СПОСОБ ПОИСКА ПОДЗЕМНЫХ ВОД
METHOD OF SEARCHING FOR UNDERGROUND WATER

Изобретение относится к области разведочной геофизики, а именно к способам выявления глубинных залежей воды путем дистанционного спектрозонального зондирования геологической среды.
Способ основан на регистрации и анализе космических и авиационных снимков в различных спектрах оптического излучения.
Известен ряд способов при поисках и разведке месторождений полезных ископаемых и подземных вод, осуществляемых путем измерения естественных и искусственных электромагнитных полей (патент РФ №2094832, МПК G01V 9/02, G01V 3/08, опубл. 27.10.1997; патент РФ №2006891, МПК G01V 9/00, опубл. 30.01.1994), регистрации сейсмических сигналов (патент РФ №2300125, МПК G01V 9/02, опубл. 27.05.2007), бурения скважин и каротажа геофизического поля (а.с. SU №1086400А, МПК G01V 9/02, опубл. 15.04.1984) на основе наземных инструментальных полевых наблюдений. Выявление перспективных участков, определение наиболее вероятной глубины залегания и контура границ искомой залежи производят путем площадной съемки аномальных значений физического поля и построения карт и разрезов с последующим выделением признаков геологической среды, в недрах которой локализованы залежи воды.
Однако данные способы содержат ряд недостатков, характерных для методов, регистрирующих геофизические поля наземными способами:
относительная трудоемкость работ; большие временные и материальные затраты при получении исходного поля; сложность или невозможность использования в труднодоступных условиях таежно-болотисто-озерного ландшафта; зависимость достоверности конечных результатов от применяемой модификации метода и технологии интерпретации на этапах региональных, поисковых и разведочных работ.
Общеизвестно, что многие недостатки и сложности в реализации приведенных выше способов снимаются, если использовать дистанционную систему цифровой регистрации параметрических данных сканирования площади с последующим расчетом физической модели геологической среды.
Известен способ выявления залежей углеводородов (заявка РФ №2009123199, МПК G01V 9/00, опубл. 27.12.2010), включающий получение снимка с тепловизионным изображением исследуемой территории в инфракрасном диапазоне длин волн 8-14 мкм, обработку тепловизионного изображения путем расчета и построения объемной модели плотности потока теплового излучения геологической среды и объемной модели блоково-разломных структур, построения горизонтальных и латеральных срезов, вертикальных разрезов плотности потока теплового излучения геологической среды и блоково-разломных структур и их дифференциальных трансформаций с последующей интерпретацией полученных данных, и составление результативных карт.
Однако в рассматриваемом способе не предполагалось проводить поиск глубинных вод по геотермическим признакам, не предусмотрена многоуровневая спектрозональная съемка верхней части геологического разреза, без которой возникают ограничения по разрешающей способности тепловизионного зондирования залежей подземных вод в пластах с малой мощностью коллектора.
Известен способ поиска и разведки подземных вод (патент РФ №2178191, МПК G01V 9/02, опубл. 10.01.2002), ближайший по технической сущности к заявляемому способу и принятый за прототип, включающий поиск и разведку подземных пресных и минерализованных вод по результатам изучения космо- и аэрофотоснимков, проведение геофизических исследований участков обводненной зоны, получение космо- и аэрофотоснимков, математическую компьютерную обработку этих снимков с использованием комплекса математических программ и интерпретацию полученных результатов.
Однако рассматриваемый способ сложен и трудоемок в практической реализации, требует значительных объемов дорогостоящих наземных геофизических и буровых работ; возможна значительная неоднозначность морфологического анализа и визуальной интерпретации фотоизображения дистанционных снимков, которые имеют различную геологическую природу и могут быть не связаны с глубинными зонами подземных вод. Способ не позволяет реально отразить эндогенное изменение температурных аномалий в условиях формирования залежей подземных вод, т.к. не предусматривает пересчет теплового поля на глубину.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является поиск залежей подземных вод от дневной поверхности до глубин в несколько десятков километров, повышение точности и достоверности выявления в геологической среде зон кумуляции флюидов и зон повышенной проницаемости путем регистрации теплового поля на глубине, что позволяет реально отразить изменение эндогенных температурных аномалий в условиях формирования залежей гидротермальных источников и минеральных вод.
