Введение к работе
Актуальность проблемы определяется тем, что одним из результатов человеческой активности являются многочисленные подземные объекты, которые увеличивают степень использования обживаемого пространства. Множество этих объектов находится в эксплуатации и является частью современного подземного хозяйства технического назначения (подземная часть жилищ, бункеры, тоннели, городские и магистральные подземные сети, сваи, дорожные насыпи и дамбы, склады и хранилища). Другая часть этих объектов является археологическими памятниками и объектами культурного наследия, не используется и находится в полуразрушенном состоянии (древние оборонительные сооружения, основания культовых сооружений и дворцов, остатки жилищ и разнообразные могильные захоронения). Несмотря на внешне серьезные различия, с точки зрения геофизики между древними и современными объектами нет принципиальной разницы. С одной стороны, все объекты искусственного происхождения созданы из материалов, которые, как правило, в чистом виде в природе не встречаются, поэтому из-за применения искусственных материалов, возникает сильный контраст физических свойств. С другой стороны, они имеют правильную форму и создают на поверхности земли чередование аномалий геофизических полей с правильным шагом и расположением, которого в природе обычно не бывает. С течением времени действующие инженерно-технические и культовые объекты переходят в разряд исторических и археологических памятников.
Актуальность исследований определяется необходимостью разработки новых эффективных подходов к методике наблюдений и интерпретации данных малоглубинной электроразведки, так как верхняя часть вмещающего разреза и все подземные искусственные объекты имеют сложную двумерную или трехмерную форму. Повышение эффективности решения задач такого уровня сложности отражается в целом на общей результативности малоглубинных геофизических исследований.
Данная диссертационная работа является итогом многолетней деятельности автора. Представленные в диссертации данные и результаты являются живым геофизическим материалом, который находится в непрерывном развитии.
Целью работы является разработка и совершенствование универсального аппаратур-но-методического комплекса малоглубинной электроразведки для решения разнообразных задач поиска и изучения искусственных подземных объектов, расположенных в сложной горизонтально-неоднородной вмещающей среде. Для достижения этой цели необходимо было решить следующие задачи:
-
сформулировать особенности и построить физико-геологическую мо-дель(ФГМ) верхней части геологического разреза, содержащую «целевые» составляющие;
-
разработать численные математические алгоритмы решения 2D- и ЗБ-задач электроразведки для метода постоянного тока и для магнитоактивных тел;
-
провести трехмерное и двумерное численное моделирование постоянного электрического и магнитного поля для широкого класса моделей с целью выявления основных эффектов искажения кривых электрических зондирований;
-
проанализировать основные закономерности формирования полей, сформулировать и построить методики и технологии измерений, направленные на изучение двумерно-неоднородных и трехмерно-неоднородных сред, содержащих искусственные объекты;
-
выполнить большой цикл натурных измерений с использованием новых технологий для доказательства их эффективности.
Автором защищаются следующие основные положения:
1. На основе анализа результатов электрических зондирований, выполненных с
высокой плотностью наблюдений при сухопутных и мелководных акваторных исследовани
ях, установлено, что изучаемая ФГМ состоит из 4-х элементов, которые являются ее неотъ
емлемой частью и обязательно должны учитываться при планировании полевых исследова
ний и интерпретации:
фоновый разрез, который укладывается в модель горизонтально-слоистой среды;
культурный слой, насыпные грунты, гетерогенные осадки формируют приповерхностные неоднородности геоэлектрического разреза, которые искажают кривые электрических зондирований;
глубинные неоднородности разреза в виде зон малоамплитудных тектонических нарушений, бортовых частей палеодолин, карста, линз песков, глин и др.;
искусственные подземные сооружения, являются двумерными и трехмерными объектами, над которыми кривые ВЭЗ испытывают сильные искажения.
-
Разработанные на основе метода интегральных уравнений численные математические алгоритмы и созданные компьютерные программы решения прямых задач электроразведки постоянным током позволили произвести расчеты для произвольных двумерных и трехмерных сред с расчетом ВП.
-
Анализ электрического поля постоянного тока над 2D- и ЗБ-моделями позволил построить теорию искажений кривых электрических зондирований, на основе которой была разработана методика трехмерной электроразведки в варианте технологии векторной съемки и двумерной электроразведки в варианте сплошных электрических зондирований, которая стала прототипом технологии электрической томографии.
