Повышение эффективности геофизических методов при малоглубинных исследованиях тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.10, кандидат геолого-минералогических наук Давыдов, Вадим Анатольевич

• Давыдов, Вадим Анатольевич
• кандидат геолого-минералогических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат геолого-минералогических наук Давыдов, Вадим Анатольевич

Оглавление

Введение

1 Основные тенденции развития прикладной геофизики при изучении малых глубин

1.1 Области применения, цели и задачи малоглубинных

геофизических исследований

1.2 Методы и технологии малоглубинной геофизики

1.3 Изучение верхней части разреза с помощью естественных

электромагнитных полей

1.3.1 Структура природных и искусственных сигналов электромагнитного поля Земли в частотном диапазоне 1 - 100 ООО Гц

1.3.2 Обзор и сравнительный анализ серийной аппаратуры АМТЗ и радиокип

2 Разработка опытной малогабаритной аппаратуры регистрации геофизических сигналов «ОМАР-2м»

2.1 Технические характеристики и возможности аппаратуры

«ОМАР-2м»

2.2 Датчики переменного магнитного поля

2.3 Способы расширения динамического диапазона измеряемых

сигналов

2.4 Методика работ с использованием аппаратуры «ОМАР-2м» в качестве аудиомагнитотеллурической станции

2.4.1 Получение частотных спектров электромагнитных сигналов

2.4.2 Способы борьбы с промышленными помехами и перспективы их использования

2.4.3 Основные расчетные формулы

2.4.4 Количественная интерпретация АМТЗ

11

18

18

33

34

42

49

50

55

59

60

2.5 Примеры применения аппаратуры «ОМАР-2м»

2.5.1 АМТЗ на контрольном полигоне Института Геофизики

УрО РАН

2.5.2 Изучение участков, перспективных на золотоносное оруденение, шахты "Северная" Березовского рудоуправления

Выводы

3 Методика комбинированного использования преломленных и поверхностных волн

3.1 Поверхностные волны

3.2 Многоканальный анализ поверхностных волн (MASW)

3.3 Стандартные схемы наблюдений и способы обработки МПВ и

МА8\¥

3.4 Система комбинированных наблюдений и технология

оконного суммирования сейсмограмм в спектральной области

3.5 Поведение упругих характеристик в реальных средах

3.6 Примеры работ по идентификации подземных пустот

3.6.1 Локализация подземного перехода плотины Городского пруда г. Екатеринбурга по поведению коэффициента Пуассона

3.6.2 Изучение подработанных территорий Буреинского каменноугольного бассейна

3.6.3 Поиск старых горных выработок Березовского рудника

3.6.4 Подземный ход заброшенного монастыря в Челябинской области

Выводы

4 Изучение верхней части разреза с помощью геофизических

методов

4.1 Методика и техника исследований

4.2 Ложковые золотоносные россыпи прииска Турчик

4.3 Палеорусло ручья Березовского рудного поля

4.4 Террасовая россыпь золота реки Чалляна, Боливия

4.5 Техногенные россыпи Дальнего Востока

4.6 Полдневское россыпное месторождение демантоидов

4.7 Обследование городских плотин Екатеринбурга

4.8 Инженерно-геологические изыскания под строительство

4.9 Опытно-методические работы на хромитовых объектах

4.10 Рациональный комплекс геофизических методов при малоглубинных исследованиях

Заключение

Список литературы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение эффективности геофизических методов при малоглубинных исследованиях»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. После кризиса 90-х годов в области геологического изучения недр наблюдается некоторое оживление. Не считая поисков и разведки нефтегазовых месторождений, современные геологические исследования носят в основном малоглубинный характер. Это связано в первую очередь с экономической рентабельностью последующей добычи минерального сырья. Геофизические методы исследований характеризуются высокой производительностью и относительно низкой стоимостью, что позволяет прогнозировать на них повышение спроса, при условии нормального развития экономики. В этом случае малоглубинные геофизические работы будут востребованы как в горно-геологической отрасли, так и в сфере инженерных изысканий.

Одной из главных особенностей малых глубин является разнообразие и быстрая изменчивость свойств геологической среды. К геофизическим исследбваниям здесь предъявляются высокие требования по разрешающей способности и детальности наблюдений. При этом ведущая роль отводится геолого-геофизической интерпретации результатов исследований для получения достоверной информации. Для того чтобы наиболее полно и качественно выполнить поставленные геологические задачи, необходимо повышать информативность геофизических исследований за счет разнообразия состава и увеличения объема работ. Данная ситуация вынуждает обратить внимание на производительность используемых методов и методик исследований, а также на экономичность технического оборудования. В связи с этим достаточно актуальным направлением является повышение эффективности малоглубинных геофизических исследований за счет разработки недорогой универсальной аппаратуры, применения новых технологий обработки данных и использования оптимального комплекса геофизических методов.

Цель диссертационной работы: разработка полевой аппаратуры, методики наблюдений и комплексирования геофизических методов, а также нахождение

новых приемов обработки и интерпретации полученных данных для повышения

геологической информативности малоглубинных геофизических исследований.

Основные задачи.

о Разработка, изготовление и испытание макета широкополосного многофункционального приемника электрических, магнитных и сейсмоакустических сигналов.

о Изготовление и калибровка индукционных датчиков магнитного поля для методов АМТЗ (аудиомагнитотеллурического зондирования) и радиокип СДВР (радиокомпарации и пеленгации сверхдлинноволновых радиостанций).

о Разработка методики наблюдения и интерпретации сейсморазведочных данных с одновременным использованием продольных и поперечных волн.

о Опробование новой аппаратуры, методических приемов и способов обработки данных на контрольных интерпретационных профилях.

о Анализ возможностей отдельных геофизических методов и выбор рационального комплекса исследований при изучении верхней части геологического разреза.

Защищаемые положения.

1) Разработанная, изготовленная и опробованная на практике широкополосная приемно-регистрирующая аппаратура, отличающаяся портативностью и малой себестоимостью, позволяет оперативно выполнять задачи электрометрии и сейсмометрии.

2) Предложенная технология совместной обработки данных методов преломленных волн и многоканального анализа поверхностных волн, позволяет изучить упругие характеристики геологической среды (скорости продольных и поперечных волн, коэффициент Пуассона) в естественном залегании для решения инженерно-геологических задач.

3) На основе реализации возможностей новых технологий, обоснован рациональный комплекс геофизических методов для изучения верхней части

геологического разреза, позволяющий повысить достоверность и информативность исследований. Научная новизна.

о Разработана, изготовлена и испытана в производственных условиях новая геофизическая аппаратура широкого применения с датчиками электромагнитных сигналов, о Впервые предложены и осуществлены аудиомагнитотеллурические

измерения в движении, о Впервые предложен новый электрометрический параметр для выявления

поляризационных свойств разреза: электрический параметр гармоник (Пг). о Разработан способ повышения горизонтального разрешения

многоканального анализа поверхностных волн (МА8\\0 на базе алгоритма оконного суммирования спектров скоростей релеевских волн, о В ходе выполнения исследований на ряде объектов показана эффективность

обнаружения подземных пустот по поведению коэффициента Пуассона, о На ряде альпинотипных массивов показана перспективность изучения хромового оруденения с помощью индукционной электроразведки и комбинированной малоглубинной сейсморазведки. Практическая значимость.

о Созданный макет широкополосной аппаратуры «ОМАР-2м» успешно испытан на контрольном полигоне Института геофизики УрО РАН и применялся автором в производственных условиях при:

• изучении интервалов перспективных на золотоносное оруденение в горных выработках шахты «Северная» Березовского рудника [19];

• опытных геофизических работах по выявлению коренных источников Полдневского месторождения демантоидов [20];

• инженерно-геофизическом обследовании плотин г.Екатеринбурга [21];

• геолого-геофизических поисковых работах на хромиты в пределах массива Рай-Из (Полярный Урал) и Наранского ультраосновного массива (Монголия);

• изучении геоэлектрического разреза вблизи трасс магистральных газопроводов Тюменской, Свердловской и Челябинской областей.

Разработанная аппаратура «ОМАР-2м» позволяет выполнять исследования методами АМТЗ, радиокип СДВР, переменного естественного электрического поля (ПЕЭП), спектрального анализа поверхностных волн (SASW), а также применяться как малоканальная сейсмоакустическая или сейсмоэлектрическая станция. В комплекте с электроразведочным генератором сигналов, аппаратура может выступать в качестве универсального приемника электромагнитных методов разведки [82]. о Технология совместной обработки данных сейсморазведки МПВ и MASW была успешно применена автором на практике при:

• изучении территории под строительство обогатительной фабрики шахты «Северная» ОАО «Ургалуголь» в Верхне-Буреинском районе Хабаровского края [16];

• поиске старых горных выработок Березовского золоторудного месторождения (Свердловская обл.) [18];

• опытно-методических работах в пределах хромитоносных участков Ключевского и Первомайского офиолитовых массивов Среднего Урала;

• инженерно-геологических работах на участках планируемого строительства ряда объектов Свердловской и Челябинской областей.

