CC BY
53
© Л.Л. Федорова, К.О. Соколов, 2009
УДК 622.1
Л.Л. Федорова, К.О. Соколов
ОСОБЕННОСТИ ОБРАБОТКИ ГЕОРАДИОЛОКАЦИОННЫХ ДАННЫХ ПРИ ИССЛЕДОВАНИИ СТРУКТУРЫ ГЕОЛОГИЧЕСКИХ РАЗРЕЗОВ РОССЫПНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ
Георадиолокация является одним из наиболее прогрессивных современных методов геофизики, предоставляющий в сжатые сроки информацию о геологическом строении и свойствах разрабатываемого массива, что позволяет проводить горные работы экономически эффективнее и с наименьшими затратами по времени. В условиях криолитозоны метод георадиолокации наиболее результативен, что в сочетании с оперативностью проведения зондирований делает его оптимальным методом электроразведки для решения широкого круга инженерно-геологических, археологических, строительных и других задач, связанных с изучением строения приповерхностной части геологической среды глубиной до 30 м.
Результативность интерпретации данных георадиолокацион-ных исследований зависит от реализации представления данных и их количественных характеристик. Точность прогноза геологического строения объекта исследований повышается с увеличением детальности проводимой интерпретации с использованием различных методов анализа максимального количества характеристик. Разработка алгоритмов обработки георадиолокационных сигналов для максимизации получаемой информации, остается актуальной проблемой, также как и автоматизация процессов обработки и интерпретации данных.
В георадиолокационных исследованиях россыпных месторождений золота на севере Якутии для выявления верхней границы продуктивного слоя необходимо использовать высокочастотный георадар с центральной частотой 150-400 МГц, однако быстрое затухание электромагнитных волн на этих частотах не позволяет от-
следить границу плотика. При использовании низкочастотного георадара с центральной частотой 30-60 МГц успешно отслеживается нижняя граница продуктивного слоя, но сигнал, отраженный от верхней границы, накладывается на зондирующий сигнал, становится визуально трудно или вовсе неразличимым. Полное или частичное наложение видоизменяет сигнал, делая его более низкочастотным, ухудшая разрешающую способность георадиолокационных данных [1].
Для решения задачи дифференциации наложенных сигналов и повышения разрешающей способности данных, полученных низкочастотным георадаром, разработана методика обработки радаро-грамм с применением вейвлет-анализа. Непрерывное вейвлет-преобразование широко используется в обработке сигналов и дает уникальные возможности по распознаванию локальных и «тонких» особенностей сигналов, что важно как для геофизики, так и для многих областей радиотехники, связи, радиоэлектроники и других отраслях науки и техники. Отличительной особенностью вейвлет-анализа является - разложение сигналов на разных масштабах. На мелких масштабах мы видим некоторые глобальные характеристики сигнала, а на крупных локальные особенности. Благодаря этому свойству вейвлетов (анализирующая функция в вейвлет-анализе) имеется возможность разделения наложенных сигналов, т.е. из одного сигнала большой длительности мы можем получить, например, два более коротких сигнала. Многократное применение вейвлет-обработки георадиолокационного сигнала приводит к увеличению детализации исходного сигнала вплоть до частоты самого вейвлета. На практике избыточная детализация делает сигнал менее наглядным. Наше исследование показало, что для большинства георадиолокационных сигналов достаточно 3 повторений вейвлет-обработки для повышения разрешающей способности сигнала без потери огибающей импульса.
Многообразие вейвлетов позволяет выбрать наиболее подходящий для анализа георадиолокационных данных с целью максимального увеличения эффективности их обработки. Основной критерий выбора: вейвлет должен быть максимально приближен к классу функций, описывающих сигнал, т.е. желательно чтобы форма вейвлета отражала поведение сигнала или его составляющих. Для анализа георадиолокационного сигнала нами был выбран вейвлет «Mexican-
НаЬ> представленный на рис. 1а, модуль его спектральной плотно сти показан на рис. 1, б.
1 Г I I |^(га)|
vttl
VibC)
-0.5
10
t
20
Рис. 1. Вейвлет «Мексиканская шляпа»
Для повышения эффективности проведения вейвлет-анализа также необходимо подобрать параметры максимально подходящие для обрабатываемого сигнала. Масштаб вейвлета (а) и количество вейвлет-преобразований варьируется в зависимости от георадара, которым проводилось профилирование, и особенностей радаро-граммы.
При выборе масштаба (а) для вейвлет-преобразования следует учитывать, что малая временная длительность излучаемого георадаром импульса приводит к возникновению достаточно широкого частотного спектра излучения, центральная частота сигнала определяется свойствами антенн [2] и определять масштаб а соответственно максимальной значимой частотой спектра fmax зондирующего импульса (как это предложено в [3]) с учетом распространения гео-радиолокационного сигнала в мерзлой горной породе, являющейся диэлектриком, в которой частоты увеличиваются в Vs раз. Т.о. при вейвлет-обработке георадиолокационных данных масштаб:
а =~j=fc-------
VS f At
y J max
где fc - центральная частота анализирующей вейвлет функции (для вейвлета «Mexican Hat» f=0,25); е - диэлектрическая проницаемость исследуемой среды.
