Актуальность исследований определяется необходимостью разработки новых эффективных подходов к методике наблюдений и интерпретации данных малоглубинной электроразведки, так как верхняя часть вмещающего разреза и все подземные искусственные объекты имеют сложную двумерную или трехмерную форму. Повышение эффективности решения задач такого уровня сложности отражается в целом на общей результативности малоглубинных геофизических исследований.
Данная диссертационная работа является итогом многолетней деятельности автора. Представленные в диссертации данные и результаты являются живым геофизическим материалом, который находится в непрерывном развитии.
1. На основе анализа результатов электрических зондирований, выполненных с высокой плотностью наблюдений при сухопутных и мелководных акваторных исследованиях, установлено, что изучаемая ФГМ состоит из 4-х элементов, которые являются ее неотъемлемой частью и обязательно должны учитываться при планировании полевых исследований и интерпретации:
искусственные подземные сооружения, являются двумерными и трехмерными объектами, над которыми кривые ВЭЗ испытывают сильные искажения.
2. Разработанные на основе метода интегральных уравнений численные математические алгоритмы и созданные компьютерные программы решения прямых задач электроразведки постоянным током позволили произвести расчеты для произвольных двумерных и трехмерных сред с расчетом ВП.
3. Анализ электрического поля постоянного тока над 2D- и 3D-моделями позволил построить теорию искажений кривых электрических зондирований, на основе которой была разработана методика трехмерной электроразведки в варианте технологии векторной съемки и двумерной электроразведки в варианте сплошных электрических зондирований, которая стала прототипом технологии электрической томографии.
4. Путем создания аппаратурно-методического комплекса методика двумерной электроразведки и векторной съемки доведена до результата, который позволяет решать разнообразные задачи, в которых изучаемые объекты и вмещающая среда в горизонтальном направлении являются существенно неоднородными.
5. Используя современную многоканальную электроразведочную аппаратуру для детальных исследований на мелководных акваториях, разработан метод непрерывных электрических зондирований, который позволяет выполнять измерения с очень высокой плотностью с последующей возможностью получения 2D- геоэлектрических разрезов.
6. Программное обеспечение, созданное автором, позволило разработать принципиально новую методику определения глубины свайных конструкций.
7. Применение электроразведочного аппаратурно-методического комплекса в совокупности с комплексированием с другими геофизическими методами позволяет решать большое число сложных инженерно-технических и археологических задач.
Научная новизна. В результате выполненных исследований получены следующие новые научные результаты:
1. Разработана серия численных математических алгоритмов и компьютерных программ решения прямых задач электроразведки постоянным током для произвольных двумерных и трехмерных сред с расчетом ВП.
2. В результате численного математического моделирования были выявлены следующие эффекты искажений кривых ВЭЗ вблизи двумерных и трехмерных объектов: поверхностный и глубинный Р-эффект; поверхностный и глубинный С-эффект; эффект сопряженных аномалий; эффект бокового обтекания; эффект возврата тока в проводник; эффект переноса формы; эффект экранирования; эффект проводящей трубы при поперечной поляризации; эффект концентрации тока.
3. В результате анализа численных математических расчетов автором впервые были сформулированы методические принципы двумерной электроразведки: а)частый, равномерный шаг по профилю, который во много раз меньше максимального разноса, б)разносы возрастают в линейном масштабе с шагом, равным шагу наблюдений по профилю, и попадают на точки измерения MN; в) для сбора данных применяется комбинированная трехэлектродная установка Шлюмберже (Amn+mnB), которая имеет максимальную разрешающую способность по отношению к горизонтальным неоднородностям.
4. Для изучения сложных трехмерных неоднородностей автором впервые предложена методика векторной съемки, которая включает двухкомпонентное измерение электрического поля от источников, расположенных на площади исследования и алгоритмы интерпретации данных, направленные на поиски источников аномального поля.
5. На основе инверсной установки MABN и многоканальной измерительной аппаратуры на акваториях разработана методика непрерывных электрических зондирований, которая позволяет выполнять измерения с очень высокой плотностью.
6. Разработан новый способ определения длины свайных конструкций, основанный на исследовании структуры поля линейного источника конечной длины.
Практическая значимость. Разработан пакет решения двумерных и трехмерных прямых задач электроразведки постоянного тока. Разработана методика двумерной электроразведки в виде технологии сплошных электрических зондирований, которая стала прототипом электрической томографии. Разработана методика трехмерной электроразведки, которая получила название Векторная Съемка. Разработана технология непрерывных акваторных зондирований. Решено значительное число практических задач в области технической геофизики, археологии, инженерной геологии, при изучении многолетнемерзлых пород, экологии (более 150 объектов исследования). На основе авторских разработок сконструированы и внедрены в производство приборы <ЭРП-1> и <Омега -48>.
