СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ И ОБРАБОТКИ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ С ЗАЗЕМЛЕННОЙ ЛИНИЕЙ ПРИ ИМПУЛЬСНОМ ВОЗБУЖДЕНИИ ПОЛЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ДИПОЛЕМ С ЦЕЛЬЮ ПОСТРОЕНИЯ ГЕОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ РАЗРЕЗОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ЭТОГО СПОСОБА С ПОМОЩЬЮ АППАРАТНО-ПРОГРАММНОГО ЭЛЕКТРОРАЗВЕДОЧНОГО КОМПЛЕКСА (АПЭК "МАРС")
METHOD OF MEASURING AND PROCESSING TRANSIENT PROCESSES WITH GROUNDED LINE DURING PULSE FIELD EXCITATION WITH ELECTRIC DIPOLE TO CONSTRUCT GEOELECTRIC SECTIONS AND APPARATUS FOR CARRYING OUT SAID METHOD USING HARDWARE-SOFTWARE ELECTRICAL LOGGING SYSTEM (APEK "MARS")

Областью применения группы изобретений является применение устройства и способа в составе комплекса геофизических методов исследований при поисках и разведке месторождений углеводородов, редких и благородных металлов, алмазов, при проведении инженерных изысканий и решении задач экологического мониторинга с помощью цифровой аппаратуры.
Назначением устройства является расширение универсального инструментария исследований в виде аппаратно-программного электроразведочного комплекса «МАРС», в частности, для измерения и обработки переходных процессов в геологической среде с размещенной в ней заземленной линией при импульсном возбуждении поля электрическим диполем и построения геоэлектрических разрезов как методом срединного градиента, так и методом электромагнитных зондирований и вызванной поляризации (ЭМЗВП).
Целью предложенной группы изобретений является построение геоэлектрических разрезов и геоэлектрических разрезов и/или моделей по измерениям переходных процессов заземленной линией при импульсном возбуждении поля электрическим диполем с использованием универсальных методов и устройств.
Изобретательской задачей предложенного изобретения является наиболее точное прогнозирование наличия аномалеобразующего объекта поиска методами импульсной электроразведки с использованием заземленной приемной линии от поля электрического диполя, поэтому способ основан на комплексном анализе распределения удельного электрического сопротивления и параметров его частотной дисперсии, описывающих эффект вызванной поляризации. Одной из задач является реализация идеи метода электромагнитного зондирования и вызванной поляризации (ЭМЗВП), которая заключается в максимально полном использовании информации по замерам характеристик переходных процессов, возбуждаемых прямоугольными разнополярными импульсами, которые применяются в традиционных методах постоянного тока и методах вызванной поляризации (ВП).
В предложенном устройстве также обеспечена возможность применения гибридной измерительной установки, сочетающей установки срединного градиента и точечного зондирования.
Известно изобретение «Устройство для регистрации формы однократных быстропротекающих процессов», патент RU №2400762, опубл. 27.09.2010, МПК G01R 19/00, включающее буферный усилитель, операционный усилитель, АЦП, блок управления, оперативное запоминающее устройство, интерфейс связи, устройства для регистрации формы однократных быстропротекающих процессов. Изобретение позволяет ввести дополнительно два параллельных канала, каждый из которых состоит из операционного усилителя и аналого-цифрового преобразователя, а также достичь увеличения быстродействия всего устройства за счет так называемого "цифрового переключения" пределов, исключив также динамическую погрешность измерения, свойственную способу "аналогового переключения". Однако данное устройство может использоваться только в ядерной физике при исследовании физических параметров импульсных ядерных реакторов. Устройство по данному изобретению не обладает параметрами полевой геофизической аппаратуры (пылевлагозащищенность, широкий рабочий температурный диапазон, небольшая масса и небольшое энергопотребление и т.д.) и под быстропротекающими процессами в нем понимается весьма быстрые процессы, на порядок быстрее процессов в геологической среде. В данном устройстве по отношению к предложенному имеются различия в том, что в нем есть фазовая задержка в 3-х каналах, в предложенном изобретении такая задержка отсутствует, и измерения по этим каналам осуществляются для одних и тех же процессов, а в предложенном устройстве каналы соединены с различными электродами в разном сочетании.
Известно изобретение «Электроразведочная станция», патент RU №3329, опубл. 16.12.1996, МПК G01V 3/08, включающая измерительные каналы, блок управления и обработки, блок синхронизации, аналого-цифровой преобразователь, блок управления измерительными каналами. В станции используют активные импульсные источники сигналов, однако в ней отсутствует гибкость измерительной станции, она не обеспечивает произвольного положения питающих и приемных линий, не обеспечивает в режиме реального времени оперативной обработки сигналов. Кроме того, отсутствует GPS синхронизация, а источник и приемник связаны в одном корпусе и присоединены к одной косе, поэтому используется внутренняя синхронизация. В предложенном устройстве приемники с источником разнесены и, кроме того, преодолены вышеуказанные недостатки системы.
Известно изобретение «Генераторно-измерительный комплекс», патент RU №57020, опубл. 27.09.2006, МПК G01V 3/12, включающий задающий генератор, который состоит из системы управления, регулирования, защиты и автоматики и снабжен согласующим устройством, на соединительных линиях установлены датчики тока (ДТ) и датчики напряжения (ДН), соединенные с системой управления, регулирования, защиты и автоматики, и согласующее устройство подключено через параллельно включенный ограничитель грозовых перенапряжений. Генератор обеспечивает преобразование частоты и имеет звено постоянного тока, а также повышение мощности и надежности работы генераторно-измерительного комплекса в условиях наведенных помех. Однако в нем генерируются синусоидальные сигналы, а не прямоугольные, как в предложенном устройстве. Следовательно, измерительный комплекс принципиально отличается, в нем измерения проводятся в частотной области, а не во временной, как в предложенном устройстве.
Известно изобретение «Геофизическая электроимпульсная система», патент RU №80023, опубл. 20.01.2009, МПК G01V 3/12, включающая источник энергии с преобразователем, коммутатор, систему управления, диполь. Система позволяет изучить пространственно временное распределение напряженно-деформационного поля в сейсмоопасных зонах, а также увеличить площадь зондирования и обеспечить с высокой точностью крупномасштабное изучение глубинного строения земной коры и верхней мантии на обширной территории во всем спектре глубин. Однако эта система является стационарной с мощным генераторным диполем, не является универсальной и не обеспечивает синхронизацию и одновременную регистрацию и обработку сигналов в реальном времени. Предложенное устройство обеспечивает измерения, в том числе и с использованием предложенного диполя, но не ограничивается этим, поскольку данная система является частным случаем. Предложенная система не позволяет использовать произвольное положение питающих и приемных линий, а также использовать разного типа измерительные установки с несколькими регистраторами.
Известно изобретение «Устройство для геоэлектроразведки», патент RU №113025, опубл. 27.01.2012, МПК G01V 3/00, включающее питающую линию, которая подключена к соответствующему генератору импульсного тока, средства для измерения, включающие, по меньшей мере, один подключенный к измерителю приемный датчик, входы управления генераторов тока, которые соединены с соответствующими блоками управления, выполненными с возможностью синхронизации импульсов тока в питающих линиях, осуществляемой преимущественно от приемника GPS. Однако в этом устройстве измерения проводятся на одной линии с питающей линией, в то время как в предложенном устройстве измерения могут проводиться на нескольких линиях или в срединном градиенте просто сбоку. Кроме того, питающая линия в предложенном устройстве заземлена только в 2-х электродах - AB и отсутствует протекание одинаковых по величине и разных по полярности импульсных токов. Устройство не обеспечивает использования произвольного положения питающих и приемных линий, а также использования разного типа измерительных установок с несколькими регистраторами.
Известно изобретение «Устройство для измерения максимального значения импульсного аналогового сигнала », патент RU №2063048, опубл. 27.06.1996, МПК G01R 19/04, включающее аналого-цифровой преобразователь, блок индикации, запоминающие блоки и позволяющее повысить быстродействие устройства. Однако в предложенном устройстве происходит непрерывная регистрация сигнала с относительно высокой частотой дискретизации - не менее 100 кГц во время переходного процесса, а в данном устройстве осуществляется только выборочная фиксация выбросов. Вследствие этого она не может являться универсальной, не позволяет осуществлять измерения как установкой срединного градиента - с несколькими регистраторами, так и установками для дипольного электропрофилирования в различных модификациях, в том числе и методом ДНМЭ, а также не позволяет выделить на основе этих измерений дополнительные характеристики.
Известно изобретение «Устройство для геоэлектроразведки», патент RU №2148839, опубл. 10.05.2000, МПК G01V 3/08, включающее генератор прямоугольных импульсов тока, через датчик тока соединенный с электродами-заземлителями, а также измеритель, ЭВМ, спутниковый приемник. Изобретение позволяет расширить арсенал более совершенных производительных и рентабельных автоматизированных технических средств для геоэлектроразведки, однако не является универсальным, не обеспечивает использования произвольного положения питающих и приемных линий, а также использования разного типа измерительных установок с несколькими регистраторами. Кроме того, измерения проводятся в движении, что не является изобретательской задачей предложенного устройства, поскольку в нем измерения производятся в статике. И, помимо эффектов ВП, в предложенном устройстве измеряют раннюю стадию переходного процесса, в которой преобладает влияние индукционных процессов, что не позволяет сделать устройство по данному изобретению. За счет измерения ранней стадии переходного процесса, обеспечиваются глубинность и разрешающая способность метода. В устройстве по данному изобретению не используются неполяризующиеся электроды.
