Содержание к диссертации
Введение
1. Воздействие подземного ядерного взрыва на вмещающие породы 12
1.1. Фаза ядерных реакций 13
1.2. Фаза гидродинамического воздействия 13
1.3. Фаза статического воздействия 16
1.4. Фаза терморадиационного последействия 17
1.5. Выводы 18
2. Экспериментальные работы 19
2.1. Скважина №1 24
2.2. Скважина №2 30
2.3. Скважина №5 34
2.4. Скважины №6, 7, 8 . 41
2.5. Скважина №19 44
2.6. Скважины "Регион-1" и "Регион-2" 46
2.7. Некоторые данные по другим скважинам 52
2.8. Штольня 53
2.9. Выводы 54
3. Оборудование 58
3.1. Магнитометры и технические требования к ним 58
3.2. Выводы 62
4. Физико-математическое моделирование геомагнитных аномалий от пяв 63
4.1. Обзор математических моделей 66
4.2. Магнитная аномалия от колонны обсадных труб 69
4.3. Магнитная аномалия петрофизического характера (периферийная) 74
4.4. Выводы 81
5. Методическое руководство по применению технологии магнитометрии 82
5.1. Вводная часть 82
5.2. Назначение и основные характеристики технологии ММ 82
5.3. Метод измерений 83
5.4. Средства измерений 84
5.5. Условия выполнения измерений 85
5.6. Подготовка к выполнению измерений 86
5.7. Выполнение измерений 88
5.8. Обработка и интерпретация результатов измерений 89
5.9 Выводы 91
6. Заключение 92
Список литературы
- Фаза гидродинамического воздействия
- Скважины "Регион-1" и "Регион-2"
- Магнитная аномалия от колонны обсадных труб
- Назначение и основные характеристики технологии ММ
Введение к работе
В 1994-96 годах на Конференции по разоружению был согласован текст Договора о всеобъемлющем запрещении ядерных испытаний (далее по тексту - Договор, или ДВЗЯИ). По решению Генеральной Ассамблеи ООН в сентябре 1996 года Договор был открыт для подписания и на сегодняшний день подписан более чем 170 государствами [22]. Согласно положениям Договора, он может вступить в силу при условии его ратификации 44 государствами, обладающими на сегодня ядерными технологиями. В сентябре 2000 года Договор был ратифицирован Российской Федерацией.
Договор направлен на принятие эффективных мер по ядерному разоружению и нераспространению ядерного оружия. Для обеспечения Договора предусматривается применение эффективной системы контроля, включающей международную систему мониторинга и инспекционную деятельность.
В случае фактического нарушения Договора (проведение ядерного взрыва), с помощью средств международной системы мониторинга, которые включают сеть сейсмических, радионуклидных, гидроакустических и инфразвуковых станций, а также и национальные технические средства государств-участников Договора, в большинстве случаев возможно получение информации, на основании которой можно сделать предположение о нарушении Договора. Любое государство-участник этого Договора вправе потребовать у международного сообщества проведение инспекции на месте сомнительного события (далее по тексту - инспекция на месте, или ИНМ). Цель инспекции на месте - окончательное подтверждение или опровержение факта нарушения Договора.
Актуальность работы
Для обеспечения надежного контроля Договора и предотвращения его нарушения необходимо наличие инспекционных технологий. Поэтому, на стадии вступления Договора в силу, разработка инспекционных технологий является актуальной задачей и связана с рядом методологических и технических задач.
В Протоколе к Договору оговорены и приняты виды и методы инспекционной деятельности. В их число вошли: визуальное наблюдение; измерение уровней радиоактивности (отбор проб, гамма-мониторинг, гамма-спектрометрия, отбор и анализ твердых, жидких и газообразных экологических проб); геофизические методы (актив-
ная, пассивная и резонансная сейсмометрия, магнитометрия, гравиметрия, электрометрия и грунтопроникающие радарные измерения).
Одним из методов инспекции, как записано в Протоколе к Договору, является картирование магнитного поля с целью обнаружения аномалий или артефактов. В ходе совместных международных встреч экспертов по инспекционным видам и технологиям было принято их называть технологиями, а данный метод - технологией магнитометрии (далее по тексту - технология магнитометрии или технология ММ).
Цель применения геофизических технологий в ходе инспекции на месте состоит в поиске, локализации и идентификации скрыто проведенного подземного ядерного взрыва (ПЯВ) и определении его эпи- или гипоцентра. Это осуществимо только при их комплексном применении. При этом, каждая технология в отдельности должна обладать исчерпывающими возможностями для поиска эпи- или гипоцентра подземного ядерного взрыва.
Цель работы
Цель данной работы заключается в разработке технологии ММ для картирования магнитного поля методом пешеходной съемки модуля полного вектора магнитной индукции. Технология ММ должна быть средством поиска и локализации эпи-центральной зоны ПЯВ. Её эффективность должна быть испытана и подтверждена практически на объектах ПЯВ.
