CC BY
16
ЕСТЕСТВОЗНАНИЕ
А.А. Певзнер, |Л.А. Певзнер|
А.А. Певзнер, Л.А. Певзнер
ОСОБЕННОСТИ ВОЗБУЖДЕНИЯ ВЫСОКОЧАСТОТНЫХ ВИБРОСЕЙСМИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ
В последние годы сейсмические методы все в больших объемах начинают применяться на крупномасштабных стадиях изучения месторождений твердых полезных ископаемых. При этом объектом сейсморазведки становится непосредственно рудное тело или локальные структурно-вещественные неоднородности, контролирующие рудные тела и месторождения (узлы пересечения разрывных нарушений, зоны гидротермальноизмененных пород или повышенной проницаемости и т.д.).
Большая часть рудных месторождений связана с открытыми или полузакрытыми (мощность наносов не превышает десятков - сотни метров) территориями складчатых областей сложенных сильнодислоцированными с интенсивной тектономагматической проработкой, комплексами осадочных или изверженных пород, отличающихся сложной формой и изменчивыми физическими свойствами литолого-стратиг-рафических и тектонических границ. Вмещающая среда, так же как и сами рудные тела отличается высокими (5000-6000 м/с) значениями скорости упругих колебаний и добротности среды (400-600). Относительно слабая скоростная дифференциация на границах раздела сочетается с высокой степенью неоднородности всей среды в целом. Низкоскоростная изменчивая по мощности и свойствам покрывающая толща обуславливает образование интенсивных низкочастотных волн-помех в широком диапазоне частот и скоростей.
Задача детального изучения значительного интервала малых глубин (от десятков до сотен метров) приводит к потребности разрешения волнового поля в очень небольшом временном интервале (0,2-0,4 с) малые размеры (от первых метров до первых сотен метров) целевых объектов и их сложная форма также требует повышения разрешающей способности метода.
Таким образом, с одной стороны, высокие значения скорости упругих колебаний и изменчивое строение ВЧР снижает разрешающую способность метода, а с другой стороны, поставленные геологические задачи заставляют искать пути её весьма существенного повышения.
Факторами, благоприятными для достижения этой цели, являются малые глубины целевых объектов и высокая добротность среды, позволяющая использовать высокочастотные компоненты волнового поля. Наличие значительных площадей с маломощной зоной малых скоростей позволяет рассчитывать на успешное применение невзрывных источников сейсмических волн.
Требуемое уменьшение шага сейсмоприемни-ков для изучения целевых объектов малых размеров удачно согласуется с требованиями регистрации высокочастотных компонент волнового поля.
Наметившаяся тенденция к увеличению глубинности поисков при одновременном уменьшении размеров целевых объектов и ухудшении разрешающей способности традиционного комплекса геофизических методов делает еще более актуальной проблему повышения разрешающей способности сейсморазведки и в первую очередь за счет повышения частотного диапазона волнового поля. Г.А. Гамбурцев еще в 1952 году отметил, что «разработка метода ВЧС открыла перед сейсмической разведкой новые области исследования - область рудной и инженерной геофизики»* [1]. Главными проблемами, определяющими развитие этого актуального направления, являются задачи повышения и оценки разрешающей способности волнового поля и оценка частотно-зависимого затухания.
Горизонтальная (пространственная) разрешающая способность позволяет оценить разрешение геологических неоднородностей. В этом случае в оценке участвуют частота, скорость упругих колебаний и расстояние до изучаемого объекта.
Таким образом, повышение разрешающей способности сейсморазведки может быть достигнуто за счет повышения частоты (при достаточно большем октавном числе), понижения скорости или сокращения расстояния до отражающего объекта. В этой связи можно было бы рассчитывать на повышение разрешающей способности за счет использования поперечных отраженных волн с пониженными скоростями, если бы удалось сохранить их период равным периоду продольных волн, что в принципе возможно при вибрационных источниках. Можно пытать-
Вестник КГУ им. Н.А. Некрасова ♦ № 3, 2006
© А.А. Певзнер, | Л.А. Певзнер], 2006
Особенности возбуждения высокочастотных вибросейсмических сигналов
ся сократить расстояние до исследуемого объекта за счет наблюдений ВСП в скважинах, но в этом случае возможности метода будут полностью определяться взаимным расположением объекта и скважины.