Наиболее близким техническим решением является устройство, которое используется в изобретении «Способ геоэлектроразведки», заявка RU №2002106846, опубл. 27.11.2003, МПК G01V 3/06, в этом устройстве в каждой отдельной геометрической точке возбуждают электромагнитное поле, измеряют на базе между двумя крайними измерительными заземлениями мгновенное значение осевой разности электрических потенциалов, четыре независимые от силы тока дипольного источника нормированные электрические параметры. Однако отличие состоит в том, что в предложенном устройстве и способе запись может идти в двух режимах: через некоторый интервал во время токового импульса и вся пауза или вся последовательность разнополярных импульсов (может быть и без паузы), а затем, с учетом привязки по сигналу точного времени от спутниковой позиционной системы, после обработки методами робастной статистики рассчитываются переходные процессы как на включение токового импульса, так и на выключение токового импульса (в случае с паузой). В заявке же обязательно измерять вторую осевую разность потенциалов. Это не позволяет использовать множество измерительных каналов. В предложенном же устройстве и способе универсальность обеспечивается за счет того, что в случае срединного градиента в разных позициях на профилях в пределах генераторного диполя AB одновременно можно проводить измерения первых разностей потенциалов AU (MN) столькими измерительными каналами, сколько позволит аппаратура, что и осуществляется в предложенном устройстве. Например, в перспективе можно использовать 48-канальную станцию для этих измерений. В предложенном же способе такая возможность отсутствует. Кроме того, он не обеспечивает применения универсальной измерительной установки, которая позволяет осуществлять измерения как установкой срединного градиента - с несколькими регистраторами, так и установками для дипольного электропрофилирования в различных модификациях, в том числе и методом ДНМЭ, а также не обеспечивает произвольного положения питающих и приемных линий.
В настоящее время требуется разработка устройства, которая позволит применить методику измерения, отличающуюся простотой и надежностью, свойственной методам постоянного тока. Однако известные методы постоянного тока имеют существенные ограничения, например, по синхронизации, т.к. при измерениях сигнала переходного процесса на ранних стадиях требуется высокая точность синхронизации между генератором тока и измерителями электрической и магнитной составляющих поля. В импульсных методах электроразведки, как правило, измеряются значения ЭДС в приемном контуре в зависимости от времени относительно момента начала (окончания) импульса тока в генераторном контуре, а также ток в генераторном контуре с целью нормирования результатов измерений. По результатам этих измерений оценивают кажущееся удельное сопротивление и параметры вызванной поляризации горных пород. Способ импульсной электроразведки - метод переходных процессов (метод становления поля и становления поля в ближней зоне). Он обладает более высокой разрешающей способностью по сравнению с методами, использующими гармонические поля на фиксированных частотах. Это связано с тем, что при импульсном возбуждении электромагнитное поле содержит множество частотных составляющих. Поэтому оно в более высокой степени зависит от изменения размеров и электрических свойств геологических образований. С другой стороны, повышение разрешающей способности связано также и с тем, что переходный процесс, как правило, измеряется в паузах между импульсами, т.е. в отсутствии интенсивного первичного возбуждающего поля, что снижает влияние собственных помех, создаваемых генератором. Однако искажается форма импульса тока в процессе его становления и возникают большие перенапряжения в нагрузке при выключении тока. Недостатком используемого устройства является относительно большая длительность измерений, связанная с регистрацией только одного значения сигнала за одну его реализацию. Попытки использовать для повышения отношения сигнал/шум увеличение числа накоплений выборки сигнала или интенсивности импульсов тока приводили к значительному увеличению времени измерения либо к необходимости многократного увеличения мощности и габаритов генератора импульсов электромагнитного поля. Проблема увеличения помехоустойчивости в этом устройстве решается путем компромисса между длительностью выборки, в которой интегрируется напряжение сигнала, и искажениями, которые вносит увеличение этой длительности. Чем больше длительность выборки, тем выше помехоустойчивость и тем хуже точность воспроизведения сигнала. Большинство современных измерительных систем метода переходных процессов используют общее свойство становления электромагнитного поля, заключающееся в том, что переходный процесс на ранних стадиях его регистрации меняется быстро и с течением времени скорость спада сигнала монотонно уменьшается. При этом длительность выборки выбирают самой короткой на ранних стадиях переходного процесса и последовательно увеличивают ее на более поздних стадиях этого процесса. А следовательно, если пауза стремится к нулю, то достигается наибольшая помехоустойчивость при условии, что измерительная установка позволяет сделать необходимое число замеров.
Существует необходимость в обеспечении возможности применения гибридной измерительной установки, сочетающей установки срединного градиента и точечного зондирования. Так, требуется установка, в которой система регистрации и обработки строится таким образом, чтобы учитывать воздействие и индукционных процессов, и процессов ВП, регистрируя достаточное количество информации для проведения инверсии в рамках одномерной или многомерной модели с учетом частотной дисперсии электропроводности. Кроме того, требуется обеспечить универсальность установки, которая позволит с целью качественного измерения и обработки показателей, полученных на полевом материале, снять зависимость полученных функций измеренных показателей от положения измерительной линии и питающей линии (питающего диполя).
Предложенное устройство для осуществления построения геоэлектрической модели с помощью аппаратно-программного электроразведочного комплекса (АПЭК "МАРС") позволяет достичь следующего технического результата:
- возможность произвольного положения питающих и приемных линий измерительной установки;
- осуществление измерения измерительной установкой так, как это обеспечивают установки срединного градиента - с несколькими регистраторами, и/или установки для дипольного электропрофилирования в различных модификациях, в том числе и методом ДНМЭ.
Кроме того, предложенное устройство обеспечивает наиболее простой способ измерения с использованием традиционных методов постоянного тока и вызванной поляризации, а также высокую универсальность и технологичность способа измерения.
Заявленный технический результат получают за счет того, что устройство для осуществления построения геоэлектрической модели с помощью аппаратно-программного электроразведочного комплекса АПЭК «МАРС» включает измерительную установку, в которой размещены: дипольный электрический источник (А-В) (обычно просто обозначают дипольный источник АВ в виде генераторной линии, расположенной, как правило, по оси заданного профиля и заземленной в точках А и В для возбуждения электромагнитного поля в толще исследуемой среды), при пропускании через нее (среду) периодической последовательности прямоугольных импульсов тока с паузами после каждого из них (импульсов) или без пауз, и приемные электроды (M1-Min) (от 1-го и до более 4-х); и от N1 до Nin) (тут каждому электроду М соответствует электрод N, то im=in), объединенные в одну или несколько приемных линий, расположенные (приемные электроды) эквидистантно к заданному профилю в пределах дипольного электрического источника (А-В) или за его пределами при заданной базе и на заданном расстоянии от дипольного электрического источника (А-В), с помощью которых в каждый период последовательности прямоугольных импульсов измеряют первую и, при необходимости, в зависимости от выбранной схемы измерения, вторую осевые разности электрических потенциалов, по которым из значений всех измеренных разностей электрических потенциалов переходных процессов, возникающих в среде на включение и выключение токового импульса в дипольном источнике (А-В) рассчитывают параметры этих переходных процессов, независимые от силы тока дипольного источника АВ за счет нормировки амплитуды переходного процесса и значения его производной на поле в момент пропускания, а также кажущегося удельного электрического сопротивления, рассчитанного по известной формуле: коэффициент установки (безразмерный), умноженный на разность потенциалов (в вольтах) момента пропускания тока и деленную на амплитуду токового импульса (в амперах); генератора разнополярных импульсов тока, формирующего заданную последовательность разнополярных импульсов тока, и одного регистратора или нескольких регистраторов разности потенциалов.
Устройство отличается тем, что в измерительной установке имеются приемные электроды в различных сочетаниях Min и Nin и по меньшей мере один дипольный электрический источник (А-В). При этом может быть несколько источников, но они работают последовательно, т.е. сначала запись производится от одного источника для заданного положения приемных линий, потом для другого положении источника. Они объединены в приемные и питающие линии, соответственно, с произвольно заданным положением питающих и приемных линий измерительной установки для формирования требуемой геометрии измерительной установки, устройство дополнительно снабжено одним или несколькими спутниковыми синхронизаторами, подключенными к спутниковой системе позиционирования (например, GPC или Глонасс) и обеспечивающими синхронизацию измерительной установки и регистраторов, а также устройство дополнительно снабжено программно-аппаратным электроразведочным комплексом (АПЭК), в котором по меньшей мере один регистратор разности потенциалов снабжен двумя приемными каналами, управляемый через USB или WiFi, программой и файловой базой данных, и АПЭК включает (убрано:) по меньшей мере один АЦП, снабженный: блоком планирования с вшитой специальной программой планирования полевых работ, осуществляющей управление регистраторами; блоком сбора полевых данных с вшитой специальной программой для хранения необработанных файлов данных с измерительных линий и служебной информацией; блоком с файловой базой данных; блоком обработки с вшитой программой обработки полевого материала для повышения уровня сигнал/шум путем применения современных методов обработки с использованием робастной статистики и процедур многомерного статистического анализа; блоком реляционной базы данных, имеющим обратную связь с блоком планирования и обеспечивающим хранение данных о проведении работ, процессе и результатах обработки данных и моделирования геоэлектрических моделей исследуемой поляризующейся среды; блоком интерпретации с вшитой программой проведения инверсии полученных данных посредством решения обратной задачи геоэлектрики для сред с частотной дисперсией электропроводности и диэлектрической проницаемости и блоками интерфейсного приложения для базы данных, причем АПЭК снабжен также модулем сохранения первичных данных на флэш-носитель и USB и/или WiFi интерфейсами для подключения ПК или КПК, а спутниковые синхронизаторы включены в него самостоятельными блоками (в АПЭК «Марс»).