На защиту выносятся следующие положения:
Экспериментально изучены особенности аномалии модуля полного вектора магнитной индукции и установлены косвенные признаки проведения ПЯВ в скважине, обсаженной ферромагнитными конструкционными материалами. К указанным косвенным признакам относятся: а) ориентировка аномальной оси по магнитному меридиану вследствие изменения направления и величины остаточной намагниченности под воздействием факторов взрыва на колонну обсадных труб, б) заметная динамика указанной аномалии в первое время после взрыва.
Доказан факт существования и определены характеристики аномалии модуля полного вектора магнитной индукции петрофизического характера, как результата воздействия ПЯВ на магнитные горные породы. Аномалия
петрофизического характера образуется, прежде всего, в результате температурного воздействия ПЯВ и, как следствие, последующего термоперемагни-чивания при остывании пород от температур ниже точки Кюри в современном геомагнитном поле.
3. Изучены методические особенности и предложена технология магнитометрии, которая позволяет найти и локализовать эпицентр проведенного в скважине ПЯВ. Технология магнитометрии состоит из двух этапов (поиск, включающий изучение петрофизической аномалии, локализация оголовка на площади 100x100 м с погрешностью до десятка метров с последующим уменьшением площади и шага измерений и доведение погрешности локализации до полуметра) и позволяет в соответствии с разработанным методическим руководством для целей ИНМ ДВЗЯИ определить характеристики аномалии модуля полного вектора магнитной индукции, выявить косвенные признаки проведенного ПЯВ и на основании этого обнаружить его эпицентр. Предметом исследований является методика пешеходных измерений полного вектора магнитной индукции и его вертикальной составляющей, технические средства для его осуществления, логическая организация этих измерений и их применимость для поиска и локализации эпицентральной зоны подземного ядерного взрыва.
Объектами исследований являются аномалии модуля полного вектора магнитной индукции и его вертикальной составляющей в эпицентральных зонах подземных ядерных взрывов. Данные исследования были проведены, в основном, на сква-жинных объектах ПЯВ.
Основные задачи исследований
Для достижения цели данной работы были решены следующие задачи:
Проведены экспериментальные работы на 22 объектах ПЯВ (на бывшем Семипалатинском испытательном полигоне и объектах в Оренбургской области);
Проанализированы и систематизированы экспериментальные данные. Определены характеристики аномалий модуля полного вектора магнитной индукции (AT) и его вертикальной составляющей (AZ);
Проанализированы известные физико-математические модели (ФММ) образования аномалий AT, как результата проведения подземного ядерного
взрыва. Показаны достоинства данных моделей и определены причины неадекватности между моделируемыми и реальными аномалиями ДТ. Определен подход для разработки корректной ФММ образования аномалии AT в результате проведения ПЯВ;
По результатам экспериментальной отработки технологии ММ с использованием отечественных и зарубежных магнитометров, были установлены оптимальные технические требования к ним. Выполнение требований обеспечило эффективное применения выбранных магнитометров в рамках технологии ММ для целей инспекции на месте;
Разработано методическое руководство по технологии ММ для ИНМ ДВЗЯИ.
Научная новизна работы
В результате экспериментальных работ, лично выполненных автором (на трех объектах), и обобщения ранее полученных данных, детально изучены аномалии модуля полного вектора магнитной индукции Земли - ДТ, а также его вертикальной составляющей - AZ в эпицентральных зонах подземных ядерных взрывов. Установлено, что изученные геомагнитные аномалии являются следствием воздействия подземного ядерного взрыва на ферромагнитные конструкционные элементы (обсадные и спускные колонны труб при скважинных испытаниях ядерного оружия) и на вмещающие породы в магнитном поле Земли.
Установлены характеристики аномалий в эпицентральной зоне непосредственно над устьем скважины, где проводился подземный ядерный взрыв. Над устьем скважины аномалия ДТ имеет величину от +10300 до +56000 нТл. Для аномалий характерны большая амплитуда, большой горизонтальный градиент над устьем скважины (до 44000 нТл/м), а также динамические изменения амплитуды в течение периода от нескольких дней до нескольких месяцев после подземного ядерного взрыва. К периферии, на расстоянии 10-25 м севернее от устья, положительная часть аномалии затухает, уменьшается до нуля и переходит в область отрицательных значений -2800 + -300 нТл. Ось, соединяющая максимум и минимум данной аномалии всегда направлена по магнитному меридиану. Такая ориентация аномалии связана с перемагничиванием колонны
обсадных труб в результате воздействия ПЯВ в современном геомагнитном поле. Это является косвенным признаком проведенного ПЯВ и существенным отличительным признаком данной аномалии от других аномалий техногенного характера.
На основании полученных разностных значений аномалий до и после подземного ядерного взрыва установлено, что в результате его проведения образуются положительные, протяженные, периферийные малоамплитудные аномалии AT петрофизического характера. Протяженность данных аномалий от 1,4 до 2 км. Амплитуда этих аномалий возрастает от ~5 нТл на периферии (800-1000 м от устья скважины) до 60 нТл ближе к устью скважины, на расстоянии ~50 м. Нам не удалось наблюдать динамику петрофизической аномалии непосредственно после взрыва по причине отсутствия недавних событий. Однако она должна иметь место в первые дни и недели после испытаний вследствие известных процессов эволюции очага ядерного взрыва. Таким образом, установлены косвенные признаки проведения ПЯВ по данным магнитометрии.
