Размещено на http://allbest.ru

Методические указания

Экологическая геофизика

Введение

геологический зондирование сейсморазведка георадиолокационный

Геофизические дисциплины относятся к наукам, занимающимися фундаментальными и прикладными исследованиями Земли. В них изучаются и исследуются физические поля, деформация которых в земной коре обусловливает геофизические аномалии над геологическими объектами. На этом основаны разработка и применение геофизических методов, служащих одним из инструментов проведения научно-исследовательских и производственных геологических работ.

Настоящие методические указания преследуют цель получения студентами экспериментальных материалов по результатам измерений на геофизических приборах в условиях, приближенных к полевым (на эталонных площадках территории Южного Федерального университета). Последующая компьютерная обработка данных и их геологическое истолкование развивают научно-исследовательскую составляющую учебного процесса и способствуют более глубокому освоению геофизической дисциплины, её роли и места в науках о Земле.

Учебно-методическое пособие рекомендуется для студентов, обучающихся по направлению «Прикладная геология, «Экология и природопользование», и может быть использовано студентами других направлений подготовки.

Практическое занятие № 1. Электроразведочные исследования методом вертикального электрического зондирования (ВЭЗ)

Цель работы:1) практические навыки работы с установкой ВЭЗ на эталонной площадке, 2) Построение кривых электрозондирования и их качественное истолкование.

Аппаратура, материалы и принадлежности: комплект аппаратуры ЭРА-ЗНАК (переносной генератор и измеритель на частоте 4,88 Гц), две электроразведочные катушки с геофизическим проводом марки ГСМПО, стальные электроды (питающие и измерительные), комплект соединительных проводов, мерная лента, диэлектрический коврик, три облегченных молотка-кувалды, комплект электроразведочных принадлежностей (гаечные ключи, изолента, нож и др.), журнал полевых наблюдений, набор теоретических кривых ВЭЗ, компьютер для обработки результатов измерений в лабораторных условиях.

Порядок проведения работы

Изучение сущности ВЭЗ.

Проведение полевых наблюдений ВЭЗ на эталонной площадке в двух-трех точках.

Первичная обработка результатов наблюдений, построение кривых ВЭЗ, составление отчёта.

Пояснения к работе

Сущность электрического зондирования (ЭЗ) в так называемом "электробурении", то есть изучении земной коры на глубину. Как правило, используется постоянный или же переменный, низкой частоты ток. Электрическое поле создается в среде установкой, состоящей из двух электродов (питающих), которым присваиваются индексы A и B, соединительных проводов и генератора тока. Параметры (составляющие) поля измеряются с помощью установки, которая также состоит из двух электродов, но с индексами M и N и которые посредством проводов подключаются к измерителю (микровольтметру). Электроды A,B,M и N представляют собой металлические штыри, погружаемые в землю. В совокупности с соединительными проводами, генератором и измерителем они создают типовую четырёхэлектродную электроразведочную установку. Специальное последовательное изменение геометрических параметров этой установки и приводит к эффекту "электробурения".

Модификаций и технологий ЭЗ достаточно много (не менее первого десятка). Наиболее применяемые из них вертикальное электрическое зондирование (ВЭЗ), дипольное осевое зондирование (ДОЗ), электропотенциальное томографическое зондирование (ЭПТЗ) и др. Все они используются для изучения геологических разрезов, в которых слои толщиной (мощностью) h₁, h₂, h₃,….. h_N-1 отличаются по удельному электрическому сопротивлению с₁, с₂, с₃,…..с_N. При этом, "идеальными" считаются геологические разрезы, в которых по мере увеличения глубины каждый последующий слой по толщине h больше суммы толщин предыдущих слоев (рисунок 1).

Рисунок 1 Модель геоэлектрического разреза для ВЭЗ

В реальных геологических разрезах, однако, такие случаи крайне редки. Поэтому процесс изучения по данным электрического зондирования геологических разрезов на глубину (интерпретация кривых) в большинстве случаев весьма сложен. К тому же кривые искажаются за счет влияния приповерхностных неоднородностей, если на них попадают (над ними размещаются) линии АВ или MN.

Технология выполнения ВЭЗ следующая. На поверхности земли собирается установка, состоящая из двух питающих электродов А и В и двух измерительных (приемных) электродов М и N, расположенных симметрично относительно центра (точки зондирования). Через электроды А и В от батареи или генератора в землю поступает электрический ток силой I, а между приемными электродами М и N измеряют разность потенциалов ДU. Сделав первый замер, увеличивают разнос АВ примерно на 20 % и вновь измеряют силу тока I и разность потенциалов ДU. На одной стоянке прибора выполняют 20-25 измерений при последовательном увеличении разносов. Максимальные разносы выбирают исходя из заданной глубины исследования, которую оценивают приближенно по формуле (Ж_эф)_mах ? 0,1АВ. На каждом разносе по результатам измерений вычисляют кажущееся удельное сопротивление с_к. Выражение для вычисления с_к имеет вид (1):

, (1),

где k определяется по формуле (2):

. (2).

Конструктивно установка ВЭЗ выполняется из двух идентичных крыльев АО и ОВ, смонтированных из провода марки ГСМПО (рисунок 2). На проводах специальными метками отмечаются соответствующие разносы r = АВ/2. Длина приемной линии MN не превышает 1/5 АВ. К₁,К₂ - катушки с проводом; Г - генератор, И - измеритель, A,B,M,N - питающие и измерительные электроды; пунктиром показаны токовые линии



Рисунок 2 Схема установки вертикального электрического зондирования

Электрические зондирования можно выполнить постоянным или переменным током низкой частоты. Используется электроразведочная аппаратура ЭРА-В-ЗНАК (рисунок 3). Она применяется при электрических зондированиях с максимальными разносами АВ до 1000 м и позволяет создавать в земной коре ток силой до 100 мА с измерением сигналов электрического поля более 0,01 мВ.