Разработанная технология обработки сейсмических данных позволяет определять коэффициент Пуассона в естественном залегании и идентифицировать подземные пустоты различного происхождения, о Предложенный рациональный комплекс геофизических методов по изучению ВЧР может с большой эффективностью применяться при:

• изучении россыпных месторождений благородных металлов и драгоценных камней;

• поиске и разведке не глубокозалегающих коренных рудных месторождений;

• обследовании грунтовых гидротехнических сооружений;

• инженерно-геологических изысканиях под строительство. Личный вклад автора.

Работа подготовлена по результатам исследований, проведенных непосредственно автором в период с 1995 по 2011 год. Полевые работы на месторождениях золота выполнялись в содружестве с В.П.Бакаевым (ИГФ УрО РАН), обследование плотин и инженерно-геологические изыскания - совместно с А.Н.Назаровым (ПИИ «ГЕО»). Вопросы обработки сигналов решались вместе с А.В.Давыдовым (УГГУ). Личный вклад автора заключается в:

- постановке задач исследований,

- разработке, изготовлении и практическом опробовании новой многофункциональной аппаратуры,

- разработке технологии совместного выполнения и обработки результатов сейсморазведки МПВ и MASW,

- предложенном способе локализации подземного пустотного пространства,

- непосредственном участии в проведении полевых работ,

- обработке и интерпретации полученных материалов. Апробация работы и публикации.

Основные результаты исследований отражены в 12 технических отчетах, написанных автором, и находящихся в фондах следующих организаций: ООО АС «Альфа» (г.Хабаровск), ООО «Березовское рудоуправление» (г.Березовский), Администрация г.Екатеринбурга, ОАО «ДальвостНИИпроектуголь» (г.Владивосток), ПИИ «ГЕО» (г.Екатеринбург), ОАО «Полярно-Уральское горно-геологическое предприятие» (г.Лабытнанги), ООО «ЮНИПИ» (г.Нефтеюганск), ОАО «Ленгипротранс» (г.Санкт-Петербург), ООО «Горнорудная компания «АфроАзия» (г.Москва).

Результаты работы докладывались и обсуждались на Международном научно-промышленном симпозиуме «Уральская горная школа - регионам» (УГГУ, 21-28 апреля 2009); Пятых научных чтениях памяти Ю.П. Булашевича (ИГФ УрО РАН, 6-10 июля 2009); Шестых научных чтениях памяти Ю.П. Булашевича (ИГФ УрО РАН, 12-14 сентября, 2011).

По теме диссертации опубликовано 9 научных работ, из которых 3 работы напечатаны в ведущих рецензируемых научных журналах, определенных Высшей аттестационной комиссией (ВАК); подана заявка на изобретение. Структура и объём работы- Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы из 82 наименований. Диссертация изложена на 160 страницах машинописного текста, содержит 62 рисунка, 5 фотографий и 8 таблиц.

Благодарности. Автор благодарит своего научного руководителя доктора геолого-минералогических наук, профессора И.Г. Сковородникова за ценные замечания; своих полевых коллег В.П. Бакаева и А.Н. Назарова за совместную работу. А также выражает признательность к.г-м.н. Н.В. Вахрушевой, д.т.н. А.И. Человечкову, д.т.н. JI.H. Сенину, к.т.н. А.Н. Ратушняку и к.т.н. А.Д. Коноплину за неформальные консультации и дискуссии по разным вопросам. Я всегда буду благодарен своему отцу д.г-м.н. профессору A.B. Давыдову за понимание.

1 Основные тенденции развития прикладной геофизики при изучении малых глубин.

1.1 Области применения, цели и задачи малоглубинных геофизических исследований.

Для изложения материала, прежде всего, следует определиться с основными понятиями. Под малоглубинными исследованиями будем понимать изучение верхней части геологического разреза. Верхняя часть разреза (ВЧР) состоит из:

• рыхлых отложений разного происхождения (аллювий, делювий, элювий и др.), включая кору выветривания коренных пород и зону гипергенеза рудных месторождений;

• кровли собственно коренных пород.

К рыхлым отложениям относятся почвенно-растительный слой, зона аэрации и слабо консолидированные породы, образовавшийся в результате различных типов выветривания и выщелачивания (глины, суглинки, песок и т.д.), включая насыпные грунты. Мощность рыхлых отложений обычно варьирует от единиц до десятков метров, таким образом, область малых глубин ограничивается первой сотней метров, при этом наиболее распространенными глубинами исследований являются первые 10-20 метров.

Основные области применения малоглубинных геофизических исследований:

• крупномасштабное геологическое картирование;

• поиск и разведка неглубоко залегающих коренных месторождений;

• поиск и разведка россыпных месторождений;

• изучение горно-геологических условий и процессов при эксплуатации месторождений твердых полезных ископаемых;

• гидрогеологические, геокриологические и экологические исследования;

• инженерно-геологические изыскания;

• археология.

Рассмотрим более подробно цели и задачи геофизических методов в выделенных областях исследований на основе литературных данных [10; 36] и тенденций последних лет.

Геологическое картирование крупного масштаба имеет четкую поисковую направленность и проводится на площадях, перспективных на рудоносность ожидаемых типов месторождений. При крупномасштабном геологическом картировании геофизические работы привлекаются для: о выделения различных комплексов пород и отдельных тел; о литолого-стратиграфического расчленения осадочных толщ и изучения

внутреннего строения магматических и метаморфических пород; о выделения тектонических нарушений и определения их типа; о изучения зон метаморфизма и гидротермального изменения. Малоглубинные геофизические методы достаточно эффективны при решении задач геологического картирования, если мощность рыхлых образований не превышает 10 метров.

Поиск и разведка месторождений. Значительные территории России и других стран являются задернованными, что не позволяет проводить прямых геологических наблюдений с поверхности. Это во многом ограничивает открытие средних, и в особенности, мелких коренных месторождений, залегающих на небольшой глубине и закрытых чехлом рыхлых отложений. Однако это не является большой проблемой для геофизики, если физические свойства руд и вмещающих пород достаточно сильно отличаются друг от друга и контрастно проявляются в геофизических полях. К таким объектам относятся скарново-магнетитовые, колчеданные, гидротермальные и некоторые другие генетические типы оруденения. Кроме прямых поисков коренных рудных месторождений, малоглубинные геофизические методы привлекаются для изучения экзогенных месторождений коры выветривания и россыпей. Здесь основная задача заключается в картировании площадного распространения и мощности продуктивных толщ.

Гидрогеологические исследования проводятся с целью поиска и разведки подземных вод, изучения их распределения по площади, выяснения особенностей движения и режима. При этом, в зависимости от конкретных условий, можно использовать геофизические методы. Они дают возможность: о выделять водоупорные и водопроницаемые толщи горных пород в плане и в разрезе;

о определять уровень залегания подземных вод и оценивать мощность

водоносных горизонтов; о изучать динамику подземных вод;

о характеризовать физические и химические свойства подземных вод. Геокриологические исследования проводятся в целях изучения многолетнемерзлых пород. Основные задачи, решаемые с помощью геофизики: о определение области распространения и глубины залегания нижней границы

многолетней мерзлоты; о оконтуривание таликовых зон и оценка мощности талых пород. Охрана окружающей среды. Основными задачами геофизических методов при экологических исследованиях являются:

о районирование территорий по признаку чувствительности природной среды

к различным видам загрязнения; о нахождение очагов загрязнения и определение границ его распространения; о получение количественных показателей, характеризующих степень

воздействия загрязнителя на окружающую среду; о оценка тенденций развития загрязнения с течением времени; о прогноз воздействия антропогенной деятельности на экосистему. Инженерно-геологические изыскания проводят на основных этапах проектирования и строительства гражданских и промышленных объектов. Проведение геофизических работ при инженерно-геологических изысканиях под строительство за рубежом является обязательной процедурой. В России подобная практика отсутствует, и геофизика применяется пока только на особо ответственных объектах и в сложных геологических условиях. Геофизические

методы исследований рекомендованы при изучении опасных экзогенных физико-геологических явлений и процессов (карст, оползень, суффозия, трещиноватость, нарушение природного напряжения в массивах горных пород, деградация мерзлоты). Некоторые задачи настолько не характерны для традиционной геофизики, что решаются в рамках уже самостоятельной дисциплины - инженерной геофизики. Примерами таких специфических задач являются:

о определение коррозионной агрессивности грунтов по удельному

электрическому сопротивлению и средней плотности катодного тока; о определение опасного влияния блуждающего постоянного и переменного электрического тока, для проектирования средств электрохимической защиты;

о изучение сохранности и прочностных свойств фундаментов зданий и сооружений;

о измерения уровня и частотного спектра вибрационных и сейсмических воздействий на строительные сооружения, определение опасных резонансных частот; о дефектоскопия строительных конструкций.

Выделяются два основных направления применения методов инженерной геофизики:

• инженерные изыскания для обоснования проектов строительства;

• наблюдения за работой законченных сооружений и их взаимодействий с окружающей средой.

Основные задачи инженерно-геологических изысканий для проектов строительства, в состав которых входят геофизические работы, состоят в следующем:

о определение мощности, литологического состава и физико-химических

свойств рыхлых отложений, характеристика грунтовых вод; о определение глубины залегания прочных коренных пород и их физико-механических свойств;

о выделение и прослеживание зон деструктивных нарушений, оценка степени

трещиноватости и выветрелости пород; о обнаружение и картирование пустот естественного и искусственного

происхождения (карст, горные выработки); о разведка месторождений строительных материалов.

