ГЛУБОКОВОДНЫЙ ГЕОФИЗИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС

Полезная модель относится к морской электроразведки и может быть использована для измерения естественного электрического поля при поисках гидротермальных сульфидных месторождений.
Естественное электрическое поле (ЕП) возникает из-за неоднородности двойных электрических слоев, существующих на контакте минерал-электролит. Она определяется, в первую очередь, изменениями концентрации кислорода, водородных и сульфидных ионов, а так же ионов, образующих окислительно-восстановительные системы. Существенную роль так же играет изменение химического состава минералов.
Известен комплекс для измерения электромагнитных полей, включающий, электрический или магнитный диполь (электрод), генератор переменного тока, установленный на плавучем средстве, электрические кабели, соединяющие диполь с генератором, датчики для обнаружения магнитных и/или электрических компонентов, произведенных в результате электромагнитного излучения электрического или магнитного диполя, и средства для измерения амплитуды и фазы магнитных и/или электрических компонентов, обнаруженных датчиками. Диполь представляет собой петлю, содержащую 1-25 витков. Датчики позволяют измерять радиальные и вертикальные значения магнитного поля и поперечные значения электрического поля [Патент США №4047098, кл. G01V 3/08, П01М 3/15, опубл. 1977 г.].
Известный комплекс не позволяет производить измерения электрического поля на больших глубинах.
Кроме того, принцип действия комплекса основан на генерации искусственного электрического поля, вследствие чего - очень трудоемкий и затратный, а следовательно не подходят для решения задач скоростного выявления сульфидных руд на дне океана.
Известен комплекс для измерения электромагнитных полей, включающий электродную базу, выполненную в виде косы, соединенной коренным концом со средством для измерения значений электрического поля, установленным на плавучем средстве, на косе закреплена система электродов, первый из которых закреплен на ходовом конце косы (он расположен непосредственно на дне водоема), а второй электрод подвешен на той же косе на расстоянии от первого [Патент США №2839721, кл. G01V 3/06, опубл. 1958 г.].
Известный комплекс не позволяет производить измерения электрического поля на больших глубинах, т.к. нельзя контролировать положение второго нижнего электрода относительно дна, что может привести к обрыву косы и потери электрода.
Кроме того, принцип действия комплекса основан на генерации искусственного электрического поля, вследствие чего - очень трудоемкий и затратный, а следовательно не подходят для решения задач скоростного выявления сульфидных руд на дне океана.
Известен комплекс для измерения естественного электрического поля с горизонтальной электроразведочной линей, спущенной вертикально вниз к дну и имеющей два электрода с разносом MN=40 м. [А.А.Петров, Интерпретация данных естественного электрического поля при поисках гидротермальных сульфидных объектов, ж. Геофизика, №6, 2000 г., стр.48-51].
Изучаемого пространство разбивают визуально сетью проходя по ней измеряют три компоненты вектора естественного электрического поля Е. Вертикальная составляющая поля имеет максимум непосредственно над объектом, горизонтальные составляющие - у его границ. Для горизонтальных компонент центр линии соответствует точки записи, для вертикальной компоненты точка записи соответствует нижнему электроду линии.
Для безопасной буксировки аппарат ведут на высоте 40-50 м от дна.
Известный комплекс обладает следующими недостатками
1. Необходимо использовать отдельный прибор с электроразведочной косой.
2. Комплекс работает только с электроразведочными косами.
3. Горизонтальная коса не позволяет однозначно интерпретировать результаты при размерах рудного тела близких к размеру косы
Известен комплекс для измерения естественного электрического поля открытой залежи на дне океана (при пассивном состоянии гидротермы), представляющий собой подводный аппарат с опущенной вертикально вниз электродной базой [Богородский М.М., и др., Некоторые предпосылки электроразведки гидротерм на дне океана, препринт №35(724), Москва, ИЗМИРАН, 1984 г., УДК 550.837(26)].
