Применение высокочувствительных пешеходных магнитометров в геофизических исследованиях

Важной проблемой современной разведочной геофизики является выявление и исследование слабоконтрастных геологических объектов. Под таковыми понимаются объекты, слабо проявляющиеся в физических полях, регистрируемых геофизической аппаратурой [65]. Сложность их изучения обусловлена тем, что геофизические измерения проходят на фоне помех совершенно разной природы. Произошедшие в последнее время принципиальные изменения в аппаратурном обеспечении практически всех видов геофизических работ, связанные с повышением чувствительности и разрешающей способности приборов, делают эти исследования еще более актуальными.

В данной работе рассмотрена возможность использования высокочувствительной модульной магнитометрической аппаратуры для выявления и изучения характеристик геологических и искусственных слабоконтрастных объектов в магнитном поле.

Примерами могут быть: пространственные неоднородности в верхней части геологического разреза, слабо дифференцированные по магнитным свойствам от вмещающей средыглубинные протяженные геологические телаискусственные магнитные объекты, имеющие небольшие размеры, что затрудняет их обнаружение в укрывающих средахизмененный в результате деятельности человека культурный слой.

Дополнительная информация может быть получена путем наблюдения отражения в магнитном поле эффектов, возникающих при искусственном или естественном воздействии на эти объекты. Появление высокочувствительных магнитометров позволит более надежно регистрировать малые изменения магнитного поля, вызванные, например, тектономагнитным, сейсмомагнитным, пьезомагнитным эффектами, электрокинетическими явлениями в геологической среде.

Осложняющими исследования помехами могут быть: магнитные поля от других геологических тел, в том числе региональные аномалиивариации земного магнетизма и техногенные магнитные помехипогрешности приборов и методики измерений.

Целыо настоящего исследования является методическая проработка процедуры получения надежных исходных данных магнитометрии с помощью имеющихся в настоящее время высокочувствительных приборов.

Для регистрации геомагнитного поля в работе использован ядерно-прецессионный магнитометр POS на основе процессорного оверхаузеровского датчика, обладающий высокой градиентоустойчивостыо, возможностью сохранения данных в энергонезависимой памяти и реализацией подключения навигационного приемника GPS для определения координат точки измерения. Прибор производится серийно в лаборатории квантовой магнитометрии УрФУ [78]. Проведенные в лабораторных и обсерваторских условиях эксперименты позволили определить при отсчетной величине 0,001 нТл, абсолютную точность прибора ±0,5 нТл, и чувствительность до 0,02 нТл [111].

За методологическую основу работы была принята предписываемая инструкцией по магниторазведке [26] технология проведения магнитной съемки. С помощью одной группы приборов осуществляется площадная съемка или мониторинговое наблюдение вблизи изучаемого объекта. Другая расположена вне него и служит для регистрации вариаций геомагнитного поля.

Выполнен анализ методических и метрологических особенностей проведения измерений высокочувствительными магнитометрами в реальных геолого-геофизических условиях. Уточнена технология проведения магнитометрической съемки с учетом геомагнитных вариаций и с применением спутниковой топопривязки. Разработаны программные продукты для обработки результатов магнитометрической съемки и выделения сигналов на фоне вариаций геомагнитного поля.

Итогом работы является методика использования высокочувствительных модульных магнитометров при геофизических исследованиях. Ее эффективность показана на различных практических примерах. Методика и программы применяются в практике геофизических работ в производственных организациях [43, 84].

Актуальность темы

исследования. Повышение эффективности, глубинности и разрешающей способности геофизических методов исследования земной коры является актуальной задачей. Прирост мировых минерально-сырьевых запасов в настоящее время связан с поисками и разведкой месторождений, не обнаруженных ранее ввиду слабой дифференциации поисковых признаков в наблюдаемых полях. Одним из оперативных, высокопроизводительных и экономичных геофизических методов является магнитометрия.

Появление высокочувствительной магнитометрической аппаратуры позволяет не только выполнять исследования более эффективно, но и осуществлять недоступные ранее геофизические эксперименты. При повышении чувствительности магнитометрической аппаратуры на 2—3 порядка расширяется круг регистрируемых физических явлений, которые влияют на конечный результат эксперимента. Они могут исказить или затруднить интерпретацию результатов магнитной съемки, а также стать непосредственным предметом изучения.

