СПОСОБ МОНИТОРИНГА И ПРОГНОЗИРОВАНИЯ РАЗРЫВНЫХ НАРУШЕНИЙ В ВЕРХНЕЙ ЧАСТИ ГЕОЛОГИЧЕСКОГО РАЗРЕЗА
METHOD OF MONITORING AND PREDICTING FAULTS IN TOP PART OF GEOLOGICAL SECTION

Изобретение относится к геофизике, в частности к электромагнитным низкочастотным методам изучения верхней части геологического разреза ВЧР, предназначенным для контроля и прогноза напряженно-деформированного состояния (НДС) массива горных пород на основе изучения вариаций электромагнитного радиоволнового поля Земли (РПЗ). Оно может быть использовано для выявления и оконтуривания при профильной съемке геоэлектрических локальных неоднородностей (тектонические разломы, обводненные мульды, карстовые полости, оползневые участки, зоны шахтных подработок, повышенной трещиноватости, интервалы ослабленных пород и пр.). Данное изобретение специально может быть использовано также при организации сети мониторинга для оперативного контроля НДС в зонах действия газотранспортных систем на участках активизаций потенциально опасных геологических процессов (ОГП). Результаты такого мониторинга находят практическое применение для объективной оценки и прогнозирования степени рисков, обеспечения безопасности эксплуатации ответственных газовых объектов и своевременного принятия управляющих решений.
Поскольку геодинамически активные зоны, как правило, являются индикаторами потенциальных источников аварий и катастроф, постоянный контроль в режиме реального времени за изменениями НДС, например, оползневого массива, включающего магистральные газопроводы, основания фундаментов ответственных сооружений, является актуальной задачей.
z
х
у
z
х
у
В горных породах под действием механических напряжений возникают следующие друг за другом электромагнитные импульсы в широком спектре частот. Параметры импульсов зависят от эффективности дефектообразования и определяют кинетику скрытого трещинообразования движения флюидов. Установлено, что изменения НДС ведут к изменениям давления поровой жидкости, режима фильтрации подземных вод, что также сопровождается появлением электрокинетического тока, а значит и электромагнитного поля. На поля НДС накладываются индуцированные в проводящих включениях поля, вызванные вариациями радиоволнового поля Земли. Эти, как и другие природно-техногенные поля, приводят к непостоянству суммарных магнитных компонент (H, Н, Н) в пространстве и во времени (ось z - вертикальна, оси х, у - в горизонтальной плоскости, ортогональны оси z). При этом под H, Н, Нпонимают разницу между абсолютными значениями компонент на всех рядовых измеряемых i-тых точках поверхности и одной опорной.
Известен способ обнаружения геодинамических зон в массиве горных пород, заключающийся в том, что с заданным периодом времени проводят изучение напряженно-деформированного состояния пород, при котором измеряют плотность потока естественного импульсного электромагнитного поля Земли радиоволновым индикатором в точках наблюдения, расположенных в заданном направлении, с заданным шагом, в заданном диапазоне частот (Патент Украины №8085, G01V 3/08, опубл. 26.12.1995).
В этом способе по результатам измерений составляют графики значений плотности потока магнитной составляющей естественного импульсного электромагнитного поля Земли и по наличию закономерных изменений уровня сигнала судят о наличии аномальных зон в массиве горных пород. Наблюдения естественного импульсного электромагнитного поля Земли проводят повторно с периодом, равным времени релаксации напряжений в массиве горных пород. При этом измерение магнитной составляющей сигнала интенсивности естественного импульсного электромагнитного поля Земли (ЕИЭМПЗ) ведут вдоль оси выработки в трех взаимно перпендикулярных направлениях: продольном, поперечном и вертикальном с шагом 1-5 м в диапазоне частот 150-200 кГц, а по положению аномальных зон на графиках судят о положении зон разгрузки или повышенного горного давления массива, обусловленных как природными, так и техногенными факторами. Измерения проводят одной антенной радиоволнового индикатора, которую поворачивают поочередно в три взаимно перпендикулярные положения.
Недостатками этого способа являются: низкие точность и достоверность получаемых результатов, поскольку измерения проводятся не синхронно, а в течение длительного времени одной антенной в узком диапазоне частот. Этот способ малоэффективен для интерпретации полевых данных, поскольку основанием для суждения о положении проблемных зон служит анализ трех отдельных графиков, а не продукт их совместной обработки.
