Введение к работе
Актуальность темы. Информация о строении геоэлектрического разреза (ГЭР) используется для решения широкого круга задач радиофизики и радиотехники, геоэлектрики, электроэнергетики и электромагнитной совместимости технических систем. Электрические свойства подстилающей среды существенно влияют на возбуждение и распространение электромагнитных волн. Практический интерес представляет создание прогнозных карт геоэлектрических разрезов различных территорий, учитывающих слоистую структуру подстилающей среды.
В последние годы развиваются радиоимпедансные методы исследования земной коры, в частности, метод радкоэлектромагнитного зондирования и профилирования (РЭМЗ-РЭМП). В связи с этим становится актуальной проблема достоверной и оперативной интерпретации данных радиоимпедансного зондирования. К числу наиболее сложных задач, возникающих на этапе количественной интерпретации экспериментальных кривых РЭМЗ, относится обратная - восстановление параметров геоэлектрического разреза (удельные сопротивления р„ диэлектрические проницаемости є, и мощности слоев /г,) по частотной зависимости поверхностного импеданса. Анализ литературных данных но решению обратной задачи радиоимпедансного зондирования выявил малочисленность и ограниченность этих исследований, в основном, рамками двухслойной среды. Кроме того, они не дают возможности определения диэлектрической проницаемости „ хотя на высоких частотах, в условиях высокоомных геоэлектрических разрезов, влияние токов смещения становится существенным или преобладающим. Необходимо разработать методы интерпретации данных радиоимпедансного зондирования, дающие возможность восстанавливать все параметры геоэлектрического разреза с учетом имеющейся априорной информации и пригодной как для любого частотного диапазона, так и для любого количества слоев.
Цель работы заключается в разработке метода определения параметров геоэлектрического разреза слоистой полупроводящей среды по частотной зависимости поверхностного импеданса.
Основные задачи, которые решались в диссертации:
разработка алгоритмов и программного обеспечения для решения прямых и обратных задач радиоимпедансного зондирования;
оценка эффективности алгоритма определения параметров слоистой полупроводящей среды (р„ „ А,) по частотной зависимости поверхностного импеданса для различных типов ГОР;
?
анализ и интерпретация данных радио им педансных зондирований в СНЧ-ОНЧ-НЧ-ВЧ диапазонах;
исследование статистических характеристик поверхностного импеданса в ОНЧ-НЧ диапазонах;
создание прогнозных карт ГЭР территорий Евразии, Антарктиды и Австралии.
Научная новизна полученных в диссертации результатов заключается в том, что впервые:
предложен и реализован метод определения параметров геоэлек-трического разреза на основе метода регуляризации. Отличительной особенностью его является возможность оперативного определения структуры и электрических свойств многослойных геозлектрическігх разрезов по данным измерений частотных зависимостей поверхностного импеданса;
исследованы статистические характеристики (модуль и фаза поверхностного импеданса) в ОНЧ-НЧ диапазонах радиоволн;
создана серия карт электрических свойств различных районов Земли;
исследованы электрические характеристики слоистых природных сред в ОНЧ-НЧ-СЧ-ВЧ диапазонах радиоволн.
Практическая значимость. Результаты исследований могут использоваться в радиофизике и геофизике при решении обратных задач. Они могут найти широкое применение как в научных исследованиях, так и при решении прикладных задач бесконтактной радиоинтроскопии. Разработанные алгоритмы и программы для решения арямых и обратных задач радиоимпедансного зондирования позволяют эффективно проводить интерпретацию экспериментальных частотных зависимостей поверхностного импеданса непосредственно, в полевых условиях. Они использованы при внедрении новой высокоэффективной системы бесконтактной диагностики и мониторинга земной коры, обладающей повышенной чувствительностью, информативностью и глубинностью. С их помощью определены параметры свыше 300 геоэлектрических разрезов.
Предложенный метод решения обратной задачи для слоистой импе-дансной среды и разработанная в СПбГУ портативная аппаратура для измерения частотной зависимости поверхностного импеданса с использованием полей радиостанций позволяют заменить метод вертикального электрического зондирования (ВЭЗ) при проведении изысканий в телекоммуникационной отрасли, электроэнергетике и инженерной геофизике (расчет заземлителей, выбор трасс кабельных линий, мест расположения радиостанций и др.).
Построенные прогнозные карты позволили увеличить точность расчетов электромагнитных полей по сравнению с существующей картой Моргана-Максвелла. Карты СЭР стали основой создания атласа цифровых карі.'
На защиту выносятся следующие положения и результаты:
1. Метод интерпретации данных радиоимнедансных зондирований, состоящий в решении обратной задачи на основе метода регуляризации А.Н.Тихонова, который позволяет восстанавливать структуру и электрические свойства многослойных геоэлектрических разрезов по частотной зависимости поверхностного импеданса.
2.Результаты интерпретации экспериментальных данных, полученных на различных средах в широком диапазоне радиоволн, подтверждающие эффективность разработанного метода при решении практических задач радиозондирования слоистых сред.
3.Результаты оценки погрешности определения параметров типичных'двухслойных ГЭР, свидетельствующие о том, что погрешность определения параметров ГЭР для существующих типов импедансиетров не превышает ± 13% по толщине и удельному сопротивлению слоя.
4.Поверхностный импеданс однотипного' комплекса горных пород
соответствует логнормальному закону распределения для \б\, Re S, Im S\\
нормальному - для q>s. Действие различных природных факторов и изме
нение частоты приводят к изменению параметров статистических моде
лей с сохранением закона распределения.
Апробация работы. Основные результаты работ, составляющих содержание диссертации, докладывались на Всесоюзном совещании по диалоговым информационно-вычислительным системам (Иркутск, 1986), III отраслевой научно-технической конференции по проблемам радиоканалов систем передачи и обработки информации (Москва, 1989), Всесоюзном совещании по приземному распространению радиоволн и ЭМС (Улан-Удэ, 1990), XVII Межведомственном семинаре по распространению километровых и более длинных радиоволн (Томск, 1991), IX International Symposium on EMC (Zurich, 1991), научно-практической конференции «Прием и анализ сверхнизкочастотных колебаний естественного происхождения (Улан-Удэ, 1993), International Symposium on Electromagnetic Environments and Consequences (Bordeaux, 1994), Региональной научной конференции, посвященной 100-летию изобретения радио (Иркутск, 1995), Российской научно-технической конференции по дифракции и распространению волн (Улан-Удэ, 1996), годичных научных сессиях БНЦ СО РАН (1986, 1989, 1990, 1994).
Пакет программ "Импеданс" включен в Государственный фонд алгоритмов и программ, в 1988 г. удостоен И премии на республиканском конкурсе на лучшее программное средство.
Публикация результатов. По теме диссертации опубликовано 17 статей и докладов и 19 тезисов докладов.
Достоверность полученных результатов подтверждается данными численного моделирования, хорошим количественным совпадением рас-четно-теоретических результатов с данными экспериментов, значительным объемом статистического материала. Полученные характеристики слоистых сред находятся в качественном и количественном согласии с результатами независимых исследований других авторов.
Личный вклад автора состоит в разработке алгоритмов, создании программ и карт, обработке и интерпретации полученных результатов, участии в экспедиционных работах по темам: "Терлик-РВО" (гос.рег. № Х85435), "Тамсаг-АН", "Земля-Б".
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы. Общий объем диссертации - 138 страниц машинописного текста, включая 31 рисунок, 17 таблиц и список цитированной литературы из 124 наименований.