Также задачей является упрощение способа и снижение трудоемкости проведения работ.
Техническим результатом является повышение эффективности поиска залежей подземных вод и достоверности выявления полезного объема этих залежей и местоположения будущей скважины.
Технический результат достигается тем, что в способе поиска подземных вод, включающем проведение съемки поверхности Земли дистанционным методом, получение космических и авиационных снимков поверхности Земли в видимом диапазоне длин волн, обработку снимков с последующей интерпретацией полученных данных и составление результативных карт, новым является то, что проводят разновысотную видеотепловизионную авиационную съемку, регистрируют космические и авиационные спектрозональные снимки поверхности Земли в диапазонах видимого спектра, а также ближнего, среднего и дальнего инфракрасного интервала длин волн, обработку спектрозональных снимков проводят путем измерения интенсивности потока теплового излучения Земли с последующей аппаратурной фильтрацией тепловизионного изображения, формируют структуру плотности потока теплового излучения геологической среды путем создания объемной модели блоково-разломных структур в дальнем спектре инфракрасного интервала длин волн, из которой получают горизонтальные срезы, вертикальные разрезы и дифференциальные трансформации теплового потока, определяют индикатор «стресса» состояния природно-ландшафтных систем с учетом видимого спектра и индикатор состояния растительности и почвы с учетом ближнего и среднего спектров инфракрасного интервала длин волн, после интерпретации полученных данных формируют трехмерный образ геологической среды с выделением геотермических признаков, по которым определяют местоположение залежей подземных вод и расположение будущей скважины.
Снимки поверхности Земли получают в диапазонах видимого (0,63-0,69 мкм) спектра, ближнего (0,76-0,90 мкм), среднего (1,55-1,75 мкм) и дальнего (10,4-12,5 мкм) инфракрасного интервала длин волн.
Спектрозональные космические снимки поверхности Земли получают, используя данные со спутников «Landsat-TM/ETM+» и «Terra/Aqua-MODIS».
Спектрозональную авиационную съемку проводят видеотепловизионным комплексом высокого разрешения с использованием вертолета и/или дирижабля в широком диапазоне высот от 30 м до 3 км, что позволяет вести поиск залежей воды в верхней части геологического разреза.
Перед обработкой снимков дополнительно проводят отбор и предварительную обработку космических и авиационных снимков.
Отбор снимков осуществляют на основе масштаба исследований, оптимального покрытия изучаемой территории кадрами, отсутствия облачности над участком, времени съемки, диапазона распределения значений интенсивности теплового поля для кадров в пределах одного маршрута.
Предварительную обработку снимков осуществляют путем перевода данных из исходного вида в стандартные форматы, радиометрической коррекции, топографической нормализации, составления мозаик из нескольких снимков, синтезирования, устранения помех и подавления шумов, географической привязки изображений с использованием опорных точек на местности.
Аппаратурную фильтрацию тепловизионного изображения производят на основе функции:
где  - элемент n-го слоя с координатами (i, j);
- элемент исходного тепловизионного изображения с координатами (m,k);
n - номер слоя;
k - шаг проникновения, связанный с эффективной глубиной зондирования δ=kn.
Объемную модель блоково-разломных структур формируют на основе максимизирующего фильтра, отклик которого по определенной окрестности задают выражением:
,
где  - элемент n-го слоя модели блоково-разломных структур с координатами (i, j),
- элемент n-го слоя с координатами (m, k).
Линии разрывов геологической среды выделяют с помощью разностного аналога оператора Лапласа:
2
∇f=f(x+1,y)+f(x-1,y)+f(x,y+1)+f(x,y-1)-4f(x,y),
где x и y - аргументы функции.
