Определение области применения бесконтактной технологии метода сопротивлений тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.10, кандидат наук Груздев, Александр Игоревич

• Груздев, Александр Игоревич
• кандидат наук
• 2017

Оглавление диссертации кандидат наук Груздев, Александр Игоревич

Оглавление

Введение

Актуальность

Цели и задачи работы

Теоретическая и практическая значимость

Степень достоверности результатов

Апробация

Благодарности

Публикации

Структура и объем работы

Глава 1. Обзор

Развитие теории бесконтактных измерений

Известные аппаратурные комплексы и их классификация

Выводы из обзора

Глава 2. Ограничения, накладываемые на бесконтактную методику, связанные с

использованием переменного тока

Общие характеристики метода

Расчет поля высокочастотного горизонтального диполя над проводящим полупространством

Расчет поля в квазистатическом приближении в ближней зоне

Область применения метода

Анализ поля горизонтального диполя

Учет влияния поля мнимого вертикального электрического диполя

Построение области применения метода

Полевая апробация методики

ВЕГА

БИКС

OhmMapper

ERA MAX

Сравнение результатов

Область применения метода и область полевых данных бесконтактных методов

Защищаемое положение

Глава 3. Помехи в верхнем полупространстве, искажающие измерения бесконтактными

методиками

Введение

Определение искажений, связанных с индукцией, для горизонтально слоистой среды

Влияние снежного покрова на точечный источник над горизонтально-слоистой средой

Поле источника тока в однородном полупространстве

Алгоритм прогонки для вычисления электрического поля источника тока в горизонтально-

слоистой среде (алгоритм В.И. Дмитриева - А.Г. Яковлева)

Проверка решения

Влияние снежного покрова на исследования бесконтактной методикой

Расширение области применения бесконтактного метода над снежной толщей

Особенности измерения электрического поля в воздухе

Выводы ко второй главе

Защищаемые положения

Глава 4. Примеры применения бесконтактной методики

Работы с аппаратурой OhmMapper в Териберке

Методика работы аппаратура

Обработка данных

Обработка и анализ полученных результатов

Выводы

Сравнение бесконтактной версии метода сопротивлений с методом дипольного индуктивного

профилирования (ДИП) в д. Борисенки

ДИП, ЕМ-34

Бесконтактная технология, БИКС

Выводы

Заключение

Список литературы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Определение области применения бесконтактной технологии метода сопротивлений»

Введение

Электрическое сопротивление пород - важная характеристика, которая зависит от множества факторов (пористость, влажность, литология и др.). За счет относительной дешевизны исследований, методы, позволяющие определить электрическое сопротивление, используются для решения широкого спектра задач: инженерных, разведочных, структурных, археологических и многих других. Для выполнения столь разноплановых исследований зачастую требуется создание специальных модификаций метода сопротивлений, наиболее подходящих для решения конкретной задачи. Одной из таких модификаций являются бесконтактные измерения, разработанные в середине 70-х годов прошлого века специально для исследований в северных районах и переживающие сейчас стремительное развитие. Данная модификация позволяет проводить исследования в отсутствии гальванического заземления (гальваническое заземление на большей части территории северных районов затруднено, а в некоторых местах невозможно), при этом существенно упростив и ускорив процесс измерений (по сравнению со стандартными вариантами метода сопротивления).

Актуальность

Гальванические исследования на постоянном токе имеют принципиальные ограничения при работах в условиях невозможности или неэффективности организации заземлений. При необходимости работы в приближении постоянного тока единственным способом обхода этих ограничений являются технологии бесконтактных измерений электрического поля.

Типичными практическими ситуациями, при которых возникает необходимость применения бесконтактных методов, являются исследования в зонах преобладания многолетнемерзлых, скальных грунтов, при наличии снежного покрова или непроводящего искусственного покрытия (асфальт, бетон), сыпучих непроводящих грунтов. Подобные ситуации типичны для севера нашей страны, для горных и антропогенных районов.

Распространенность условий, в которых необходимо применение

бесконтактных технологий определяет развитие в настоящее время аппаратурно-методических комплексов, выполняющих бесконтактные измерения.

Современное состояние технологии бесконтактных измерений имеет несколько особенностей. Первая состоит в слабой разработанности методов решения прямой задачи (в сравнении с гальваническим вариантом) и, как следствие, в недостаточной разработанности практических рекомендаций по их применению. Это приводит к снижению эффективности использования технологии бесконтактных измерений в целом.

Вторая особенность современных аппаратурно-методических комплексов состоит в существенном различии их характеристик. На практике она еще больше затрудняет использование технологии бесконтактных измерений, так как возникает необходимость в методических рекомендациях для широкого диапазона параметров исследования.

В настоящее время эти рекомендации не существуют. Их создание является актуальной задачей в области теории, методики и практики бесконтактных измерений.