При физико-математическом моделировании для прогнозирования аномалии AT, как следствия воздействия ПЯВ на материалы с высокой магнитной проницаемостью (каковым является ферромагнитные колонны обсадных труб), использованы программы ИГф УрО РАН, учитывающие наряду с остаточной намагниченностью эффект размагничивания, который оказывает существенное влияние на характер аномалии. По результатам физико-математического моделирования установлено также, что основной причиной образования периферийной аномалии петрофизического характера являются магнитные породы, которые подверглись эффекту термонамагничивания от воздействия ПЯВ. Кроме этого установлено, что эффект термоперемагничи-вания не является единственным. Поэтому, в дальнейшем, для совершенствования физико-математического моделирования аномалии AT необходимо проверить влияние магнитострикционного и магнитоупругого эффектов, а также влияние зоны откола на геомагнитную аномалию, как следствия воздействия ударной волны от ПЯВ в верхних слоях геологического разреза.
5. По нашему техническому заданию в лаборатории квантовой магнитометрии УГТУ-УПИ разработан специализированный магнитометр на базе POS - 1. В данном магнитометре реализованы новые алгоритмы обработки сигналов с повышенным быстродействием, которые позволили проводить измерения в высоко градиентных геомагнитных полях, характерных для эпицентральной зоны ПЯВ. Данный магнитометр был адаптирован для совместной работы с приёмниками системы глобального позиционирования (GPS). Это позволило исключить предварительную разбивку сети наблюдений на поисковом этапе, что важно ввиду ограниченности времени инспекции. Практическая значимость и реализация работы.
Результаты, полученные в данной работе, явились технической основой для успешной разработки технологии магнитометрии для ИНМ в условиях ДВЗЯИ. Разработанное методическое руководство по трехэтапному применению технологии магнитометрии прошло несколько стадий доработок с начиная с проекта и заканчивая практической апробацией на конечном этапе. Применение технологии магнитометрии согласно методического руководства, позволяет найти и локализовать эпицентр сква-жинного ПЯВ при проведении международной инспекции на месте.
Основные положения, сформулированные в работе, после обсуждений на заседаниях рабочих встреч международных экспертов по инспекции на месте, вошли в проект Оперативного руководства для инспекций на месте, о котором сказано в Протоколе к Договору о всеобъемлющем запрещении ядерных испытаний (часть II, пункт 13). Оперативное руководство является документом исключительной важности для осуществления инспекций на месте. Проект данного документа был подготовлен в помощь Временному техническому секретариату Подготовительной комиссии Организации Договора о всеобъемлющем запрещении ядерных испытаний (ВТС ПК ОД-ВЗЯИ) и инспекционной группе при подготовке и проведении инспекций. Оперативное руководство основано на положениях Договора и результатах работы ВТС ПК ОДВЗЯИ и ее вспомогательных органов.
Результаты, полученные автором, используются в учебном процессе подготовки международных инспекторов по ИНМ ДВЗЯИ.
Следует так же отметить, что в диссертации сформулирован и намечен дальнейший ход работ для продолжения исследований в данной области. Новые результа-
ты исследований так же будут учтены в последующих вариантах Оперативного руководства.
Апробация работы
Основные выводы и положения данной работы были представлены на международных рабочих встречах экспертов по ИНМ ДВЗЯИ: Вена, Австрия, 25-31 мая 1999. [3]; Вена, Австрия, 2-6 февраля 1998. [4]; Фарнборо, Англия, 24-31 мая 1999. [5]; Пекин, Китай, 15-19 октября 2001. [7]; Хиросима, Япония, 3 июля 2003. [6]; Международный семинар им. Д.Г. Успенского "Вопросы теории и практики геологической интерпретации гравитационных, магнитных и электрических полей" (Екатеринбург, 1999. [46]).
Элементы технологии ММ демонстрировались в Национальном институте геофизики и вулканологии (Италия, Рим, 2003 г). Результаты отражены в техническом отчете Организации ДВЗЯИ [1]. Отработка технологии ММ также проводилась на бывшем Семипалатинском полигоне совместно с Институтом геофизических исследований Национального ядерного центра Республики Казахстан (ИГИ НЯЦ РК) при поддержке Временного технического секретариата Подготовительной комиссии Организации ДВЗЯИ. Результаты работ отражены в совместном докладе на Третьей Международной конференции "Мониторинг ядерных испытаний и последствий" (Боровое, Республика Казахстан, 2004 г).
Публикации
По теме диссертации опубликовано 7 работ. Кроме этого, по теме диссертации автором выпущено 12 внутренних спецотчетов Всероссийского научно-исследовательского института технической физики (РФЯЦ-ВНИИТФ).
Структура диссертации
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, и списка литературы. Содержание изложено на 100 страницах машинописного текста, включает 28 рисунков, 19 таблиц. Список литературы содержит 59 наименований.
