Разработка цифровой аппаратуры и программно-методического обеспечения обработки данных МТЗ

Актуальность темы

обусловлена необходимостью разработки аппара-турно-технологического обеспечения полевых измерений метода магнито-теллурического зондирования (МТЗ) в широком диапазоне частот и совершенствованием способов обработки полученных данных, что расширяет диапазон применения метода для решения региональных и поисково-разведочных задач.

Метод магнитотеллурического зондирования отличается высокой эффективностью, широким диапазоном глубин исследования, большим количеством информативных характеристик и относительно низкими затратами на проведение исследований. Эти преимущества основаны на использовании в качестве источника возбуждения естественного электромагнитного поля Земли, имеющего широкий частотный спектр и высокую пространственную однородность.

Метод МТЗ появился в начале 50-х годов прошлого века, как метод изучения электрических свойств глубоких слоёв Земли. Моментом рождения МТЗ можно считать выход статьи академика А. Н. Тихонова «Об определении электрических характеристик глубоких слоев земной коры». Несколько позже Л. Каньяр (Франция) предложил способ трансформации магнитотел-лурических данных в более привычные в электроразведке кривые кажущегося сопротивления. Модель горизонтально — слоистой среды, на которую подает плоская электромагнитная волна — наиболее простая модель в МТЗ — получила название модели Тихонова — Каньяра. Большой вклад в развитие теоретических и методических основ внесли советские и иностранные учёные: М. Н. Бердичевский, Л. Л. Ваньян, И. М. Варенцов, В. И. Дмитриев, М. С. Жданов, А. А. Кауфман, А. А. Ковтун, Н. В. Липская, И. И. Рокитянский, Э. Б. Файнберг, П. Вайдельт, К. Возофф, Ф. Джонс, А. Чэйв и др. Первые результаты применения МТЗ были получены в конце 50-годов А. М. Алексеевым, М. Н. Бердичевским, Б. Е. Брюнелли, А. Е. Ланцовым при исследованиях осадочного чехла Западной Сибири в СССР [1] и Ф. Бостиком, Г. Смитом,.

Д. Ранком в США. Первоначально успешному применению МТЗ способствовали следующие факторы:

— измерения проводились в том частотном диапазоне, в котором часто возникают квазигармонические пульсации магнитного поля относительно большой амплитуды. Для регистрации пульсаций с амплитудой несколько нТл и периодом от единиц до нескольких сотен секунд было легко создать аналоговую аппаратуру с фоторегистрацией. Гармонические или почти гармонические пульсации поля, которые почти в чистом виде появляются в широком диапазоне периодов можно обрабатывать практически без применения какой-либо вычислительной техники.

— простейшая теоретическая модель созданная для МТЗ — модель Тихонова — Каньяра достаточно точно описывает среду во многих случаях, например в условиях мощного сравнительно однородного осадочного чехла, что, создавало благоприятные предпосылки для успешного применения МТЗ в этих условиях.

Значительный объём исследований в различных регионах был проведён с использованием аналоговой техники, даже после появления более совершенной цифровой аппаратуры.

Несколько позже после того, как были получены первые успешные результаты применения метода в низкочастотном диапазоне (ГМТЗ), начались первые попытки проведения подобных измерений в высокочастотном диапазоне — диапазоне аудиомагнитотеллурического зондирования (АМТЗ). Изучение характеристик естественного электромагнитного поля велось до этого в рамках исследования помех радиоприёму и распространения радиоволн [2]. Впервые измерения электромагнитного поля в звуковом диапазоне для изучения свойств земной коры были проделаны В. А. Ан, Н. П. Владимировым, С. М. Крыловым в начале 60-х годов. Необходимо отметить, что развитие техники измерений в диапазоне АМТЗ проходило медленнее, чем в низкочастотном МТЗ, а исследования методом АМТЗ не носили такой массовый характер, как исследования методом МТЗ, хотя данные АМТЗ имели высокую востребованность. Причиной тому было несовершенство измерительной техники, отсутствие незатратных и эффективных средств для записи быстро-переменных процессов и более сложная структура электромагнитного поля в диапазоне АМТЗ.

В дальнейшем прогресс был направлен в сторону развития цифровой техники регистрации и обработки данных МТЗ. После аналоговых станций с записью на фотобумагу (например, семейство аппаратуры MTJI) были созданы цифровые станции, к которым относятся — отечественные ЦЭС (ЦЭС-1 -ЦЭС-4, ЦЭС-М), ЦАИС, зарубежные — МТ1, GMS-05, V5−16. Развитие техники регистрации и обработки данных позволило расширить диапазон применения МТЗ, повысить надёжность получаемых результатов, повысить устойчивость данных к влиянию помех.

В настоящее время для разработчиков аппаратуры стали легко доступны такие средства как быстродействующие АЦП с большой разрядностью и высокой линейностью преобразования, энергонезависимая твердотельная память и память с низким энергопотреблением, средства спутниковой синхронизации времени (в системе GPS), позволяющие создавать аппаратуру МТЗ с высоким метрологическими характеристиками.