Цели и задачи работы

Целью работы является определение условий, в которых результаты бесконтактных измерений будут неотличимы от результатов других вариантов метода сопротивлений.

Для решения данной задачи необходимо:

• Провести анализ работ отечественных и зарубежных авторов.

• Исследовать способы решения прямой задачи бесконтактной методики.

• Исследовать теоретические ограничения применимости метода для однородного полупространства.

• Оценить влияние индукции на бесконтактные измерения над горизонтально-слоистой средой.

• Разработать способ определения области применения бесконтактного метода в зависимости от частоты измерений.

• Модернизировать решение прямой задачи для бесконтактной методики над горизонтально-слоистой средой.

• Проанализировать практические результаты применения бесконтактной методики в различных условиях.)

При решении этих задач автором были получены новые научные результаты:

• Показано, что теоретическая основа метода для большинства авторов имеет общие черты.

• Разработан способ определения области применения бесконтактной методики в зависимости от частоты.

• Реализовано решение прямой задачи для бесконтактных методик над горизонтально-слоистой средой.

• Сделаны выводы о влиянии снежного покрова на бесконтактные измерения.

Теоретическая и практическая значимость

• Математически описан процесс бесконтактных измерений электрического поля в широком диапазоне частот и разносов, при произвольном расположении источника и приемника относительно изучаемой геологической среды.

• Разработана методика оценки применимости бесконтактных измерений для всех встречающихся на практике задач (геоэлектрических разрезов) и используемых типов методики и аппаратуры.

• Теоретически рассчитаны и экспериментально апробированы методические рекомендации при планировании бесконтактных измерений и интерпретации полученных результатов. Это позволяет для любых практических задач и аппаратурно-методических конфигураций бесконтактных технологий принципиально повысить качество моделирования при планировании работ и интерпретации результатов.

• Теоретически и практически решены задачи моделирования и интерпретации данных бесконтактных измерений при наличии снежного покрова.

Полученные результаты позволяют определять на практике степень влияния снежного покрова при планировании полевых работ и при интерпретации полученных результатов.

На защиту выносятся следующие научные положения:

• На основе математической модели однородного полупространства, учитывающей влияние индукции, токов смещения и высоты расположения антенн над землей, определена область применения бесконтактной технологии метода сопротивлений.

• Разработан алгоритм для расчета поля источника над ГСС в непроводящем полупространстве с учетом токов смещения (модификация алгоритма прогонки).

• Разработаны способы оценки влияния снежного покрова на данные бесконтактных измерений, определены ограничения, связанные с влиянием снежного покрова и способы борьбы с ними.

Степень достоверности результатов

О достоверности результатов диссертационного исследования свидетельствует корректное использование современных инструментов разработки и исследования (аппаратурные комплексы OhmMapper, ERA MAX, ВЕГА, БИКС, Syscal Pro и д.р.) и совместное использование теоретического расчета, математического моделирования и тестовых полевых экспериментов с анализом и взаимной проверкой их результатов (программное обеспечение x2ipi, ipi2win, RES2DINV, MagMap2000 и д.р.). Показана повторяемость результатов экспериментов; полученные в работе результаты согласуются с результатами, полученными другими авторами, там, где их можно сопоставить.

Апробация

Результаты работы докладывались, обсуждались и получили одобрение специалистов: на конференциях и семинарах - «Научно практический семинар электроразведка в поисковой и инженерной геологии 2013», конференция «Инженерная геофизика 2014», конференция «Угольная и рудная геофизика -

2015».

Благодарности

Автор глубоко признателен своим наставникам: Бобачеву А. А., Шевнину В. А., Модину И.Н. Благодарен своим друзьям и коллегам: Тамбергу А.С., Макарову Д.В., Музыченко Е.Л., Павловой А.М., Ялову Т.В., Науменко Д.А., Богданову П.С., Черникову Д.И., Чупахину Д.В., которые помогали в сборе данных и написании работы. А также своей семье за поддержку и терпение.

Публикации

По материалам диссертации опубликовано 4 работы[6,7,8,9], в том числе: 2 публикации в печатных изданиях из перечня Российских рецензируемых научных журналов, рекомендованных ВАК.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из титульного листа, оглавления, введения, 4 глав:

• в первой главе приводится литературный обзор,

• во второй главе рассматриваются особенности бесконтактных измерений над однородным полупространством, вводится понятие области применения метода,

• в третьей главе рассматриваются искажения бесконтактных измерений, связанные с помехами в верхнем полупространстве,

• в четвертой главе приводятся примеры полевых работ,

заключения и списка литературы. Она изложена на 101 страницах машинописного текста и содержит 77 иллюстраций и 14 таблиц. Список литературы состоит из 51 наименования.

Глава 1. Обзор

Развитие теории бесконтактных измерений

В нашей стране в 70-х годах прошлого века было положено начало бесконтактным измерениям. Можно выделить две группы ученых, которые занимались этой задачей параллельно и практически независимо друг от друга.

