Модин Игорь Николаевич
Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук
|
содержание |
Традиционно для изучения горизонтально-слоистых сред технология электрических зондирований осуществляется в варианте, когда расстояния между питающими и приемными электродами, или так называемые разносы, возрастают в геометрической прогрессии, что нашло свое отражение в монографиях О.Куфуда (1984), и В.П.Колесникова (1981). Однако, в начале 80-х годов, прошлого века стало понятно, что модель горизонтально-слоистого разреза лишь частично адекватно отражает строение верхней части геологического разреза. Теоретические разработки, в которых активно принимали участие сотрудники Московского университета Модин И.Н., Кусков В.В., Яковлев А.Г., Шевнин В.А. и Бобачев А.А., показали, что методика и технология классических зондирований не отвечает требованиям двумерной съемки. В 1991 г. автором была разработана универсальная программа двумерного моделирования, в которой можно было рассчитывать поля над любыми сколь угодно сложными средами. И вскоре после этого в результате теоретических расчетов автор обнаружил явление, которое впоследствии было названо С-эффектом. Следствием этого события была разработка новой технологии двумерной электроразведки. Во-первых, теперь с этого момента интерпретация данных проводится в рамках двумерной блоковой структуры, что значительно повышает достоверность результатов электрического зондирования. Во-вторых, все блоки и электроды имеют четкую привязку к координатной сетке двумерного разреза, и вопрос о точке записи отпадает автоматически. В-третьих, в методическом плане двумерная технология электрических зондирований стирает грань между ВЭЗ и электропрофилированием.
3.1. Технологии изучения двумерно-неоднородных сред
Сплошные электрические зондирования(СЭЗ). Для проведения работ методикой сплошных электрических зондирований нами используется трехэлектродная комбинированная установка Шлюмберже (1) AMN+MNB, которая получила название установка сплошных электрических зондирований (Модин и др., 1995), (Электроразведка , 2005). Она предпочтительнее других установок, так как позволяет разделить аномалии С-эффекта установки AMN и MNB. Комбинированная установка дает два изображения, в которых горизонтально-слоистый разрез проявляется одинаково, а глубинные неоднородности по-разному. Электрод С обычно относится в "бесконечность" на расстояние (3-7).АОmax в направлении, перпендикулярном направлению профиля. На каждой точке зондирования приемные электроды MN неподвижны, питающие электроды А и В движутся в разных направлениях с линейным шагом (2) ?N=Ni - Ni-1. Шаг установки по профилю равен шагу по разносам (3) и обычно составляет от 1 до 25 м. В случае маленького шага применяется установка для изучения археологических объектов с максимальным разносом АО не более 25-30 м. В случае большого шага максимальный разнос составляет порядка 150 - 200 м. Для оптимизации и ускорения процесса сбора данных использовалась коса, которая постепенно перемещалась с линейным шагом по профилю наблюдений, используя заранее расставленные электроды. Отличием СЭЗ от современной технологии электротомографии является использование отдельных измерительных электродов (4). С одной стороны, это приводило к замедлению процесса измерений, а с другой стороны позволяло использовать дополнительные малые разносы. При шаге 5 м в технологии электротомографии первый разнос будет 7.5 м, а в СЭЗ, как правило, использовались 1.5, 2 , 2.5, 3.5 и 5 м.
Технология точечных сплошных зондирований. Термин <точечные зондирования> предложен Б.Г.Сапожниковым для описания бесконтактных зондирований. При этом эта технология подразумевает измерение на множестве приемных электродов, которые постепенно отодвигаются от питающего электрода с увеличением разноса. Для одномерной технологии - это вынужденная мера. Сильный шум от Р-эффекта может сделать кривые ВЭЗ практически непригодными для интерпретации. С точки зрения двумерной электроразведки принципиальной разницы между точечными зондированиями и сплошными зондированиями нет, так как используется линейный шаг по разносам, равный шагу по профилю. И при этом достигается дополнительное удобство: когда питающий электрод зафиксирован, технологически значительно легче коммутировать и перемещать приемные электроды. В частности такой сбор данных сильно ускоряет процесс съемки при использовании многоканальных систем. Точечные зондирования используются при работах, когда требуется глубина исследования свыше 300 м. Схема такой установки показана на рис.15. Здесь хорошо заземленный питающий электрод постепенно наступает на установку. Второй питающий электрод находится в <бесконечности> и время от времени подтягивается к рабочему электроду. Ближайшая к питающему электроду коса, постепенно уступая место электроду А, затем перемещается в голову установки.