х
у
х
у
х
у
Наиболее близким является способ мониторинга локальных неоднородностей и геодинамических зон верхней части геологического разреза ВЧР, включающий одновременное измерение двумя антеннами в диапазоне частот f=1÷200 кГц взаимно ортогональных горизонтальных магнитных компонент Н, Н напряженности естественного электромагнитного поля Земли по меньшей мере двумя приемопередающими устройствами синхронно и одной опорной станцией, при этом приемопередающие устройства устанавливают стационарно в зоне исследуемой поверхности ВЧР, а опорную станцию, идентичную приемопередающим устройствам, - вне зоны исследуемой поверхности, сигналы с данными о компонентах Н, Н одновременно передают с приемопередающих устройств и с опорной станции на устройство обработки, в котором компенсируют влияние помех путем вычитания соответствующих данных о компонентах Н, Н с приемных устройств и с опорной станции (Патент РФ №2363965, G01V 3/12, опубл. 10.08.2009).
z
x
z
у
1
1
2
2
1
2
1zx
2zy
1
2
В этом способе дополнительно измеряют вертикальную компоненту Hz напряженности естественного импульсного электромагнитного поля Земли. В устройстве обработки вычисляют амплитудные магнитовариационные частотные параметры - Wzx (х, у)=H/H и Wzy (х, у)=H/Н. Затем определяют зависимости Wzx=F(f) и Wzy=F(f) для каждого из приемопередающих устройств. Эти зависимости интегрируют, получая площади  и  для каждого из приемопередающих устройств, причем S и S являются обобщенными электрическими характеристиками ВЧР по глубине. По экстремумам W, W, S и S определяют локальные неоднородности и геодинамические зоны в области ВЧР под соответствующими приемопередающими устройствами.
Ограничениями этого способа являются невысокая точность, ограниченные эксплуатационные возможности, невозможность проведения прогноза появления разрывных нарушений в горных породах.
В результате патентного поиска не было выявлено источников информации, в которых проводился бы постоянный мониторинг локальных неоднородностей геодинамической природы верхней части геологического разреза с одновременным использованием магнитных и электрических компонент (ЕИЭМПЗ).
Решаемая изобретением задача - повышение технико-эксплуатационных возможностей.
Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, - повышение точности, информативности, расширение функциональных возможностей не только за счет определения в режиме реального времени локальных неоднородностей геодинамической природы в области ВЧР, а также за счет обеспечения прогноза появления разрывных нарушений в горных породах на участках активизации ОГП.
х
у
х
у
х
у
х
у
х
у
х
у
х
у
1
x
y
2
y
x
к1
1
к2
2
ф1
1
ф2
2
Для решения поставленной задачи с достижением указанного технического результата в известном способе мониторинга локальных неоднородностей и геодинамических зон верхней части геологического разреза (ВЧР), включающем одновременное измерение двумя антеннами в диапазоне частот f=1÷200 кГц взаимно ортогональных горизонтальных магнитных компонент Н, Н напряженности естественного импульсного электромагнитного поля Земли по меньшей мере двумя приемопередающими устройствами синхронно и одной опорной станцией, при этом приемопередающие устройства устанавливают стационарно в зоне исследуемой поверхности ВЧР, а опорную станцию, идентичную приемопередающим устройствам, - вне зоны исследуемой поверхности, сигналы с данными о компонентах Н, Н одновременно передают с приемопередающих устройств и с опорной станции на устройство обработки, в котором компенсируют влияние помех путем вычитания соответствующих данных о компонентах Н, Н с приемных устройств и с опорной станции, согласно изобретению дополнительно одновременно измеряют двумя антеннами в диапазоне частот f=1÷200 кГц взаимно ортогональные горизонтальные электрические компоненты Е, Е напряженности естественного импульсного электромагнитного поля Земли по меньшей мере двумя приемопередающими устройствами синхронно и одной опорной станцией, при этом антенны приемопередающих устройств и одной опорной станции, принимающие взаимно ортогональные горизонтальные электрические компоненты Е, Е напряженности естественного импульсного электромагнитного поля Земли, ориентируют в одном направлении с антеннами, принимающими взаимно ортогональные горизонтальные магнитные компоненты Н, Н, в устройстве обработки компенсируют влияние помех путем вычитания соответствующих данных о компонентах Е, Е с приемных устройств и с опорной станции, вычисляют в устройстве обработки величины импедансов Z=E/H и Z=E/H в каждый момент времени t в интервале Δt, по величинам импедансов определяют изменения во времени электрических сопротивлений ρ(Z,t) и ρ(Z,t), по резким скачкам которых, более чем в 5 раз превышающим ранее измеренные фоновые данные ρ(Z,t), ρ(Z,t), судят о готовящейся фазе разрывных нарушений в верхней части геологического разреза ВЧР в течение времени от 1 до 15 суток.