В работах Тимофеева [Тимофеев В.М1977; Тимофеев В.М1979; Тто/вву¥.М. 1973] описывается метод высокочастотного измерения электрического поля (ВЧЭП). Метод разработан специально для инженерно-геокриологических изысканий, поэтому в нем используются установки, состоящие только из незаземленных линий. Все вычисления представлены в квазистационарном приближении электрического поля для ближней зоны: I!"!2 » !02 и & « (0, где !0 - волновое число воздуха, а (0 - длина волны в воздухе. Предполагается, что разносы при инженерных изысканиях не должны превышать 50 метров (& < 50 м),

из чего следует, что для Я=50 м, и — > 10 используемые частоты должны быть

меньшеили равны 600 кГц (/ < 600 кГц). В работеТимофеева рассматривается зависимость измеряемого сопротивления от расстояния между диполями Я и высотой подъема И [Тимофеев В.М1977; Тимофеев В.М1979]. Для заданного сопротивления полупространства и для двух частот (625 Гц, 16600 Гц) результат будет выглядеть следующим образом (соответственно рис. 1 и рис. 2):

1 5 10 50

X, м

Рис. 1. Значение кажущегося сопротивления, полученного бесконтактным способом, над однорородным полупространством (сопротивление 1000 Ом-м), шифр кривой - высота подъема приемного и измерительного

диполей для частоты 625 Гц.

Рис. 2. Значение кажущегося сопротивления, полученного бесконтактным способом, над однорородным полупространством (сопротивление 1000 Ом-м), шифр кривой - высота подъема приемного и измерительного диполей, для частоты 16600 Гц.

Исходя из проведенного анализа, Тимофеев предлагает для измерений использовать частоты от 8 до 32 кГц.

Как пишет Тимофеев, до него, в целях усовершенствования метода электропрофилирования, целым рядом авторов [Скороходов Л.М. и др.1958; Справочник геофизика. 1963; Якупов В.С. 1960; Якупов В.С. 1961] были предложены способы измерений электрического поля с незаземленной емкостной антенной. Исследования этих авторов положили начало новым направлениям в развитии электропрофилирования и показали возможность повышения производительности и снижения трудовых затрат, однако, как пишет Тимофеев, конкретные модификации аппаратуры так и не были разработаны.

Параллельно, примерно в то же время, целой группой ученых разрабатывалась методика бесконтактных измерений кажущегося сопротивления (БИКС) [Сапожников Б.Г. 1978; Сапожников Б.Г. 1982;Нахабцев А.С и др. 1985]. Методика БИКС предполагает более широкое применение (не только в северных районах, где присутствуют проблемы с осуществлением заземления), так как в ней задействуются различные комбинации установок с заземленными и незаземленными линиями. В теоретических расчеты для квазистационарного приближения [Джексон Дж. 1965], а также для вычислений принято, что в верхнем полупространстве преобладают токи смещения, а в нижнем полупространстве преобладают токи проводимости:

' 8" = ¿е0< • 8# = 8" ;0<1ог < 10_3

Также рассматривается отношение q составляющих поля в верхнем полупространстве и на границе раздела земля-воздух. Например, для @ = , верна

\ЕГ\

следующая зависимость для высоты генераторного диполя 2=1 м (рис. 3. и рис. 4.):

ш ш

II

ст

— Ь=0.01

— Ь=0.1

— Ь=0.5

X, М

Рис. 3. Отношение q составляющих поля Ег на высоте И и на границе раздела земля-воздух, в зависимости от разноса х, генераторный диполь находится на высоте 1 м, для частоты 625 Гц.

100 : 50 1

ш ш

II

10 -

5 -

1 5 „ „10 50

X, м

Рис. 4. Отношение q составляющих поля Ег на высоте И и на границе раздела земля-воздух, генераторный диполь находится на высоте 1 м, в зависимости от разноса х, для частоты 16600 Гц.

В работе [Нахабцев А.С и др. 1985] предлагается использовать частоты менее 2

кГц.

Методика БИЭП (как и методика ВЧЭП) применима для исследований не только в криолитозоне.

— Ь=0.01 Ь=0.1

— Г1=0.5

Для данных Тимофеева введем нормировку на сопротивление нижнего полупространства, а для данных Нахабцева, Сапожникова и других будем использовать расчёты для измерительного и генераторного диполей на одной высоте (рис. 5.).

Рис. 5. Сравнение приведенных зависимостей описанных в работах Тимофеева и Сапожникова.

Как видно из приведенных графиков, разными авторами делаются различные выводы (в частности по поводу используемых частот) при том что зависимости на которые они ссылаются практически идентичны.

Дальнейшее развитие теории бесконтактной методики происходит за границей. Сначала методика ВЧЭП развивалась в рамках программы "Северный Научный обмен Россия-Канада". В 1980-x годах были проведены совместные исследования российских специалистов и геологической службы Канады, впоследствии это привело к созданию аппаратурного комплекса RUSCAN [Douma M. et al.1994].