Аппарат располагают над залежью сначала на расстоянии 10 м, а потом - 100 м. Затем электродную базу укладывают в горизонтальное положение, на точку, удаленную от продольной оси залежи на половину расстояния до ее края. При этом дальний от аппарата конец базы направляют к краю залежи. Получают данные значения аномалии потенциала, вертикальной составляющей и ее пространственного распределения. На основании данных делают выводы о наличии залежи, ее характеристиках и размерах, как в горизонтальной плоскости, так и на глубине.
Известный комплекс имеет ряд недостатков.
1. Необходимо использовать отдельный аппарат с электроразведочной косой, комплекс работает только с электроразведочными косами
2. Высокая трудоемкость за счет необходимости расположения линии сначала в вертикальном положении, а потом в горизонтальном.
3. Отсутствуют средства контроля пространственного положения электродов, что может привести к потери электродной базы.
Наиболее близким техническим решением к предложенному является глубоководный геофизический комплекс, включающий набортную и глубоководную части, соединенных между собой кабель-тралом [Котов И.Н.. Исследование и разработка гидролокаторов бокового обзора для проведения инженерно-геологических работ: дисс. канд. тех. н: 01.04.06. - Таганрог, 2002. - 138 с: ил. РГБ ОД, 61 02-5/2360-8. Глава 4: «Разработка геоакустического комплекса МАК-1М и оценка эффективности при геологических исследованиях».
Технические характеристики на сайте Южморгеологии
Набортная часть комплекса содержит промышленный компьютер, блок интерфейсов, накопитель на магнитооптических дисках, регистратор, видиемонитор тралмастера, стацию постобработки.
Глубоководная часть комплекса состоит корпуса, в котором размещены микрокомпьютер, блок датчиков крена, дифферента, курса, давления, цифровой приемо-передатчик, аналого-цифровой преобразователь, блок питания забортной аппаратуры, набор антенн и кабельную развязку, при этом выход аналого-цифрового преобразователя соединен с блоком датчиков, выход которого соединен с входом преобразователя.
Известный комплекс позволяет проводить акустические исследования дна океанов на больших глубинах без потерь оборудования, однако он не приспособлен для электроразведочных работ.
Задачей полезной модели является расширение функциональных возможностей за счет возможности определения аномалии естественного электрического поля в реальном времени при поиске рудных объектов.
Поставленная задача решается тем, что в глубоководном геофизическом комплексе, включающем набортную и глубоководную часть, соединенные между собой кабель-трос, при этом глубоководная часть состоит из корпуса, в котором размещены микрокомпьютер, блок датчиков крена, дифферента, курса и давления, цифровой приемо-передатчик, аналого-цифровой преобразователь, блок питания забортной аппаратуры, набор антенн и кабельную развязку, при этом выход микрокомпьютера соединен с блоком датчиков, выход которого соединен с входом микрокомпьютера, глубоководная часть комплекса снабжена узлом измерения естественного электрического поля в виде электродной базы и электронного блока, электродная база выполнена в виде косы, соединенной коренным концом с корпусом глубоководной части, на косе закреплены 2 системы электродов, каждая из которых состоит как минимум из двух электродов, расположенных друг от друга на расстоянии, а электронный блок измерения поля соединен с выходом блока датчиков и входом микро PC.
Предпочтительно, чтобы электроды каждой системы были расположены друг от друга на расстоянии не менее 1 м, расстояние между системами не превышало 70 м, а верхний электрод верхней системы был укреплен на косе не менее 10 м от коренного конца.
Целесообразно на ходовом конце косы укрепить фал с грузом на расстоянии не менее 8 м. от нижнего электрода нижней системы.
