CC BY
85
ВЕСТНИК ПЕРМСКОГО УНИВЕРСИТЕТА
2011 Геология Вып. 2 (11)
ГЕОФИЗИКА, ГЕОФИЗИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ПОИСКОВ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ
УДК 550.831
Особенности создания и использования наземного сейсмогравиметрического комплекса
Д.В. Абрамов3, В.В.Дорожковь, В.Н. Конешова, Л.В. Фуровь
^Институт физики Земли им. О.Ю.Шмидта РАН, 123995, ГСП-5, г. Москва, Д-242, ул. Большая Грузинская, д. 10. Тел. (495)254-23-35. E-mail: slavako-neshov@hotmail.com бВладимирский государственный университет, 600000, Владимирская область, г. Владимир, ул. М. Горького, д. 87, dorozhkov@vlsu.ru
(Статья поступила в редакцию 14 марта 2011г.)
Создание сейсмогравиметрического комплекса, работающего в автоматическом режиме на протяжении нескольких лет, позволяет регистрировать перемещение пробных масс сейсмометров и гравиметров синхронно в разных полосах частот. «Перекрытие» этих частот находится в области десятых долей герца. Сейсмогра-виметрический комплекс содержит два относительных гравиметра CG-5, абсолютный гравиметр А10, трехкомпонентную сейсмическую станцию «Югра», автоматическую метеостанцию и двухчастотный GPS приемник. В качестве базового прибора использованы относительные гравиметры. Для этих приборов решена задача учета смещения «нуля» шкалы гравиметров. Для выполнения долговременных режимных наблюдений с помощью сейсмогравиметрического комплекса построена гравиметрическая обсерватория в точке с малым уровнем техногенных помех. В результате предварительных геофизических наблюдений оказалось, что информативным параметром является среднеквадратическое отклонение измеренных значений ускорений силы тяжести.
Ключевые слова: сейсмогравиметрический комплекс, относительный и абсолютный гравиметр, гравиметрическая обсерватория, долговременные режимные геофизические наблюдения.
Обсуждается возможность слежения (мониторинга) за режимом эксплуатации крупных месторождений углеводородов, а также оценки выработки объема из подземных хранилищ газа с помощью несейсмических методов. Особое место при этом отводится режимным гравиметрическим наблюдениям, которые выполнялись бы продолжительное время с высокой точностью. В связи с этим как в нашей стране, так и за рубежом, ведутся активные геофизические исследования по соз-
данию таких гравиметрических комплексов.
Гравиметрические и сейсмические наблюдения имеют один и тот же физический принцип - измерение перемещений с высокой точностью. В то же время каждый вид этих долговременных наблюдений существует отдельно, каждый из них рассматривает перемещение пробной массы в «своей» полосе частот. Перекрытие этих частот находится в области десятых долей герца. Помимо этого аппаратура каждого вида наблюдений создавалась отдельно и в конкретном случае реализа-
© Абрамов Д.В., Дорожков В.В., Конешов В.Н., Фуров Л.В., 2011
29
ции каждая из них обладает своим спектром погрешностей.
Поэтому создание комплекса долговременных геофизических наблюдений, позволяющих проводить наблюдения в полосе частот от десяти до 1х 10-8 герц (с периодом более одного года), очень актуально.
Высокая степень надежности и значительный срок службы обуславливают использование относительных гравиметров в качестве базовых приборов геофизического комплекса. Наиболее предпочтительны относительные гравиметры с кварцевыми системами крутильного типа. Погрешность отсчета должна быть не более 1 мкГал. При такой погрешности можно с высокой точностью наблюдать приливные эффекты, влияние атмосферного давления, нутации полюса и другие геофизические явления.
В составе комплекса целесообразно использовать не менее двух относительных гравиметров. Это позволит компенсировать ряд инерциальных помех различного типа, оценить работоспособность каждого из двух однотипных приборов, повысить надежность и достоверность гравиметрических измерений. В составе комплекса следует использовать гравиметры разного физического принципа действия, имеющие один порядок точности измерений.
В геофизический комплекс необходимо включить абсолютный гравиметр. Его использование позволит «привязывать» точку наблюдений к пунктам государственной гравиметрической сети, а также периодически проверять вычисленные значения ускорений силы тяжести, полученные с помощью относительных гравиметров. Необходимо отметить, что использование абсолютного гравиметра для непрерывных измерений невозможно при проведении долговременных геофизических наблюдений, так как его возможности ограничены ресурсом механических систем. В то же время совместные наблюдения гравиметрических приборов разных физических принципов позволят освободить
геофизические наблюдения от приборных погрешностей каждого класса.
