Возможности высокочувствительных магнитометров POS при проведении геомагнитных съемок

Возможности высокочувствительных магнитометров POS при проведении геомагнитных съемок

Л.А.Муравьев - институт геофизики УрО РАН

Рассмотрены вопросы применения современных высокочувствительных магнитометров POS при проведении магнитометрических съемок с учетом вариации геомагнитного поля и использованием спутниковой топопривязки. Приведены результаты натурной оценки точности определения координат с помощью портативного приемника GPS, работающего совместно с магнитометром. 

Появление высокоточной магнитометрической аппаратуры позволяет не только повысить качество, увеличить скорость и удешевить получение фактической информации о пространственных и временных изменениях геомагнитных полей, но и дает возможность осуществления недоступных ранее геофизических экспериментов. Магнитометры POS, разработанные на физико-техническом факультете УГТУ-УПИ являются современным инструментом получения информации о геологическом строении, поэтому введение их в практику промышленных разведочных работ представляет огромное значение.

Процессорный оверхаузеровский магнитометр POS имеет следующие метрологические характеристики [1]:

- стабильность на уровне 0.02 нТл в год, 

- порог чувствительности 0.002 нТл, 

- частота опроса одно измерение в секунду,

- работоспособность в ураганных градиентах до 10000 нТл/м. 

- математическая (процессорная) обработка сигнала прецессии[2]

- возможность оценки точности измерения с помощью параметра качества QMC[3].

Магнитометр POS оснащается полевым накопителем данных, с простым и удобным интерфейсом, позволяющим сохранять и передавать результаты измерений на компьютер. К данному накопителю по стандартному интерфейсу NMEA может быть подключен портативный приемник спутниковой системы позиционирования (GPS). Реализована возможность синхронизации часов накопителя данных с всемирным временем (с помощью GPS), и с часами вариационной станции, в качестве которой может быть использован аналогичный магнитометр POS. Данная статья посвящена методическим вопросам применения указанных магнитометров при проведении геомагнитных съемок.

Учет вариации при проведении магнитной съемки

Измерения проходят на фоне псевдослучайных помех, обусловленных как явлениями в ионосфере, так и процессами, проходящими на поверхности, и в земной коре (вариации геомагнитного поля). При проведении магнитных съемок, согласно инструкции по магниторазведке [4] обязательна регистрация вариации и введение с ее учетом поправок в измеренные значения. В качестве вариационной станции может выступать еще один магнитометр POS. 

Среднее квадратичное значение дополнительно вносимой в измерения погрешности будет зависеть от временного сдвига моментов включения пешеходного и вариационного приборов и спектральной плотности возмущений геомагнитного поля. 

Выполненные ранее теоретические и экспериментальные исследования [5] показали, что для получения погрешности на уровне единиц пикотеслы синхронность моментов измерений должна отличаться на миллисекунды (при времени счета прибором 1 секунда).

Аппаратура POS использует внутренние алгоритмы обработки и усреднения сигнала за время получения единичного отсчета. В работе [6] выполнена натурная оценка необходимой точности синхронизации моментов измерения магнитного поля. Показано что для минимизации погрешности необходима жесткая электронная синхронизация встроенных часов приборов. В настоящее время в магнитометрах POS эта возможность реализована.

Аналогичные требования к одновременности измерений предъявляются в экспериментах по получению отклика в магнитном поле при искусственном или естественном термодинамическом воздействии на геолого-геофизическую неоднородность среды.

Проведение магнитной съемки совместно с другими геофизическими методами

Во время проведения комплекса геофизических работ на о.Уруп (Курильские острова) выявлено и проанализировано влияние помех, возникающих при совместном проведении магниторазведки и электроразведочных работ методами электрозондирования и вызванной поляризации. 

При проведении съемки методом вызванной поляризации (аппаратура ВИРГа) по питающей линии длиной 1 км идет сигнал прямоугольной формы, периодом 16 сек, силой тока около 1 А. Создаваемое этим переменным током магнитное поле искажает измеренные магнитометром значения. На рис.1 показан пример измерения магнитного поля в точке, расположенной на расстоянии 50 м от питающей линии. 



Рис.1. Магнитное поле в 50 метрах от питающего провода в методе вызванной поляризации (ВП).

Дополнительно вносимая в измерение погрешность при этом может достигать 1 нТл. На расстоянии 100 м от питающей линии амплитуда подобных колебаний, и дополнительная погрешность не превышают 0,1 нТл.