Главной задачей наблюдений за построенными сооружениями является обеспечение безопасности их эксплуатации для людей и окружающей среды. Основной метод - разнесенные во времени (режимные) наблюдения, позволяющие проследить динамику явлений и процессов, с прогнозированием развития событий. Наиболее известным примером успешного использования геофизических методов при мониторинге объектов строительства, являются наблюдения за работой гидротехнических сооружений (ГТС). Решаемые задачи: о изучение технического состояние плотины; о определение мест утечек; о оценка эффективности дренажной системы.

В последнее время стало уделяться большое значение состоянию магистральных трубопроводов (нефтепроводов, газопроводов и пр.). Причина нарушения их работы - коррозия металлических труб. Определить места коррозионных повреждений и степень эффективности используемой системы электрохимической защиты помогают электрометрические методы.

За рубежом широкое развитие получил контроль за состоянием дорожного полотна автотрасс, вплоть до выделения отдельной отрасли - дорожной геофизики (Highway Geophysics). В России геофизическими методами пользуются для изучения железнодорожных насыпей, где они позволяют: о определять мощность и степень однородности дренажного слоя грунта; о расчленять тело насыпи по литологическому составу и состоянию грунтов; о находить локальные неоднородности (балластные корыта, грязевые мешки); о определять осадку подошвы насыпи, возведенной на слабых грунтах (илах, торфе, сапропелях и т.д.).

Археология. Геофизические исследования при археологических работах находят все более широкое применение. Они позволяют не только определять места расположения древних поселений, но и дают возможность воссоздать детальный план улиц, системы укреплений и отдельных сооружений. Есть сведения о нахождении с помощью геофизических методов ценных исторических артефактов.

1.2 Методы и технологии малоглубинной геофизики.

К основным геофизическим методам изучения малых глубин следует отнести электроразведку и сейсморазведку. В качестве дополнительных методов, для решения некоторых специфических задач, применяют магниторазведку, гравиразведку и радиометрию.

Электроразведка объединяет многочисленные геофизические методы исследования геологической среды, основанные на изучении постоянных или переменных электромагнитных полей естественных и искусственно созданных источников. В настоящее время в электроразведке насчитывается свыше пятидесяти различных методов и модификаций. В зависимости от принципа исследований все модификации наземной электроразведки можно разделить на две основные группы: электромагнитные зондирования и электромагнитное профилирование. В каждой группе выделяются подгруппы, основанные на изучении постоянных и переменных электромагнитных полей.

Электромагнитным зондированием называют способ изучения геологического разреза по вертикали, основанный на измерении элементов поля в одной точке при последовательном увеличении глубины проникновения электрических токов. Глубинность исследования возрастает при увеличении разносов (дистанционные зондирования), снижении частоты поля (частотные зондирования), или увеличении длительности измерения переходного процесса (зондирования становлением поля). Следовательно, для изучения малых глубин применяют небольшие разносы, высокие частоты и малые времена становления

поля. Наиболее распространены: вертикальные электрические зондирования (ВЭЗ), дистанционные индукционные зондирования (ДИЗ), индукционные частотные зондирования (ИЧЗ), аудиомагнитотеллурические зондирования (АМТЗ) и метод переходных процессов (МПП).

Электромагнитным профилированием называют способ изучения геологического разреза вдоль профиля при более или менее одинаковой глубине проникновения электрических токов. Распространенными методами малоглубинного электропрофилирования являются СЭП, ДОП, ЕП, ПЕЭП, ДЭМП, радиокип (расшифровку см. далее по тексту).

К относительно малораспространенному, но перспективному направлению малоглубинной электроразведки, относится использование безгенераторных способов изучения геоэлектрического разреза. Подробное рассмотрение структуры природного высокочастотного электромагнитного поля и аппаратуры для его исследования посвящен раздел 1.3.

Основным сейсморазведочным методом изучения верхней части разреза является метод преломленных волн (МПВ). При возбуждении упругих колебаний с помощью кувалды, сейсморазведка МПВ позволяет получить информацию о скоростных характеристиках геологического разреза в интервале глубин от 1 до 30 метров. В случае применения маломощных невзрывных источников, глубинность исследований возрастает до 100 метров. Развитие современных технологий дало толчок новым методическим приемам получения и обработки сейсмической информации. Одно из таких направлений -использование поверхностных волн, будет подробно рассмотрено в 3 главе.

Инструментальное обеспечение малоглубинных работ оставляет двоякое впечатление: с одной стороны, используется устаревшая аналоговая геофизическая аппаратура, сохранившаяся с советских времен, с другой стороны присутствуют образцы современной цифровой техники, преимущественно зарубежного производства. Из-за малого спроса на новую аппаратуру, ее производство носит мелкосерийный характер, а стоимость высока, что является сдерживающим фактором развития прикладной геофизики

в целом. Наиболее радужные перспективы наблюдаются в широком внедрении вычислительной техники и разработке новейших программ обработки и интерпретации геофизических данных.

При изучении ВЧР все чаще ставятся задачи детального расчленения и количественной оценки физических свойств пород в естественном залегании. Решение этих задач приводит к необходимости включения в состав работ дополнительных геофизических методов для получения более достоверных данных. Возрастание объемов работ остро ставит вопрос об экономичности и производительности используемых методов, методик и технических средств.

В представленной работе рассмотрены предложенные автором способы повышения эффективности малоглубинных геофизических исследований за счет:

• разработки недорогой, относительно универсальной геофизической аппаратуры (глава 2);

• применения новых технологий обработки геофизических данных, для получения дополнительной информации (глава 3);

• использования оптимального комплекса геофизических методов для изучения верхней части геологического разреза (глава 4).

1.3 Изучение верхней части разреза с помощью естественных электромагнитных полей.

1.3.1 Структура природных и искусственных сигналов электромагнитного поля Земли в частотном диапазоне 1 - 100 ООО Гц

Электромагнитные сигналы в интервале 1-100 ООО Гц захватывают несколько частотных диапазонов: волны сверхнизких (ULF) и крайне низких частот (ELF), радиодиапазоны сверхдлинных (СДВ) и длинных волн (ДВ) (табл.1).

Табл. 1. Параметры частотных диапазонов

Диапазон частот Английское название Русское название Длина волны

0,03 - 300 Гц ULF (Ultra Low Frequency) СНЧ (Сверхнизкие частоты) Более 1000 км

300 - 3000 Гц ELF (Extremely Low Frequency) КНЧ (Крайне низкие частоты) 1000- 100 км

3-30 кГц VLF (Very Low Frequency) СДВ (Сверхдлинные волны) 100- 10 км

30 - 300 кГц LF (Low Frequency) ДВ (Длинные волны) 10- 1 км

Основной естественный источник энергии электромагнитных колебаний в диапазонах КНЧ и СДВ - это энергия разрядов молний ближних и дальних гроз. Электромагнитные колебания грозового происхождения, называются атмосфериками. Еще одним естественным источником электромагнитных колебаний являются собственные излучения околоземной плазмы, возникающие из-за различного рода возмущений областей магнитосферы и ионосферы.

На Земле в каждый данный момент бушует не менее 100-300 гроз (до 1500), средняя интенсивность разрядов оценивается величиной около 50-100 молний в секунду. Поэтому в любой точке земного шара можно практически непрерывно регистрировать атмосферики. По поверхности планеты грозы распределяются неравномерно. Над океанам гроз наблюдается приблизительно в десять раз меньше, чем над континентами. В тропической и субтропической зоне (от 30° северной широты до 30° южной широты) сосредоточено около 78 % всех молниевых разрядов. Основная часть атмосфериков приходят из мировых центров грозовой активности, в которых выделяется большая часть энергии электромагнитных колебаний. Эти центры расположены в тропической Африке, Индонезии, Центральной и Южной Америке (в бассейне Амазонки), а также в горных районах Гималаев и Кордильер (рис. 1-1).

Число молний на кв.км в год ■ тзя^^ш

0 1 0 Л 1 4 5 20 70

рис. 1-1. Мировая грозовая активность по данным NASA (http://science.nasa.gov/)

Интенсивность гроз следует за солнцем: максимум гроз приходится на лето и дневные послеполуденные часы. В полярных районах Арктики и Антарктики гроз практически не бывает.

Разряд молнии имеет 2 стадии: предразряд и основной разряд, различающиеся силой тока и спектром излучаемых радиоволн (рис. 1-2). Основной разряд излучает сверхдлинные волны, а предразряд — длинные, средние и даже короткие волны. Максимум энергии электромагнитных колебаний лежит в области частот порядка 4—$ кГц. Если атмосферики создаются местными грозами, то их спектр определяется только спектром излучения грозового разряда. Если же источник — удалённая гроза, то спектр определяется также и условиями распространения радиоволн от очага грозы до места наблюдения. Из-за большего затухания высокочастотных составляющих электромагнитных волн, спектральный состав удаленных гроз смещается в более низкочастотную область. Электромагнитные волны низких частот распространяются вокруг планеты в гигантском сферическом резонаторе между Землей и её ионосферой.