Рисунок 3 Общий вид аппаратуры ЭРА-В-ЗНАК

Особенность аппаратуры состоит в том, что она предназначена для проведения электроразведочных работ на частотах 4,88, 625 Гц и постоянном токе методами сопротивлений, заряда, естественного постоянного электрического поля. На частоте 625 Гц аппаратура дополнительно обеспечивает возможность выполнения наблюдений с незаземленными рабочими линиями при любом типе поверхностного покрова - каменные осыпи (курумы), скальный и мерзлый грунт, сухие пески, снежно-ледовый покров, асфальтовые и бетонные покрытия. Аппаратура приспособлена для работы в городских условиях с высоким уровнем техногенных помех.

Выполнения полевых работ начинается с монтажа на точке зондирования линейной электроразведочной установки AMNB и подсоединения к ней генератора и измерителя. Первоначально включают измеритель кнопкой «F». Последовательное нажатие этой кнопки изменяет режимы (0 - контроль питания, 1 - измерения на частоте 4,88 Гц, 2 - измерения на частоте 625 Гц). Нажатие на измерителе кнопки «» переключает поддиапазоны измерений от наиболее грубого (=0) до наиболее чувствительного (=4). Все измерения необходимо начинать на наиболее грубом поддиапазоне (=0), последовательно повышая чувствительность так, чтобы отсчёт «n» цифрового табло на всех поддиапазонах, кроме наиболее чувствительного, был не менее 100-200. Одновременное нажатие кнопок «F» и «» выключает измеритель независимо от режима, в котором он находится. Включение генератора производится переводом тумблера «ВКЛ.ПИТ.» или в положение «ВНУТР» или «ВНЕШ», в зависимости от подсоединённого (внешнего или внутреннего) источника питания. Переключателем «» устанавливается выходной ток, достаточный для устойчивых измерений (как правило, для разносов АВ < 200 м сила тока не превышает 10-50 мА). При этом переход с одного диапазона на другой производится только при выключенном генераторе.

Для удобства и ускорения полевых наблюдений разработаны типовые таблицы ВЭЗ, которые включают рекомендуемые для рядовых и детальных зондирований полуразносы линий АВ и MN и соответствующие им значения коэффициента установки (k). В полевых журналах дополнительно предусматриваются графы для занесения измеренных в процессе ВЭЗ значений I и ДU и вычисленных значений с_к (таблица 1).

Таблица 1 Журнал для симметричных AMNB установок ВЭЗ

Профиль__________________________ Начало, конец наблюдений______________ ПК центра MN_____________________ Погода_______________________________
№ точки	AB/2, м	MN/2, м	k	ДU, мВ	I, мА	сk, Ом м	Примечание
1	0,4	0,125	1,813
2	0,75	0,125	6,869
3	1,5	0,125	28,06
4	1,5	0,5	6,28
5	2	0,125	50,04
6	2	0,5	11,78
7	2,5	0,5	18,84
8	3	0,5	27,47
9	3,5	0,5	37,68
10	4	0,5	49,45
11	5	0,5	77,71
12	6	0,5	112,2
13	7,5	0,5	175,8
14	9	0,5	253,5
15	11	0,5	379,2
16	13	0,5	529,9
17	15	0,5	705,7
18	15	5	62,8
19	20	0,5	1255
20	20	5	117,8
21	25	5	188,4
22	30	5	274,8
23	40	5	494,6
24	60	5	1122
25	75	5	1758
26	90	5	2536
27	90	30	376,8
28	110	5	3792
29	110	30	586,1

Результаты ВЭЗ изображают графически в виде кривой изменения кажущегося сопротивления с_к в зависимости от разноса r = АВ/2. Графики строят в билогарифмическом масштабе с использованием стандартных компьютерных программ типа EXCEL (рисунок 4).



Рисунок 4 Пример построения кривой ВЭЗ

Площадка выполнения работ методом ВЭЗ находится в западном жилом массиве Советского района г. Ростова-на-Дону по улице Зорге между зданиями Геолого-географического и Химического факультетов Южного Федерального университета. Участок представляет собой ровную газонного вида поверхность, где отсутствуют строения. Через площадку проходят подземные трассы водопровода, теплоснабжения и телефонных кабелей. План-схема площадки приведена на рисунке 5, а геологическая колонка по данным инженерно-геологических изысканий на рисунке 6. Результаты документации проведенного бурения показывают, что геологический разрез, в котором проложены подземные коммуникации, сверху вниз представлен насыпным слоем из суглинка, перемешанного со строительным мусором. Мощность толщи 2,7-2,9 м. Ниже по разрезу залегают темно-серые суглинки однородного состава с буроватым оттенком, местами перемежаемые с растительными остатками. Суглинки являются водонасыщенными. Уровень грунтовых вод (УГВ) в осенний период фиксируется на глубинах 4,5-4,8 м. Водоупором являются глины, кровля которых уверенно отмечается и по данным бурения и по результатам статического зондирования (пенетрационного каротажа).



Рисунок 5 Схема площадки изучения геологического разреза методом ВЭЗ

Рисунок 6 Геологический разрез верхней части грунтовой толщи на эталонной площадке по ул. Зорге в г. Ростове-на-Дону А) - фактический разрез, Б) модель геологического разреза, используемая при интерпретации кривых ВЭЗ

Содержание отчета

1. Название и цель работы.

2. Сущность ВЭЗ и описание методики полевых работ.

3. Компьютерная обработка результатов полевых наблюдений, включая графические построения.

4. Основные результаты и выводы по работе.

Практическое занятие № 2. Магнитометрический метод изучения геологических разрезов на примере исследования трасс подземных коммуникаций

Цель работы: выявление и картирование магниторазведочным методом магистральных стальных трубопроводов.

Аппаратура и оборудование: переносной квантовый магнитометр ММ 60 М, мерная лента, журнал полевых наблюдений, компьютер для обработки результатов измерений в лабораторных условиях.

