Автоматизований комплекс фізичного моделювання геоелектромагнітних полів

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ГЕОФІЗИКИ ІМ. С.І. СУББОТІНА

УДК 550.837

Автоматизований комплекс фізичного моделювання геоелектромагнітних полів

Спеціальність 04.00.22 ГЕОФІЗИКА

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

Ладанівський Борис Теодорович

КИЇВ 2001

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Карпатському відділенні Інституту геофізики ім. С.І. Субботіна Національної академії наук України

Захист відбудеться "08" листопада 2001р. о "14:00" годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.200.01 при Інституті геофізики ім. С.І. Субботіна НАН України за адресою: 03680 м. Київ, пр. Палладіна, 32, факс: +38 (044) 450-25-20

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту геофізики ім. С.І. Субботіна НАН України

Автореферат розіслано "05" жовтня 2001р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради доктор геологічних наук М.І.Орлюк

амплітуда електромагнітний моделювання

АНОТАЦІЇ

Ладанівський Б.Т. Автоматизований комплекс фізичного моделювання геоелектромагнітних полів. Рукопис

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 04.00.22 геофізика. Інститут геофізики ім. С.І.Субботіна Національної академії наук України, Київ, 2001.

Дисертація є продовженням та логічним розвитком напрямку фізичного моделювання змінних електромагнітних полів на масштабних аналогових моделях неоднорідних середовищ, що розвивається в Карпатському відділенні Інституту геофізики ім.С.І.Субботіна. Базуючись на багаторічному досвіді та використовуючи сучасну техніку, створено автоматизований комплекс фізичного моделювання нового покоління. Розроблено методику, алгоритми та програмне забезпечення для обробки результатів багатокомпонентних вимірів електромагнітного поля.

Виконане на створеному комплексі моделювання дозволило оцінити вплив анізотропних властивостей провідності, блокової будови кори і неоднорідності джерела первинного поля на результати магнітотелуричних зондувань та індукційні вектори, а також дослідити сейсмоелектричні ефекти в електромагнітному полі.

Ключові слова: фізичне моделювання, електромагнітне поле, масштабна аналогова модель, автоматизований комплекс, програмне забезпечення, анізотропія, магнітотелуричне зондування, індукційні вектори

Ладанивский Б.Т. Автоматизированый комплекс физического моделирования геоэлектромагнитных полей. Рукопись

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 04.00.22 геофизика. Институт геофизики им. С.И.Субботина НАН Украины, Киев, 2001.

Диссертация является продолжением и логическим развитием направления физического моделирования переменных электромагнитных полей на масштабных аналоговых моделях неоднородных сред, которое развивается в Карпатском отделении Института геофизики им.С.И.Субботина. Базируясь на многолетнем опыте и используя современную технику, создан автоматизированный комплекс физического моделирования нового поколения.

Приведено описание структуры и принципов работы установки физического моделирования. Детально описаны узлы и элементы, которые отличают данную модификацию установки от ее предшественниц.

Проанализированы подходы к стыковке ЭВМ с периферийными устройствами, детально изложена методика стыковки оборудования установки с компьютером через интерфейс Centronіcs, а также предложен вариант устройства сопряжения и алгоритмы программного обеспечения его обслуживания для проведения исследований на моделирующей установке.

Описаны различия между особенностями методов обработки полевых и лабораторных измерений. Разработано методику, алгоритмы и программное обеспечение для обработки результатов многокомпонентных модельных измерений электромагнитного поля. Продемонстрировано возможность использования существующего програмного обеспечения для интерпретации результатов моделирования а также проведено сопоставление результатов физического и численного моделирования.

Выполненное на разработанном комплексе моделирование позволило оценить влияние анизотропных свойств проводимости, блокового строения коры и неоднородности источника первичного поля на результаты магнитотеллурических зондирований и индукционные вектора, а также исследовать сейсмоэлектрические эффекты в электромагнитном поле.

Ключевые слова: физическое моделирование, электромагнитное поле, масштабная аналоговая модель, автоматизированный комплекс, программное обеспечение, анизотропия, магнитотеллурическое зондирование, индукционные вектора

Ladanivskyy B.T. The Automated Physical Modeling Installation of Geoelectromagnetic Fields. Manuscript.

Thesis is for Candidate of Sciences Degree in Physics and Mathematics by the speciality 04.00.22 - geophysics. S.I.Subbotin Institute of geophysics National Academy of Science of Ukraine, Kyiv, 2001.

The Thesis is a continuation and logical development of physical modeling methods of alternating electromagnetic fields on scale analog models of inhomogeneous medium, which is developed in Carpathian Branch of S.I.Subbotin Institute of geophysics. On the base of previous experience and using modern equipment, automated physical modeling installations of new generation has been created. Strategy, algorithms and software for processing the results of multicomponent modelling measurements of electromagnetic field have been developed.

Using the developed modeling installations the influence of anisotropic characteristics of conductivity, complex crust structure and inhomogeneity of primary field source on magnetotelluric results and induction vectors have been estimated and seismoelectric effects in electromagnetic field have been studied.

Key words: physical modeling, electromagnetic field, scale analog model, automated installation, software, anisotropy, magnetotelluric field, induction vector

1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність проблеми. Дослідження геоелектричної будови Землі має важливе значення для вирішення як фундаментальних, так і прикладних задач геофізики, до яких можна віднести вивчення глибинної будови Землі, прогнозування землетрусів, прогнозування й розвідка нових та дорозвідка відомих родовищ корисних копалин і т. п. Серед багатьох інших методів геофізики, особливе місце займають магнітотелуричні дослідження, які по глибинності уступають лише сейсмології.