Личный вклад автора
Исследования геомагнитных полей в местах проведения подземных ядерных взрывов начаты автором в 1997 году. Теоретической и методологической основой работы автора послужили труды отечественных специалистов в данной области, а
именно: работы РФЯЦ-ВНИИТФ (А.В.Ушков, О.Н.Шубин), г. Снежинск; работы Всероссийского проектно-изыскательского и научно-исследовательского института промышленной технологии - ВНИПИпромтехнологии (Л.Н.Щекин, Н.Г.Щетинин, А.А.Тер-Семенов,), г. Москва; работы Геологических партий производственного геологического объединения ГИДРОСПЕЦГЕОЛОГИЯ (А.И.Степин, И.Н.Недбаев, Гидрологическая экспедиция 16 района, партия 27, ПГО "ГИДРОСПЕЦГЕОЛОГИЯ") г. Курчатов; работы А.С.Аксимова, Р.С.Блинова, А.Ж. Низамова; работ Нижнетагильского филиала УПИ (В.Е.Каплан, Ю.В. Телешов). Большинство работ автора были выпущены в соавторстве с В.Г. Антошевым и Ю.А. Сахаровым (РФЯЦ-ВНИИТФ).
Обработка ранее полученных данных по некоторым объектам подземных ядерных взрывов, систематизация и обобщение характеристик геомагнитных аномалий подземных ядерных взрывов, анализ физико-математических моделей и моделирование, работа по выполнению договора между РФЯЦ-ВНИИТФ и УГТУ-УПИ на разработку специализированного магнитометра на базе POS-1 и его последующая апробация, экспериментальные работы на объектах подземных ядерных взрывов в Оренбургской области и на объекте бывшего Семипалатинского испытательного полигона, а также других техногенных объектах, доработка проекта методического руководства и его экспериментальная отработка, эти работы проводились по инициативе автора, при его непосредственном участии или руководстве.
Благодарности
Автор считает приятной обязанностью поблагодарить своего научного руководителя - заведующего лабораторией электрометрии Института геофизики УрО РАН, доктора геолого-минералогических наук, профессора Валерия Викторовича Кормильцева за настойчивость и поддержку в написании диссертации.
Автор благодарен старшему коллеге по разработке геофизических технологий В.Г.Антошеву и непосредственному начальнику Ю.А.Сахарову без творческого участия которых успешное завершение данной работы было бы невозможным.
Автор признателен А.Н Ратушняку за оказанные консультации по поводу написания диссертации, а также Ю.К. Доломанскому и Ю.В. Каплану за участие и поддержку во время демонстрационного эксперимента магнитометров POS-1 в Италии.
Автор благодарен начальнику лаборатории Квантовой магнитометрии УГТУ-УПИ А.В.Сапунову и всем коллегам данной лаборатории за сотрудничество и разработку магнитометра POS-1.
Автор благодарен Н.Н. Беляшовой - директору ИГИ НЯЦ РК и всем сотрудникам института за сотрудничество и создание условий для проведения экспериментальных работ по данной технологии на бывшем Семипалатинском испытательном полигоне.
Автор признателен директору отдела по Инспекции на месте Временного технического секретариата Подготовительной комиссии Организации Договора о всеобъемлющем запрещении ядерных испытаний В.Б.Крюченкову и его коллегам за приглашения и финансовую поддержку в участии на курсах по обучению инспекторов и в полевых работах в Республике Казахстан.
Фаза гидродинамического воздействия
В фазе гидродинамического воздействия выделившаяся в фазе ядерных реакций энергия приводит к образованию и распространению сильной ударной волны с интенсивностью, меняющейся от нескольких мегабар до нескольких десятков кило-бар [44, 45]. Длительность этой волны составляет несколько миллисекунд. В результате действия ударной волны происходит испарения и плавления, дробление пород окружающих заряд. Появляются зоны смятия, дробления, наведенной радиальной трещиноватости и зоны обрушения. Размеры зон испарения и плавления определяются такими теплофизическими свойствами пород, как давление испарения аисп, давление плавления Стпд, теплоемкость и др. Считается, что если давление достигает Юре (где: р - плотность горной породы [г/см], с - скорость звука в ней [см/с]), то происходит процесс испарения. Объем испарившейся породы может быть рассчитан по формуле: v .кМ (1Л) исп1г.2 V Юре с где: W - мощность взрыва, [кт]; у - показатель адиабаты, у = —-; Ср - теп лоемкость породы при постоянном давлении; Cv - теплоемкость породы при постоянном объеме. Далее по тексту, все формулы данной главы взяты из работ [23, 25, 35]
Радиус испарившейся породы равен: R„cn=k„cnW1/3, (1.2) где кисп в зависимости от характера пород может быть равным 1.8- 2.3. Температура паров составляет несколько тысяч градусов. Исследования показали, что за время, меньшее 100 мкс, испаряется 25- 50 м /кт породы. Менее чем за 300 мкс в гранитах плавится около 100 м3/кт. Радиус зоны плавления равен: Rn. w"3, (1.3) где коэффициент к для крепких скальных пород равен 3.
Величина коэффициентов кисп и к зависит от содержания воды, вязкости, химического состава и других факторов. В горных породах с высоким содержанием воды в результате взрыва образуются полости с большим радиусом. Развитие полости завершается за время, меньшее 1 сек. Дальнейшее расширение полости происходит до того момента, пока давление в ней не уравновесится гидростатическим давлением вмещающих пород. Форма полости близка к сферической [35].
