Зондирование методом становления поля

1.Физические основы метода

Зондирование становлением поля представляет собой один из вариантов индукционного электромагнитного зондирования, основанного на изучении поля переходных процессов, возбуждаемых в земле при импульсном переключении тока в источнике.

Метод зондирования становлением поля относится к методам с искусственным (контролируемым) источником возбуждения. В качестве источника поля, как и других индукционных методах, могут использоваться заземленная электрическая линия АВ или незаземленная токовая петля Q.

Для возбуждения поля переходных процессов необходимо импульсное переключение тока в питающей установке. Стандартными импульсными сигналами являются :

1. Кратковременный импульс бесконечно большой амплитуды, описываемый d - функцией Дирака : 

<!--[if gte vml 1]>

<![endif]--><!--[if gte mso 9]><![endif]-->

2. Импульс включения, описываемый s - функцией Хэвисайда :

<!--[if gte vml 1]>

<![endif]--><!--[if gte mso 9]><![endif]-->

3. Импульс выключения, описываемый s - функцией Хэвисайда :

<!--[if gte vml 1]>

<![endif]--><!--[if gte mso 9]><![endif]-->

Создать токовый импульс, удовлетворительно описываемый d-функцией Дирака, достаточно сложно, поэтому обычно используют ступенчатое возбуждение поля.

Рассмотрим особенности процесса становления поля: после мгновенного переключения силы тока в источнике возбуждение передается в каждую точку среды двумя путями : по воздуху и по земле.

  • Возбуждение первого рода распространяется со скоростью света без поглощения (т.к. воздух - изолятор), на достаточно большом расстоянии от источника проникает вертикально в землю одновременно во всех точках, амплитуда поля убывает с удалением от источника.
  • Возбуждение второго родараспространяется непосредственно по земле с конечной скоростью и поглощением. Диффузное распространение вторичных вихревых токов, которые с течением времени равномерно распределяются в пространстве, их интенсивность убывает.

Для дальней зоны характерно возбуждение первого рода, для ближней зоны - возбуждение второго рода. Математически это разделение проводится с использованием параметра становления <!--[if gte vml 1]>

<![endif]--><!--[if gte mso 9]><![endif]--> и приведённого расстояния

 

 

Геофизический метод, позволяющий проводить зондирования становлением поля в дальней зоне (ЗСД) успешно применялся в течение многих лет, однако на слишком больших разносах вести измерения нельзя из-за ухудшения соотношения сигнал/помеха. Была создана практическая методика зондирования становлением поля в ближней зоне (ЗСБ). Этот метод имеет значительные преимущества:

1.    Снимается проблема точки записи.

2.    Появляется значительная локальность исследований, превосходящая возможности ВЭЗ, ДЭЗ, ЧЗ, ЗСД и др. методов.

3.    Метод обладает высокой разрешающей способностью.

4.    Значительно упрощается технология работ.

5.    Метод не имеет теоретических ограничений на глубинность исследований.

            В силу изложенных преимуществ метод ЗСБ в настоящее время является одним из ведущих методов электромагнитных индукционных зондирований. Он может применятся, как для глубинных структурных исследований, так и для малоглубинных инженерно- и гидрогеологических изысканий.

 

2.Принцип действия аппаратуры

Аппаратура применяемая при ЗСБ делится на два класса: аппаратура с полной раздельной регистрацией каждого импульса становления позволяет проводить последующую более тонкую обработку результата (станции ЦЭС) и аппаратура с накоплением импульсов в самой аппаратуре, позволяющая производить аппаратурное накопление сигнала, качество которого при последующей обработке можно улучшить практически только переменной во времени фильтрацией. Преимущество таких устройств в том, что результат можно получать непосредственно в поле. К ним относятся приборы с аналоговым накоплением: МППО-1, МПП-3, МППУ и с цифровым накоплением: “Зонд”, “Цикл”, “Импульс-2”, “Импульс-3”, “КОД-1”.

 
            Аппаратура КОД-1

Для накопления сигнала в данной аппаратуре используется многократное повторение сигнала. Эффективность накопления может ухудшиться, если помеха низкочастотна.

            Аппаратура формирует однополярные импульсы тока прямоугольной формы в генераторной нагрузке. Скважность импульсов, т.е. отношение периода следования импульсов к их длине, равна 4/3.

