Выпуск - 2013(13) А.А. Груздев, Д.А. Науменко, П.С ... · shows what can be obtained using OhmMapper in the Far North conditions. The results of capacitive

Выпуск №1 - 2013(13) А.А. Груздев, Д.А. Науменко, П.С. Богданов, А.А. Бобачев, В.А. Шевнин Бесконтактное измерение электрического поля с

помощью OhmMapper в условиях Крайнего Севера

УДК 550.837.3

А.А. Груздев(1)

, [email protected]

Д.А. Науменко(2)

,

П.С. Богданов(2)

,

А.А. Бобачев(1)

(к.ф.-м.н.),

В.А.Шевнин(1)

(д.ф.-м.н., професор)

(1)

МГУ им. М.В.Ломоносова (2)

ООО «Питер Газ»

БЕСКОНТАКТНОЕ ИЗМЕРЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ С ПОМОЩЬЮ

OHMMAPPER В УСЛОВИЯХ КРАЙНЕГО СЕВЕРА

Ключевые слова: бесконтактное профилирование, емкостное заземление, OhmMapper

A.A. Gruzdev(1)

D.A. Naumenko(2)

P.S. Bogdanov(2)

A.A. Bobachev(1)

V.A. Shevnin(1)

(1)

Lomonosov Moscow State University (2)

«Piter Gaz» Ltd

CAPACITIVE RESISTIVITY SURVEY WITH OHMMAPPER SYSTEM IN FAR

NORTH CONDITIONS

Аннотация

Бесконтактное измерение электрического поля – специальная модификация

электропрофилирования на участках, где гальваническое заземление затруднено (выходы

скальных пород, мерзлые грунты, техногенные постройки, автомагистрали и другие). Из-

за того, что метод не стандартизован и относительно недавно развивается, не существует

четкого описания ограничений для измерений. Данная работа показывает, каких

результатов можно добиться используя аппаратуру OhmMapper в условиях крайнего

севера. Результаты бесконтактных измерений сравниваются с результатами

электротомографии выполненными на тех же участках. В заключении, делаются выводы о

возможности использования данного метода в условиях крайнего севера, и перечисляются

основные положительные моменты измерений данной методикой.

mailto:[email protected]



Abstract

Capacitive resistivity is a special technology for electrical resistivity profiling in areas

where galvanic contacts with ground are difficult to achieve (hard rock, frozen ground, man-

made construction, highways, etc.). Because the method is not standardized and relatively

recently developed, there is no clear description of the measurements' limitations. This work

shows what can be obtained using OhmMapper in the Far North conditions. The results of

capacitive resistivity measurements are compared with electrical resistivity tomography,

executed at the same sites. Finally, conclusions are made about this method's possibility at the

Far North, and the major positive aspects of this measuring technology are listed.

Введение

Строительство трубопроводов – очень важная задача для нашей страны. Изыскания,

проводимые для проектируемых трубопроводов, включают в себя множество разных

исследований грунтов. Широкое применение получила электроразведка, из-за своей

экономичности, результативности и производительности. При линейных изысканиях

зачастую применяют электропрофилирование (ЭП), когда вдоль заданного направления

перемещается установка с постоянными разносами. И на каждой точке можно судить об

изменении геоэлектрического разреза вдоль этого профиля на примерно одинаковую

глубину. Электропрофилирование применяется для обнаружения мест неблагоприятных для

прокладывания трубы (разломы, сдвиги, резкие изменения литологии или неблагоприятные

грунты). При измерениях ЭП получают кажущееся сопротивление, и проводят качественную

интерпретацию данных. Если при изысканиях априорно известно о местах со сложным

геологическим строением применяют метод вертикальных электрических зондирований

(ВЭЗ) или его модификацию электротомографию. ВЭЗ - это такая модификация метода

сопротивлений, с помощью которой, на каждой точке наблюдения получают зависимость

кажущегося сопротивления от разноса - кривую кажущегося сопротивления. Зачастую после

этого проводят количественную интерпретацию методом подбора в рамках одномерной

среды для каждой точки зондирования. Результат интерпретации ВЭЗ – распределение

истинного сопротивления с глубиной. Электротомография – это модификация метода ВЭЗ, в

которой предусмотрены некоторые особые правила для процесса измерения и инверсии

данных. Результатом инверсии электротомографических данных является разрез истинного

сопротивления по профилю.



Методы, описанные выше, используют гальваническое заземление для передачи тока

и измерения сигнала. Существуют ситуации, когда использование гальванических

заземлений осложнено или практически невозможно (выходы скальных пород, мерзлые

грунты, техногенные постройки, автомагистрали и другие). Для таких условий были

разработаны альтернативные методы, такие как метод бесконтактного измерения

электрического поля (БИЭП) и метод высокочастотного электрического поля (ВЧЭП).

