CC BY
98УДК 550.837:621.396.98
Иванов Т.Н.
Иванов Григорий Николаевич, к. г.-м. н., доцент кафедры природообустройства и экологии ТвГТУ, тел.: (4822)449002
Ivanov G.N.
Ivanov Grigory, Associate Professor of the Chair of Nature Management and Ecology of the Tver State Technical University
ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДОВ ЛОКАЦИИ ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ И РАЗВЕДКИ ТОРФЯНЫХ И САПРОПЕЛЕВЫХ ОТЛОЖЕНИЙ2
Аннотация. В работе приведены результаты использования звуколокатора, позволяющего определять мощность органических отложений.
Ключевые слова: метод разведки, локация, торф, сапропель.
APPLICATION
OF ECHOLOCATION
METHODS
FOR THE STUDY
AND EXPLORATION OF
PEAT AND SAPROPEL
DEPOSITS
Abstract. The paper presents the results of using the sound locator, which allows determining the depth of organic sediments.
Keywords: geophysical methods, echolocation, peat, sapropel.
2 Работа была выполнена в 1980 г. и в то время имела приоритет в этой области
Методы радиолокации и зву-колокации находят широкое применение при решении различных задач разведочной геофизики [1-3 и др.]. Для изучения и разведки торфяных и сапропелевых отложений геофизические методы начали использоваться в 60-х годах прошлого века в лаборатории радиохимиии Калининского политехнического института (ныне ТвГТУ), организованной М.П. Воларовичем и Н.В. Чураевым. Затем исследования проводились под руководством и при участии Н.И. Гамаюнова, Л.С. Амаряна, И.Ф. Ларгина, А.И. Ященко, Ю.В. Баева, а также их многочисленных учеников и последователей.
Для обоснования физической возможности применения методов радио- и звуколокации в течение многих лет проводились исследования электрических и акустических свойств торфа и сапропеля как в лабораторных условиях на образцах, так и в условиях их естественного залегания [4-7 и др.]. Для проведения электроразведки необходимо знать следующие электрические характеристики торфа: удельное сопротивление р или электропроводность с, диэлектрическую в и магнитную ц, относительные проницаемости, а также поляризуемость п Под термином «акустические свойства» здесь подразумевается: скорость распространения упругих волн V, коэффициент поглощения энергии упругих колебаний а, коэффициент отражения упругой волны на границе раздела (вода - сапропель) К.
Определение мощности торфяной залежи методом радиолокации
Проведенными исследованиями КПИ совместно с Арктическим и антарктическим научно-исследовательским институтом (ААНИИ) показана принципиальная возможность применения метода радиолокации для определения глубины торфяной залежи. Существует несколько разновидностей методов радиолокации: импульсный, частотный и фазовый [8].
На основе анализа перечисленных выше методов [7] для определения мощности торфяных отложений наиболее приемлемой оказалась импульсная радиолокационная установка.
Импульсный метод
Для определения толщины слоя с помощью радиоимпульсов, отраженных от его границ, необходимо измерить интервал времени ДЬ между этими импульсами:
Дt=2h/v,
где V - средняя скорость распространения радиоволн в слое, м/с.
Для полного разрешения сигналов необходимо, чтобы выполнялось условие ДС>>Ти, где Ти - длительность радиоимпульсов. В случае зондирования толстых слоев, для которых ДЬ велико, можно использовать обычные радиолокаторы общего назначения. При этом выбор несущей частоты f0 тесно связан с особенностями распространения радиоволн в исследуемом слое, формой зондирующих радиоимпульсов и техническими возможностями транспортирования аппаратуры. Уменьшение несущей частоты приводит к увеличению максимальной глубины зондирования, однако при этом уменьшается разрешающая способность, увеличиваются размеры используемых антенн, искажается форма сигналов, отраженных от нижней границы.
Зондирование слоев малой толщины связано с трудностями выполнения условия разрешения сигналов, отраженных от границ этого слоя, при сохранении приемлемого отношения амплитуд этих сигналов. Разрешающей способностью называется такой минимальный интервал ДЬ, при котором суммарный отклик имеет вид кривой с двумя максимумами радиоимпульсов непрямоугольной формы одинаковой амплитуды. Разрешающая способность по времени определяется длительностью импульса Т0.5 (на уровне 0,5 от максимальной амплитуды). При радиоимпульсах неодинаковой амплитуды минимальный интервал практически еще больше возрастает, т. е. разрешение ухудшается. Таким образом, при зондировании требуется, чтобы Т0.5 = Д Ьтт = 2Йтт/^
Задаваясь значением V = 3,34... ...6,0-107 м/с (в = 81...25) для Йтт = 0,3 м, получим т05 = 10.18 нс.
Снижение несущей частоты /0 вызывает необходимость значительного уменьшения числа периодов колебаний т
при применении простых радиоимпульсов. Если радиоимпульс с прямоугольной огибающей в пределах длительности т„ содержит т периодов высокой частоты, то тп = тТ = т//0 (где Т - период колебаний). Для случая Т0 = 10-18 нс справедливо простое соотношение: /0 = (56.100)-т, МГц. В предельном случае импульса с одним периодом колебаний (т = 1 - моноимпульс) несущая частота равна /0 = 56 .100 МГц.
Повышение частоты хотя и способствует увеличению разрешающей способности, но вызывает значительные потери вследствие увеличения затухания радиоимпульсов. Это требует повышения потенциала радиолокатора Р [дБ]:
Р = 10 1д (Рпер./Рпер .тт),
где Рпер. - мощность передатчика; Рпер.тт. -минимальная мощность на входе приемника, необходимая для уверенной регистрации сигналов.