Найчастіше, основним завданням геофізичних і зокрема електромагнітних досліджень є інтерпретація даних польових вимірів, або іншими словами розв'язання оберненої задачі: відтворення геоелектричного, а далі і геологічного розрізів за спостереженнями ЕМ поля. Це завдання тісно пов'язане з вирішенням прямої задачі: визначення параметрів ЕМ поля за відомими джерелами та геоелектричним розрізом. Тому при інтерпретації результатів польових спостережень важливе місце займає отримання параметрів ЕМ поля для потрібних моделей геоелектричного середовища.

Дослідження ЕМ полів у неоднорідних середовищах проводиться в геофізиці за допомогою різних методів. Широкого розвитку набули чисельно-аналітичні та чисельні методи, зокрема, скінчених різниць і елементів, інтегральних та граничних інтегральних рівнянь, кожен із яких має свої переваги та недоліки. Тим не менше, визначення ЕМ поля довільних тривимірних структур, якими в основному моделюються реальні геологічні ситуації, залишається актуальною і зовсім не тривіальною задачею. Тому в геофізиці поряд з математичним широкого розповсюдження набув метод фізичного моделювання ЕМ поля. Останнє дозволяє вивчати явища або процеси за допомогою відтворення їх в іншому масштабі й досліджувати відповідні характеристики безпосередніми спостереженнями. Перевагою фізичного моделювання є можливість детально вивчати електромагнітне поле різних джерел над структурами довільної форми, не порушуючи фізичної природи досліджуваних явищ.

Труднощі, що виникають при створенні установок для фізичного моделювання, трудомісткість створення та заміни моделей у деякій мірі є причиною обмеженого застосування цього метода. При цьому слід відзначити, що подібні установки, які функціонували в інших країнах (Росія, Канада, Угорщина) судячи з літератури та особистих зустрічей використовуються вкрай рідко.

Карпатське відділення Інституту геофізики ім.С.І.Субботіна НАН України має певний досвід створення та експлуатації лабораторних установок фізичного моделювання, дві різновидності яких починаючи з 70-х років дозволили вирішити багато теоретичних і прикладних задач геоелектрики. Проте до початку 90-х років обладнання установок і технологія моделювання морально застаріли, процес вимірів був надзвичайно рутинним і трудомістким, обробка та інтерпретація результатів проводилась вручну, кількість і якість отримуваних результатів не відповідала вимогам польових та математичних методів досліджень, які зазнавали в останній час бурхливого розвитку.

Представлена робота присвячена: створеню автоматизованої установки фізичного моделювання (УФМ) нового покоління, яка забезпечує вищу точність та достовірність результатів а також ефективність їх отримання; розробці алгоритмів для обробки та інтерпретації результатів моделювання; розширенню класу задач, що вирішуються цим методом.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження за темою дисертаційної роботи виконувались в Карпатському відділенні Інституту геофізики ім.С.І.Субботіна НАН України при розробці відомчих тем НАН України: Б-12/4 "Розробка комплексу електромагнітних методів детальних досліджень структури і динаміки літосфери на прикладі Карпатського регіону " 1992 - 1995 рр. (№ держ. реєстр. 0193U024077); Б-12/22 "Розробка комплексних технологій наземних і морських електромагнітних досліджень будови і динаміки геоструктур" 1996-2000 рр. ( № держ. реєстр. 0196U008645); теми ДКНТ: БД-12/19 "Розробка технології та апаратури морських електромагнітних зондувань для прогнозування нафтогазоносних структур" 1994 - 1999рр. (№ держ. реєстр. 0194U022994); міжнародного проекту SVEKALAPKO, "Baltic Electromagnetic Array Research (BEAR)" а також під час проходження автором стажування в Інституті геофізики ПАН (м. Варшава).

Мета роботи створення автоматизованого комплексу фізичного моделювання змінних електромагнітних полів нового покоління, розширення класу й вдосконалення методики вирішення теоретичних і прикладних задач, та широке застосування його в практиці геоелектричних досліджень.

Задачі дослідження.

Розробка та виготовлення технічних засобів для проведення абсолютних вимірів амплітуд і фаз напруженості п'яти компонент електромагнітного поля, та підвищення ефективності проведення досліджень.

Розробка та виготовлення вузла стикування установки фізичного моделювання з електронно-обчислювальною машиною (ЕОМ).

Розробка алгоритмів і створення необхідного програмного забезпечення для автоматичного проведенням вимірів та керування установкою.

На основі аналізу існуючих методів обробки польових вимірів, розробка методики і програмного забезпечення для аналогічної обробки даних фізичного моделювання.

Застосування моделюючого комплексу для вирішення практичних задач геоелектрики та електророзвідки.

Наукова новизна одержаних результатів.

Створено принципово нову модифікацію установки фізичного моделювання (УФМ), яка відрізняється від попередніх:

електролітичною ванною нової конструкції;

новим джерелом, гальванічного типу, для збудження плоского ЕМ поля на окремих ділянках геоелектричних моделей, створеним на , додаток до існуючого ;

п'ятикомпонентним зондом для вимірювання ЕМ поля.

Розроблено методику стикування ЕОМ із периферійними пристроями, апаратне й програмне забезпечення для її реалізації та вперше повністю автоматизовано процес досліджень на УФМ.

Вперше розроблено алгоритми та створено програмне забезпечення для обробки результатів вимірювань на УФМ.

Адаптовано результати фізичного моделювання до інтерпретації їх за допомогою існуючого програмного забезпечення.

