Программа обработки сигнала

ЕКОЛОГІЯ І ПРИРОДОКОРИСТУВАННЯ, 2003, Випуск 6
УДК 550.83:504
В.В. Финчук, И.М. Скопиченко,
А.В. Новиков
МЕТОД ТОЧЕЧНОГО
ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО
ЗОНДИРОВАНИЯ.
ТЕОРИЯ И СПОСОБЫ ОБРАБОТКИ
Научно-производственное предприятие “Геос”, Киев
Метод точкового електромагнітного зондування (TEMZ у транскрипції оригіналу
abbreviationis) заснований на дослідженні різних компонентів вторинної області (поля) у залежності від проектних і інших задач геологічного характеру. Теорія методу належить до
некласичного напрямку геоелектрики. Заснований на збудженні електромагнітних імпульсів поля Землі. У роботі описана теорія методу і способи обробки отриманої інформації.
Один з елементів обробки з використанням нової комп'ютерної програми "GEO" описано
детально.
Метод точечного электромагнитного зондирования (TEMZ в транскрипции оригинала
abbreviationis) основан на исследовании различных компонентов вторичной области (поля)
в зависимости от проектных и других задач геологического характера. Теория метода принадлежит неклассическому направлению геоэлектрики. Основан на возбуждении импульсов электромагнитного поля Земли. В работе описана теория метода и способы обработки
полученной информации. Один из элементов обработки с использованием новой компьютерной программы "GEO" описан детально.
ТЕОРИЯ МЕТОДА
первичным полем на границах сред с различной магнитной проницаемостью. Соотношение интенсивностей указанных аномалий
определяется типом источника, расстоянием
от его центра до проводящих или магнитных
пород.
Основные положения теории заключаются в следующем. Изучаемое методом
ТЭМЗ вторичное поле спада переходного процесса (V(t) / I) зависит от: активной проводимости среды (свойства, зависящие от литологического состава пород); влияния эффекта индукционно-наведенной поляризации (ИНП);
величины
магнитной
восприимчивости;
направления вектора намагничивания и частоты возбуждающего электромагнитного поля.
Влияние эффекта ИНП, выражаемое в понижении или повышении проводимости исследуемого разреза, определяется взаимоотношением направлений вектора ориентационной (первичной) поляризации объема среды и
вектора возбуждающего поля.
Известно, что в идеальном диэлектрике
удельная электрическая проводимость равна
нулю (G=0). Это означает, что токи проводимости Iпр отсутствуют, а существуют лишь
токи смещения Iсм. В идеальном проводнике
Метод точечного электромагнитного
зондирования (ТЭМЗ) относится к неклассическому направлению геоэлектрики. Он
основан на возбуждении импульсного электромагнитного поля Земли питающе-приемной
установкой малого размера. Основной особенностью таких установок является высокая
напряженность первичного поля в центре
установки (значительно превышающая значения напряженности первичных полей, создаваемых установками больших размеров: 50х50
м, 100х100 м, 200х200 м и более).
Подвод зондирующего электромагнитного
импульса от источника питания к исследуемому объекту и регистрации эхо-сигнала осуществляется с помощью индуктивных элементов, расположенных в одной точке. Переменное магнитное поле вызывает вихревые электрические токи в проводящих слоях и намагничивает все горные породы. При этом регистрируемая аномальная часть поля складывается из полей вихревых токов, текущих в покровных отложениях и индуцированных в локальных проводниках; поля электрических
зарядов, возникающих на поверхностях раздела, которые пересекает электрический ток, и
поля магнитных зарядов, индуцированных

© Финчук В.В., Скопиченко И.М., Новиков А.В., 2003
173
ЕКОЛОГІЯ І ПРИРОДОКОРИСТУВАННЯ, 2003, Випуск 6
положен закон сохранения энергии (энергия
возбуждающего первичного и энергия возбуждаемого вторичного полей равны). На основании этого предполагается, что изучаемое
вторичное поле становления распространяется
в среде с постоянной скоростью.
Величина вертикальной скорости была
определена экспериментально по результатам
интерпретации параметрических зондирований скважин.
В дальнейшем было найдено математическое решение, определены, предположительно, физические элементы, контролирующие
вторичное поле среды. Полученная после математических вычислений величина скорости
отличается на 2% от величины, которая получена по результатам интерпретации параметрических зондирований для района Якутии.
При работах на параметрических скважинах в
Украине и Татарии было определено, что величины скоростей равны величине скорости,
получаемой из математического уравнения.