Порядок проведения работы

1. Изучение сущности магниторазведочного метода.

2. Проведение полевых наблюдений с переносным квантовым магнитометром ММ 60 М на эталонной площадке.

3. Компьютерная обработка результатов измерений, построение план-графиков.

4. Качественная и полуколичественная интерпретация полученных материалов, составление отчёта.

Пояснения к работе

Магниторазведочный метод может успешно применяться для обнаружения, картирования и диагностирования технического состояния стальных трубопроводов. Основой являются магнитометрические измерения деформаций магнитного поля Земли, напряженность которого в северном полушарии меняется от 33000 до 66000 нТл. Работы по магнитометрическим измерениям над стальными трубами, как правило, проводятся на участках, несравнимо малых по отношению к размерам Земли. Магнитное поле условного диполя таких участков считается постоянным. Его называют нормальным магнитным полем.

Стальные трубы, как изучаемые объекты, намагнитившись магнитным полем, создают вокруг себя и на поверхности земли аномальные поля, которые, складываясь с нормальным полем, деформируют его и создают общее суммарное магнитное поле. Измеряя специальными приборами - магнитометрами на поверхности земли отдельные элементы суммарного магнитного поля, а затем вычитая из них значения нормального поля, можно в чистом виде получить аномальное поле, связанное с целевым объектом. Анализируя это поле, можно сделать заключение о месте расположения, глубине залегания и магнитных характеристиках трубы.

Процесс магнитной съемки в первой своей части сводится к отысканию и выделению аномалий только от целевого объекта, т. е. выполнению самой магнитной съемки, а во второй части к интерпретации полученных аномалий, т. е. определению параметров целевого объекта. Выбор методики магнитной съемки целиком определяется характеристиками целевого объекта и поставленной задачей. Магнитные наблюдения производят либо по профилю, либо по системе профилей, расположенных в пределах изучаемой площади. Сеть наблюдений создается и закрепляется на местности до начала магнитной съемки в ходе обязательных топогеодезических работ. Для надежного обнаружения аномалий расстояние между профилями должно быть по крайней мере в 2 раза меньше протяженности исследуемой аномалии, а расстояние между точками на профиле в 2 раза меньше ширины аномалии. При детальных исследованиях шаг наблюдений сгущается от 3 до 5 раз. Таким образом, сеть наблюдений определяется ожидаемыми размерами аномалий. В свою очередь, ожидаемые размеры аномалий определяются исследователем, исходя из предварительной информации об объекте исследования: размеры объекта, глубина залегания, его магнитные свойства.

При изучении трубопроводов в задачу исследователя входит определение их местоположения. При этом профиль наблюдения должен располагаться перпендикулярно ожидаемому простиранию трубопровода (рисунок 7).



Рисунок 7 Методика магнитной съемки при поиске трубопровода

Далее путём рекогносцировочных измерений определяют положения трубопровода и после этого переходят к производству магнитной съемки по системе профилей. Такая съемка называется площадной. На графиках отчетливо прослеживается ось труб теплосети по максимальным значениям наблюденного поля Т (рисунок 8).

Рисунок 8 Графики магнитного поля над трубами теплосети

Результаты съёмки позволяют изучить характер распределения магнитного поля в плане и выявить не только местоположение трубопровода, но и особенности магнитного поля, связанные с различными марками стали отдельных видов труб, разными способами их изготовления и др.

Методические указания

Перед началом наблюдений собираются априорные сведения об участке работ, производится визирование на дневной поверхности линии прохождения трассы подземных трубопроводов, создается система профилей с закреплением на местности начальных и конечных пикетов на каждом профиле. Расстояние между профилями выбирается в соответствии с длиной картируемой трассы трубопроводов, которую необходимо «подсечь» не менее 5-7 раз. Расстояние между точками измерения по каждому профилю должно быть в 2 раза меньше диаметра картируемой трубы.

Магнитометрическая съемка производится с использованием квантового магнитометра ММ 60 М. Блок-схема магнитометра приведена на рисунке 9.

Рисунок 9 Блок-схема магнитометра ММ 60 М

Д.П.-- датчик поля, Вх.У. -- входное устройство, У.М. -- усилитель мощности, С - смеситель, У.П.Ч. -- усилитель промежуточной частоты, Д -- детектор, Э.З.К. -- электронная записная книжка, Г.П.Ч. -- генератор промежуточной частоты, Б.П. -- блок питания, П.Н. -- преобразователь напряжения

Измерения на профилях выполняются геофизическим отрядом из 2-х человек (рисунок 10). Порядок проведения измерений сводится к включению прибора и записи значений суммарного вектора напряжённости магнитного поля на каждой точке профиля после нажатия кнопки «ПУСК».



Рисунок 10 Измерения на профиле с квантовым магнитометром ММ 60М

Территория эталонной площадки находится в западном жилом массиве Советского района г. Ростова-на-Дону по улице Зорге и расположена между зданиями Геолого-географического и Химического факультетов Южного Федерального университета. Участок работ представляет собой ровную газонного вида поверхность, где отсутствуют строения. Грунт, в котором проложены подземные коммуникации, представлен темно-серыми суглинками однородного состава с буроватым оттенком.

Общий вид площадки, где проходят подземные трассы водопровода, теплоснабжения и телефонных кабелей показан на рисунке 11.

Рисунок 11 Общий вид эталонной площадки

Зарегистрированные в полевом журнале измерения переводятся в электронный вид с помощью программы Excel и представляются в виде план-графиков (см. рисунок 8). В случае проявления одиночных симметричных аномалий, глубину залегания труб можно оценить графическим способом по методу касательных. Он заключается в проведении на аномалиях графиков Т касательных, параллельных оси х в точках максимума и минимума, а также в точках перегиба (точках максимальных градиентов) (рисунок 12).