В состав геофизического комплекса необходимо введение трехкомпонентной сейсмической станции. Она позволит зарегистрировать сейсмические колебания в полосе частот от десяти до 0,1 герц.
В силу того, что геофизические наблюдения, как правило, зависят от метеорологических условий окружающей среды, в составе комплекса необходима станция метеорологических наблюдений, которая в автоматическом режиме должна измерять давление, температуру и влажность в точке наблюдений.
Следует учесть, что указанный комплекс должен быть мобильным и воспроизводимым в нескольких экземплярах для создания сети наблюдений.
Целями его являются:
• отработка методических приемов использования;
• оценка отклика на сейсмические сигналы входящих в состав базовых относительных гравиметров и сейсмических приемников;
• получение длинных рядов гравиметрических наблюдений, позволяющих после учета метеорологических факторов и сейсмических оценок определить геофизические факторы в области периодов от одного часа до одного года. При создании комплекса был использован мобильный абсолютный баллистический гравиметр А10. В качестве базового прибора выбран кварцевый гравиметр CG-5, обладающий требуемой точностью, возможностями учета поправок за смещение нуль-пункта, наклонов гравиметра, учета поправок за лунно-солнечное влияние и др.
Для реализации поставленных задач определилась структура комплекса. В него входят:
- два относительных гравиметра CG-5 [1];
- абсолютный гравиметр А10 [2];
- трехкомпонентная сейсмическая станция «Югра» [3];
- автоматическая метеорологическая станция [4];
- GPS двухчастотный приемник навигационного позиционирования, используемый как для решения геодинамических задач, так и для синхронизации наблюдений всех составляющих приборов комплекса;
- система сбора и обработки данных на базе переносного компьютера.
При долговременных наблюдениях с помощью относительных гравиметров с кварцевыми системами крутильного типа необходимо решить задачу точной аппроксимации смещения нуль-пункта этих приборов. Разработчики этих гравиметров считают достаточным использование линейной аппроксимации дрейфа, обусловленного пластической деформацией кварцевой системы гравиметра и квадратичной аппроксимацией нестабильности электронной схемы съема и обработки сигнала кварцевой системы. Пользователю относительного гравиметра доступна процедура уточнения (калибровки) линейной составляющей дрейфа. Корректировка квадратичной составляющей дрейфа отнесена к категории заводских регулировок. При проведении полевых работ и наблюдений длительностью до двух недель такой подход вполне оправдан. При долговременных наблюдениях этого явно недостаточно. На рис. 1 приведен график погрешности измерений после снятия линейной составляющей.
□АТА - linear .mgal Gravimetr CG - 5 #350
- Ledovo 09Jul.. ...23aug 2010
- \
- \
- Т ,day
і і і і і і і і
0 Э 18 27 36 45
Рис.1.
Выбор функциональных зависимостей, аппроксимирующих дрейф нуля относительных гравиметров - процесс творческий. Считаем целесообразным использование следующего методического прие-ма-подбор аппроксимирующей функции методом наименьших квадратов с учетом весовых коэффициентов в моменты проведения измерений абсолютным гравиметром, входящим в состав комплекса.
сЮ (сМа-роПпоплб) ,тда1 Ога^те^СЭ - 5 #350 09]и1 23аид 2010
- 18/07/201 1 3:04:11 I 1 3:35:01 I 16,6 Papua 7,3 13/08/ 21:19: 2010 32 M7.2 Marian
/V 010 1 M 7 2 M 7 M 04/08/201 0 12:45: М6/ 22:01:44 M7.0 Aljasca Papua .tJw
f ^ УҐ 23/07/: 22:08:' 22:51:' 23:15: ,3 Philipin ,6 4 s# 1 0 05 08/20' 23:47 0 VI7.3 Vanuatu
- T .day
1 11
0 9 18 27 36 45
Рис. 2.
Критерием окончания итеративного процесса подбора коэффициентов аппроксимирующего полинома является отсутствие корреляции между остатком полученной разности наблюденных отсчетов и вычтенных значений аппроксимирующей функции со значениями полинома более высокого порядка. На рис. 2 приведена разность величин после вычитания из измеренных значений ускорения силы тяжести численных значений подобранной функции аппроксимации. В данном случае функцией аппроксимации был полином пятого порядка. Экспериментально было доказано, что на интервале 30-45 сут. целесообразно использование аппроксимирующей функции в виде полинома пятого порядка. На более длительных отрезках наблюдений использована интервальная аппроксимация для исключения краевых эффектов и согласования с данными баллистического гравиметра. Периодичность контрольных измерений
абсолютным гравиметром составляла 3035 сут.