Данный эксперимент указывает на возможность выявления с помощью магнитометра POS исключительно малых изменений магнитного поля. 

Вместе с тем заметного влияния электроразведочных работ методом вертикального элетрозондирования (ВЭЗ, установка Эра) на результаты магнитной съемки не обнаружено.

Применение спутниковой топопривязки

Сопряжение магнитометра с приемником спутниковой системы позиционирования позволяет существенно повысить эффективность и оперативность выполнения магнитных съемок. При этом каждое измерение магнитного поля сопровождается привязкой точки наблюдения к географическим координатам.

Использование спутниковой топопривязки позволяет избежать предварительной разбивки сети наблюдений, а в случае ее наличия - реализовать режим непрерывного сбора данных на съемочном маршруте, не только в пунктах сети, но и между ними. Данные записываются через дискретные промежутки времени непосредственно в движении. 

На рис. 2 приведено сопоставление рядового и контрольного измерений в непрерывном режиме на фрагменте профиля общей длиной 15 км. Расхождение связано с несовпадением точек измерения поля при рядовом и контрольном проходе. Требуемая детальность на данном объекте составляла 50 м (измерения на пикетах указаны точками), и из графика видно что, несмотря на погрешности, связанные с определением координат при движении, непрерывный режим позволяет получить дополнительную информацию и точнее выявлять геологические структуры, в частности в верхней части разреза.

Регистрация координат одновременно с измерениями позволяет провести экспресс-картирование интересующего участка, а затем провести детальную съемку аномальных областей, вернувшись по записанным координатам. 



Рис.2. Измерение магнитного поля на профиле, а - рядовое измерение, б - контрольное измерение, в - измерение на пикете.

Геодезические приемники GPS, обладающие максимальной точностью позиционирования (до нескольких мм в дифференциальном режиме), менее удобны в транспортировке, достаточно дороги и требуют дополнительной обработки данных, поэтому рассмотрена возможность применения совместно с магнитометром портативных навигационных приемников GPS. Вопросы применимости их в геофизических работах рассмотрены в частности в [7] и [8]. 

Экспериментально погрешность плановой привязки навигационным приемником GPS изучена во время проведения комплекса геофизических работ на о.Уруп. Координаты более 400 пикетов, расположенных на двух участках 2?2 км были записаны навигатором Garmin III+, сопряженным с магнитометром, а также с помощью геодезических измерений (с применением тахеометра и геодезических приемников GPS Trimble). Измерения координат проводились в разное время в течение 3 месяцев, на каждой точке измерение бралось однократно. Диаграммы, иллюстрирующая разность полученных координат, приведены на рис.3. Нулю соответствует <точное> измерение, полученое топосъемкой, точка изображает отклонение координат, полученных приемником GPS Garmin от <точных>. Число определений координат на участках Купольный (а) и Айнский (б) составило 157 и 260, а среднеквадратичная погрешность 4 м и 2 м соответственно. Условия видимости спутников в районе каждого пикета были различными, кроме того, участок Айнский, в целом отличался большей открытостью горизонта, чем участок Купольный. 



Рис. 3. Разность между определениями координат с помощью навигатора Garmin, сопряженного с магнитометром и в результате проведения геодезических работ для двух участках с разной видимостью спутников, а - уч. Купольный, б - уч.Айнский, обозначения осей - метры 

Таким образом, сопряжение пешеходных геомагнитометров с навигационным приемником GPS обеспечивает проведение пешеходных магнитных съемок, с точностью топопривязки до нескольких метров, в зависимости от условий видимости спутников.

Дальнейшее улучшение точности топопривязки возможно с применением приемников с большей чувствительностью, выносных антенн, а также математических приемов обработки спутниковых определений координат.

В наибольшем объеме (420 км профилей через 1 км) методика непрерывных измерений была опробована во время проведения магниторазведочных работ на Западно-Байкаловском лицензионном участке (рис. 4, цветная вкладка). Общее время, затраченное на полевые работы, составило 30 рабочих дней, следует также отметить, что магнитометрическая аппаратура POS показала хорошую работу при температуре до -30њ С.



Рис. 4. Карта магнитного поля Западно-Байкаловского участка, полученная магнитометром POS, сопряженным с навигатором Garmin

Обработка результатов магнитной съемки

Результаты измерений, находящиеся в памяти накопителя данных магнитометра передаются на компьютер. В виде текстового файла сохраняется информация об измеренном значении магнитного поля, дате и времени измерения, оценка его качества и привязка к пикету или координаты.

