CC BY
63
УДК 550.8.08
РЕГИСТРАТОР ИМПУЛЬСНЫХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ ДЛЯ ГЕОФИЗИЧЕСКОЙ РАЗВЕДКИ
Сергей Юрьевич Малышков
Институт мониторинга климатических и экологических систем СО РАН, 634055, Россия, г. Томск, пр. Академический, 10/3, старший научный сотрудник, тел. (382)249-25-91, e-mail: [email protected]
Василий Федорович Гордеев
Институт мониторинга климатических и экологических систем СО РАН, 634055, Россия, г. Томск, пр. Академический, 10/3, кандидат технических наук, старший научный сотрудник, тел. (382)249-25-91, e-mail: [email protected]
Рассмотрены принципы построения измерительной аппаратуры для регистрации пространственно-временных вариаций электромагнитных шумов. Предложены научные и методические подходы к использованию методов регистрации естественного импульсного электромагнитного поля Земли для геофизической разведки. Приводятся примеры разведки месторождений полезных ископаемых, оценки напряженно-деформированного состояния массивов горных пород, мониторинга оползневой активности, выявления геодинамически опасных участков.
Ключевые слова: регистратор, геофизическая разведка, импульсное электромагнитное
поле.
ELECTROMAGNETIC PULSE FIELDS RECORDER FOR GEOPHYSICAL SURVEY
Sergey Yu. Malyshkov
Institute of Monitoring of Climatic and Ecological Systems SB RAS, 634055, Russia, Tomsk, 10/3 Akademichesky Avenue, Senior researcher, tel. (382)249-25-91, e-mail: [email protected]
Vasiliy F. Gordeev
Institute of Monitoring of Climatic and Ecological Systems SB RAS, 634055, Russia, Tomsk, 10/3 Akademichesky Avenue, Ph. D., Senior Researcher, tel. (382)249-25-91, e-mail: [email protected]
The paper considers design principles for measurement devices recording spatiotemporal electromagnetic noise variations. Scientific and methodical approaches are suggested for natural earth electromagnetic pulse recording methods application to geophysical survey. Authors provide examples of methods application for mineral exploration, stress-deformed state of the rocks estimation, landslide activity monitoring, detection of dangerous geodynamical areas.
Key words: recorder, geophysical survey, electromagnetic pulse field.
Источниками электромагнитных импульсов, на регистрации которых базируется метод геофизической разведки по параметрам естественного импульсного электромагнитного поля Земли (ЕИЭМПЗ) [1], являются неоднородности структуры грунтов, разнонапряженные структуры, трещины и микротрещины. В результате механоэлектрических преобразований под действием деформационных волн из нижней мантии, приливных сил,
микросейсмических колебаний, ветровой и техногенной нагрузки на этих источниках возникают импульсные электромагнитные поля, которые и создают естественный электромагнитный фон литосферного происхождения. Впервые метод ЕИЭМПЗ для геофизической разведки был применен в Томском политехническом институте для оценки активности оползневых склонов, в настоящее время в Украине используют для этих целей радиоволновый индикатор производства Западно-Украинской геофизической экспедиции (РВИНДС). Но РВИНДС не имеет привязки зарегистрированных значений к точному времени, что делает невозможным использование реперных регистраторов для фильтрации временной составляющей поля, прибор регистрирует только интенсивность импульсного потока, амплитуда импульсов не регистрируется.
Для регистрации параметров ЕИЭМПЗ в Институте мониторинга климатических и экологических систем разработан Многоканальный геофизический регистратор. Поскольку в земной коре существует сложное пространственно-временное поле механических напряжений, то для приема сигналов от максимально возможного числа природных источников импульсов в приборе используются несколько приемников поля. Блок-схема многоканального геофизического регистратора «МГР-01» показана на рисунке Антенны для приема магнитной составляющей ЕИЭМПЗ в направлении север-юг 1 и в направлении запад-восток 3 представляют собой магнитные ферритовые антенны, принимающие сигнал на частоте 14,5±1КГц. Эта частота выбрана из-за того, что на ней выделяется максимум энергии при разрушении образцов горных пород. Взаимно ортогональное расположение этих антенн позволяет получить диаграмму направленности системы, близкую к круговой. В качестве антенны 5 для приема электрической составляющей ЕИЭМПЗ используется дифференциальный емкостной датчик, работающий в ближней зоне приема в диапазоне частот 500 Гц-100 КГц.