-
Путем создания аппаратурно-методического комплекса методика двумерной электроразведки и векторной съемки доведена до результата, который позволяет решать разнообразные задачи, в которых изучаемые объекты и вмещающая среда в горизонтальном направлении являются существенно неоднородными.
-
Используя современную многоканальную электроразведочную аппаратуру для детальных исследований на мелководных акваториях, разработан метод непрерывных элек-
трических зондирований, который позволяет выполнять измерения с очень высокой плотностью с последующей возможностью получения 2D- геоэлектрических разрезов.
-
Программное обеспечение, созданное автором, позволило разработать принципиально новую методику определения глубины свайных конструкций.
-
Применение электроразведочного аппаратурно-методического комплекса в совокупности с комплексированием с другими геофизическими методами позволяет решать большое число сложных инженерно-технических и археологических задач.
Научная новизна. В результате выполненных исследований получены следующие новые научные результаты:
-
Разработана серия численных математических алгоритмов и компьютерных программ решения прямых задач электроразведки постоянным током для произвольных двумерных и трехмерных сред с расчетом ВП.
-
В результате численного математического моделирования были выявлены следующие эффекты искажений кривых ВЭЗ вблизи двумерных и трехмерных объектов: поверхностный и глубинный Р-эффект; поверхностный и глубинный С-эффект; эффект сопряженных аномалий; эффект бокового обтекания; эффект возврата тока в проводник; эффект переноса формы; эффект экранирования; эффект проводящей трубы при поперечной поляризации; эффект концентрации тока.
-
В результате анализа численных математических расчетов автором впервые были сформулированы методические принципы двумерной электроразведки: а)частый, равномерный шаг по профилю, который во много раз меньше максимального разноса, б)разносы возрастают в линейном масштабе с шагом, равным шагу наблюдений по профилю, и попадают на точки измерения MN; в) для сбора данных применяется комбинированная трехэлек-тродная установка Шлюмберже (Amn+mnB), которая имеет максимальную разрешающую способность по отношению к горизонтальным неоднородностям.
-
Для изучения сложных трехмерных неоднородностей автором впервые предложена методика векторной съемки, которая включает двухкомпонентное измерение электрического поля от источников, расположенных на площади исследования и алгоритмы интерпретации данных, направленные на поиски источников аномального поля.
-
На основе инверсной установки MABN и многоканальной измерительной аппаратуры на акваториях разработана методика непрерывных электрических зондирований, которая позволяет выполнять измерения с очень высокой плотностью.
-
Разработан новый способ определения длины свайных конструкций, основанный на исследовании структуры поля линейного источника конечной длины.
Практическая значимость. Разработан пакет решения двумерных и трехмерных прямых задач электроразведки постоянного тока. Разработана методика двумерной электроразведки в виде технологии сплошных электрических зондирований, которая стала прототи-
пом электрической томографии. Разработана методика трехмерной электроразведки, которая получила название Векторная Съемка. Разработана технология непрерывных акваторных зондирований. Решено значительное число практических задач в области технической геофизики, археологии, инженерной геологии, при изучении многолетнемерзлых пород, экологии (более 150 объектов исследования). На основе авторских разработок сконструированы и внедрены в производство приборы «ЭРП-1» и «Омега -48».
Реализация работы. Во многих научных и производственных организациях используются результаты и разработки автора: программы интерпретации ВЭЗ (ГРІ) и решения прямых задач 2D- и ЗО-электроразведки постоянным током - внедрены в более 100 научных и производственных организаций (в том числе Гидропроект, Атомэнергопроект, УкрНИ-МИ(Донецк), Гидрогеологический институт (Ташкент), фирма Природа(Донецк), Санкт-Петербургский горный университет, Воронежский университет и др.), в более чем 20 учебных заведений России и СНГ, готовящих геофизиков в Москве, Санкт-Петербурге, Воронеже, Иркутске, Ташкенте, Перми, Львове и др., в геофизических организациях других стран (Франция, Германия, Мексика, Болгария и др.). Рубежом развития технической геофизики стала книга «Геоэкологическое обследование предприятий нефтяной промышленности», которая была написана под редакцией автора в 1999 г. По результатам научных исследований опубликовано 5 книг (монографии и тематические сборники[7-11]).