Реализация работы. Во многих научных и производственных организациях используются результаты и разработки автора: программы интерпретации ВЭЗ (IPI) и решения прямых задач 2D- и 3D-электроразведки постоянным током - внедрены в более 100 научных и производственных организаций (в том числе Гидропроект, Атомэнергопроект, УкрНИМИ(Донецк), Гидрогеологический институт (Ташкент), фирма Природа(Донецк), Санкт-Петербургский горный университет, Воронежский университет и др.), в более чем 20 учебных заведений России и СНГ, готовящих геофизиков в Москве, Санкт-Петербурге, Воронеже, Иркутске, Ташкенте, Перми, Львове и др., в геофизических организациях других стран (Франция, Германия, Мексика, Болгария и др.). Рубежом развития технической геофизики стала книга <Геоэкологическое обследование предприятий нефтяной промышленности>, которая была написана под редакцией автора в 1999 г. По результатам научных исследований опубликовано 5 книг (монографии и тематические сборники [7-11]).
За время работы в университете созданы учебные курсы, читаемые автором на геологическом факультете МГУ. Среди них разделы общего и специальных курсов по электроразведке для студентов-геофизиков III, IV и V курсов, а также 6 магистерских курсов. Под редакцией автора в 2005 г. выпущено учебное пособие по электроразведочной практике. За последние 20 лет опубликованы 5 книг по учебной тематике [1-5].
Под руководством автора за последние 10 лет выполнено свыше 150 практических исследований в разных регионах России и в других странах.
Автор продолжает исследования, начатые нашими учителями и эти темы развивают его ученики и коллеги: В.А.Шевнин, М.Н.Марченко, А.А.Бобачев, А.В.Урусова, Д.К.Большаков, С.И.Волков, О.И.Комаров, С.В.Иванова и др.
Личный вклад автора. Работа является обобщением исследований, выполнявшихся с 1976 по 2010 год на отделении геофизики Геологического факультета МГУ. Все результаты получены автором лично, либо под его руководством и при непосредственном участии автора во всех этапах проектирования и выполнения научно-исследовательских и проведения полевых работ, обработки и интерпретации результатов.
Апробация работы. Основные результаты работы и ее отдельные положения докладывались: на конференциях молодых ученых геологического факультета в период с 1976 по 1987 год и в соавторстве с учениками сделано 28 докладов, на семинарах по электроразведке кафедры геофизики МГУ, на конференциях <Ломоносовские чтения> в МГУ (1989, 1997, 1998, 2000, 2001, 2004, 2008, 2009, 2010), на совещаниях по инженерной геофизике (Ереван, 1985, Вильнюс, 1982, Москва, 1989, Ташкент, 1991), <Геофизика и современный мир>(Москва, 1993), на семинаре им.Успенского(Москва, 1994), на совещании научно-методического комитета по геолого-геофизическим проблемам в угольной геофизике ЕАГО(Ростов-на-Дону,1994), на международной конференции <Экология и геофизика> (Дубна, 1995), на конференции по теории и практики интерпретации потенциальных геофизических полей(Воронеж, 1996 - 6 докладов), на 1-ом Балканском геофизическом конгрессе(Афины, 1996), на российско-германском семинаре по электромагнитным исследованиям(Москва, 1996), на конференции по горной геофизике (С.Петербург, 1996, 1998 - всего 4 доклада), на международной конференции по интерпретации потенциальных полей(Екатеринбург,1999), на международных конференциях EAEG, SEG-EAGE-ЕАГО, EEGS было сделано 27 докладов(Вена,1994, Глазго,1995, С.Петербург,1995, Гаага,1996, Амстердам, 1996, Нант,1996, Орхус,1997, Москва,1997, Лейпциг,1998, Барселона,1999, Бохум,2000), на конференции по георадару (Москва, 2000, 2001), на международной геофизической конференции и выставке в Москве сделано 4 доклада(2003), на конференциях по инженерной и рудной геофизике ИРГ EAGE сделано 32 доклада (Геленджик, 2005-2010), на конференции ИРГ EAGE прочитано 6 курсов по малоглубинной электроразведке (Москва, 2004, Геленджик, 2005-2009), на конференции по электроразведке в Санкт-Петербургском Горном университете и в д.