Применение данной методики вычислений
предполагает.
1. Наведенное поле (поле становления)
изучает информацию об объеме, заключенном
внутри сферы радиусом R=Vср.T/2. Поскольку
информация о верхнем полупространстве есть
величина постоянная, предполагается, что
изучаемое поле среды - есть поле внутри нижней полусферы. Данные наведенного поля являются интегральной информацией о составляющих его элементах горизонтальнослоистого разреза и вертикальных неоднородностей различной природы.
2. Измеряемая величина напряженности
наведенного вторичного поля V(t)/I является, в
основном, функцией проводимости изучаемого разреза. Ее изменение связано с различной
проводимостью пород и их магнитными и поляризационными свойствами, а также частотой
возбуждающего поля и его направлением.
существует ток проводимости, но значение Iсм
очень мало. Между частотой электромагнитного поля W, относительной диэлектрической
проницаемостью E и соотношением Iпр/Iсм существует равенство:
(Iпр/Icм)макс. = G/W. E .
В случаях, когда (Iпр/Iсм)макс. = 1.0, т.е. Iпр =
Iсм или G = W. E - среда характеризуется как
проводник. При (Iпр/Iсм)макс.  1.0 среда является диэлектриком.
Отсюда следует, что изменение частоты
электромагнитного поля W сопровождается
изменением G, т.е. рост W ведет к тому, что
проводящие вещества приобретают диэлектрические свойства. В частности, на низких
частотах морская вода является проводником,
а на сверхвысоких частотах– диэлектриком.
Известно, что возбуждающий прямоугольный токовый импульс Хевисайда, используемый при производстве ТЭМЗ, обладает широким спектром электромагнитных волн. Предполагается, что для большинства зондирований, выполняемых постоянными приемнопередающими системами, одни и те же глубинные интервалы исследований возбуждаются близкими спектрами электромагнитных
волн. С глубиной происходит более быстрое
затухание высокочастотных электромагнитных волн.
Из приведенного следует, что контрастность в различиях электрофизических свойств
различных объектов и вмещающих пород может изменяться на разных глубинных срезах
исследований.
Возможность выделения аномалий электромагнитных свойств зависит от геоэлектрического разреза, методики проведения измерений, параметров аппаратуры, алгоритмов интерпретационных программ обработки.
В основу методики обработки материалов
ТЭМЗ (определение глубины исследований)
МЕТОДИКА ОБРАБОТКИ
При обработке полевых результатов электроразведочных работ используются кривые
напряженности вторичного поля V(t)/I, измеренные в двух полярностях в приемной установке (Vпр.,Vобр.) дважды и координаты центров ТЭМЗ.
Основными элементами программы обработки являются следующие расчетные пара-
метры, несущие информацию об изучаемом
геоэлектрическом разрезе.
Глубина исследований, определяемая по
формуле:
H=0,5.Vср. tзад.;
(1)
где Vср. – вертикальная скорость; tзад. – временная задержка измеряемого вторичного поля.
174
ЕКОЛОГІЯ І ПРИРОДОКОРИСТУВАННЯ, 2003, Випуск 6
Кажущееся сопротивление разреза в интервалах между различными временными задержками измерений (различными глубинами
исследований) - параметр Rt ИНТ - определяется по формуле:
Rt ИНТ.= dH / dSk ,
4. Для изучения локальных особенностей
вертикальных разрезов наблюденного вторичного поля и его временных изменений применяется алгоритм уравнения нормализованного
значения Z. Вычисляются нормированные
значения трансформированного вторичного
поля (nRtинт), а также временных изменений
наблюденного поля (ndV(пр.,обр., разн.),
ndVsum) на одинаковых временных задержках
(глубинах исследований). По рассчитываемым
значениям и их модулям (размерность величин
выражается в процентах) строятся вертикальные разрезы, и оценивается их информативность.
После совместного анализа вертикальных
разрезов указанных выше электромагнитных
параметров среды делается заключение о
наличии объектов с аномальными электрофизическими свойствами, определяются их пространственные границы.
Все расчеты и построения выполняются на
персональном компьютере с использованием
авторских программ «Feniks» и «GEO».
В результате интерпретации первичных
данных выделяются, например, пласты углеводородов как аномалии повышенных сопротивлений, а водные контакты – как аномалии
низких. Помимо этого в перекрывающих отложениях над месторождением углеводородов
выделяются аномалии повышенных и пониженных сопротивлений, связанные с изменениями физических свойств пород, вызванными
миграцией углеводородов (так называемая
«шапка», являющаяся достоверным поисковым критерием на наличие значительных
скоплений нефти и газа).