Максимальная чувствительность приемника ограничивается уровнем собственных шумов канала усиления. Технически проще увеличивать мощность передатчика. Увеличение чувствительности приемника может дать применение остронаправленных антенн с высоким коэффициентом усиления, так как мощность на входе приемника радиолокатора
Рп.р = РперС2ЛКпн/(64л2Й2),
где С - коэффициент усиления антенны; А - длина волны; Кпн - коэффициент потери сигнала, отраженного от нижней границы слоя; И - толщина слоя.
Применительно к рассматриваемой задаче рекомендуется использовать широкополосные импульсы, что проще всего достигается ударным возбуждением антенны, которое позволяет нормировать короткие радиоимпульсы, имеющие несколько периодов колебаний (или даже один) вплоть до сантиметровых волн. При воздействиях короткого импульса на антенну возникают затухающие колебания, средняя частота которых близка к резонансной частоте антенны, так называемый «звон» антенны. «Звон» большой продолжительности может замаскировать отраженный сигнал и осложняет обработ-
ку результатов.
Средняя мощность, развиваемая передатчиком, вычисляется по формуле
Рср=Римп /с=(У2/К)ТиКф/с ,
где Римп - мощность в импульсе; /с - частота следования импульсов; и - напряжение на нагрузке; К - сопротивление нагрузки; Ти - длительность импульса; Кф - коэффициент, зависящий от формы импульса.
Для повышения средней мощности следует увеличить /с. Однако при очень большой частоте следования импульсов отраженный сигнал приходит после излучения очередного зондирующего импульса, что приводит к ошибке в определении И. Однозначный отсчет ограничивается для Итах = 10 м:
/с < v/2hmax = (3,34.6,0)/2 = 1,67.3,0 МГц.
На основе вышеизложенного в первом приближении можно сформулировать требования к электрическим характеристикам аппаратуры: длительность зондирующего импульса Т0.5 < 10 нс, частота следования импульсов /с < 15 МГц, несущая частота /0 = 55.100 МГц. Потенциал радиолокатора (мощность передатчика и чувствительность приемника) выбирается для конкретного прибора путем предварительных расчетов и проверяется экспериментально.
Аппаратура
для радиолокационного
зондирования
Сущность импульсного радиолокационного метода заключается в следующем. Над поверхностью торфяной залежи генерируется радиоимпульс малой длительности. Этот радиоимпульс распространяется в исследуемой залежи, частично отражается от подстилающего грунта и возвращается на поверхность, где улавливается приемной антенной и поступает в регистрирующее устройство. Зная время и скорость распространения радиоимпульса, можно вычислить глубину торфяной залежи.
Блок-схема установки и пути распространения радиоволн представлены на рис. 1.
Передающая часть состоит из блока питания 1, генератора радиоимпульсов 2 и широкополосной передающей антенны 3. Генератор радиоимпульсов вырабатывает радиоимпульсы длительностью около 30 нс, частота посылок импульсов - 15 кГц, мощность в импульсе 10 Вт. Максимум спектра излучения приходится примерно на 50 МГц. Приемная часть установки состоит из широкополосной антенны 4 (аналогично передающей), усилителя радиоимпульсов 5, индикатора 6. Показания фиксируются фотокамерой 7.
правлению Sз (радиоимпульс распространяется в исследуемой толще со скоростью, отличающейся от скорости распространения радиоволн в воздухе).
Зондирующий. _______ Отраженный
импульс уг импульс
Передающая
частъ Приемная часть
Рис. 1. Блок-схема радиолокационной аппаратуры
Fig. 1. Block diagram of radar equipment
Все узлы подключены к блоку питания 9 через преобразователь 8. Индикатор 6 представляет собой переоборудованный осциллограф, работающий в режиме ждущей развертки. Зондирующий и отраженный радиоимпульсы высвечиваются на экране электронно-лучевой трубки. При известной скорости развертки луча может быть вычислено время между приходом зондирующего и отраженного радиоимпульсов (рис. 2).
Посланный передатчиком радиоимпульс попадает в приемную антенну тремя путями: по кратчайшему расстоянию Si (среда распространения - воздух), по пути S2 (вследствие отражения радиоимпульса от поверхности торфяной залежи, среда распространения - воздух) и по на-
Рис. 2. Зондирующий и отраженный импульсы на экране осциллографа
Fig. 2. The probe and the reflected pulses on the oscilloscope screen
Из-за наличия трех отраженных импульсов картина на экране осциллографа несколько осложняется, но все же время прохождения радиоимпульса t в толще залежи может быть определено достаточно точно.
Испытания аппаратуры проводились на торфомассиве Терелесово-Грядское Вышневолоцкого района Тверской области. Приемная и передающая антенны располагались на волокуше на расстоянии 10 см от поверхности залежи и 1,5 м одна от другой. Волокуша перемещалась по направлению исследуемого профиля со скоростью 1 м/с. Показания с экрана электронно-лучевой трубки (фотокамерой 7) фиксировались через каждый метр длины профиля. Исследованная длина профиля составляла около 800 м.