Индикатор «стресса» состояния природно-ландшафтных систем для каждого пикселя изображения определяют на основе линейной трансформации данных:
где Me - медиана,
σ - среднеквадратичное отклонение,
q - коэффициент, зависящий от ширины гистограммы значений индекса
R
T - радиационная температура (в градусах Цельсия), полученная по данным дальнего инфракрасного спектрального канала 10,4-12,5 мкм (ТМ6),  - трансформированный вегетационный индекс, отражающий относительное содержание хлорофилла в биомассе,
ТМ3 - значение спектральной яркости в красной области видимого спектра, расположенной в зоне сильного поглощения хлорофилла,
ТМ4 - значение спектральной яркости в ближней инфракрасной области, чувствительной к количеству вегетационной биомассы, с последующей интерпретацией разностного показателя индикатора «стресса», получаемого за различные даты съемки, в увязке с глубинным строением геологической среды.
Индикатор состояния растительности и почвы определяют на основе нормализованного «инфракрасного» индекса
с учетом трансформированного индекса «влагосодержания»
R
чувствительного к содержанию влаги в растительности и почвах, радиационной температуры T (в градусах Цельсия) и
по данным спектральной яркости в ближней (ТМ4) и средней (ТМ5) инфракрасной области.
Интерпретация полученных данных включает в себя морфоструктурное районирование по интенсивности плотности потока теплового излучения геологической среды, определение природы аномалий образующих геологических объектов, зон разуплотнения пород с улучшенными коллекторскими свойствами, в состав которых входят зоны флюидоперетоков и флюидонакопления, способные быть природными резервуарами воды.
Местоположение залежей подземных вод определяют по пространственному сочетанию признаков: минимальным значениям изолиний плотности потока теплового излучения в разрезе блоково-разломных структур на уровне продуктивного горизонта и наименьшим параметрам нормализованных индексов состояния растительности и почв (ISN, IWN) в местах выхода флюида на поверхность Земли.
Участки, не содержащие залежи подземных вод, определяют по совпадению в разрезе плотных блоков структур с максимумами графиков нормализованных индексов состояния растительности и почв, которые дают дополнительную геохимическую информацию, отражая аномальное воздействие подземных вод на верхнюю часть разреза.
Результативные карты составляют путем морфоструктурной интерпретации и наложения полученных данных на топографическую основу с добавлением необходимой текстовой и графической информации, включая результаты тематической классификации геологических объектов.
В качестве топографической основы используют векторные и растровые электронные карты высокого разрешения.
Достоверность выявления полезного объема залежей подземных вод от дневной поверхности до глубин в несколько десятков километров достигается путем применения информативной, многоцелевой и экономически целесообразной технологии использования космических («Landsat-TM/ETM+», «Terra/Aqua-MODIS») и авиационных тепловизионных систем наблюдений в различных спектрах оптического излучения.
В основу изобретения положена необходимость комбинированного использования спутниковых и авиационных данных различного пространственного разрешения, потребность обоснованного применения соответствующих индикаторов спутниковых наблюдений, позволяющих оценивать неоднородность теплофизических свойств земной коры и проводить морфоструктурную классификацию элементов изображений.
Предлагаемый способ основан на извлечении комплексной информации о пространственной и временной динамике спектральных параметров состояния растительности и почв (ISN, IWN) в увязке с глубинным строением геологической среды. При этом глубинные тектонические нарушения Земли рассматривают как систему природных подводящих каналов для миграции к поверхности флюидогазовых эманации, которые образуют участки флюидоперетоков в проницаемых средах и флюидонакопления в пористых средах в форме многоэтажных камер. Возникающие зоны разуплотнения пород с улучшенными коллекторскими свойствами, в состав которых входят зоны флюидоперетоков и флюидонакопления, способны быть природными резервуарами воды.