Кроме того, на разрезах ТЭМЗ четко фиксируются положительные и отрицательные
тектонические структуры, а также разрывные
нарушения, связанные со смещением блоков
(сбросы, взбросы, грабены, горсты и т.д.).
(2)
где dH – интервал между двумя глубинами
исследований определяется по формуле (1),
dSk – величина кажущейся проводимости
между двумя временными задержками.
Экспериментально установлено, что величины напряженности вторичного поля, измеренные в одной точке на одних и тех же временных задержках, изменяются во времени.
Величины временных изменений напряженности вторичного поля при одной полярности в приемной установке определяются по
формуле:
dV=2(V(t)1-V(t)2)/(V(t)1+V(t)2).100. (3)
Величина dV выражается в %, зависит она
от точности аппаратуры и аномальных электромагнитных свойств разреза. Локальные изменения величины dV связаны с электромагнитными особенностями изучаемой среды.
Работами на параметрических скважинах
установлено, что величина значений dV зависит от величины кажущегося сопротивления,
магнитной восприимчивости и поляризационных свойств пород. Однако возможно отсутствие аномалий dV над магнитными объектами при их высокой проводимости.
Исследование временных изменений вторичного поля dV позволяет дополнительно
выделять и анализировать участки площади,
где по результатам интерпретации в параметрах наблюденного вторичного поля явные
аномалии не выделяются.
Изучаются временные изменения вторичного поля, вычисляемые по формуле:
dVsum = dVпр.. dVобр. , %.
(4)
ПРОГРАММА ОБРАБОТКИ СИГНАЛА
Основными элементами программы обработки являются следующие расчетные параметры, несущие информацию об изучаемом
геоэлектрическом разрезе: глубина исследований, определяемая по формуле (1); кажущееся
сопротивление разреза в интервалах между
различными временными задержками измерений (различными глубинами исследований) -
параметр Rt ИНТ, определяемый по формуле
(2).
Для изучения локальных особенностей вертикальных разрезов наблюденного вторичного
поля и его временных изменений применяется
алгоритм уравнения нормализованного значения Z. Вычисляются нормированные значения
трансформированного вторичного поля, а так
175
ЕКОЛОГІЯ І ПРИРОДОКОРИСТУВАННЯ, 2003, Випуск 6
же временных изменений наблюденного поля
на одинаковых временных задержках (глубинах исследований). По рассчитываемым значениям и их модулям строятся вертикальные
разрезы, и оценивается их информативность.
После совместного анализа вертикальных
разрезов указанных выше электромагнитных
параметров среды делается заключение о
наличии объектов с аномальными электрофизическими свойствами, определяются их пространственные границы.
Основная программа получает файл, который отображается в окне трехмерной модели
объекта (рисунок).
Рисунок. Изображение трехмерной модели объекта на экране дисплея
Все программное обеспечение (3 программы), сопровождающее станцию ТЭМЗ, хранится в одном персональном компьютере типа
NOTEBOOK и в ходе исследования работает
синхронно.
Cтанция ТЭМЗ мобильна, обладает малыми
габаритами и может быть размещена в любом
автомобиле (внедорожнике).
В случае проведения исследования в труднодоступной местности (лес, высокие подъ-
емы, овраги) комплект может быть доставлен
к месту проведения исследования оператором.
Для графических построений используются
адаптированная для метода ТЭМЗ программа
Microsoft Surfer (7 версия) и оригинальная авторская пр о г р а мма обработки GEO.
Программа GEO предназначена для трехмерного отображения структуры объекта. Она
может отобразить любую трехмерную область,
ее форму, ландашафт и дать ответ на вопросы:
176
ЕКОЛОГІЯ І ПРИРОДОКОРИСТУВАННЯ, 2003, Випуск 6
 на какой глубине (высоте) находится
аномалия;
 каковы ее площадные характеристики;
 каковы ее объемные характеристики;
 какова ее внутренняя структура.
В программе можно интерпретировать сразу несколько областей, даже если они будут
перекрывать друг друга.
Допустима интерпретация области любой
величины, как сколь угодно большой, так и
ничтожно малой, что позволяет обработать
комплекс измерений любого объема.
Можно достраивать, уточнять уже созданные модели, добавлять новые профили (сечения) и удалять старые.
В плане количественного управления
данными программа абсолютно универсальна.
