Дифференциальный метод извлечения информации о потенциалах вызванной поляризации из естественного электромагнитного поля Земли

Активные методы электроразведки, такие как вертикальное электрическое
зондирование, дипольное электрическое зондирование, метод вызванной
поляризации, зондирование становлением поля и другие, предусматривают
возбуждение нижнего полупространства либо постоянным, либо переменным
током. Глубина зондирования определяется мощностью источников тока и
геометрией установки, что накладывает заметные ограничения на возможность
использования активных методов электроразведки в труднодоступных районах.
Пассивные методы электроразведки, к числу которых, в частности, относится
магнитотеллурическое зондирование (МТЗ) и его модификации, более
предпочтительны для использования в сложных горно-геологических условиях, но
имеют определенные ограничения по получаемой информации о строении
геоэлектрического разреза и, как следствие, по возможностям решения обратной
задачи электроразведки.
В основе метода вызванной поляризации (ВП) лежат электрохимические
процессы, протекающие под действием электрического тока, а для измерения
данного эффекта используется регистрация вторичного электрического тока,
обусловленного электрохимическими процессами, возникающими при протекании
постоянного или переменного тока через границу раздела сред с разными типами
проводимостей. Вторичные заряды образуются только в средах, в которых
наличествуют электронопроводящие и ионопроводящие фазы. На границах фаз
возникают двойные электрические слои и соответствующие им вторичные
электрические поля. При отключении внешнего электрического поля суммарное
вторичное электрическое поле спадает по экспоненциальному закону. Основной
измеряемой в методе ВП величиной является поляризуемость среды,
представляющая собой остаточную разность потенциалов, которая появляется
после отключения первичной разности потенциалов.
Как таковое явление вызванной поляризации регистрируется при наличии
различных электронопроводящих минералов в ионопроводящей среде, как
следствие использование метода ВП получило широкое распространение в рудной
геофизике. В процессе формирования залежей углеводородов могли протекать
геохимические процессы, в результате которых образовывались минералы с
электронной проводимостью. Это открывает перспективы для поиска
месторождений углеводородов с использованием метода ВП.
Однако метод ВП в его классическом варианте требует, во-первых,
идеальных условий заземления питающих и приемных электродов, во-вторых, для
достижения достаточной глубины зондирования длина питающей линии должна
достигать сотен метров, а то и первых километров, в-третьих, как следствие этого
источник питания должен обладать мощностью до 10 кВт. Все это практически
невозможно выполнить в условиях горно-лесистой или заболоченной местности.
Поэтому представляется актуальным и перспективным развитие метода ВП с
использованием в качестве внешнего поля, которое возбуждает нижнее
полупространство, естественное электромагнитное поле Земли (ЕЭМПЗ). В этом
случае метод ВП из разряда активных методов электроразведки переходит в разряд
пассивных методов, что снимает ряд ограничений на использование его в сложных
горно-геологических условиях. Из метода ВП исключаются мощные источники
возбуждающего тока, а также питающая линия.
Впервые возможность использования ЕЭМПЗ в методе ВП была предложена
Г.Я. Шайдуровым в 1972 г., в том числе были созданы приборы серии Шум-1 –
Шум-5 и разработаны алгоритмы, основанные на регистрации
автокорреляционных функций (АКФ). Методы, основанные на применении
ЕЭМПЗ, использовались в Индии начиная с 1983 г. при проведении геологического
картирования методом кажущегося сопротивления.
Проведение полевых испытаний на различных месторождениях показали,
что наблюдается неустойчивость результатов измерений, так как ЕЭМПЗ обладает
пространственной неоднородностью и не стационарно по времени и спектру.
Использование элементной базы того времени не позволило в полной мере
реализовать этот метод и создать полноценный полевой прибор, а также решить
задачу инвариантного измерения ВП при условии случайных характеристик
ЕЭМПЗ.
Таким образом, совершенствование алгоритмов и методов извлечения
информации о потенциалах вызванной поляризации с использованием ЕЭМПЗ
позволит в будущем нивелировать вышеописанные недостатки современной
электроразведки и повысить достоверность интерпретации получаемых данных.
Степень разработанности темы
В настоящее время достаточно хорошо разработаны алгоритмы
интерпретации для всех основных методов электроразведки, включая стандартный
метод ВП. Возможные способы извлечения информации о ВП из ЕЭМПЗ
представлены в виде отдельных публикаций или рассмотрены в некоторых
квалификационных работах. Результаты полевых наблюдений данным методом
(назовем его ВП ЕЭМПЗ) ограничиваются несколькими месторождениями и
требуют дополнительного набора статистики. Нет анализа различных алгоритмов
извлечения информации о потенциалах ВП ЕЭМПЗ и сравнения его с другими
похожими методами, а также оценки его возможной глубинности. Практически не
исследовано воздействие различного рода помех, распределенных по спектру или
по времени.
Цель исследования – дифференциальный метод извлечения информации о
потенциалах вызванной поляризации из естественного электромагнитного поля
Земли являющийся максимально инвариантный к его изменениям по спектру,
времени и пространству.
Задачи исследования
1. Анализ и совершенствование методов и алгоритмов обнаружения
геологических объектов с аномальной поляризацией по данным о вариациях
ЕЭМПЗ.
2. Исследование и анализ влияния пространственной неоднородности и
нестационарности по времени сигналов ЕЭМПЗ на информационные параметры
разработанного метода ВП ЕЭМПЗ и влияния промышленных помех.