Однако, несмотря на успехи в области развития измерительной и вычислительной техники, проблемы получения надёжных, достоверных данных в МТЗ до сих пор остаются актуальными, а использование высокоточной аппаратуры и мощной вычислительной техники не может гарантировать получение надёжного результата [14].

Естественное электромагнитное поле отличается рядом особенностей, которые придают известное своеобразие всем вариантам исследований методом МТЗ. Эти особенности следующие:

• электромагнитное поле имеет характер случайного процесса, т. е. в общем случае невозможно предсказать изменение поля, хотя и существуют определённые закономерности в частотном спектре;

• электромагнитное поле имеет низкую, особенно в аудиодиапазоне, хотя и достаточную для проведения исследований интенсивность;

• в индустриальных районах на естественное электромагнитное поле накладывается поле промышленных помех, имеющее интенсивность на несколько порядков больше;

• в отличие от методов электроразведки с контролируемым источником невозможно отделить естественное поле от поля помех в процессе проведения измерений.

Поэтому актуальны аппаратурно-методические разработки, направленные на повышение точности, помехоустойчивости, информативности, технологичности измерений и обработки результатов средствами современной вычислительной техники. Актуальность совершенствования техники измерений и обработки высока, так как от точности проведенных измерений зависит качество интерпретации и в конечном итоге ценность получаемой геологической информации.

Цели работы:

• развитие и совершенствование аппаратурно-методической базы магнитотеллурических исследованийразработка алгоритмов и программного обеспечения для измерительной аппаратуры и обработки данных МТЗ;

• комплексирование измерений с естественным и контролируемым источниками в высокочастотной области на основе однотипной аппаратуры.

Задачи работы:

• разработка и создание цифровой узкополосной аппаратуры аудио-магнитотеллурического зондирования, обеспечивающей также возможность измерений с контролируемым источником в виде вертикального магнитного диполяразработка программного интерфейса для неё, методики наблюдений и программного обеспечения для обработки результатов комплексных измерений с естественным и искусственным источниками- • разработка и изготовление компьютеризированной цифровой низкочастотной аппаратуры МТЗ с использованием торсионных магнитных датчиков, стабильно работающей в диапазоне периодов от единиц секунд до сутоксоздание программного обеспечения для обработки широкополосных магнитотеллурических сигналовсоздание программного обеспечения для обработки данных синхронных магнитотеллурических наблюдений при значительном удалении базисной и опорной измерительной точки друг от друга.

Научная новизна.

1. Совместно с А. И. Человечковым и О. Л. Соколом-Кутыловским разработана цифровая аппаратура «Гроза» для измерения и регистрации пяти компонент электромагнитного поля естественных и искусственных источников. Отличительные особенности аппаратуры:

— применение 16 фиксированных частот, оптимально размещённых в диапазоне, используемом в методе аудиомагнитотеллурического зондирования при решении структурных задач. Высокая избирательность измерительных каналов позволяет эффективно использовать аппаратуру в условиях интенсивных промышленных помех. Научная новизна так же подтверждается патентом на изобретение.

2. С использованием оптико-механического блока торсионных магнитометров разработана низкочастотная аппаратура магнитотеллурического зондирования, отличающаяся широким динамическим и частотным диапазоном, высокой разрядностью квантования, большой продолжительностью непрерывной записи, малыми габаритами, малым весом и энергопотреблением. Процесс регистрации полностью автоматизирован, продолжительность работы без обновления носителя информации не менее одного полевого сезона.

3. Для обработки широкодиапазонных данных магнитотеллурического зондирования создана программа обработки с использованием робастной статистики, позволяющая вычислять передаточные функции по временным рядам измеренного электромагнитного поля, в том числе с привлечением информации одной или нескольких удалённых опорных точек.

Практическая ценность Созданные макеты цифровой узкополосной аппаратуры аудиомагнитотеллурического зондирования «Гроза» и аппаратуры широкополосного магнитотеллурического зондирования МТЦ-01 используются при проведении региональных исследований: аппаратура «Гроза» с 1998 г., а с 2001 г. низкочастотная аппаратура МТЦ-01. Данные, полученные с применением узкополосной аппаратуры, позволили выявить особенности геоэлектрического строения верхних горизонтов коры различных зон Южного Урала (Сакмарской, Зилаирской, Урал-Тау) [15, 16, 17, 24, 25], Северного Урала (профиль Яйва — Кытлым — Серов — Гари) [18, 26], и ВосточноЕвропейской платформы (западный отрезок профиля Темиртау — Куйбышев) [16]. Низкочастотная аппаратура МТЦ-01 применялась при исследованиях геоэлектрического разреза восточной части Восточно-Европейской платформы (республика Татарстан) и некоторых районов Башкирии (южное сечение профиля Уралсейс-95). Результаты исследований, проведенных с применением новой аппаратуры АМТЗ и МТЗ, подтверждают результаты подобных работ прошлых лет. За счёт повышения точности измерений, расширения частотного и динамического диапазона, увеличения объёма измеряемых данных, применения высокопроизводительных процедур компьютерной обработки данных удалось получить результаты в тех районах, где ранее из-за высокого уровня помех или по какой-либо причине не удалось провести такие измерения, или не удалось обработать результаты съёмки. Были получены данные в районах, где ранее магнитотеллурическая съёмка вообще не проводилась.