По результатам фотосъемки были назначены места ручного зондирования, которые проводили через каждые 50 м и дополнительно в местах значительного изменения глубины. Результаты исследований представлены на рис. 3. Глубина торфяной залежи, м, учитывая двойной путь, проходимый радиоимпульсом, определялась по формуле
где V - скорость распространения радиоимпульса в торфе, м/с; Ь - время, затра-
ченное импульсом при прохождении исследуемой толщи (определялось по фотопленке с учетом масштаба фотосъемки и скорости движения луча по экрану электронно-лучевой трубки), с.
О 100 200 300 400 500 600 700 800 I, и
Рис. 3. Кривые ручного (1) и радиолокационного (2)зондирования
Fig. 3. The curves of the manual (1) and radar (2) sensing
Скорость распространения радиоволн, м/с, в торфе вычисляется по формуле
v = -^= = 3,34-107 ,
где с - скорость распространения радиоволн в вакууме (3-108 м/с); 8 « 81 и ц = 1 -диэлектрическая и магнитная проницаемости полностью водонасыщенного торфа в торфяной залежи.
Из сопоставления кривых, приведенных на рис. 3, следует, что имеет место хорошее совпадение между результатами ручного и радиолокационного зондирования. Имеющиеся незначительные расхождения объясняются неизбежными погрешностями обоих методов.
Для непрерывной съемки профиля торфяного месторождения вместо индикатора-осциллографа с амплитудной отметкой (Л-индикатор) применяется ос-циллографический индикатор с яркостной отметкой (Z-индикатор).
Верхняя граница зондируемой среды фиксируется по сигналу, отраженному от антенны. В связи с этим минимальная глубина зондирования определяется его длительностью, которая всегда больше длительности зондирующего сигнала. Разрешающая способность в слое зависит, в основном, от длительности зондирую-
щего сигнала, а максимальная глубина зондирования - от энергетического потенциала аппаратуры: отношения мощности передатчика к чувствительности приемника.
Глубина залегания отражающей границы слоя в экспериментальной установке фиксировалась с экрана индикатора с яркостной отметкой. При этом отраженные сигналы подавались на модулирующий электрод электронно-лучевой трубки 7-индикатора, осуществляя тем самым яр-костную модуляцию луча развертки, а экран непрерывно экспонировался на фотопленку, протягиваемую со скоростью, пропорциональной скорости движения вездехода в направлении, перпендикулярном направлению развертки луча. Поскольку яркостная модуляция проводится лишь во время действия положительных полупериодов регистрируемых сигналов, то при соответствующей задержке начала развертки отображение информации на фотопленке фиксируется в виде двух непрерывно регистрируемых яркостных засветок. Первая соответствует последнему положительному полуперио-ду сигнала, отраженного от антенны, а вторая - положительному полупериоду сигнала, отраженного от подповерхностной границы. Расстояние между ними пропорционально временной задержке между сигналами, которая определяется расстоянием от отражающей границы. Таким образом, при непрерывной съемке с яркостной индикацией на фотопленке фиксируется изменение толщины зондирующего слоя по трассе зондирования в форме весьма наглядной и удобной для последующей интерпретации.
Получено хорошее согласие между изменением толщины торфяного слоя и временной задержки между регистрируемыми сигналами. В качестве примера такого соответствия результаты фоторегистрации отраженных сигналов при непрерывной съемке с яркостной индикацией и геологический разрез зондируемой среды по данным бурения приведены на рис. 4.
0,5 ~ ** IF * Ч: * * * * * -
Ю ~ Lji if * t
<3 t it -
о /о го зо to»
ПЗ] If
/ / 3 и 5
б
Рис. 4. Результаты радиолокационного зондирования (а) и структура исследуемой среды по данным бурения (б): 1 - торф, 2 - песок, 3 - глина, 4 - супесь, 5 - суглинок
Fig. 4. The results of radar sounding (a) and the structure of the medium on the drilling data (b). 1 - peat, 2 - sand, 3 - clay, 4 - sandy loam, 5 - loam
Сравнение временного интервала ЛЬ между сигналами, регистрируемыми в месте выполнения буровых работ, и толщины торфяного слоя И, измеренной ручным зондированием, позволяет определить пересчетный коэффициент К = Й/ДЬ, посредством которого можно производить интерпретацию данных фоторегистрации.
Таким образом, метод радиолокации позволяет определять мощность торфяной залежи непосредственно в полевых условиях, что значительно сокращает количество пунктов ручного зондирования и, как следствие, существенно уменьшает стоимость торфоразведочных работ.
Звуколокационная аппаратура для разведки и изучения месторождений сапропеля
Метод звуковой геолокации или звуколокации принципиально не отличается от метода отраженных волн (МОВ), широко распространенного в геофизике. Физической предпосылкой этого метода является наличие акустических границ раздела сред с разными упругими свойствами, которые, как правило, совпадают с геологическими границами. В случае применения метода звуколокации для изучения сапропелевых отложений необходимо учитывать, что они представляют собой трехслойную среду: вода - сапропель -подстилающий грунт.
Коэффициент отражения энергии упругой волны от акустической границы в случае нормального падения определяется разностью волновых сопротивлений сред по обе стороны от границы: к = ,
Р 2^2 + Р^1
где р;- V, - акустические жесткости
(волновое сопротивление) среды (/ = 1, 2); р;- - плотности и V, - скорости звука в средах.
Для воды волновое сопротивление равно 1,5406 кг/м2с, для сапропеля от 1,36-106 до 2,5-106 кг/м2с, для подстилающих пород (пески, супеси, суглинки, глины) от 2,85-106 до 4Д5-106 кг/м2с. Таким образом, основное физическое условие, позволяющее оценить возможность применения метода звуколокации для изучения сапропелевых отложений, выполняется.
