Дифференциальный метод извлечения геофизической информации из шумового электромагнитного поля Земли Потылицын Вадим Сергеевич

Введение к работе

Актуальность темы. Современная электроразведка решает широкий круг геологических задач и объединяет группу методов прикладной геофизики, основанных на наблюдении и изучении особенностей распределения характеристик электромагнитных полей естественного или искусственного происхождения, обусловленного дифференциацией горных пород и руд по физическим свойствам (удельной электропроводности, диэлектрической проницаемости, магнитной проницаемости, вызванной поляризуемости и др.).

При поиске полиметаллических руд наибольшую эффективность дает метод вызванной поляризации (ВП), заключающийся в возбуждении геологического разреза импульсным или гармоническим током с помощью заземленной питающей линии и регистрации переходной или фазовой характеристик электрического поля, получаемых с приемной линии.

Физической основой метода ВП является заряд границы раздела электронно-проводящего рудного тела и ионопроводящей среды. Проходящий через среду поляризующий ток наблюдается на поверхности земли в виде электрического потенциала разряда указанной границы.

Применение метода ВП в горно-таежной местности осложняется необходимостью использования достаточно мощных источников возбуждающего тока (от 100–10000 Вт), требует раскладки по профилю наблюдений длинной питающей линии (1–3км), что обуславливает большие трудозатраты и стоимость работ.

Метод вызванной поляризации основанный на извлечении информации из естественного электромагнитного поля Земли (ВП ЕЭМПЗ) впервые был предложен Шайдуровым Г. Я. в 1972 г. Алгоритмы и программа обработки сигналов ЕЭМПЗ с созданием и испытанием экспериментальных макетов полевых приборов серии Шум-1 – Шум-5 разрабатывались в кандидатской диссертации доцента Красноярского политехнического института Борисова Н. А.

Полевые испытания на титаномагниевом месторождении в Белоруссии (1975),
Алтайской геолого-геофизической экспедиции на одном из месторождения Алтая (1980)
показали неустойчивость результатов из-за существенной пространственной

нестационарности поля ЕЭМПЗ и нестационарности его спектра.

К тому же электронная элементная база, использованная в то время для создания полевых приборов, не позволяла в полной мере реализовать этот метод и решить проблему инвариантности измерений параметров ВП относительно случайно изменяемых характеристик ЕЭМПЗ.

По данным зарубежной печати ЕЭМПЗ использовалось в Индии для картирования методом кажущегося сопротивления.

В диссертации поставлена задача разработки методов и алгоритмов, которые позволяют извлекать геофизическую информацию из естественного электромагнитного поля Земли и устраняют вышеперечисленные недостатки.

В диссертационной работе даётся обоснование новых возможностей извлечения геофизической информации о потенциалах ВП из естественного электромагнитного поля Земли (ЕЭМПЗ), с использованием современных радиоэлектронных средств и вычислительной техники.

Целью работы является разработка дифференциального фазового метода ВП ЕЭМПЗ, максимально инвариантного к изменениям измеряемых параметров по спектру, времени и пространству. Работа включает в себя следующие задачи исследования:

1. Аналитический обзор информации по статистическим параметрам естественного электромагнитного поля земли.

2. Разработку алгоритмов обнаружения объектов с использованием естественных электромагнитных шумов.

3. Исследование поведения алгоритмов обработки сигналов ЕЭМПЗ в нестационарных полях.

4. Исследование влияния пространственной неоднородности сигналов ЕЭМПЗ, а также их нестационарности по спектру на инвариантность измерений.

5. Исследование зависимости информационных параметров от изменений структуры и спектра поля во времени.

6. Разработка математической модели

7. Оптимизация методов и алгоритмов извлечения информации из ЕЭМПЗ

8. Разработка структуры прибора и экспериментального макета.

9. Проведение баковых лабораторных и полевых испытаний макета прибора.
Методика исследований. Для решения поставленных задач в работе использовались

следующие методы исследований:

9. Теоретические исследования на основе современных представлений образования двойного электрического слоя на границе раздела электронный проводник-ионопроводящая среда;

10. Разработка алгоритмов и методики обнаружения объектов в случайных полях с использованием вычислительного моделирования;

11. Лабораторные и полевые натурные испытания;

12. Сравнение результатов экспериментальных и полевых исследований с расчётами по математической модели.

Научная новизна:

1. Впервые разработаны алгоритмы обработки информации для метода вызванной поляризации на основе использования естественного электромагнитного поля Земли, учитывающие его неоднородность по пространству и нестационарность по времени, в

диапазоне частот 0.1 – 20 Гц, минимизирующие влияние изменений параметров поляризующего поля.

