному сигналу снимаются отсчеты. Далее прибор, стоящий в начальном пункте профиля, переносится вперед на два шага, второй же остается на месте. Вновь одновременно берутся отсчеты, затем второй прибор снова опережает первый прибор на два шага и т.д. Операторы по профилю съемки идут с удвоенным шагом. Знаки приращения между показаниями двух соседних магнитометров чередуются.
В результате синхронных измерений двумя магнитометрами геомагнитные вариации автоматически ликвидируются в ходе съемки, дальнейшей обработки при-
ращений и интегрального преобразования их в магнитные аномалии. Получается, что на вычисленное приращение а Т между двумя соседними пикетами оказывают влияние только полезные магнитные источники.
Рис. 18. Результаты магнитных наблюдений на Чаньвинском месторождении известняков
Синхронная методика исследована нами при изучении Чаньвинского месторождения флюсовых известняков. На рис.18 показаны результаты магнитных наблюдений по профилю, пересекающему глинистый пласт, находящийся в известняках карьера. Мешающими факторами при съемке были линии электропередач и металлические сооружения.
1600 — 1200 — 800 I п: I—- *4 400 - /Ч\ 'Ч4^\ г/7” ' \ X, м
Г -400 - Рис. 19. методике вариаций, 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 V. 1 1 1 1 I/1 2 4 10 12 14 16 18 20 22 24 У_.~0 ^ ■ - ПЯ "рафики АТ по профилю А, полученные двумя магнитометрами по однократной с учетом вариационных поправок: 1 - наблюдения магнитометром 1 с учетом 2 - наблюдения магнитометром 2 с учетом вариаций
На участке профиля А проведены исследования с целью отработки технологии наблюдений для выделения малоглубинных источников в условиях крупного мегаполиса двумя протонными магнитометрами GSM-19v. Отработаны различные методики наблюдений: однократная с вариациями двумя разными протонными магнитометрами [4]; градиентная последовательная съемка двумя магнитометрами и синхронная градиентная съемка двумя магнитометрами с переходами [1].
Результаты классической методики с вариациями, полученные двумя магнитометрами, изображены на рис. 19. Анализ представленных материалов показывает, что расхождения между полученными
данными стабильные, ход кривых корре-лируется, некоторая невязка в показаниях связана с индукционными вариационными наводками окружающих металлических сооружений.
Магнитная карта АТ, построенная по результатам этих наблюдений, для участка исследования представлена на рис.20. Априорные сведения о полезном сигнале по моделированию трубного эффекта (рис. 5, 6) указывают, что на изучаемом участке можно предположить наличие нескольких металлических объектов в форме трубы. Одна труба (сплошная линия) подтверждается выходом на поверхность земли в области синего поля.
>
Пример работы на профиле с магнитометром GSM-19v в условиях мегаполиса приведен на рис.21.
I й!а '
1600 1300 1000 700 400 100 -200
Рис. 20. Карта изодинам АТ исследуемого участка
переходами показаны на рис. 22. Идентичность хода графиков свидетельствует о том, что, несмотря на действие промышленных электромагнитных помех, локальный характер магнитного поля устойчивый, выявляются аномалии магнитных источников с повышенной намагниченностью, они могут быть рекомендованы для дальнейшего изучения.
На рис. 23 и 24 представлены карты горизонтальных градиентов 8 Т/ 8 х, полученных по измерениям с двумя магнитометрами по градиентной и синхронной методикам. Обе карты мало отличаются одна от другой. Четко фиксируются зоны повышенных скоростей изменения магнитного поля, укладывающихся в систему единой направленности.
Интегральные представления АТ градиентных измерений по различным методикам сопоставлялись с полевыми результатами классической методики с вариациями (рис. 25). Анализ материалов показывает, что градиентные методики не только исключают вариационные помехи, но и снимают низкочастотный фон.