Співставлення результатів розв'язання прямої МТ задачі чисельними математичними методами і за допомогою фізичного моделювання для тривимірних структур показало достатню точність останнього і можливість його використання при розв'язанні обернених задач.

За результатами дослідження особливостей ЕМ поля для низки тривимірних моделей середовищ та джерел отримано оцінки:

поведінки ЕМ поля над тривимірною моделлю підняття кристалічного фундаменту ускладненою анізотропією провідності;

величини струмів, що виникають в сейсмоактивній зоні перед землетрусами;

впливу на індукційні вектори, створені приповерхневою двовимірною структурою, складної будови нижніх шарів, характерних геологічній будові Карпат та Транс-Європейської Структурної Зони;

похибки інтерпретації результатів магнітотелуричних зондувань проведених в полярних широтах;

спотворень кривих МТЗ для геоелектричних умов Петропавловського геодинамічного полігону на Камчатці.

Практична цінність роботи

Розроблений та створений автоматизований комплекс фізичного моделювання електромагнітних процесів дозволяє:

Розширити клас вирішуваних за допомогою фізичного моделювання задач і досліджувати:

геоелектричні моделі в полі плоскої хвилі та джерел геоелектромагнітного поля різної природи та конфігурацій;

ЕМ поля глибинних літосферних джерел;

задачі морської електророзвідки:

задачі електророзвідки в полі штучних джерел.

Гнучко змінювати режими досліджень;

Зменшити час проведення експерименту в 3 4 рази, збільшити точність амплітудних вимірів на 3 5%, фазових на 15 20% а також збільшити кількість отримуваних параметрів, звільнити персонал від рутинної роботи проведення вимірів та обробки результатів, що значно підвищує ефективність досліджень.

Розроблена автором методика стикування вимірювальних приладів з ЕОМ неодноразово була використана в КВ ІГФ НАНУ при розробці та удосконаленні польової й лабораторної геофізичної апаратури.

Особистий внесок автора

В розробці і виготовленні вимірювально - збуджуючого обладнання УФМ особисто автору належить:

створення додаткового джерела, гальванічного типу для збудження плоского ЕМ поля на окремих ділянках геоелектричних моделей;

способи керування комутатором електромагнітних диполів і подачі напруги живлення до п'ятикомпонентного зонда та його виготовлення;

методика стикування ЕОМ з периферійними пристроями;

розробка та виготовлення вузла стикування УФМ з ЕОМ;

алгоритми та програми автоматичного керування процесом вимірів;

методика та програмне забезпечення для обробки результатів вимірювань.

Разом з В.М. Кобзовою проведено постановку задач фізичного моделювання а також інтерпретацію отриманих результатів. Спільно з В.Ю.Семеновим виконано пояснення фізичного змісту та інтерпретацію індукційних векторів електричного типу Su та Sv для двовимірного випадку, а поведінка згаданих величин для тривимірного випадку за результатами фізичного моделювання проаналізована автором особисто.

В публікаціях, які написані в співавторстві, автору належать: [1, 3, 4, 6, 7, 12] створення фізичної моделі, забезпечення функціонування моделюючої установки, проведення вимірів та обробка їх результатів, візуалізація результатів моделювання та опис експерименту, співавторам належить постановка задачі та інтерпретація результатів; [5] спосіб керування комутатором електромагнітних диполів, спосіб подачі напруги живлення до вимірювального зонда та виготовлення окремих вузлів УФМ; [8, 9] опис особливостей проведення модельних досліджень, співавторам опис вирішуваних методом задач; [11] отримання результатів фізичного моделювання, порівняння з результатами математичного моделювання, представлення результатів, спільно з В.М.Кобзовою постановка задачі, іншим співавторам отримання результаттів математичного моделювання.

Апробація результатів дисертації

Основні положення та окремі результати дисертаційної роботи доповідались на міжнародних конференціях, семінарах та школах: Міжнародних 14 -у та 15-у робочих конференціях по електромагнітній індукції в Землі (Сіная, 1998р., Кабо-Фріо, 2000р.), Міжнародних робочих конференціях по проекту SVEKALAPKO (Репіно, 1998р.), та його підрозділу "Baltic Electromagnetic Array Research (BEAR)" (Lammi 1999, Lammi 2000), XXII генеральній асамблеї міжнародної спілки геодезії і геофізики (IUGG-99) ( Бірмінгем, 1999р.), Міжнародній конференції "Problems of Geocosmos" (Санкт - Петербург 2000р.). Робота обговорювалась також на щорічних семінарах комісії "Фізика Землі" Наукового Товариства ім.Т.Г.Шевченка та семінарах КВ ІГФ НАНУ.

Публікації

За матеріалами роботи отримано 1 патент України на винахід, опубліковано 7 тез у матеріалах 5-и наукових конференцій та 4 статті.

Структура та обсяг роботи.

Робота складається із вступу, 5 розділів, висновків, переліку посилань із 102 найменувань, містить 58 рисунків і 8 таблиць. Загальний обсяг роботи 153 сторінки, з них 44 припадає на рисунки і таблиці.

Автор висловлює особливу подяку своєму науковому керівнику професору доктору геолого-мінералогічних наук Я.С.Сапужаку за постійну допомогу, та цінні поради. Автор також щиро вдячний своєму науковому консультанту dr.sc. V.Semenov [IGF PAS] за корисні поради, консультації, допомогу та представлення у розпорядження автора програмного забезпечення для обробки та інтерпретації результатів польових досліджень МТЗ. Окрему подяку автор висловлює своїм старшим колегам по роботі на УФМ співробітникам КВ ІГФ кандидату фізико-математичних наук В.М.Кобзовій і кандидату технічних наук І.П.Морозу, за корисні поради, ділові дискусії та допомогу у виготовленні апаратури, а також іншим співробітникам КВ ІГФ НАНУ за співпрацю і моральну підтримку.