Рисунок 12 Интерпретация кривой Т способом касательных

Для точек пересечения всех касательных определяют их абсциссы х₁, х₂, х₁ґ, х₂ґ. Приближенную глубину залегания верхней кромки объекта, создавшего аномалию, рассчитавают по формулам:

и (3).

Среднее из полученных значений h и hґ является оценочной глубиной залегания верхней кромки трубы. При этом, глубина залегания h, вычисленная методом касательных, может отличаться от истинной в зависимости от формы и размеров исследуемых объектов. Поэтому в расчетные формулы вводятся поправочные коэффициенты, которые получены для разных соотношений размеров и глубин залегания тех или иных объектов. Поправочный коэффициент обычно составляет величину, близкую к 0,7.

Содержание отчета

1. Название и цель работы.

2. Сущность магнитометрических съёмок.

3. Краткое описание методики полевых и камеральных работ.

4. Основные результаты и выводы по работе.

Практическое занятие № 3. Электромагнитные методы поиска и картирования электропроводящих объектов на примере стальных трубопроводов

Цель работы: поиск и картирование стальных трубопроводов в натурных условиях способами индуктивного профилирования.

Аппаратура и оборудование: электроразведочная аппаратура ЭРА-ЗНАК, комплект электроразведочных проводов и электродов, мерная лента, молоток (кувалда) журнал полевых наблюдений, компьютер для обработки результатов измерений в лабораторных условиях.

Порядок проведения работы

1. Изучение сущности электромагнитного профилирования установками, предусматривающими гальванические и индуктивные способы заземления и приема.

2. Проведение полевых наблюдений в натурных условиях на территории трассы водовода и теплосети.

3. Компьютерная обработка результатов измерений, построение план - графиков, качественное истолкование результатов наблюдений.

Пояснения к работе

Подземные коммуникации, в том числе выполненные стальными трубами, являются системами жизнеобеспечения общества. По таким трубам проходят нефть, нефтепродукты, газ, питьевая и техническая вода, отводятся бытовые и промышленные стоки.

Эффективным способом картирования и определения состояния труб в земле являются геофизические методы, с помощью которых решаются следующие основные задачи:

Поиск труб, поскольку их фактическое расположение часто может значительно отличаться от проектного.

Определение точного пространственного положения труб, в особенности в том случае, когда их несколько и располагаются рядом, а на поворотах могут перекрещиваться и уходить одна под другую, при том, что глубину расположения труб также приходится уточнять, так как она может изменяться в процессе укладки или со временем.

Геофизические методы обнаружения и картирования стальных трубопроводов основаны на изучении магнитных полей, возникающих в трубе под действием переменного электрического тока. Последний, протекая в трубе или в проложенных на дневной поверхности линейном проводе или петле, создает в окружающем пространстве соленоидальное магнитное поле (). Так как трубы являются хорошо проводящими объектами, в них под действием ЭДС возникает вторичный ток. Этот ток в свою очередь порождает вторичное магнитное поле (), которое индуцирует ЭДС в индукционном датчике, измеряющем магнитное поле.

Выражение для горизонтальной компоненты напряженности магнитного поля, возникающего в трубе, имеет вид:

(3),

где I - сила тока, h - глубина залегания трубы, h - расстояние от датчика до земли.

Для определения положения трубы, фиксируют горизонтальную и вертикальную компоненты напряженности магнитного поля H_x и H_z (индуктивный прием), а при необходимости и горизонтальные компоненты напряженности электрического поля E_y и E_x (гальванический прием). График Н_х имеет максимум над центром трубы, а график модуля H_z - минимум с двумя сопутствующими максимумами (рисунок 13).

Рисунок 13 Форма графиков компонент магнитного поля над стальной трубой и оценка глубины её залегания

Глубину залегания трубы, картируемой с помощью индуктивного датчика, определяют из соотношения:

(4),

где - расстояние между максимумами компоненты H_z, h - глубина трубы, h - высота датчика. Отсюда глубина залегания трубы:

….(5).

Методические указания

При полевых наблюдениях используется комплект аппаратуры ЭРА (см. рисунок 3), в который входят:

Измеритель с выносным индукционным датчиком на 625 Гц, позволяющий измерять реальные сигналы в диапазоне от 0,3 мкВ до 2 В при температуре от -10 до +50C.

Генератор напряжения ЭРА, вырабатывающий ток на частоте 625 Гц в диапазоне от 0,1 до 100 мА (выходная мощность 15 Вт).

Стальные электроды, катушка с проводом, соединительные провода, кувалда, мерная лента, комплект инструментов.

Для картирования труб разработаны способы электроразведочных работ, предусматривающие непосредственное подключение питающей линии АВ к трубе (метод заряженного тела - МЗ) или ее расположение на удалении от трубы в форме вытянутой линии (метод длинного кабеля - МДК) или прямоугольной петли (метод петли - МП). При этом имеет большое значение пространственное расположение линии АВ по отношению к трубе, притом, что во всех способах к концам линии подключается генератор напряжения (рисунок 14).

Рисунок 14 Возбуждение магнитного поля над трубой способом МДК

Общий вид, схема и описание эталонной площадки, на территории которой проходят трассы подземных коммуникаций, приводятся на страницах 11 и 18 (рисунки 5 и 11). Полевые работы выполняются или способом МДК, когда возбуждение поля производится путём размещения питающей линии АВ параллельно направлению трасс проложения трубопроводов, или способом МЗ. В последнем случае один конец питающей линии подключается к трубе через люк (рисунок 15), а второй относится в «бесконечность».



Рисунок 15 Вид трубы теплосети в люковой камере

Практически линия «бесконечность» представляет собой расположенный вдоль трассы трубопровода питающий провод длиной порядка 20-30 м, который подсоединяется одним концом к генератору, а вторым к питающему электроду.

