Способ аэроэлектроразведки и устройство для его осуществления
METHOD OF AERIAL ELECTRICAL EXPLORATION AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Группа изобретений относится к области геофизики, в частности к электроразведочным методам исследований, а именно к методу зондирования становлением поля, осуществляемому с помощью летательных аппаратов.
Известны системы аэроэлектромагнитной съемки, состоящие из буксируемого устройства, присоединяемого к летательному аппарату. Буксируемое устройство включает секцию передатчика, содержащую несущую раму передатчика и контур передатчика, расположенный на несущей раме передатчика, а также секцию приемника, содержащую несущую раму приемника и приемный контур, расположенный в несущей раме приемника (например, патент РФ №2557370, G01V 3/165). В этой и в аналогичных системах регистрация сигналов компонент вторично индуцированных в геологической среде вихревых токов проводится единственным приемником. Однако данные системы имеют ограниченные возможности, так как известно, что если исследуемая геологическая среда обладает дисперсией электрических (вызванная поляризация, ВП) и/или магнитных (суперпарамагнетизм, СПМ) свойств, то зарегистрированный единственным приемником сигнал в большинстве случаев невозможно разделить на индукционную и поляризационную составляющие. Это зачастую приводит к невозможности однозначно определить параметры исследуемой среды (явление эквивалентности).
Известно устройство и способ вычисления поляризационных свойств земли по данным аэроэлектроразведки во временной области (патент СА 2916230, G01V 3/10). Аэромагнитная система включает связанный с воздушным носителем генераторный контур, который генерирует изменяющееся во времени электромагнитное поле, которое индуцирует электрическое поле в земле. Ответный сигнал принимается приемным устройством, также связанным с летательным аппаратом. Сигнал с приемного устройства поступает в бортовой блок обработки. Блок обработки представляет собой вычислительное устройство для оценки вызванной поляризации исследуемой среды и включает блок регистрации и компьютерное устройство. Блок регистрации записывает суммарный сигнал, принятый аэромагнитной системой. Компьютерное устройство соответственно запрограммировано для приема записанного блоком регистрации сигнала, полученного от аэроэлектромагнитной системы, и разделения его на две компоненты: индукционную компоненту и компоненту, обусловленную явлением вызванной поляризации.
ИНД
ИНД
ВП
Алгоритм обработки принятого сигнала основан на подборе коэффициентов разложения сигнала по индукционным и поляризационным базисным функциям. Первым шагом в обработке принятого электромагнитного сигнала является подбор коэффициентов разложения суммарного сигнала V(t) по индукционным базисным функциям. Таким образом, оценивается индукционная компонента V(t), затем производится подбор коэффициентов разложения остаточного сигнала V(t)-V(t) по поляризационным базисным функциям и в результате оценивается поляризационная компонента V(t).
ИНД
ВП
Основной недостаток данного технического решения заключается в том, что для каждой точки измерений выполняется подбор коэффициентов разложения сигнала по единственному измерению для каждой точки исследования. При данной обработке может быть восстановлено множество эквивалентных пар (V(t) и V(t)) сигналов, сумма которых даст исходный сигнал. В результате чего достоверность получаемых данным способом результатов исследований не может быть достаточно высокой и не обеспечивает необходимую эффективность и информативность электроразведочных работ.
Известны способ и устройство для аэрогеофизической разведки, согласно которым летательный аппарат буксирует горизонтально расположенную под ним электромагнитную систему, включающую аппаратурный блок, генераторную антенну и три приемные антенны (патент РФ №2557354, G01V 3/165, прототип). Устройство включает основную приемную антенну, расположенную концентрично с генераторной антенной. Вторая приемная антенна за счет своей конфигурации и соответствующей установки относительно генераторной антенны обеспечивает компенсацию электромагнитного поля, наводимого остаточными токами, протекающими в генераторной антенне. Устройство содержит также третью приемную антенну, благодаря которой за счет ее нежесткого крепления к тросовой подвеске зонда достигается снижение влияния электромагнитной помехи, обусловленной вибрациями зонда в движении. Каждая из указанных приемных антенн имеет заданную рабочую полосу частот, вследствие чего обеспечивается улучшение условий приема ответного сигнала во временных интервалах, соответствующих рабочим частотам каждой антенны. Техническим результатом данного изобретения является снижение влияния на принимаемый ответный сигнал помех, обусловленных вибрациями приемной антенны и остаточными токами в генераторной антенне, чем обеспечивается проведение электромагнитных исследований с высокой разрешающей способностью, достоверностью и глубинностью.
