Введение к работе
Объектом исследования диссертационной работы является метод электромагнитного индукционного частотного зондирования (43) и его применение для создания методики обнаружения, идентификации, оценки параметров и положения подповерхностных (до 10 м) геоэлектрических неоднородностей на основе данных, полученных аппаратурой электромагнитного сканирования ЭМС.
Актуальность работы. Применяющиеся в настоящее время
подходы к изучению структуры среды и объектов, залегающих на
глубине первых 10 метров, включают ограниченное число методик,
основанных на нескольких геофизических методах. Каждый из них,
наряду с преимуществами, обладает некоторыми недостатками:
большие временные затраты, необходимость заземления электродов
(методы постоянного тока), недостаточная информативность данных,
низкая помехоустойчивость (одночастотное картирование,
магниторазведка), узкая область применения (трассоискатели), высокая цена аппаратуры (георадар).
Деятельность человека, связанная со строительством и эксплуатацией подземных сооружений, изменением условий распространения грунтовых вод и их минерализации, поиском археологических объектов и т.п., порождает большое число задач, решение которых необходимо строить на бесконтактном неразрушающем дистанционном методе исследования, создающем легко и однозначно интерпретируемые пользователем изображения подземных объектов. Недостаточная обеспеченность аппаратными, программными и методическими средствами ограничивает применение метода 43 в малоглубинных изысканиях. Актуальной, является разработка способа применения 43 для исследования первых метров подповерхностного пространства.
Цель исследования - повысить эффективность малоглубинной электроразведки методом электромагнитного частотного индукционного зондирования аппаратурой ЭМС для получения достоверных данных о структуре подповерхностного пространства на основе большого набора высокоточных измерений.
Научная задача - разработать методику обнаружения и оценки подповерхностных аномалий удельной электропроводности по дискретному спектру электромагнитных сигналов, измеренных аппаратурой ЭМС.
Фактический материал, методы исследований и аппаратура. Теоретической основой работы являются уравнения Максвелла в квазистационарном приближении, методы решения прямых и обратных задач при индуктивном монохроматическом возбуждении электромагнитного поля и их асимптотические низкочастотные описания; в качестве фактического материала использованы данные полевых измерений ЭМС, магнитометрии, ВЭЗ, георадарометрии. Основной метод исследований - полевой и натурный эксперимент. Применяемая аппаратура - ЭМС (электромагнитный сканер). Разработанная методика сопоставлялась с известными отечественными и зарубежными геофизическими методиками. Результативность проверена прямыми раскопками, отбором проб, бурением.
Для совместной интерпретации использованы:
значения градиента вертикальной составляющей магнитного поля, измеренные квантовым магнитометр-градиентометром G-858 (США, Geometries) - около десяти объектов;
удельное электрическое сопротивление, измеренное методами сопротивлений аппаратурой М-416 и ЦИКЛ ВЭЗ-ВП (многократно);
георадарограммы, записанные георадаром (США, GSSI) - один объект, ОКО-2 (Россия, Логис-Геотех) - 2 объекта;
литологические и гидрогеологические данные бурения (3 скважины);
данные раскопок (не менее десяти объектов).
Защищаемые научные результаты:
Разработана методика обнаружения и оценки подповерхностных аномалий удельной электропроводности на глубину до 10 м по трансформациям сигналов, полученных с помощью аппаратуры электромагнитного сканирования.
Установлена и практически верифицирована достаточность использования пространственного распределения кажущихся значений электропроводности для решения широкого круга научных и
практических задач в различных областях знания (археологии, инженерной геологии, гидрологии, экологии и вулканологии).
Научная новизна и личный вклад
Выявлена однозначная связь между визуализированным распределением трансформаций сигнала электромагнитного частотного зондирования и реальными структурами подповерхностного пространства: зонами повышенной обводненности, минерализации грунтовых вод, подземными коммуникациями, археологическими объектами.
По результатам количественного анализа полевых данных, полученных при непосредственном участии автора, сделана оценка достоверности обнаружения геоэлектрических аномалий, приуроченных к определенным типам подповерхностных объектов.
Частотные зондирования выполнены для трех типов объектов, различающихся по контрасту электропроводности с вмещающей средой: высоко контрастных (металлические трубы), средней контрастности (обводненные грунты) и низкой (грунтовые археологические памятники); а также в различных геоэлектрических условиях: при низких (сельская местность) и очень высоких (территории работающих электростанций) уровнях электромагнитных помех. Исследования проведены на нескольких десятках объектов, характеризующихся различной формой и размерами. В результате получены оценки достоверности выявления аномальных объектов, проведена их типизация, установлены особенности методических приемов их выделения.