Возможны дополнительные варианты осуществления способа, в которых целесообразно, чтобы:
х
х
- антенны, принимающие горизонтальные магнитные и электрические компоненты Н и Е, взаимно визировали в пространстве вдоль профиля исследований при геокартировании неоднородностей геодинамической природы, либо по осям преимущественной ориентировки тектонических элементов;
х
У
х
у
- измерения компонент Н, Н, Е, Е производили одними и теми же приемопередающими устройствами.
Указанные преимущества, а также особенности изобретения поясняются лучшим вариантом его выполнения со ссылками на прилагаемую фиг.1.
Фиг.1 изображает схему расположения приемопередающих устройств с магнитными и электрическими антеннами и опорной станции для участка линейного трубопровода.
Способ реализуют следующим образом.
х
у
х
у
На профиле или участке исследований (фиг.1) стационарно устанавливают приемопередающие устройства 1, измеряющие электрическими Е, Е и магнитными Н, Н антеннами электромагнитное поле Земли. Однотипную приемопередающим устройствам 1 опорную станцию 2 размещают на участке, заведомо свободном от геодинамических, геоэлектрических неоднородностей, чем достигается компенсация влияния природных и техногенных помех. Входы/выходы приемопередающих устройств 1 могут быть связанны с входами-выходами устройства обработки 3 кабелем, радиоканалом или спутниковой связью и т.п.
к
х
у
1
y
2
y
x
к
В момент достижения напряженно-деформированного состояния критических значений, при которых в горных породах начинается процесс разрешения и лавинного трещинообразования, резко падает электрическое сопротивление ρ. Введя в процесс измерений электрические компоненты электромагнитного поля Земли - Е и Е, представляется возможным контролировать в режиме реального времени основные параметры магнитотеллурического поля - импедансы Z=Ex/H, Z=E/H, которые определяют электрическое сопротивление ρ.
Пользуясь моделью Тихонова-Каньяра
где
0
ω - частота колебаний магнитотеллурического поля в центральной точке продуктивного участка Δf частотного диапазона короткопериодных импульсных колебаний, где и проводится контроль основных параметров поля (1-200 кГц), a µ - магнитная проницаемость вакуума.
к
к
z
Как показали исследования, режимный контроль параметра ρ позволяет отслеживать все фазы изменения НДС горного массива - упругих деформаций, разрушения и релаксация, а по скачку ρ в 5-7 раз относительно фоновых значений с большой вероятностью (более 90%) можно судить о готовящихся разрывных необратимых нарушениях в течение времени от 1 до 15 суток. При этом, как это было выполнено в ближайшем аналоге, контролем вертикальной компоненты H можно пренебречь.
х
у
х
у
Полевой материал контроля ОГП представляет собой цифровую запись временных последовательностей электромагнитных сигналов Земли по четырем каналам - Н, Н, и Е, Е. Ось х соответствует либо направлению вдоль профиля исследований при геокартировании неоднородностей геодинамической природы, либо, при стационарном контроле, осям преимущественной ориентировки тектонических элементов.