За время работы в университете созданы учебные курсы, читаемые автором на геологическом факультете МГУ. Среди них разделы общего и специальных курсов по электроразведке для студентов-геофизиков ПГ, IV и V курсов, а также 6 магистерских курсов. Под редакцией автора в 2005 г. выпущено учебное пособие по электроразведочной практике. За последние 20 лет опубликованы 5 книг по учебной тематике [1-5].
Под руководством автора за последние 10 лет выполнено свыше 150 практических исследований в разных регионах России и в других странах.
Автор продолжает исследования, начатые нашими учителями и эти темы развивают его ученики и коллеги: В.А.ГПевнин, М.Н.Марченко, А.А.Бобачев, А.В.Урусова, Д.К.Большаков, С.И.Волков, О.И.Комаров, С.В.Иванова и др.
Личный вклад автора. Работа является обобщением исследований, выполнявшихся с 1976 по 2010 год на отделении геофизики Геологического факультета МГУ. Все результаты получены автором лично, либо под его руководством и при непосредственном участии автора во всех этапах проектирования и выполнения научно-исследовательских и проведения полевых работ, обработки и интерпретации результатов.
Апробация работы. Основные результаты работы и ее отдельные положения докладывались: на конференциях молодых ученых геологического факультета в период с 1976 по 1987 год и в соавторстве с учениками сделано 28 докладов, на семинарах по электроразведке кафедры геофизики МГУ, на конференциях «Ломоносовские чтения» в МГУ (1989, 1997,
1998, 2000, 2001, 2004, 2008, 2009, 2010), на совещаниях по инженерной геофизике (Ереван, 1985, Вильнюс, 1982, Москва, 1989, Ташкент, 1991), «Геофизика и современный мир»(Москва, 1993), на семинаре им.Успенского(Москва, 1994), на совещании научно-методического комитета по геолого-геофизическим проблемам в угольной геофизике ЕА-ГО(Ростов-на-Дону,1994), на международной конференции «Экология и геофизика» (Дубна, 1995), на конференции по теории и практики интерпретации потенциальных геофизических полей(Воронеж, 1996 - 6 докладов), на 1-ом Балканском геофизическом конгрессе(Афины, 1996), на российско-германском семинаре по электромагнитным исследованиям(Москва, 1996), на конференции по горной геофизике (С.Петербург, 1996, 1998 - всего 4 доклада), на международной конференции по интерпретации потенциальных полей(Екатеринбург,1999), на международных конференциях EAEG, SEG-EAGE-ЕАГО, EEGS было сделано 27 докладов^ єна, 1994, Глазго, 1995, С.Петербург, 1995, Гаага, 1996, Амстердам, 1996, Нант, 1996, Орхус, 1997, Москва, 1997, Лейпциг, 1998, Барселона, 1999, Бохум,2000), на конференции по георадару (Москва, 2000, 2001), на международной геофизической конференции и выставке в Москве сделано 4 доклада(2003), на конференциях по инженерной и рудной геофизике ИРГ EAGE сделано 32 доклада (Геленджик, 2005-2010), на конференции ИРГ EAGE прочитано 6 курсов по малоглубинной электроразведке (Москва, 2004, Геленджик, 2005-2009), на конференции по электроразведке в Санкт-Петербургском Горном университете и в д.Александровка Калужской области (2003,2004, 2010), по поляризационным электроразведочным методам (Ленинакан, 1985), на всесоюзной конференции «Геолого-геофизические исследования при решении экологических задач» (Звенигород, 1991), на совещании по изысканиям и проектированию Мосгеотреста и Фундаментпроекта(Москва,2009), на конференции изыскателей института Гидропроект (Звенигород, 2009), на конференции ПНИИИС и АГИС(Москва, 2009), на конференции по трубопроводному транспорту (Москва, 2009), на совещаниях по применению методов естественных наук в археологии (Москва, 1978,1989,2005, 2006, С.Петербург, 1994), в 9-ой ежегодной международной конференции ассоциации археологов(С.Петербург,2003), на международном совещании по египтологии (Москва, 2003), на Крупновских чтениях по археологии (Жуковский, 2004), в 6-ой и 8-ой международных конференциях ЮАР по археологической разведке сделано 4 доклада (Рим,2005, Париж, 2009), на конференциях по Бородинскому сражению(Можайск, 2004, 2009), на конференциях по истории и археологии верхнего Дона (Тула, 2003), на международной конференции по исследованиям археологического памятника Пор-Бажын (Москва, 2007), на международном полевом семинаре по восточной археологии и сохранения памятников (Пор-Бажын, Тува, 2008), на конференциях «Природа и история Поугорья» сделано 9 докладов (Калуга, 1999, 2001, 2003, 2007), части и разделы диссертации излагались в лекциях по электроразведке, которые читались автором на протяжении последних 20 лет студентам-геофизикам (Модин и др., 2009), инженер-геологам 3-5 курсов (Геофизика: учебник, 2007) и
магистрантам 1 и 2-ого года обучения (Инновационные магистерские программы..., 2007), в виде пленарного доклада для широкой публики на «Дне науки» (МГУ, 2009) и в Петропав-ловске-Камчатском (КГУ, 2005). Всего за время работы было сделано 183 доклада.