10

Суммарный

рис. 1-2. Спектр радиоволн, излучаемых разрядом молнии [2]; сплошная линия - спектр основного разряда, точечный пунктир - спектр предразряда, штриховой пунктир -суммарный спектр;/- частота радиоволн, Е — напряжённость электрического поля волны.

10

100 игц

Если электромагнитная волна после огибания земного шара снова совпадает с собственной фазой, то возникают стоячие волны на характерных частотах, связанных с радиусом Земли. Эти резонансные частоты были теоретически предсказаны профессором В.О. Шуманом в 1952 году [77] и обнаружены экспериментально М. Балсером и С.А. Вагнером в 1960 году, при изучении электромагнитных эффектов от высотных ядерных взрывов [60]. Увеличение интенсивности поля в резонаторе Земля - ионосфера наблюдается на частотах 8, 14, 20, 26, 32 и 40 Гц. На более высоких частотах резонансные явления обнаружить затруднительно из-за влияния промышленных помех. Для первого резонанса Шумана возможны вариации в пределах 7-11 Гц, но большей частью в течение суток разброс резонансных частот обычно лежит в пределах ± (0,1-0,2) Гц. Спектральная плотность колебаний составляет 0,1 мВ/м. Изменения интенсивности поля в диапазоне 5-40 Гц коррелируют с максимумами грозовой активности в основных центрах [59]. Интенсивность естественного поля в этом диапазоне может изменяться более чем в два раза в течение суток. Во время магнитных бурь и повышенной солнечной активности интенсивность поля в низкочастотном диапазоне также значительно возрастает. С ростом частоты спектральная плотность естественного электромагнитного поля уменьшается, и достигает минимума на частотах 2-5 кГц. На основании большого числа наблюдений для диапазона частот 5-2000 Гц получена

эмпирическая зависимость спектральной плотности шумовой и импульсной составляющей поля от частоты [77]:

т =/-0-89

На самом деле характер спада немного сложнее: амплитуда шумового магнитного поля на частоте 1 Гц составляет около 1 пТл и снижается со скоростью 10 дБ/декаду до частоты 100 Гц, в диапазоне 100-2000 Гц наклон характеристики составляет около 15-20 дБ/декаду.

Расстояние от поверхности Земли до нижней границы ионосферы составляет 60—100 км. Это расстояние имеет тот же порядок, что и длина СДВ, так что волны распространяются между двумя близко расположенными полупроводящими концентрическими сферами, одной из которых является Земля, а другой—ионосфера. Условия распространения при этом примерно такие же, как и в диэлектрическом волноводе. Как и во всяком волноводе, можно отметить оптимальные волны—волны, распространяющиеся с наименьшим затуханием, и критические волны—волны с предельной длиной волны, которые еще могут распространяться. Для волновода, образованного Землей и ионосферой, критической является волна длиной около 100 км (частота 3 кГц), к которой приурочен минимум амплитудного спектра. Оптимальными являются волны длиной 25—35 км (частотой 8,5-12 кГц), здесь в спектре наблюдается значительное увеличение интенсивности поля, связанное с атмосфериками. После локального максимума на частоте около 10 кГц, следует спад спектральной плотности шумов с наклоном 20 дБ/декаду в сторону высоких частот. При общей тенденции уменьшения спектральной плотности поля от низких частот к высоким, спектр поля атмосфериков почти всегда имеет большую неравномерность, вызванную состоянием волновода Земля -ионосфера. Так как распространение низкочастотных волн определяется состоянием ионосферы, интенсивность поля атмосфериков зависит от времени суток и времени года (рис. 1-3). Ночью поглощение поля в волноводе меньше и интенсивность поля больше, чем днём, а зимой меньше, чем летом [81]. Кроме того, интенсивность естественного поля в аудиомагнитотеллурическом

диапазоне также зависит от широты и в общем случае уменьшается с увеличением широты, но иногда наблюдается обратная закономерность.

-10 El >1S 5|i

-70 2

S х

■70 _

Frequency, Hz

рис. 1-3. Спектры электромагнитных колебаний в диапазоне 1 Гц - 100 кГц по данным наблюдений в разные годы и сезоны [70].

Значительная энергия электромагнитного поля в диапазоне частот 50 - 1000 Гц определяется техногенными источниками - главным образом она сосредоточена в узкой полосе частоты питающей сети 50 Гц (или 60 Гц) и их гармоник. Спектральная плотность шумов техногенных источников на этих частотах может на несколько порядков превышает спектральную плотность естественного поля.

Следующим важным источником электромагнитных сигналов искусственного происхождения являются СДВ радиостанции. Их диапазон вещания находится в пределах 10-30 кГц. Для радиоволн с частотой менее 30 кГц токи проводимости существенно преобладают над токами смещения, благодаря чему при распространении поверхностной волны происходит лишь незначительное поглощение энергии. Кроме того, сверхдлинные и длинные

волны хорошо дифрагируют вокруг сферической поверхности Земли. Оба эти фактора обусловливают возможность распространения СДВ на расстояние до нескольких тысяч км. Начиная с расстояния 300—400 км, помимо земной волны, присутствует волна, отраженная от ионосферы. С увеличением дальности напряженность электрического поля отраженной от ионосферы волны увеличивается, и на расстояниях 700—1000 км напряженности полей земной и ионосферной волн становятся примерно равными. Суперпозиция этих двух волн дает интерференционную картину поля (рис. 1-4).

рис. 1-4. Характер изменения напряженности электрического поля СДВ с удалением от радиостанции {[= 16,6 кГц): пунктирная линия -опытные данные, сплошная линия -теоретические расчеты [80].

На расстоянии свыше 2000—3000 км земная и ионосферная волны не проявляются по отдельности. Распространение происходит подобно атмосферикам в сферическом волноводе Земля - ионосфера. Основное преимущество сигналов СДВР - это большая устойчивость напряженности электрического поля, которая не подвержена случайным изменениям и мало меняется в течение суток и в течение года. Наиболее мощные передатчики могут обеспечить достаточную для приема напряженность поля на расстоянии более 10 000 км. В настоящее время СДВР применяются в системах радиосвязи для подводного флота, радионавигации и передаче сигналов эталонных частот и единого времени (табл. 2).

Табл. 2 Список активных СДВ радиостанций в диапазоне 10 - 40 кГц на 2010 г. (Таблица составлена по материалам сайта http://www.vlf.it и другим Интернет источникам)__|______

Частота, кГц Название Страна Местоположение Координаты широта/долгота Примечания

11.905 "ALPHA" Россия Краснодар, Новосибирск, Комсомольск 45N24 38Е09 55N45 84Е27 50N04 135Е36 Радиотехническая система дальней навигации (РСДН-20)

12.091 "ALPHA" Россия Мурманская обл. 68N02 34Е41 Периодически

12.649 "ALPHA" Россия Краснодар, Новосибирск, Комсомольск 45N24 38Е09 55N45 84Е27 50N04 135Е36 РСДН-20

13.333 "ALPHA" Россия Мурманская обл. 68N02 34Е41 Периодически

14.881 "ALPHA" Россия Краснодар, Новосибирск, Комсомольск 45N24 38Е09 55N45 84Е27 50N04 135Е36 РСДН-20

16.400 JXN Норвегия Helgeland, Noviken. 66N25 13Е01, 66N58 13Е54 ВМФ НАТО. Р = 350 кВт

17.000 VTX2 Индия Vij ayanarayanam 08N27 77Е45 ВМФ Индии

17.200 SAQ Швеция Grimeton 57N07 12Е24 Только летом

18.100 RDL/RLO Россия Разные города - Периодически

18.200 VTX3 Индия Vij ayanarayanam 08N27 77Е45 ВМФ Индии

18.300 HWU Франция Le Blanc 46N37 1Е05 ВМФ Франции

18.500 DH035 Германия Rhauderfehn 53N05 7Е37 Р = 500 кВт

18.600 "OMEGA" Австралия Woodside 38S29 146Е56

18.900 UMB Россия Ростов 57N14 39Е48

19.200 VTX Индия Vij ayanarayanam 08N27 77Е45 ВМФ Индии

19.600 GBZ Англия Criggons 52N43 3W04 станция НАТО Р = 550 кВт

19.800 NWC Австралия North West Cape, Harold E. Holt 21S47 114Е09 ВМФ США и Австралии. Р = 1000 кВт

20.270 ICV Италия Tavolara 40N55 9Е45 станция НАТО

20.500 "BETA" Россия Краснодар и др. См.список 25кГц сигналы иТС

20.600 3SA 3SB Китай Changde/Datong 25N02 111Е40 39N36 103Е20 ВМФ Китая

20.900 HWU Франция Rosnay 48N33 2Е34 ВМФ Франции

21.100 RDL Россия Разные города - Периодически

21.400 NPM США Lualualei, Гавайи 21 N25 158W09 ВМФ США Р = 480 кВт

21.750 HWU Франция Le Blanc 46N37 1Е05 ВМФ Франции

22.100 GQD Англия Skelton, Cumbria 54N55 3W17

22.200 JJI Япония Ebino 32N05 131Е51 ВМФ Японии

23.000 "BETA" Россия Краснодар и др. См.список 25кГц сигналы иТС

23.400 DH038 Германия Rhauderfehn, 53N05 7Е40 ВМФ ФРГ

Продолжение табл. 2.