В работе [Gradr R. 1990a] описано другое применение метода. Была

предложена система измерения комплексной диэлектрической проницаемости среды с помощью квадр дипольной (четырехточечной) установки. Для этого был изменен концепт, описанный в работе [Storey L. R. O 1969] для измерения свойств космической плазмы. Он был адаптирован для исследования поверхности планеты с помощью беспилотного планетохода. Идея заключалась в том, что два полюса квадр диполя несли электростатические заряды противоположного знака, а разность потенциалов измерялась между другими полюсами. Ключевым моментом являлось условие сохранения квазистатического приближения при использовании зарядов, изменяющихся со временем. В следующей работе [Gradr R. 1990b] того же автора вместо планетохода рассматривался стационарный модуль, который производил посадку на поверхность планеты, где в качестве полюсов квадр диполя использовались буры, которые закрепляли модуль на поверхности планеты при посадке. Позже в работе [GradrR. 1991] авторы обратили внимание на возможность применения описанной выше концепции для приповерхностных геофизических исследований. Они изучили параметры концепции для измерения сопротивлений, а также предположили, что диэлектрическая проницаемость может быть определена только для очень высокоомных пород. Также они указали на возможность использование пластин как датчиков.

В работах [Kuras O. et al. 2006, Kuras O. 2002], рассматривается квазистационарное приближение в ближней зоне над однородным

полупространством. Анализ отношения ^ , где Z = J - импеданс (измеряемое значение напряжения нормировано на ток в питающем диполе), Z0 = -— -

импеданс воздуха (С0 = ———т - коэффициент) производится в зависимости

B11 г22 г12 Г21

от значений П = p<e0(er + 1) - обобщенная частота (величина, относительно которой удобно рассматривать изменения описанной выше функции). В работах делаются выводы о характере измеряемой величины импеданса в зависимости от значения обобщенной величины:

П « 1 - переходная область, где измеряемое значение Z - зависит и от

сопротивления и от диэлектрической проницаемости полупространства.

П « 1 - область, в которой измеряемое значение Z соответствует сопротивлению нижнего полупространства.

П » 1 - область, в которой измерения можно проводить только приборами чувствительными к фазе, поскольку синфазная составляющая измеряемого сигнала не зависит от сопротивления нижнего полупространства.

В работе [Kuras O. et al. 2006] также рассказывается об удачном применении чувствительного к фазе прибора.

Отдельно стоит отметить работу А.А. Бобачева [Бобачев А.А. 2002]: в ней, в отличие от многих других работ, исследуются особенности бесконтактных измерений, связанные с тем, что измерения проводятся в верхнем непроводящем полупространстве.

Известные аппаратурные комплексы и их классификация

Таблица 1. Бесконтактные аппаратурные комплексы

1 Название (описание): Производитель: Ссылки: Тип аппаратуры: Тип датчиков: Частоты: ВЧЭП ВСЕГИНГЕО, Россия [Тимофеев В.М1979] Научно-исследовательская незаземленные кабели 2...32 кГц

2 Название (описание): Производитель: Ссылки: Тип аппаратуры: Тип датчиков: Частоты: RUSCAN AndrotexLtd., Canada [Douma M. et al.1994] Коммерческая незаземленные провода 4,8,16,32 кГц

3 Название (описание): Производитель: Ссылки: Тип аппаратуры: Тип датчиков: Частоты: ERA MAX ЭРА, Россия [Аппаратура электроразведочная 2008] Коммерческая незаземленные и заземленные провода, пластины 625, 1250 Гц

4 Название (описание): Производитель: Ссылки: Электростатический квадр диполь (Electrostatic Quadrupole) Universit e Paris VI, France [Gradr R. 1991]

Тип аппаратуры: Научно-исследовательская

Тип датчиков: Пластины

Частоты: 44...128 кГц

5 Название (описание): Многоканальная емкостная система

(Multichannel capacitive electrode system)

Производитель: OYO Corp., Japan

Ссылки: [Shima H.et al.1995]

Тип аппаратуры: Научно-исследовательская

Тип датчиков: пластины

Частоты: 1Гц...1.1 кГц

6 Название (описание): OhmMapper

Производитель: Geometrics, USA

Ссылки: [OhmMapperOperationManual]

Тип аппаратуры: Коммерческая

Тип датчиков: незаземленные провода

Частоты: 16.5 кГц

7 Название (описание): CORIM

Производитель: IRIS Instruments, France

Ссылки: www.iris-instruments.com

Тип аппаратуры: Коммерческая

Тип датчиков: пластины

Частоты: 12 кГц

8 Название (описание): Емкостная скважинная система

(Capacitively coupled borehole system)

Производитель: Geological Survey of Canada

Ссылки: [Kuras O. et al. 2006]

Тип аппаратуры: Научно-исследовательская

Тип датчиков: ?