| Рис.15. Схема глубинной электротомографической установки для производства точечных электрических зондирований ВП. В данном случае максимальный разнос достигает 1225 м, что дает возможность производить зондирование на глубину более чем 250 м |
Электротомография - современный метод разведочной геофизики, который становится основной, лидирующей технологией при решении сложных двумерных и трехмерных задач инженерной геологии, гидрогеологии, геоэкологии, археологии, а также для поиска и разведки рудных месторождений (Модин и др. 2010), (Модин и Владов, 2009). В развитии метода решающую роль сыграли M.H.Loke и R.D.Barker( 1995 ). В нашей стране главную роль в развитии этой технологии сыграли И.Н.Модин, А.А.Бобачев, М.Н.Марченко, А.А. Горбунов и В.А.Шевнин (Многоэлектродные электрические зондирования , 1996; Модин и др., 2006; Модин и Бобачев, 2008). Сформулируем основные особенности электротомографии ( рис.16):
линейный шаг по разносам, равный шагу по профилю;
одни и те же электроды используются в качестве приемных и питающих, при этом токи в АВ не превышают 1-2 А;
для получения данных используются многоэлектродные косы (как правило, на 48, 64, 72 или 96 электродов), в которых электроды переключаются либо с помощью встроенных в станцию коммутаторов, либо встроенных в электроды интеллектуальных устройств, которые управляются по специальным каналам внутри косы;
управление и сбор данных осуществляется станциями, которые работают в автоматическом режиме по заданным протоколам подключения четырехполюсников ABMN (лучшие образцы станций являются многоканальными);
в качестве основных установок нами используются трехэлектродная Шлюмберже AMN+MNB и в ряде случаев дипольная осевая ABMN;
для интерпретации данных используются программы автоматической двумерной инверсии.
| Рис.16. Схема электротомографической установки. |
В 2007 г. группой компаний ООО <Логис> и ООО <НПЦ Геотех>, совместно с ООО <НПЦ Геоскан> и лабораторией малоглубинной геофизики МГУ им. М.В.Ломоносова при участии автора начата разработка принципиального новой отечественной электроразведочной станции для электротомографии, получившей название <Омега-48> (рис.17). Такое объединение интеллектуальных сил специалистов по аппаратуре, геофизиков-методистов и практиков потребовалось для решения сложнейших аппаратурно-методических проблем (Модин и др., 2010). К концу 2008 г. разработка аппаратуры была завершена и в январе 2009 г. проведены первые успешные промышленные испытания опытного образца. Прибор проходил множество тестов сначала в лаборатории, в полевых условиях на геофизическом полигоне в д. Александровка Калужской области, а затем в зимних производственных условиях при обследовании ряда объектов в Ярославской и Вологодской областях. В настоящее время доработка станции выполнена и начато ее серийное производство. К началу 2010 г. в России появилось 4 отечественных электротомографических прибора: Скала-48 (г.Новосибирск), ERA-MultyMAX (г.Санкт-Петербург), EGD-48 (г.Красноярск) и Омега-48 (г.Раменское). Таким образом, замкнулся почти 20-летний круг исследований, посвященных развитию методики двумерной электроразведки, начатых автором в 1991 г.