Математическое моделирование и теоретическая оценка чувствительности,
помехоустойчивости, глубинности метода ВП ЕЭМПЗ.
3. Разработка и создание макетного образца прибора, а также проведение
лабораторных баковых испытаний и полевых исследований на реальном
железорудном месторождении.
Объект исследования – дифференциальный метод вызванной поляризации с
использованием ЕЭМПЗ.
Предмет исследования – способы и алгоритмы извлечения информации о
потенциалах вызванной поляризации из ЕЭМПЗ.
Методика исследований
Для решения поставленных задач в работе выполнены:
1. Теоретические исследования на основе современных представлений о
физике формирования ЕЭМПЗ и механизмах образования двойного
электрического слоя на границе раздела электронный проводник-ионопроводящая
среда;
2. Разработка способов и методик обнаружения объектов в случайных полях
с использованием вычислительного моделирования;
3. Лабораторные и полевые экспериментальные исследования, сравнение их
результатов с итогами вычислительного моделирования, а также с результатами
полевых измерений методами стандартной импульсной электроразведки.
Научная новизна работы
1. Впервые разработан способ извлечения и обработки информации для
метода вызванной поляризации на основе использования естественного
электромагнитного поля Земли, учитывающий его неоднородность по
пространству и нестационарность по времени в диапазоне частот 0.1 – 20 Гц.
2. Теоретическим путем определен оптимальный способ выделения
информации о ВП из ЕЭМПЗ по чувствительности к параметру ВП, что позволяет
уменьшить время измерения сигналов ЕЭМПЗ, поступающих со смежных
измерительных линий дифференциальной установки в полосе частот 0.1 – 20 Гц.
3. Впервые выполнен анализ глубинности и помехоустойчивости
разработанного метода ВП ЕЭМПЗ.
Основные положения, выносимые на защиту
1. Способ и алгоритм извлечения информации о потенциалах вызванной
поляризации из естественного электромагнитного поля Земли (ЕЭМПЗ) с
использованием пассивной дифференциальной трехэлектродной измерительной
установки, ослабляющие влияние изменений во времени параметров ЕЭМПЗ.
2. Результаты математического моделирования, показывающие, что
разработанные способ и алгоритм являются оптимальными по чувствительности к
параметру ВП и соотношению сигнал/шум по сравнению со стандартным
импульсным методом электроразведки и инфразвукового фазового метода ВП
(ИНФАЗ ВП).
3. Результаты лабораторных и полевых экспериментов, которые показали
сходимость с данными, полученными при математическом моделировании и
данными полевых измерений методом стандартной импульсной электроразведки.
Практическая значимость результатов работы
Создана полевая аппаратура на основе разработанного алгоритма и метода
ВП ЕЭМПЗ на современной электронной базе и впервые на рудном месторождении
показана работоспособность запатентованного с участием автора метода ВП
ЕЭМПЗ.
Личный вклад автора
Автором лично выполнен аналитический обзор информации о
характеристиках ЕЭПМЗ; разработан способ извлечения информации о
потенциалах ВП из ЕЭМПЗ; выполнено математическое моделирование
обнаружения объектов повышенной поляризуемости; разработан и создан макет
измерительной аппаратуры; разработаны алгоритмы и программы, для обработки
экспериментальных данных; проведены лабораторные и полевые эксперименты.
Апробация работы
Основные результаты работы представлены на:
1. Всероссийской научно-технической конференции «СОВРЕМЕННЫЕ
ПРОБЛЕМЫ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ», посвященной 112-ой годовщине Дня
Радио, г. Красноярск, 2009;
2. Всероссийской научно-технической конференции «СОВРЕМЕННЫЕ
ПРОБЛЕМЫ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ», посвященной 118-ой годовщине Дня
Радио, г. Красноярск, 2015;
3. Всероссийской научно-технической конференции «СОВРЕМЕННЫЕ
ПРОБЛЕМЫ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ», посвященной 121-ой годовщине Дня
Радио, г. Красноярск, 2018;
4. XIII международной IEEE Сибирской конференции по управлению и связи
SIBCON-2017, г. Астана, 2017;
5. XIV международной IEEE Сибирской конференции по управлению и связи
SIBCON-2019, г. Томск, 2019;
6. XV международной IEEE Сибирской конференции по управлению и связи
SIBCON-2020, г. Москва, 2020.
Публикации
По теме диссертационного исследовано опубликовано 17 научных работ, из
них: 11 входящие в базу реферативного цитирования Scopus; 10 в базу
реферативного цитирования Web of Science; 2 в журналах, входящих в перечень
научных изданий, рекомендованных ВАК; 1 патент на изобретение; 3 статьи в
сборниках материалов научно-технических конференций.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка
литературы. Работа содержит 116 страниц текста, 53 рисунка, 8 таблиц. Список
литературы состоит из 100 наименований.
Благодарности
Автор благодарит научного руководителя Засл. деятеля науки и техники РФ,
д-ра техн. наук, проф. Шайдурова Г. Я. за постоянную помощь в работе, полезные
советы и поддержку на протяжении всех этапов исследования. Искренняя
благодарность руководству и всему коллективу научно-исследовательской
лаборатории электроакустики, доценту Романовой Г. Н. за помощь при проведении
математического моделирования, инженеру Артемьеву К. А. за помощь при
проведении полевых экспериментов, канд. техн. наук, доц. Кудинову Д. С. за
участие в подготовке и реализации экспериментов.
1 Анализ характеристик естественного электромагнитного поля
Земли