Радиус полости равен: R„=kW1/3, (1.4) где: к - эмпирический коэффициент, интегрально учитывающий горногеологические условия, физико-химические свойства пород и условия взрыва. Например, для гранита к = 7.3, каменной соли и доломита k = 9-Н1, для аллювия и туфа к = 14-5-17.
В зависимости от степени деформации вмещающих пород в пространстве, окружающем полость, выделяются зоны смятия, дробления, радиальной трещиновато-сти и подновленных трещин. Радиус зоны смятия имеет форму шарового слоя и равен: R3CM (1.3 1.6)Rn (1.5)
В этой зоне находится водонепроницаемый, смятый и спрессованный материал, образовавшийся в результате разрушения породы ударной волной с последующим уплотнением при расширении полости. Радиус зоны дробления имеет форму близкую к шаровому слою и равен: RMp«(1.5 2.5)Rn. (1.6) Зона радиальной трещиноватости имеет радиус: Rw„ (3 + 3.5)11,,. (1.7)
В зоне дробления разрушение происходит под действием нормальных сжимающих или сдвиговых напряжений. В зоне радиальных трещин - преимущественно за счет растягивающих азимутальных напряжений за фронтом волны сжатия, благодаря перемещению среды от центра взрыва.
С удалением от центра взрыва зона радиальных трещин переходит в зону подновленных трещин, имеющую радиус: RjTT (5-H0)Rn. (1.8)
Форма зоны подновленных трещин может быть и не сферической. Она определяется существующими естественными структурными нарушениями вмещающих пород.
В верхних слоях геологического разреза отражение ударной волны от свободной поверхности приводит к образованию так называемой зоны "откола". Процессы формирования зоны откола рассмотрены в работах [44,8].
Отраженная волна разряжения при достаточно высокой интенсивности способна привести к образованию разрывов в породах, их расслоению [11, 44]. Из-за явлений откола зона разрушений существенно вытягивается в сторону свободной поверхности. Отколовшиеся слои поднимаются вверх по законам баллистики, образуя щели под свободной поверхностью грунта. При камуфлетных взрывах высота подъема отколовшихся слоев невелика и грунт свободно падает на прежнее место. Оценки размера зоны откола показали, что при взрыве "Salmon" (США) (W=5.3 кт, h=828 м) толщина откольного слоя достигла 12 м, а его радиус около 500 м, при взрыве "Gnome" (США) (W=3 кт, h=365 м) толщина слоя примерно 9 м, радиус 800 м.
Зона откола, образовавшаяся при однократном отражении волны сжатия от свободной поверхности, имеет форму шарового сегмента, поэтому для описания геометрии этой зоны можно ввести параметры:
Скважины "Регион-1" и "Регион-2"
На скважине "Регион-1" проводились площадные измерения Т на площади 30x50 м по сети с шагом измерений 1x1 м (однократные измерения на каждом пике у те) и на площади 8x8 м (устье скважины в центре) с трехкратным повтором измерений на каждом пикете.
Для "Региона-1" AT были получены после обработки измерений по сети на площади 30x50 м . На рис. 21 показано поле ДТ в виде плана изодинам и поверхности.
На рис. 21 видны области положительных и отрицательных значений аномалии AT. Над устьем скважины область положительных значений аномалии, максимум которой равен 48410 нТл. К периферии, от устья скважины, положительная амплитуда аномалии уменьшается. Наибольшее изменение амплитуды наблюдается в северном направлении. В этом направлении, на расстоянии 10 м от устья скважины, аномалия уменьшается до нуля и переходит в область отрицательных значений. Следует заметить, что на "Регионе-1" область отрицательных значений аномалии осложнена многочисленными мелкими аномалиями от посторонних металлических объектов, которые не удалось устранить. Это, в свою очередь, осложняет определение минимума аномалии, связанного с колонной обсадных труб. Однако, по нашим оценкам, минимум расположен на расстоянии около 14 - 22 м и равен -298 нТл. По этой же причине (сложный характер отрицательной части аномалии) невозможно однозначно определить направление оси, соединяющей максимум и минимум аномалии. Приблизительно, направление - юг-север.
Наибольший горизонтальный градиент аномалии AT по результатам измерений выявлен между пикетами 13/16 и 14/16 (1 и 2 метра, соответственно, на север от устья скважины) и равен 24858 нТл/м.
Севернее нулевого уровня аномалии преобладают отрицательные значения AT, южнее - положительные.
Между характеристиками аномалий, полученных по результатам измерений в 1999 г и 2000 г на скважине "Регион-1" (по амплитуде, положению максимума, максимальному горизонтальному градиенту аномалий) наблюдается соответствие.
На скважине "Регион-2" также проведены площадные измерения Т на площади 10x10 м2 с шагом 1x1 м с десятикратным повтором измерений (из-за близости к устью скважины и, как следствия этого, - высокого градиента поля Т) на каждом пи-кете. На площади 30x50 м м по сети с шагом 1x1 м измерения проведены с трехкратным повтором измерений на каждом пикете. Целью данных измерений было детальное выявление с высокой степенью надежности местоположения, амплитуды, формы и градиента аномалии.