Робота виконана за часткової підтримки гранту INTAS № 97-1162.

2. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У Вступі обґрунтовано актуальність дисертаційної роботи, охарактеризовано стан проблеми, сформульовано мету роботи і задачі досліджень та стисло викладено основні результати.

Розділ 1. Фізичне моделювання як один із методів розв'язку задач геоелектрики. У розділі наводиться короткий огляд методів розв'язання задач геоелектрики, серед яких особлива увага приділяється методу фізичного моделювання. Дослідження розв'язків прямих задач є теоретичною основою методів геоелектрики, та дозволяє визначити можливості останніх і складає основу для вирішення обернених задач та інтерпретації даних спостережень. Для дослідження ЕМ полів на заданих моделях використовується низка методів, кожен із яких має свою область застосування, переваги й недоліки. Розв'язки прямих задач можуть бути отримані аналітично, чисельно та шляхом фізичного моделювання. Для одновимірних та простих двовимірних моделей результат може бути отриманий аналітично. У випадку складних двовимірних та тривимірних моделей застосовують чисельні методи.

Особлива увага в розділі приділяється методу фізичного моделювання, який часто використовується для складних моделей геоелектричних розрізів близьких до реальних умов. Останнє полягає у вивченні явищ або процесів за допомогою відтворення їх або подібних їм в іншому масштабі й дослідження відповідних характеристик безпосередніми спостереженнями й вимірами чи вивченням іншого явища, характеристики якого ведуть себе аналогічно природному. Цей спосіб практично єдиний у випадку складних задач, що не мають аналітичного або чисельного розв'язків. Наглядність і економічність отримання результатів досліджень роблять моделювання бажаним і у випадку існування математичних розв'язків, якщо останні достатньо складні і для розрахунків поля вимагають великих об'ємів обчислень.

Основні вимоги закону подібності для випадку змінних електромагнітних полів виводяться з першого й другого рівнянь Максвела і мають вигляд :

Kl2 = K Kt ,

де Kl, KKt масштабні коефіцієнти лінійних розмірів, питомого опору та періоду коливань відповідно.

Незважаючи на те що фізичне моделювання ЕМ поля почали застосовувати майже одночасно з математичним воно залишається нетрадиційним [H.Dosso, L.Szarka, А.Кузнецов, А.Ковтун]. Також в розділі приведено короткий огляд публікацій, які стосуються цього методу.

Труднощі, що виникають при створенні установок для фізичного моделювання, трудомісткість створення та заміни моделей у деякій мірі є причиною обмеженого застосування цього методу. На сьогоднішній день постійно діючою, судячи з літератури і особистих зустрічей, залишається лише установка у Львові.

Розділ 2. Структура та принцип роботи установки фізичного моделювання. Приведено опис структури й принципів роботи УФМ. Детально описано вузли та елементи, які відрізняють дану модифікацію установки від її попередниць.

З метою підвищення точності амплітудно-фазових і відносних (імпедансних, адмітансних, безрозмірних і т.п.) вимірів, розширення класу вирішуваних задач, підвищення ефективності проведення досліджень на основі попереднього досвіду в Карпатському відділенні інституту геофізики розроблено і створено нову автоматизовану лабораторну установку фізичного моделювання електродинамічних процесів.

Установка являє собою автоматизований комплекс технічних засобів, призначений для розв'язання певного класу наукових і прикладних задач. Блок-схема установки зображена на рисунку 1. і її основними вузлами є:

електролітична ванна 1 з елементами координатної системи вимірювального зонда ;

генераторно-випромінююча система, яка в свою чергу містить:

генератор гармонічних коливань 6;

блок формування квадратурних коливань 5;

два підсилювача потужності 3, 4;

Размещено на http://www.allbest.ru/

дві взаємно перпендикулярні збуджувальні антенні системи X,Y;

вимірювально-реєструюча система, до складу якої входять:

вимірювальний зонд 2;

блок обробки аналогового сигналу 8;

цифрові вольтметр 9 і фазометр 10 ;

гетеродинний генератор 7.

Крім цього зараз установка комплектується блоком стикування з ЕОМ 11, власне самою ЕОМ 12 а також декількома блоками живлення, не зображеними на рисунку 1.

Працює установка наступним чином. Гармонічний сигнал від генератора 6 надходить у блок формування квадратурних коливань 5 , де перетворюється на два коливання однієї частоти, але зміщені по фазі на 900, і далі через підсилювачі потужності 3, 4 подається на збуджуючі антени. В більшості випадків немає потреби створювати еліптично поляризоване поле, тому використовується тільки одна антена відповідної поляризації. За допомогою системи переміщення вимірювальний зонд автоматично виводиться в задану точку моделі, де послідовно проводиться вимірювання абсолютних значень п'яти компонент електромагнітного поля Ex, Ey, Hx, Hy, Hz. Результати останнього на низькій проміжній частоті, подаються в блок обробки аналогових сигналів, а звідти після попередньої обробки у вольтметр і фазометр. Значення виміряних амплітуд і фаз у цифровій формі через блок стикування реєструються в комп'ютері, який здійснює також керування переміщенням вимірювального зонда і процесом вимірів.

