Повышение точности и эффективности гравиметрических работ с использованием современного гравиметрического и геодезического оборудования

УДК 55:550.3

С.Г. Бычков, А.А. Симанов

Горный институт УрО РАН, Пермь

ПОВЫШЕНИЕ ТОЧНОСТИ И ЭФФЕКТИВНОСТИ ГРАВИМЕТРИЧЕСКИХ РАБОТ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СОВРЕМЕННОГО ГРАВИМЕТРИЧЕСКОГО И ГЕОДЕЗИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ

В последние годы произошли принципиальные изменения в аппаратурном оснащении гравиметрических исследований. Геофизические организации приобретают высокоточные гравиметры, со смещением нуль-пункта несколько микрогал в день и автоматической записью результатов. Топографо-геодезическое обеспечение гравиметрических работ осуществляется с применением систем спутниковой навигации, электронных тахеометров и другого оборудования, позволяющего получить плановое и высотное положение гравиметрических пунктов с погрешностью несколько миллиметров. Соответственно резко возросла точность и производительность работ, однако вопросы методики и технологии полевых работ, обработки гравиметрических материалов, полученных с точностью первые десятки микрогал, остаются открытыми.

Не вызывает сомнений, что возможности гравиразведки на современном этапе вступают в противоречие с существующими инструктивными требованиями к ее проведению. Повышение геологической эффективности гравиметрических исследований невозможно на основе прежних методов наблюдений, обработки и интерпретации.

Современные особенности производства гравиметрических работ

Важным этапом гравиметрических исследований являются полевые работы. Очевидно, что от того, насколько точно будут получены исходные гравиметрические данные, зависит геологическая эффективность и достоверность выводов о геологическом строении территорий.

Одним из существенных недостатков отечественных гравиметров ГНУ-КС/КВ, которыми оснащены практически все гравиметрические предприятия, является нелинейное смещение нуль-пункта. Поскольку этот процесс является неуправляемым и непредсказуемым, для минимизации соответствующих погрешностей разработано большое количество технологий проведения полевых работ [2, 4, 6, 7], включающих и создание густой многоуровенной сети опорных пунктов, и специальные методики рейсов, что, естественно, приводит к уменьшению производительности работ.

Появление в 90-е годы на отечественном рынке качественно новых гравиметров, технические характеристики которых по данным [9, 11-15] приведены в табл. 1, позволило по-новому взглянуть на методику полевых работ. Учитывая, что современные гравиметры позволяют автоматически вводить поправки за приливные притяжения, наклон прибора, температуру, в них включены фильтры шумоподавления, длительность рядового рейса может быть достаточно большой.

Таблица 1. Технические характеристики современных гравиметров

Гравиметр Изготовитель Диапазон, мГал Погрешность единичного измерения, рГал Смещение нуль-пункта

ГНУ-КВ ОАО «Нефтекип» 80-500 30

ГНУ-КВК ОАО «Нефтекип» 6000 20 0.2 мГал/сутки

CG^ / CG-5 Scintrex Ltd. 8000 5 0.02 мГал/сутки

G-meter LaCoste & Romberg Gravity Meters, Inc. 7000 40 <1.0 мГал/месяц

G-meter Aliod 100x LaCoste & Romberg Gravity Meters, Inc. 100 10 0.001 мГал/1000 час

GRAVITON-EG LaCoste & Romberg Gravity Meters, Inc в любой точке мира 3 <1.0 мГал/месяц

Примечание: в 2001 году LaCoste & Romberg (Техас, США), Scintrex (Канада), Micro-g Solutions (Денвер, США) и Auslog Pty (Австралия), объединились в новую компанию LaCoste & Romberg - Scintrex, Inc.

Роль опорной гравиметрической сети при работе с современными гравиметрами сводится только к приведению результатов съемки к единому общегосударственному уровню, а для учета смещения нуль-пункта прибора достаточно проводить повторные наблюдения на одном пункте в начале и в конце рабочего дня.

