Малоглубинное частотное зондирование: вероятность обнаружения аномалий Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 550.837.61 Ю.Г. Карин, Е.В. Балков ИНГГ, Новосибирск

МАЛОГЛУБИННОЕ ЧАСТОТНОЕ ЗОНДИРОВАНИЕ: ВЕРОЯТНОСТЬ ОБНАРУЖЕНИЯ АНОМАЛИЙ

Малоглубинное частотное зондирование - оперативный бесконтактный метод, позволяющий эффективно исследовать распределение удельного электрического сопротивления (УЭС) первых метров и десятков метров земной коры. Результаты зондирований могут представляться в виде трансформаций измеренных сигналов в кажущиеся характеристики среды (сопротивление или проводимость) относительно эффективной глубины [1]. В качестве дальнейшей трансформации кажущихся величин и оценки надежности обнаружения аномалий могут быть использованы энергетическое соотношение и интеграл вероятности.

Yu. G. Karin, E.V. Balkov

Trofimuk Institute of Petroleum Geology and Geophysics SB RAS (IPGG)

Acad. Koptyug av. 3, Novosibirsk, 630090, Russian Federation

SHALLOW DEPTH FREQUENCY SOUNDING: PROBABILITY OF DETECTION OF ANOMALIES

Shallow depth frequency sounding is the fast remote method allowing effectively to investigate distribution of specific resistivity from the first to the tens meters depth of terrestrial crust. The results of sounding can be represented in to the form of transformations of measured signals to apparent characteristics of the media (resistivity or conductivity) maps or crosssections [1]. For the further transformation of apparent values and for estimation of anomaly detection reliability the power parity and probability integral can be used.

Введение

Малоглубинное частотное зондирование - оперативный бесконтактный метод, позволяющий эффективно исследовать распределение удельного электрического сопротивления (УЭС) первых метров и десятков метров земной коры. Результаты зондирований могут представляться в виде трансформаций измеренных сигналов в кажущиеся характеристики среды (сопротивление или проводимость) относительно эффективной глубины [1]. В качестве дальнейшей трансформации кажущихся величин и оценки надежности обнаружения аномалий могут быть использованы энергетическое соотношение и интеграл вероятности.

Энергетическое соотношение, как оценка вероятности обнаружения аномалии

При выделении аномалий на фоне помех используют три вида отношений аномалия/помеха [2].

1. Пиковое отношение, для визуального прослеживания от профиля к профилю аномалий в виде узких экстремумов поля.

1. Среднеквадратичное отношение, для прослеживания достаточно широких аномалий, у которых отсутствуют четко выраженные экстремумы.

2. Энергетическое отношение - наиболее полная и объективная характеристика, поскольку учитывает не только амплитудные соотношения аномалии и помехи. Но и протяженность аномалии. По этой величине оценивают надежность (вероятность) обнаружения аномалий и тем самым практическую возможность обнаружения слабых аномалий.

Энергетическое отношение вычисляется по формуле (1): т 9 о о

ц= У а .8 - а~пт /5 (1)

г ,=1 г ср , V )

где ai - значение аномалии в ьой точке, 5 - среднее квадратическое значение помехи, т - протяженность аномалии. По величине ц оценивают надежность (вероятность) обнаружения аномалии (2):

у = Ф(Л/м^2), (2)

где у - надежность обнаружения аномалии, Ф - интеграл вероятности

(3), ц - энергетическое отношение(1).

+ 2 | 1-Х

Щ) = -Г==\е2(1х (3)

■\2;т _да

Общий вид зависимости надежности обнаружения аномалии от энергетического отношения изображен на рис. 1.

Рис. 1. Зависимость надежности обнаружения аномалии от энергетического

отношения

Аппаратура для малоглубинного частотного зондирования

В Институте нефтегазовой геологии и геофизики им. А.А. Трофимука СО РАН (г. Новосибирск) ведется разработка аппаратурно-программного

комплекса индукционного частотного электромагнитного зондирования (ЭМС).

Аппаратура ЭМС реализует метод индукционного частотного электромагнитного зондирования и представляет собой трехкатушечный зонд [1]. Генераторный контур излучает электромагнитное поле на 14 частотах в диапазоне от 2.5 кГц до 250 кГц. Моменты и положения измерительных катушек выбраны так, чтобы компенсировать прямое поле. Аппаратурой измеряются квадратурная и синфазная составляющие разностной э.д.с., индуцированной вторичными источниками сигнала. Аппаратура применяется для детального изучения распределения УЭС среды на глубину до 10 м.

Алгоритм оценки вероятности и некоторые результаты применения

Для апробации алгоритма оценки вероятности выделения аномалий будем использовать данные, полученные аппаратурой ЭМС.

Возьмем для рассмотрения разрез по профилю через трубопровод по Коптюга рис. 2а.

Проводя расчет по формулам (1) - (3) используем значения из таблиц данных, получаем разрезы по профилю в % вероятности обнаружения аномалии по вертикали (рис. 2б) и горизонтали (рис. 2в), окруженной помехой заданных размеров. Затем считаем среднее арифметическое между двумя полученными массивами данных рис. 2г.

После трансформации полученных данных в % вероятности на разрезе четко выделяется искомый объект (рис. 2г) и практически исчезают аномалии-помехи присутствующие на исходном разрезе (рис. 2а).

Точно такие же расчеты проведены для данных полученных возле вышки ЛЭП, искомым объектом является анкерная железобетонная плита неопределенных размеров. Целью эксперимента было определить местоположение и размер плиты.

На рисунке 3г видно область вероятности обнаружения 63 % в предполагаемом месте расположения плиты на 5 метре по профилю и на глубине около 4 метров. Поскольку данные получены прибором частотного зондирования, то глубина в данном случае кажущаяся, но горизонтальные параметры блока определяются с точностью до 30 см.

Заключение и благодарности

Предложенный алгоритм позволяет:

1) Выделять и сглаживать участки, используя энергетическое отношение, как объективную оценку достоверности выделения аномалии.

2) Оценивать достоверность искомых объектов.

Поскольку в некоторых экспериментах не удалось проверить действительное положение и размеры объектов, имеет смысл опробовать данный подход на специально оборудованном полигоне.

о 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

м

I ! ! ! I Г ! ! ! I

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

Рис. 2. Исходный разрез и полученные в результате трансформации данные. Левая шкала для разреза а, правая для разрезов б-г

Работа выполнена при финансовой поддержке грантов: РФФИ №№ 0906-00204, 09-06-10006, «Интеграция» СО РАН № 16; Государственного контракта № П1270 в рамках реализации ФЦП «Научные и научнопедагогические кадры инновационной России» на 2009 - 2013 годы.

Ом^м

14 16 1Б 20 22 24 28 ЗО 32 34 36 ЗБ

м

(а)

М -2

(б) -4

м

(в)

м

(г) -4

12 М

М

1,2 м

М

. , 49 54

Рис. 3. а - исходный разрез по профилю через предполагаемое место заложения анкерной плиты в Ом-м, б-г - трансформации исходных данных в %

вероятности

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Балков Е.В., Манштейн А.К. Трехкатушечный индукционный зонд в частотном зондировании // Геофизический вестник. - Москва: ЕАГО. - 2001. - № 12. - С. 17-20.

2. Электроразведка / Под. ред. Хмелевского В.К, Бондаренко В.М. - Москва: Недра, 1989. - С. 27-31.

© Ю.Г. Карин, Е.В. Балков, 2010