Степень разработанности. Увеличение чувствительности магнитометрических приборов до уровня ниже 1 нТл, а также усовершенствование методик их применения связано с работами Е. Б. Александрова, Г. В. Васюточкина, Л. Л. Декабруна, Г. К. Жирова, В. П. Пака, А .Я. Ротштейна, В. П. Трипольского, В. С. Циреля и др. Теоретические и экспериментальные работы В. М. Стоцкого, В. М. Рыжкова, А. И. Филатова, В. Балдина позволили создать ядерно-прецессионный оверхаузеровский магнитометр с отсчетной величиной 0,001 нТл, который выпускается серийно в лаборатории квантовой магнитометрии УрФУ, возглавляемой В. А. Сапуновым.

Основные положения методики пешеходной магнитометрической съемки заложены В. В. Бродовым, Г. В. Васюточкиным, Ю. С. Глебовским, В. Е. Никитским и закреплены в виде инструкции по магниторазведке. Появление высокочувствительных и компактных пешеходных магнитометров позволяет применить методы магнитометрической съемки для решения как традиционных, так и новых геофизических проблем. Особенности протекания геомагнитных вариаций во взаимосвязи с геологическим строением изучались Ю. П. Булашевичем, Б. А. Ундзенковым, В. А. Шапиро, Н. В. Федоровой, В. А. Пьянковым.

Цель работы — разработка методики применения современных высокочувствительных магнитометров для изучения геологических объектов и явлений на фоне геомагнитных помех и развитие программных средств обработки магнитных измерений.

Для достижения этой цели решены следующие прикладные методические задачи: а) экспериментально исследованы метрологические характеристики современных российских и зарубежных высокочувствительных магнитометров в реальных геолого-геофизических условияхб) уточнена методика выполнения наземных магнитных съемок с применением высокочувствительных магнитометровв) экспериментально исследована погрешность определения координат портативными спутниковыми средствами навигации, совмещенными с магнитометромг) созданы средства обработки результатов измерений геомагнитного поля с учетом вариации и спутниковой топопривязкой;

Предлагаемая методика использования высокочувствительных магнитометров испытана на следующих примерах: выявление приповерхностных не-однородностей геологического строения на фоне слабоградиентной протяженной аномалиипоиск и картирование кимберлитовых телвыявление ферромагнитных объектов в укрывающих средах и изучение археологических памятников.

Научная новизна.

Научная новизна данной работы заключается в том, что впервые:

— в естественных геолого-геофизических условиях экспериментально исследованы метрологические характеристики современных высокочувствительных пешеходных магнитометров: квантовых Scintrex-SM5 и Geometries G-858 и оверхаузеровских POS;

— исследована погрешность определения координат навигационным приемником GPS (на примере Garmin) при построении магнитных карт;

— разработано программное обеспечение для обработки результатов магнитометрической съемки со спутниковой топопривязкой и учета вариации геомагнитного поля;

Теоретическая и практическая значимость.

Разработанная методика использования высокочувствительных магнитометров имеет теоретическую и практическую ценность в различных областях техники и науки, в частности: поиске и разведке полезных ископаемых, археологии, инженерной геофизике, экологии, для целей обнаружения скрытых ферромагнитных объектов промышленного и военного происхождения [22].

Накоплен положительный опыт применения наземной магнитометрии по разработанной методике в комплексе геофизических исследований на золото [43], для целей картирования кимберлитовых трубок [108], на рассыпном месторождении демантоидов [16], для построения модели разреза при поиске углеводородов [47].

Технология применения магнитометров на примере POS, а также программные продукты для обработки результатов измерений внедрены автором в ряде геофизических организаций, среди которых МП «Электра», г. Южно-Сахалинск, горно-рудное общество «Катока», респ. Ангола.

Методология и методы исследования основаны на изучении трудов отечественных и зарубежных ученых и специалистов-практиков в области высокоточной магнитометрии, геофизики и приборостроения. Поставленные задачи решались в основном экспериментальными методами: натурные эксперименты, моделирование, сравнение результатов, полученных в различных условиях. Математическая обработка выполнялась с использованием современного программного обеспечения и вычислительной техники.