Автор был руководителем 5 кандидатских диссертаций (Т.Ю.Смирнова, Волков СВ., Марченко М.Н., Горбунов А.А., Игнатова И.Д.) и принимал активное участие в руководстве и подготовке диссертаций С.А.Березиной, М.М.Симонса, А.В.Урусовой, Д.К.Большакова.
Публикации. По результатам выполненных исследований автором опубликовано более 180 работ. Список основных научных трудов содержит 120 наименований, включающих 10 монографий, учебников и учебных пособий и 110 научных статей и тезисов докладов. Из них 16 статей издано в реферируемых журналах.
Структура работы. Диссертация состоит из введения ,4 глав и заключения, в которых последовательно рассматриваются принципиальные вопросы теории методов сопротивлений, показаны современные технологии сбора электроразведочных данных, дается описание аппаратурно-методических комплексов и многочисленных результатов применения электроразведки и других методов при поисках и изучении искусственных объектов, созданных человеком, а также защищаемые положения теории, методики и интерпретации данных. В заключении приводятся основные защищаемые положения.
Благодарности. При выполнении исследований автор пользовался поддержкой, помощью и советами своих наставников, коллег и учеников: проф. В.А.Шевнина, доц. А.Г.Яковлева, доц. А.А.Бобачева, к.т.н. М.Н.Марченко, доц. Д.К.Большакова, инж. С.И.Волкова, проф. В.К.Хмелевского, доц.Л.А.Золотой, проф.М.Н.Бердичевского, проф. А.В.Калинина, проф. В.В.Калинина, проф. М.Л.Владова, доц. А.В.Старовойтова, к.т.н. В.А.Стручкова, доц. А.А.Горбунова, к.г.м.н. Т.Ю.Смирновой, к.т.н. И.Д.Игнатовой, к.ф.м.н. М.М.И.Симонс, к.г.м.н. А.В.Любчиковой, к.т.н.С.А.Березиной, к.г.м.н. К.Л.Одинцова, к.г.м.н. Б.П.Петрухина, асе. М.Ю.Паленова, инж. О.А.Комарова и другим сотрудников отделения геофизики Геологического факультета МГУ. Кроме этого трудно представить эту работу без влияния В.Н.Богомазова и А.И.Любомудрова. Я приношу признание моим товарищам и коллегам М.Я.Кацу, А.Д.Гидаспову, С.Б.Соколову и А.Т.Пелевину, а также проф. Санкт-Петербургского Горного университета В.В.Глазунову, руководителю средневекового отдела Государственного Исторического музея М.И.Гоняному, руководителю отдела археологии Института Этнографии и Этнологии РАН И.А.Аржанцевой и сотрудникам Бородинского музея-заповедника А.В.Горбунову и А.А.Суханову. Приношу искреннюю благодарность Н.П.Семейкину и В.М.Люлько за доведение до конца разработки новых электроразведочных приборов. Огромное спасибо всем моим товарищам и особое признание приношу моей жене и коллеге С. А. Акуленко.