Частота, кГц Название Страна Местоположение Координаты широта/долгота Примечания

24.000 NAA США Cutler, ME 44N38 67W17 ВМФ США Р = 1000 кВт

24.800 NLK США Jim Creek, Arlington, Wash 48N12 121W00 ВМФ США Р = 200 кВт

25.000 "BETA" RJH63 RJH77 RJH99 RAB99 RJH66 RJH69 Россия Киргизия Белорусь Краснодар Архангельск Ниж. Новгород Хабаровск Бишкек Вилейка 45N24 38E09 64N22 41E35 56N11 43E58 48N30 143E51 43N04 73E39 54N27 26E47 Служба точного времени (иТС)

25.100 "BETA" Россия Краснодар и др. См.список 25кГц сигналы иТС

25.200 NML4 США LaMoure, ND 46N22 98W20

25.500 "BETA" Россия Краснодар и др. См.список 25кГц сигналы иТС

26.700 ТВВ Турция Bafa 37N28 27Е30 ВМФ Турции

27.350 RDL Россия Разные города - Периодически

36.000 DH037 Германия Burlage 53N05 7Е37

37.000 UWR Россия Мурманск 68N58 ЗЗЕ04

37.500 NRK Исландия Keflavik 63N57 22W28 Р= 100 кВт

38.000 SRC/SHR Швеция Ruda 57N12 16Е18 Периодически

40.000 JJY Япония Haganeyama 33N28 130Е10

40.400 SAS/SRC Швеция Karlsborg 58N29 14Е29

40.750 NAU Пуэрто Рико Aguada 18N23 67W11 ВМФ США Р= 100 кВт

Сигналы СДВ и ДВ радиостанций используются в геофизическом методе радиокомпарации и пеленгации (радиокип) при изучении электромагнитных свойств верхней части геологического разреза (на глубину до 10 м для ДВ, и до 50- 100 м для СДВ).

Электромагнитное поле Земли рассмотренного диапазона частот (1 -100000 Гц) изучается методами аудиомагнитотеллурического зондирования (АМТЗ) и радиомагнитотеллурического зондирования (РМТЗ), являющихся модификациями метода магнитотеллурического зондирования (МТЗ) для звуковых и радио частот. РМТЗ служит для изучения самой верхней части разреза (до 10 метров), с помощью АМТЗ исследуют строение геоэлектрического разреза от нескольких метров до нескольких сотен метров.

1.3.2 Обзор и сравнительный анализ серийной аппаратуры АМТЗ и радиокип.

Метод МТЗ появился в начале 50-х годов прошлого века, как метод изучения электрических свойств глубоких слоев Земли. Тогда же появилась первая аналоговая аппаратура измерения переменных электрических и магнитных полей в длиннопериодном диапазоне (от первых секунд до нескольких минут). Успешному применению МТЗ способствовали следующие факторы:

• измерения проводились в том частотном диапазоне, в котором часто возникают квазигармонические пульсации магнитного поля относительно большой амплитуды;

• для регистрации пульсаций с амплитудой несколько нТл и периодом от единиц до нескольких сотен секунд было легко создать аналоговую аппаратуру с фоторегистрацией;

• гармонические или почти гармонические пульсации поля в широком диапазоне периодов можно обрабатывать практически без применения какой-либо вычислительной техники.

Значительный объём исследований в различных регионах был проведён с использованием аналоговой техники, даже после появления более совершенной цифровой аппаратуры. После того, как были получены первые успешные результаты применения метода в низкочастотном диапазоне (МТЗ), начались первые попытки проведения подобных измерений в высокочастотном диапазоне - аудиомагнитотеллурические зондирования (АМТЗ). Впервые измерения электромагнитного поля в звуковом диапазоне для изучения свойств земной коры были проделаны В.А. Ан, Н.П. Владимировым, С.М. Крыловым в начале 60-х годов. Необходимо отметить, что развитие техники измерений в аудио диапазоне проходило медленнее, чем в низкочастотном, а исследования методом АМТЗ не носили такой массовый характер, как исследования методом МТЗ [30]. Причиной тому было несовершенство измерительной техники,

отсутствие эффективных средств записи быстропеременных процессов и более сложная структура электромагнитного поля в звуковом диапазоне частот (см. рис. 1-3). В советское время аппаратура АМТЗ в нашей стране так и осталась только на стадии экспериментальных разработок. На современном этапе развития электроники возможно создание цифровой аппаратуры с необходимой точностью измерений и достаточным объемом памяти для записи сигналов в широком диапазоне частот (10 Гц - 10000 Гц и более). Такие широкополосные измерительные системы сейчас выпускают несколько зарубежных производителей геофизической аппаратуры (табл. 3). Отечественные аналоги подобных приборов не производятся серийно, существуют только опытные экземпляры для научных работ [29] и мелкосерийная аппаратура с урезанными частотными характеристиками [45] (см. табл. 3). Кроме регистрирующей электроники, важной составной частью являются датчики магнитного поля звукового диапазона частот. Их характеристики полностью определяют частотный диапазон, чувствительность и уровень шумов аппаратуры АМТЗ. Датчики магнитного поля представляют собой многовитковые катушки, намотанные на сердечниках с высокой магнитной проницаемостью (феррит, пермаллой, ц-металл). Для линеаризации амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) таких датчиков используют встроенную корректирующую электронику, питание на которую подается с внешнего пульта. Таким образом, активные датчики и приемная аппаратура являются частью единого согласованного тракта. Большинство фирм-производителей аппаратуры АМТЗ выпускают активные датчики магнитного поля самостоятельно или на дочерних предприятиях (табл. 4). Следует отметить, что не существует жестких границ частотных диапазонов измерений МТЗ или АМТЗ. Этим объясняется большой разброс параметров, как приемников, так и датчиков. Приемники обычно имеют более широкий диапазон, для подключения датчиков нескольких типов.

Табл. 3. Технические характеристики аппаратуры метода АМТЗ.

Аппаратура Производитель Страна ADU-07 Metronix Geophysics (Германия) MTU-A Phoenix Geophysics (Канада) GDP-3211 Zonge International (США) Stratagem ЕН4 Geometries (США) АКФ-4М СПбГУ (Россия) АМТ-02 ИГФ УрО РАН (Россия)

Диапазон частот 1 - 250 ООО Гц 0,3-10 000 Гц 0,02 - 8 000 Гц 10-92 000 Гц 0,1 -800 Гц 3- 10 000 Гц

Входное 10 мОм (Е-канал) > 1 мОм 10 мОм * 2 мОм 1 мОм

сопротивление 20 кОм (Н-канал)

Количество от 1 до 10 от 2 до 5 от 1 до 6 2 (Е) + 2' (Н) 4 5

каналов

АЦП 24-бит 24-бит 16-бит 18-бит 24-бит 24-бит

(частота дискретизации) (96 кГц - 524 кГц) (24 кГц) (16 кГц) (42 кГц)

Динамический >130 дБ 130 дБ 120 дБ * * 120 дБ

диапазон

Операционная Linux MS-DOS MS-DOS, MS-DOS firmware firmware

система System 2000 Windows 954 IMAGEM AVR

Носители данных CompactFlash 4 Гб и > CompactFlash 512 Мб 512 Мб Flash (до 4 Гб) 1,2 Гб до 1 Гб —

Дополнения GPS GPS, выборочная фильтрация опционально GPS, выборочная фильтрация Контролируемый генератор 1<-70кГц; опционально GPS GPS

Вес 8 кг 4 кг 14 кг * 5 кг 3 кг

Габариты 400x330x170 мм 230x225x110 мм 430x310x230 мм * 340x295x155 мм 220x180x130 мм

Потребляемая 15 Вт 9 Вт 24 Вт * 7,5 Вт 7 Вт

мощность

Рабочий диапазон От -20°С до + 70°С От -20°С до + От -40°С до i- От 0°С до + 50°С От -5°С до + 50°С От 0°С до + 50°С

температур (-40°С - обогрев) 50°С 45°С

* - нет данных.

Примечание. Характеристики А01_Г-07 даны для высокочастотного поддиапазона, а ОБР-32п для варианта в малом корпусе.

Табл. 4. Технические характеристики магнитных датчиков АМТЗ.