Основними елементами, які відрізняють дану модифікацію УФМ від попередніх, є:

електролітична ванна з безпосереднім гальванічним зв'язком між шарами, що дозволяє створювати моделі геоструктур які більш адекватні природним умовам;

новий тип джерела ЕМ поля яке поряд з існуючим дозволяє розширити робочий діапазон частот УФМ;

п'ятикомпонентний вимірювальний зонд, який забезпечує отримання набору параметрів, еквівалентного польовим спостереженням;

використання низки сучасних цифрових приладів промислового виробництва, а також сучасної елементної бази дозволило не тільки підняти точність отримуваних результатів, але і досить ефективно автоматизувати процес проведення досліджень на УФМ.

Електролітична ванна це прямокутний цегляний бак для розміщення моделюючого середовища розміром 5.05.00.7 м з суцільним металевим листом товщиною 12 мм в основі. В середині баку на відстані 0.05 м від стінок по всьому периметру через 0.22 м приварені до дна вертикальні сталеві стержні висотою 0.7 м, які утворюють екран для захисту внутрішнього простору баку від проникнення електромагнітних полів з боків, а також для замикання вихрових струмів, що індукуються в об'ємі моделі, і тим самим зменшення краєвих ефектів від стінок бака. При моделюванні задач глибинної геоелектрики металевий (стальний) лист на дні з питомим опором = 1210-8Омм імітує високопровідні шари земної кори або верхньої мантії. Модель високоомної літосфери загальною товщиною 0.47 м викладається на металевому дні баку із шести шарів керамічних шестигранних плит 0.150.22 м і товщиною 0.07 м. Після цього бак заповнюється розчином кухонної солі так, щоб над плитами утворився шар розчину, який слугує моделлю провідних порід осадового чохла. Таким чином створюється основна тришарова модель глибинного розрізу: провідний розчин кухонної солі, високоомні керамічні плити залиті розчином і високопровідне металеве дно. Шари не розділені ніякими перегородками, тому струми вільно протікають по всій товщі моделі, забезпечуючи гальванічний зв'язок між шарами, притаманний природним середовищам.

Джерелом однорідного змінного магнітного поля на установці традиційно слугує антена, яка охоплює весь електролітичний бак із моделями і складається з десяти з'єднаних паралельно прямокутних витків розміром 2.05.0 м, розміщених на відстані 0.45 м один від одного. Оскільки з ростом частоти, глибина проникнення поля зменшується, відповідно зменшується об'єм середовища з якого надходить інформація в точку виміру. Тому на високих частотах робочого діапазону немає потреби створення однорідного поля по всій поверхні бака, а достатньо лише в околі точки виміру, співмірному з глибиною проникнення. Виходячи з наведених міркувань, для збудження поля на частотах 2.0 10.0МГц було розроблено і випробувано альтернативне джерело електромагнітного поля. Воно являє собою чотири занурених проводи об'єднаних у два П-подібних напіввитки. Індуковані в електроліті струми замикаються не через стальні штирі і металеве дно як у випадку традиційного джерела з десяти паралельних витків, а безпосередньо через занурені в моделюючий розчин кінці вертикальних проводів.

Чутливим елементом до напруженості електричного й магнітного полів УФМ служить вимірювальний зонд. Він є основою вимірювальної апаратури і визначає головні її параметри: чутливість і динамічний діапазон, які найбільше впливають на точність результатів вимірювань. Використання сучасної елементної бази і нових схемотехнічних рішень дозволили створити новий п'ятикомпонентний зонд, що забезпечує високу точність, повторюваність результатів і можливість повної автоматизації процесу вимірювань в порівнянні з їх дво- і трикомпонентними попередниками. Для проведення вимірювань абсолютних значень напруженостей компонент електричного і магнітного полів проводиться калібрування вимірювальної апаратури. Суть останнього полягає в знаходженні коефіцієнтів KE для електричних і KH для магнітних диполів у робочому діапазоні частот, які б зв'язували покази вольтметра 9 (рис.1.) з реальними напруженостями електричного і магнітного полів в досліджуваному середовищі.

Розділ 3. Автоматизація установки фізичного моделювання.

В минулому у Львові неодноразово робились спроби автоматизувати процес вимірювань на УФМ. Проте за невеликими виключеннями, це ніколи не було повністю реалізовано на попередніх модифікаціях моделюючих установок. Однак, потреби розвитку методу фізичного моделювання ставили цю проблему як одне з перших завдань дисертаційної роботи.

Підключення ЕОМ типу IBM PC (як, до речі, і комп'ютерів інших типів) до будь якого обладнання може бути реалізовано трьома шляхами через:

1 системну магістраль чи шину; 2 паралельний інтерфейс Centronics; 3 послідовний інтерфейс RS-232C.

З аналізу структури і принципів роботи УФМ в розділі робиться висновок про доцільність використання інтерфейсу Centronics при автоматизації процесів керування й вимірювання.

Базуючись на аналізі логічної та фізичної структури вибраного інтерфейсу розроблено пристрій стикування (ПС) обладнання УФМ з ЕОМ. Функції, що виконує ПС, можна розділити на дві групи. До першої відносяться інтерфейсні функції, тобто ті, які забезпечують обмін з вибраним інтерфейсом комп'ютера (в даному випадку Centronics). Другу групу утворюють операційні чи основні функції, ради яких і створюється ПС. Відповідно з цими двома групами внутрішня структура ПС поділяється на дві частини: інтерфейсну і операційну.