Кроме того, измерительная установка может быть выполнена с одной или более приемными линиями и одной питающей линией, где первая приемная линиями включает электроды М1 и N1, а вторая и более приемные линии включают электроды М2, М3, … Min; N2, N3….Nin, и питающая линия включает дипольный электрический источник АВ. В частном случае, в установке приемные электроды (M1; N1) и (М2 и N2) … (Min и Nin) в приемной линии могут регистрировать разность потенциалов между парой электродов М и N посредством одной измерительной линии (канала), размещены на площади работ по профилям с равным расстоянием между профилями и равным шагом вдоль по профилю и переходные процессы на включение и выключение токового импульса в питающей линии АВ снимают по методу срединного градиента. Или в установке приемные электроды (M1; N1) и (М2; N2) … (Min и Nin) могут быть размещены на измерительной линии и характеристики переходных процессов для каждой пары приемных электродов снимают во времени методом дипольного электропрофилирования, когда расстояние существенно не изменяется между АВ и приемной линией с одной или более парой приемных электродов MN. Генератор разнополярных импульсов тока, формирующий заданную последовательность разнополярных импульсов тока в частности, состоит из: генератора, выпрямителя, коммутатора, блока управления, обеспечивающего подачу импульсов в измерительную установку с токовой паузой между импульсами или без нее. Блок управления генератора разнополярных импульсов обеспечивает подачу токостабилизированных импульсов в питающей линии (генераторный диполь) для небольших токов - до 4 А с токовой стабилизацией. Например, берут генератор мощностью не менее 5 кВт, при этом осуществляются непрерывная регистрация и запись устройством записи тока, обеспечивающим непрерывную регистрацию токовых импульсов с помощью АЦП с сохранением данных генерируемой последовательности токовых импульсов. Или подают больший ток - больше 4-5 А (меньше 4 А не удается стабилизировать имеющимся силовым оборудованием, поэтому берут, как правило, большим 4-5 А) без токовой стабилизации, при этом форму токового импульса регистрируют отдельным регистратором тока с целью дальнейшего точного учета при вычислениях. В частном случае аппаратная часть программно-аппаратного электроразведочного комплекса (АПЭК) «Марс» включает несколько регистраторов разности потенциалов, при этом каждый снабжен одним или более каналами, управляемый (регистратор) через USB или WiFi программой и файловой базой данных, и каждый регистратор подключен к приемной линии с гальванически заземленными приемными электродами MN. При этом могут одновременно регистрировать несколькими регистраторами от нескольких приемных линий (одновременно несколькими приемными линиями только от одной питающей линии, но положение питающей линии (питающего или генераторного диполя) можно сменить и при том же положении приемных линий сделать новую запись), при этом регистрируют одной приемной линией несколько разностей потенциалов (Mim и Nin) при одном положении питающей лини АВ. Например, в установке используют измерительную установку срединного градиента, с использованием одновременно несколько регистраторов. Или с помощью измерительной установки АПЭК «Марс» проводят дипольное электропрофилирование в различных модификациях: ДЭП (дипольное электропрофилирование) или СЭП (симметричное электропрофилирование) или ДНМЭ.
Таким образом, при реализации способа измерения и обработки переходных процессов с заземленной линией при импульсном возбуждения поля электрическим диполем с целью построения геоэлектрических разрезов используют для дипольно симметричного электропрофилирования (АВ-MN) или измерения методом срединного градиента (А-MN-В), по меньшей мере, один диполь, передающий прямоугольные разнополярные импульсы. Диполи объединены в заземленную передающую линию или линии, которые создают (линии) электромагнитное поле на исследуемой площади, регистрируемое (поле) приемными установками в переходные процессы этого электромагнитного поля на включении и выключении токовых импульсов и измерение осуществляют одной или одновременно несколькими приемными установками, используя синхронизацию по спутниковой системе позиционирования.
Новым для осуществления предложенного способа является то, что в измерительной установке приемные электроды в различных сочетаниях Min и Nin и дипольный электрический источник (А-В) объединены в приемные и питающую линии, соответственно, с произвольно заданным положением питающих и приемных линий измерительной установки для формирования требуемой геометрии измерительной установки. Основными блоками измерительной установки являются АПЭК с высокоточным и быстродействующим АЦП, блок сохранения полученного массива измерений и блок обработки этой информации.
Кроме того, в измерительной установке используют программно-аппаратный электроразведочный комплекс (АПЭК), включающий, по меньшей мере, один прецизионный АЦП (аналого-цифровой преобразователь) с частотой дискретизации не менее 100 кГц и разрядностью не менее 24 бит, блок сохранения массива данных и блок обработки этих данных.
Предложенное техническое решение устройства поясняется и демонстрируется чертежами. Представленные варианты устройства не являются исчерпывающими и только демонстрируют основные принципы данного устройства.
На Фиг. 1 показана схема работы аппаратной части программно-аппаратного электроразведочного комплекса (АПЭК) «Марс».
На Фиг. 2 - схема размещения приемной и питающих линий для проведения работ методом ЭМЗВП с измерительной установкой срединного градиента.
На Фиг. 3 - блок-схема блоков программной части АЦП программно-аппаратного электроразведочного комплекса АПЭК «Марс».
На Фиг. 4 показаны: а) установка симметричного электропрофилирования (СЭП); б) установка дипольного профилирования (ДЭП); в) установка дифференциально-нормированного метода электропрофилирования (ДНМЭ).
На Фиг. 5 показана установка для срединного градиента.
На Фиг. 6 - комбинированная установка для работы в транзитной зоне.
Поскольку работа источника тока и регистраторов синхронизирована с помощью сигналов точного времени от GPS, то возможно произвольное положение питающих и приемных линий. Это дает возможность выполнять работы как установкой срединного градиента, используя одновременно несколько регистраторов (Фиг. 2), так и проводить дипольное электропрофилирование в различных модификациях (Фиг. 4), в том числе и методом ДНМЭ.
Устройство АПЭК устроено следующим образом. Генератор разнополярных импульсов тока (1) является устройством, формирующим заданную последовательность разнополярных импульсов тока. Он состоит из генератора, выпрямителя, коммутатора и блока управления. Возможно несколько режимов работы: с токовой паузой между импульсами и без нее. Токовая стабилизация предусмотрена для сравнительно небольших токов - до 4-5 А (гарантировано - до 2 А), для источника большей мощности предусмотрены непрерывная регистрация и запись генерируемой последовательности токовых импульсов.
Регистратор разности потенциалов электроразведочный (2) - это прибор, который осуществляет сбор данных и функционально состоит из АЦП, блока спутниковой синхронизации, блока сохранения первичных данных на флэш-носитель, USB и WiFi интерфейсов для подключения ПК или КПК.
Блок синхронизации, например по каналу GPS (3), - это устройство для синхронизации работы приемной и силовой аппаратуры для работы с разнесенными источниками возбуждения (4) и приема (5). Контроль качества записи осуществляется управляющей программой, блок управляющей программы (6), при помощи подключенного компьютера или КПК, на экране которого можно видеть и оценивать получаемую информацию и текущие настройки. Для этого в АЦП предусмотрены следующие блоки: блок планирования с вшитой специальной программой планирования полевых работ, осуществляющей управление регистраторами; блок сбора полевых данных (8) с вшитой специальной программой для хранения необработанных файлов данных с измерительных линий и служебной информацией; блок с файловой базой данных (9); блок обработки (10) с вшитой программой обработки полевого материала для повышения уровня сигнал/шум путем применения современных методов обработки с использованием робастной статистики и процедур многомерного статистического анализа; блок реляционной базы данных (11), имеющий обратную связь с блоком планирования (7) и обеспечивающий хранение данных о проведении работ, процессе и результатах обработки данных и моделирования геоэлектрических моделей исследуемой поляризующейся среды; блок интерпретации (12) с вшитой программой проведения инверсии полученных данных посредством решения обратной задачи геоэлектрики для сред с частотной дисперсией электропроводности и диэлектрической проницаемости; и блок (13) интерфейсного приложения для базы данных. АПЭК снабжен также блоком сохранения первичных данных на флэш-носитель и USB и/или WiFi интерфейсами для подключения ПК или КПК (Фиг. 3), а спутниковые синхронизаторы включены в него самостоятельными блоками. В АПЭК входит регистратор разности потенциалов (14), который снабжен двумя приемными каналами (15). Устройство для осуществления построения геоэлектрической модели с помощью аппаратно-программного электроразведочного комплекса АПЭК «МАРС» включает измерительную установку, в которой размещены: дипольный электрический источник (А-В) (16), (дипольный электрический источник - это в данном случае горизонтальная заземленная электрическая линия или генераторный диполь, или генераторная, она же питающая, линия, множество питающих диполей взято условно, т.к. при вычислениях в процессе интегрирования генераторная линия представляется именно как набор элементарных диполей), диполи (или точки диполя) которого размещены в заданной геометрической точке. При этом они могут быть размещены как по оси профиля, так и по площади профиля, и они возбуждают электромагнитное поле в толще исследуемой среды; при пропускании через нее (среду) периодической последовательности прямоугольных импульсов тока с паузами после каждого из них (импульсов) или без пауз приемные диполи, которые формируются из сочетания приемных электродов и приемных электродов (M1-im)(17) (от 1-го и до более 4-х); и от N1 до Nin), объединенных в одну или несколько приемных линий (18), расположенных (приемные электроды 17) эквидистантно к заданному профилю в пределах дипольного электрического источника (А-В) (16) (Фиг. 2) или за его пределами при заданной базе «С» и на заданном расстоянии «Н» от дипольного электрического источника (А-В) (16), генератора разнополярных импульсов тока (1), формирующего заданную последовательность разнополярных импульсов тока, и одного регистратора (6) или нескольких регистраторов разности потенциалов.
На Фиг. 3 показана блок-схема блоков программной части АЦП программно-аппаратного электроразведочного комплекса АПЭК «Марс», которая состоит из следующих блоков с программными модулями, объединенными в одном пользовательском интерфейсе.
В блоке планирования (7) вшита программа планирования полевых работ и в нем проводятся заполнение необходимой информации по географической привязке профилей, пикетов в соответствии с выбранной измерительной установкой и сохранение этой информации в реляционной базе данных (БД). В блок сбора полевых данных (8) вшита программа сбора данных, с помощью которой осуществляют управление регистратором (14), имеющая следующие функции:
- производит регистрацию разности потенциалов на всех имеющихся каналах по сигналу блока GPS синхронизации;
- имеет возможность анализа входящего сигнала на его наличие, подстройку коэффициента усиления для оптимального динамического диапазона регистрируемого сигнала;
- сохраняет все полученные данные на флэш-носителе без потери информации.
Блок с файловой базой данных (9), в котором файловая база данных представляет собой хранилище для необработанных файлов данных с приемной линии (18) и служебной информации.
Блок обработки (10) полевых материалов, предназначенный для повышения уровня сигнал/шум путем применения современных методов обработки с использованием робастной статистики и процедур многомерного статистического анализа.
Блок реляционной базы данных (11), в котором реляционная база данных содержит в себе данные о проведении работ, процессе и результатах обработки и моделирования и т.д.
Блоки (13) интерфейсного приложения для БД, предназначенные для отображения функций, записанных в БД данных, а также для создания различных отчетных таблиц, анализа и выборки необходимых данных.
Блок интерпретации (12), позволяющий проводить инверсию полученных данных посредством решения обратной задачи геоэлектрики для поляризующихся сред.