В декабре 2011 года в Мурманской области, в условиях крайнего севера, были

выполнены работы методом БИЭП. Работы выполнялись с помощью прибора OhmMapper

TR1 (Geometrics, Inc), в формате трехразносного профилирования. Результаты были

обработаны и закружены в программу 2D инверсии Res2dinv. Результатом инверсии

является разрез истинных сопротивлений вдоль профиля. На отдельных участках, где

гальваническое заземление было возможно, результаты БИЭП были «заверены» с помощью

электротомографии. Данная работа показывает результаты сравнения данных полученных с

помощью БИЭП и электротомографии в условиях района с высокими сопротивлениями.

Обзор методов бесконтактных измерений

Бесконтактное измерение электрического поля (БИЭП) – методика геофизических

измерений, разработанная специально для работ в трудных условиях, таких как

техногенные участки (заасфальтированных дороги, бетонные конструкции и т.д.), выходы

скальных пород, мерзлые грунты и т.п., где применение традиционных методов

электроразведки, использующих гальваническое заземление, крайне трудоемко.

В работе [Нахабцев и др. 1985] рассказывается о возникновении и развитии

бесконтактного метода: «Впервые методика и аппаратура БИЕП предложены в 1963 г. при

работах методом СГ. … В 1969-1970 гг. А.М. Васильевым испытана аппаратура для

наземного профилирования методом СГ в движении. В 1971-1974 гг. А.С. Нахабцевым и

Б.Г Сапожниковым выполнены работы в зимний период по снежно-ледовому покрову

методами СГ, ДП и электрического заряда…».

В зарубежных источниках излагается иначе. В работах [Calvert et al., 2002] и

[Yamashita et al.] говорится о работе [Timofeev et al. 1994], ак о первом

задокументированном исследовании в этой области. В документе [Kura et al., 2006] тема

разработки измерения электрического поля с помощью «емкостного контакта»

(зарубежный термин «capacitively coupled») раскрыта более полно: за рубежом самое

раннее успешное применение геофизической методики было выполнено для



Департамента обороны США, тогда измерения производились для поиска скрытых

трещин в Гренландии и Антарктике [Cook J. C., 1956], а уже в 1970-х, изыскания были

проведены в России Тимофеевым [Timofeev, V. M., 1973]. Это несовпадение, скорее

всего, может быть объяснено тем, что Б.Г. Сапожников публиковал работы только на

русском языке, а В.М. Тимофеев, разрабатывающий теорию аналогичного БИЭП метода

высокочастотного электрического поля (ВЧЭП) [Тимофеев В.М. 1973], выступил на

зарубежной конференции, и стал известен зарубежным коллегам.

Основной принцип действия БИЭП, по мнению большинства авторов, мало чем

отличается от принципа действия обычной четырех электродной установкой. Разница

лишь в том, что при обычном измерении, мы используем металлические электроды,

которые гальванически заземлены. При БИЭП мы получаем емкостное заземление

электродов. Объясним это на примере строения диполя OhmMapper.

Рисунок 1. Схематическое строение Ohmmapper.

На рисунке 1 схематически показана часть тела прибора (это может быть как

измеритель, так и генератор) и подключенный к ней кабель. Внутри кабеля находится



витая пара (которая служит для передачи цифровой информации), которая «упакована» с

непроводящий материал, сверху это оплетено медной проволокой, далее покрыто

наружной изоляцией. Медная оплетка первая из пластин конденсатора, поверхность земли

- вторая обкладка конденсатора, наружная изоляция – изолятор между пластинками.

Таким образом, если это генератор, к нему подключено два провода, т.е. два емкостных

электрода через которые ток распространяется в землю. Глубина исследования зависит от

размеров диполей и расстояния между генератором и измерителем. Максимальный разнос

не более одной величины skin-слоя которая в метрах приблизительна равна f503 ,

где ρ сопротивление грунта (в Ом*м), а f –частота сигнала генератора (в Гц) (для

OhmMapper приблизительно 16,5 кГц [OhmMapper manual]).