Наиболее реальным путем повышения разрешающей способности является расширение частотного диапазона используемых сигналов. При этом, наряду с достижением основной цели, могут быть получены дополнительные преимущества, заключающиеся в увеличении диапазона изучаемых глубин, улучшения соотношения сигнал/помеха и сокращение диапазона волнового поля на входе сейсмоприемника и в конечном итоге в вовлечении в число объектов прогнозирования непосредственно рудных тел и других структурно-вещественных неоднород-ностей малого размера. Появляется возможность включить в число изучаемых параметров так называемые «собственные частоты колебаний» геологических неоднородностей.
Активное развитие высокочастотных модификаций сейсморазведки сдерживается в первую очередь проблемой частотно-зависимого затухания волнового поля. Отсутствие теоретической базы и необходимого объема экспериментальных данных привело к существованию достаточно разноречивой оценки характера поглощения высокочастотных компонент. В настоящее время большинством исследователей принято считать его пропорциональным первой степени частоты. В числе основных причин частотно-зависимых потерь рассматриваются диссипация, связанная с внутренним трением и процессы затухания, связанные с рассеянием на всех типах неоднородно-стей среды, включая и тонкую слоистость.
Интегральная характеристика всех факторов частотно-зависимого затухания выражается коэффициентом затухания а [2]
/
Q • ^
(1)
где f и V соответственно частота и скорость упругих колебаний; - удельная диссипативная постоянная (величина, обратная добротности среды Q).
Для оценки потерь (в децибеллах) на некотором расстоянии Ъ может быть использовано выражение:
/•Z
а = 8,6-
Q • V
(2)
Из (2) видно, что потери растут с увеличением частоты и уменьшаются с увеличением добротности и скорости. Для сейсмогеологических условий рудных районов значение скорости почти в два раза превышает скорость в осадочных разрезах, а добротность в пять-десять раз и, следовательно, потери при равных значениях частот в рудных районах, по крайней мере, на порядок ниже частотно-зависимых потерь в осадочных разрезах. Поэтому при равных с осадочными разрезами потерях, для рудных районов может быть на порядок повышена частота используемых сигналов. Последнее обстоятельство позволяет компенсировать снижение разрешающей способности метода в рудных районах, связанное с высокими значениями скорости. Меньшие глубины целевых объектов рудных районов позволяют еще более повысить частотный диапазон. Если принять меры, обеспечивающие исключение или компенсацию фильтрующих свойств составляющих сейсмического канала (контакт источник-среда и среда-приемник, методические приемы и процедуры обработки и т.д.) и в первую очередь возникает проблема высокочастотного источника.
В отличие от импульсных источников вибрационные источники могут обеспечить достаточно широкий спектр частот.
Из наиболее важных характеристик высокочастотных вибросейсмических источников следует в первую очередь оценить необходимый частотный диапазон и энергетические параметры.
Выбор частотного диапазона определяется требованиями разрешающей способности относительно целевых объектов и фильтрующими свойствами среды и должен учитывать частотную структуру волнового поля. Для обеспечения необходимого разрешения по вертикали, мощность изучаемого объекта не должны превышать четверть длины волны, для условий, когда требуются только обнаружение объекта, его мощность может быть уменьшена еще в четыре-во-семь раз. Предельная горизонтальная разрешающая способность оценивается одной четвертью или половиной главной зоны Френеля. В реальных условиях рудных районов (Ьмс=5 м, Н=1000 м и У=5000-6000 м/с ) для достижения сформулированных требований к длине волны максимум спектра сигнала с точки зрения вертикальной разрешенности должен соответствовать 250300 Гц. Аналогичное значение получаем для го-
Вестник КГУ им. Н.А. Некрасова ♦ № 3, 2006
41
ЕСТЕСТВОЗНАНИЕ
К.В. Шевченко
ризонтальной разрешенности при соответствующих размерах объекта равных 40-50 м. И с точки зрения указанных размеров целевых объектов нет необходимости увеличивать частоту в источнике больше, чем до 500 Гц.