Устройство работает следующим образом.
При работе устройства выполняют измерения многоэлектродной заземленной приемной линией переходных процессов от заземленного источника тока и проведена их обработка с целью одновременного определения кажущегося удельного сопротивления среды, индукционной составляющей и эффектов вызванной поляризации. На начальном этапе полевых опытно-методических работ с позиций сочетания надежности выделения объектов поиска с максимальной возможной скоростью съемки предполагается определить:
- шаг по профилю - 25 м или 50 м;
- форму последовательности импульсов тока (с паузой или без) и их длительность.
Эти характеристики, а также проходимость местности и количество задействованных измерительных каналов и вспомогательного персонала определяют производительность опытных работ.
Первоначально с помощью блока планирования (7) производят заполнение необходимой информации по географической привязке профилей, пикетов, в соответствии с выбранной измерительной установкой и сохранение этой информации в блоке реляционной базы данных (11). Затем с помощью блока сбора данных (8) осуществляют управление регистратором (14) и выполняют следующие действия: производят регистрацию разности потенциалов на всех имеющихся каналах по сигналу блока GPS синхронизации, осуществляют обработку (анализ) входящего сигнала на его наличие, подстройку коэффициента усиления для оптимального динамического диапазона регистрируемого сигнала и сохраняют все полученные данные на флэш-носитель без потери информации.
Последовательность работ и связи блоков показаны на примере двух схем - срединного градиента (Фиг. 2), а также на Фиг. 4 и 5 - для вариантов установок а, б, в, г и в комбинированной установке (Фиг. 6), который включает и метод дипольного электропрофилирования. Модификации дипольного профилирования могут быть различны, например, методом ДНМЭ.
2
2
1
1
3
3
1
1
3
3
В комбинированной установке для ДНМЭ: сначала многоканальной измерительной электроразведочной станцией (19) производятся измерения установкой срединного градиента от генераторной линии АВ, (16), затем производится коммутация на входе предварительных усилителей таким образом, что одновременно с разностями потенциалов первого порядка на той же пространственной базе измеряются разности потенциалов второго порядка, как в методе ДНМЭ. Запись производится последовательно от генераторных линий AB (20) и АВ (21). При этом угол между линиями, на которых расположены приемные электроды, и генераторными линиями AB и АВ не должен превышать 30°.
На Фиг. 6 видно, что комбинированная установка для работы в транзитной зоне, работающая по указанной схеме измерений, использует комбинированную установку для ДНМЭ.
При этом каждая измерительная коса с отрицательной плавучестью присоединяется к многоканальной донной станции (ADC1 … ADCN) (22), синхронизация станций с генераторной установкой осуществляется с помощью спутниковой системы позиционирования (GPS, Глонасс или их аналогов). Приемные косы (23) располагаются в транзитной зоне на глубине от 0 до 1.5 м.
Остальные модификации можно рассматривать как частные случаи комбинированной установки.
В АПЭК «МАРС» используется элементная база с применением прецизионных микросхем. Так, в устройстве используется аппаратура, основанная на прецизионных аналого-цифровых преобразователях (АЦП) с высокой частотой дискретизации (не менее 100 кГц) и разрядностью (не менее 24 бит) в сочетании с GPS-синхронизацией между источником тока и приемниками.
Например, для работ с заземленной линией используют косу с низкой чувствительностью к ветровой помехе, ее аналог используется при проведении морских геофизических работ, например, методом ДНМЭ. Коммутация сигналов осуществляется с помощью транзисторных ключей, обеспечивающих высокую скорость и частоту выключения токового импульса.
В качестве приемной аппаратуры для ЭМЗВП используют аппаратуру, например НПК «СибГеоСистемы» (www.sibgeosystems.ru), а также аппаратуру для глубинных зондирований становлением поля и ее малоглубинную модификацию FastSnap, и многоканальную аппаратуру ДНМЭ для морской и наземной модификаций и т.д. Применение данных видов аппаратуры позволяет применить ее в описываемом устройстве. В системе спутниковой привязки можно использовать, например, систему «Гепард 4А» канадской фирмы ACGOS.
Применение данной аппаратуры в предложенном устройстве позволяет фиксировать быстропротекающие процессы на ранних временах после выключения тока, в которых содержится информация о верхней части геоэлектрического разреза. Следовательно, в устройстве первичная информация полностью сохраняется, что позволяет проводить ее анализ и углубленную обработку с использованием высокопроизводительных вычислительных мощностей. Итоговые кривые переходных процессов сохраняются в блоке реляционной базы данных (11) на основе, например, MS SQL. Таким образом, использование АПЭК «МАРС» в предложенном устройстве позволяет использовать это устройство в рудной и нефтяной электроразведке для таких методов, как СП, ВП, СГ-ВП, ЭП, ЗСБ, ДНМЭ и др.
Возможность произвольного положения питающих и приемных линий измерительной установки реализуется за счет того, что при нескольких источников тока они работают последовательно: т.е. сначала запись производится от одного источника для заданного положения приемных линий, потом для другого положения источника. Эта работа показана на Фиг. 4.
СПОСОБ
Назначением способа является поиск рудных полезных ископаемых и решение задач инженерной геофизики. Относится к методам импульсной электроразведки и измерений постоянного тока. Применяется, например, с целью поиска трубок взрыва в кристаллическом щите, разрывных нарушений, картирования зон орудинения и эпигенетических (вторичных) изменений по аномальным значениям удельного электрического сопротивления (УЭС) и параметров его частотной дисперсии, описывающих, в том числе, эффект вызванной поляризации (ВП).
Известна заявка на изобретение «Способ геоэлектроразведки», патент RU №2002106846, опубл. 27.11.2003, МПК G01V 3/06, заключающийся в том, что в каждой отдельной геометрической точке возбуждают электромагнитное поле, измеряют на базе между двумя крайними измерительными заземлениями мгновенное значение осевой разности электрических потенциалов четыре независимые от силы тока дипольного источника нормированные электрические параметры. Однако в предложенном способе не обязательно использовать три электрода и формировать четыре нормированных параметра, как в методе по ДНМЭ. В случае срединного градиента возможно в предложенном способе измерять одновременно в пределах питающей линии АВ по сетке множество разностей потенциалов множеством измерительных каналов с разных приемных линий при условии синхронизации по сигналу точного времени со спутниковой системы позиционирования, например, GPS или Глонасс - что не уточнено в этой заявке. Предложенный способ более общий, универсальный. Кроме того, способ, описанный в заявке, не позволяет осуществить выделение на основе измерений дополнительных характеристик, не обеспечивает высокой универсальности и технологичности способа измерения, не обеспечивает помехозащищенность способа измерений за счет применения последовательности обработки робастными методами.
Известно изобретение «Способ измерения действующего значения напряжения в электрических цепях переменного тока», патент RU №2298194, опубл. 27.04.2007, МПК G01R 19/02, в котором осуществляют интегрирование сигнала и результат измерения определяют по полученным интегральным значениям. Изобретение позволяет повысить точность и быстродействие измерения, однако в предложенном способе не производится интегрирование сигнала, и последовательность измерений, и получение результата выполняются по-другому. В предложенном изобретении сначала все регистрируется, а уже потом производится усреднение на временных задержках, в то время как в предложенном способе измерения осуществляют одновременно одной или несколькими приемными установками, используя синхронизацию по спутниковой системе позиционирования, и подбирают временные диапазоны измерения и пространственные характеристики измерительной установки таким образом, чтобы одновременно регистрировать индукционные процессы и процессы вызванной поляризации. Отсутствие такой последовательности не позволяет в рассматриваемом изобретении повысить сходимость теоретически рассчитанных и наблюденных (измеренных) кривых переходных процессов для геоэлектрического разрезов, а также не позволяет осуществить выделение дополнительных характеристик на основе измерений, не обеспечивает высокой универсальности и технологичности способа измерения, не обеспечивает помехозащищенность способа измерений за счет применения последовательности обработки робастными методами.
Наиболее близким к предложенному способу является изобретение «Способ геоэлектроразведки», патент RU №2210092, опубл. 10.08.2003, МПК G01V 3/06, заключающееся в возбуждении электрического поля с помощью питающих электродов, регистрации и измерении на выходе коммутирующего устройства разности потенциалов между каждой парой соседних приемных гальваноемкостных электродов, в котором применяется устройство, последовательно коммутирующее на две выходные клеммы соседние приемные гальваноемкостные электроды. Изобретение позволяет повысить эффективность способа геоэлектроразведки и предназначено для инженерно-геологических изысканий в сложных условиях заземления. Способ по изобретению позволяет производить измерения разности потенциалов (а иногда и возбуждение электрического поля) без гальванического заземления приемных (и питающих) электродов, получать значения кажущегося сопротивления с использованием дипольной осевой электроразведочной установки. Однако в предлагаемом способе используют не гальванические заземления, а традиционные, лучше латунные приемные электроды (негальваноемкие). Возбуждение осуществляют разнополярными импульсами, а не частотами, и измеряются и вычисляются не только кажущиеся сопротивления, но и измерения осуществляют напрямую измерительной системой с генератором (со свип-генератором не связанной). В предложенном способе кажущееся удельное сопротивление так же рассчитывается, но не является поисковым признаком, поскольку в предложенном способе выполняется инверсия, в результате которой рассчитывается удельное сопротивление как частотно-зависимая функция с такими параметрами частотной дисперсии, как поляризуемость, время релаксации и показатель степени, или другими, в зависимости от принимаемой модели. Нет задачи повышения глубинности. Вследствие этого в рассматриваемом способе по данному изобретению нет возможности повысить сходимость теоретически рассчитанных и наблюденных (измеренных) кривых переходных процессов для геоэлектрического разрезов, а также изобретение не позволяет осуществить выделение дополнительных характеристик на основе измерений, не обеспечивает высокой универсальности и технологичности способа измерения, не обеспечивает помехозащищенности способа измерений за счет применения последовательности обработки робастными методами.