Дослідження моделей різноманітних геологічних структур за допомогою УФМ найчастіше полягає у вивченні частотних і просторових залежностей п'яти компонент електромагнітного поля Ex, Ey, Hx, Hy i Hz. У відповідності до цих вимог розроблено алгоритми і програми для реалізації досліджень в двох основних режимах, частотного зондування й профілювання. Проте вони далеко не вичерпують можливостей автоматизації УФМ. Аналогічно, базуючись на використанні уже розроблених підпрограм, можна швидко й гнучко переналаштувати обладнання для розв'язання найрізноманітніших задач.

Підсумовуючи все викладене вище, зазначимо, що у розділі проаналізовано підходи до стикування ЕОМ з периферійними пристроями, детально викладено методику стикування обладнання з комп'ютером через інтерфейс Centronics, а також запропоновано варіант реалізації ПС та алгоритми програмного забезпечення його обслуговування для проведення досліджень на УФМ.

Розділ 4. Обробка результатів моделювання та оцінка їх вірогідності. Розділ присвячено розробці методики та алгоритмів обробки результатів моделювання.

Дослідження на УФМ, як і інші види спостережень, включають, обов'язково, стадію обробки отриманих даних з подальшою їх геофізичною, а потім і геологічною інтерпретацією. Мета обробки даних визначення амплітудних, фазових та просторових залежностей імпедансів, адмітансів, позірного опору і магнітних параметрів, тобто всіх величин, характерних для натурних спостережень. Крім цього, враховуючи специфіку лабораторних досліджень, зокрема, особливості збудження електромагнітного поля, за допомогою установки можна отримати додаткові параметри, не характерні для польових спостережень а притаманні математичному моделюванню.

Обладнання установки фізичного моделювання дає можливість збуджувати стаціонарне гармонічне електромагнітне поле, частота, амплітуда й фаза якого в довільній точці моделі залишаються постійними. Таким чином, послідовно провівши в різних точках поверхні моделюючого середовища виміри абсолютних значень будь-якої компоненти електромагнітного поля, можна побудувати відповідні карти напруженості, які будуть характеризувати їх просторову структуру. На практиці останню доцільно приводити у відносних величинах, які не залежать від масштабних коефіцієнтів. Для цього на однорідній ділянці, достатньо віддаленій від моделей геоструктур, вибираються й фіксуються фонові значення основних електричної Е0 та магнітної Н0 компонент поля, на які в процесі обробки нормуються виміряні відповідні значення напруженості поля в кожній точці.

Теорія магнітотелуричного методу розроблена для гармонічних коливань. Звичайно вважають, що існує лише "індукційна" частина поля. Тоді основні лінійні співвідношення для компонент поля запишуться у вигляді:

Ex = ZxxHx + ZxyHy ; Ey = ZyxHx + ZyyHy ; Hz = AHx + BHy , (4.1)

де Ei і Hi комплексні значення компонент електричного і магнітного полів, Zij , A і B передаточні функції середовища які залежать від електропровідності та частоти поля. При обробці результатів польових досліджень найперше виникає проблема спектрального аналізу варіацій поля, адже при польових спостереженнях реєструються часові значення компонент поля, а подальша обробка й інтерпретація виконується в частотній області і вимагає відповідних залежностей. Фізичне моделювання з цією проблемою не стикається, тому що масштабна модель збуджується послідовно гармонічним полем з різними частотами і відповідно реєструються вже спектральні образи (комплексні значення) компонент поля на кожній частоті у вигляді амплітуди й фази. Після визначення спектральних значень компонент ЕМ поля, наступною виникає проблема отримання передаточних функцій середовища, які мають ряд особливостей при обробці як натурних, так і модельних даних, оскільки в кожному рівнянні (4.1) є два невідомих. Для однозначності останніх, у випадку фізичного моделювання, необхідно приведені рівняння доповнити аналогічними, щоб визначник системи рівнянь не був рівний нулю. Отримати такі рівняння можна провівши виміри в заданій точці при іншій (бажано ортогональній) поляризації збуджуючого поля. Тоді для компонент тензора імпедансу можна записати:

Zxx = ( Ex1Hy2 - Hy1Ex2 ) / ( Hx1Hy2 - Hy1Hx2 ) ,

Zxy = (Hx1Ex2 - Ex1Hx2 ) / ( Hx1Hy2 - Hy1Hx2 ) ,

Zyx = ( Ey1Hy2 - Hy1Ey2 ) / ( Hx1Hy2 - Hy1Hx2 ) ,

Zyy = (Hx1Ey2 - Ey1Hx2 ) / ( Hx1Hy2 - Hy1Hx2 ) .

де Ex1, Ey1, Hx1, Hy1 і Ex2, Ey2, Hx2, Hy2 комплексні значення компонент електромагнітного поля моделі, виміряні при двох поляризаціях збуджуючого поля. Аналогічні співвідношення приводяться для компонент тензора адмітансу та магнітних параметрів. Коли ці величини визначено, для результатів фізичного моделювання можна побудувати всі аналогічні натурним експериментам залежності: частотні залежності модуля та фази компонент імпедансу та адмітансу, полярні діаграми імпедансу, дійсні та уявні індукційні вектори, криві позірного опору.

На прикладі простої тривимірної моделі в розділі продемонстровано результати роботи створеного алгоритму обробки даних.

Крім цього, розроблений алгоритм дає можливість отримувати параметри, які ще не набули широкого використання в практиці польових досліджень, а тільки пропонуються в деяких сучасних публікаціях. Це тензор позірного опору та індукційні вектори електричного типу [V.Semenov]. Останні вводяться співвідношеннями:

Hz = YzxEx + YzyEy ; Su = ReYzx + ReYzy ; Sv = ImYzx + ImYzy .