х
у
х
у
х
у
х
у
х
у
х
у
Магнитными датчиками Н, Н приемопередающих устройств 1 опорной станции 2 являются две горизонтальные антенны с узконаправленной диаграммой направленности; электрическими датчиками компонент Е, Е служат две линейные, расположенные близко к поверхности земли, изолированные, ортогонально ориентированные антенны, заземленные на удаленных от приемопередающих станций 1 и опорной станции 2 концах. Таким образом, измерение компонент Н, Н, Е, Е можно производить одними и теми же приемопередающими устройствами 1. Целесообразно, чтобы антенны, принимающие горизонтальные магнитные и электрические компоненты Н, Н, Е, Е взаимно визировали в пространстве с помощью геодезических теодолитов вдоль профиля исследований при геокартировании неоднородностей геодинамической природы, либо по осям преимущественной ориентировки тектонических элементов.
х
у
х
у
х
у
х
у
В заданное j-тoe время с определенным интервалом на сети точек профиля или площади проводят мониторинг двух компонент магнитного поля Н, Н и двух компонент электрического поля Е, Е, как разности сигналов на рядовых i-тых точках приемопередающих устройств 1 и опорной станцией 2 в интервале f=1÷200 кГц. Компенсируют влияние модельных и инструментальных помех устройством обработки 3 с помощью измеренных Н, Н, Е и Е с опорной станции 2 для выделения сигналов, подлежащих обработке.
1
x
y
2
y
x
х
у
х
у
1xy
1
2yx
2
к
Устройство обработки 3 представляет собой сервер, который вычисляет два импеданса Z=E/H, Z=E/H по горизонтальным компонентам Н, Н и Е, Е. Далее строят графики этих частотных параметров Y=F(f) и Y=F(f) поля, т.е. частотные характеристики НДС в одной или i-тых точках, а также временные зависимости Z и ρ. Последние являются параметрами для прогнозной интерпретации, т.к. по изменению отношений напряженности электрической и магнитной составляющих поля Земли (импедансу) на разных частотах можно изучать изменение геоэлектрического разреза ВЧР в вертикальном направлении, а в функции от времени в одной точке - изменение НДС ВЧР.
к1
1
к2
2
ф1
1
ф2
2
Устройство 3 определяет величины электрических сопротивлений ρ(Z,t) и ρ(Z,t), по скачкам которых, в 5-7 раз превышающим фоновые значения ρ(Z,t), ρ(Z,t) судят о готовящейся фазе разрывных необратимых нарушений в течение времени от 1 до 15 суток. Интервал временного прогноза зависит от строения верхней части геологического разреза (песок, глина, скальные породы и т.п.).
Для повышения достоверности результатов изучения ВЧР прогнозирования готовящихся разрывных нарушений горных пород полевые измерения и их интерпретацию производят одновременно с помощью установленного в устройстве обработки 3 программного обеспечения, позволяющего проводить управление приемопередающими устройствами 1, опорными станциями 2, сбор, передачу информации по радиоканалам GSM или спутниковой связи, хранение информации, ее обработку и отображение на дисплее сервера в режиме реального времени.
Интерпретация получаемых результатов может проводиться по правилам, известным в электроразведке, методами индукционного, радиоволнового профилирования, магнитотеллурического зондирования.
х
у
х
у
х
у
х
у
Поскольку в заявленном способе трансформации измеренных параметров Н, Н и Е, Е являются нормированными опорными значениями этих параметров, синхронными и относительными, то их теория дает новые подходы к интерпретациям как по характерным точкам, так и с помощью персональных компьютеров. Для этого необходимо экспериментальные графики сравнить с теоретическими для априорно известных моделей геологических сред. Используя комплексную геолого-геофизическую дополнительную информацию о районе работ и высокоточные измерения компонент (Н. Н, Е, Е) техническими средствами с применением геодезических теодолитов, данный способ позволяет резко улучшить информативность мониторинга локальных неоднородностей, геодинамических зон и прогнозировать готовящиеся разрывные нарушения горных пород в верхней части геологического разреза.
Наиболее успешно заявленный способ мониторинга и прогнозирования разрывных нарушений в верхней части геологического разреза промышленно применим для выявления и оконтуривания при профильной съемке геоэлектрических локальных неоднородностей (карстовые полости, старые горные выработки, подвалы, подкопы, керамические трубы, обводненные мульды и пр.) и для оперативного стационарного контроля НДС и прогнозирования готовящихся разрывных нарушений в зонах действия газотранспортных систем на участках активизации опасных геологических, техногенных процессов (оползневые участки подводных переходов, зоны горных подработок, обвалы и др.).