| Рис. 17. Электроразведочная станция <Омега-48>. |
Технологии акваторных зондирований. При участии автора диссертационной работы за последние 15 лет были разработаны и испытаны на реальных объектах два типа электроразведочных станций, предназначенных для исследования малоглубинных пресноводных акваторий. Первая станция, которую сконструировал Д.Коларов, была традиционного типа, основанного на последовательной коммутации питающих и приемных линий. Ее преимущества заключались в том, что в процессе съемки для производства зондирований использовалось большое множество линий АВ и MN, проводились измерения естественного поля с приемными линиями различной длины, температурного поля и удельного электрического сопротивления воды. Кроме этого, предусматривалась работа станции под системой Windows (системное программирование С.И.Волкова), что для середины 90-х годов было пионерской работой. Вторая станция, созданная на основе ИМВП-8, отличается технологической простотой, соответственно небольшими габаритами и весом. Работа с этой станцией может производится с помощью любого легкого плавсредства. Основным достоинством этой станции является сбор данных с помощью инверсной установки, в которой коммутация разносов проводится приемными линиями. Сочетание ИМВП-8 с такой методикой позволило создать теоретически идеальную установку зондирования, в которой в режиме непрерывного перемещения шаг между точками зондирования может быть сколько угодно мал. В результате удается построить такую схему обработки данных, которая ведет к возможности выполнения 2D-инверсии данных (рис.18).
| Рис. 18. Схема акваторной электроразведочной установки. |
Выводы к части 3.1. Автором разработана и внедрена технология двумерной электроразведки, которая получила название сплошные электрические зондирования и которая стала основой для метода электрической томографии. Разработанная по техническому заданию автора, промышленная электроразведочная станция <Омега-48> превратила электротомографию в метод, доступный для геофизиков, работающих в области технической, археологической и инженерной электроразведки. Появление новой аппаратуры привело к значительному скачку в производительности и качества геофизических работ.
3.2.Векторные измерения электрического поля (ВИЭП) над трехмерно-неоднородными объектами
Основные положения метода. Электрическое поле, измеряемое в методе сопротивлений, является векторной величиной. При традиционной съемке измеряется только модуль одной радиальной компоненты поля. Это правомерно для горизонтально-слоистой среды, когда вторая компонента поля практически равна нулю. При этом радиальная компонента измеряется устойчиво и практически никогда не меняет своего знака. Но при измерениях в двумерных и трехмерных средах появляется Y - составляющая поля, сравнимая или превышающая Ex компоненту. В неоднородных средах аномальная часть поля Еан,х может быть во много раз больше первичного поля Ео,х и не совпадать с ним по знаку. В результате кажущееся сопротивление может принимать отрицательное значение, а по величине во много раз превосходить удельное сопротивление вмещающей среды. Отсюда возникает идея векторной съемки, т.е. измерения не одной, а двух или трех компонент поля с учетом знака принимаемого сигнала. При этом выполняется нормировка поля к модулю плотности первичного тока
 , где  . |
Такое определение кажущегося сопротивления дает большие преимущества при анализе полей в сложных средах. Во-первых, и это самое важное, мы переходим от амплитудной характеристики кажущегося сопротивления к его пространственной структуре. Во-вторых, величина кажущегося сопротивления теперь не будет принимать очень больших значений по абсолютной величине. Во-третьих, направление вектора кажущегося сопротивления будет совпадать с вектором электрического поля. В свою очередь измеряемое электрическое поле есть сумма первичного и вторичного (аномального) поля. Первичное поле формируется под влиянием вмещающего слоистого разреза. Вычитание первичного поля из суммарного наблюденного поля приводит к тому, что остаточное поле будет связано только с вторичными источниками (зарядами), которые возбуждаются на поверхностях неоднородностей. На рис.19 отчетливо видно появление вторичных зарядов разного знака на торцах высокоомной неоднородности под действием первичного поляризующего поля.
| Рис.19. Карта кажущегося сопротивления для установки потенциала над высокоомной неоднородностью. Численное моделирование по программе IE3R1. |
Идея векторной съемки заключается в том, чтобы при каждой поляризации в остаточном поле с помощью аномальных векторов кажущегося сопротивления обнаружить скопление вторичных зарядов определенного знака и для множества положений питающего электрода построить границы неоднородности, используя перемещение вторичных зарядов по этим границам. Таким образом, векторная съемка является вариантом трехмерной электроразведки, а обратная задача решается изучением структуры аномального электрического поля, источниками которого являются вторичные заряды, расположенные на поверхности неоднородности.