Положения, выносимые на защиту.

1. Экспериментально показано, что синхронизация моментов измерений высокочувствительными оверхаузеровскими магнитометрами с точностью 10″ с позволяет регистрировать в разностном режиме изменения геомагнитного поля амплитудой 0,5—0,05 нТл в зависимости от геолого-геофизических условий в месте наблюдения.

2. Разработанная методика пешеходной магнитной съемки с определением координат с помощью навигационного приемника GPS позволяет выделять поле от слабоконтрастных магнитных объектов на фоне более протяженных и интенсивных аномалий геологической среды.

3. Использование высокочувствительных магнитометров при проведении микромагнитной съемки археологических памятников позволяет выявлять особенности их строения, что показано на примере картирования двух укрепленных городищ эпохи Бронзы на Южном Урале.

Фактический материал и личный вклад автора.

Работа подготовлена по результатам исследований, начатых автором в 1999 г. под научным руководством к.ф.-м.н Ю. К. Доломанского. Проведение экспериментов, разработка технологии магнитной съемки, алгоритма обработки ее результатов выполнены автором лично. Эксперименты по сопоставлению метрологических характеристик магнитометров выполнены автором совместно с отделением геофизики Геологического факультета МГУ, с сотрудниками лаборатории-обсерватории Арти ИГФ, а также при помощи коллектива ООО «МП Электра». Результаты наземной геомагнитной съемки в Анголе получены сотрудниками геофизического сектора ГРО «Катока» при участии и под руководством автора. Аэромагнитная съемка, выполнена «Аэрогеофизика», результаты предоставлены заказчиком — ГРО «Катока». Интерпретация результатов магнитных съемок на Западно-Байкаловском участке и в республике Ангола на основе адаптивного метода решения обратной задачи магнитометрии выполнена совместно с В. А. Кочневым. Разработка методики магнитной съемки археологических памятников проведена совместно с В. В. Носкевичем и под руководством Н. В. Федоровой.

Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность обеспечена применением адекватных методик экспериментальных работ, современных средств обработки результатов, верификацией на различных объектах, проведением контрольных измерений в необходимом объеме.

Результаты работы доложены и обсуждены на международных научных конференциях (35-я и 36-я сессии Международного семинара им. Д. Г. Успенского, Ухта, 2008, Казань, 2009; «Геонауки — от новых идей к новым открытиям», С.-Петербург, 2008; «170 лет обсерваторских наблюдений на Урале: история и современное состояние.», Екатеринбург, 2006; «Геомодель», С. Петербург, 2006, Четвертые и пятые научные чтения памяти Ю. П. Булашевича, Екатеринбург, 2007, 2009), молодежных научных конференциях (4-я, 5-я, 6-я, 7-я, 8-я, 10-я Уральская молодежная школа по геофизике, Екатеринбург, 2004, 2006,.

2008, 2010, Пермь, 2003, 2005, 2007, Десятая Всероссийская научная конференция студентов-физиков и молодых ученых, Москва 2004), «Ломоносов» (Москва, 2007, 2008, 2009), а так же на отчетных конференциях молодых ученых ГОУ УГТУ-УПИ (2002;2007 гг) и др.

Результаты некоторых работ вошли в отчеты, имеющиеся в фондах организаций (ООО «МП Электра», ГРО «Катока», «ФГеоКонсалтинг», ФГУП «СвердловскАвтодор», ООО «Урупская ГТК»).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 38 научных работ, в том числе 7 статей в периодических изданиях и 31 публикация в сборниках тезисов и материалов конференций, 2 статьи опубликованы в журналах из утвержденного ВАК перечня ведущих периодических изданий.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, содержит 110 страниц текста, 41 рисунок и 2 таблицы.

Список литературы

составляет 113 наименований, в том числе 22 на английском языке.

4.5 Выводы по главе 4.

Применение современных высокочувствительных магнитометров делает магнитную съемку эффективным инструментом для решения различных геологических и технических задач.