Однако данное техническое решение также не в полной мере обеспечивает необходимую информативность и достоверность геофизических исследований вследствие того, что в нем не рассмотрены вопросы, связанные с возможным наличием в ответном электромагнитном сигнале компонент, обусловленных явлениями вызванной поляризации и суперпарамагнетизма.
Задачей изобретения является устранение недостатков, присущих описанным выше техническим решениями, а именно создание технологии импульсной аэроэлектроразведки, обеспечивающей диагностику в зарегистрированном сигнале компонент, связанных с наличием в изучаемой среде эффектов вызванной поляризации и суперпарамагнетизма, а также снижение эквивалентности решения задачи разделения индукционной компаненты, ВП и СПМ компонент электромагнитного сигнала.
Техническим результатом изобретения является повышение информативности импульсной аэроэлектроразведки за счет получения более достоверной информации об электропроводности, электрической и магнитной поляризуемости поисковых объектов в зоне проведения электроразведочных работ, что обеспечивается путем использования в данной технологии нескольких приемных антенн с соответствующим взаимным расположением относительно друг друга.
Заявленный технический результат достигается за счет того, что в способе аэроэлектроразведки, который включает воздействие на геологическую среду источником электромагнитного поля и синхронную регистрацию сигналов вторично индуцированных в геологической среде вихревых токов с помощью системы электромагнитной съемки, буксируемой с помощью летательного аппарата, определение по измеренным сигналам геоэлектрических параметров среды, согласно изобретению регистрацию сигналов от вторично индуцированных в геологической среде вихревых токов осуществляют группой приемных антенн, установленных с разносами относительно друг друга по высоте или по высоте и латерали, значения указанных разносов определяют в соответствии с предварительно получаемой зависимостью максимальных значений относительных аномалий ВП и/или СПМ компонент сигнала, вычисленных по априорным данным об исследуемом объекте, от значений вышеуказанных разносов между приемными антеннами, после чего для каждой точки измерений осуществляют совместную обработку всех зарегистрированных сигналов с разделением на индукционную составляющую, ВП и/или СПМ составляющие.
При этом для разделения зарегистрированного суммарного электромагнитного сигнала на индукционную компоненту и компоненту, обусловленную явлениями ВП или СПМ в исследуемой среде, регистрацию электромагнитных сигналов осуществляют с помощью двух приемных антенн, разнесенных между собой по высоте.
Для разделения зарегистрированного суммарного электромагнитного сигнала на индукционную, ВП и СПМ компоненты, регистрацию электромагнитных сигналов осуществляют с помощью трех приемных антенн, разнесенных между собой по высоте.
Кроме того, для разделения зарегистрированного суммарного электромагнитного сигнала на индукционную, ВП и СПМ компоненты, регистрацию электромагнитных сигналов осуществляют с помощью трех приемных антенн, две из которых разнесены по высоте, а третья удалена от первых двух по латерали.
Заявленный технический результат достигается также тем, что устройство для аэроэлектроразведки характеризуется тем, что оно содержит буксируемую с помощью летательного аппарата электромагнитную систему, включающую генераторный контур и группу приемных антенн, регистрирующих сигналы от вторично индуцированных в геологической среде вихревых токов, при этом приемные антенны в указанной группе установлены с разносами относительно друг друга по высоте или по высоте и по латерали, минимальные значения указанных разносов определяют в соответствии с предварительно получаемой зависимостью максимальных значений относительных аномалий ВП и/или СПМ компонент сигнала, вычисленных по априорным данным об исследуемом объекте, от значений разносов между приемными антеннами, исходя из заданного уровня определяемой аномалии.