В работе [Бобачев 2002] метод БИЭП рассматривается с точки зрения измерения

электрического поля в воздухе. Особое внимание уделено проблемам, связанным с

наличием сильной вертикальной компоненты электрического поля в воздухе (которая

влияет на измерения в случаях, если приемная линия расположена не горизонтально),

неоднородностям в воздухе (любой объект возле измерительной антенны, в первую

очередь – оператор измерительной аппаратуры, которые не влияют на поле в земле, но

влияют на измерения в верхнем полупространстве), от высоты приемной линии над

землей. «Отличительной особенностью электрического поля в воздухе у поверхности

земли является то, что оно содержит как горизонтальную, так и вертикальную

компоненту. Соотношение между этими компонентами определяет зависимость поля в

воздухе от высоты и угла наклона приемной антенны. Оно зависит от геоэлектрического

разреза. Электрическое поле в воздухе у поверхности земли для слабоконтрастных

геоэлектрических разрезов близко к полю на поверхности земли. Для высоко контрастных

разрезов с проводящим основанием поле в воздухе имеет более сложную структуру. Это

приводит к тому, что для неблагоприятных геоэлектрических разрезов интерпретация

данных бесконтактной электроразведки возможна только с учетом высоты антенны».

Существует также разные мнения по поводу частоты измерений БИЭП. В работе

[Нахабцев и др. 1985] о рабочей частоте говорится: «Рабочая частота аппаратуры при

электропрофилировании с незаземленными установками должна удовлетворять

противоречивым требованиям. С одной стороны, необходимо повышение частоты для

разработки простой и портативной аппаратуры, с другой желательно применение низких

частот для увеличения глубинности картирования. Опыт разработки действующих

макетов аппаратуры и результаты опытно методических работ показали, что для

профилирования с незаземленными установками пригодны частоты звукового диапазона



150-2500 Гц. При этом в качестве оптимальной была выбрана частота отраслевого

стандарта на электроразведочные генераторы, равная 625 Гц». Поэтому отечественная

аппаратура для БИЭП работает на частоте 625 Гц.

В работе [Kuras et al., 2006] говорится говорят о необходимости производить

бесконтактные измерения в следующих границах:

1.6 кГц < f < 25 кГц.

Объясняется это следующим образом.

Для верхней границы, при измерениях необходимо оставаться в рамках

квазистационарного приближения, когда можно пренебречь индуцируемыми вторичными

токами. Это выполняется если длины волн в верхнем полупространстве λ1 (воздух) и

нижнем полупространстве λ 2(среда) на круговой частоте ω (2*π*f) с диэлектрической

емкостью ε(1)

, ε(2)

гораздо больше характерных расстояний r и r΄(расстояние источник-

приемник и мнимый источник – приемник соответственно). Количественная оценка идет с

помощью формулы:

2

0

L

LB , где B отношение L- характерная величина измерительной

установки, к δ – величина скин-слоя. На основании работы Application of the electrostatic

quadripole to sounding in the hectometric depth range. Benderitter, Y., A. Jolivet, A. Mounir,

and A. Tabbagh, 1994 утверждается, что квазистационарное приближение возможно

применять при условии:

12 B , следовательно, верхняя граница находится из следующего неравенства:

2

0rff в

, где r

–расстояние между приемным и генераторным диполями. Для

r<10 м, и сопротивлений не ниже 10 Ом*м, верхняя частота приблизительно равна 25 кГц.

Для нижней границы, для создания большого электрического дипольного момента

на генераторе, нужно создать достаточный ток. Нагрузкой генератора, в случае

использования емкостного контакта, будет комплексный импеданс

RCi

RXZ c

1

)( , где R - это сопротивление, XC - реактивная компонента

импеданса, и C эффективная емкость датчика. Напряжение UTx создается генератором

)(Z

UI Tx . Для оценки частоты авторы выбирают сопротивление нагрузки равное 10

5 Ом,

как пороговое. Т.к. омическое сопротивление земли (обычно первые омы) пренебрежимо



мало по сравнению с реактивным сопротивлением датчика, поэтому весь импеданс будет

равен Ci

Z

1

.

Для создания нужного момента необходимо ограничение по частоте

Tx

LCU

Iff

2 (1), для условий I = 10 мА, UTx=1000 В, С=1 нФ, нижний предел

частоты fL≈1.6 кГц.

В той же статье есть формула для вычисления емкости провода, висящего над

землей (емкость на единицу длины).

)ln(

2

22

0

a

addC r

, где a радиус проводящей части провода, d расстояния от оси

провода до земли. Ниже приведены (рис. 2) графики расчета емкости различных условий,

которые могут быть реальными при измерении с помощью OhmMapper.

Рисунок 2. Графики зависимости емкости С (Ф) от d(мм) расстояния от оси провода до земли, индекс

кривой а(мм) радиус проводящей части провода.

Подставим значения для разных емкостей провода, а также реальные условия для

силы тока и напряжения (мощность прибора до 2 ватт, следовательно, возможное

напряжения при силе тока 10 мА равно 200 В) в формулу 1). Получаем, что OhmMapper не

должен работать при диаметре проводящей части меньше, чем 5 мм, и расстоянии от оси

провода большем, чем 3 мм. Последнее в реальных условиях редко выполняется.