Идея метода квазидиполей. Вычисление аномального поля над локальной трехмерной неоднородностью, то есть поля вторичных источников, образующихся на его границах, само по себе является достаточно сложной задачей, требующей значительных вычислительных затрат. Вместе с тем структура этого поля близка к структуре поля электрического диполя. Это следует из экспериментальных материалов и теоретического анализа поля. Представление о дипольной структуре аномальных полей используется при постановке и решении вычислительной задачи. В рамках этого приближения упрощается решение как прямой, так и обратной задачи, поскольку поле диполя имеет аналитическое выражение (Modin&Gorbunov,2000).
Таким образом, в первом приближении вторичное электрическое поле создается парой зарядов, расположенных на поверхности неоднородности (рис.20). Так как определены координаты (xА, yА, 0) и амплитуда точечного источника первичного поля, под воздействием которого эта пара образовалась, то после статистической обработки мы можем в каждой точке определить первичное поле и вычесть его из наблюденного. В результате требуется определить положение центра квазидиполя, его ориентацию в пространстве, полярность и интенсивность вторичных источников поля. Подход к интерпретации данных ВИЭП, предложенный нами, состоит в определении по измеренному полю положений некоторых точек с последующим этапом геологической интерпретации. Подобный подход хорошо известен в интерпретации потенциальных полей. Следует отметить метод Цирульского и алгоритм Трошкова - Грозновой. В электроразведке близкие идеи для интерпретации данных традиционных методов развивает К.М. Ермохин. В его подходе к интерпретации модель среды заменяется эквивалентным ансамблем диполей.
| Рис.20. Структура электрического поля в методе ВИЭП. 2D моделирование нормального и аномального электрического поля и векторов кажущегося сопротивления для проводящей вставки в однородном полупространстве. Расчеты выполнены по программе А.А.Бобачева. |
Вопрос о модели вмещающего слоистого разреза - самый острый в методе ВИЭП. В результате экспериментов было показано, что в рамках базовой интерпретационной модели допустима оценка нормального кажущегося сопротивления по кривой, аппроксимирующей среднюю кривую из совокупности всех полевых значений кажущегося сопротивления (Модин и др., 1999; 2003). Кроме этого для исследования вмещающего разреза вокруг неоднородности выполняются отдельные электрические зондирования.
Аппаратура для метода ВИЭП. Для выполнения работ по технологии векторной съемки можно использовать два типа аппаратуры. Первый тип аппаратуры (постоянного тока) всегда применялся и до сих пор применяется в институте ПНИИИС. Ее использование дает неоспоримые преимущества наряду с очевидными недостатками. Поэтому при составлении технического задания для разработки станции ЭРП-1 (фирма <Линия>, г. Севастополь) нами была запланирована функция определения фазы измеряемого сигнала реализована в промышленно - выпускаемом приборе. Значительные по объему измерения ВИЭП с этим прибором выполнены в 2009 г. на Бородинском поле и на переходах трубопроводов через дороги.