При электромагнитных зондированиях и измерениях вызванной поляризации (ЭМЗВП), в частности при поисках проявлений кимберлитового магматизма и других задачах рудной и нефтяной геофизики, в настоящее время требуется осуществить наиболее удачный прогноз, основанный на выделении аномалий вызванной поляризации в верхней части разреза, которые возникают за счет эпигенетических изменений над залежами углеводородов и которые составляют более 85% на суше и более 90% на море. При ЭМЗВП требуется максимально полное использование информации от переходных процессов, возбуждаемых прямоугольными разнополярными импульсами, которые применяются в традиционных методах постоянного тока. Для этого необходимо разработать универсальный метод, который использует традиционные измерительные установки, однако позволяет на их основе получать максимальное количество информации для точного прогноза. Требуется вместо того, чтобы подавлять индукционный эффект, являющийся помехой для традиционных методов ВП, применение предложенного способа в ЭМЗВП с современной системой регистрации и обработки данных, которое сделает необходимым запись и обработку измерений их с минимальными искажениями. Для этого потребуется научиться применять разработанную аппаратуру, которая основана на прецизионных аналого-цифровых преобразователях (АЦП), с высокой частотой дискретизации (не менее 100 кГц) и разрядностью (не менее 24 бит) в сочетании с GPS-синхронизацией между источником тока и приемниками. В перспективе 32-разрядную и более можно увеличить по количеству разрядов и повысить частоты дискретизации с развитием элементной базы и появлением новых прецизионных микросхем АЦП.
Таким образом, требуется регистрировать достаточно большое количество информации для проведения инверсии в рамках одномерных, 2.5- и 3-мерных моделей с учетом частотной дисперсии электропроводности.
В традиционных способах при различных модификациях метода ВП измерительные установки и временные диапазоны подбираются таким образом, чтобы минимизировать вклад индукционных процессов, которые рассматриваются как мешающий фактор и не используется возможность для извлечения ценной информации о строении геоэлектрического разреза. Однако необходимо этот вклад учитывать, что позволяет предложенный способ. Так, в ЭМЗВП предполагается, что это вклад существует, но он может быть достаточно мал. Тогда при наличии в геологическом разрезе контрастных по проводимости объектов при интерпретации данных не будет вноситься ошибка, когда эти эффекты изменения проводимости интерпретируются с позиций изменения поляризуемости горных пород. Для корректного учета влияния индукционных процессов следует использовать систему регистрации, основанную на прецизионных аналого-цифровых преобразователях (АЦП), с высокой частотой дискретизации (не менее 100 кГц) и разрядностью (не менее 24 бит). В этом случае системные искажения регистрируемых переходных процессов будут минимальны, и станет возможным корректный учет вклада индукционной составляющей.
В других традиционных способах измерения, например, способы измерений методом сопротивлений, основанные на пропускании в земле с помощью пары электродов известного постоянного тока и измерении напряжения, вызванного этим током, с помощью другой пары электродов. При этом, зная ток и напряжение, вычисляют сопротивление, и с учетом конфигурации электродов (конфигурация электродов называется установкой) устанавливают, к какой части лежащего снизу пространства это сопротивление относится. Увеличение разноса токовых электродов приводит к увеличению глубинности исследования и является зондирующим фактором для вертикального электрического зондирования (ВЭЗ). Кроме электроразведки ВЭЗ традиционно применяется также дипольное электрическое зондирование (ДЭЗ), когда увеличивается разнос между парой приемных и парой питающих электродов, а также электропрофилирование (ЭП), при котором разносы не меняются, а вся установка перемещается по профилю или площадке. Метод сопротивлений применяют в модификации двух- и трехмерной томографии на постоянном токе, в этом случае в одной или нескольких измерительных и приемных косах, к которым с определенным промежутком подключены электроды, коммутируется большое количество установок, и рассчитывается значительное количество кажущихся удельных электрических сопротивлений, после чего решается задача инверсии данных на постоянном токе и рассчитывается геоэлектрический разрез удельных электрических сопротивлений. Вместо постоянного тока в этих методах используется последовательность прямоугольных импульсов, при этом длительность токового импульса, которая обычно равна длительности токовой паузы, редко менее 100 мс. В этом случае считается, что переходным процессом на включение токового импульса можно пренебречь, поскольку индукционные процессы затухли, и уровень поля пропускания не отличается от уровня постоянного тока. Предложенный способ позволяет осуществить измерения на очень малых, стремящихся к нулю, паузах от выключения или включения токового импульса.
В другом традиционном методе ИНФАз-ВП принимают допущения, что форма импульсов на приемных электродах зависит от процессов ВП. От временного ряда, содержащего последовательность прямоугольных импульсов в виде записи разности потенциалов с приемных электродов, рассчитывается преобразование Фурье для перехода в частотную область и вычисляется относительная разность фаз между первой и третьей или третьей и пятой гармониками.
Все эти методы не учитывают вклад индукционных процессов, возникающих при выключении или включении токового импульса, в регистрируемый сигнал. В предложенном способе ЭМЗВП система регистрации и обработки строится таким образом, чтобы учитывать воздействие и индукционных процессов, и процессов ВП, регистрируя достаточное количество информации для проведения инверсии в рамках одномерной или многомерной модели с учетом частотной дисперсии электропроводности.
В предложенном способе измерения, например, при наличии в геологическом разрезе контрастных по проводимости объектов в процессе интерпретации не будут вноситься ошибки, поскольку вариации проводимости не будут ошибочно приниматься за изменения поляризационных свойств объектов поиска.
Также требуется обеспечить помехозащищенность технологии, которая в предложенном способе обеспечивается углубленной обработкой полевого материала с применением робастных алгоритмов: подавление тренда в исходных данных, возникающего под влиянием теллурических токов и поляризации электродов; точечного удаления «атмосфериков» (выбросов в записи, возникших под влиянием грозовой активности), низкочастотной робастной фильтрации в двумерном скользящем окне и т.д.
Кроме того, требуется снять тренд от источника без затягивания во времени на резко выделяющихся значениях, что позволит подчеркнуть тем самым аномальные области.
Предложенный способ обеспечивает следующий технический результат:
- наиболее простой способ измерения с использованием традиционных методов постоянного тока и вызванной поляризации;
- выделение на основе этих измерений дополнительных характеристик;
- разработка нового способа измерения и обработки характеристик переходных процессов;
- обеспечение высокой универсальности и технологичности способа измерения;
- обеспечение помехозащищенности способа измерений за счет применения последовательности обработки робастными методами;
- повышение сходимости теоретически рассчитанных и наблюденных (измеренных) кривых переходных процессов для геоэлектрического разреза.
Данный технический результат достигается за счет того, что применяют способ измерения и обработки переходных процессов с заземленной линией при импульсном возбуждения поля электрическим диполем с целью построения геоэлектрических разрезов, заключающийся в том, что для осуществления дипольно симметричного электропрофилирования (АВ-MN) или измерения методом срединного градиента (А-MN-В) используют диполь, передающий прямоугольные разнополярные импульсы, диполи объединены в заземленную передающую линию или линии, которые создают (линии) электромагнитное поле на исследуемой площади, регистрируемое (поле) приемными установками в переходные процессы этого электромагнитного поля на включении и выключении токовых импульсов.
Способ отличается тем, что измерение осуществляют одновременно одной или несколькими приемными установками, используя синхронизацию по спутниковой системе позиционирования (GPS или Глонас) с одновременным выделением аномалеобразующего объекта. Для этого осуществляют: выделение перспективных участков для установки передающей линии,, предварительно измеряя количественные величины (параметры) функций характеристик аномалии в верхней части геоэлектрического разреза, при этом проводят измерения с арифметическим шагом по времени переходных процессов элекромагнитного поля и рассчитывают итоговые кривые на нескольких десятках временных задержек, расположенных с логарифмическим шагом по времени, при этом длительность измерений составляет от первых минут до первых часов в зависимости от длительности токовых импульсов и количества накоплений, измерения осуществляют путем регистрации величин с применением расчетов одномерных и (или) 2.5 и (или) 3-х мерных моделей с учетом частотной дисперсии электропроводности. С целью наглядного отображения полевого материала и возможности идентификации объектов поиска для выбранного метода (например, метода срединного градиента) минимизируют влияние геометрического положения источник-приемник на данные переходных процессов на каждой временной задержке путем применения процедуры робастного регрессионного анализа с использованием рассчитанных кривых переходных процессов от фонового разреза для данной геометрии источник-приемник и эмпирических зависимостей разности потенциала приемных электродов от геометрии установки, для чего подбирают временные диапазоны измерения и пространственные характеристики измерительной
установки таким образом, чтобы одновременно регистрировать индукционные процессы и процессы вызванной поляризации; Одновременно регистрируют с помощью цифровой аппаратуры, включающей прецизионные аналого-цифровые преобразователи (ПАЦП - обычно все-таки используют сокращение АЦП), параметры, описывающие эффект вызванной поляризации в одномерной параллельно-слоистой геоэлектрической модели поляризующейся среды и определяют следующие величины: кажущееся удельное электрическое сопротивление измеряемой среды и частотную дисперсию в ней (в среде). При этом определение частотной дисперсии параметров осуществляют с использованием робастного регрессионного анализа в сочетании с инверсией, а цифровую аппаратуру используют при спутниковой системе позиционирования, (например, GPS-синхронизации), обеспечивающей синхронизацию между источником тока и приемниками,. Затем вычисляют характеристики переходных процессов на нескольких десятках или сотнях временных задержек в отрезке времени (от выключения или включения) токового импульса на интервале от 0 до 100 мс или в интервале более 100 мс, в зависимости от выбранной длительности токового импульса или токовой паузы, и осуществляют предварительную обработку полученных параметров (характеристик) как функций от времени задержки, взятой после выключения (включения) токового импульса; после определения параметров осуществляют идентификацию (выделение перспективных участков) объектов поиска по измененным параметрам геоэлектрических полей, характеризующим изменения проводимости среды как частотно-зависимой функции путем выполнения инверсии полученных функций в параметры геоэлектрического разреза с учетом частотной дисперсии электропроводности. При необходимости, повторяют вышеуказанный цикл измерений и расчетов необходимое число раз и на завершающей стадии уточняют положение аномалеобразующих объектов, их физические параметры - УЭС и параметры частотной дисперсии УЭС, в том числе поляризуемости, выполнением инверсии на завершающей стадии, используют полученные функции параметров для построения карт и разрезов этих параметров. При наличии в геологическом разрезе контрастных объектов, характеризуемых выбросами по величинам проводимости, осуществляют интерпретацию проводимости для исключения ошибки при определении несмещенных оценок УЭС (удельного электрического сопротивления) и ВП, характеризующих распределение проводимости и поляризационных свойств объектов поиска (например, зон сульфидного орудинения и т.д.). При применении робастного регрессивного анализа используют следующую последовательность действий:
- - подавление тренда в исходных данных от источника, возникающего под влиянием теллурических токов и поляризации электродов;
- - точечное удаление выбросов (пиков) в записи, возникших под влиянием грозовой активности («атмосфериков»);
- - осуществление фильтрации методом низкочастотной робастной фильтрации в двумерном скользящем окне по временным задержкам во всем временном диапазоне;
- - - выполняя условие: фильтрацию осуществляют после снятия влияния геометрии системы измерений и при одномерном моделировании геоэлектрического разреза совместно с комплексным использованием максимально полной информации о его строении, полученной любыми другими геолого-геофизическими методами. Кроме того, могут проводить второй этап измерений различными модификациями дипольного профилирования и зондирования. В частном случае используют диполи, которые распределены равномерно по сетке со стороной ячейки примерно 50×50 м на площади S = примерно 2×2 км с выбранным шагом по сетке. Например, измерения переходных процессов в электрическом поле осуществляют с использованием при измерении способа срединного градиента. В зависимости от необходимости, измерения переходных процессов в электрическом поле осуществляют в один или два этапа. При этом измерения могут проводить многоэлектродной заземленной приемной линией, а также могут применять прецизионное АЦП с частотой дискретизации не менее 100 кГц и разрядностью не менее 24 бит.