В результате проведённых обширных экспериментальных работ выявлены новые черты структурно-тектонического строения рассмотренных территорий в большом диапазоне глубин.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на международной научной конференции «Чтения имени А. Н. Заварицкого» (Екатеринбург.

1999, 2001) — на международной научно-практической конференции молодых учёных и специалистов «Геофизика-99» (Санкт-Петербург 1999) — Международной геофизической конференции «Геологоразведка-2000» (Санкт-Петербург 2000) — на II, III и V геофизических чтениях памяти В. В. Федын-ского (Москва 2000,2001, 2003) — на первой и третьей Уральской молодёжной научной школе по геофизике (Екатеринбург 2000, 2002) — на научных чтениях памяти Ю. П. Булашевича «Ядерная геофизика, геофизические исследования литосферы, геотермия» (Екатеринбург 2001) — на 26, 27, 29 сессии международного семинара им. Д. Г. Успенского «Вопросы теории и практики геологической интерпретации гравитационных, магнитных и электрических полей» (Екатеринбург 1999, 2002; Москва, 2000);

Публикации. По теме диссертации опубликовано 16 работ, в том числе 1 патент на изобретение.

Личный вклад Работа подготовлена по результатам исследований начатых автором в 1998 г. в составе лаборатории электрометрии под научным руководством д. г.-м. н А. Г. Дьяконовой. Исследования проводились в соответствии с плановой тематикой института и при поддержке Российского Фонда Фундаментальных Исследований (гранты 98−05−64 816, 98−05 79 025, 99−05−79 075, 01−05−65 190, 01−05−79 171).

В процессе подготовки выполнен большой объём экспериментальных исследований, результаты которых отражены в совместных публикациях с сотрудниками, участвовавшими в работе на различных её стадиях: П. Ф. Астафьевым, В. С. Вишневым, О. В. Баталовой и др.

Личный вклад автора заключается в разработке и внедрении в практику новой цифровой аппаратуры, разработке алгоритмов и создании программы обработки данных МТЗ, непосредственном участии в проведении полевых работ, и обработке полученных материалов.

Структура и объём работы Диссертация состоит из введения, трёх глав, заключения, двух приложений, и списка литературы из 64 работ. Диссерта.

Выход.

ЭА2 Я6 10К.

Я12 25.2К.

•&diams-13.5У ¦-13.5У.

ОА1-ОАЗ КР140УД25А.

Рис. Б.1. Принципиальная электрическая схема предусилителя электрических каналов.

Я4 85.6К р?5 240 «.

01 Ж.

УР2.

750К ИЗ 448 Я2 750К.

О со т.

— и.

N0.

N0.

Р6 9.09К.

С1 0.15.

Я7 240 Выход 13.5 V.

1о с.

ЭА1 К140УД25А.

С4 0.1.

С5 100.0.

С2 0.1.

— 13.5У сзь 100.0.

У01ЛЯ)2КФДМ.

1град.

1град.

Рис. Б.2. Принципиальная электрическая схема магнитометра.

Рис. Б. З. Принципиальная электрическая схема системы самотестирования.

Вх. т 274К.

Р2 зок.

С1.

4.7 оо т.

— и ыс.

N0.

5У.

ЯЗ 15К.

Я9 2.4К.

У01 Ж.

ГО2 ¦13.5 V «.

ОА1КР140УД25А.

ЭА2.

КР140УД25А.

Р> со т т +и.

— и.

N0.

N0.

Ш 10К 13.5У.

— 13.5У.

5У.

Я510К I.

Яб 1К Я71К.

ОЭ4.1 К561ИЕ10.

БАЗ АЭ780.

Я1 КТ3107А Р810К.

001 А7 714У.

7 г.

78: 9 ю 16 17.

А1 А2 АЗ А4 А5 А6.

ЯЕР+ ЯЕР-АЭШ ООЫО.

Л/#.

— г— Л.+.

С3 Т Т С4 0.1 юо.о.

002−003 КР1533ЛН2 Ю1-Ю2 КД522А.

ЭРЮУ эоит.

БУЫС ЗСЬК и1 ио.

ЭЭ2.4.

003.2.

ОРЗ.З 003.43У1МС 1 1>

С5=т= =т= С6 0.1 100.0.

Рис. Б.4 Принципиальная электрическая схема АЦП.

Заключение

.