Измерения компонентов магнитного поля производятся магнитной антенной или измерительной линией MN при шаге перемещения по профилю не более 0,5 м. Профили разбиваются вкрест простирания трубы. Расстояние между профилями может составлять от 1 до 10 м.

Зарегистрированные в полевом журнале измерения переводятся в электронный вид с помощью программы Excel и представляются в виде графиков (рисунок 16). Глубина залегания труб рассчитывается по формуле (5).

Рисунок 16 Графики компонент электромагниного поля над трубами теплосети

Содержание отчета

1. Название и цель работы.

2. Краткое описание теории, методики полевых работ и компьютерной обработки результатов, включая графические построения.

3. Основные выводы по работе.

Практическое занятие № 4. Изучение геологических разрезов методом постоянного естественного электрического поля (ЕП)

Цель работы:

1) Проведение измерений потенциала и его градиента (gradU).

2) Построение кривых потенциала (U), их качественное истолкование.

Аппаратура и оборудование: измерительный прибор мультиметр, два неполяризующихся электрода, пластмассовая ёмкость с водой, катушка с геофизическим проводом, охранные, обильно смоченные водой матерчатые чехлы для помещения в них неполяризующихся электродов в процессе измерений, журнал полевых наблюдений, компьютер для обработки результатов измерений в лабораторных условиях.

Порядок проведения работы

1. Изучение теории.

2. Методика полевых наблюдений на эталонной площадке.

3. Компьютерная обработка результатов, составление отчёта.

Пояснения к работе

Метод постоянного естественного электрического поля (ЕП) основан на изучении этого поля, которое является результатом окислительно-восстановительных, диффузионно-адсорбционных и фильтрационных процессов в земной коре. В электрически неизолированных стальных трубопроводах, помещённых в землю, преимущественно происходят окислительно-восстановительные процессы, а, при повреждениях изолированных труб и возникновении утечек, также процессы фильтрационные и диффузионно-адсорбционные. Они создают аномалии ЕП, которые могут быть зарегистрированы микровольметром постоянного тока с высокоомным входом.

Полевые наблюдения состоят в измерениях потенциала (U_ЕП) или разности потенциалов (ДU_ЕП) между электродами. Для регистрации этих аномалий в методе ЕП используются специальные неполяризующиеся электроды, так как металлические электроды поляризуются из-за окисления в грунте и создают значительную (до 1 В) электродную разность потенциалов. Схемы измерений приведены на рисунке 17.

Рисунок 17 Схемы съемки потенциалов (А) и их градиентов (Б) методом ЕП

Эффективным методическим приёмом в процессе измерений является обёртка неполяризующихся электродов тряпичными чехлами, которые обильно смачиваются водой, одновременно заливаемой из пластиковых бутылок в лунки открытого грунта или шпуровые отверстия в бетоно-асфальтовых покрытиях (рисунок 18). Это существенно увеличивает производительность работ и повышает точность измерений. Полевые наблюдения выполняются на эталонной площадке в западном жилом массиве Советского района г. Ростова-на-Дону по улице Зорге, расположенной между зданиями Геолого-географического и Химического факультетов Южного Федерального университета. Общий вид, схема и описание эталонной площадки приведены на страницах 11 и 18 (рисунки 5,6 и 11). Измерения методом ЕП производятся в соответствии со схемами рисунка 17.



Рисунок 18 Съёмка методом ЕП неполяризующимися электродами с тряпичными чехлами на асфальтовом основании

Последовательность работ следующая:

1) Собирается принятая для наблюдений схема (см. рисунок 17) и неполяризующиеся электроды, подключённые к измерительному прибору, настроенному на режим измерений постоянного напряжения, помещаются в одноимённую лунку для проверки между ними разности потенциалов (ЭДС-поляризации). Последняя не должна превышать пяти милливольт (ДU_ЭДС 5 мВ).

2) В лунки, заранее подготовленные на профиле, наливается вода. Неполяризующиеся электроды перемещаются по этим лункам путём плотного прижатия к грунту. При измерениях по схеме U_ЕП по лункам перемещается только электрод М, а второй электрод N устанавливается стационарно на расстоянии в первые единицы метров от площадки наблюдений (см. рисунок 15а).

3) Производится отсчёт по цифровому индикатору мультиметра и значения U_ЕП или ДU_ЕП заносятся в полевой журнал с соответствующим знаком (плюс или минус). Обязательным условием является строгое слежение за правильностью подсоединения электродов к входным гнёздам мультиметра, так как знак аномалии имеет принципиальное значение при их истолковании.

Зарегистрированные в полевом журнале измерения переводятся в электронный вид с помощью программы Excel и представляются в виде план-графиков (рисунок 19).



Рисунок 19 Пример представления результатов ЕП в форме план-графиков

Содержание отчета

1. Название и цель работы.

2. Краткое описание теории, методики полевых работ и компьютерной обработки результатов, включая графические построения.

3. Основные выводы по работе.

Практическое занятие № 5. Исследования методом подповерхностного георадиолокационного профилирования-зондирования

Цель работы:

Проведение георадиолокационной съёмки на эталонной площадке и сопоставление результатов с данными геофизических работ другими методами.

Аппаратура и оборудование: Георадар ОКО-2 с антенным блоком

400 МГц, компьютер ноутбук.

Порядок проведения работы

1. Ознакомление с сущностью георадиолокационного метода (РЛЗ).

2. Проведение полевых георадиолокационных исследований на эталонной площадке.

3. Компьютерная обработка результатов, составление отчёта.

Пояснения к работе

Сущность РЛЗ в отражении электромагнитной волны от поверхностей, на которых скачкообразно изменяются электрические свойства контактирующих тел. Этими свойствами являются электропроводность (у_э) и диэлектрическая проницаемость (е_отн). Различают собственно отраженные волны, образующиеся в случае, когда поверхность раздела является плоской или квазиплоской, т.е. размеры ее не ограничены. Примером такой поверхности является граница между слоями с различными диэлектрическими свойствами. Другой тип волн, которые возникают на контактной поверхности, один или все размеры которой сравнимы с пространственной длительностью падающего на объект импульса электромагнитной волны (рисунок 20).