X, м
Рис. 21. Поиски малоглубинных магнитных источников протонным магнитометром GSM-19 V (полигон ПГНИУ)
Результаты измерений горизонтальных градиентов по профилю А с помощью последовательной градиентной методики и методики синхронных наблюдений с
Рис. 22. Графики градиентов магнитной индукции АТ по профилю А: 1 - горизонтальный градиент Тпо градиентной методике, 2 - горизонтальный градиент Т по синхронной методике
X, м
Рис. 23. Карта градиентов | Т/\ х (последовательная градиентометрическая съемка)
х, м
3 3
Рис. 24. Карта градиентов 8 Т/% х (синхронная градиентометрическая съемка)
зоо
150
0
-150
-300
-450
-600
350
200
50
-100
-250
-400
-550
Рис. 25. Сравнение графиков АТ, полученных в результате измерений с протонными магнитометрами по различным методикам: 1 - график АТ - по однократной методике, 2 - график АТ-по градиентной методике, 3 - график АТ по методике синхронных измерений
I X, м
--------- 1 --------2 -------3_ ----------4
Рис. 26. Графики АТ по профилю А для различных высот положения регистрирующего устройства: 1 - 0,70; 2 - 1,16; 3 - 1,62; 4 - 2,08 м
Проведены исследования изменения амплитуды магнитной аномалии от магнитных источников с повышенной намаг-
ниченностью в зависимости от высоты положения регистрирующего датчика. Наблюдения по профилю А выполнены на высотах: 0,70; 1,16; 1,62; 2,08 м. Выбор высоты определялся количеством стандартных штанг, находящихся в комплекте прибора. Увеличение высоты положения штанги регулирует коэффициент фильтра низких частот, при котором исчезает локализация поля и идет превращение отдельных аномалий в одну, без ее четкой амплитуды. Судить о количестве магнитных источников затруднительно. При высоте
0.70.м имеем самый локализованный график АТ, по которому четко выделяются две локальные магнитные аномалии, подчеркивающие размеры поперечных параметров магнитных источников. Судя по графикам (рис. 26), можно предположить наличие магнитных источников с центром на глубине немного больше шага съемки
Библиографический список
1. Гершанок Л.А. Магниторазведка: учебник/ Перм. ун-т. Пермь, 2011. 421 с.
2. Геоэкологическое обследование предприятий нефтяной промышленности /под ред. проф. В.А. Шевнина и доц. И.Н. Модина . М.: РУССО, 1999. 511 с.
3. Звежинский С.С., Парфенцев И.В. Квантовые магнитометры с оптической накачкой для поиска взрывоопасных предметов// Спецтехника и связь. 2009. №3. С. 1 - 28.
4. Инструкция по магниторазведке (наземная магнитная съемка, аэромагнитная съемка, гидромагнитная съемка). Л.: Недра, 1981.
263 с.
5. Крапивский Е. И., Некучаев В. О. Дистанционная магнитометрия газонефтепроводов: учеб. пособие/ УГТУ. Ухта, 2011. 142 с.
6. Маловичко А.К., Гершанок Л.А., Макаров В. А. Способ измерения приращений магнитного поля: А. с. 883811 / Гос.комитет по де лам изобретений и открытий, 1981.
7. Модин И. Н. Электроразведка в технической и археологической геофизике: авто-
(приблизительно 1, 8 м).
Представленные примеры показывают, что использование современных магнитометров позволяет успешно решать вопросы поисков малоглубинных магнитных источников в условиях промышленных городов. По магнитным измерениям можно изучать поведение линий водоснабжения, канализации и коммуникаций, определять наличие подземных сооружений, содержащих металлические части (фундаменты, стены, коллекторы).
При выявлении малоамплитудных магнитных аномалий следует отдавать предпочтение синхронной технологии наблюдений с двумя магнитометрами или использовать специализированные градиентно-метрические базовые устройства для измерений вертикального и горизонтального градиентов.
реф. дис. ... д-ра техн. наук. М.: Изд-во МГУ, 2010. 49 с.
8. Ревякин П.С., Бродовой В.В., Ревякина Э.А. Высокоточная магниторазведка. М.: Недра, 1986. 272 с.
9. Руководство по эксплуатации GSM-19 v7.0, версия 7.4. 2007. Апрель.
10. Смекалова Т.Н., Восс О., Мельников А.В. Магнитная разведка в археологии. 12 лет применения Оверхаузеровского градиентометра GSM-19WG. СПб.: Изд-во Санкт-Петербург. политехн. ун-та, 2007. 72 с.
11. Уникальные технологии исследования: базы данных, аппаратура, поиски и разведка, мониторинг // Аппаратурные проспекты.
СПб.: Геологоразведка, 2006.
12. Цезиевый магнитометр Scintrex SM-5 NAVMAG. Руководство по эксплуатации SM-5. Канада, 2005.
13. Вгеіпег S. Applications manual for portable magnetometers. GeoMetrics 395 Java Drive Sunnyvale, California, 94086, U.S.A. 58 p.
14. Our World is Magnetic. GEM Systems, Advanced magnetometers. Canada, 2008.
The Shallow Magnetometry in the Conditions of Cultural Noise
L.A. Gershanok
Perm State National Researching University. 614990, Perm, Bukirev st., 15 E-mail: geophysic@psu.ru
In the article the problems of the shallow magnetometry in the conditions of the industrial megapolis are considered. They are combined with an aim to detect magnetic anomalies from the sources lying at a small depth and to create effects from several nanoteslas to hundreds of them. The aims of the shallow magnetometry and the technology of the magnetic field measurement are described, and the results of the new field gradiometric researches are presented.
Keywords: lapse-rate, horizon gradient, magnetic induction, magnetometer, gradiometer, anomaly, magnetic field.
Рецензент - доктор технических наук В.И. Костицын