Регистратор работает следующим образом. Импульсы ЕИЭМПЗ, генерируемые массивом горных пород в точке расположения устройства, через приемные антенны 1, 3 и 5 поступают на входы соответствующих каналов 2, 4, 6, где происходит их усиление и фильтрация в определенной полосе частот. Далее импульсы, превысившие установленный порог опорного напряжения, суммируются в течение заданного промежутка времени. В этом же отрезке времени фиксируется амплитуда первого импульса, который превысил опорное напряжение. По истечении этого временного интервала данные из каналов передаются в блок управления 11.
Рис. Блок-схема многоканального регистратора «МГР-01»:
1 - антенна для приема магнитной компоненты H в направлении север-юг (С-Ю);
2 - измерительный канал (С-Ю); 3 - антенна для приема магнитной компоненты H в направлении запад-восток (3-В); 4 - измерительный канал 3-В; 5 - антенна для приема электрической компоненты E; 6 - измерительный канал E; 7 - датчик дополнительного канала; 8 - дополнительный измерительный канал; 9 - внешняя антенна GSM;
10 - GSM/GPRS модем и блок управления питанием; 11 - блок управления регистратором;
12 - буфер последовательного порта; 27 - оборудование, не входящее в базовую комплектацию и поставляемое по заказу
Для устройства управления и всех измерительных каналов регистратора разработаны свои программы, которые загружают во встроенное электрически перепрограммируемое ПЗУ микроконтроллеров. Это позволяет быстро менять алгоритмы сбора и предварительной обработки данных. Перед началом работ регистратор программно устанавливается в режим непрерывного мониторинга либо в режим полевых измерений для поиска структурных и литологических неоднородностей земной коры. В режиме полевых измерений регистратор инициирует измерение по сигналу, прошедшему от интерфейса внешнего синхросигнала для запуска измерений. К этому интерфейсу может быть подключен синхросигнал от подрывной машины, а также кнопка, расположенная на лицевой панели регистратора. Использование синхросигнала от подрывной машины удобно для записи электромагнитного отклика на динамическое (ударное) возбуждение земной поверхности и предназначено для изучения быстропротекающих, кратковременных процессов. В этом режиме вначале подается команда "огонь" для подрыва заряда или запуска ударника. Через некоторое время после запуска (время задержки) или сразу по команде "огонь" начинается оцифровка аналоговых сигналов электромагнитного
отклика горных пород на динамическое воздействие (по Е-компоненте), а также число и амплитуда импульсов по двум Н-каналам. Время задержки устанавливается либо оператором, либо определяется автоматически по моменту превышения сигнала, заданного оператором уровня срабатывания при первом пробном воздействии на объект контроля. В этом режиме оцифровка параметров электромагнитного отклика может осуществляться с тактовой частотой 2 Гц; 4 Гц; 8 Гц; 16 Гц; 32 Гц; 64 Гц; 128 Гц; 256 Гц; 512 Гц; 1024 Гц. Частота оцифровки задается оператором с клавиатуры компьютера. Для работы в этом режиме комплекс может укомплектовываться дополнительным, акустическим каналом, позволяющим фиксировать вертикальные перемещения почвы, вызванные взрывом. В качестве датчиков перемещений используется стандартный сейсмоприемник СВ-5 или его аналог. Показания этого датчика в процессе записи отклика на динамическое воздействие также оцифровываются. Это позволяет сопоставлять времена прихода акустических и электромагнитных сигналов, более грамотно интерпретировать полученные результаты и правильно обосновывать их физически.