Пример использования вейвлет-обработки георадиолокацион-ных сигналов приведен на рис. 2. Фрагмент верхней части георадио-локационного разреза, полученного при зондированиях георадаром АБДЛ-Тритон с частотой 30 МГц представлен на рис. 2, а. Из-за низ-
кочастотных сигналов на георадиолокационном разрезе на глубинах до 5 м не удается четко выделить отражающие границы. Эти сигналы являются композицией (наложением друг на друга) зондирующего импульса и отражений от границы слоев верхней части разреза.
На рис. 2, б представлен результат использования вейвлет-преобразования. Данные георадиолокационного разреза были 3 раза обработаны вейвлетом с масштабом 1,4. В результате георадиолока-ционные сигналы имеют более короткие импульсы и на разрезе можно четко выделить отражающую границу на глубине 3-3,5 м. При сопоставлении с результатами бурения данная граница определена как граница торф-песок.
Особенности обработки георадиолокационных данных, также проявляются в зависимости от криогенного состояния зондируемого приповерхностного слоя и типа отложения. Как известно, ценные минералы могут задерживаться перед скоплением валунов и за ним, это объясняется тем, что за каждым валуном возникают вихревые возмущения, что приводит к резкому замедлению скорости потока и создает благоприятные условия для выпадения из гидросмеси тяжелых частиц в осадок [4]. При проведении георадиолокационной съемки подобных аллювиальных отложений в теплое время года требуется применять другие способы обработки из-за оттаивания сезонно-талого слоя, который представляет собой экранирующий горизонт для электромагнитных волн, маскирующий сигналы от нижних слоев, а также, в связи с тем, что происходит просачивание влаги в зоны карста, разломов, валунистости. В этом случае происходит изменение электрофизических свойств приповерхностного слоя и благодаря высокой контрастности на границах влажный песок-валуны на радарограмме прослеживается область хаотичных переотражений различной частоты, полностью скрывающих нижележащие слои (рис. 3, а). В этих условиях становится возможным выделение верхней границы продуктивного слоя и картирование зон валунистости только вдоль их простирания по профилю.
На рис. 3, б представлен результат георадиолокационного зондирования того же участка в холодное время года. На радаро-грамме видна граница коренных пород, благодаря радиопрозрачности границы замерзший песок - валуны.
Для определения границы раздела сред, с помощью вейвлет анализа, необходимо выделить максимумы на вейвлет спектре гео-радиолокационного сигнала (рис. 4), т.к. при прохождении сверх-
широкополосного сигнала через границу раздела сред, частотное наполнение отраженных сигналов и их
Рис. 2. Результат вейвлет обработки результатов георадиолокационного зондирования мерзлых рыхлых отложений
Рис. 3, а. Результат георадиолокационной съемки аллювиальных отложений в теплое время года
НС 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240
Рис. 3, б. Результат георадиолокационной съемки аллювиальных отложений в холодное время года
Рис. 4. Вейвлет спектр георадиоло-кационного сигнала (* - максимумы спектра)
амплитуды зависят от индивидуальной реакции каждой частоты на эту границу, определяемой свойствами среды. Исходя из этого, в георадиолокационном сигнале каждой границе соответствует импульс определенной длительности и амплитуды, что наглядно показывает его вейвлет спектр.
В результате проведенных исследований разработана ме-тодика картирования зон повышенного содержания полезного ископаемого на россыпных месторождениях различного криогенного состояния. Апробация данной методики обработки данных георадиолокации с использованием вейвлет-анализа и ее программного обеспечения в комплексе инженерно-геологических изысканий на россыпных месторождениях показали их высокую эффективность, подтвержденную данными бурения, и простоту их использования в полевых условиях.
---------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Омельяненко, А.В. Георадиолокационные исследования многолетнемерзлых пород / А.В. Омельяненко, Л.Л. Федорова. - Якутск: Изд-во ЯНЦ СО РАН, 2006. - 136 с.
2. Рекомендации по проведению георадиолокационных измерений для решения геологических задач / ООО «Логические системы». - Раменское, 2008. - 28 с. (Фондодержатель ООО «Логические системы»).
3. Хармут, Х.Ф. Несинусоидальные волны в радиолокации и радиосвязи / Х.Ф. Хармут; пер. с англ. - М.: Радио и связь, 1985. - 376 с.
4. Лешков, В.Г. Разработка россыпных месторождений / В.Г. Лешков. - М.: Недра, 1985. - 568 с. №
Коротко об авторах -----------------------------------------------
Федорова Л.Л. - кандидат технических наук, доцент, старший научный сотрудник,
Соколов К. О. - инженер
Институт горного дела Севера им. Н.В. Черского, г. Якутск.
E-mail: [email protected]