Кроме этого, на "Регионе-2" проведены измерения на площади 400x350 м2 с шагом 25x25 м с целью обнаружения периферийной аномалии AT.
Фактически, среднеквадратическая погрешность измерений на "Регионе-2" составила от ±1631 нТл (в сильно градиентном поле, над устьем скважины) до ±0,4-3 нТл (на расстоянии не ближе 40 метров к устью скважины). На "Регионе-1" СКО составило от ±1815 нТл (в сильно градиентном поле, вблизи устья скважины) до ± 1 нТл (на расстоянии 40 метров от устья скважины). Следует заметить, что время измерения Т в точках сети на площади и время измерения Т магнитовариационной станцией (при проведении работ на площади 400x350 м2) было синхронизировано с погрешностью ± 1 секунда, что позволило уменьшить погрешности измерений.
По результатам измерений были построены планы изодинам и изображения в виде поверхностей значений AT, на основании которых были определены характеристики аномалий. На рис. 22 показаны положительные и отрицательные значения ДТ для "Региона-2". Область положительных значений аномалии, максимум которой расположен над устьем скважины, равен 50539 нТл. К периферии от устья скважины положительная часть аномалии затухает. Наиболее сильное затухание наблюдается в северном направлении. В этом направлении, на расстоянии прмерно 10 м от устья скважины, аномалия уменьшается до нуля и переходит в область отрицательных значений. На расстоянии примерно 12 м аномалия достигает своего минимума, равного -361 нТл.
Наибольший горизонтальный градиент аномалии AT по результатам измерений равен 24433 нТл/м и выявлен между пикетами 14/16 и 15/16 (2 и 3 метра, соответственно, на север от устья скважины).
В табл. 7 не приведены данные по скважинам №№ 2-4, т.к. на них проводились измерения AZ, на скважинах №№6-9 измерения AT проводились только по профилям с использованием магнитометра ММП-203, который в виду малой градиенто-устойчивости не позволил сделать измерения вблизи устья скважины. На скважине № 10 измерения над устьем не делались, но получена теоретическая оценка максимума, который равен 29000 нТл [51].
По результатам анализа экспериментальных данных установлено, что наибольшее влияние на максимум аномалии ДТ (над устьем скважины) оказывает геометрический размер обсадных труб, глубина обсадки скважин этими трубами и магнитные свойства забивочного материала. Зависимость максимума аномалии от мощности ПЯВ не установлена. Ниже, в табл. 8 приведены размеры положительной части аномалий AT в эпицентральной зоне (над устьем скважины) по уровню поля 0 нТл. Размеры аномалий AT петрофизического характера по уровню поля от 5 нТл и больше составляет от -1450 до 2000 м (табл. 9). По результатам анализа экспериментальных данных установлено, что данная аномалия является следствием воздействия
На данном объекте в условиях горной местности проводились измерения Т (К.В. Мясников, Л.Н Щекин, А.А. Тер-Семенов, ВНИПИпромтехнологии) по трем площадям, расположенным над стволом штольни и следующих одна за другой. На-чальная площадь (над входом в штольню) - 100x350 м , шаг измерений - 10x50 м. Средняя площадь - 100x175 м2, шаг измерений - 10x25 м. Верхняя площадь (в районе эпицентра ПЯВ) 100x100 м , с шагом 10x10 м. В результате обработки измерений Т были выявлены аномалии AT. На начальной площади была выявлена значительная симметричная, знакопеременная аномалия AT амплитудой 1500 нТл и средней протяженностью более 50 м примерно в 50-120 м от портала. По результатам интерпретации аномалии было установлено, что она создана протяженным, горизонтально расположенным магнитным телом. На средней и верхней площадях были выявлены знакопеременные аномалии с максимальным значением амплитуды 150-180 нТл. По результатам интерпретации аномалии было установлено, что источниками аномалий являлись объекты с меньшей магнитной восприимчивостью - полости. Последующее рассмотрение имеющейся по данному объекту проектно-технологической документации подтвердило наличие в области площадей измерения участка с металлической крепью и двух зон воздействия ПЯВ, проведенных в разные сроки.