Процедура обработки включает пересчет координат из геодезических в прямоугольную систему, а также введение поправки за вариацию геомагнитного поля файлу данных вариационной станции. Указанные действия выполняются в автоматическом режиме программой Surv (рис. 5). Кроме того, данная программа позволяет производить усреднение, фильтрацию данных, вывод графиков.

Процедура пересчета координат точек измерения в плоские прямоугольные в принятой на территории России проекции Гаусса-Крюгера выполнена по ГОСТ Р 51794-2001, а в плоские в мировой системе UTM по формулам, указанным в [9].

Файл результата содержит все исходные данные, а также значения поля с поправкой за вариацию и прямоугольные координаты каждого пункта измерения.



Рис.5. Пример рабочего окна программы учета вариации Surv.

Проведение режимных площадных наблюдений геомагнитного поля.

При точных измерениях как пространственного распределения так и вариаций геомагнитного поля необходимо учитывать эффект ситуационных микровариаций, которые могут быть вызваны электрокинетическими процессами, высыханием флюида и другими возможными изменениями, происходящими в верхней части разреза за время наблюдения. 

На территории обсерватории Арти заложен полигон [10], на котором с 2003 года ведется площадной мониторинг магнитного поля. Результаты повторных площадных съемок показаны на рис. 6. Проведение систематических съемок геомагнитного поля позволяет выяснить влияние указанных факторов. Подобные исследования необходимо проводить при заложении пунктов долговременных обсерваторских наблюдений, а также мониторинга векового хода геомагнитного поля за пределами обсерваторий.









a

б

в

Рис. 6. Карты модуля магнитного поля геомагнитного полигона обсерватории Арти, а - 2003 г, б - 2004 г, в - 2006 г 

Таким образом, применение комплекса современных высокочувствительных магнитометров POS для проведения магнитных съемок со спутниковой топопривязкой и с учетом вариации геомагнитного поля позволяет не только повысить точность, скорость и качество выполнения магнитометрических работ, но и решать качественно новые геофизические задачи.

Список литературы

1. Процессорный оверхаузеровский датчик POS-1 (ПОС-1) Руководство по эксплуатации. Лаб. КМ УГТУ. Екатеринбург, 2000

2. Denisov A., Denisova O., Sapunov V., Rasson J.L. Additional Measurement Algorithms in the Overhauser Magnetometer POS-1// Xth IAGA Workshop on Geomagnetic Instruments, Data Acquisition and Processing: Abstracts.- Hermanus Magnetic Observatory, South Africa, 2002.- P.269-274

3. Денисов А.Ю. Совершенствование цифровых ядерно-прецессионных магнитометров: Дисс. канд. физ.-мат. наук.- Екатеринбург, 2000.- 134с

4. Инструкция по магниторазведке. Наземная магнитная съемка. Аэромагнитная съемка. Гидромагнитная съемка. - Л. Недра. 1981

5. Доломанский Ю.К. и др. 4 Всесоюзный съезд по геомагнетизму. Тезисы докладов. Владимир-Суздаль, 1991.

6. Муравьев Л.А. Требования к точности синхронизации моментов измерения магнитного поля для выделения тектономагнитных сигналов. IV Уральская молодежная школа по геофизике. Учебно-научные материалы. - Пермь: Горный институт УрО РАН 2003.

7. Ильин Е.В., Ситникова А.А. О возможности применения навигационных GPS-приемников при полевых геофизических исследованиях. Уральский геофизический вестник N7 (сб.статей) Екатеринбург: УрО РАН, 2005 г.

8. Муравьев Л.А., Денисова О.В. Возможности магнитометров POS при выполнении геомагнитных съемок с использованием спутниковой топопривязки. Сборник тезисов Десятой Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых ученых: тезисы докладов: В 2 т. Т.2. - Екатеринбург - Красноярск: изд-во АСФ России, 2004 г., с 907-908

9. Epicentre Usage Guide. Projections and Projected Coordinate Systems. http://posc.org/Epicentre.2_2/DataModel/ExamplesofUsage/eu_cs34i.html

10. Доломанский Ю.К., Муравьев Л.А. Геомагнитный полигон обсерватории Арти. 170 лет обсерваторских наблюдений на Урале: история и современное состояние. Материалы международного семинара. Екатеринбург, 2006