Таким образом, новым в предложенном способе является то, что в нем измерения осуществляют одной или одновременно несколькими приемными установками, используя синхронизацию по спутниковой системе позиционирования.
Для осуществления такого способа проводят измерения переходных процессов элекромагнитного поля по времени с частотой не менее 100 кГц и динамическим диапазоном не менее 24 бит, записывают их в соответствующий массив первичных данных, обрабатывают массив первичных данных с помощью робастного регрессионного анализа.
Обработку массива первичных данных с помощью робастного регрессионного анализа осуществляют в следующей последовательности:
- - подавление тренда в исходных данных от источника, возникающего под влиянием теллурических токов и поляризации электродов;
- - точечное удаление выбросов (пиков) в записи, возникших под влиянием грозовой активности;
- - осуществление фильтрации методом низкочастотной робастной фильтрации в двумерном скользящем окне по временным задержкам во всем временном диапазоне;
- - расчет кривых становления с логарифмическим шагом по времени на нескольких десятках временных задержек, получая кривые становления, которые используются в качестве входных данных для решения задачи инверсии.
Далее для осуществления наглядного отображения полевого материала и возможности идентификации объектов поиска:
- минимизируют влияние геометрического положения источник-приемник на значения переходных процессов на каждой временной задержке путем вычисления значений переходных процессов с помощью процедуры робастного регрессионного анализа с использованием рассчитанных кривых переходных процессов от фонового разреза для той же геометрии приемной установки с тем же расположением источник-приемник и эмпирических зависимостей разности потенциала приемных электродов от геометрии установки. Затем определяют кажущееся удельное электрическое сопротивление измеряемой среды и частотную дисперсию в данной установке.
Полученные данные используют для построения геоэлектрических разрезов путем решения прямых и обратных задач геоэлектрики.
Способ иллюстрируется следующими чертежами. Чертежи демонстрируют результаты частного случая применения способа на примере обнаружения кимберлитовых трубок взрыва на Анабарском щите и не охватывают всех возможных вариантов применения способа.
На Фиг. 7 - участок «Марс». Показаны нормированные переходные процессы DU и их временные производные DtDU в фоновой области (а), над трубкой взрыва (б).
На Фиг. 8 показаны псевдоразрезы переходных процессов DU и их временных производных dtDU по линии АВ после минимизации влияния эталонной модели и зависимости от геометрии установки с помощью робастной регрессии (а, б). В псевдоразрезах снято влияние геометрического фактора источник-приемник. Сопоставление с геологическим разрезом, построенным по результатам бурения, эталонного разреза (в).
На Фиг. 9 показана поздняя временная задержка 70 мс после снятия влияния геометрии системы измерений посредством применения робастного регрессионного анализа с контурами объектов, выделенных в магнитном поле после исключения интенсивных магнитных аномалий и эффекта рельефа в программе GelioSMI. Треугольниками показаны скважины, подтвердившие существование трубок взрыва - объектов 1 и 2, соответствующие установкам, показанным на Фиг. 4 - варианты а, б, в.
на Фиг. 10 в трехмерном отображении показаны псевдоразрезы переходных процессов DU (а, б) и их временных производных dtDU (в, г) на восточной части картируемой площади, сечение сделано вблизи линии АВ.
На Фиг. 11 показана карта ρ1, логарифм УЭС 1-го слоя (т.е. изображение в плане параметра поляризуемости в зависимости от положения точки съемки) поляризуемости первого слоя (0-100 м) геоэлектрической модели. Отчетливо видны профильные аномалии, связанные с технологическими нюансами измерительной системы, а не с геологическим строением. Ранние времена переходного процесса определяются неточно в связи с отсутствием аппаратной привязки синхронизации работы измерителя и генератора тока по времени. На значение ρ1 оказывают влияние проводимость пород в зоне оттайки, которая достигает не более 0.5 м, многолетнемерзлые четвертичные отложения мощностью до 4-6 м и верхняя часть карбонатной толщи. Тем не менее, связь с геологическим строением прослеживается, (б) - продублировано в черно-белом графическом изображении. Номерами отмечены скважины, заверившие наличие объектов. Прямоугольниками закрыты области с недостоверными данными полевой съемки. Карта поляризуемости первого слоя (0-100 метров) геоэлектрической модели. Небольшая перекрытая льдом трубка по поляризуемости отчетливо видна только в 1 слое. Возможно, экранирование слоем вечной мерзлоты уменьшило чувствительность к эффектам вызванной поляризации (ВП). Прямоугольниками закрашены области отсутствия данных.
На Фиг. 12 показана карта η1 поляризуемости первого слоя (0-100 метров) геоэлектрической модели (а). Небольшая перекрытая льдом трубка по поляризуемости отчетливо видна только в 1 слое. Прямоугольниками закрашены области отсутствия данных; на изображении (б) показан вариант карты в черно-белом варианте.
На Фиг. 13 показана карта распределения значений натурального логарифма УЭС в пределах второго геоэлектрического слоя (100-450 м).
На Фиг. 14 реалистичная модель поляризующегося проводящего объекта верхней части разреза показана на чертеже слева, а расчетные кривые в сопоставлении с наблюденными приведены на чертеже справа. Сопротивление объекта 8.5 Ом×м, начальная поляризация 15%, постоянная времени спада 0.5 с; (а) - геоэлектрическая трехмерная модель с увеличенным в глубину верхним проводящим объектом, (б) - наблюденные и расчетные кривые для модели.
Предложенным способом осуществляют измерения и обработку данных переходных процессов, полученных от заземленного источника тока многоэлектродной заземленной приемной линией с целью одновременного определения кажущегося удельного сопротивления среды, индукционной составляющей и эффектов вызванной поляризации геоэлектрического разреза с использованием робастного регрессионного анализа в сочетании с инверсией в рамках модели поляризующейся среды. В предложенном способе вместо того, чтобы подавлять индукционные эффекты, являющиеся помехой для традиционных методов ВП, применяют современную систему регистрации и обработки, которая позволяет записать их с минимальными искажениями.
Предложенный способ реализуется следующим образом.
С использованием робастных методов обработки сигнала исходные данные, записанные с арифметическим шагом с помощью АЦП, имеющим частоту дискретизации не менее 100 кГц и динамический диапазон не менее 18-24 разрядов, обрабатываются в следующей последовательности:
- - точечное удаление выбросов (пиков) - с помощью процедур робастной статистики на кривых становления выделяются резко выделяющиеся наблюдения, которые затем подавляются с помощью итерационной процедуры,
- - осуществление фильтрации с использованием дифференцирующего фильтра в сочетании с робастным сглаживанием в скользящем окне позволяет подавить промышленную периодическую помеху (50 Гц, 150 Гц и т.д.),
задержки
задержки
задержки
задержки
- - подавление тренда - применяется к одной временной задержке - что соответствует отчетам АЦП, отстоящих от момента выключения токового импульса на одно и то же количество отсчетов АЦП, и включает в себя предварительный анализ данных с использованием робастных процедур на предмет выявления выброса ступеней во временной последовательности, по результатам которого создается матрица ошибок. Матрица используется для подавления выбросов и ступеней, причем для устранения ступеней используется итерационный подход. В результате полезный сигнал на каждой временной задержке, имеющий самую высокую частоту (+dU(t), -dU(t), +dU(t), -dU(t), ……), обрабатывается цифровым высокочастотным фильтром, подавляющим теллурические помехи и тренд, возникающий на приемных электродах за счет электрохимических процессов, проходящих в горных породах и на границе почвы и электрода,
- - робастная фильтрация в двумерном скользящем окне позволяет существенно подавить влияние выбросов и сбоев,
- - расчет кривых становления с логарифмическим шагом по времени так же выполняется с помощью робастных статистических оценок и позволяет повысить соотношения сигнал/помеха на поздних временных окнах, имеющих значительную длину, а также наглядно представить кривую становления для использования ее при решении задачи инверсии,
- минимизация влияния геометрического положения источник-приемник с использованием робастного регрессионного анализа выполняется для кривых становления с целью выделения аномалеобразующих объектов. При этом в качестве регрессоров - данных, влияние которой минимизируется, - используются
- - результат решения прямой задачи для эталонного (фонового) разреза, полученного в результате решения задачи инверсии для данных в заведомо неаномальной зоне,
- - аналитическое выражение, эмпирически отражающее геометрическую зависимость распространения поля в среде.