Предпочтительно, чтобы электронный блок измерения естественного электрического поля состоял из микроконтроллера, двух усилителей, источника опорного напряжения и адаптера, при этом выходы электродов первой и второй систем соединены соответственно с первыми входами первого и второго усилителя, выходы которых соединены с первым и вторым входом микроконтроллера, третий вход микроконтроллера соединен с первым выходом адаптера, первый вход которого соединен с выходом блока датчиков, выход микроконтроллера соединен со вторым входом адаптера, второй выход которого соединен с микрокомпьютером, выход источника опорного напряжения соединен со вторыми входами усилителей и четвертым входом микроконтроллера.
На блоке подводной электроники комплекса мало контактов, от электроразведочной косы 1 подключают только два канала. Электронная плата для измерения ЕП (измеритель ЕП) вставляется в подводный блок комплекса «МАК-1М» на имеющийся свободный разъем без всяких доработок. Для измерителя ЕП были разработаны новая аппаратная и микропрограммная регистрация, позволяющая регистрировать и отображать ЕП на каналах курса и крена комплекса «МАК-1М», которые не используются при его штатной работе.
На фиг.1 представлена схема глубоководной части комплекса.
На фиг.2 - схема подключения электронного блока узла измерения естественного электрического поля к электроники глубоководной части комплекса.
На фиг.3 - схема выполнения электронного блока узла измерения естественного электрического поля.
Глубоководный геофизический комплекс включает набортную (на чертеже не показана) и глубоководную части, соединенные между собой кабель-тралом (на чертеже не показан).
Набортная часть содержит промышленный компьютер, блок интерфейсов, накопитель на магнитооптических дисках, регистратор, видиемонитор тралмастера и стацию постобработки (на чертежах не показаны).
Глубоководная часть комплекса имеет узел измерения естественного электрического поля в виде электродной базы и электронного блока.
Электродная база выполнена в виде косы 1, соединенной коренным концом с корпусом 2 глубоководной части. На косе 1 закреплены 2 системы электродов, каждая из которых состоит из двух электродов 3-6, расположенных друг от друга на расстоянии.
Электроды соответственно 3, 5 и 4, 6 каждой системы расположены друг от друга на расстоянии не менее 1 м, а расстояние между системами не превышает 70 м.
Электрод 3 верхней системы укреплен на косе 1 не менее 10 м от коренного конца.
На ходовом конце косы 1 укреплен фал 7 с грузом 8 на расстоянии не менее 8 м. от электрода 6 нижней системы.
Глубоководная часть комплекса, размещенная в корпусе 2, содержит микрокомпьютер 9, блок 10 датчиков крена, дифферента, курса и давления, цифровой приемо-передатчик, аналого-цифровой преобразователь, блок питания забортной аппаратуры, набор антенн и кабельную развязку.
Выход микрокомпьютера 9 соединен с входом блока 10 датчиков, а электронный блок 11 измерения естественного электрического поля соединен с выходом блока 10 датчиков и входом микрокомпьютера 9.
Электронный блок 11 измерения естественного электрического поля состоит из микроконтроллера 12, двух усилителей 13 и 14, источника опорного напряжения 15 и адаптера 16.
Выходы электродов 3, 5 и 4, 6 первой и второй систем соединены соответственно с первыми входами усилителей 13 и 14, выходы которых соединены с первым и вторым входам микроконтроллера 12.
Четвертый вход микроконтроллера 12 соединен с первым выходом адаптера 16, первый вход которого соединен с выходом блока 10 датчиков, выход микроконтроллера 12 соединен со вторым входом адаптера 16, второй выход которого соединен с микрокомпьюром 9.
Выход источника опорного напряжения 15 соединен со вторыми входами усилителей 13 и 14 и пятым входом микроконтроллера 12.
Глубоководный геофизический комплекс работает следующим образом.
Комплекс применяется по прямому назначению, т.е. для выполнения сонарной съемки дна, не ухудшая параметров, не меняя штатного программного и аппаратного обеспечения и одновременно проводя измерения естественного электрического поля ЕП на рабочих профилях.