Аппаратура и методика

Аппаратура OhmMapper работает на частоте приблизительно 16.6 кГц. Измерения

производятся с помощью установки, в которой 3 измерителя и генератор, которую

«протаскивают» по профилю. Эта установка одновременно производит измерения на трех

разных разносах. Обработка производится в программе MagMap. Результатом обработки

является таблица значений кажущегося сопротивления с координатами точки записи и

расстояния между приемным и генераторным диполем. После производится

автоматическая двухмерная инверсия (в нашем случае с помощью программы

RES2DINV). В результате получается разрез распределения удельного сопротивления по

глубине.

Работы выполнялись вдоль профиля 8.8 км, простирание профиля приблизительно

север – юг. Измерения производились аппаратурой OhmMapper, в модификации TR3, что

обозначает три измерителя и один генератор. Основные характеристики прибора показаны

в таблице 1 [Yoshihiro et al.].

Таблица 1. Характеристики аппаратуры OhmMapper.

Диапазон измеряемого сопротивления От 3 до 100000 Ом*м

Частота записи Настраиваемая, до 2 записей в секунду

Характеристики генератора Частота: приблизительно 16.6 кГц

Мощность: до 2 Ватт

Ток: от 0.125 мА до 16 мА

Характеристики измерителя Длина диполей: 5 или 10 м

Входное сопротивление: более 5 Мом

Точность измеряемого напряжения: не хуже 3%

Диапазон измеряемого сигнала: 0-2 Вольта

Работы производились дипольной осевой установкой. Размеры диполей по 5

метров, расстояния между центрами приемных и питающего диполя 10 м, 12.5 м и 15 м

соответственно. Измерительная установка состоит из трех измерителей и генератора. К

каждому из блоков подключены 2 провода по 2.5 метра, как показано на рис 3.

Измерительные диполи связаны с генераторным диполем 5 метровой веревкой (рис3). Вся

установка подключается к консоли, которая находится на поясе у оператора, через

оптический преобразователь (преобразовывает сигнал из электрического в оптический, а

затем обратно), это сделано для того, чтобы исключить лишние наводки.



Рисунок 3. Схема расположения диполей при профилировании с OhmMapper

Съемка производилась в «непрерывном» режиме, это значит, что оператор

двигался не останавливаясь. Измерения происходили автоматически через настраиваемое

время. Время настраивалось таким образом, чтобы было минимум 4-5 измерений на 10

метров. Для пологих мест это время равно 2 секундам между измерениями, для крутых

мест, где быстро передвигаться невозможно, 7 секунд. Позиция Оператора автоматически

записывалась помощью GPS. Впоследствии, позиция автоматически пересчитывалась для

каждого измерения.

Обработка данных заключалась в выполнении следующих действий:

1) Обработка результатов съемки в программе MAGMAP, поставляемой в

комплекте с аппаратурой. В этой программе осуществлялась очистка результатов от

случайных помех, автоматический пересчет значений измеренного поля в значения

кажущегося сопротивления, выгрузка результатов. Из-за контрастности разреза нам

удалось также провести автоматическую двумерную инверсию разреза и получить

истнные сопротивления. Поэтому данные так же выгружатись в формате подходящем для

RES2DINV.

2) Введение рельефа, дополнительный контроль качества данных

производился в программе x2ipi.

3) Для инверсии данных БИЭП использовалась программа «Res2dinv» версия

3.58.16 (Geotomo Software, Малайзия). Результатом 2D инверсии был разрез истинного

сопротивления по профилю.

Полевые работы по электротомографии были выполнены на 3-х участках. Было

выполнено два профиля, по 355 м (72 электрода) каждый с расстоянием между

электродами 5 м, и один профиль длиной 147.5 (60 электродов) с расстояниями между

электродами 2.5 м.

Работы проводились с аппаратурой «Syscal-Pro Switch 48» производства фирмы Iris

Instruments (Франция). Основные параметры станции:



встроенный генератор: мощность - 250 Вт, максимальная сила тока - 2.5 A;

максимальное выходное напряжение – 800 В. Форма сигнала – меандр. Типичная точность

измерения тока пропускания 0.2%.

встроенный измеритель: входное сопротивление – 100 МОм, максимальный

сигнал 15 В, точность измерения напряжения 0.2%, минимальное измеряемое напряжение

– 1 мкВ, автоматическая компенсация линейного дрейфа межэлектродной поляризации.

Измеритель позволяет проводить измерения одновременно для 10 диполей, что

существенно повышает скорость измерений (до 100 измерений в минуту).

аппаратура «Syscal-Pro Switch 48» позволяет использовать для работы

электроразведочные косы с общим количеством электродов 48 штук.