Магнитная аномалия от колонны обсадных труб
Для целей технологии ММ (подтверждения проведения ПЯВ в предполагаемой местности на основании интерпретации проведенных магнитных измерений) разработано несколько физико-математических моделей. Но, из-за сложности, многочисленности протекающих при ПЯВ физических воздействий, из-за невозможности полного учета влияния их на магнитные свойства пород и обсадную колонну известные модели не позволили решить задачу по воссозданию истинной картины изменения магнитного поля от ПЯВ. Тем не менее, автор считаю целесообразным провести ниже анализ этих моделей для прояснения их достоинств и недостатков
На сегодняшний день имеется несколько моделей магнитной аномалии от ПЯВ, которые были предложены различными организациями:
В ПГО "Гидроспецгеология" моделирование строилось на эффекте термонамагничивания столба обрушения цилиндрической формы, ограниченного по глубине. Был составлен альбом палеток, по которым теоретически определялся модуль полного вектора магнитной индукции AT на поверхности Земли в зависимости от размеров столба обрушения. Наличие палеток позволяло быстро и просто делать заключения о факте ПЯВ. В дальнейшем выяснилось, что, практически, нет возможности подобрать палетки для всех известных значений аномалий AT;
Во ВНИИпромтехнологии [41,42] было предложено моделировать магнитное поле от вертикально намагниченной сферы и вертикального столбообразного тела с малым поперечным сечением и ограниченной длины. Была разработана программа решения прямой задачи магнитометрии, позволяющая рассчитывать вертикальную составляющую магнитной индукции после ПЯВ. В модели учитывался фактор термонамагничивания сферы пород и вертикального столбообразного тела. Проведенные расчеты с помощью данной модели хотя и были близки, но все же отличались от реальных. Однако, благодаря этому авторы доказали и определили концепцию дальнейшего развития моделирования с учетом того, что кроме термонамагничивания необходимо учитывать другие физические факторы ПЯВ, которые влияют на магнитные свойства;
В Уральском политехническом институте [47] предложили модель на основании приближения обсадной трубы, как тонкой иглы с магнитными зарядами на концах, с возникающей полостью, как сферой с сильномагнитными стенками толщиной 0,2-0,4 от радиуса полости, либо сферой со слабомагнитными стенками, но с сильно намагниченными породами по всему объему. Образование магнитных стенок или магнитных пород внутри сферы связывалось с остаточной термонамагниченностью в результате ПЯВ. По мнению авторов, предложенные приближения не дают возможности адекватно описать магнитное поле в непосредственной близости к устью скважины. Следует заметить, что авторы данной модели выдвинули новую и перспективную концепцию моделирования с элементами искусственного интеллекта. Но, к сожалению, работы по данной модели не удалось завершить из-за отсутствия необходимого количества экспериментальных данных и из-за прекращения научно-исследовательских работ в УПИ по этой теме;
Во ВНИИТФ была предложена модель формирования магнитного поля от обсадной колонны, которая представлялась в виде металлических шариков, или магнитных моментов. Обсадная колонна индуцирует вторичное магнитное поле в естественном магнитном поле Земли от горных пород вблизи центра взрыва, которые подвергаются термонамагничиванию под действием магнитного поля Земли, и от столба обрушения, который "выключает" магнитное поле из-за хаотичного положения кусков горных пород. Количественные параметры, полученные на основании данных приближений для колонны обсадных труб, не соответствовали реальным магнитным аномалиям, возникающим после ПЯВ.
В последующем, эта модель была доработана. Обсадную колонну моделировали эллипсоидом вращения. Задача о магнитном эллипсоиде вращения в постоянном магнитном поле решена в работе [24,28]. В этой модели удалось рассчитать аномалию близкую к измеренной на основании предположения, что наиболее существенный вклад в формировании магнитной аномалии, вносит колонна стальных обсадных труб. Несмотря на это, модель эллипсоида не позволяла воссоздавать аномалию, близкую к реальной при пересчете её в верхнее полупространство (быстрое затухание, чего не происходит в реальных условиях). Однако, в этой работе достаточно хорошо была представлена физическая модель для периферийной аномалии от ПЯВ петрофизического характера, как результата плавления пород и приобретения породами термоостаточной намагниченности;
В Нижнетагильском филиале УПИ [51] предложена модель аномалии от трех магнитных диполей. Эта модель достаточно хорошо согласовалась с экспериментальными данными. Авторы модели отмечают, что "большое количество определяемых параметров не снимает сложности обратной задачи и ее неоднозначности", то есть, "возможно множество приемлемых решений, удовлетворяющих с той или иной погрешностью наблюдаемому полю".
Несмотря на значительное количество вышеперечисленных моделей, следует отметить, что ни одна из них не отражает полного объема физических факторов, влияющих на намагниченность пород и обсадную колонну при проведении ПЯВ. Действительно, учет всех этих факторов является сложной задачей и требует достаточного количества экспериментального материала, постановок модельных экспериментов и дополнительных научно-исследовательских работ.
В настоящей работе, ниже, нами рассмотрен подход физико-математического моделирования на двух примерах. Такой подход может быть использован для технологии ММ и является наиболее подходящим на данный момент. В основу моделирования, рассмотренного на примерах, положены три механизма образования магнитных аномалий при проведении ПЯВ [О.Н. Шубин, В.Н. Ногин, РФЯЦ-ВНИИТФ, 1998 г]. Первый механизм связан с наличием обсадной трубы в скважине, индуцирующей вторичное магнитное поле в естественном магнитном поле Земли
Назначение и основные характеристики технологии ММ
Технология ММ применяется для картирования магнитного поля с целью обнаружения и локализации эпицентральной зоны ПЯВ. Это делается на основе выявления аномалии модуля полного вектора магнитной индукции AT от ферромагнитных конструкционных элементов, которые характерны для скважинных и штольневых ПЯВ, и от зон воздействия ПЯВ на окружающие породы.
Измеряемым параметром является модуль полного вектора магнитной индукции Т на поверхности Земли.