При распространении импульса упругих колебаний в поглощающей среде происходит изменение длительности импульса, а также изменение эффективной ширины спектра сигнала, в котором сосредоточена подавляющая часть его энергии.
Относительная амплитуда импульса в среде с линейным коэффициентом поглощения убывает пропорционально первой степени расстояния. Относительная
длительность импульса увеличивается пропорционально расстоянию, и относительная разрешающая способность сохраняется постоянной во всем интервале глубин.
В среде с квадратичным коэффициентом поглощения уменьшение энергии и расширение импульса происходит медленнее, чем для среды с линейным коэффициентом затухания. Это объясняется тем, что при прочих равных условиях в первом случае влияние частотной характеристики среды начинает оказывать заметное воздействие на спектр импульса со стороны более высоких частот, которые в энергетическом отношении менее существенны, чем при низких частотах. Поскольку активная ширина спектра импульса и активная длительность его в конечном счете определяется величиной их энергии, то в среде с квадратичным коэффициентом поглощения уменьшение энергии и расширение импульса происходят медленнее, чем в среде с линейным коэффициентом поглощения.
В верхних слоях сапропеля (пелоге-не) зависимость коэффициента поглощения от частоты близка к линейной, а в более глубоких слоях эта зависимость по результатам наших исследований [6] выражается формулой
а = 0.5,/7.
Следовательно, относительное
уменьшение энергии и «растягивание» импульса в сапропеле происходит еще быстрее, чем в средах с линейным коэффициентом поглощения. Это означает, что при увеличении глубины ухудшается относительная разрешающая способность импульса. Это обстоятельство необходимо учитывать при выборе длительности зондирующего импульса.
Звуколокатор ЗГЛ-С1
Для зондирования и непрерывного профилирования отложений сапропеля разработан звуколокатор ЗГЛ-С1 с магни-тострикционными вибраторами с собственной частотой 15 кГц.
Комплект звуколокатора (рис. 5) состоит из центрального прибора 1, предназначенного для усиления акустических
сигналов и регулирования тока и напряжения для питания всех узлов аппаратуры; самописца 2, осуществляющего управление посылкой и приемом акустических сигналов и их запись на электротермическую бумагу (ЭТБ-2); блока вибраторов 3 с собственной частотой 15 кГц, преобразующих электрическую энергию в акустическую (вибратор-излучатель) и вибратор-приемник, преображающий акустический сигнал в электрический. Оба вибратора идентичны и могут работать как в режиме излучения, так и приема.
Рис. 5. Общий вид звуколокатора ЗГЛ-С1:
1 - центральный прибор; 2 - самописец; 3 -блок вибраторов
Fig. 5 General view of the sound locator ZGL-C1:
1 - a central unit, 2 - recorder, 3 - block vibrators
Выходная мощность, обеспечиваемая разработанным усилителем в непрерывном режиме, составляет не менее 20 ватт. Этой величины вполне достаточно для получения четкой записи на электротермической бумаге разных типов. Коэффициент усиления усилителя по напряжению « 120 дб.
Самописец использовался от серийного эхолота НЭЛ-5 или ПЭЛ-1 с незначительными изменениями для работы в комплекте звуколокатора ЗГЛ-С1. Время развертки регистрирующего устройства этого самописца позволяет получать записи глубин по воде до 40 м.
Источником питания для звуколокаторов служат бензоэлектрические агрегаты типа АБ-1-0/230 или АБ-0,5-0/230. Весь комплект звуколокатора размещался и закреплялся в лодке типа «Казанка» или любом другом плавсредстве грузоподъемностью не менее 400 кг (рис. 6). При работе на море или озерах большой площади (например, оз. Ильмень Новгородской об-
ласти) аппаратура устанавливалась на катерах водоизмещением 20-40 т.
Вертикальный масштаб (Мв) записи на эхограмме определяется по формуле
M В _
H - a h ’
Рис. б. Схема расположения аппаратуры в лодке при звуколокационной съемке: l - центральный прибор; 2 - самописец; 3 - блок вибраторов; 4 - бензоэлектрический агрегат
Fig. б. Arrangement of equipment in the boat with sound-location shooting: l - a central unit,
2 - recorder, 3 - block vibrators, 4 - petrol electric apparatus
Принцип действия звуколокатора состоит в следующем (рис. 7). Вибратор-излучатель при подаче на него импульса высокого напряжения посылает импульс упругих колебаний в воду перпендикулярно дну. На границе вода - сапропель зондирующий импульс частично отражается, частично преломляется в сапропеле, отражаясь затем на границе сапропель -минеральное ложе. Отраженные импульсы возвращаются обратно и воздействуют на вибратор-приемник с интервалом времени, пропорциональном мощности сапропеля. Вибратор-приемник преобразует их в электрические импульсы, которые усиливаются до напряжения 3S0 В и поступают через контакты приемного кулачка на пишущую линейку самописца. При этом в точке прижима линейки к спирали вращающегося вала прижигается лицевой слой электротермической бумаги, движущейся между линейкой и валом. Ряд таких точек и образует линию записи глубин на бумажной ленте (эхограмму).
где Н - глубина воды, м; а - глубина погружения вибраторов, м; И - ширина записи слоя воды на эхограмме, мм.