Частоты: ?

9 Название (описание): Скважинная система с емкостными

датчиками (Borehole resistivity tool with

capacitive sensors)

Производитель: Laboratoire Centraldes Pontset

Chauss'ees, France

Ссылки: [Cottineau L. M. et al. 2000]

Тип аппаратуры: Научно-исследовательская

Тип датчиков: цилиндры

Частоты: 25 кГц

10 Название (описание): CRI system

Производитель: British Geological Survey, UK

Ссылки: [Kuras O. et al. 2006]

Тип аппаратуры: Научно-исследовательская

Тип датчиков: Пластины

Частоты: 14.2 кГц, 10 . . . 50 кГц

11 Название (описание): Производитель: Ссылки: Тип аппаратуры: Тип датчиков: Частоты: ВЕГА Логис-Геотех [Станция электроразведочная 2012] Коммерческая незаземленные провода 16 кГц

12 Название (описание): Производитель: Ссылки: Тип аппаратуры: Тип датчиков: Частоты: БИКС ОАО "СКБ сейсмического приборостроения" [Электроразведочная аппаратура 2012] Коммерческая незаземленные провода 16 кГц

Известные автору комплексы приведены в таблице 1.

Используемые частоты: Существуют аппаратурные комплексы, использующие относительно низкие частоты (до нескольких кГц) и относительно высокие частоты(около 15-20 кГц), а также приборы с переменной частотой измерений. В приведенной ниже таблице приведены основные различия таких аппаратурных комплексов:

Таблица 2. Условное разделение бесконтактных аппаратурных комплексов

по используемым частотам.

Относительно высокочастотная аппаратура Относительно низкочастотная аппаратура

Работает на частотах более 10 кГц; Работает на частотах менее 10 кГц;

позволяет работать на маленьких разносах (от нескольких метров, до первой сотни метров); позволяет работать на больших разносах (от первых десятков до 200300 метров);

позволяет использовать диполи небольших размеров (от первых метров); для измерений используются большие диполи (от нескольких десятков метров);

обычно для всех диполей используются незаземленные линии. для измерений используются как незаземленные линии, так и гальванически заземленные электроды.

Аппаратурные комплексы работающие на таких частотах: ОИшМаррег, БИКС, ВЕГА. Аппаратурный комплекс работающий на таких частотах -ERA MAX

Типы датчиков: Приборы в качестве антенн могут использовать незаземленные и заземленные линии, а также пластины. В приведенной ниже таблице приведены

основные различия таких аппаратурных комплексов:

Таблица 3. Условное разделение бесконтактных аппаратурных комплексов по

типам используемых датчиков.

Незаземленные линии Незаземленные пластины

Обычно используют дипольную осевую установку Обычно используют дипольную экваториальную установку

Минимальный размер диполя не может быть меньше первых метров Можно использовать диполи меньше метра

Минимальный разнос не может быть меньше первых метров Можно использовать совсем небольшие разносы

Размеры установки могут достигать сотни метров Размеры установки обычно не больше первых десятков метров

Обычно транспортируются вдоль профиля с помощью оператора Обычно для транспортировки используется техника

Все приборы, с которыми работал автор, относятся к группе приборов использующих незаземленные линии. После того как СОММ был снят с продаж, из информации доступной автору, аппаратурных комплексов работающих только с пластинами, в свободной продаже нет (имеются только научно-исследовательские разработки).

Выводы из обзора

Из проведённого анализа существующей научной литературы по бесконтактной методике можно сделать несколько выводов:

• Существующий способ прямого расчета поля для горизонтального электрического диполя над поверхностью проводящего полупространства, в котором учитываются все особенности поля, связанные с токами смещения, токами проводимости и индукцией сложно адаптируется для изучения более сложных геоэлектрических моделей).

• Большинство авторов исследуют особенности электрического поля в квазистационарном приближении для ближней зоны над однородным полупространством. При этом у разных авторов ограничения,накладываемые на такие расчеты, описаны по-разному.

• Авторы, проводя анализ применимости бесконтактных методик, разными способами оценивают влияние характеристик среды и свойств измерительной

установки, а также зачастую рассматривают работы с определенной аппаратурой. Все это приводит к тому, что границы применимости бесконтактных методик не совпадают.

Глава 2. Ограничения, накладываемые на бесконтактную методику, связанные с использованием переменного тока

Общие характеристики метода

Одним из основных методов, используемых в инженерной электроразведке (глубины от первых метров до 100 м), является метод сопротивлений. За более чем вековую историю применения данного метода было создано большое количество его модификаций, позволяющих решать разнообразные инженерные задачи в различных условиях. Одной из таких модификаций является бесконтактный метод, который позволяет успешно проводить исследования в условиях, при которых осуществление гальванического заземления электродов невозможно. К таким условиям можно отнести наличие промерзшего верхнего слоя или большого снежного покрова, выходы скальных пород, а также наличие техногенных объектов (асфальтированные и бетонные дороги, ж/д насыпи и др).