Пример 1
k
Измерения проводились установкой срединного градиента - одновременно 4-мя каналами регистрировались временные ряды разностей потенциалов приемных электродов MN в пределах генераторного диполя АВ. Разрез возбуждался последовательностью разнополярных импульсов без токовой паузы. Сила тока составляла 0.5 А, частота источника - 4.88 Гц, что при шаге дискретизации измерительного модуля в 0.4 мс во время прямоугольного импульса длительностью 0.1024 с позволяет записывать кривую становления в 256 отчетов АЦП. Шаг по профилю в 40 м соответствовал длине MN, расстояние между профилями 50 м. Всего на данном участке записано около тысячи точек. В результате для каждой MN в штатно поставляемой программе "Octopus Pro" рассчитаны кажущееся удельное электрическое сопротивление ρk и, с использованием относительного фазового параметра Δφ, кажущаяся поляризуемость η(%)=-2.5·Δφ.
Эти параметры сохраняют зависимость от положения MN, поскольку коэффициент установки ее полностью не компенсирует. Поэтому в способе использована инверсия результатов электромагнитного зондирования, однако при этом требуется существенно увеличить количество измерений для исходных данных. Поэтому полевой материал обрабатывают в блоках программно-измерительного комплекса (АПЭК) и рассчитывают для каждой точки записи нормированные параметры на поле в момент пропускания, а также переходные процессы и их временные производные на 16 временных задержках. С помощью методов робастной статистики для последней 1/8 токового импульса рассчитывают и сохраняют ненормированную амплитуду сигнала - DU0. При переобработке используют подавление тренда, позволяющее с высокой точность получать отсчеты на временных задержках при «плавании» потенциалов приемных электродов, осложненных выбросами и сбоями. В сочетании с применением методов робастной статистики, позволил существенно повысить стабильность результатов обработки [Ю.А. Давыденко. «Разработка программно-измерительного комплекса для дифференциально-нормированного метода электроразведки». Иркутск: Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук, 2005, стр. 155]. Невязка уточненных значений DU0 со значениями, полученными из программы "Octopus Pro", достигает 1.5%, что объясняется более корректным подавлением тренда. Нормированные переходные процессы DU и их временные производные DtDU в фоновой области Фиг.7 (а) и над трубкой взрыва Фиг.7 (б) существенно различаются. Точность расчетов достаточно высокая - коэффициент вариации - отношение стандартного отклонения к амплитуде сигнала - практически для всего временного интервала редко превышает 0.1%. Существенное отличие кривых вызвано, прежде всего, изменением проводимости, что привело к росту индукционной составляющей, имеющей обратный знак с эффектом ВП.
В традиционных методах угловатый вид кривых на ранней стадии измерений объясняется низкой частотой дискретизации (2.5 кГц). Это означает, что, согласно теореме Найквиста, в полосу пропускания попадают частоты немногим более 1 кГц. Кроме того, отсутствие привязки (аппаратной синхронизации) к фронту выключения существенно затрудняет вычисление переходных характеристик. В предложенном способе этот недостаток преодолен за счет синхронизации.
В традиционных способах измерения, с применением БПФ (быстрое преобразование Фурье) к обработанной кривой рассчитывают относительные фазовые характеристики для 1 и 3 гармоник, 3 и 5 гармоник, которые высоко коррелируют с расчетами штатной программы "Octopus Pro". При этом относительная фазовая характеристика - это обобщенная трансформанта, характеризующая форму кривой, и ее информативность сопоставима с временной производной на поздних временных задержках. Использование относительных фазовых характеристик не позволяет делать уверенные выводы о вкладах индукционных процессов и процессов ВП в наблюденном поле. Также по этим характеристикам нельзя делать выводы о глубине залегания объектов с использованием скин-эффекта, в то время как оценки вполне возможно проводить, анализируя переходные процессы и их временные характеристики.
В предложенном способе с целью качественного анализа полевого материала снимают зависимость от положения измерительной линии и питающего диполя приемами гравиметрии для снятия региональной составляющей гравиметрического поля и выделения локальных аномалий. При обработке полевых кривых зондирования используют робастную инверсию [Mia Hubert, Peter J. Rousseeuw and Stefan Van Aelst, High-Breakdown Robust Multivariate Methods, Statistical Science 2008, Vol. 23, No. 1, 92-119; Mia HUBERT, Karlien VANDEN BRANDEN and Peter J. Rousseeuw; ROBPCA: A New Approach to Robust Principal Component Analysis, TECHNOMETRICS, FEBRUARY 2005, VOL. 47, NO. 1].
За счет итеративного подхода в исходных данных минимизируют влияние факторов, называемых регрессорами. В данном примере, в качестве регрессоров используют аналитические функции зависимости от положения питающего диполя АВ и приемных электродов MN и результаты расчета прямой задачи на каждой точке зондирования от фонового многослойного разреза. Робастность позволяет избежать появления смещенных оценок, возникающих под влиянием аномальных значений наблюденного поля, и надежно увязывают тренд в исходных данных с зависимостями, описываемыми регрессорами.
В результате применения робастной регрессии к каждой временной задержке строят карты и псевдоразрезы, в которых снято влияние геометрического фактора источник-приемник. По этим картам и разрезам судят о наличии трехмерных объектов и их положении в разрезе с учетом скин-эффекта. Свойства этих объектов определяют посредством инверсии в рамках модели среды с частотной дисперсией электропроводности.
На основании анализа измеренных кривых с применением робастного регрессионного анализа, а также по результатам инверсии в рамках одномерной модели выделяют 2 объекта. Объекты 1-й и 2-й заверены бурением, при этом о наличии 2-го объекта не было известно до тех пор, пока по результатам переобработки не был сделан уверенный прогноз о наличии трубки взрыва. Особенно хорошо эти объекты выделяются на поздних временных задержках, так, на Фиг. 12 приведена карта 15-й временной задержки после подавления влияния геометрии установки. Объекты хорошо совпадают с контурами аномалий, выделенных в магнитном поле после исключения интенсивных магнитных аномалий и эффекта рельефа в программе GelioSMI [Давыденко А.Ю. Выделение аномалий и составляющих гравимагнитных полей в условиях интенсивных помех // Геодинамика. Глубинное строение. Тепловое поле Земли. Интерпретация геофизических полей. Екатеринбург, Игф УрО РАН, 2009, с. 124-127]. На Фиг. 12 видна возможность экранирования слоем вечной мерзлоты, что уменьшает чувствительность к эффектам вызванной поляризации (ВП), поэтому зелеными прямоугольниками закрашены области отсутствия данных
До применения предложенного способа небольшая перекрытая льдом трубка взрыва (объект 2) не выделялась по карте кажущегося удельного сопротивления из-за наличия высокоомного экрана.
На примере измерений на Анабраском щите можно показать, каким образом осуществляют переобработку данных срединного градиента, в результате которой удалось выделить перекрытую льдом трубку взрыва. Эта трубка взрыва не была видна на карте кажущегося удельного сопротивления и поляризуемости, рассчитанной через относительную разность фаз платно поставляемым программным обеспечением. Измерение и обработка данных выполнялись исходя из предположения о существенном влиянии индукционных процессов на результаты измерений. Были рассчитаны переходные процессы на включение токового импульса, при этом использовался алгоритм подавления тренда, в котором высокочастотный нерекурсивный фильтр применяется после минимизации влияния выбросов и ступеней, которые присутствуют в регистрируемых временных рядах в качестве помех. С целью повышения соотношения сигнал/помеха используется робастная фильтрация в скользящем окне как одномерном, так и двумерном. В результате с высокой точностью рассчитаны переходные процессы dU и их временные производные dtdU, они нормированы на величину поля перед выключением токового импульса. Такой тип нормировки позволил существенно повысить точность, поскольку традиционно применяемая нормировка на силу тока предполагает присутствие в знаменателе величины, измеренной с точностью первых процентов, в то время как современные прецизионные АЦП имеют точность не менее 0.01%.
При этом с целью качественного анализа полевого материала необходимо снять зависимость от положения измерительной линии и питающего диполя. При решении этой задачи применен прием, который применяется в гравиметрии для снятия региональной составляющей гравиметрического поля и выделения локальных аномалий. При обработке полевых кривых зондирования использовался алгоритм робастной инверсии (работы High-Breakdown Robust Multivariate Methods (Mia Hubert, Peter J. Rousseeuw and Stefan Van Aelst, Statistical Science 2008, Vol.23, No. 1, 92-119) и ROBPCA: A New Approach to Robust Principal Component Analysis (Mia HUBERT, Karlien VANDEN BRANDEN and Peter J. Rousseeuw, TECHNOMETRICS, FEBRUARY 2005, VOL. 47, NO. 1). За счет итеративного подхода в этом алгоритме в исходных данных минимизировали влияние факторов, называемых регрессорами. В качестве регрессоров использовались аналитические функции зависимости от положения питающего диполя АВ и приемных электродов MN и результаты расчета прямой задачи на каждой точке зондирования от фонового многослойного разреза. При этом робастность позволила избежать появления смещенных оценок, возникающих под влиянием аномальных значений наблюденного поля, надежно увязав тренд в исходных данных с зависимостями, описываемыми регрессорами.
В результате применения робастной регрессии к каждой временной задержке способ позволил построить карты и псевдоразрезы, в которых снято влияние геометрического фактора источник-приемник. По эти картам и разрезам можно судить о наличии трехмерных объектов и их положении в разрезе с учетом скин-эффекта (Фиг. 8). Свойства же этих объектов определяются посредством инверсии в рамках модели среды с частотной дисперсией электропроводности.
Таким образом, достигается обеспечение высокой универсальности и технологичности способа измерения и обеспечение помехозащищенности способа измерений за счет применения последовательности обработки робастными методами.
Достижение данного технического результата подтверждают результаты применения одномерного подхода, когда для каждой точки зондирования рассчитывался сигнал от горизонтально-слоистого полупространства, параметры каждого слоя задавались с учетом частотной дисперсии электропроводности, задаваемой зависимостью Cole-Cole [или Коула-Коула]:
0
где ω - частота; i - мнимая единица; ρ - удельное электрическое сопротивление; ρ - сопротивление на постоянном токе; η - коэффициент поляризуемости; τ - время релаксации и с - показатель степени.