Для измерения ЕП используется вертикальная коса 1. Для измерения потенциала естественного электрического поля (ЕП) верхние электроды 3 и 5 косы 1 должны находиться в условной «бесконечности», а нижние 4 и 6 - в непосредственной близости к грунту. С этой целью в процессе профилирования используют вертикальную косу 1 с расстоянием между верхними и нижними электродами 70 м.
В процессе работы измеряют разность потенциалов на следующих «разносах»:
- 3, 4 (ЕП 1 на графиках измеренных параметров);
- 5, 6 (ЕП 2 на графиках измеренных параметров);
Комплекс «МАК-1М-ЕП» буксируют в коридоре высоты от дна 80-90 м, при скорости судна 1.0-1.5 узла (в среднем - 1.2-1.3 узла), что обеспечивает допустимые условия измерения потенциала естественного электрического поля.
Одновременное использование двух каналов позволяет избежать потери информации в случае выхода из строя отдельных электродов и получать более достоверную информацию по аномалиям ЕП.
Наличие массивных металлических предметов в непосредственной близости от электродов косы 1 может отрицательно сказываться на качестве измеряемых параметров. Поэтому электрод 3 отнесен на 10 м от коренного конца косы 1, а груз 8 крепится к ходовому концу на капроновом фале 7 длиной 5 м.
Плановую привязку проводят в режиме «короткая база». Точность привязки в короткой базе составляет 1.0% от расстояния до глубоководного части комплекса. При глубинах моря в районе работ 2-4,2 км длина кабель-троса меняется от 2500 до 4800 м; соответственно можно принять, что точность привязки в короткой базе составляет от 25 до 50 м.
Для измерения естественного поля спуск и подъем глубоководной части комплекса осуществляют с кормового спуско-подъемного устройства. При спуске глубоководной части за борт сначала выпускают оттяжка комплекса «МАК-1М», затем глубоководную часть комплекса опускают в воду и травление кабель-троса прекращают. После этого выводят за борт электроразведочную косу 1 и продолжается дальнейший спуск глубоководной части.
При подъеме глубоководной части комплекса на борт вначале вынимают из воды и ставят в вертикальное положение на рабочей площадке, после чего выбирают оттяжку, а затем и электроразведочную косу 1.
Переходы между профилями осуществляют без подъема глубоководной части комплекса на борт судна, но ее приподнимают до такого уровня, чтобы длина вытравленного кабель-троса была равной расстоянию между завершенным и следующим профилем, что позволяет избежать его опасных изгибов. Переходы с одного профиля на другой осуществляют не на смежные профили, а через один или несколько плановых профилей. Это позволяет осуществлять более безопасный для кабель-троса разворот при экономии времени за счет меньшего подъема и спуска глубоководного аппарата.
Перед началом выполнения работ на профилях проводят проверку линейности узла измерения ЕП для двух каналов. От имитатора косы 1 на узел измерения ЕП подают входное напряжение Uвх от -40 мВ до +40 мВ с шагом 5 мВ и регистрируют те значения, которые отображаются в градусах на каналах курса и крена (Таблица 1).
Полученные показания переводят в милливольты следующим образом. Для канала курса, который представлен полным диапазоном в 325 градусов, нулевому входному напряжению соответствует показание курса 162,8, поэтому все показания датчика курса уменьшены на эту величину (то есть, приведены к нулю). Приведенные таким образом к нулю показания на датчике курса были переведены в милливольты (ЕП1). Для канала крена, который имеет диапазон от -49 до +49 градусов, нулевому входному напряжению соответствовует нулевое показание крена, поэтому показания датчика крена переводят в милливольты (ЕП2) напрямую. Показания на датчиках курса и крена имеют цену деления 0,1 градуса, что соответствует 0.025 мВ на датчике курса и 0.083 мВ на датчике крена.
Результаты первой проверки линейности шкалы двух каналов узла измерения ЕП представлены в таблице 1.
До первого спуска замеряют разность потенциалов электродов и выставляют смещения в каналах усилителей при подключении косы 1 к глубоководной части комплекса.