При этом преимущественно группа приемных антенн включает две приемные антенны, расположенные в проекции генераторного контура и разнесенные между собой по высоте или три приемные антенны, расположенные в проекции генераторного контура и разнесенные между собой по высоте или три приемные антенны, две из которых расположены в проекции генераторного контура и разнесены между собой по высоте, а третья удалена от первых двух по латерали.
Изобретение иллюстрируется чертежами.
1
2
На фиг. 1 и 2 схематично показаны два варианта реализации устройства согласно изобретению, общий вид, где 1 - генераторный контур, 2 - приемная антенна, расположенная, например, в одной плоскости с генераторным контуром 1, 3 - приемная антенна, установленная с разносом L по высоте относительно приемной антенны 2, 4 - приемная антенна, установленная с разносом L по высоте относительно приемной антенны 3, 5 - выносная антенна, установленная на расстоянии R относительно центра приемной антенны 2, 6 - связанный с подвижным объектом 7 тросовый паук, включающий трос - кабель и тросы, к которому крепится описанная выше электромагнитная система 8 в целом.
ИНД
На фиг. 3 приведены графики индукционных сигналов V(t) для разных высот Н расположения электромагнитной системы 8 над исследуемой поверхностью.
ВП
На фиг. 4 приведены сигналы, обусловленные эффектом вызванной поляризации V(t), для разных высот Н расположения электромагнитной системы 8 над исследуемой поверхностью.
СПМ
На фиг. 5 приведены сигналы, обусловленные эффектом суперпарамагнетизма V(t), для разных высот Н расположения электромагнитной системы 8 над исследуемой поверхностью.
1
1
Фиг. 6 иллюстрирует изменение (в %) сигнала в приемной антенне 3, устанавливаемой на различных разносах L относительно плоскости приемной антенны 2, по отношению к сигналу в приемной антенне 2, находящейся, например, в плоскости генераторного контура 1, при отсутствии в исследуемой среде поляризационных эффектов, для значений L=5, 10, 15, 20, 25, 30 м.
1
1
Фиг. 7 иллюстрирует изменение (в %) сигнала в приемной антенне 3, устанавливаемой на различных разносах L относительно плоскости приемной антенны 2, по отношению к сигналу в приемной антенне 2, находящейся, например, в плоскости генераторного контура 1, при наличии в исследуемой среде эффекта ВП, для значений L=5, 10, 15, 20, 25, 30 м.
1
1
Фиг. 8 иллюстрирует изменение (в %) сигнала в приемной антенне 3, устанавливаемой на различных разносах L относительно плоскости приемной антенны 2, по отношению к сигналу в приемной антенне 2, находящейся, например, в плоскости генераторного контура 1, при наличии в исследуемой среде эффекта СПМ, для значений L=5, 10, 15, 20, 25, 30 м.
На фиг. 9-11 приведены графики, иллюстрирующие примеры определения величин разноса по высоте и по латерали между приемными антеннами 2-5 для их установки, согласно изобретению.
1
На фиг. 12 приведены сигналы от многослойной среды, с параметрами согласно таблице 2, в приемной антенне 2, расположенной в плоскости генератора 1, и приемной антенне 3, установленной с разносом по высоте L=15 м относительно плоскости приемной антенны 2.
1
2
Устройство для осуществления способа согласно изобретению, схематично представленное на фиг. 1, включает генераторный контур 1 и приемные антенны 2-4, расположенные в проекции генераторного контура 1. Система подвески 6 позволяет закрепить приемную антенну 2, например, в плоскости генераторного контура 1, приемную антенну 3 на фиксированном разносе L от приемной антенны 2, приемную антенну 4 - на фиксированном разносе L от приемной антенны 3 и буксировать с помощью летательного аппарата 7 электромагнитную систему 8 в целом.
Другой вариант устройства представлен на фиг. 2 и характеризуется тем, что одна из трех приемных антенн, приемная антенна 5, расположена за пределами проекции генераторного контура 1 и буксируется на некотором расстоянии R от центра приемной антенны 2.