Александровка Калужской области (2003,2004, 2010), по поляризационным электроразведочным методам (Ленинакан, 1985), на всесоюзной конференции <Геолого-геофизические исследования при решении экологических задач> (Звенигород, 1991), на совещании по изысканиям и проектированию Мосгеотреста и Фундаментпроекта(Москва,2009), на конференции изыскателей института Гидропроект (Звенигород, 2009), на конференции ПНИИИС и АГИС(Москва, 2009), на конференции по трубопроводному транспорту (Москва, 2009), на совещаниях по применению методов естественных наук в археологии (Москва, 1978,1989,2005, 2006, С.Петербург,1994), в 9-ой ежегодной международной конференции ассоциации археологов(С.Петербург,2003), на международном совещании по египтологии (Москва, 2003), на Крупновских чтениях по археологии (Жуковский, 2004), в 6-ой и 8-ой международных конференциях ICAP по археологической разведке сделано 4 доклада (Рим,2005, Париж, 2009), на конференциях по Бородинскому сражению(Можайск, 2004, 2009), на конференциях по истории и археологии верхнего Дона (Тула, 2003), на международной конференции по исследованиям археологического памятника Пор-Бажын (Москва, 2007),на международном полевом семинаре по восточной археологии и сохранения памятников (Пор-Бажын, Тува, 2008), на конференциях <Природа и история Поугорья> сделано 9 докладов (Калуга, 1999, 2001, 2003, 2007), части и разделы диссертации излагались в лекциях по электроразведке, которые читались автором на протяжении последних 20 лет студентам-геофизикам (Модин и др., 2009), инженер-геологам 3-5 курсов (Геофизика: учебник, 2007) и магистрантам 1 и 2-ого года обучения (Инновационные магистерские программы , 2007), в виде пленарного доклада для широкой публики на <Дне науки> (МГУ, 2009) и в Петропавловске-Камчатском (КГУ, 2005). Всего за время работы было сделано 183 доклада.
Автор был руководителем 5 кандидатских диссертаций (Т.Ю.Смирнова, Волков С.В., Марченко М.Н., Горбунов А.А., Игнатова И.Д.) и принимал активное участие в руководстве и подготовке диссертаций С.А.Березиной, М.М.Симонса, А.В.Урусовой, Д.К.Большакова.
Публикации. По результатам выполненных исследований автором опубликовано более 180 работ. Список основных научных трудов содержит 120 наименований, включающих 10 монографий, учебников и учебных пособий и 110 научных статей и тезисов докладов. Из них 16 статей издано в реферируемых журналах.
Структура работы. Диссертация состоит из введения ,4 глав и заключения, в которых последовательно рассматриваются принципиальные вопросы теории методов сопротивлений, показаны современные технологии сбора электроразведочных данных, дается описание аппаратурно-методических комплексов и многочисленных результатов применения электроразведки и других методов при поисках и изучении искусственных объектов, созданных человеком, а также защищаемые положения теории, методики и интерпретации данных. В заключении приводятся основные защищаемые положения.
Благодарности. При выполнении исследований автор пользовался поддержкой, помощью и советами своих наставников, коллег и учеников: проф. В.А.Шевнина, доц. А.Г.Яковлева, доц. А.А.Бобачева, к.т.н. М.Н.Марченко, доц. Д.К.Большакова, инж. С.И.Волкова, проф. В.К.Хмелевского, доц.Л.А.Золотой, проф.М.Н.Бердичевского, проф. А.В.Калинина, проф. В.В.Калинина, проф. М.Л.Владова, доц. А.В.Старовойтова, к.т.н. В.А.Стручкова, доц. А.А.Горбунова, к.г.м.н. Т.Ю.Смирновой, к.т.н. И.Д.Игнатовой, к.ф.м.н. М.М.И.Симонс, к.г.м.н. А.В.Любчиковой, к.т.н.С.А.Березиной, к.г.м.н. К.Л.Одинцова, к.г.м.н. Б.П.Петрухина, асс. М.Ю.Паленова, инж. О.А.Комарова и другим сотрудников отделения геофизики Геологического факультета МГУ. Кроме этого трудно представить эту работу без влияния В.Н.Богомазова и А.И.Любомудрова. Я приношу признание моим товарищам и коллегам М.Я.Кацу, А.Д.Гидаспову, С.Б.Соколову и А.Т.Пелевину, а также проф. Санкт-Петербургского Горного университета В.В.Глазунову, руководителю средневекового отдела Государственного Исторического музея М.И.Гоняному, руководителю отдела археологии Института Этнографии и Этнологии РАН И.А.Аржанцевой и сотрудникам Бородинского музея-заповедника А.В.Горбунову и А.А.Суханову. Приношу искреннюю благодарность Н.П.Семейкину и В.М.Люлько за доведение до конца разработки новых электроразведочных приборов. Огромное спасибо всем моим товарищам и особое признание приношу моей жене и коллеге С.А. Акуленко.