Рис. 7. Блок-схема звуколокатора ЗГЛ-С1: 1 - центральный прибор; 2 - самописец;
3 - блок вибраторов; 4 - бензоэлектрический агрегат
Fig. 7. Block diagram of sound locator ZGL-C1: 1 - a central unit, 2 - recorder, 3 - block vibrators,
4 - petrol electric apparatus
Глубина воды определяется ручным зондированием в определенной точке, отмеченной на эхограмме. В случае, когда проведение ручного зондирования невозможно, определяют максимально возможную глубину воды, которую можно зафиксировать на самописце:
2
где V - скорость распространения акустической волны в воде, м/с; Ьр - время развертки, то есть время прохождения контакта вдоль пишущей линейки, с.
В этом случае под Н понимается вся ширина электротермической бумаги.
Мощность зафиксированных отложений сапропеля определяется по формуле
Не = И • К ,
где Нг - мощность слоя, определенная с помощью Мв для воды, м; К - коэффициент пересчета
К = Vе / V .
Здесь vc, V - соответственно скорости упругих волн в сапропеле и воде.
Примеры записи сапропелевых отложений на эхограммах, полученных звуколокаторами ЗГЛ-С1, представлены на рис. 8, 9.
еэ —
I 1 *—
ЕЗ ”
Рис. 8. Эхограмма и профиль створа № 1 озера Зверино
Fig. 8. Echogram and profile alignment number 1 of the lake Zverin
Рис. 9. Типичные виды записи на эхограммах сапропелевых отложений больших мощностей
Fig. 9. Typical kinds of records on echogram of sapropel sediments of great thickness
По данным звуколокационной съемки и контрольных зондирований четко определяются границы распространения сапропеля в озере, что значительно снижает количество пунктов ручного зондирования. При благоприятных акустических условиях (небольшом поглощении
энергии упругих колебаний в сапропеле и наличии резкой акустической границы между сапропелем и подстилающей породой) определяется толщина слоев сапропеля до 3-5 м.
Звуколокатор ЗГЛ-С1 применялся для проведения промерных работ в шельфовой зоне Каспийского моря в районе Бакинской бухты. Собрана информация о вещественном составе пород, слагающих дно моря в районе исследований. Среди донных отложений выделены морские илы, ракушечник, песок. Получена характеристика условий залегания донных отложений. Максимальная толщина слоев илистых отложений по показаниям аппаратуры достигала 7 м. Аппаратура показала возможность регистрации подводных коммуникаций. На глубинах 3-5 м на каменистом грунте фиксировались трубы диаметром от 3 до 10 дм как при движении катера под углом 90° к ним, так и под более острыми углами.
Звуколокатор ЗГЛ-С1 также применялся при разведке донных отложений Иваньковского водохранилища. Одновременно съемка проводилась с помощью эхолота ПЭЛ-3. Получены эхограммы на пути судового хода около 300 м. Съемка велась галсами с проходами вдоль берегов и заходами в заливы. Запись на эхограм-мах довольно однотонна. Это объясняется наличием тонкой (до 10 см) прослойки ила, которая служит экраном. Она содержит нерастворенный газ, выделяющийся в результате биологических процессов. Поэтому в толще воды возникают, как правило, интенсивные кратные волны, запись которых повторяет запись донной поверхности водохранилища.
Эхограммы, полученные с помощью эхолота ПЭЛ-3, позволяют с большей точностью определить глубину воды, но не дают информации о мощности донных отложений, так как рабочая частота вибраторов эхолота составляет 22,5 кГц, а поглощение энергии упругих колебаний в средах растет с увеличением их частоты. С помощью звуколокатора ЗГЛ-С1 в некоторых местах удалось зарегистрировать различные по составу слои грунта мощностью 1,5-2 м (рис. 10).
Звуколокатор ЗГЛ-С2
Определение глубины водоемов и толщины слоев сапропеля сейсмоакустиче-ской аппаратурой зависят, в первую очередь, от свойств изучаемого разреза, среди которых важнейшую роль играет поглощение. Как показано выше, коэффициент поглощения зависит от частоты, следовательно, частотный состав зондирующего импульса является решающим при оценке глубинности источников упругих волн. Чем ниже частота, тем больше глубина проникновения, при прочих равных условиях, упругих колебаний в породы.
Рис. 10. Эхограмма района затопленного озера: 1 - эхолот ЗГЛ-С1 (виден слой органических осадков 1,5-2 м); 2 - эхолот ПЭЛ-3
Fig. 10. Echogram of flooded area of the lake: 1 -sonar ZGL-C1 (visible layer of organic sediments 1.5-2 m); 2 - sonar PEL-3
С другой стороны, разрешающая способность аппаратуры определяется соотношением, связывающим длительность импульса At и ширину его спектра / - /1):
/2 - /1)At = const.
Из этого соотношения следует, что чем шире спектр, и следовательно, выше граничная частота /2, тем короче импульс и лучшее разрешение сигналов при их записи. В связи с этим выбор рабочего диапазона частот, требования глубинности и высокой разрешающей способности находятся в противоречии между собой. Во многих случаях высокое поглощение в реальных средах не позволяет получить компромиссное решение. Лишь значительно понизив частоту, можно получить отражение от границы раздела, расположенной часто даже на небольшой глубине.
Помимо свойств среды, разрешающая способность определяется также такими факторами, как длительность посылаемого импульса, условия излучения и приема, характер помех, переходные процессы в аппаратуре и др. Применяемая аппаратура и методика позволяют получить хорошую разрешающую способность при обеспечении заданной глубины проникновения зондирующего импульса в сапропель.