Очевидно, що запропоновані таким чином вектори будуть мати розмірність адмітансу на відміну від безрозмірних індукційних векторів. В розділі пропонується нормувати значення компонент цих векторів на основні адмітанси :

S'u = Re(Yzx /Yyx) + Re(Yzy /Yxy) ; S'v = Im(Yzx /Yyx) + Im(Yzy /Yxy) .

Показано, що такі величини в двовимірному випадку співпадають з індукційними векторами магнітного типу. Проте в тривимірному випадку, за результатами фізичного моделювання, їх величини приблизно в два рази менші аналогічних індукційних.

Згадані вище величини особливо зручно вивчати за допомогою фізичного моделювання, оскільки параметри середовища наперед відомі.

Дальше в розділі продемонстровано використання програмного забезпечення, розробленого для інтерпретації польових вимірів до результатів моделювання.

На закінчення приводиться опис експерименту, виконаного на установці для перевірки однозначності результатів одержаних методом фізичного й математичного моделювання ЕМ поля тестової тривимірної структури. Результати чисельного моделювання, виконані і представлені різними авторами, використані для співставлення з фізичним. Похибки між нормованими значеннями компонент ЕМ поля, отриманих методом фізичного моделювання і розрахованих математично: B.Kartik (Slovak, Bratislava), І.Варенцовим (Росія, Москва), та І.Варданянц (Росія, С-т Петербург), перевищують 10% лише в деяких місцях структури і пояснюються похибками обох методів. Співставлення свідчать про те, що результати обидвох методів досить добре узгоджуються і можуть доповнювати і контролювати один одного.

Розділ 5. Моделювання задач геоелектрики. У розділі наведено результати досліджень, одержані за останні роки в Карпатському відділенні Інституту геофізики з використанням автоматизованої УФМ, які демонструють сучасний стан розвитку та можливості методу фізичного моделювання. Крім цього по кожній з описаних задач робляться індивідуальні висновки та рекомендації щодо використання при інтерпретації результатів польових досліджень.

5.1. Дослідження латеральної анізотропії електропровідності тривимірної неоднорідності. В даній роботі аналоговим методом розвязувалась пряма електродинамічна задача для тришарового середовища з тривимірною приповерхневою неоднорідністю, яка має різну електричну провідність по латеральних осях. Така модель в природі може відповідати підняттю кристалічного фундаменту, а анізотропія провідності бути викликаною шаруватою структурою цього підняття. Конфігурація поля в цьому випадку визначається не тільки анізотропією провідності, а й геометричною формою неоднорідності. Щоб розділити ці ефекти електромагнітне поле досліджувалось на однакових за формою моделях з гомогенною та анізотропною тривимірною неоднорідностями.

Головний висновок: характер ЕМ поля анізотропної структури визначається провідністю вздовж протікання струму незалежно від провідності в інших напрямках.

5.2. Фізичне моделювання аномалій магнітотелуричного поля що виникають в сейсмоактивних зонах перед землетрусом. Внаслідок неперервних багаторічних спостережень на Камчатці виявлені аномальні зміни в електротелуричному полі, що досягають 1500мВ/км і більше за 10-30 діб до землетрусу з М=7 і М=7.6. Метод фізичного моделювання використано для оцінки величини струмів що спричиняють ці аномалії, не вникаючи в природу їх виникнення.

Величина струмів, що виникають в сейсмоактивних зонах перед землетрусами, оцінюється в перші сотні ампер, щоб пояснити аномальні зміни в електротелуричному полі, що досягають 1500мВ/км в природі.

5.3. Поведінка індукційних векторів над структурами ускладненими тривимірними блоками. Методика фізичного моделювання була використана для вивчення поведінки частотних залежностей індукційних векторів магнітного типу над поверхневою двовимірною структурою ускладненою тривимірними блоками в глибинному шарі. Такій моделі може відповідати геологічна будова Карпат та інших подібних витягнутих структур. Було проведено декілька експериментів для різних конфігурацій тривимірних блоків та різної глибини до високопровідного шару на дні моделі. Для кожного експерименту отримано і описано поведінку досліджуваних величин, та зроблено висновок про можливість розглядати в деяких випадках складну тривимірну структуру кори як однорідну з усередненим питомим опором.

5.4. Фізичне моделювання іоносферного електроджета. Мета даного експерименту вивчення просторової структури ЕМ поля джерела, що імітує полярний електроджет, на поверхні тришарового горизонтально-однорідного середовища, що моделює глибинний розріз Землі. В полі моделі електроджета на поверхні шаруватого серидовища виділено декілька ділянок, де криві МТ зондування однотипні. Поряд з низкою другорядних головним є висновок, що основна похибка, яка може виникати при інтерпретації результатів в авроральній зоні заниження значень глибини до високопровідної мантії.

5.5. Фізичне моделювання МТ поля Петропавловського геодинамічного полігону на Камчатці. Метод фізичного моделювання було використано для вивчення впливу складної геоелектричної будови регіону на поведінку МТ кривих. Результати фізичного моделювання магнітотелуричного поля свідчать, що для вивчення електропровідності земної кори та верхньої мантії полігону доцільно використовувати поздовжні криві МТЗ, які в меншій мірі спотворені "береговим" ефектом. Крім цього в підрозділі приведено висновки по окремих ділянках полігону.

ВИСНОВКИ

При розв'язанні низки задач геоелектрики, є доцільним використання фізичного моделювання. Розроблена методика та автоматизовані технічні засоби дозволяють досліджувати ЕМ поля складних структур із достатньою для практики ефективністю й точністю і вважати цей метод перспективним для удосконалення теорії і вирішення задач геоелектрики та електророзвідки.