Таким образом, выполняется моделирование (функций) полевых кривых dU и dtdU с целью получению слоистого геоэлектрического разреза по профилям. В результате модельных расчетов с учетом частотной дисперсии электропроводности определяют численные значения параметров поляризуемости разреза для каждого из слоев по всем точкам наблюдений. Для обработки и интерпретации полевых данных используется программно-измерительный комплекс (АПЭК), включающий в себя прямую и обратную задачу геоэлектрики для заземленной линии. Входными данными обратной задачи являлись наблюденные полевые кривые dU, dtdU. Временной диапазон, используемый при моделировании, определялся достоверностью входных данных, т.е. точностью измерений каждого из параметров в каждой точке измерения. В качестве функции невязки, значение которой минимизируется в результате инверсии, используется среднеквадратическое отклонение. Результатом являются карты и разрезы удельных электрических сопротивлений и поляризационных параметров: поляризуемости и времени релаксации. Таким образом, подтверждено получение технического результата - повышение сходимости теоретически рассчитанных и наблюденных (измеренных) кривых переходных процессов для геоэлектрического разреза.
Комплексный анализ локальных аномалий, выявленных посредством применения робастной регрессии с результатами инверсии, выполненной с учетом частной дисперсии электропроводности, позволяет делать надежные геологические прогнозы.
Также достижение технического результата - реализация наиболее простого способа измерения с использованием традиционных методов постоянного тока и вызванной поляризации, выделение на основе этих измерений дополнительных характеристик и разработка нового способа измерения и обработки характеристик переходных процессов подтверждается следующими характеристиками предложенного способа, следующими признаками заявленного способа.
- Система регистрации переходных процессов с заземленной линией с использованием прецизионных АЦП с частотой дискретизации не менее 100 кГц и разрядностью не менее 24 бит, позволяющие корректно, с минимальными искажениями записывать временные ряды, таким образом, чтобы индукционные процессы и процессы ВП могли быть выделены последующей обработкой.
- Система обработки данных с подавления тренда, в котором высокочастотный нерекурсивный фильтр (нерекурсивный - это общепринятое обозначение фильтров с конечной импульсной реакцией, когда свертка входной последовательности с коэффициентами фильтра производится в скользящем окне заданной длины) применяется после минимизации влияния выбросов и ступеней, присутствующих в регистрируемых временных рядах в качестве помех. В процессе обработки используют методы робастной статистики, итерационные робастные алгоритмы применяют в одномерных и двумерных скользящих окнах. В результате этого с высокой точностью рассчитывают переходные процессы и их доверительные интервалы, полученные с учетом дисперсии данных на каждой временной задержке. Эти переходные процессы нормированы на величину поля, рассчитанную перед выключением токового импульса. Кроме переходных процессов рассчитывают их временные производные с доверительными интервалами. Расчет дифференциально-нормированных параметров DF, Р1 и PS не выполняется, поскольку может не регистрироваться вторая пространственная разность потенциалов D2U, используемая при их вычислении.
- Для обработки рассчитанных переходных процессов и их временных производных с помощью робастной регрессии снимают закономерные изменения наблюденного поля, связанные с положением источник-приемник. Для этого минимизируют влияние регрессоров, в качестве которых выступают аналитические функции, выражающие зависимости для потенциала на приемных электродах MN от положения питающего диполя АВ, а также результаты расчета прямой задачи на каждой точке зондирования от фонового многослойного разреза с учетом частотной дисперсии электропроводности. Робастность позволяет избежать появления смещенных оценок, возникающих под влиянием аномальных значений наблюденного поля, надежно увязав тренд в исходных данных с зависимостями, описываемыми регрессорами.
- Для полевых кривых переходных процессов (dU) и их временных производных (dtdU) выполняется моделирование с учетом частотной дисперсии электропроводности с целью изучения геоэлектрического разреза. В результате модельных расчетов с учетом частотной дисперсии электропроводности определяют численные значения параметров поляризуемости разреза для каждой точки нижнего полупространства. Для обработки и интерпретации полевых данных используют измерительно-программный комплекс (АПЭК), включающий в себя прямую и обратную задачу геоэлектрики для заземленной линии. Входными данными обратной задачи являются наблюденные полевые кривые dU, dtdU. Временной диапазон, используемый при моделировании, определялся достоверностью входных данных, т.е. точностью измерений каждого из параметров в каждой точке измерения. В качестве функции невязки, значение которой минимизируется в результате инверсии, используется среднеквадратическое отклонение и его робастные аналоги. Результатом являются карты и разрезы удельных электрических сопротивлений и поляризационных параметров: поляризуемости и времени релаксации.
Таким образом, в ЭМЗВП могут не использоваться установки с измерением второй пространственной разности и дифференциально-нормированные параметры. Фактически ЭМЗВП является больше общим методом измерения и обработки данных, продолжающим идею метода ДНМЭ об одновременном измерении и изучении индукционных процессов и процессов вызванной поляризации, при этом охватывается большее количество установок и, как следствие, решение большего круга геологических задач. Если ДНМЭ нацелен на обнаружение слабоконтрастных аномалий ВП над залежами углеводородов, то ЭМЗВП позволяет так же решать задачи рудной и инженерной геофизики.
Пример 2
Инверсия данных электромагнитных зондирований проводилась с применением симплекс-метода (метода оптимизации произвольной функции) и методом Левенберга-Марквардта. Результаты применения одномерной инверсии, получены для каждой точки зондирования и рассчитывают сигнал от горизонтально-слоистого полупространства, а параметры слоев задают с учетом частотной дисперсии электропроводности по формуле Cole-Cole. Таким образом, выполняется математическое моделирование полевых кривых DU и DtDU с целью получению слоистого геоэлектрического разреза по профилям. В результате моделирования с учетом частотной дисперсии электропроводности были определены численные значения параметров поляризуемости разреза для каждого из слоев по всем точкам наблюдений. Всего было выделено 5 слоев до глубины 1200 м для обработки и интерпретации.
При получении полевых данных используют измерительно-программный комплекс (АЛЭК), обеспечивающий решение в себя прямой и обратной задачи геоэлектрики для заземленной линии (авторы И.Ю. Пестерев, А.А. Петров). Временной диапазон, используемый при моделировании, определяют достоверностью входных данных, т.е. точностью измерений каждого из параметров в каждой точке измерения. В качестве функции невязки, значение которой минимизируется в результате инверсии, используется среднеквадратическое отклонение. Результатом являются карты и разрезы распределения удельных электрических сопротивлений и поляризуемости.
При подборе в рамках одномерной модели поляризуемость раскрепляют только для 1 и 3 слоев. Коэффициент множественной корреляции между этими слоями достаточно низкий - 0.3. В районе трубок взрыва (объекты 1 и 2) поляризуемость растет до 2-6%. Поляризуемость эталонной трубки (объект 1 - Фиг. 12) распределена неравномерно - наблюдается значительный рост в северо-восточной части в 1-м слое (Фиг. 13) и кольцевой эффект с аномалиями посередине в 3-м слое.
На логарифме УЭС первого слоя ρ1 (Фиг. 11) отчетливо видны профильные аномалии, связанные технологическими нюансами измерительной системы, а не с геологическим строением. Ранние времена переходного процесса определяются неточно в связи с отсутствием аппаратной привязки синхронизации работы измерителя и генератора тока по времени. Поэтому включение токового импульса находится программным путем в условиях, осложненных выбросом индукционной наводки, которая возникает вблизи генераторной линий, что может приводить к систематическому временному сдвигу и, как следствие, к профильным аномалиям в результатах инверсии. Мощность слоя около 100 м, эта величина скорее характеризует разрешающую способность измерительной системы нежели литологическое строение разреза, поскольку в полосу пропускания АЦП попадают частоты немногим более 1 кГц, что не позволяет более детально изучать верхнюю часть разреза. Следовательно, на значение ρ1 оказывают влияние проводимость пород в зоне оттайки, которая достигает не более 0.5 м, многолетнемерзлые четвертичные отложения мощностью до 4-6 м и верхняя часть карбонатной толщи. Тем не менее, связь с геологическим строением прослеживается. Картируется выходящий на поверхность объект 2, в котором прослеживается блоковое (видно на Фиг. 11).
Таким образом, комплексный анализ локальных аномалий, выявленных посредством применения робастной регрессии с результатами инверсии, с учетом частной дисперсии электропроводности, позволяет делать надежные геологические прогнозы. Однако для проведения полноценной инверсии был усовершенствован способ проведения полевых работ и обработки данных. При этом, опираясь на результаты этой инверсии, с высокой степенью надежности выделяются объекты поиска. С этой целью применяют аппаратно-программный электроразведочный комплекс «МАРС».
На конечной стадии обработки полевого материала выполняется инверсия наблюденных кривых в параметры геоэлектрического разреза, рассчитанные с учетом частотной дисперсии электропроводности. Применение одномерных параллельно-слоистых геоэлектрических моделей позволяет перейти от кажущихся характеристик к проводимости горных пород, рассчитываемой с учетом ее частотной дисперсии. По результатам решения обратной задачи геоэлектрики строятся карты (Фиг. 12 и 13) и разрезы послойного распределения параметров модели Cole-Cole (удельного электрического сопротивления ρ, поляризуемости η, постоянной времени τ и показателя степени с). На Фиг. 13 видно, что через объекты 1 и 2 проходит подковообразная зона пониженного сопротивления, предположительно связанная с зонами трещиноватости, к которым приурочены трубки взрыва. Возможно, здесь нашли отражение две разломные зоны, юго-западного и северо-восточного направления, которые пересекаются под углом 300-350° в центре площади. Зелеными прямоугольниками закрашены области отсутствия данных.
Наши расчеты, проведенные для переработанных данных ИНФАЗ-ВП на участке «Марс» ОАО «Алмазов Анабара», заверены независимой экспертизой, проведенной М.Г. Персовой (д.т.н., профессор НГТУ). Ею выполнено трехмерное моделирование, которое показало высокую чувствительность технологии ЭМЗВП к геоэлектрическим параметрам среды и возможность локализации трехмерных объектов. Для того чтобы получить реалистичное распределение расчетных кривых на площади съемки, потребовалась модель поляризующегося проводящего объекта в верхней части разреза (Фиг. 14). Иное положение объекта не давало удовлетворительной сходимости теоретических и наблюденных кривых. Предлагаемая методика ЭМЗВП обеспечивает высокую плотность съемки и позволяет решать трехмерные обратные задачи для переходных процессов.