Учитывая отмеченный выше диапазон волн помех можно рекомендовать нижнее значение частот равным 60-70 Гц и, тогда с учетом требования ок-тавного числа, равного 3, верхняя граничная частота также будет превышать 500 Гц и максимум частотного спектра окажется равным 280 Гц.
При оценке ожидаемых оптимальных энергетических параметров высокочастотных непрерывных источников некоторые исследователи считают необходимым компенсировать потери высокочастотных компонент резким увеличением мощности источника. Вместе с тем И.И. Гур-вичем (1964) установлено, что в средах, где затухания сейсмических волн в верхней части разреза существенно выше затухания в коренных породах целесообразно применение источников слабых воздействий для улучшения соотношения сигнал/помеха [3].
Минимальная величина энергии возбуждения ограничивается относительным уровнем случайных (микросейсмических) помех и может быть дополнительно снижена при синхронном накапливании воздействий.
Для приближенной оценки энергии источника можно воспользоваться известной зависимостью частоты собственных колебаний источника (/0) и энергии (Е):
/ = К ■ Е
где К - коэффициент, учитывающий передаточную функцию источника и свойства среды на контакте.
Значение коэффициента «К», полученное из анализа параметров серийных вибрационных сейсмических источников равно 250. Тогда для источников с максимумом спектра на уровне 300 и 500 Гц величина усилия на грунт составит соответственно 0,1 и 0,5 кН. Следовательно, полученные оценки подтверждают высказанные предположения о сохранении общей зависимости частоты и энергии и для невзрывных сейсмических источников, при этом необходимый уровень сейсмического сигнала при использовании маломощного источника можно достигнут соответствующим накоплением (длительностью посылки) и комбисвипом.
Важным достоинством вибрационного источника по отношению к импульсному является его меньшая зависимость от условий установки и возможность ограничения спектра сигналов со стороны нижних частот.
Таким образом, вибрационные источники для высокоразрешающей сейсморазведки в рудных районах должны обладать следующими основными параметрами:
1) частотный диапазон возбуждаемых колебаний - 50-500 Гц;
2) усилие вибратора на грунт - 0,3-1,0 кН;
3) длительность посылки, не менее 30 с
4) источник должен быть смонтирован на транспортном средстве повышенной проходимости.
Большая часть изложенных выше предложений была реализована и подтверждена экспериментальными полевыми наблюдениями в реальных условиях рудных месторождений.
В экспериментальных работах использовался образец электродинамического источника с амплитудой усилия от 2 до 5 кН и частотным диапазоном от 40 до 600 Гц. В итоге работ показано, что в условиях высокоскоростных кристаллических пород, так и в осадочных низкоскоростных отложениях амплитуда сигнала на рабочем органе источника за областью естественного максимума от частоты меняется незначительно, что создает условия формирования достаточно равномерного спектра зондируемого сигнала в указанном диапазоне частот.