Внаслідок проведення досліджень отримано наступні теоретичні та практичні результати.

Створено ряд технічних засобів для абсолютних вимірів амплітуд і фаз напруженості компонент електромагнітного поля, зокрема:

п'ятикомпонентний вимірювальний зонд, який на відміну від двокомпонентного забезпечує отримання повного набору передаточних функцій середовища за один цикл вимірів;

новий тип джерела ЕМ поля, який дозволяє розширити робочий діапазон частот УФМ;

Вперше, на відміну від попередніх установок, повністю автоматизовано процес вимірювання на УФМ з використанням сучасної обчислювальної техніки, що суттєво вплинуло на ефективність, кількість та якість отримуваних результатів моделювання.

Вперше розроблено алгоритми та створено програмне забезпечення для обробки результатів вимірювань на УФМ та адаптації їх до подальшого використання.

Співставлення результатів розв'язання прямої МТ задачі чисельними математичними методами і за допомогою фізичного моделювання для тривимірних структур показало достатню точність останнього.

Універсальний характер, а також широкі можливості автоматизованого комплексу продемонстровано низкою прикладів розв'язання різноманітних практичних задач геоелектрики, зокрема:

показано недопустимість формального використання одновимірних інверсій при наявності в середовищі тривимірних структур;

зроблено оцінку поведінки ЕМ поля над тривимірною моделлю ускладненою анізотропією провідності;

величина струмів, що виникають в сейсмоактивній зоні перед землетрусами оцінюється в перші сотні ампер, щоб пояснити аномальні зміни в електротелуричному полі, що досягають 1500мВ/км в природі;

досліджено вплив на індукційні вектори, створені приповерхневою двовимірною структурою, складної будови підстелаючих шарів;

оцінено похибку інтерпретації результатів магнітотелуричних зондувань проведених в полярних широтах;

приведено оцінку спотворень кривих МТЗ для геоелектричних умов Петропавловського геодинамічного полігону на Камчатці.

ОСНОВНІ МАТЕРІАЛИ ДИСЕРТАЦІЇ БУЛИ ОПУБЛІКОВАНІ У РОБОТАХ

1. V.Kobzova, B.Ladanivskyy, T.Ernst Physical modeling of electromagnetic field of 3D anisotropic conductance inhomogeneity.// Acta geophysica Polonica. Vol. XLVIII, .Warszawa: IGF PAN, 2000. No.3. P.395-410.

2. Ладанівський Б.Т., Фізичне моделювання як метод підвищення інформативності при дослідженні електромагнітних полів неоднорідних середовищ.//Вісник державного університету "Львівська політехніка", - "Комп'ютерні системи та мережі" Львів ДУ "Львівська політехніка", 2000. №385. C.49-58.

3. Ю.Ф.Мороз, В.М.Кобзова Б.Т.Ладанивский Физическое моделирование электромагнитного поля диполя в сейсмофокальной зоне в связи с поиском предвестников сильных землетрясений на Камчатке // Физика Земли. №.7, 2000, c.4952.

4. Ю.Ф.Мороз, В.М.Кобзова Б.Т.Ладанивский Физическое моделирование магнитотеллурического поля Петропавловского геодинамического полигона на Камчатке // Вулканология и сейсмология. №3, 2000, с.50 56.

5. Патент 27464 Україна. МПК 6 G06G7/48. Установка для моделювання електромагнітної індукції в Землі / І.П. Мороз, Л.Т.Гончарук, В.М.Кобзова, Б.Т.Ладанівський (Україна) №94096874 / Заявлено 06.09.1994; Опубл. 15.09.2000, Бюл. №4.

6. Yu.Moroz, V.Kobzova B.Ladanivskyy Investigation of correlation between magnetotelluric field and seismic electric signal using Kamchatka seismic zone physical model. .// Book of abstrakts. The 14th Workshop on electromagnetic induction in the Earth.-Sinaia, Romania 1998, p.69.

7. Yu. F.Moroz, V.M.Kobzova, B.T.Ladanivskyy Physical modelling of the electrical source in seismofocal zone.// Book of abstrakts. The 14th Workshop on electromagnetic induction in the Earth.-Sinaia, Romania 1998, p.70.

8. V.Kobzova, B.Ladanivskyy, I.Moroz Possibillity of the physical modeling method to study deep structure of Earth. // Book of abstrakts. SVEKALAPKO Europrobe project workshop.- Repino, Russia 1998, p.31.

9. Valentina Kobzova, Borys Ladanivskyy and Ivan Moroz Physical modelling nature electromagnetic fields: modern state and possibility.// IUGG 99. Abstracts. Week A. International Union of Geodesy and Geophysics XXII General Assembly - Birmingham 1999,p.a301.

10. Borys T. Ladanivskyy State and possibility of physical modeling. .// Book of abstrakts. The 15th Workshop on electromagnetic induction in the Earth. Cabo Frio (Brazil) 2000. P. 131.

11. Borys T. Ladanivskyy, Valentyna M. Kobzova, Branislav Kartik, Jan Vozar, Physical and numerical modeling results comparison of EM field 3D inhomogeniety. .// Book of abstrakts. The 15th Workshop on electromagnetic induction in the Earth. Cabo Frio (Brazil) 2000. P. 131.

12. Valentyna M. Kobzova, Borys T. Ladanivskyy, Tomasz Ernst, Michal Strfaniuk, Experience of physical modeling application for conductance anisotropic investigation. .// Book of abstrakts. International Conference on "Problems of Geocosmos". - St.Petersburg, Russia May 22-26, 2000. P.14.

Размещено на Allbest.ru

...