Рисунок 20 Схема отражения электромагнитной волны от различных поверхностей:

А - при плоской или квазиплоской поверхности раздела сред;

Б - при контактной поверхности, один или все размеры которой сравнимы с пространственной длительностью падающего на объект импульса электромагнитной волны

Принцип действия георадаров типа ОКО основан на излучении сверхширокополосных наносекундных импульсов в диапазоне частот от 50 до 2000 МГц, приеме сигналов, отраженных от границ раздела сред, обработке принятых сигналов и последующим измерением временных интервалов между отраженными импульсами. Георадар состоит из трех составных частей: антенной части, блока регистрации и блока управления (рисунок 21).

Рисунок 21 Составные части георадара ОКО

Антенная часть включает передающую и приемную антенны. Под блоком регистрации понимается notebook или другое записывающее устройство. Роль блока управления выполняет система кабелей и оптико-электрических преобразователей.

Последовательность работы с георадаром (ноутбук в качестве регистрирующего устройства) следующая:

Включить аккумулятор БП-9/12 клавишей, расположенной на корпусе аккумулятора (раздается короткий звуковой сигнал и начинает редко мигать светодиодный индикатор).

Включить «Блок управления» клавишей на его на корпусе.

Включить ноутбук и дождаться полной загрузки операционной системы. На «Блоке управления» должны загореться светодиодные индикаторы.

Включить аккумуляторы «Антенного блока» кнопками на корпусе аккумулятора (раздается короткий звуковой сигнал и начинает редко мигать светодиодный индикатор).

Включить «Датчик перемещения» (или измерителя пути) тумблером на корпусе датчика (начинает редко мигать светодиодный индикатор).

Запустить программу «GeoScan32» двойным щелчком по значку запуска программы расположенным на «Рабочем столе» компьютера.

Левой кнопкой мыши щёлкнуть по пиктограмме, расположенной на панели инструментов. Откроется окно модуля измерений, отобразятся сигналы от георадара в виде чёрно-белых (цветных) полос и в левой части окна измерительного модуля появится осциллограмма принимаемого сигнала. После этого георадар готов к зондированию.

Порядок установления параметров записи, рекомендуемых, при эксплуатации георадаров семейства «Око-2»:

1. Открыть окно «Параметры измерений» (кнопкой «Парам» в окне модуля измерений, или клавишей <Р> на клавиатуре ноутбука) (рисунок 22).

Рисунок 22 Выбор параметров измерений георадара «Око»

2. Установить «Количество точек по глубине» - максимальное значение 512 точек.

3. Определить «Шаг вдоль по трассе, мм». Для антенного блока 400 МГц -100 мм.

4. Оценить «Количество трасс в профиле». Значение этого параметра определяет максимальное количество трасс в профиле и он должен быть в полтора раза больше величины равной отношению длины профиля к шагу зондирования. Рекомендуется 65000. Значение 250000 является максимальным. При этом, если во время зондирования профиля запись автоматически прекратилась вследствие прохождения всего количества трасс, установленного параметром «Количество трасс в профиле», следует возобновить зондирование, записывая трассы в следующий файл. В последующем, при обработке, несколько файлов можно соединить в один файл профиля (правка -> добавить).

5. Установить цифровое значение «Накопление». Оно определяет количество повторного приема каждой трассы с последующим их суммированием. Рекомендуемое 8-16 Увеличение данного параметра позволяет выявлять более слабые сигналы, увеличивает реальную глубину зондирования и улучшает качество изображения, но при этом замедляется рекомендуемая скорость перемещения антенного блока во время записи профиля.

6. Определить диэлектрическую проницаемость «Эпсилон среды х10». Значение устанавливается исходя из априорной информации о составе зондируемой среды, то есть порядка 8-10 (во время обработки этот параметр вычисляется точнее).

7. Определить показатель «Развёртка по глубине». Данный параметр (для блока 400 МГц рекомендуется 100-200) устанавливает временной диапазон записи трасс зондируемого профиля по глубине и изменяется ступенчато. Для выбора развёртки следует сделать пробный проход по профилю и посмотреть записанную радарограмму. Если в нижней части радарограммы отсутствует область шумов (часть полезных сигналов осталась вне диапазона записи по глубине), следует перейти к большей ступени развёртки.

8. В окне «Номер серии файлов» цифры автоматически увеличиваются при сохранении очередного профиля в левой части имени файла, сразу после буквы «Р».

9. Установить «Коэффициент усиления» (для блока 400 МГц рекомендуется 10-40).

10. Принять режим сканирования - «По перемещению», для чего следует выбрать датчик перемещения и его параметры, открыв окно «Датчик перемещения» (рисунок 23). В режиме «По перемещению» менее интересные участки можно проходить с большей скоростью, не превышая рекомендуемую, а на интересных участках двигаться медленнее. При этом автоматически увеличивается накопление, что может увеличить глубинность исследований.

Рисунок 23 Окно датчика перемещения

11. Нажать кнопку «Вперед-назад», чтобы можно было ходить змейкой, если выполняются площадные съёмки. Программа автоматически при сохранении на диске каждого четного профиля будет его зеркально отражать.

Если текущие настройки измерений являются типичными для каких-либо применений, можно сохранить их на будущее. Для этого следует щёлкнуть правой кнопкой мыши в области окна измерительного модуля и выбрать пункт меню «Записать набор». Далее - ввести имя запоминаемого набора в нижней части открывшегося окна «Выбор применения», потом нажать кнопку «Новое» и кнопку «ОК». Для применения ранее созданного набора следует щёлкнуть правой кнопкой мыши в области окна измерительного модуля и выбрать пункт меню «Наборы». Из открывшегося списка наборов следует выделить требуемый, поставить галочку напротив строки «Применить набор» и нажать кнопку «ОК». Для выхода из режима применения наборов следует щёлкнуть правой кнопкой мыши в области окна измерительного модуля и выбрать пункт меню «Наборы», после чего снять галочку напротив строки «Применить набор» и нажать кнопку «ОК».