Длительность импульсов изменяется ступенчато (6 диапазонов) и имеет следующие значения:

                                                   

Диапазон
Длительность
1
192 мкс
2
768 мкс
3
3.07 мкс
4
12.29 мкс
5
49.15 мкс
6
196.61 мкс
 

Амплитуда импульсов зависит от напряжения источника питания генераторной петли и сопротивления нагрузки. Максимальная амплитуда импульсов тока на генераторной нагрузке 20А. Максимальное коммутируемое напряжение на генераторной нагрузке 70В. Максимальная коммутируемая мощность 1.4 кВт.

 
 
 
 
 
 
 
Технические характеристики:

Максимальная амплитуда импульсов тока на генераторной нагрузке 20А.

Максимальное коммутируемое напряжение на генераторной нагрузке 70В.

Максимальная коммутируемая мощность 1.4 кВт.

Чувствительность аппаратуры:
единица младшего разряда на цифровом дисплее 1.7 мкВ.

Время индикации (изменяется от положения ручки “Накопление”): “1”-0.5с, “10”-5.6с.

Динамический диапазон измерения напряжения 120 дБ.

Мощность, потребляемая по цепи 12В (общее управление) не превышает 15Вт.

Габаритные размеры  370*190*340.

Масса аппаратуры без источников питания 10 кг.

 

При полевых работах методом ЗСБ обычно используют установки “АВ-петля”, “петля - петля”, а также “петля в петле”. Последняя является наиболее широко применяемой из-за высокой технологичности работ, повышенной локальности исследований и определенности местонахождения точки записи.

<!--[if gte vml 1]>

<![endif]--><!--[if gte mso 9]><![endif]-->

 
3.Обработка и интерпретация
 

            Приёмы интерпретации делятся на качественные и количественные. Качественная интерпретация использует для приближения к решению обратной задачи принципы эквивалентности. Количественная интерпретация основана на строгом решении обратных задач в рамках различных геоэлектрических моделей. При этом основной моделью является одномерная модель (однородное горизонтально-слоистое полупространство). Основные особенности интерпретации, присущие методу ЗСБ, обусловлены сложностью решения прямой задачи даже для простейшей горизонтально-слоистой модели.

 

Предварительная обработка полевых данных включает в себя введение в компьютер информации, содержащейся в полевом журнале и расчёт «полевых» кривых кажущегося сопротивления rt(t) по формуле, полученной из решения прямой задачи для однородного изотропного полупространства:

<!--[if gte vml 1]>

<![endif]--><!--[if gte mso 9]><![endif]-->

где Q и q -эффективная площадь генераторной и приёмной петель, учитывающая число витков;E(t) -приведённая ЭДС в приёмном контуре,

<!--[if gte vml 1]>

<![endif]--><!--[if gte mso 9]><![endif]-->, где I0 - амплитуда тока в генераторном контуре.

            Затем производится редактирование полевых кривых кажущегося сопротивления rt(t), (или соответствующих им кривых становления E(t)).

 

            Кривые кажущегося сопротивления уже позволяют делать некоторые качественные заключения о характере разреза: выделить число слоёв, определить соотношение удельных сопротивлений в этих слоях.

          

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Определение кажущейся продольной проводимости разреза St - параметр, который более наглядно, чем rt, отражает добавление (с ростом времени становления) новых проводящих слоёв в разрезе и позволяет приближённо оценивать параметры этих слоёв, минуя этап формальной одномерной интерпретации.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Таким образом, последним этапом обработки является расчёт кривых кажущейся продольной проводимости по сглаженным кривым становления E(t). Полученные кривые для удобства интерпретации строятся вместе с учётом рельефа местности и реального положения точек зондирования относительно друг друга. Коррелирование некоторых характерных точек на кривых кажущейся продольной проводимости St(ht) по профилю позволяет проследить положение геоэлектрических границ в пространстве. Используя формальное дифференцирование кривых, можно определить осреднённые геоэлектрические параметры слоёв, задаваемых выделенными границами. Для повышения эффективности интерпретации необходимо максимально использовать всю имеющуюся априорную информацию о разрезе (полученную с помощью других геофизических методов, по данным бурения и т.д.).

             Расчёт прямой задачи для модели из 5-7 слоёв с помощью программного комплекса «ЭРА», разработанного в СНИИГГиМС (г. Новосибирск) и реализованного для IBM-совместимых персональных компьютеров занимает от 2 до 15 сек. Это позволяет достаточно легко и быстро решать обратную задачу методом подбора (минимизация функционала невязки по параметрам модели):

 

 

 

 

            Программный комплекс «ЭРА» позволяет после решения обратной задачи оценить точность определения каждого параметра модели и пределы эквивалентности для каждого параметра.