Изобретение основано на следующих теоретических положениях.
ИНД
СПМ
СПМ
1
2
-6
6
Рассмотрим систему с одной приемной антенной, расположенной в плоскости генераторного контура, и рассчитаем компоненты сигнала становления поля: индукционную V(t), вызванной поляризации V(t) и суперпарамагнетизма V(t) для разных высот (Н) расположения данной электромагнитно системы над исследуемой поверхностью. В качестве примера рассмотрена среда с параметрами: полупространство ρ=10 Омм; ВП: с=1, m=0,5, τ=0,1 мс; СПМ: τ=10 с, τ=10 с, χ=0,01. Результаты указанных расчетов представлены на фиг. 3-5.
Как видно из фиг. 3-5, сигналы разной природы (индукционная составляющая, составляющие ВП и СПМ) по-разному зависят от высоты Н расположения электромагнитной системы 8. Это позволяет сделать вывод о возможности выделения электромагнитных сигналов различной природы путем проведения для каждой точки наблюдений нескольких измерений, отличающихся высотой расположения электромагнитной системы 8.
Для упрощения данной технологии проведения измерений согласно изобретению предложено проводить измерения с одним генераторным контуром, буксируемом на некоторой высоте Н (обычно около 30 м), но с несколькими приемными антеннами, установленными в проекции генераторного контура и разнесенными между собой по высоте L либо разнесенными между собой по высоте и/или по латерали на то или иное расстояние R, как это будет показано ниже.
3
1
2
3
2
2
1
1
Положим высоту Н=30 м и покажем, как отличается сигнал V(t) в антенне 3, установленной с разносом L по высоте относительно плоскости приемной антенны 2, от сигнала V(t) в антенне 2. Изменения будут показаны в процентах относительно сигнала, измеренного антенной 2: 100%⋅(V(t)-V(t))/V(t). На фиг. 6 показано отличие сигнала в антенне 3 от сигнала в антенне 2 в случае, если в исследуемой среде отсутствуют эффекты ВП и СПМ. На фиг. 7 показано отличие сигнала в антенне 3 от сигнала в антенне 2 в случае, если в исследуемой среде присутствуют эффекты ВП. На фиг. 8 показано отличие сигнала в антенне 3 от сигнала в антенне 2 в случае, если в исследуемой среде присутствуют эффекты СПМ. Во всех трех случаях (фиг. 6-8) приведены графики, построенные для различных значений разноса L, при L=5, 10, 15, 20, 25 и 30 м.
4
2
3
Сигнал V(t), измеренный приемной антенной 4, установленной с разносом L по вертикали относительно плоскости приемной антенны 3, будет отличаться от сигнала V(t), измеренного приемной антенной 3 аналогичным (фиг. 6-8) образом.
8
2
Аналогичным же образом (фиг. 6-8) сигнал V(f), измеренный приемной антенной 5, установленной за пределами генераторного контура 1 на некотором расстоянии R от центра приемной антенны 2 (фиг. 2), будет отличаться от сигнала V(t) в антенне 2.
Таким образом, как видно из фиг. 6-8, проведение измерений несколькими приемными антеннами, установленными в проекции генераторного контура 1 с разносом по высоте относительно друг друга, либо антеннами, одна из которых вынесена за пределы проекции генераторного контура 1, и дальнейшее сопоставление полученных сигналов обеспечивает с достаточно высокой достоверностью диагностирование наличия в измеряемом электромагнитном сигнале компонент, обусловленных явлениями ВП и/или СПМ.
1
При исследовании сред, обладающих только одним из эффектов - ВП или СПМ, зарегистрированный суммарный сигнал содержит две компоненты - индукционную и ВП (либо индукционную и СПМ). В этом случае для достижения заявленного технического результата достаточно проводить измерения двумя антеннами - 2 и 3, разнесенными по высоте на расстояние L, либо 2 и 5, разнесенными по латерали на расстояние R. При исследовании сред, имеющих одновременно эффекты ВП и СПМ, зарегистрированный суммарный сигнал содержит три компоненты (индукционная компанента, ВП, СПМ). Соответственно в этом случае для достижения заявленного технического результата следует осуществлять регистрацию сигналов тремя приемными антеннами 2-4, расположенными на трех разных высотах (фиг. 1), либо, как вариант, тремя антеннами, две из которых (приемная антенна 2 и приемная антенна 3) установлены в пределах проекции генераторного контура 1 и разнесены по высоте, а третья, приемная антенна 5, вынесена за пределы генераторного контура 1 на расстояние R от центра приемной антенны 2 (фиг. 2).