Преимущества метода:

• Скорость измерений - отсутствие задержек на заземление электродов позволяет существенно ускорить процесс измерений

• Уменьшение количества задействованных людей - некоторые аппаратурные комплексы позволяют выполнять работы с использованием одного специалиста.

Как и у любой другой методики, у бесконтактной вариации метода сопротивлений есть свои недостатки:

• Сложный расчет прямой задачи для высокочастотного переменного поля.

• Границы области применения метода и влияние помех на результаты измерений недостаточно изучены.

В данной работе автор попытался определить область применения метода, а также оценить вклад различных помех в результаты измерений.

Расчет поля высокочастотного горизонтального диполя над проводящим полупространством

Чтобы говорить о корректности измерений в воздухе, над поверхностью

20

проводящего полупространства, нужно рассмотреть поле горизонтального электрического диполя, поднятого над поверхностью проводящего полупространства (Рис. 6.). Существует вывод решения такой задачи без введения каких-либо ограничений О. КигаБ [Кигш* О. 2002]. Приведем ниже результат этого вывода для горизонтальной компоненты электрического поля в верхнем полупространстве.

Рис. 6. Схема, показывающая принятые системы координат (декартову и сферическую) для вывода поля горизонтального электрического диполя (ГЭД)

Е°х = + а]п°*) - , где

(

— d( и%

П0х = с [ J0(Äp) \е-и/\]-]/\ + —-U"e-y-o(z+z0)

J0 L и% + U"

П0у = 2Ccos^ f Ji((p)-r#U%—U"—e-d°(z+z0)(2 d(

П - потенциальный вектор Герца, kt и k0 - волновые числа среды и воздуха соответственно, Jn - функция Бесселя первого рода n-го порядка, C = Ы1/4пше0 ,u# = (2 + k#,p2 = t2 + у2

Данный способ должен иметь свои преимущества - а именно, при выводе не использовались никакие приближения, это решение будет верным для любых частот и сред, но решение является слишком громоздким и сложным.

Расчет поля в квазистатическом приближении в ближней зоне

В первом приближении можно рассматривать бесконтактный метод - как метод, использующий «емкостное заземление» вместо гальванического (рис. 7). В таком приближении рассматривают металлическую часть незаземленного провода - как одну обкладку конденсатора, землю - как другую. Из-за такого обоснования в зарубежных странах метод получил свое название СараеШуеКев1в11уку (СЯ) -метод емкостного сопротивления.

Рис. 7. Эквивалентные схемы для первого приближения обоснования метода.

Для объяснения, как возникает поле в земле, рассматривать такое приближение можно, но оно может ввести в заблуждение, что измерение также происходит в земле, что является ошибочным предположением. Поэтому надо рассматривать этот метод с точки зрения измерения в воздухе горизонтальной компоненты электрического поля над поверхностью земли. Существует два подхода к решению задачи определения потенциала (и/или напряжения) от точечного источника, поднятого над поверхностью земли (верхнее полупространство воздух/вакуум, нижнее полупространство изотропно).

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Груздев, Александр Игоревич, 2017 год

Список литературы

1. Аппаратура электроразведочная для методов сопротивления и естественного поля "ЕКА_МАХ", Техническое описание и инструкция по эксплуатации, ООО Научно-производственное предприятие ЭРА", Санкт-Петербург 2008 г.

2. Бобачев А. А. Особенности электрического поля в воздухе при низкочастотных бесконтактных электрических зондированиях. Разведка и охрана недр. 2002, N10, 36-40.

3. Бобачев А.А., Горбунов А. А., Модин И.Н., Шевнин В. А. Электротомография методом сопротивлений и вызванной поляризации. Приборы и системы разведочной геофизики. 2006, N02, 14-17.

4. Бобачев А.А., Ерохин С.А. Результаты многолетнего применения электротомографии на Александровском геофизическом полигоне в Калужской области. Приборы и системы разведочной геофизики, 2010, том 1, № 31, с. 10-15.

5. Ваньян Л. Л. Электромагнитные зондирования. 1997, М., Научный мир, 219 с.

6. Груздев А. А., Науменко Д. А., Богданов П. С., Бобачев А. А., Шевнин В. А. Бесконтактное измерение электрического поля с помощью оИшшаррег в условиях Крайнего Севера. Электронный журнал "Георазрез" 2013, 01 (13) (2013), 1-23.

7. Груздев А. И., Науменко Д. А., Богданов П. С., Бобачев А. А., Шевнин, В. А. Сравнение контактных и бесконтактных измерений с современной аппаратурой в условиях крайнего севера при решении инженерно-геологических задач (оИттаррег и вувса1рго). В мире научных открытий (Естественные и технические науки) 6, 54 (2014), 93-110.