Местоположение залежей подземных вод определяют по пространственному сочетанию следующих признаков - минимальные значения изолиний плотности потока теплового излучения в разрезе блоково-разломных структур на уровне продуктивного горизонта и наименьшие параметры нормализованных индексов состояния растительности и почв (ISN, IWN) в местах выхода флюида на поверхность Земли. Наибольшие значения теплового потока в разрезе блоково-разломных структур, совпадающие с максимумами графиков индексов ISN и IWN, которые построены для земной поверхности, интерпретируют как зоны, не содержащие залежи подземных вод.
Принципиальным достоинством заявляемого способа является возможность одновременно изучать на региональном и детальном уровнях гидрогеологическое строение Земли, используя непосредственную связь плотности потока теплого излучения среды с зонами коллектора, насыщенного минеральными водами. Синтез моделей блоково-разломных структур в рамках градиентных сред с локальными глубинными источниками теплового поля позволяет с большой достоверностью определять местоположение в разрезе геотермальных источников.
Сущность способа поиска подземных вод заключается в следующем.
Поиск подземных вод в осадочном чехле и кристаллическом фундаменте проводят путем последовательной съемки, включая региональный масштаб исследований по космическим снимкам и разновысотную авиационную регистрацию плотности потока теплового излучения при детализации перспективной площади, и последующего обоснования оптимального места заложения разведочной гидрогеологической скважины.
Снимки поверхности Земли в широком спектральном диапазоне получают, используя данные космического сегмента со спутников «Landsat», «Terra» и «Aqua». Многоуровневая аэрокосмическая видеотепловизионная съемка позволяет получать результаты в глобальном (MODIS), региональном (ТМ, ЕТМ+, ASTER) и детальном масштабах.
Регистрируют тепловизионное изображение в дальнем инфракрасном диапазоне длин волн 10,4-12,5 мкм, формируют региональную объемную структуру эндогенного потока теплового излучения с классификацией неоднородностей по форме блоково-разломных структур, выделяют характерные геотермические признаки, связанные с тепловыми аномалиями и позволяющие пространственно локализовать в геологической среде залежи воды.
Затем проводят выделение локальных участков теплового поля, наиболее благоприятных для объемной концентрации воды в геологической среде, разбиение на зоны и ранжирование объектов по глубине на три типа: перспективные, с неясными перспективами и бесперспективные.
На перспективной площади проводят детальное видеотепловизионное зондирование геологической среды путем разновысотной авиационной съемки. Наибольшую эффективность дистанционные работы достигают при последовательном применении носителей. На первом этапе используют вертолет в интервале высот полета 0,3-3 км, в результате чего добиваются пространственного разрешения снимка 0,2-2 м. На втором этапе - дирижабль в интервале высот 0,03-0,5 км с пространственным разрешением снимка 0,02-0,3 м.
Для проведения авиационной съемки видеотепловизионным комплексом высокого разрешения с температурной чувствительностью 0,02°С выработан набор оптимальных требований к полетным и погодно-временным условиям. Параметры съемки, включающие в себя высоту и скорость полета носителя, интервал времени между кадрами, величину продольного перекрытия снимков, рассчитывают с помощью специально созданных номограмм. Это снижает «смаз» изображения и повышает разрешающую способность многоуровневой (0,03-3 км) авиационной съемки.
Установлено, что перед тематической обработкой космических данных необходимо проводить отбор тепловизионных снимков на основе определенного набора критериев (масштаб исследований, оптимальное покрытие изучаемой территории кадрами, отсутствие облачности над участком, время съемки) и улучшение изображений (топографическая нормализация, синтезирование, удаление шумов), которые снижают влияние помех при выявлении эндогенного теплового поля Земли.
Предварительная обработка космических и авиационных тепловизионных изображений включает ряд типовых и специально разработанных процедур по переводу данных из исходного вида в стандартные форматы, радиометрической коррекции, топографической нормализации, составлению мозаик из нескольких снимков, синтезирования, устранению помех и подавления шумов, географической привязки изображений с использованием опорных точек на местности.