Достоверность диагностирования наличия поляризационных эффектов и восстановления индукционных и поляризационных параметров исследуемой среды зависит от величины разноса между приемными антеннами. Чем больше разнос, тем существеннее снижается эквивалентность решения задачи восстановления индукционных и поляризационных параметров среды и возрастает достоверность результатов восстановления этих параметров.
Минимально необходимый разнос приемных антенн по высоте можно оценить заранее, исходя из известных данных о параметрах исследуемой среды в зоне проведения поисковых работ. Для этого необходимо построить зависимость максимальной относительной аномалии, обусловленной поляризационными процессами, от величины разноса L между антеннами - для антенн 2-4, находящихся в пределах проекции генераторного контура 1, либо от расстояния R между центрами антенн - для антенны 2 и антенны 5, находящихся преимущественно в одной плоскости. Затем, задав необходимый уровень относительной аномалии, по построенным зависимостям определить минимально необходимое расстояние между антеннами.
Максимум относительной аномалии (максимум разности сигналов, измеренных парой антенн (2 и 3) либо (2 и 5)), условно обозначенной (i, j)), выраженный в процентах относительно индукционной компоненты сигнала, обусловленной процессами ВП, определяется по формуле
ВП,i
ВП,j
ИНД,i
где V(t), V(t) - ВП компонента сигнала, измеренная антенной i и j соответственно, V(t) - индукционная компонента сигнала, измеренная антенной i.
Максимум относительной аномалии (максимум разности сигналов, измеренных парой антенн (2 и 3), (3 и 4) либо (2 и 5), условно обозначенной (i, j)) выраженный в процентах относительно индукционной компоненты сигнала), обусловленной процессами СПМ, определяется по формуле
СПМ,i
СПМ,j
ИНД,i
где V(t), V(t) - СПМ компонента сигнала, измеренная антеннами i и j соответственно, V(t) - индукционная компонента сигнала, измеренная антенной i.
Далее приведена сводная таблица 1, в которой указано, какие необходимо установить антенны и какие разносы необходимо оценивать в зависимости от выбранного типа электромагнитной системы 8 (согласно фиг. 1 или 2) и наличия/отсутствия эффектов ВП и СПМ.
Приведем пример оценки минимального разноса между приемными антеннами для исследования среды, имеющей сопротивление не менее 10 Ом⋅м, эффект ВП с поляризуемостью m не менее 0,2 и эффект СПМ с магнитной восприимчивостью χ не менее 0,01, с использованием электромагнитной системы, буксируемой на высоте 30 м.
1
На фиг. 9 приведен рассчитанный для указанной среды график зависимости максимума относительной аномалии ВП компоненты от разноса (L) между приемными антеннами 2 и 3.
1
Зададим необходимый процент максимума относительной аномалии, равным 10%, отсюда следует, что разнос L между указанными антеннами 2 и 3 должен быть не менее 11,4 м (фиг. 9).
2
2
Для случая, если все три приемные антенны 2-4 расположены в пределах проекции генераторного контура 1 (фиг. 1), на фиг. 10 приведен график зависимости максимума относительной аномалии СПМ компоненты от величины разноса (L) между приемной антенной 3 и приемной антенной 4. Видно, что для обеспечения максимума относительной аномалии не менее 10%, разнос L между антеннами 3 и 4 должен быть не менее 12,8 м.