В целом программа позволяет в полной
мере ознакомится с результатом многочисленных измерений, избежать просмотра больших
по объему и не всегда однородных по содержанию таблиц или текстовых данных.
Основные функции программы:
а) построение изображения: координатная
сетка и координатные оси; поверхностная (рельефная ) сетка; контуры; управление цветами;
б) управление данными: поворот; наклон;
движение; разрезы по двум плоскостям; сепаративная прорисовка данных; управление
масштабом; определение глубины или высоты
объекта;
в) организация данных;
г) уточнение данных;
д) программируемая легенда.
Построение изображения. Программа
строит цветную модель любой трехмерной
области, производя при этом, поэтапную прорисовку прямоугольных сечений плоскости
XOY данной области с последующим их
накоплением вдоль оси OY. Таким образом,
координату Z программа получает автоматически.
В случае отображения модели неоднородной трехмерной области (“слоеная” структура), программа дифференцирует составляющие слои области и заполняет их соответствующими цветами. Дифференциация слоев
происходит в зависимости от характеризующих их сигналов.
Координатная сетка и координатные
оси введены в программу для удобства пользователя и повышения информативности. В
режиме работы являются индикаторами, сиг-
нализирующими о том, в какой плоскости или
проекции работает пользователь.
Поверхностная сетка и контуры дают
пользователю четкое представление о рельефности отображаемого слоя объекта, какой-то
его части или проекции.
Можно также с помощью программы GEO
получать разрезы, отсекая отображенную область двумя прямоугольными секущими плоскостями параллельными XOY и YOZ. Функция дает доступ к внутренней структуре отображенной области.
Сепаративная прорисовка данных. Чтобы увидеть интересующий слой, достаточно
выделить его в меню отображения трехмерной
области.
Управление масштабом. В случае, если
интересующая область либо сегмент области
очень мал, в программе предусмотрена функция изменения масштаба отображаемых данных.
Измерение глубины и высоты объекта.
Программа, опираясь на табличные данные,
автоматически определяет глубину (высоту)
отображаемой области.
Уточнение данных. Для уточнения данных к программе прилагается специальная
процедура INTERPOL.EXE.
Данная процедура применяется в случае,
если пользователь располагает неточными (содержащими погрешность) данными. Неточности и погрешности возникают вследствие погрешности метода их получения. Процедура
производит кусочно-линейную интерполяцию
всей области, самостоятельно рассчитывая при
этом все недостающие для корректного отображения точки.
Структура данных.
1. В одном массиве могут храниться данные одного или нескольких срезов.
2. Файл может содержать сколь угодно
большое количество табличных данных.
3. Если не соблюдена целостность структуры файла, программа не сможет корректно
его интерпретировать.
4. Срезы могут состоять из одного столбика.
5. Могут быть пропущены несколько сечений или слоев по глубине.
6. Можно состыковать несколько серий
измерений, даже если они перекрывают друг
друга.
7. Допустимо построение модели в масштабе, отличного от принятого в программе,
177
ЕКОЛОГІЯ І ПРИРОДОКОРИСТУВАННЯ, 2003, Випуск 6
что позволяет рассмотреть комплекс измерений на сколь угодно большой площади.
8. Можно достраивать, уточнять существующие модели.
9. Программа производит условное отображение сторон света для данной последовательности таблиц.
ВЫВОДЫ
Таким образом, метод ТЭМЗ в настоящее
время является одним из наиболее универсальных и перспективных геоэлектрических
методов. Он успешно применяется при решении сложных экологических и геологических
V.V. Finchuk, I.M. Skopichenko,
A.V. Novikov
задач. Сегодня ставится вопрос о применении
метода ТЭМЗ при инженерно-геологических,
инженерно-геофизических и даже археологических исследованиях, а его высокая эффективность доказана на практике.
METHOD OF POINT-TYPE
ELECTROMAGNETIC REMOTE SENSING.
PROCESSING THEORY AND APPROACHES
Scientific production company “Geos”, Kiev
The Method of dot electromagnetic sounding (TEMZ in Transliteration of original abbreviationis) is based on investigation of various components of the secondary field depending on geological, engineering and other tasks. The Theory of the method pertains to nonclassic direction of geoelectric. It is founded on excitation of the impulse electromagnetic field of the Earth. In this work
the theory of the Method and ways of the processing are described. One of the elements of the
processing – especial new computer programm “GEO” – is described with detailes.
Поступила в редколлегию 15 октября 2003 г.
Представлено членом редколлегии д-ром техн. наук С.З. Полищуком
178