Метод ВИЭП получил дальнейшее развитие в связи с созданием электротомографической станции <Омега-48>. Поскольку эта станция работает в режиме постоянного тока с использованием низкочастотных переключений сигналов прямоугольной формы разной полярности создается благоприятная ситуация для быстрой автоматизированной съемки ВИЭП. При этом станция используется в основном как измерительный 10-и канальный прибор, в котором сегменты кос кладутся не в одну линию (как это принято в 2D-электротомографии), а по двум параллельным профилям (рис. 21). В этом случае реализуется возможность быстрой съемки сигналов с помощью взаимно перпендикулярных MN, а генераторный сигнал возбуждается в выведенных линиях многоэлектродной косы. В результате применения станции скорость и качество измерений возросли значительно.
| Рис.21. Схема установки ВИЭП с аппаратурой Омега-48. |
Выводы к части 3.2. Автором разработаны основы трехмерной электроразведки постоянного тока, получившей название <Векторные Измерения Электрического Поля>. Технология ВИЭП дает возможность изучать трехмерные объекты в стороне от профиля наблюдений, что создает дополнительные возможности при изучении объектов в стесненных городских условиях. Применение станции <Омега-48> резко увеличило производительность и качество двухкомпонентных измерений электрического поля.
3.3. Технология измерения глубины свайных конструкций
Глубина свай является одной из важных характеристик при исследованиях состояния фундаментов различных сооружений. К сожалению, при строительстве не всегда сваи заглубляются на проектную и документированную глубину. Для принятия инженерных решений по состоянию сооружений, фундамент которых базируется на сваях, возникает проблема оценки глубины их заложения. Автором (Геоэкологическое , 1999) предложена технология определения глубины забоя железобетонных свай. Она основана на изучении структуры электрического поля сваи в земле. Особенностью данной технологии является использование для подавления случайных аномалий от Р-эффекта отношения поля сваи к полю точечного источника, установленного рядом со сваей. Такие измерения успешно выполнены на множестве объектов в Западной Сибири, Москве и Подмосковье. Развитие данного направления автор связывает с использованием электротомографических станций.
Выводы к части 3.3. Автором разработана электроразведочная технология определения глубины свайных железобетонных конструкций, в основе которой лежит анализ поля линейного проводника конечной длины.
3.4.Структура постоянного магнитного поля вблизи магнитоактивных тел и их экспериментальное измерение
В результате экспериментов, выполненных автором (Геоэкологическое , 1999) можно сделать следующие выводы:
1. Поле ΔТа над трубами имеет сложную природу, резко меняется вдоль оси трубопровода и связано прежде всего с длиной сегментов труб (стандартный размер труб 11.5 м), сорта и качества стали, объемом металла в трубе (рис.22).
2. В результате математического моделирования раскрыта природа аномалий магнитного поля над трубой. Показано, что вектор намагниченности трубы, в основном формируется под действием термоостаточной намагниченности.
3. Оценки влияния постоянного тока катодной защиты на формирование стационарного магнитного поля показывают, что величина такого влияния может составлять 10-15 и более процентов от величины аномального поля.
4.Результаты компьютерного моделирования показывают, что для оценки технического состояния труб необходимо измерять три компоненты вектора магнитного поля.
5.Наблюдения переменного магнитного поля на частоте 100 Гц (одна из составляющих токов катодной защиты) показали, что на некоторых участках трубопровода возникает увеличение поля, что связывается с эффектом возврата тока из вмещающей среды в проводник.
6.Установлено, что участки возврата тока в трубу соответствуют зонам нестабильности поля магнитной индукции (рис.23). По мнению автора объяснение этого явления лежит в области сложных электрохимических процессов, которые могут приводить к изменению переходного сопротивления между грунтом и металлом трубы.
| Рис.22. Периодограмма магнитного поля вдоль оси трубопровода. |
| Рис.23. Сопоставление магнитных полей над трубопроводом. А - Регистрация токов катодной защиты: основной и контрольный проход на частоте 100 Гц. Б - График изменения стационарного магнитного поля во времени по результатам 16 проходов по профилю. |
Выводы к части 3.4. Автором проведены исследования магнитного поля над магистральными трубопроводами. Было установлено, что магнитное поле является важнейшим характеристикой объекта, которая указывает на конструкционные особенности трубопровода, состояние его изоляции и состояние поверхности металла.
|