Отработка и совершенствование методических приемов наблюдений со всеми составляющими приборами комплекса привела к получению рядов гравиметрических измерений на протяжении 45-90 сут. Представленные на рис. 3 графики, отображающие ряды значений абсолютного и относительного гравиметра, пока-
зывают, что по своей информативности и точности относительные гравиметры целесообразно использовать в качестве базовых приборов геофизического комплекса. Это подтверждают значения математического ожидания и разбросы среднеквадратического отклонения измерений, полученных относительными и абсолютным гравиметрами.
Рис. 3.
Комплекс был укомплектован приборами в 2008 г., и на протяжении двух лет продолжается его опытно-методическая эксплуатация. Пример расположения на гравиметрическом постаменте составляющих приборов комплекса приведен на фотографии (рис. 4). Для получения с помощью созданного комплекса ряда значений ускорений силы тяжести, свободных от техногенных помех, необходимо было создать гравиметрическую обсерваторию.
1. Заложенные при создании комплекса концепции оправдались. Комплекс позволил проводить долговременные геофизические наблюдения при условии полного устранения погрешностей гравиметрических измерений.
Долговременные комплексные наблюдения в течение одного года на созданном гравиметрическом комплексе привели к следующим предварительным результатам.
Рис. 4. В центре постамента баллистический гравиметр А10, справа два относительных гравиметра СО-5.
2. Как и предполагалось, относительные гравиметры и сейсмические приборы отображают, каждый по-своему, сейсмические события. На рис. 5 показаны значения силы тяжести для двух относительных гравиметров и сигналы сейсмических станций, входящих в состав комплекса. На графиках отображаются приход про-
дольных и поперечных сейсмических волн на сейсмические и гравиметрические датчики и изменение среднеквадратических отклонений гравиметрических измерений. Сейсмические события в виде землетрясений или техногенного воздействия, документированные на записях сейсмостанций комплекса, должны служить основанием для удаления из рассмотрения и анализа сигналов гравиметров в эти моменты времени.
нии, которая учитывает изменение атмосферного давления.
Следует отметить, что с помощью гравиметров учтено атмосферное давление. Данный результат получен всеми приборами.
3. Новым результатом геофизических наблюдений стал тот факт, что информативным параметром оказалось среднеквадратическое отклонение измеренных значений ускорений силы тяжести. Это отклонение увеличивается не только при землетрясениях, но и при длительном большом изменении атмосферного давления. На рис. 6 приведены графики среднеквадратического отклонения погрешностей измерений силы тяжести, а на рис. 7
- график поправки, вычтенной из измере-
Рис. 7.
Для получения с помощью созданного комплекса ряда значений ускорений силы тяжести, свободных от техногенных помех, была создана гравиметрическая обсерватория, удаленная от городов, авто-
мобильных и железных дорог. Закладка постаментов обсерватории выполнялась в соответствии с требованиями к пунктам гравиметрической сети 1 класса (рис. 8), общий вид построенной обсерватории показан на рис. 9. В здании обсерватории расположены три постамента, независимые друг от друга, и фундамент здания, построенные в соответствии с требованиями обеспечения надежного функционирования сейсмогравиметрической аппаратуры.
Рис. 9. Общий вид построенной сейсмограви-метрической обсерватории
Результаты наблюдений в обсерватории наглядно видны на графике значений ускорений силы тяжести (рис. 10). Как видно из кривых гравиметрических измерений, уровень влияния сейсмического шума наблюдений в обсерватории по отношению к наблюдениям на фундаментальном гравиметрическом пункте «Дол-
гое Ледово» в 15-18 раз меньше. В этом случае лучше выявлять влияние метеорологических и геофизических факторов на гравиметрические измерения. На рис. 10 показан также график изменения атмосферного давления и видно влияние двух землетрясений на гравиметрические измерения. Гравиметрические наблюдения в обсерватории позволили выявить не только качественную, но и количественную оценку изменения среднеквадратического отклонения гравиметрических наблюдений от изменения давления. Пример полученных графиков этих зависимостей приведен на рис. 11. Отметим, что инструкция по использованию относительных гравиметров CG-5 не предусматривает введение в измерения поправки, обусловленной изменением атмосферного давления.
Высокоточные долговременные гравиметрические наблюдения c использованием относительных гравиметров показывают необходимость учета этой поправки. Для баллистического гравиметра эта поправка в мкГал вычисляется по формуле (0,3 - 0,4)ДР, где АР - изменение давления относительно нормального давления в миллибарах.