В сейсмоакустической разведке одним из важных вопросов, который в конечном счете определяет технику разведки и ее возможности, является возбуждение упругих колебаний. В сейсмоакустике, в основном, нашли применение два способа возбуждения: амплитудно-модулирован-
ные гармоничные колебания (радиоимпульсы) и импульсы без заполнения (видеоимпульсы). У последних спектральная плотность в общем случае не имеет явно выраженного экстремума. Теоретически вопрос о сравнительных возможностях «радиоимпульсов» и «видеоимпульсов» при равной их длительности подробно рассмотрен в специальной литературе. Из анализа этих работ следует, что радиоим-пульсное возбуждение, не давая каких-либо преимуществ в разрешающей способности, определяемой длительностью импульса, уступает видеоимпульсному способу возбуждения при определении глубины водоемов.
Если среда имеет заметное поглощение, затухание радиоимпульса по сравнению с видеоимпульсом весьма велико. Это не может быть практически скомпенсировано лучшим отношением сигнала к шуму, выигрыш в котором при радиоимпульс-ном возбуждении по сравнению с видеоимпульсом не превышает 30-50 раз по амплитуде. В то же время отношение амплитуд за счет затухания в реальных условиях - порядка 108.
Наиболее эффективное использование вибраторов, как и любой резонансной системы, предполагает возбуждение на их собственной частоте /0. Причем при излучении достаточной мощности в окружающую среду длительность излучаемого импульса должна удовлетворять условию
ЛЬ = (10^20)1//,,
Уменьшение собственной частоты
вибратора, необходимое для увеличения глубины разведки водоемов, приводит к снижению разрешающей способности. Так, при частоте 1 кГц длительность импульса 10-20 мс, что соответствует разрешающей способности 7,5-15 м. С другой стороны, создание низкочастотных датчиков (1-3 кГц) связано со значительным увеличением их габаритов и уменьшением КПД из-за понижения кавитационной прочности воды.
Таким образом, радиоимпульсное возбуждение целесообразно в тех случаях, когда коэффициент поглощения невелик (например, в воде). Для целей же геофизической разведки видеоимпульсное возбуждение имеет большое преимущество перед радиоимпульсным.
Технически эти два типа аппаратуры отличаются тем, что в первом для создания упругих импульсов применяются магнитострикционные и пьезокерамические вибраторы, во втором - упругие импульсы создаются датчиками, реализующими различные принципы: электро-гидравлический эффект в «спаркере», электромагнитную индукцию в «бумме-ре» и др.
Изучение опыта применения различных типов датчиков позволяет сделать вывод, что при разведке на малых глубинах наиболее перспективным является датчик, основанный на электрогидравли-ческом эффекте, который заключается в образовании упругой энергии при электрическом пробое между электродами, помещенными в жидкость [9]. В последней образуется быстрорасширяющийся канал (полость), заполненный парами и продуктами химического разложения жидкости, которые образуются под действием высокой температуры, развиваемой при разряде. Быстрорасширяющаяся полость и является источником упругих колебаний, аналогично тому, как это происходит при взрыве взрывчатых веществ или горючих смесей. Принцип работы системы сейсмоакусти-ческого микропрофилирования аналогичен принципу работы звуколокатора с вибраторами.
Трудности при применении звуко-локации для разведки озер на сапропель, в частности, невозможность фиксирования в некоторых случаях нижней границы его с минеральным грунтом, связаны с боль-
шим поглощением энергии упругих колебаний. В связи с этим для увеличения глубинности разведки сейсмоакустическим методом озерных месторождений сапропеля нами разработан макет аппаратуры с электрогидравлическим источником упругих колебаний. Исходные требования к аппаратуре сформулированы на основе следующих предпосылок:
1. Для промышленного и сельскохозяйственного использования представляют интерес сапропелевые отложения толщиной до 5-10 м, находящиеся под слоем воды до 10 м. Исходя из этого шкала прибора должна быть рассчитана на запись общей глубины до 20-30 м.
2. В связи с некоторым различием акустических свойств сапропеля и разных озер приемная часть аппаратуры должна быть способна регистрировать упругие колебания с частотами от 1 до 5 кГц.
3. Определим необходимую минимальную энергию зондирующего импульса для обеспечения регистрации сигналов, проникающих на глубину 10 м в сапропель. Для простоты расчет будем вести для случая распространения плоских гармонических колебаний, представив сапропель как однородную среду с осреднен-ным коэффициентом поглощения. Изменение интенсивности колебаний тогда можно представить в виде
] = ]0 • е -2<Ч
где ]0 - интенсивность при X = Х0 ; или; переходя к энергии излучения для случая цилиндрического источника,
Ш = ЩХ/Х0>е -2“х , (1)
где исходной величиной в данном случае является Ш - энергия источника:
Ш = Жтш (Х0/Х)-е2“Х , (2)
где Шш/п - минимальная величина энергии, определяемая чувствительностью приемного устройства.
Чувствительность цилиндрических приемников, основанных на поперечном пьезоэффекте, для случая 2гн<< X выражается формулой
= 1,2 • 1010 g^,
где - электрическое напряжение на электродах пьезокерамики, вызываемое воздействием на нее давления Р; rh - наружный радиус пьезокерамического цилиндра; g31 - константа пьезокерамики (для ЦТС g31 = (41.8.9) 4014 м/В).