8. Груздев А.И., Сравнение различных методик контактных и бесконтактных измерений в условиях средней полосы России. Инженерные изыскания.— 910/2014 — С. 32-37.

9. Груздев А. И., Бобачев А. А. Особенности применения бесконтактных измерений в методе сопротивлений. Тезисы ИНЖЕНЕРНАЯ, УГОЛЬНАЯ и

96

РУДНАЯ ГЕОФИЗИКА-2015. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ,. — КОМПЛЕКСИРОВАНИЕ ГЕОФИЗИЧЕСКИХ МЕТОДОВ. — ЕАГО Сочи, 2015. — С. 110. Джексон Дж. Классическая электродинамика. М. Мир, 1965. 702 с.

11.Ерохин С.А., Бобачев А.А. Практика применения станции SyscalPro в северной Якутии. Тезисы Петербургского геофизического научно-практического семинара, г. Санкт-Петербург, 14-16 октября 2009 г. [Erokhin S.A., Бобачев А. А. Practical application of Syscal Pro instrument in north Yakutia. St. Petersburg scientific and practical geophysical seminar, Proceedings. St. Petersburg, 14-16 October 2009. (In Russian)]

12. Жданов М.С. Электроразведка. М.: Недра, 1986. 316 с.

13.Заборовский А.И. Переменные электромагнитные поля в электроразведке. М.

МГУ, 1960,186 с.

14.Заборовский А.И. Электроразведка. М., Гостоптехиздат, 1963, с.423

15.Зыков Ю.Д., Кошурников А.В., Турчков А.М., Погорелов А.А., Фриденберг А.И., Науменко Д.А., Сизых Е.М., Петрухина Е.С. Комплексирование геофизических технологий для решения инженерно-геологических задач при проектировании газопроводов (на примере газопровода Сахалин - Хабаровск - Владивосток)//Инженерные изыскания. №6, 2009.

16.Кауфман А.А. Введение в теорию геофизических методов. Часть 2: электромагнитные поля. М.: Недра, 2000. 483 с.

17.Ляховицкий Ф.М., Хмелевской В.К., Ященко З.Г. Инженерная геофизика. М, 1989.

18.Модин И.Н., Семейкин Н.П., Комаров О.И., Марченко М.Н. Электротомография - инновационный геофизический метод для эффективного решения инженерно-геологических задач// Трубопроводный транспорт, №1(17), 2010.

19.Нахабцев А.С., Сапожников Б.Г., Яблучанский А.И., Электропрофилирование с незаземленными рабочими линиями 1985. Л., Недра, 96 с.

20. Павлова А., Шевнин В. Зё-электротомография при исследованиях ледниковых отложений // IX международная научно-практическая конференция и выставка "Инженерная геофизика", Геленджик, Россия. — Электронное издание EAGE, 2013. — С. 1-7. [Pavlova A., Shevnin V. 3D electrical resistivity topography at study of glacial sediments.// IX international scientific and practical conference and exposition "Engineering Geophysics", Gelendzhik, Russia, EAGE Proceedings, electronic edition, 2013, 7 pp. (In Russian)]

21.Пушкарев П.Ю., Яковлев А.Г., Яковлев А.Д.. Программа решения прямой и обратной одномерной задачи метода частотных зондирований. Москва, 1999, 12с. Деп. в ВИНИТИ 22.01.99, № 199-В99.

22.Рыжов А.А., Судоплатов А.Д., Расчет удельной электропроводности песчано-глинистых пород и использование функциональных зависимостей при решении гидрогеологических задач// Научно-технические достижения и первый опыт в области геологии и разведки недр. М. 1990. С. 27-41

23. Сапожников Б.Г. Опыт наблюдений составляющих электрического поля в воздухе при электропрофилировании на переменном токе. Мингео СССР. НПО "Геофизика". Ленинград. 1978.

24.Сапожников Б.Г. Рекомендации по методике полевых наблюдений и методике расчёта кажущегося удельного электрического сопротивления при электропрофилировании с установками серединного градиента и незаземлёнными рабочими линиями. Мингео СССР. ВИРГ НПО "Рудгеофизика". Ленинград. 1982.

25.Сафронов Н.И., Якупов В.С., Старовойтов В.Н. Метод индуктивного приема. «Колыма», 1956, №7. с. 33-34.

26.Скороходов Л.М., Старовойтов В.Н., Якупов В.С. Использование метода индуктивного приема в зимних условиях. Материалы по геологии и полезным ископаемым Северо-востока СССР. Магадан. 1958, вып.13,с. 150155.

27.Справочник геофизика. Под. Ред. Тархова А.Г. т.Ш.М., Гостопттехиздат, 1963, с.582

28.Станция электроразведочная высокочастотная «Вега», Руководство по эксплуатации, 2012 г.

29.Тимофеев В.М. О некоторых способах оценки электрических свойств многолетнемерзлых пород в переменных электромагнитных полях. Тр. ВСЕГИНГЕО, 1977, вып116,с.27-30.