2. Теоретическим путем определен оптимальный алгоритм выделения информации о ВП из ЕЭМПЗ, по критерию чувствительности к параметру ВП, что позволяет уменьшить время наблюдения на точке в полосе частот 0,1 – 20 Гц регистрируемых шумовых сигналов, поступающих со смежных измерительных линий дифференциальной установки.

3. Показана возможность использования поля внешних электромагнитных помех, в качестве дополнительного источника поляризующего тока;

4. Впервые разработана полевая аппаратура на основе измерительного алгоритма метода ВП ЕЭМПЗ на современной электронной базе, уменьшающая время измерений на отсчетном пикете;

5. Впервые в полевой практике по нескольким профилям на рудном месторождении доказана работоспособность запатентованного с участием диссертанта алгоритма и метода ВП ЕЭМПЗ, его преимущество по времени измерений и чувствительности перед классической установкой с активной питающей линией.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Дифференциальный метод, извлечения геофизической информации из естественного электромагнитного поля Земли, основанный на использовании пассивной трехэлектродной измерительной установки, которая позволяет уменьшить влияние неоднородности параметров ЕЭМПЗ по пространству.

2. Алгоритм обработки информации о потенциалах вызванной поляризации, ослабляющий влияние изменений во времени параметров естественного электромагнитного поля Земли;

3. Показано, что дифференциальный метод позволяет уменьшить время обработки сигналов ЕЭМПЗ и обеспечивает более высокую помехоустойчивость по отношению к импульсному методу ВП.

4. Подтверждена работоспособность разработанного алгоритма и метода экспериментальным путем в лабораторных и полевых условиях.

Апробация работы: Основные результаты представлены на:

5. Всероссийской научно-технической конференции «СОВРЕМЕННЫЕ ПРОБЛЕМЫ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ», посвященной 112-ой годовщине дня радио, г. Красноярск, 2009;

6. Всероссийской научно-технической конференции «СОВРЕМЕННЫЕ ПРОБЛЕМЫ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ», посвященной 115-ой годовщине дня радио, г. Красноярск, 2012;

7. Всероссийской научно-технической конференции «СОВРЕМЕННЫЕ ПРОБЛЕМЫ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ», посвященной 116-ой годовщине дня радио, г. Красноярск, 2013;

4. Всероссийской научно-технической конференции «СОВРЕМЕННЫЕ ПРОБЛЕМЫ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ», посвященной 117-ой годовщине дня радио, г. Красноярск, 2014;

5. Всероссийской научно-технической конференции «СОВРЕМЕННЫЕ ПРОБЛЕМЫ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ», посвященной 118-ой годовщине дня радио, г. Красноярск, 2015;

6. VIII международной IEEE Сибирской конференции по управлению и связи SIBCON-2011, г. Красноярск, 2011 г.;

7. X международной IEEE Сибирской конференции по управлению и связи SIBCON-2013, г. Красноярск, 2013 г.;

8. XII международной IEEE Сибирской конференции по управлению и связи SIBCON-2015, г. Омск, 2015 г.

9. XIII международной IEEE Сибирской конференции по управлению и связи SIBCON-2016, г. Москва, 2016 г.

Личный вклад автора:

1. Исследование теоретических вопросов, расчеты и моделирование предлагаемых алгоритмов обнаружения объектов;

2. Моделирование электрической модели прибора и испытание данной электрической модели;

3. Разработка структуры прибора;

4. Разработка, создание и лабораторные испытания макета прибора для поиска руд цветных металлов;

5. Проведение экспериментальных исследований на модели рудного тела с использованием макета прибора;

6. Разработка, создание и лабораторные испытания экспериментального образца прибора “Шум-6”;

7. Проведение полевых испытаний прибора “ШУМ-6” на железно-рудном месторождение “Самсон” в Хакасии (Ширинский район).

Публикации: По теме работы опубликовано 20 работ. Из них 6 публикации из списка ВАК, 2 публикация входит в базу Scopus, 3 патента, 8 работ опубликованы в сборниках трудов научных конференций, 3 в печатных изданиях.

Структура и объем диссертации: Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения списка литературы. Работа содержит 140 страниц текста, 74 рисунков, 8 таблиц. Список литературы состоит из 144 наименований.

Благодарности: Автор благодарит научного руководителя засл. деятеля науки и техники РФ, д.т.н., проф. Шайдурова Г. Я. за постоянную помощь в работе, полезные советы и поддержку на протяжении всех этапов исследования. Искренняя благодарность руководству и всему коллективу научно-исследовательской лаборатории радиофизики ВИИ СФУ: доценту

Романовой Г. Н. за помощь при проведении математического моделирования, инженеру Артемьеву К. А. за помощь при проведении полевых экспериментов, к.т.н., доц. Кудинову Д. С. за участие в подготовке и реализации экспериментов.