Датчик MFS-07 АМТС-30 ANT/6 BF-10 НВ0195 АМТ-02

Производитель Metronix Phoenix Zonge International Electromagnetic СПбГУ ИГФ УрО РАН

Страна Geophysics Geophysics (США) Instruments (Россия) (Россия)

(Германия) (Канада) (США)

Коэффициент 640 мВ/нТл 100 мВ/нТл 250 мВ/нТл 300 мВ/нТл 110 мВ/нТл 40 мВ/нТл

преобразования

Частотный 0,001 -50 000 Гц 1 - 10 000 Гц 0,1 -10 000 Гц 0,2-10 000 Гц 0,1-4000 Гц 0,7 - 11 000 Гц

диапазон

Характеристика < 32Гц:линейная плоская <25 Гц: линейная плоская <10 Гц: линейная плоская

АЧХ >32 Гц: плоская >25 Гц: плоская >10 Гц: плоская

Неравномерность < 32Гц: 6 дБ/окт. ± 3 дБ <25Гц: 6 дБ/окт. ±ЗдБ <10 Гц: спад ± 3 дБ

АЧХ >32 Гц: ± 3 дБ >25 Гц: ± 3 дБ >10 Гц: 5 %

Уровень шумов,

(пТлЛ/Гц):

1 Гц 0,3 4 0,2 0,1 -

f= 10 Гц 0,03 0,2 0,015 0,01 0,032 -

^ 100 Гц 0,003 0,02 0,002 0,003 - 0,013

Г= 1 кГц 0,001 0,001 0,001 0,003 0,003 0,005

{= 10 кГц 0,002 0,001 0,002 0,008 - 0,010

Материал феррит пермаллой ц-металл ц-металл пермаллой аморфное железо

сердечника

Вес 5,5 кг 3 кг 3,2 кг 8 кг 4,7 кг 8 кг

Габариты 075 х 800 мм 060 х 820 мм 048 x910 мм 060 х 1420 мм 085 х 900 мм 076 х 1050 мм

Изучение полей удаленных радиостанций для целей разведочной геофизики началось в 1946 году, под руководством А.Г. Тархова, что привело к созданию метода радиокомпарации и пеленгации (радиокип). Поначалу использовались сигналы длинноволновых (ДВ) и средневолновых (СВ) радиостанций, в середине 60-х годов появился сверхдлинноволновый (СДВ) вариант радиокип и соответствующая аппаратура. За рубежом метод радиокип СДВ-радиостанций (СДВР) называется методом "очень низких частот" - VLF (Very Low Frequency). Наибольшую популярность он приобрел в Канаде и на Скандинавском полуострове, также применяется в США и на Балканах [75, 76, 68, 61, 62]. При съемке радиокип можно измерять довольно много информационных параметров: амплитуды электрических и магнитных составляющих сигнала, их отношения и фазовые сдвиги, вещественные и мнимые компоненты сигнала, характеристики эллипса поляризации магнитного поля [11]. Несмотря на преимущества радиокип (отсутствие генератора, малый вес, быстрота съемки), метод обладает рядом недостатков: небольшая глубина исследований, влияние рельефа, узкая направленность сигнала. Это привело к значительному снижению интереса к методу. Однако в Канаде продолжает существовать мелкосерийное производство VLF-приемников старого образца (Geonics ЕМ-16) и опциональных модулей VLF к магнитометрам GEM и Scintrex. Список известных моделей аппаратуры радиокип представлен в табл.5.

Приведенные материалы свидетельствуют, что в настоящее время в России сложился дефицит аппаратуры по изучению естественных электромагнитных полей аудио-диапазона (АМТЗ и радиокип СДВР) из-за высокой стоимости зарубежных образцов и полного отсутствия серийного производства отечественных приборов. Восполнить данный пробел можно изготовлением достаточно экономичного и универсального приемника сигналов аудио-диапазона «ОМАР-2м», разработанного автором. Описание, технические характеристики и методика работ с аппаратурой «ОМАР-2м» представлены во второй главе диссертации.

Табл. 5. Технические характеристики СДВ-приемников

Аппаратура Производитель ЕМ 16(11) Оеошсв \VADI АВЕМ T-VLF IRIS ENVI VLF Scintrex ИПИ-30 ИЗК СПбГУ СДВР-3 (4М) ЦНИГРИ

Страна (Канада) (Швеция) (Франция) (Канада) (Россия) (СССР)

15,1; 16,0; 16,4; 10-30 кГц

Рабочие частоты 15-25 кГц (опция до 30 кГц) 10 - 30 кГц (с шагом 100 Гц) 10-30 кГц (с шагом 100 Гц) 15-30 кГц 17,1; 17,4; 17,8; 18,1; 18,6; 19,0; 19,6; 23,4 кГц (11,9; 15,1; 17,4; 17,8; 18,6; 19,6; 22,3 кГц)

Число датчиков 2 2 2 3 1 1

Входное 100 МОм (Е- * * * * 500 кОм (1,5

сопротивление канал) МОм)

Измеряемые величины ЯеЩ 1т Н5, Импеданс и фазовый сдвиг м/у Ех и Ну Реальные и мнимые компоненты магнитного поля Напряженность и угол наклона ЭМ поля, импеданс Re Hz, Im Hz, Угол наклона и амплитуды электромагнитного поля Импеданс и фазовый сдвиг м/у Ех и Ну Напряженность и угол наклона ЭМ поля, импеданс

Объем памяти - 4000 отчетов 4000 отчетов 4500 отчетов * —

Выбор станций ручной ручной/авто 2 станции 3 станции ручной ручной

Особености Дополнительный генератор сигнала 18,6 кГц (ТХ27) Модульная Два варианта исполнения Интегрируется с магнитометром ENVI MAG Опытный образец Модульная

Вес 6 кг 6 кг 6 кг 2,5 кг 3 кг 4,5 кг

Габариты 530x300x220 мм 560x430x330 мм 430x240x240 мм 280x190x75 мм * 280x208x130 мм

Питание (мощность) 6 батарей АА = 9 В 6 батарей АА = 9 В 6 батарей АА = 9 В + 9В (блок упр.) Аккумулятор 12В х 0,65А 4 батареи 3336 2 батареи 11,5-ПМЦГ-У-120 ч

Рабочий диапазон От -20°С до + От -20°С до + От -20°С до + От -40°С до + От -20°С до + От -10°С до +

температур 50°С 50°С 50°С 60°С 40°С 40°С

* - нет данных.

Разработка опытной малогабаритной аппаратуры регистрации геофизических сигналов «ОМАР-2м»

Фото 1. Аппаратура «ОМАР-2м» в варианте с ноутбуком ASUS ЕЕЕ 701.

Широкополосная аппаратура «ОМАР-2м» (фото 1 ) позволяет выполнять исследования методами аудиомагнитотеллурического зондирования (АМТЗ), радиокомпарации и пеленгации сверхдлинноволновых радиостанций (радиокип СДВР), переменного естественного электрического поля (ПЕЭП), переменного естественного магнитного поля (ПЕМП), спектрального анализа поверхностных волн (SASW), а также применяться в качестве малоканальной сейсмоакустической или сейсмоэлектрической станции. В комплекте с электроразведочным генератором сигналов, аппаратура может выступать как универсальный приемник для электромагнитных методов разведки.

2.1 Технические характеристики и возможности аппаратуры «ОМАР-2 м».

Функционально аппаратура состоит из аналогового приемного блока и цифрового регистратора сигналов. Приемный блок осуществляет согласование с датчиками, формирование АЧХ, усиление, индикацию уровня сигнала и детектирование (рис. 2-1).

1 Гц

Л'

Л'

г* ФВЧ21

ФВЧ 2.2

1 Гц

10, О*

,50 • 60

Усил 1 кан, дБ

[>

ДУ2

20 ад

500 ГЧ 10. *ЛТк* .50

-о-

Усил.2 кан, дб

Г ФВЧ 1.1

о

£ МД

+

Заключение диссертации по теме «Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых», Давыдов, Вадим Анатольевич

Основные результаты диссертации заключаются в следующем:

1. Разработана и изготовлена многофункциональная 2-канальная приемно-регистрирующая аппаратура «ОМАР-2м», обеспечивающая усиление, аналого-цифровое преобразование и запись геофизических сигналов в частотном диапазоне 10-48 ООО Гц. Главное назначение аппаратуры «ОМАР-2м» - работа в качестве аудиомагнитотеллурической станции. Кроме того, она может быть использована для геофизических работ методами радиокип СДВР, ПЕЭП, ПЕМГТ, ЕП, ПЭМ, САЭ и выступать как универсальный приемник для электромагнитных методов разведки. Созданный макет широкополосной аппаратуры «ОМАР-2м» успешно испытан на контрольном полигоне Института геофизики УрО РАН и применялся автором на производстве при изучении Березовского и Полдневского месторождений (Средний Урал), Наранского ультраосновного массива (Монголия), массива Рай-Из (Полярный Урал) и гидротехнических сооружений г.Екатеринбурга.

2. Изготовлены и откалиброваны индукционные датчики переменного магнитного поля нескольких типов, для совместной работы с аппаратурой «ОМАР-2м» методами АМТЗ и радиокип СДВР. В составе приемного комплекса применена специальная схема включения датчиков электромагнитного поля, для расширения динамического диапазона измеряемых сигналов и снижения уровня промышленных помех.

3. Для интерпретации данных АМТЗ, радиокип СДВР, ПЕЭП, ПЭМ и АФИ произведена адаптация стандартного программного обеспечения (SpectraLAB, Cool Editor), разработаны дополнительные алгоритмы обработки и написаны подпрограммы в среде MATLAB и MS Excel.

4. Выявлен новый электрометрический параметр, характеризующий поляризационные свойства разреза: электрический параметр гармоник (Пг). Для выделения аномалий разреза опробованы построения различных электрометрических параметров: электромагнитный параметр поля (Р), эффективная продольная проводимость (5^), параметр неоднородности (\НФ\/\НГ\), индуктивный поляризационно-частотный эффект (РЕЕ,), фазовый сдвиг ортогональных составляющих переменного магнитного поля (ЛФ) и др.