Впервые в мире с использованием разработанной методики детально изучена конфигурация гидрохимической зональности подповерхностных вулканогенных структур: фу маро л, грязевых котлов, подземных потоков гидротермальных вод вулканов Южной Камчатки.
Практическое значение результатов работы состоит в следующем: разработанная методика является информативным и экономически обоснованным инструментом для проведения исследовательских и практических работ, связанных с изучением первых 10 метров подповерхностного пространства. Важной
особенностью методики является возможность ее быстрой адаптации к решению различных геофизических задач. Сравнительный анализ данной методики с существующими аналогами, основанными на применении индукционных методов, выявил ряд существенных преимуществ:
возможность получения информации в виде геоэлектрических карт и разрезов кажущегося УЭС в реальном масштабе времени;
возможность эффективного применения в условиях высокого уровня электромагнитных помех;
применимость для инвентаризации и диагностики действующих промышленных подземных сооружений, работы в лесистой местности, в условиях городской застройки;
исследование геологических объектов низкого сопротивления (около 1 Омм и ниже);
Результаты исследований по теме диссертации докладывались и
обсуждались на различных российских и международных
конференциях: EAGE 64-th Conference & Exhibition - Florence, Italy, 27-
30 May 2002; EAGE-EGU-AUG Joint Assembly - Nice, France, April 2003;
9-th meeting of Environmental and Engineering Geophysics - Prague, Czech
Republic, September 2003, EGU General Assembly, Vienna, Austria, 19-24
April 2009; на конференциях в Чите (2004) и Новосибирске (2002-2004),
Международной конференции «Актуальные проблемы
электромагнитных зондирующих систем» (Киев, 2009).
Исследования поддержаны грантами РФФИ 00-06-80241-а, 02-05-74597-3, 03-06-80415-а, 06-06-80295-а, 09-05-01138-а, 09-06-00204-а и программой научно-технического сотрудничества Россия-Индия.
Всего по теме диссертации опубликовано 13 работ, из них 8 статей, в том числе в ведущих рецензируемых научных журналах, определенных Высшей аттестационной комиссией - 3 («Геофизика» - 1, «Геофизический вестник» - 1, Доклады Академии наук - 1), и 5 -материалы российских и международных конференций, симпозиумов, семинаров.
Научные результаты диссертации используются в исследованиях Института проблем освоения Севера СО РАН (г. Тюмень), Института археологии и этнографии СО РАН, Института вулканологии и сейсмологии ДВО РАН, Института Антарктики (Италия); в работе управления жилищного хозяйства (Дзержинский район,
г. Новосибирск), ОАО «Самаратрансгаз», ОАО «Транснефть», ОАО «Восточно-Сибирская нефтяная компания» ООО «Главгросстрой» (г. Новосибирск). В 2009 году проведено опробование методики для решения специальных задач СибРК ВВ МВД России во взаимодействии с офицерами кафедры Обеспечения служебно-боевой деятельности внутренних войск Новосибирского военного института внутренних войск МВД России им. генерала Яковлева.
Структура работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка использованной литературы (117 наименований). Работа изложена на 111 страницах, включая 63 рисунка и 2 таблицы.
Автор благодарен руководителю рабочей группы к.т.н. А.К. Манштейну и к.т.н. Е.В.Балкову за многолетнее сотрудничество, д.и.н., академику РАН В.И. Молодину и к.и.н. М.А. Чемякиной за постановку археологических задач; д.г.-м.н. СБ. Бортниковой за организацию исследования вулканогенных структур. Автор особенно признателен директору компании Geostudi Astier s.r.l. доктору философии Gianfranco Morelli, профессору Mario Marchisio из университета г. Пиза и профессорам Giovanni Santarato и Abu Zeid кафедры геофизики Университета г. Феррара, а также доктору философии Edigio Armadillo за обеспечение полевых работ в Италии. Данная работа не смогла бы быть выполнена без содействия научного руководителя, д.т.н., академика РАН М.И.Эпова.
Во введении определены объект, актуальность, цель, научная задача, фактический материал исследования, описана аппаратура, сформулированы основные полученные результаты, научная новизна работы, личный вклад автора, теоретическая и практическая значимость полученных результатов.