Основной величиной, измеряемой при георадарных исследованиях, является время пробега электромагнитной волны (t) от источника возбуждения - передающей антенны - до отражающего или дифрагирующего объекта и от этих объектов до приёмной антенны. В результате георадиолокационной съёмки в автоматическом режиме регистрируется радарограмма (рисунок 24).

Рисунок 24 Радарограмма, зарегистрированная с антенным блоком 400 МГц

1 - люковая камера магистральной теплосети, 2 - труба канализации, 3 - труба водопровода, 4 - труба локальной теплосети, 5 нити силового и телефонного кабелей, 6 - граница уровня грунтовых вод, 7 - поверхностные помехи

Интерпретация полученных радарограмм начинается с первичного анализа данных, во время которого идентифицируются полезные и «неполезные» волны. Обработка позволяет, с одной стороны, удалить или частично подавить влияние волн-помех. С другой стороны, процедурами обработки достигается усиление полезных волн. Дальнейшая интерпретация направлена на выделение конкретных объектов или прослеживание границ слоев. На основании всей предварительной информации об объекте определяется состав и электрические свойства слоев.

Заключительным этапом интерпретации является построение итоговых схем и разрезов с привлечением других геофизических методов. Примером может служить комплексная интерпретация, выполненная по профилю геофизических исследований на участке береговой зоны Черного моря в поселке Широкая балка. Иллюстрации обнажения вдоль профиля показаны на рисунке 25, а сопоставление графиков наблюденных значений методами РЛЗ, магнитометрии и радиометрии на рисунке 26.

Рисунок 25 Фотодокументация обнажений флишевой толщи по геофизическому профилю на морском побережье в посёлке Широкая Балка (участок пляжа детского лагеря «Лукоморье»)

Результатами геофизических наблюдений фиксируется наличие в интервале профиля визуально прослеживаемого тектонического разрывного нарушения, которое представлено двумя смещёнными блоками пород. Блоки отличаются между собой по структурным признакам, в частности по ярко выраженному переходу от субгоризонтального залегания слоёв в одном блоке к крутослоистому в другом (см. рисунок 25, фрагмент пикетов 90-120 м).



Рис. 26 Сопоставление результатов РЛЗ, магнитометрии и радиометрии на профиле береговой зоны Черного моря в посёлке Широкая балка

Внутри блоков по радарограмме прослеживается хаотический вид волновой картины и отсутствие протяжённых осей синфазности, контролируемых вертикальными, как бы шовными зонами. Область непосредственного разрыва, то есть трещина смещения разрывного нарушения, на радарограмме и графиках магниитометрии и радиометрии отмечается в интервале пикетов 125-165 м. Пониженные значения суммарного вектора напряжённости магнитного поля Т и естественной гамма-активности J в этом интервале свидетельствует о повышенной пустотности трещины смещения.

Содержание отчета

1. Название и цель работы.

2. Краткое описание теории, методики полевых работ и компьютерной обработки результатов, включая графические построения.

3. Основные выводы по работе.

Практическое занятие №6. Основы сейсморазведки методом преломлённых волн

Цель работы:

1) Проведение полевых сейсморазведочных наблюдений методом преломлённых волн (МПВ).

2) Первичная компьютерная обработка данных МПВ.

Аппаратура и оборудование: регистратор сейсморазведочный «Лакколит-24М2», набор соединительных проводов, сейсмокоса, геофоны, блок питания аккумуляторный, металлическая плита, кувалда, ноутбук.

Порядок проведения работы

1. Ознакомление с сущностью сейсморазведки методом МПВ.

2. Проведение полевых сейсморазведочных исследований на эталонной площадке.

3. Первичная обработка полученных результатов, составление отчёта.

Пояснения к работе

Сейсморазведка - раздел разведочной геофизики, основанный на изучении распространения в земной коре упругих волн, вызванных взрывом или ударом. Упругие волны распространяются во все стороны от источника и проникают в толщу земной коры. Здесь они претерпевают отражение и преломление после чего частично возвращаются к поверхности земли, где регистрируются сейсморазведочной станцией. Измеряя время распространения волн и изучая характер колебаний, можно определить глубину залегания и форму тех геологических границ, на которых произошло преломление или отражение волны, а также судить о составе геологических пластов, через которые волна прошла на своем пути.

В сейсморазведке различают 2 основных метода: метод отраженных волн (MOB) и метод преломленных волн (МПВ). Последний основан на изучении упругих волн, преломившихся на границе пластов при условии, что скорость в нижележащих слоях больше, чем в вышележащих. То есть, если в среде существует граница (границы) разделяющая среды, где нижележащий слой имеет скорость v₂ большую, чем у вышележащего слоя, скорость которого v₁, то при падении лучей (сейсмических волн) на такую границу создаются головные (преломленные) волны. Они образуются только на определенном удалении от источника, когда возникает скользящая вдоль границы волна при угле падения, равному некоему критическому углу i:

. (6)

Головные волны параллельны друг другу (рисунок 27).

Рисунок 27. Схема образования головных волн

Скорость распространения головных волн больше, чем падающих и отраженных, поскольку х₂>х₁. Эти волны имеют и значительно большую амплитуду. Однако, приведенная картина не означает, что на рассматриваемой границе нет других волн. Соответственно присутствуют и отраженные и второстепенные волны.