Для проведения работ использовалось два типа электроразведочных установок:

Комбинированная (прямая плюс встречная) трех электродная установка

Шлюмберже. Это установка позволяет добиться максимальной глубинности при

использовании многоэлектродной аппаратуры. Для этого необходимо отнесение одного

питающего электрода в «бесконечность» на расстояние не менее 450 м от профиля. Сетка

разносов (О – центр измерительного диполя, в скобках указано значение для измерений с

расстоянием между электродами 2.5 м):

Таблица 2. Сетка разносов комбинированной трехэлектродной установки.

MN, м 5 (2.5) 5 (2.5) 5 (2.5) 5 (2.5) 5 (2.5) 5 (2.5) 5 (2.5) 5 (2.5) 25 (12.5)

АО, м 7.5 (3.75) 12.5

(6.25)

17.5

(8.75)

22.5

(11.25)

27.5

(13.75)

32.5

(16.25)

37.5

(18.75)

42.5

(21.25)

42.5

(21.25)

MN, м 25 (12.5) 25 (12.5) 25 (12.5) 25 (12.5) 25 (12.5) 75 (32.5) 75 (32.5) 75

(32.5) 75 (32.5)

АО, м 52.5

(26.25)

62.5

(31.25)

82.5

(41.25)

102.5

(51.25)

122.5

(61.25)

122.5

(61.25)

152.5

(76.25)

182.5

(91.25)

207.5

(103.25)

Дипольная осевая установка (максимальный разнос OO'/2=70 м). Эта

установка обеспечивает максимальное разрешение, особенно при исследованиях верхней

части разреза.

Сетка разносов (R – расстояние между центрами диполей, в скобках указано

значение для измерений с расстоянием между электродами 2.5 м):

Таблица 3. Сетка разносов дипольно-осевой установки.

MN, м 5 (2.5) 5

(2.5)

5

(2.5)

5

(2.5)

15

(7.5)

15

(7.5)

15

(7.5)

15

(7.5)

35

(17.5)

35

(17.5)

35

(17.5)

35

(17.5)

R, м 10 (5) 20

(10)

30

(15)

40

(20)

40

(20)

50

(25)

60

(30)

80

(40)

80 (40) 100

(50)

120

(60)

140 (70)



Комбинирование различных установок, позволяет добиться наилучших результатов

электротомографических исследований. Измерения проводились при времени

пропускания тока 0.25 с (частота 2 Гц). Для генератора использовался режим работы с

фиксированным выходным напряжением 400 В.

Длина измеряемой расстановки составляет 235 м, в случае расстояния между

ближайшими электродами 5 метров. Для измерения профилей большей длины

применяется методика работ с перекрытиями. Перекрытия выполнялись следующим

образом, сначала раскладываются полностью 2 косы, 48 электродов и забивался электрод

«бесконечности». Когда измерения заканчиваются, снимаются и переставляются 24

электрода и одна коса, другая коса остается на своем месте (рис 4). В нашем случае,

каждый профиль имел длину 595 метров и снимался четырьмя раскладками.

Рисунок 4. Схема отработки профилей с расстоянием между электродами 5 м.

В случае расстояния между ближайшими электродами 2.5 метров, длина

измеряемой расстановки составила 117.5 метров. Для измерения профиля большей длины,

был предпринято следующее, косы были отключены от электродов, перетянуты на 30 м,

далее подключены к электродам, которые находились в земле, начальные электроды были

переставлены (рис 5).

Обработка электротомографических данных состояла из нескольких этапов и

производилась следующим образом:

1. Загрузка результатов измерений из станции Syscal-Pro в персональный

компьютер с помощью программы Prosys (Iris Instruments).

2. Обработка данных электротомографии в программе x2ipi (Геологический

факультет МГУ):

3. Для инверсии данных электротомографии использовалась программа

«Res2dinv» версия 3.58.16 (Geotomo Software, Малайзия). Это программа автоматической



двумерной инверсии в рамках ―гладких‖ моделей. Двумерная инверсия это алгоритм,

который пересчитывает наблюденное электрическое поле, в соответствующее ему

двумерное распределение удельного сопротивления в разрезе. Данная программа

использует модели с плавным изменением удельного сопротивления.

Рисунок 5. Схема отработки профиля с расстоянием между электродами 2.5 м.

Так же во время полевых работ были измерены проводимости и температуры воды

с помощью прибора COM 100 (рис. 6). Измерения сопротивления воды были проведены

на одном участке (в долине реки).

Рисунок 6. Кондуктометр, солемер, термометр COM100

В таблице 2 приведены результаты измерений и расчетов.