Для случая, если третья антенна, антенна 5, будет расположена вне проекции генераторного контура 1 (фиг. 2), на фиг. 11 приведен график зависимости максимума относительной аномалии СПМ - компоненты от расстояния R между центрами приемных антенн 2 и 5, находящихся в одной плоскости. В данном случае для обеспечения максимума относительной аномалии не менее 10%, расстояние R между антеннами 2 и 5 должно быть не менее 18,6 м.
Для разделения индукционной, поляризационной и СПМ компонент сигналов осуществляют восстановление параметров среды путем совместной инверсии сигналов, измеренных в каждой точке измерений несколькими указанными приемными антеннами, разнесенными по высоте либо по расстоянию, что существенно снижает эквивалентность решения этой задачи.
Ниже приведен пример совместной инверсии электромагнитных сигналов при наличии двух приемных антенн, установленных согласно изобретению.
1
Пусть электромагнитная система 8 имеет две приемные антенны, одна из которых, приемная антенна 2, установлена в плоскости генераторного контура 1, а вторая, приемная антенна 3, установлена с разносом по высоте L=15 м относительно плоскости указанной приемной антенны 2. При этом вся электромагнитная система 8 буксируется на высоте 30 м над поверхностью горизонтально-слоистой среды, содержащей в одном из слоев эффект ВП. Исходная модель среды приведена в таблице 2. Зарегистрированные приемными антеннами 2 и 3 сигналы приведены на фиг. 12.
При подборе параметров среды минимизируется функционал взвешенной среднеквадратичной разности "экспериментального" V и подобранного V(P) сигналов, вычисленного для текущего значения вектора параметров Р, включающего и индукционные и поляризационные параметры среды
ИНД
1
2
t
где V(Р) - индукционная компонента сигнала становления поля, то есть сигнал, вычисленный для текущих значений h и ρ вектора параметров Р без учета ВП и СПМ, индекс сигнала V соответствует обозначению (фиг. 1) соответствующей приемной антенны, ψ(Р) - функционал, вычисляемый при подборе параметров по измерениям только одной приемной антенны 2, ψ(Р) - функционал, вычисляемый при совместном подборе параметров по измерениям двух антенн - приемной антенны 2 и приемной антенны 3, N - число  каналов измерений сигналов.
1
2
В таблицах 3 и 4 приведены параметры двух вариантов подобранных сред и соответствующие этим средам значения функционалов ψ(Р) и ψ(P).
Как видно из данных, приведенных в таблицах 3 и 4, в случае восстановления параметров среды по измерениям только одной приемной антенны 2, сигналы от подобранных сред 1 и 2 отличаются от сигнала от исходной среды не более чем на 4%, т.е. эти среды эквивалентны. В случае совместного подбора по измерениям двух приемных антенн 2 и 3 сигнал от подобранной среды 2 отличается от сигнала от исходной среды не более чем на 4%, в то время как сигнал от подобранной среды 1 отличается от сигнала от исходной среды на 8%, что позволяет однозначно идентифицировать корректную модель среды.
1
Аналогичным образом при восстановлении параметров среды с эффектом СПМ эквивалентность существенно снижается, если проводить совместный подбор параметров по измерениям двумя приемными антеннами 2 и 3, разнесенными по высоте на расстояние L не менее 10 м.
При исследовании сред, имеющих одновременно эффекты ВП и СПМ, зарегистрированный сигнал содержит три компоненты (становление поля, ВП, СПМ). Соответственно в этом случае для разделения сигнала следует осуществлять регистрацию сигналов тремя приемными антеннами, как это было указано выше, и проводить совместный подбор параметров среды по трем получаемым сигналам, с использованием функционала ошибки, имеющего вид
где индексами 2 и 3 обозначены сигналы V, измеренные соответственно антеннами 2 и 3, индексом 4(5) обозначены сигналы V, измеренные приемной антенной 4 либо приемной антенной 5.
В общем случае приемные антенны могут находиться в произвольной позиции относительно генераторного контура. Существенным условием для достижения заявленного согласно изобретению технического результата является использование в аэроэлектромагнитной системе группы приемных антенн, установленных в пространстве с разносами, обеспечивающими выделение в измеряемом сигнале необходимого уровня относительных аномалий, связанных с эффектами ВП и СПМ.