Полевые наблюдения МПВ выполняются на эталонной площадке, схема и описание которой приведены на страницах 11 и 18 (рисунки 5,6 и 11). Работы проводятся путём последовательного создания упругих колебаний в пунктах возбуждения (ПВ), расположенных вдоль линии сейсмического профиля на определённом расстоянии от обоих концов сейсмостоянки (интервала расстановки сейсмоприёмников) и в её пределах. Такие наблюдения носят названия нагоняющих и встречных годографов. Сейсмоприёмники (геофоны) подключаются к сейсмокосе. Места установки сейсмоприёмников называются пунктами приёма (ПП). Стандартная сейсмокоса станции «Лакколит 24-М2» предусматривает расстановку геофонов с шагом до 2 м. Далее она соединяется с регистратором, к которому в свою очередь подключаются источник питания и ноутбук. На первом ПВ устанавливаются металлическая плита, и на расстоянии не более 30 см от неё датчик обнаружения момента взрыва (одиночный геофон). После этого производится включение регистратора переводом тумблера в положение «ВКЛ». Далее нажимается кнопка «СБРОС», при этом периодически начинает мигать индикатор «КОНТР». Сейсмостанция готова к работе.

Порядок настройки сейсмостанции в программе Лакколит сводится к выбору параметров и режимов работы, а также анализу информации, поступающей со станции (рисунок 28).

Рисунок 28. Работа с сейсмостанцией «Лакколит 24-М2» в полевых условиях

Последовательность действий следующая.

1. Включается ноутбук и открывается программа «Лакколит».

2. Выбирается закладка «Файл» и нажимается кнопка «Настройка». В появившемся окне указывается папка, в которую сохраняются файлы с данными зарегистрированных сигналов.

3. Выбирается закладка «Измерения», где необходимо активировать режимы «Источник - по обнаружению», «Накопления - в файлы» и «Серия».

4. На регистраторе нажимается кнопка «СБРОС», после чего происходит тестирование каналов станции. В появившемся окне «Параметры измерения» во вкладке «Время» в графе «Частота дискретизации» выбирается 4000(1000), в графе «Задержка» указывается -20 мсек, в графе «Интервал приёма» 2048, что соответствует 512 мсек. Во вкладке «Фильтр» активируется «Встроенный фильтр». Во вкладке «Геометрия» проверяются координаты сейсмоприёмников (по координате х от 0 до 46, а по координате у везде 0). В строках ПВ указываются координаты мест расположения металлической плиты, по которой будут производиться удары кувалдой. Как правило, возбуждения производятся в 1-7 пунктах. Ориентировочные координаты ПВ для расстановки геофонов с шагом 2 м приведены в таблице 2.

Таблица 2. Координаты пунктов взрыва

ПВ	1	2	3	4	5	6	7	8	9
X	-46	-23	0	10	22	34	46	69	92
Y	0	0	0	0	0	0	0	0	0

Далее осуществляется переход на вкладку «Серия» и в открывшемся окне «Программное накопление - Количество» указывается количество ударов кувалдой на каждом ПВ (рекомендуемое 9). В разделе «Количество - Номер профиля» указывается текущий номер профиля, например, 1. В графе «Точка на профиле» указываются номер ПВ, где будет находиться металлическая плита. В графе «Число точек в профиле» указывается их количество (1-7). Следует отметить, что в процессе последующих работ на вкладку «Серия» можно не возвращаться, поскольку программа после выполнения заданного количества реализаций (ударов) на предыдущем ПВ автоматически переходит на следующую точку профиля. В окне «Название местности» делается пометка о месте нахождения ПВ, типе используемых волн и т.п.

После подготовки сейсмостанции и настройки программы производятся наблюдения. Для этого рабочий с кувалдой занимает исходную позицию, а оператор нажимает кнопку «Запуск» или F10. На экране монитора появляется надпись «Ожидание данных». Оператор подаёт команды на удары (рисунок 29), после которых на экране монитора появляются сейсмограммы и информация об ударах (сколько произведено и сколько осталось). После завершения заданного количества ударов появляется надпись «ГОТОВО».

Рисунок 29 Момент производства удара в ПВ при работах МПВ

Важно отметить, что при возникновении сбоев в программе её работу необходимо остановить, нажав кнопку F10, после чего закрыть. Далее нужно войти в папку, куда сохранялись файлы, и удалить все бракованные. При этом следует учесть, что совокупное имя файла PR0000P0000R0000 состоит из трёх частей: PR0000 - номер профиля, P0000 - номер ПВ, R0000 - номер реализации, то есть номер удара кувалдой по плите.

После ликвидации сбоев вновь открывается программа «Лакколит». В окне «Параметры измерения», во вкладке «Серия», редактируется графа «Точка в профиле» с указанием номера точки с бракованными сейсмограммами. Программа перезаписывает удалённые файлы. Далее повторно выполняется запись сейсмограмм на ПВ, где был сбой. После этого осуществляется перемещение металлической плиты и датчика-регистратора взрыва на следующий ПВ. При этом оператором нажимается кнопка «Редактор» и изменяется «Геометрия» ПВ.

Параллельно с измерениями ведётся журнал наблюдений и происходит оценка полевых материалов по трехбалльной системе отлично хорошо и удовлетворительно.

Первичная обработка полученной информации производится в несколько этапов.

1. Выполняется суммирование сейсмограмм полученных на каждом пункте взрыва. Для этого во вкладке «Файл» выбирается нужный профиль, открывается первый ПВ, первая реализация, оценённая на «отлично». Затем нажимается кнопка «Shift» и мышью выставляется точка по центру любого чёткого пика, от которой будут выравниваться все остальные сейсмограммы (рисунок 30).

Рисунок 30 Процесс выравнивания сейсмограмм

Далее, используя последовательно стрелочник «<» «>», к выставленной точке подводятся все остальные сейсмограммы, после чего производится их суммирование. Рядом с каждой удовлетворительной сейсмограммой двойным щелчком мыши ставится плюс. Если сейсмограмма бракованная, то оставляется «0». В завершение нажимается кнопка «Сумм.».

...