Таблица 4. Результаты измерений с COM 100 и расчеты концентрации соли

№ Измерения Температура, °С Проводимость,

µСм/см

Сопротивление,

Ом*м

Концентрация соли

NaCl, г/л

1 0.9 61.5 162.6 0.0369

2 0.9 58.3 171.5 0.0350

Первые два столбика значений (температура t, и проводимость ζ) были измерены

во время полевых работ. Остальные значения были рассчитаны позже с помощью

следующих формул:

1 - для сопротивления,

6C - для концентрации соли.

После всего вышесказанного стоит отдельно отметить несколько моментов:



1) Все работы методом БИЭП (более 8 км профилирования, по снегу и

сложному рельефу) были выполнены в течении 3-х рабочих дней.

2) Выполнение профилирования стандартными методами с гальваническим

заземлением, по мнению автора, на большем протяжении профиля не представляется

возможным.

3) Бригада обслуживающая БИЭП состояла из двух человек.

4) OhmMapper делал минимум 2 измерения на каждые 10 метров.

5) Электротомография выполнялась в относительно «благоприятных» местах,

т.е. в тех местах, где гальваническое заземление возможно.

6) Каждый из профилей электротомографии снимался в течение одного

рабочего дня.

7) Для выполнения электротомографии в одни сутки, понадобилось 6 человек.

Под каждый электрод рылась отдельная специальная ямка-лунка, в них заливалась

соленая вода.

Обработка и обсуждение результатов

Как уже упоминалось, совместные работы проводились на 3-х участках.

Участок 1 – находится на берегу моря, максимальное расстояние между профилями

34 метра (рис 7). По априорным геологическим данным строение участка наклонно-

слоистое, на юге (правая часть разреза) на поверхность выходят коренные породы –

граниты. В основании разреза залегают валунно-глыбовые грунты с песчаным

заполнением. В верхней части разреза пески различной крупности.

Рисунок 7. Карта фактического материала по участку 1.



На рисунке 8 отображены графики кажущегося сопротивления. Красная кривая

построена по данным наименьшего разноса диполь дипольной установки

электротомографии (ОО’=10 м). Синяя кривая построена по данным наименьшего разноса

электропрофилирования с OhmMapper (OO’=10 м). Сильное различие графиков в правой

части связано с «расхождением» профилей (рис 7). Результаты электротомографии более

устойчивы. Качественно результаты измерений похожи, имеют схожие характерные

моменты.

Рисунок 8. Графики кажущегося сопротивления (электротомография – красная кривая, OhmMapper

– синяя кривая)

Как уже упоминалось выше, из-за контрастности разреза, с точки зрения

электрических свойств, нас удалось произвести автоматическую инверсию данных

бесконтактного трехразносного профилирования. Результаты автоматической двухмерной

инверсии данных БИЭП и электротомографии представлены на рисунке 9. Масштаб двух

разрезов одинаковый, отношение вертикального масштаба к горизонтальному 1/1.

Цветная шкала сопротивлений тоже одинакова для обоих разрезов. На рисунке видно, что

в северной и центральной части профиля (левая часть разрезов) результаты очень похожи

и по характеру и по значениям сопротивлений. Различие в южной части профиля (правая

часть разрезов) после точки пересечения профилей, скорее всего, связано с тем, что

профиль электротомографии «уперся» в выходы скальных пород, а профиль БИЭП

проходил по более ровной поверхности, сложенной песками. Различия до точки

пересечения связаны скорее с тем, что небольшой холм (пк200-260 профиль БИЭП, пк230-

280 профиль электротомография) имеет сложное строение, поэтому так сильно

различается по сопротивлению пород.

Участок 2 — располагался в долине реки. Профили проходили поперек долины и

пересекали основное русло, выходящее из озера (рис 10). По априорным геологическим

данным, строение второго участка достаточно простое. В основании разреза лежат



валунно-глыбовая толща, на ней залегает торф и песчанник. Отдельно стоит отметить

наличие на этом участке высокого снежного покрова (местами до 80 см). Измерения с

OhmMapper поводились с поверхности снежного покрова. При работах с аппаратурой

Syscal Pro для каждого электрода рылась отдельная лунка, электроды заземлялись в грунт.

Рисунок 9. Геоэлектрические разрезы, участок 1.

На рисунке 11 графики кажущегося сопротивления. Красная кривая построена по

данным наименьшего разноса диполь дипольной установки электротомографии (ОО’=10

м). Синяя кривая построена по данным наименьшего разноса электропрофилирования с

OhmMapper (OO’=10 м). Различие в левой части графиков скорее всего связано с тем, что

профили располагались на большом удалении друг от друга. В основном графики

обладают схожим характером. Значения сопротивления электротомографии зачастую

количественно больше, чем значения сопротивления профилирования, возможно, это

связано с тем, что снежный покров влиял на бесконтактные измерения и не учитывался

при измерениях электротомографии.