Условия обсерватории позволили уточнить эту формулу в точке наблюдения.
Был использован следующий методический прием, который основывался на предположении, что изменение атмосферного давления влияет на долговременные гравиметрические наблюдения с некоторым временным запаздыванием. Опишем его подробнее.
Вариант 1. На рис. 12 показано изменение сигнала гравиметра от изменения атмосферного давления, а также построена линия регрессии этих параметров на интервале наблюдения. Значения смещения нуль-пункта гравиметра аппроксимированы полиномом 5 порядка и вычтены из показаний прибора. Наклон линии регрессии показан на рисунке и составил
0.156 мкГал/миллибар.
Рис. 10. График значений ускорений силы тяжести по наблюдениям в обсерватории
иа щ| щ ~!Ш ?20 т ;'.;о 7.® Ш.
Рис. 11. Зависимость среднеквадратическо- Рис. 12. Изменение сигнала гравиметра от го отклонения гравиметрических измерений изменения атмосферного давления и линия от атмосферного давления регрессии на интервале наблюдения
Вариант 2. Если за время наблюдения изменение атмосферного давления аппроксимировать полиномом 5 порядка (рис. 13), то мгновенные изменения давления будут сглажены, но общая тенденция останется. Сравнивая в этом случае, как и на рис. 12, изменение сигнала гравиметра от изменения атмосферного давления, представленного аппроксимированным полиномом (рис. 13), то наклон линии регрессии и значение коэффициен-
та регрессии (0,034 мкГал/миллибар) будут совершенно другими (рис. 14).
Использованный методический прием показал, что для высокоточных долговременных гравиметрических наблюдений учет влияния атмосферного давления необходим, а предлагаемые формулы учета (0.3 - 0.4)ДР требуют уточнения. Это обусловлено как местом установки гравиметров и продолжительностью измерений, так и уточнением модели влияния атмо-
сферного давления на показания гравиметра.
Результаты исследований с помощью наземного гравиметрического комплекса показывают, что основная цель при создании комплекса долговременных гравиметрических наблюдений достигнута. Разработан и создан автоматизированный
комплекс, позволяющий в заданном диапазоне частот проводить долговременные геофизические наблюдения. Для создания оптимальной методики мониторинга углеводородных месторождений необходимо получение с его помощью рядов наблюдений продолжительностью несколько лет.
Рис. 13. Изменение атмосферного давления аппроксимированное полиномом 5 порядка
Ш 7.68
Рис. 14.
Библиографический список
1. Относительный гравиметр CG-5. Система Scmtrex Autograv: руководство по эксплуатации. ред. 4. 2008. 156 с.
2. А10. Переносной абсолютный гравиметр. Micro’g. LaCoste. 2008. 156 с.
3. Цифровая трехкомпонентная сейсмическая станция Югра: руководство по эксплуатации. Обнинск, 2005. 57 с.
4. Автоматическая метеорологическая станция WXT 520. Vaisala: руководство по эксплуатации. 2010. 89 с.
The Land Based Seismic-Gravimetric Complex Creation and Exploitation Specialties
aD.V. Abramov, bV.V. Dorojkov, aV.N. Koneshov, bL.V. Furov
aThe Schmidt Institute of Physics of the Earth, 123995, Moscow, Gruzinskaya st., 10-1 E-mail: slavakoneshov@hotmail .com b Vladimir State University, 600000, Vladimir, M.Gorkiy st., 87 E-mail: dorozhkov@vlsu.ru
The creation of the seismic-gravimetric complex, working in automatic regime during several years, let us register seismometers and gravimeters test masses stirring synchronal in different frequency bands. These frequencies “overlap” lays within decimals Hertz. The seismic-gravimetric complex contains two relative gravimeters CG-5, one absolute gravimeter A10, one ternary seismic station “Ugra”, one automatic meteorological st ation and a two-frequencies GPS receiver. As base devices the relative gravimeters are used. For these devices the gravimeter scale “zero” displacement account problem was solved. For the fu l-fillment of the long time regime observations by the seismic-gravimetric complex a gravimetric observatory was built in the area with a low level technogenic noises. As a result of the preliminary geophysical observations we can state that the informative parameter is a root-mean square deviation of the measured gravity values.
Key words: seismic-gravimetric, relative and absolute gravimeters, gravimetric observatory, long time regime geophysical observations.
Рецензент - доктор технических наук В.И. Костицын