В точках приема на удалении нескольких сотен метров, как на поверхности, так и в скважинах (глубиной свыше 500 м) фактор частотно-избирательного поглощения незначителен. Амплитуда сигналов уменьшается с удалением от источника в основном за счет расхождения фронта волн, что не отражается на их спектральном составе. В результате в условиях кристаллических пород при наблюдениях в скважинах получена высокоразре-шенная волновая картина проходящих продольных и поперечных волн, зарегистрированы и прослежены отраженные волны, прослеживание которых в низкочастотном диапазоне невозможно или сопряжено со значительными сложностями из-за неразрешенности и слабой динамической выразительности. При наблюдениях на поверхности в осадочном разрезе (скорости продольных волн 400-1800 м/с) уверенно зарегистрированы многочисленные отражения в диапазоне времен до 0,6 с с высоким разрешением. Их видимая частота при-
42
Вестник КГУ им. Н.А. Некрасова ♦ № 3, 2006
Современные тенденции развития в системах управляемых автоматизированных электроприводов
мерно соответствует средней частоте свипа, что свидетельствует об отсутствии заметного избирательного поглощения в диапазоне до 500 Гц. При этом в диапазоне частот 120-500 Гц, волны-помехи верхней части разреза существенно ослаблены по сравнению с низкочастотным диапазоном. В ходе названных работ были приняты меры ослабления сторонних помех.
При наблюдениях на поверхности ими в основном являлись: микросейсмические колебания ветрового и индустриального происхождения с максимумом энергии в области 40 Гц. Эти помехи ослаблялись применением в канале ФВЧ с соответствующей частотой левого среза.
Достигнуто существенное повышение эффективности метода при выявлении и оконтуривании целевых геологических неоднородностей с размерами от первых метров до первых десятков метров.
На основе большого объема наблюдений с высокочастотными невзрывными импульсными источниками в диапазоне частот 100-800 Гц оценены параметры затухания, свидетельствующие о высокой добротности пород разреза и отсутствии аномально высоких потерь энергии высокочастот-
ных компонент волнового поля. Установлена реальная возможность повышения разрешающей способности сейсморазведки почти на порядок, за счет применения высокочастотного маломощного вибрационного источника с вертикальной направленностью в сочетании с трехкомпонент-ной регистрацией и накоплением.
Дальнейшее повышение эффективности сейсморазведки может быть достигнуто за счет согласования всех звеньев сейсмического канала с сейсмологическими особенностями изучаемого объекта и между собой.
Примечание
* Под ВЧС (высокочастотная сейсморазведка) Г.А. Гамбурцев предложил понимать сейсмические исследования в диапазоне частот 70-500 Гц.
Библиографический список
1. ГамбурцевГ.А. Основы сейсморазведки. -М., Гостоптехиздат, 1959.
2. Уотерс К. Отражательная сейсмология. -М.: Мир, 1981.
3. ГурвичИ.И. Сейсморазведка. - М.: Недра 1964.
К.В. Шевченко
СОВРЕМЕННЫЕ ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ В СИСТЕМАХ УПРАВЛЯЕМЫХ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ
Автоматизация - это внедрение в производство технических средств, которые управляют процессами без непосредственного участия человека. Автоматизация приводит к улучшению показателей эффективности производства, улучшению качества, увеличению количества и снижению себестоимости выпускаемой продукции. Высокие темпы развития промышленности неразрывно связанно с проведением автоматизации. Задачи, которые решаются при автоматизации современных производств, весьма сложны и требуют от специалистов знания не только устройства различных приборов, но и общих принципов составления систем автоматического управления [3]. Внедрение АСУ в производство обеспечивает: сокращение потерь от брака и отходов, уменьшение численности основных рабочих, увеличение межремонтных сроков работы оборудования. Энергетическую основу производства со-
ставляет электрический привод, технический уровень которого определяет эффективность функционирования технологического оборудования. Развитие электрического привода идет по пути повышения экономичности и надежности за счет дельнейшего совершенствования двигателей, аппаратов, преобразователей, аналоговых и цифровых средств управления. Прогрессивным явлением в этом процессе является применение микропроцессора и микроЭВМ, позволяющих существенно расширить функциональные возможности автоматизированного электропривода и улучшить его технические и экономические характеристики [2].
Значительное число объектов управления (до 20%) обладает непостоянными (дрейфующими) во времени параметрами. Дрейф параметров, как правило, вызывается рядом факторов:
1) сменой нагрузки на технологический агрегат;
© К.В. Шевченко, 2006
Вестник КГУ им. Н.А. Некрасова ♦ № 3, 2006
43