Рисунок 10. Карта фактического материала, участок 2

Рисунок 11. Графики кажущегося сопротивления (электротомография – красная кривая, OhmMapper

– синяя кривая)

На рисунке 12 показаны результаты автоматической инверсии данных

электротомографии и электропрофилирования. Масштаб двух разрезов одинаковый,

отношение вертикального масштаба к горизонтальному 1/1. Цветная шкала

сопротивлений тоже одинакова для обоих разрезов. Данные разрезы менее похожи (чем

участок 1) в количественном плане, но не противоречат друг другу в качественном.



Несовпадение связано, скорее всего, с тем, что профиль электротомографии расположен

перпендикулярно простиранию долины, а профиль электропрофилирования имеет изгиб.

Рисунок 12. Геоэлектрические разрезы, участок 2.

Рисунок 13. Гистограммы истинного сопротивления по участку 2.

На рисунке 13 представлены две гистограммы. Границы выбраны таким образом,

что бы туда попали все значения обоих выборок. Интервал разбит на 25 равных отрезков

(в логарифмическом масштабе). Левая гистограмма показывает распределение значений



истинного сопротивления, полученных после инверсии данных БИЭП с помощью

OhmMapper. Правая гистограмма показывает распределение значений истинного

сопротивления, полученных после инверсии данных электротомографии, но в выборку

вошли только сопротивления верхней части разреза (до той же глубины, что и данные по

профилированию).

Гистограммы измерения БИЭП и электротомографии значительно отличаются.

Возможно, это связано с быстро меняющимся характером осадконакопления в долине

реки, где небольшое отступление одного профиля от другого (максимум на 60 м)

приводит к значимой разнице сопротивлений. На гистограмме электротомографии

отчетливо видны два максимума: один на интервале сопротивлений 2900-3700 Ом*м,

другой на 700-900 Ом*м. На гистограмме БИЭП несколько максимумов: на интервале

1700-2000 Ом*м, на интервале 6000-7000 Ом*м и на интервале700-900 Ом*м.

Рисунок 14. Палетка Рыжова. А - пористость 15%, B – пористость 10%, C – пористость 8%, D –

пористость 6%, F – пористость 4%, E – пористость 2%, 1 – глинистостью 0%, 2 – глинистость 2%, 3 –

глинистость 4%, 4 – глинистость 10%, 5 – глинистость 20%, 6 – глинистость 30%, 7 – глинистость

40%, 8 – глинистость 50%, 9 – глинистость 70%, 9 –глинистость 100%, S – соленость 0.035 г/л. Для А-

Е глинистость 0% , для 1-10 пористость песка 25%, пористость глины 55%.

На рисунке 14 представлена палетка Рыжова, построенная в программе PetroWin

[Рыжов и др., 1990]. Красная линия S прямая солености воды измеренной на участке 2. С



помощью палетки можно определить, что небольшой экстремум на гистограммах

электротомографии и электропрофилирования на интервале сопротивлений 700-900 Ом*м

соответствует породе с глинистостью 4% и пористостью 25%. Такая порода, вероятно,

является песчаником с малым содержанием глинистого материала. Остальные максимум

на гистограммах сопротивлений не совпадают, но как отмечалось выше, скорее всего это

связанно с наличием крупного снежного покрова. Поскольку покров не влиял на

измерения электротомографии, мы использовали эти данные для анализа. Максимум

2900-3700 Ом*м соответствует породе с глинистостью 0% и пористостью 4%. Такая

маленькая пористость характерна для гранитов с первичной пористостью.

Участок 3 – расположен между двумя возвышенностями, профиля пересекали 2

ручья и заболоченную возвышенность между ними (рис 15). Строение участка 3 по

априорным геологическим данным: северная часть (левая сторона разрезов) сложена

гранитами, в основании разреза под северным ручьем валунно-глыбовая толща; в

основании под южным ручьем (правая часть разрезов) песок гравелистый; на поверхности

между ручьями залегает торф. Профиля простираются параллельно, расстояние между

профилями в среднем 15 метров.

Рисунок 15. Карта фактического материала, участок 3.

На участке 3 электротомография выполнялась с шагом 2.5 м между электродами

(выполнить обычную расстановку не получилось, потому что невозможно было заземлить

электроды в выходы скальных пород). Т.к. профиль снимался с шагом 2.5 м, отсутствуют

данные диполь-диполь установки для данных электротомографии. На рисунке 16

представлены геоэлектрические разрезы данных электротомографии и OhmMapper, на



геоэлектрическом разрезе электротомографии красным пунктиром выделена область

эквивалентная данным полученным с помощью Ohmmapper. Основной вывод, который

можно сделать, сравнивая эти разрезы - данные похожи.