R
Обязательной составляющей предлагаемого способа является методика изучения динамики природной среды на основе космической многоспектральной съемки. Применяется индикатор состояния природно-ландшафтных систем IS (индекс «стресса» растительности). Он рассчитывается на основе трансформированного вегетационного индекса TVI и радиационной температуры T (в градусах Цельсия) по данным спектральных диапазонов 0,63-0,69 мкм (TМ3), 0,76-0,90 мкм (ТМ4) и 10,4-12,5 мкм (ТМ6) для разновременных снимков спутника «Landsat».
Индекс определяется по формуле
где
R
Индекс IS является универсальным, интегральным индикатором водно-теплового стресса растительных ландшафтов. Этот индекс более эффективен, чем применение по отдельности его составляющих T и TVI, т.к. максимально полно отражает основные признаки угнетенного состояния фитоценозов - понижение значений вегетационного индекса и повышение температуры. Он позволяет учесть наличие на снимке растительности с неполным покрытием и исключить влияние почвенного фона. Теоретический диапазон значений IS лежит в пределах от 0 до 1, однако на практике максимальная величина не превышает 0,4. Повышенные величины индекса IS свидетельствуют о большей вероятности присутствия на исследуемой территории стрессового состояния растительности.
Диапазон значений индекса IS для участков ландшафта при разных датах съемки «Landsat» может существенно различаться, что обусловлено неодинаковыми температурными метеоусловиями и несовпадением фаз вегетации. В связи с этим используют нормализованный индекс «стресса», вычисляемый на основе линейной трансформации данных:
где Me - медиана; σ - среднеквадратичное отклонение; q - коэффициент, зависящий от ширины гистограммы значений индекса IS.
2
1
1
2
Диапазон изменения индекса ISN для ландшафтно-растительных систем находится в пределах от 0 до 1 (за исключением воды, техногенных объектов, открытых горных пород), а значение медианы нормализованной гистограммы располагается в районе 0,5. Путем подбора коэффициентов q учитывается различная дисперсия гистограмм IS, вызванная разнообразием растительных ландшафтов и изменчивостью их состояний. Оценка пространственных и временных изменений растительного покрова проводится путем интерпретации разностного показателя индекса «стресса» ΔISN=ISN-ISN, получаемого за различные даты съемки (ISN и ISN), в увязке с глубинным строением геологической среды.
Другим индикатором состояния растительности и почвы является нормализованный «инфракрасный» индекс. Он рассчитывается по формуле
на основе трансформированного индекса «влагосодержания»
R
чувствительного к содержанию влаги в растительности и почвах, радиационной температуры T (в градусах Цельсия) и
по данным спектральной яркости инфракрасных диапазонов 0,76-0,90 мкм (ТМ4), 1,55-1,75 мкм (ТМ5) и 10,4-12,5 мкм (ТМ6) для разновременных снимков спутника «Landsat».
Состояние почвенно-растительного покрова, определяемое путем спектрозональной съемки, дает дополнительную геохимическую информацию, которая отражает аномальное воздействие подземных вод на верхнюю часть разреза.
Результативные карты составляют путем морфоструктурной интерпретации и наложения полученных данных на топографическую основу с добавлением необходимой текстовой и графической информации, включая результаты тематической классификации геологических объектов. В качестве топографической основы используют векторные и растровые электронные карты высокого разрешения.
Преимуществами предлагаемого способа является информативность данных и высокая производительность работ, возможность изучения и анализа труднодоступных районов, относительная дешевизна при исследовании больших территорий, абсолютная экологическая чистота.
Заявляемый способ апробирован при изучении субмаринных природных источников пресных вод и глубинного водообмена между сушей и морем (интрузии морской воды) на территории Королевства Испании, а также при поиске гидротермальных источников и минеральных вод в Чешской Республике.