В случае запуска кнопкой "Пуск" производится регистрация характеристик электромагнитных полей в течение заранее программно заданного времени. Измеряется интенсивность электромагнитных импульсов по двум независимым каналам Н-компоненты и одному каналу Е-компоненты, превысивших по амплитуде заданный оператором порог срабатывания и амплитуду импульсов по Н-компонентам. Кроме этого, оцифровываются импульсы по Е-компоненте, что дает возможность изучения формы и спектральных характеристик сигнала для этого канала. В режиме непрерывного мониторинга производится регистрация параметров ЕИЭМПЗ до полного заполнения памяти регистратора.
Естественное ритмичное движение земной коры хорошо выявляется только при определенной оптимальной чувствительности станций. Поэтому перед началом измерений программно осуществляют настройку регистраторов на оптимальную чувствительность по специально разработанным тарировочным графикам в зависимости от сезона и местного солнечного времени [2].
Импульсные электромагнитные поля могут меняться как при изменении напряженно-деформированного состояния (НДС) грунтов, так при изменении воздействия на источники полей. Многолетние измерения в различных регионах показали, что ЕИЭМПЗ литосферного происхождения имеет ярко выраженный устойчивый суточный и сезонный ход. Это объясняется тем, что деформационные волны в земной коре связаны с вращением Земли вокруг своей оси и вокруг Солнца. Типичный суточный ход может изменяться локальными геологическими процессами вблизи станции наблюдения, атмосферными грозами, техногенными помехами. Поскольку регистрируемый поток импульсов определяется пространственно-временными вариациями, то в случае выполнения геофизических работ для получения информации о строении земной коры из зарегистрированного сигнала должны быть удалены временные вариации полей и оставлены только пространственные вариации.
Поэтому для геофизической разведки применяется система реперных и маршрутных регистраторов, создано программное обеспечение для выделения пространственных аномалий в структуре поля.
Каждая геологическая структура обладает своей излучательной способностью. Так, например, геологические разломы отличаются от окружающего пространства повышенной интенсивностью сигнала на бортах разлома и некоторым снижением интенсивности в осевой зоне разлома, заполненной, как правило, глинкой трения. Распределение импульсов по амплитудам, регистрируемое в зоне разлома, имеет острый максимум, указывающий на то, что геологический разлом генерирует преимущественно импульсы с одной и той же определенной амплитудой сигнала. Ширина зоны с аномальными характеристиками электромагнитных полей при пересечении глубинных геологических разломов может достигать в поперечнике нескольких сотен метров. Мощные трансконтинентальные разломы создают аномальную зону шириной несколько километров и даже несколько десятков километров. Территории перспективные по возможному содержанию углеводородов имеют свои характерные признаки. Месторождение в большинстве случаев окружено «ореолом» территории с повышенной интенсивностью ЕИЭМПЗ, тогда как над самим месторождением углеводородов регистрируется сигнал с более низкими значениями как интенсивности, так и амплитуды импульсов.
Метод ЕИЭМПЗ апробирован на известных месторождениях лития в Финляндии, месторождениях углеводородов в Томской области, республиках Татарстан и Удмуртия и показал свою высокую эффективность. Натурные исследования на различных известных геологических объектах показали высокую перспективность метода, хорошую воспроизводимость результатов работ и лучшую информативность по сравнению с другими малозатратными методами разведки. Метод применялся для поиска активных геологических разломов при обосновании выбора площадок для строительства объектов атомной промышленности во Вьетнаме и РФ. В настоящее время система мониторинга оползневых процессов внедрена на магистральных газопроводах.
Таким образом, метод регистрации ЕИЭМПЗ является универсальным инструментом для геофизической разведки, мониторинга геодинамической активности Земной коры и научных исследований в области наук о Земле. Разработанные регистраторы аттестованы как средство измерения, метод защищен патентом РФ, программное обеспечение зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ РФ.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Способ геофизической разведки: пат. РФ № 2414726, БИ № 8 / Ю.П. Малышков, С.Ю. Малышков, С.Г. Шталин, В.Ф. Гордеев, В.И. Поливач. - 20 марта 2011 г.
2. Малышков Ю.П., Малышков С.Ю. Периодические вариации геофизических полей и сейсмичности, их возможная связь с движением ядра земли. // Геология и геофизика. - 2009. -№2. - С. 152-172.
© С. Ю. Малышков, В. Ф. Гордеев, 2016