5. Предложена методика комбинированного использования преломленных и поверхностных волн, базирующаяся на технологии совместной обработки данных сейсморазведки МПВ и многоканального анализа поверхностных волн (МА8\¥), с получением информации об упругих характеристиках геологической среды (скорости продольных и поперечных волн, коэффициент Пуассона) в естественном залегании. Новая методика значительно повышает информативность сейсмических исследований без снижения производительности полевых работ.

6. В ходе комбинированных сейсмических исследований на ряде объектов, обнаружена возможность идентифицировать подземные пустоты по поведению коэффициента Пуассона. На основании полученных результатов предложен способ локализации подземного пустотного пространства природного и искусственного происхождения.

7. Исходя из результатов опытно-методических и производственных работ на множестве объектов, разработан рациональный комплекс геофизических методов по изучению ВЧР, включающий электроразведку на постоянном (ВЭЗ) и переменном токе (ДИЗ), комбинированную сейсморазведку (МПВ + МА8А¥) и магниторазведку. Данный комплекс работ может с большой эффективностью применяться при:

• поиске россыпных месторождений благородных металлов и драгоценных камней;

• поиске и разведке коренных месторождений твердых полезных ископаемых, залегающих на небольших глубинах;

• обследовании грунтовых гидротехнических сооружений;

• инженерно-геологических изысканиях под строительство.

Заключение

Список литературы диссертационного исследования кандидат геолого-минералогических наук Давыдов, Вадим Анатольевич, 2011 год

Список литературы

1. Алферова М. С. Генетические связи демантоида Ново-Коркодинского месторождения, Средний Урал // Минералогические музеи // Сборник материалов IV Международного Симпозиума . СПб.: НИИЗК СПбГУ, 2002. -С. 300-301.

2. Алъперт Я. Л. Распространение радиоволн и ионосфера. - М.: Изд-во АН СССР, 1960.-480 с.

3. Бакаев В.П. Выявление методами электроразведки погребенной очаговой мерзлоты на россыпном техногенном месторождении платины по р. Лобва, Северный Урал. - Екатеринбург: УрО РАН, 2004. - 38 с.

4. Бобровников Н.В. Использование техногенных электромагнитных полей в комплексе геоэкологического картирования // Геоэлектрические исследования контрастных по электропроводности сред: Сб. науч. трудов. - Екатеринбург: Наука. Уральское отделение, 1996. - С. 138-148.

5. Бондарев В.И. Сейсмический метод определения физико-механических свойств нескальных грунтов. - Екатеринбург: Изд-во УГГГА, 1997. 220 с.

6. Бондарев В.И. Сейсморазведка. - Екатеринбург: ИРА УТК, 2007. - 703 с.

7. Вешев A.B. Электропрофилирование на постоянном и переменном токе. -Л.: Недра, 1980.-391 с.

8. Вуд Б.Л., Попов Н.П. Гигантское месторождение золота Сухой Лог (Сибирь) // Геология и геофизика, 2006, т. 47, № 3. С. 315-341.

9. Гамбурцев Г.А., Ризниченко Ю.В. Берзон КС. и др. Корреляционный метод преломленных волн. - М.: Изд-во АН СССР, 1952. - 240 с.

10. Горбунова Л.М., Захаров В.П., Музылев B.C. и др. Геофизические методы поисков и разведки. - Л.: Недра, 1982. - 304 с.

11. Гордеев С.Г., Седельников Э. С., Тархов А.Г. Электроразведка методом радиокип. -М.: Недра, 1981. 132 с.

12. Гринкевич Г.И. Магниторазведка. - М.: Недра, 1979. - 256 с.

13. Гурееич Ю.М., Кононенко H.H., Родионов П. Ф., Человечков А.И. Результаты фазовых измерений методом вызванной поляризации на переменном токе в условиях Урала // Методы изучения поляризации горных пород переменным током: Сб. статей. - Свердловск: УНЦ АН СССР, 1974. С. 92 -97.

14. Давыдов A.B., Давыдов В.А. Высокочувствительное гамма-опробование горных пород на содержание естественных радиоактивных элементов // Известия УГГГА. Серия: Геология и геофизика. Вып. 5, 1996. С. 121-125.

15. Давыдов A.B., Сковородников И.Г., Давыдов В.А. Способ гамма-опробования горных пород и руд на содержание радиоактивных элементов // Информационно- тематический сборник РФ. - Екатеринбург: ИГ РИА, 1995. С. 18-29.

16. Давыдов В. А. Применение малоглубинной сейсморазведки для изучения подработанных территорий // Известия вузов. Горный журнал, №4, 2010. С. 111-116.

17. Давыдов В.А. Опытная малогабаритная аппаратура регистрации «ОМАР-2м» для метода АМТЗ // Геодинамика. Глубинное строение. Тепловое поле Земли. Интерпретация геофизических полей. Шестые научные чтения Ю.П. Булашевича: Материалы конференции. - Екатеринбург: ИГФ УрО РАН, 2011. С. 112-115.

18. Давыдов В.А. Применение геофизических методов при поиске старых горных выработок // Международный научно-промышленный симпозиум «Уральская горная школа - регионам» // Сборник докладов. -Екатеринбург: Изд-во УГГУ, 2009. С. 38-40.

19. Давыдов В.А., Бакаев В.П. Использование комплекса геофизических методов на шахте «Северная» Березовского рудника //Известия вузов. Горный журнал, №8, 2008. - С. 175-182.

20. Давыдов В.А., Муравьев Л.А., Бакаев В.П. Опытные геофизические работы на Полдневском месторождении демантоидов // Известия вузов. Горный журнал, №6 ,2010. С. 97-104.

21. Давыдов В.А., Человечков А.И., Байдиков C.B. Инженерные геофизические исследования плотин г. Екатеринбурга // Международный научно-промышленный симпозиум «Уральская горная школа - регионам» // Сборник докладов. - Екатеринбург: Изд-во УГГУ, 2009. С. 40-43.

22. Давыдов В.А., Человечков А.И., Байдиков C.B. Комплексные геофизические исследования городских плотин // Геодинамика. Глубинное строение. Тепловое поле Земли. Интерпретация геофизических полей. Пятые научные чтения памяти Ю.П. Булашевича: Материалы конференции. -Екатеринбург: ИГФ УрО РАН, 2009. С. 127 - 132.

23. Долбинов A.C., Дорошкова З.Н. Геологическое строение и промышленная оценка россыпи золота ручья Турчик // Отчет. - с. Красное, 1971. - 150 с.

24. Журавлева Р.Б., Самоделкина С.А., Бакаев В.П. К выбору интерпретационных параметров при дистанционном зондировании и профилировании с аппаратурой ДЭМП-СЧ// Российский геофизический журнал. 1994. №2-4. С. 67-70.

25. Инструкция по магниторазведке. - JL: Недра, 1981. - 263 с.

26. Интерпретация данных сейсморазведки: Справочник / Под ред. O.A. Потапова. - М.: Недра, 1990. - 448 с.

27. Караев H.A., Рабинович Г.Я. Рудная сейсморазведка. - М.: ЗАО "Геоинформмарк", 2000. - 366 с.

28. Киевленко Е.Я., Сенкевич H.H., Гаврилов А.П. Геология месторождений драгоценных камней.- 2-е изд. - М.: Недра, 1982. - 119с.

29. Коноплин АД. Аппаратура высокочастотного магнитотеллурического зондирования. // Вопросы теории и практики геологической интерпретации гравитационных, магнитных и электрических полей: Материалы 33-й сессии Международного семинара им. Д.Г. Успенского. - Екатеринбург: Институт геофизики УрО РАН, 2006. - С. 147.

30. Коноплин АД. Разработка цифровой аппаратуры и программно-методического обеспечения обработки данных МТЗ // Диссертация на

соискание учёной степени кандидата технических наук. Екатеринбург: Институт геофизики УрО РАН, 2003. - 121 с.

31. Красный Л.И. Геолого-структурное районирование и полезные ископаемые Боливии // Советская геология № 7, 1973. С.95 - 121.

32. Лебедев В. Ф., Руденко Ю.Я., Князев В.А. и др. Использование электромагнитных методов при поисковых работах на россыпное и коренное золото. // Вопросы теории и практики геологической интерпретации гравитационных, магнитных и электрических полей: Материалы 33-й сессии Международного семинара им. Д.Г. Успенского. -Екатеринбург: Институт геофизики УрО РАН, 2006. С. 182 - 187.

33. Матвеев Б.К. Электроразведка при поисках месторождений полезных ископаемых. Учебник для вузов. М.: Недра, 1985. - 375 с.

34. Метод преломленных волн / под ред. A.M. Епинатьевой /. - М.: Недра, 1990.-297 с.

35. Нейштадт Н.М. Использование сейсмоэлектрических и пьезоэлектрических явлений в разведочной геофизике. - JL: Недра, 1970. - 80с.

36. Огилъви A.A. Основы инженерной геофизики. - М.: Недра, 1990 - 501 с.

37. Палагин В.В., Попов А.Я., Дик ИИ. Сейсморазведка малых глубин. - М.: Недра, 1989.-210 с.