Таблица 1
Uвх, мВ
Показание на датчике курса
Показание на датчике курса, приведенное к нулю (градус)
ЕП1 (мВ)
Показание на датчике крена (градус)
ЕП2 (мВ)
-40
0,7
-162,1
-40,525
-49,0
-40,67
-35
19,7
-143,1
-35,775
-43,0
-35,69
-30
40,2
-122,6
-30,65
-37,0
-30,71
-25
60,6
-102,2
-25,55
-30,9
-25,647
-20
81,0
-81,8
-20,45
-24,7
-20,501
-15
101,0
-61,8
-15,45
-18,7
-15,521
-10
121,4
-41,4
-10,35
-12,4
-10,292
-5
142,3
-20,5
-5,125
-6,4
-5,312
0
162,8
0
0
-0,1
-0,083
5
183,3
20,5
5,125
5,9
4,897
10
203,5
40,7
10,175
12,0
9,96
15
224,0
61,2
15,3
18,2
15,106
20
244,2
81,4
20,35
24,3
20,169
25
264,6
101,8
25,45
30,3
25,149
30
284,8
122
30,5
36,4
30,212
35
305,4
142,6
35,65
42,6
35,358
40
325,1
162,3
40,575
48,6
40,338
В дальнейшем после завершения работы на профилях осуществляют вторую проверку линейности шкалы двух каналов узла измерения ЕП с целью контроля ухода разности потенциалов электродов при работе на профилях. Выбранный динамический диапазон не требует изменять смещение до конца работ. Усиление в каналах остается без изменений.
Смещения по крену и курсу выставлены с учетом датчиков при подключении косы 1 к комплексу «МАК-1М» и составили по курсу 203,5 градуса, по крену -12,0 градусов. Результаты второй проверки линейности шкалы двух каналов узла измерния ЕП представлены в таблице 2.
Таблица 2
Uвх, мВ
Показание на датчике курса
Показание на датчике курса, приведенное к нулю (градус)
ЕП1 (мВ)
Показание на датчике крена (градус)
ЕП2 (мВ)
-40
43,5
-120,0
-30,01
-36,0
-30,00
-35
63,6
-99,9
-24,97
-30,0
-24,95
-30
83,5
-80,0
-19,99
-24,0
-20,00
-25
103,7
-59,8
-14,94
-17,9
-14,95
-20
123,5
-40,0
-9,99
-12,0
-10,00
-15
143,6
-19,9
-4,98
-5,9
-4,95
-10
163,5
0,0
0,00
0,0
0,00
-5
183,7
20,2
5,04
5,9
4,95
0
203,5
40,0
9,99
12,0
10,00
5
223,6
60,1
15,04
18,2
15,15
10
243,8
80,3
20,08
24,1
20,10
15
263,9
100,4
25,09
30,1
25,05
20
283,5
120,0
30,01
36,1
30,10
25
303,7
140,2
35,06
42,1
35,05
30
323,6
160,1
40,04
48,1
40,10
Предлагаемый комплекс был апробирован над рудным полем «Семенов-1», находящимся в Центральной Атлантике.
Для подтверждения работоспособности узла измерения ЕП в составе комплекса «МАК-1М-ЕП» первый профиль был заложен через известную аномалию, выявленную в 2009 года над рудным полем «Семенов-1». Работоспособность обоих каналов подтвердилась. Было выполнено 23 профиля «МАК-1М» (100 кГц) длиной по 40 км с расстоянием между профилями 500 м с одновременным измерением естественного поля (ЕП).
Использование электроразведки методом естественного поля ЕП одновременно с другими методами исследований в океане, в частности с сонаром, используя канал передачи информации этого комплекса. Такое совмещение методов ГБО и ЕП позволяет одновременно в режиме реального времени получать как сонарное изображение дна так и информацию о наличии или отсутствии аномалий естественного поля ЕП при профилировании участка работ в океане. При этом получается весьма значительный экономический эффект за счет экономии судового времени.