30. Тимофеев В.М. Применение электропрофилирования с линейными емкостными антеннами для целей инженерно-геокриологической съемки, диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук, ВСЕГИНГЕО, 1979.

31. Тимофеев В.М. Опыт применения высокочастотной электроразведки при полевых инженерно-геокриологических исследованиях. Инженерное мерзлотоведение. Материалы и III международной конференции по мерзлотоведенью. Новосибирск. Изд. «Наука», 1979 С.238-247.

32. Электроразведка методом сопротивлений / Под ред. В.К. Хмелевского и В. А. Шевнина: Учебное пособие. - М.: Изд-во МГУ, 1994 -160 с.

33.Шевнин В., Бобачев А. 2d инверсия данных, полученных по обычной 1d технологии ВЭЗ // Электронный журнал "Георазрез". — 2009. — № 3. — С. 113. [Shevnin V.A., Bobachev A.A. 2D inversion of VES data obtained on traditional 1D technology. Electronic journal Georazrez. 2009, 3, pp.1-13. (In Russian)]

34.Электроразведочная аппаратура «БИКС», Руководство по эксплуатации, ОАО «СКБ сейсмического приборостроения», г. Саратов 2012.

35.Якупов В.С. Метод вертикальной составляющей плотности тока. Ученые записки ЛГУ, сер. физичиских и геологических наук, 1960, вып.12,с.59-62

36.Якупов В.С. К теории метода вертикальной составляющей плотности тока. В сб. «Геокриологические исследования», Якутск, 1971, с.200-206.

37.Burton B.L. and Cannia J.C. Capacitively Coupled Resistivity Survey of the Levee Surrounding the Omaha Public Power District Nebraska City Power Plant, June 2011,Open-File Report 2011-1211,U.S. Geological Survey, Reston, Virginia 2011

38.Calvert H.T. Capacitive-coupled resistivity survey of ice-bearing sediments, Mackenzie Delta, Canada, 72nd annual meeting, Salt Lake City, SEG 2002.

39.Cottineau, L. M., Desmas, M., Lagabrielle, R., Leroux, V., PalmaLopes, S., andSorin, J. L., 2000, Capacitive contact geoelectrical equipment development for borehole environmental and engineering applications: Proceedings of the 6th meeting of the Environmental and Engineering Geophysical Society - European Section.

40.Douma, M., Timofeev, V. M., Rogozinski, A. W., andHunter, J. A., 1994, A capacitive-coupled ground resistivity system for engineering and environmental applications: Results of two Canadian field tests: Expanded Abstracts of the 64th Annual Meeting of the Society of Exploration Geophysicists, 559- 561.

41.Grard, R., 1990a, A quadrupolar array for measuring the complex permittivity of the ground: application to Earth prospection and planetary exploration: Meas. Sci. Technol., 1, 295-301.

42.Grard, R., 1990b, A quadrupole system for measuring in situ the complex permittivity of materials: application to penetrators and landers for planetary exploration: Meas. Sci. Technol., 1, 801-806.

43.Grard, R., and Tabbagh, A., 1991, A mobile four-electrode array and its application to the electrical survey of planetary grounds at shallow depths: J. Geophys. Res., 96, no. B3, 4117-4123.

44.Kuras O., Beamish D., Meldrum P.I., and Ogilvy R.D., Fundamentals of the capacitive resistivity technique GEOPHYSICS, VOL 71,NO.3 P.G135-G152, 2006.

45.Kuras, Oliver (2002) The Capacitive Resistivity Technique for Electrical Imaging of the Shallow Subsurface. PhD thesis, University of Nottingham

46.OhmMapper TR1 Operation Manual, GEOMETRICS, INC.

47.Shima, H., Texier, B., Kobayashi, T., and Hasegawa, N., 1995, Fast imaging of shallow resistivity structures using a multichannel capacitive electrode system: 65th Annual Meeting of the Society of Exploration Geophysicists, Expanded Abstracts, 377-380.

48.Storey, L. R. O., Aubry, M. P., andMeyer, P., 1969, A quadrupole probe for the study of ionospheric plasma resonances in Thomas, J. O., and Landmark, B. J., Eds., Plasma Wavesin Space and Laboratory: Edinburgh University Press, 303332.

49.Timofeev, V. M., Experience in the use of high frequency electrical geophysical methods in geotechnical and geocryological field studies: 3rd International Conference on Permafrost, NAUKA, Proceedings, 238-247 1973.

50.Timofeev, V. M., Some peculiarities of surface capacitive antennas used in electrical geophysical techniques: Gosstroi USSR, Reference Information Issue 8/73. 1978.

51.Yamashita Y., Groom D., Inazaki T., Hayashi K., Rapid near surface resistivity survey using the capacitively-coupled resistivity system: OhmMapper http://www.geometrics.com/assets/images/segj-oyo-om-levee.pdf