38. Поляков В.Л. Уральские демантоиды: соотношение известных и новых данных. // Уральский геологический журнал. 1999. № 5. С. 103-127.

39. Поляков В.Л., Телегин П.В., Мещанов Л.Б. Промышленное освоение Полдневского россыпного месторождения демантоида (Средний Урал). // Минеральное сырье Урала. 2005. №4. С. 23-37.

40. Пушкарев Е.В. Ключевской офиолитовый массив на Среднем Урале. // материалы международной научной конференции. Екатеринбург, 2006. XII Чтения памяти А.Н. Заварицкого 30 мая-2 июня 2006 г. С. 334-345.

41. Рекомендации по применению сейсморазведки для изучения физико-механических свойств рыхлых грунтов в естественном залегании для

строительных целей. / Сост. В.И.Бондарев, под ред. В.А. Шемшурина и др. - М.: Стройизыскания, 1974. - 142 с.

42. Сазонов В.Н., Огородников В.Н., Поленов Ю.А., и др. Золотооруденение Екатеринбургского геологического полигона. - Екатеринбург: Изд. УГГГА, 1997.

43. Сапфиров И.А. Малоглубинная сейсморазведка методом общей глубинной точки при освоении месторождений твердых полезных ископаемых // Автореферат диссертации на соискание учен, степени д-ра техн. наук. -Пермь: Перм. гос. ун-т., 1996. - 40 с.

44. Сапунов В.А., Савельев Д.В., Денисова О.В., и др. Современные протонные оверхаузеровские магнитометры: возможности и перспективы в области геологоразведки // Геологической службе России 300 лет. Международная геофизическая конференция: Тез. докл.- С.-Петербург.: 2000.- С.290-292.

45. Сараев А.К. Головенко В.Б., Ларионов К.А. Аудиомагнитотеллурическая система АКФ-4М // Индустрия. № 3, 2003. - С. 33.

46. Сейсмическая станция «Синус-24М». Руководство пользователя. -Екатеринбург, ИГФ УрО РАН, 2004. - 27 с.

47. Сейсморазведка. Справочник геофизика / Под ред. И. И. Гурвича, В.П. Номоконова /. - М.: Недра, 1981. 464 с.

48. Сейсморазведка. Справочник геофизика. В двух книгах / Под ред. В.П. Номоконова. Книга первая. - М.: Недра, 1990. - 336 с.

49. Скворцов А.Г., Дроздов Д. С. Опыт использования высокоразрешающей сейсморазведки на поперечных SH-волнах для изучения инженерно-геологических условий на территории Москвы // Инженерно-геологические проблемы урбанизированных территорий. - Екатеринбург: Аква-Пресс, 2001. Том 1.-С. 177-183.

50. Телфорд В.М., Гелдарт Л.П., Шерифф P.E. и др. Прикладная геофизика. -М.: Недра, 1980.-470 с.

51. Титлинов В. С. О возможности использования полей-гармоник 50-периодного тока промышленных ЛЭП в многочастотной электроразведке //

Теория и практика электромагнитных методов геофизических исследований: Сб. науч. трудов. - Екатеринбург: Наука. Уральское отд-е, 1992. - С. 64-77.

52. Хачай О.А., Бакаев В.П. Об усовершенствовании методики площадных индукционных зондирований на россыпных месторождениях // Известия вузов. Горный журнал, № 1 , 1994. С. 8-13.

53. Хмелевской В.К. Электроразведка. - М.: Изд-во МГУ, 1984. - 422 с.

54. Хомич В.И. Приемные ферритовые антенны. - М. - Л.: Госэнергоиздат, 1963.-64 с.

55. Цюцкий С.С., Шайдуллин С.С. Новые находки демантоида на Среднем Урале. // Уральский геологический журнал. 1999. № 3. С. 91-96.

56. Черняк Г.Я. Электромагнитные методы в гидрогеологии и инженерной геологии. - М.: Недра, 1987. - 213 с.

57. Шило Н.А. Основы учения о россыпях. - М.: Наука, 1981. - 383 с.

58. Электроразведка. Справочник геофизика. В двух книгах. / Под редакцией В.К. Хмелевского и В.М. Бондаренко. - М.: Недра, 1989. - 438 с.

59. Balser М., Houri A. Diurnal power variations of the earth ionosphere cavity modes and their relationship to worldwide thunderstorm activity. J. Geophys. Res., 1962, 67, № 2

60. Balser M, Wagner C.A. Observations of Earth-ionosphere cavity resonances. Nature, Volume 188, 1960, pp. 638-641.

61. Bayrak M. Exploration of chrome ore in Southwestern Turkey by VLF-EM.// Journal of the Balkan Geophysical Society,Vol. 5, No 2, May 2002, p. 35-46.

62. Drenth B.J., Moore D., Young С. T. Geophysical response of the Mission Creek Fault near desert Hot Springs, California.// The Symposium on the Application of Geophysics to Environmental and Engineering Problems (SAGEEP), San Antonio,Texas, April, 2003. - 10 p.

63. Gabriels, P., Sneider, R. and Nolet, G. In-situ measurements of shear wave velocity in sediments with higher mode Rayleigh waves. Geophysical Prospecting, 35, 1987, p. 187-196.

64. Hayashi, K. and Suzuki, H. CMP cross-correlation analysis of multi-channel

surface-wave data // Exploration Geophysics, 35, 2004, p.7-13.

65. Heisey, J.S., Stokoe, K.H., II, Hudson, W.R., Meyer, A.H. Determination of in situ shear wave velocities from Spectral Analysis of Surface Waves / Research Report 256-2, Center for Transportation Research, Univ. of Texas at Austin, 1982, 277 pp.

66. Hérail G., Fornari M., Viscarra G. Évolution morphologique et chimique des grains d'or au cous de la formation d'un placer fluviatile polygénique: exemple du placer mio-pléistocène de Tipuani (Andes, Bolivie) / Chronique de la recherche miniere, № 500, 1990, p. 41-49.

67. Hérail G., Fornari M., Viscarra G. Geodynamic and Gold Distribution in the Tipuani-Mapiri Basin (Bolivia) / Internationaj Symposium on Intermontane Basins: Geology & Resources, Chiang Mai, Thailand (30 January - 2 February 1989), p. 342-352.

68. Hutchinson P. J., Barta L.S. VLF surveying to delineate longwall mine-induced fractures // The Leading Edge, May 2002, p. 491-493.

69. Ivanov, J., C.B. Park, R.D. Miller, and J. Xia. Mapping Poisson's Ratio of unconsolidated materials from a joint analysis of surface-wave and refraction events: Proceedings of the Symposium on the Application of Geophysics to Engineering and Environmental Problems (SAGEEP 2000), Arlington, Va., February 20-24, 2000 , p. 11-19.

70. Meloy J. What and where is the natural noise floor // Radio waves below 22 kHz. Open File - http://www.vlf.it/naturalnoisefloor/naturalnoisefloor.htm, Jan.2003. -12 p.

71. Neducza B. Stacking of surface waves // Geophysics, 2007, Vol. 72, No.2, p. V51 -V58.

72. Ogilvy, R.D. and Lee, A.C. Interpretation of VLF-EM in-phase data using current density pseudosections. Geophysical Prospecting, 39, p. 567-580.

73. Park, C.B., Miller, R.D., Xia, J. Multichannel analysis of surface waves: Geophysics, 1999, v.64, n.3, p. 800-808.

74. Park, C.B., R.D. Miller, J. Xia, J. Ivanov, J.A. Multichannel analysis of surface waves (MASW) - active and passive methods // The Leading Edge, 2007, No.26, p.60-64.

75. Pirttijärvi, M. Laterally constrained two-layer inversion of VLF-R measurements, User's guide. University of Oulu, Finland, 2006. - 12 p.

76. Savvaidis A.S., Tsokas G.N., Vargemezis G., Dimopoulos G. Geophysical prospecting in the Akropotamos dam (N. Greece) by GPR and VLF methods. // Journal of the Balkan Geophysical Society, Vol. 2, No 4, November 1999, p. 120-127.

77. Schuman W.O. Uber die Strahlunglosen Eigenschwingungen einer leitenden Kugel, die von einer Luftschicht und einer Ionospharehulle umgeben ist. Zeitschrift und Naturfirschung 7a, 1952, SS. 149-154.

78. SeisImager/SW™ Manual - Windows™ Software for Analysis of Surface Waves, OYO Corp., 2005. - 170 p.

79. Thitimakorn Т., Anderson N.L. A 2-D MASW Shear-Wave Velocity Profile Along a Test Segment of Interstate 1-70, St. Louis, Missouri.// Highway Geophysics - NDE Conference, St.Louis, Missouri, 2006, p. 594-608.

80. Wait J.R. Introduction to the Theory of VLF Propagation // Proceedings of the IRE (Institute of Radio Engineers). V.50, No 7, July 1962, p. 1624-1647.

81. Xavier G., Jones A. G. Atmospheric sources for audiomagnetotellurics (AMT) sounding. Geophysics 2002. v 67, № 2, p. 448 - 458.

82. Заявка на патент № 2010119157 на изобретение «Способ геоэлектроразведки» / Человечков А.И., Байдиков С.В., Давыдов В.А., Журавлева Р.Б. Дата приоритета: 19.10.2010.