Рисунок 16. Псевдоразрезы кажущегося сопротивления, участок 3.

Рисунок 17. Геоэлетрические разрезы, участок 3

На рисунке 17 показаны результаты автоматической инверсии данных

электротомографии и электропрофилирования. Масштаб двух разрезов одинаковый,

отношение вертикального масштаба к горизонтальному 1/1. Цветная шкала



сопротивлений тоже одинакова для обоих разрезов. Разрезы, как и в случае участка 1,

похожи, как и по характеру, так и по количественным показателям. На обоих разрезах в

северной части участка под ручьем отмечается аномалия высокого сопротивления,

сложенная, скорее всего, валунно-глыбовой толщей. Между ручьями на двух профилях

видны отложения с низким сопротивлением, вероятно торф. Как по данным БИЭП, так и

по данным электротомографии отчѐтливо выделяются подстилающие высокоомные

отложения, гравелистый песок.

Выводы

В декабре 2011 года в Мурманской области вдоль профиля (более 8 км), были

проведены работы методом бесконтактного измерения электрического поля. Условия

проведения работ были сложными: полярная ночь, снежный покров (местами более 50

см), выходы скальных и мерзлых пород.

В таких условиях работ методом БИЭП были получены УЭС по всему профилю,

значения сопротивлений не противоречат априорно известной геологической

информации. Одной из задач работ было выявление отрицательных моментов при

использовании OhmMapper. Таких моментов выявлено не было в течение этих полевых

работ.

Основные положительные моменты, связанные с использованием OhmMapper

можно отметить тремя пунктами.

1) Скорость, с которой были выполнены работы. Все измерения по профилю

заняли всего 3 дня. Для сравнения для выполнения каждого профиля электротомографии

потребовался один день.

2) Малую трудозатратность метода. Бригада состояла всего из двух рабочих.

Для сравнения бригада электротомографии состояла из 6 человек.

3) Качество полученных данных. Данные автоматической двумерной

инверсии, согласуются с априорно известной геологической информацией, а также

соответствуют данным электрофотографии (которая была выполнена на отдельных

участках).

Литература

1. Бобачев А.А. Особенности электрического поля в воздухе при низкочастотных

бесконтактных электрических зондированиях. Разведка и охрана недр. 2002, N10,

36-40



2. Бобачев А.А., Горбунов А.А., Модин И.Н., Шевнин В.А. Электротомография

методом сопротивлений и вызванной поляризации. Приборы и системы

разведочной геофизики. 2006, N02, 14-17.

3. Нахабцев А.С., Сапожников Б.Г., Яблучанский А.И., Электропрофилирование с

незаземленными рабочими линиями 1985. Л., Недра, 96 с.

4. Рыжов А.А., Судоплатов А.Д. Расчет удельной электропроводности песчано-

глинистых пород и использование функциональных зависимостей при решении

гидрогеологических задач // Научно-технические достижения и передовой опыт в

области геологии и разведки недр. М., 1990. С. 27-41.

5. Тимофеев В.М., К вопросу о возможности использования некоторых

высокочастотных методов для целей инжгеокриологического картирования.1973

ВСЕГИНГЕО, труды, вып.62, с 71-78.

6. Calvert H.T. Capacitive-coupled resistivity survey of ice-bearing sediments, Mackenzie

Delta, Canada, 72nd

annual meeting, Salt Lake City, SEG 2002.

7. Cook J. C., An electrical crevasse detector, Geophysics 21 1055–1070, 1956.

8. Kuras O., Beamish D., Meldrum P.I., and Ogilvy R.D., Fundamentals of the capacitive

resistivity technique GEOPHYSICS, VOL 71,NO.3 P.G135-G152, 2006

9. OhmMapper TR1 Operation Manual, GEOMETRICS, INC

10. Timofeev V.M., Rogozinski, A.W., Hunter, J.A. and Douma, M. A new ground

resistivity method for engineering and environmental geophysics,Proceedings of the

SAGEEP, EEGS, 701-715,1994.

11. Timofeev, V. M., Experience in the use of high frequency electrical geophysical methods

in geotechnical and geocryological field studies: 3rd International Conference on

Permafrost, NAUKA, Proceedings, 238–247 1973,

12. Yamashita Y., Groom D., Inazaki T., Hayashi K., Rapid near surface resistivity survey

using the capacitively-coupled resistivity system: OhmMapper не смог найти год и

издание http://www.geometrics.com/assets/images/segj-oyo-om-levee.pdf

Documents

Выпуск - 2013(13) А.А. Груздев, Д.А. Науменко, П.С ... · shows what can be obtained using OhmMapper in the Far North conditions. The results of capacitive