Таким образом, при чувствительности входного устройства Ц» = 100 мкВ и наружном радиусе приемного цилиндра Гн = 1,5-10'2 м минимальное давление для создания 100 мкВ на электродах пьезокерамики составит
U„
1-2 •Ю10 g3irH
= 6,95
_Н_
М 2
Аналитическая связь давления и энергии упругого импульса выражается формулой
W =
Р2 • St 2yV ‘
где Б - поверхность фронта волны; Ь - длительность импульса; у - плотность среды; V - скорость звука в среде.
Минимальная энергия при длительности импульса 0,5 мс и расстоянии от источника 20 м, что соответствует 10 м по глубине (при этом поверхность фронта волны равна 37,6 м2) составляет Шш/п = 0,307-10'6 Дж.
Коэффициент поглощения на частотах до 2 кГц при увеличении глубины залегания сапропеля изменяется от 0 до 1 м1 на глубинах до 10 м. Поскольку зависимость коэффициента поглощения от глубины залегания сапропеля в отсутствии значительной загазованности близка к линейной, примем его среднеарифметическое значение а = 0,5 м1 постоянным по всей глубине залежи. Тогда по формуле (2) при Х0 = 0,045 м (радиус излучающего цилиндра) необходимая энергия источника Ш для прохождения зондирующим импульсом слоя сапропеля толщиной 10 м в прямом и обратном направлениях составит Ш = 0,345 Дж. С учетом тройного отражения на границах вода - сапропель и сапропель - минеральный грунт, средние зна-
чения коэффициентов отражения на которых равны соответственно 0,2 и 0,4, необходимая минимальная энергия зондирующего импульса должна быть около 1 Дж. Из формулы (1) видно, что главную роль при определении энергии зондирующего импульса играет показатель степени при е, то есть коэффициент поглощения, так как при увеличении среднего значения а до 1,0 м1 Ш возрастает до 7-107 Дж.
Так как кпд электроискрового излучателя составляет 1,5.2 [10], энергия, накапливаемая в конденсаторах блока электрического возбуждения, должна быть порядка 50-75 Дж.
4. Разрешающая способность не хуже 1 м может быть получена при длительности импульса до 1,3-1,4 мс. Учитывая увеличение длительности импульса при прохождении через поглощающую среду [11], для обеспечения заданной разрешающей способности при мощности сапропеля до 10 м длительность излучаемого импульса должна составлять 0,2-0,3 мс.
5. Общий коэффициент усиления и чувствительность приемоусилительного канала аппаратуры должны быть достаточно высокими для уверенного приема и регистрации слабых сигналов.
6. Прибор должен иметь блочную конструкцию (масса блоков не более 20-30 кг), удобную для монтажа и переноски на небольшие расстояния.
Из проведенных экспериментов по применению электроискрового излучателя для акустического зондирования и профилирования сапропелевых отложений следует, что указанный тип излучения имеет очевидное преимущество по сравнению с радиоимпульсным возбуждением с помощью магнитострикционных вибраторов. Повышается глубинность зондирования без заметного снижения разрешающей способности. Это свидетельствует о том, что предпочтительна аппаратура с электроискровым источником упругих колебаний при изучении и разведке озерных месторождений сапропеля методом звуколокации.
Принцип действия ЗГЛ-С2 аналогичен работе звуколокатора с любым другим источником упругих колебаний. Звуколокатор ЗГЛ-С2 состоит из шести блоков: блока генератора высокого напряжения,
самописца, предварительного усилителя, усилителя мощности, пьезоэлектрической сейсмокосы, группового датчика в трубе с раствором соли.
Необходимость излучения коротких сигналов - одна из основных трудностей применения электрогидравлического излучателя. Параметры электрического разряда в пресной воде в большей степени зависят от промежутка между электродами. Поскольку в момент разряда развивается высокая температура, то электроды обгорают, и величина зазора изменяется, что приводит к нарушению стабильности разрядов. В водных растворах параметры разряда практически не зависят от расстояния между электродами. В связи с этим разработан групповой излучатель, представляющий собой дюралюминиевую трубу диаметром 90 мм и длиной 1,5 м. В средней части поверхность трубы рассверлена на отрезке 30 см таким образом, что
С > с
^ОТВ — ПЕРФ }
где Ботв - суммарная площадь отверстий; Бперф - общая площадь перфорированного участка.
В трубу наливается двухпроцентный раствор поваренной соли. Разряд протекает между открытыми участками центрального провода и корпусом трубы. Количество открытых участков провода (число электродов) определяется из условия
1,12 • и05 • С036
т = — ------------,
(1 + 0,1л)56 • (п)Уъ
где т - длительность импульса группового излучателя, с; и - напряжение разряда, В; С - емкость накопительных конденсаторов, Ф; И - глубина погружения излучателя, м; п - число электродов.
Для обеспечения заданной разрешающей способности необходимая длительность импульса достигается при количестве электродов от 3 до 40, при этом максимум спектра излучаемого импульса смещается от 1 до 3 кГц.
Формы импульсов приведены на рис. 11.
Рис. 11. Формы импульсов при разряде в трубе с водным раствором соли (п - число электродов)
Fig. 11. Shape of the pulses in a discharge in a tube with an aqueous salt solution (n - number of electrodes)
В качестве приемника акустических колебаний в ЗГЛ-С2 применяется сейсмокоса - хлорвиниловый шланг, внутри которого размещаются цилиндрические пьезокерамические виброустойчивые преобразователи. С целью акустического согласования пьезоприемников с водой шланг заполнен трансформаторным или костровым маслом.