Горный институт УрО РАН с 2000 года проводит полевые гравиметрические работы с гравиметрами Autograv CG-3M и CG-5 [1]. За

л

этот период выполнено более 5000 км в различных регионах России, отличающихся орогидрографическими и климатическими условиями. Выполняются профильные региональные и площадные работы масштабов от 1:10 000 до 1:50 000. В процессе работ созданы и опробованы методики полевых наблюдений с использованием, как только автоматизированных гравиметров, так и совместно с отечественными ГНУ-КВ. При использовании этих методик многократно возросла производительность полевых работ; реальная точность съемки, получаемая по независимым контрольным наблюдениям, составляет от 10 до 25 цГал.

Современные особенности производства топографо-геодезических работ

Геодезические измерения при высокоточной гравиметрической съемке решают следующие основные задачи [5, 9]: вынос в натуру пунктов гравиметрических наблюдений, определение их координат и высот, по возможности, в едином технологическом цикле полевых работ, а также закрепление на местности опорных гравиметрических пунктов.

Каждый из этих видов работ имеет свою специфику и необходимо применять то оборудование и методики, которые наиболее целесообразны в данных условиях. В настоящее время широкое распространение получили автоматизированные методы проведения топографо-геодезических работ, основанные на использовании наземного и спутникового электронного

геодезического оборудования и последующей компьютерной обработки полевых измерений. Эти геодезические средства можно условно разделить на следующие группы:

- Оптико-электронное оборудование;

- GPS-оборудование;

- Программное обеспечение.

На сегодняшний день существует большой парк оптико-электронного оборудования, включая нивелиры, теодолиты, тахеометры. По опыту работ эффективным представляется использование электронных тахеометров. Преимущество их заключается в том, что можно производить любые угломерные измерения одновременно с измерением расстояний и по полученным данным проводить вычисления, сохраняя всю полученную информацию. Электронные тахеометры одинаково удобны для выполнения рутинной съемки и для разбивки пунктов. Эволюция электронного тахеометра продолжается с внедрением сервоприводов, автоматического слежения и безотражательной технологии.

Наиболее перспективной в настоящее время, безусловно, является технология спутникового геодезического и навигационного обеспечения гравиметрических работ из-за преимуществ в точности, производительности, универсальности и экономии. Однако применяемые при этом методы существенно отличаются от тех, которые используются при классических геодезических съемках. При соблюдении основных правил GPS съемка оказывается сравнительно простой и обеспечивает хорошие результаты. Самими распространенными геодезическими спутниковыми приемниками, несомненно, являются приемники фирмы Trimble. Современной разработкой фазовой GPS аппаратуры компании Trimble являются двухчастотные GPS приемники Trimble Total Station пятого поколения.

Снижение стоимости спутниковых приемников, повышение точности геодезических определений, достижения в области геоинформационных технологий, реализация бескабельной многоканальной связи, включая пересылку данных с помощью Интернет, и высокотехнологичных интегрированных систем делает применение спутниковых технологий в геофизической отрасли эффективным и экономически привлекательным. Обзор характеристик и производительности геодезических приборов представлен в табл. 2.

Таблица 2. Обзор основных характеристик современного геодезического

оборудования

Аппаратура Точность Производительность, пунктов в час

плановая по высоте

Оптико-электронное оборудование: Цифровые нивелиры Электронные теодолиты Электронные тахеометры 2-5 см 2-5 см 1-5 см 2-5 см 15 8-10 тахеометрический ход: 10 высотный ход: 20

Спутниковая аппаратура: Навигационные приемники 5-7 м около 30 м около 30

Двухчастотная аппаратура 0.5-5 см 0.5-5 см быстрая статика: 7

кинематика: 25

В Горном институте УрО РАН полевые топографо-геодезические работы проводятся с новейшим оборудованием (электронные тахеометры Trimble 3305, GPS-систем Trimble 4700 - 5700, навигационные приемники Garmin). При использовании данного оборудования возросла производительность работ, точность геодезической съемки. В настоящее время среднеквадратическая погрешность съемки, в зависимости от типа и условий работ, составляет: в плане - 0.02-5.00 м; по высоте - 0.01-0.30 м.