1. Технология магнитометрической съемки в непрерывном режиме с применением спутниковой топопривязки опробована в комплексе геофизических работ на нефтеперспективном Западно-Байкаловском участке. Она позволила выявить микромагнитные аномалии, связанные с геологическими неоднородностями в верхней части разреза.

2. С помощью современных высокочувствительных магнитометров можно эффективно проводить поиск ферромагнитных объектов в укрывающих средах. При площадной съемке техногенные ферромагнитные объекты могут быть обнаружены на глубинах, недоступных для современных электромагнитных металлоискателей (свыше 2 м). Измерение поля на нескольких высотах и современные технологии интерпретации позволяют определять характеристики искомых скрытых объектов.

3. Магнитная съемка в непрерывном режиме с помощью пешеходного магнитометра может быть осуществлена на акватории с борта легкой лодки. Такая технология может быть использована для локализации железных объектов, находящихся под водой.

4. Наземная магнитная съемка эффективна при детализации и разбраковке обнаруженных с помощью аэромагнитной съемки аномалий при поисках коренных и рассыпных месторождений алмаза.

5. Применение высокочувствительной аппаратуры при магнитометрическом картировании археологических памятников позволяет восстановить архитектуру, особенности внутреннего строения территории данных объектов, не охваченной раскопками.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В представленной работе проанализированы основные аспекты применения современной высокочувствительной магнитометрической аппаратуры в геофизике. В основном исследования выполнены с помощью разработанного в России протонного оверхаузеровского магнитометра POS.

Ниже приведены основные результаты исследования:

1. Экспериментально доказано что для надежного выявления как можно меньших изменений геомагнитного поля необходимо фиксировать разницу показаний между двумя магнитометрами при условии синхронизации моментов запуска измерения с точностью до 1 мс.

2. На примере магнитометра POS показано, что при заявленной производителем чувствительности прибора в условиях обсерватории в 0,02 нТл [111], в реальных геолого-геофизических условиях невозможно выделить особенности изменения геомагнитного поля амплитудой менее чем 0,05 нТл.

3. Установлено, что при проведении длительных наблюдений геомагнитного поля дрейф разности показаний протонных магнитометров вследствие влияния геолого-геофизических факторов среды, а также изменений температуры, может достигать единицы нанотесла. Для организации долговременных мониторинговых измерений следует проводить отбор наиболее стабильных приборов и выбирать точку наблюдения с учетом геолого-геофизических условий вокруг нее [19, 36].

4. Исследована погрешность определения координат с помощью навигационного приемника GPS (на примере Garmin), которая составляет от 5 до 50 метров и зависит от условий видимости спутников. Таким образом, спутниковую топопривязку с помощью сопряженного с магнитометром приемника GPS можно использовать при съемках масштаба не более 1:50 000. При микромагнитных съемках применение топопривязки с помощью GPS недопустимо, т.к. приводит к существенным искажениям полученного распределения магнитного поля.

5. Для достижения наибольшей точности пешеходной магнитной съемки предложено определять влияние намагниченности оператора и магнитометра и вычитать ее как девиационную поправку при обработке результатов.

6. Показано, что непрерывный режим регистрации магнитного поля во время съемки позволяет оперативно проводить магнитометрическое картирование, однако характеризуется меньшей точностью, чем традиционная методика съемки. Выявляемые в результате детальной съемки в непрерывном режиме микромагнитные аномалии позволяют локализовывать неоднородности геологической структуры в верхней части разреза.

7. Разработано программное обеспечение 8игу, позволяющее эффективно проводить первичную обработку результатов магнитометрической съемки и учет вариации магнитного поля.

8. Методика магнитной съемки высокочувствительными магнитометрами показала свою эффективность при поиске и картировании кимберлитовых трубок [58,84], для картирования нефтеперспективного участка [47], для решения инженерных задач [83], в комплексе геофизических исследований на золото [43], на рассыпном месторождении демантоидов [16].

9. Микромагнитная съемка с применением высокочувствительных магнитометров позволяет увеличить эффективность поиска неразорвавшихся боеприпасов и других ферромагнитных объектов на суше и акваториях [22].

10. Применение высокочувствительных магнитометров позволяет эффективно выполнять магнитометрическое картирование археологических памятников, восстанавливать архитектуру, особенности строения территории, не охваченной раскопками.