Измерения осуществляются в долях единиц системы СИ - нано Теслах (нТл), в диапазоне 20000 - 100000 нТл. Для высокоточных съемок, предусмотренных технологией, погрешность измерений должна быть не более ±5 нТл. Технология ММ применяется на площади 1x1 км2, определенной по результатам, полученным другими технологиями ИНМ.
Области применения технологии: экспериментально подтверждена её применимость в широком диапазоне мощностей и глубин ПЯВ; время с момента проведения ПЯВ, в течение которого возможна локализация эпицентральной зоны ПЯВ, превышает срок проведения ИНМ и, по экспериментальным данным, составляет десятки лет; время с момента проведения ПЯВ, в течение которого возможно обнаружение характерных динамических изменений Т в эпицентральной зоне ПЯВ составляет до 4.5 месяцев; Технология ММ применима в любых геологических условиях.
Метод измерений В основу технологии ММ положен метод измерения модуля полного вектора магнитной индукции Т, наблюдаемого на поверхности Земли. В эпицентральной зоне ПЯВ возникает локальная аномалия магнитного поля приращений AT, которая рассчитываются из разности: А1— изм" -I мвс где Тизм - измеренный модуль полного вектора магнитной индукции в точках топосети; Тмвс - модуль полного вектора магнитной индукции в специально выбранной точке, измеренный магнитовариационной станцией (МВС).
На поисковом этапе измерения Тизм осуществляются на площади 1x1 км2 по равномерной топосети с шагом 25 м. Шаг топосети 25 м выбран на основании практического опыта. При таком шаге мала вероятность пропуска аномальных точек области положительных значений в районе устья скважины. По результатам экспериментальных данных размер этой области составляет не менее 40x50 м. В тоже время, работа с топосетью такого шага не требует больших затрат по времени.
На этапе локализации на площади 100x100 м2 по равномерной топосети с шагом 5 м и последующим уменьшением шага до 1 м на площади 50x50 м2, с целью детального выявления местоположения, формы, амплитуды и динамических изменений аномалии AT. Разбивка локализационного этапа на последовательные измерения по двум площадям связана с повышением производительности. Может оказаться, что на поисковом этапе будет обнаружено несколько аномалий, с которыми необходимо прояснять ситуацию на этапе локализации. По результатам измерений по сети 5x5 м на площади 100x100 м будут установлены предварительные характеристики аномалии и станет ясно, относится данная аномалия к искомой или нет. Т.е. при малых затратах времени можно обработать несколько площадей. В случае, если аномалия по своим характеристикам похожа на искомую, то проводится съемка на площади 50x50 м2 с шагом 1x1 м для выявления характеристик аномалии с минимальной погрешностью. Одновременно с измерением Тизм осуществляется измерение Тмвс - фактически изменяющегося на величину солнечно-суточных вариаций фонового значения модуля полного вектора магнитной индукции. Магнитометр, который устанавливается в качестве МВС, должен располагаться на расстоянии 1.5-2 км от поисковой площади. Такое расстояние выбирается для того, чтобы обеспечить измерения в одинаковых геологических условиях. Синхронность измерений (±1 с), которую можно установить для МВС и магнитометра работающего в поле, а также одинаковые геологические условия работы приборов, позволяют достигать минимальных погрешностей измерений. Так, при отработке технологии ММ в поле с нормальным градиентом (2 нТл/м) удалось провести измерения со среднеквадратической погрешностью ±1-3 нТл, в сильноградиентном поле (10000 - 20000 нТл/м) над устьем скважины погрешность составляет ± 1600 - 1800 нТл.
Максимальная амплитуда Тизм соответствует устью скважины, в которой проведен ПЯВ, и, по опыту работы, составляет 67000 - 114000 нТл, а максимальное значения AT составляет 10300 - 56000 нТл (эти аномалии связаны с ферромагнитными обсадными трубами). При этом, наблюдаемые аномалии имеют сильноградиентный характер, с градиентом 24500-44000нТл/м, и протяженность по уровню AT 0 нТл, от 40x50 до 160x120 метров. По форме - аномалии двухполюсные, близкие к плоскосимметричным. Обобщенные характеристики аномалии приведены в табл. 10.
Погрешность определения координат центра аномалии от ПЯВ зависит от масштаба съемки. Для равномерной топосети с шагом 25x25 м погрешность составляет половину шага и равна 12,5 м. Для равномерной топосети с шагом 1 м погрешность составляет 0,5 м.
По результатам изменений Т для ПЯВ, проведенного в штольне, аномалия ДТ симметричная, знакопеременная, амплитудой до 1500 нТл и средней протяженностью более 50 м ( в 50-120 м от портала). В эпицентральной зоне для штольни аномалия знакопеременная с максимальным значением амплитуды 150-180 нТл.
Средства измерений
При выполнении измерений применяется магнитометр пешеходный протонный, на эффекте Оверхаузера POS -1 (2 комплекта). Один из магнитометров служит для измерения модуля полного вектора магнитной индукции Тизм по топосети и интегрирован с приемником GPS. Другой магнитометр используется в качестве магни-товариационной станции (МВС). Основные технические характеристики магнитометра POS-1 представлены в табл. 17.