Таким образом, современная технология топографо-геодезического производства при высокоточных гравиметрических съемках вполне обеспечена прогрессивными методами съемки и современным геодезическим оборудованием.

Современные способы обработки гравиметрических материалов

Повышение точности полевых работ требует пересмотра методов камеральной обработки материалов. Необходимо более точное, чем это закреплено в «Инструкции по гравиразведке», введение различных редукций в наблюденные аномалии силы тяжести. Несмотря на длительную историю исследований в этой области, вопросы вычисления данных поправок до конца не решены.

Например, необходимо уточнение формулы вычисления уровня нормального поля, введение поправок за свободный воздух с учетом изменения вертикального градиента, вычисление влияния промежуточного слоя с переменной плотностью и др. В частности, для проведения высокоточных гравиметрических работ в Горном институте УрО РАН создана компьютерная технология определения поправок за влияние рельефа [3], отличительными особенностями которой являются максимально полное использование всей имеющейся информации о рельефе, автоматизация вычислений во всей области учитываемого влияния рельефа и высокая точность получаемых результатов. В качестве исходных данных используются цифровые модели местности, полученные путем векторизации скан-образов топографических карт и карты рельефа Земли GT0P030.

Таким образом, дальнейшее повышение геологической эффективности детальной гравиразведки неразрывно связано с совершенствованием методики полевых наблюдений, обработки и интерпретации гравиметрических данных.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Бычков С.Г. Основные направления совершенствования теории и практики гравиметрических исследований в Пермском Прикамье / Материалы междунар. семинара

«Вопросы теории и практики геологической интерпретации гравитационных, магнитных и электрических полей», Пермь, Горный институт УрО РАН, 2005, с.32-34.

2. Гравиразведка: Справочник геофизика. /Под ред. Е.А. Мудрецовой, К.Е. Веселова. М.: Недра, 1990. 607 с.

3. Долгаль А.С., Новоселицкий В.М., Бычков С.Г., Антипин В.В. Компьютерная технология определения поправок за влияние рельефа земной поверхности при гравиметрической съемке / Геофизический вестник, 5/2004, с.10-19.

4. Инструкция по гравиразведке. М., Недра, 1980.

5. Инструкция по развитию съемочного обоснования и съемке ситуации и рельефа с применением глобальных навигационных спутниковых систем ГЛОНАСС и GPS. М., ЦНИИГАиК 2002,124 с.

6. Костицын В.И. Методы повышения точности и геологической эффективности детальной гравиразведки / Пермь, Перм. ун-т, 2002. 224 с.

7. Маловичко А.К., Костицин В.И., Тарунина О.Л. Детальная гравиразведка на нефть и газ. М.: Недра, 1989. 224 с.

8. Михайлов И.Н., Рябиков Ю.К. Первый отечественный компьютеризированный наземный гравиметр (ГНУ-КВК) / http://www.neftekip.ru/rus/st_1.php

9. Прихода А.Г. Геодезическое обеспечение геологоразведочных работ / Геопрофи, 2/2003. с.3-5.

10. Справочник геодезиста / Под ред. В.Д.Большаков, Г.П.Левчук. М.: Недра, 1985.

485 с.

11. Aiken C.L.V., Balde M., Ferguson J.F., Lyman G.D., Xu X., Cogbill A.H. Recent developments in digital gravity data acquisition on land // The leading edge №1, Vol. 17, 1998, p. 93-97

12. Ander M.E., Summers T., Gruchalla M.E. LaCoste & Romberg gravity meter: System analysis and instrumental errors // Geophysics, VOL. 64, № 6, 1999, p. 1708-1719.

13. Chapin D. Gravity instruments: Past, present, and future // The leading edge №1, Vol. 17, 1998, p. 100-112

14. Chapin D.A., Crawford M.F., Baumeister M. A side-by-side test of four land gravity meters // Geophysics, Vol. 64, № 3, 1999, p. 765-775.

15. Hansen R.O. Gravity and magnetic methods at the turn of the millennium // Geophysics, Vol. 66, № 1, 2001, p. 36-37.

© С.Г. Бычков, А.А. Симанов, 2005