Наибольшую амплитуду в принимаемом сигнале имеют те составляющие, которые менее остальных теряют энергию при прохождении в сапропеле. Поэтому для определения мощности сапропелевых отложений в звуколокаторе ЗГЛ-С2 применялись граничные RC-фильтры, настроенные на частоты 2 кГ ц, 3,4 кГц, 6 кГц и 12 кГц при полосе пропускания 200-300 Гц.
Для регистрации сигналов и управления посылкой и приемом упругих импульсов применялся самописец от серийного эхолота ПЭЛ-2, в котором электрические сигналы записывались в масштабе времени на электротермическую бумагу ЭТБ-2.
Эхограммы створов, полученные с помощью звуколокатора ЗГЛ-С2, приведены на рис. 12. Несмотря на то, что сапропель почти везде обладал значительной газонасыщенностью, удалось зарегистрировать слои сапропеля мощностью до 3-4 м. О большой газонасыщенности говорит тот факт, что в местах залегания сапропеля возникали интенсивные кратные волны, свидетельствующие о большом коэффициенте отражения на границе вода -сапропель. О присутствии значительного количества газа в сапропеле можно судить
также по интенсивному выделению пузырьков при ручном зондировании.
.'«Л№ :
*t&r- Ч ! j~ ' ’ ' ' ^
Jljrfp. _ ,.' - - - **•»*■■ ■'*■»
Ч^Ц»| 1,Щ|||1Виг. . . . -
, "
200_____________3UO 400 500
Рис. 12. Эхограмма магистрального створа озера Мец (Грядский плес), полученная с помощью звуколокатора ЗГЛ-С2 при частоте 2 кГц
Fig. 12 Echogram of the main alignment of the lake Mets (Gryadsky reach), obtained by means of sound locator ZGL-C2 at a frequency of 2 kHz
Таким образом, во всех приведенных случаях информация, полученная с помощью аппаратуры с электроискровым источником упругих волн ЗГЛ-С2, о характере и стратиграфии поддонных слоев грунта оказывается не меньшей, а в большинстве случаев большей, чем при использовании аппаратуры с вибраторами ЗГЛ-С1.
Из проведенных экспериментов по применению электроискрового излучателя для акустического зондирования и профилирования сапропелевых отложений следует, что указанный тип излучения обладает очевидным преимуществом по сравнению с радиоимпульсным возбуждением в звуколокаторе с магнито-стрикционными вибраторами. Повышается глубинность зондирования без заметного снижения разрешающей способности. Все это свидетельствует о перспективности аппаратуры с электроискровым источником упругих колебаний при изучении и разведке озерных месторождений сапропеля методом звуколокации.
Библиографический список
1. Кутев, В. А. Подповерхностная радиолокация / В.А. Кутев, В. Карпухин,
В. Метелкин, М.М. Финкельштейн. М.: Радио и Связь, 1994. 216 с.
2. Кутев, В.А. Методы и средства подпо-
верхностной радиолокации в решении экологических задач / В.А. Кутев // Тезисы докладов Международного научного симпозиума «Экология, авиация, техносреда - взгляд в третье тысячелетие». Рига, 1996. 110 с.
3. Корякин, Ю.А. Российская гидроакусти-
ка: современный этап развития / Ю.А. Корякин, С.А. Смирнов, А.М. Дым-шиц // Гидроакустика: научнотехнический сборник. СПб.: ФГУП
ЦНИИ Морфизприбор, 2000. 94 с.
4. Ященко, А.И. Об использовании геофизических методов при разведке торфяных и сапропелевых отложений / А.И. Ященко // Разработка торфяных месторождений. Вып. 2. Калинин: КПИ, 1974. С. 27-32.
5. Воларович, М.П. Исследование акустических свойств сапропелевых отложений / М.П. Воларович, А.И. Ященко, Г.Н. Иванов // Аппаратурные и методические разработки в геофизике. Киев: Наукова думка, 1975. С. 24-33.
6. Ященко, А.И. Изучение скоростей распространения ультразвуковых колебаний и их поглощения в сапропелях /
A.И. Ященко, Г.Н. Иванов // Разработка торфяных месторождений. Вып. XVШ (ХШ). М.: Недра, 1975. С. 73-76.
7. Гамаюнов, Н.И. Геофизические методы изучения торфа, сапропеля и их месторождений: монография / Н.И. Гамаюнов, В.И. Косов, Г.Н. Иванов. Тверь: ТГТУ, 2002. 156 с.
8. Финкельштейн, М.И. Основы радиолокации / М.И. Финкельштейн. 2-е изд. М.: Радио и связь, 1983. 536 с.
9. Калинин, А.В. Сравнительная эффективность радиоимпульсного и видео-импульсного возбуждения при сейсмической разведке / А.В. Калинин,
B.В. Калинин, Ш.А. Азими // Геофизические исследования. М.: МГУ, 1966.
C. 58-62.
10. Рой, Н.А. Об электроакустическом кпд искрового разряда в воде / Н.А. Рой, Д.П. Фролов. ДАН СССР. Т. 118. № 4. 1958. С. 43-50.
11. Калинин, А.В. Метод приближенной оценки искажения упругих импульсов при распространении в поглощающей среде / А.В. Калинин, В.В. Калинин, Ш.А. Азими // Геофизические исследования. Вып. II. М.: МГУ, 1966. С. 50-57.
