Индуктивный способ электромагнитного мониторинга процесса оттайки грунта

 

Изобретение относится к электромагнитным методам исследования вещества земли. Оно может быть использовано при геокриологических и других исследованиях. Область преимущественного применения - определение электропроводности и поляризационной характеристики мерзлых грунтов в естественных условиях. Технический результат - повышение точности определения сопротивления геологической среды и дополнительного определения поляризационных характеристик исследуемой среды. Сущность изобретения: возбуждают горизонтальной рамкой переменное электромагнитное поле, измеряют горизонтальную (Н_r) и вертикальную (Н_z) составляющую поля на нескольких частотах в диапазоне десятки - первые сотни килогерц, определяют по отношению Н_z/Н_r электросопротивление ρ земли. Измерение Н_r на всех рабочих частотах f₁, f₂, ... , f_i, ... , f_N выполняют после компенсации составляющей Н_r,o первичного магнитного поля на нижней рабочей частоте f₁, находят приращение Δ(lgρ) = lgρ_i+1-lgρ_i и по изменению во времени ρ_i и коэффициента K_f= Δ(lgρ)/Δ(lgf) судят о состоянии процесса оттайки грунта. 4 ил.

Изобретение относится к электромагнитным методам исследования вещества Земли. Оно может быть использовано при геокриологических, инженерно-геологических, геоэкологических и других исследованиях, когда требуется знать электросопротивление земли в интервале глубин от земной поверхности до нескольких метров в диапазоне частот от нескольких десятков килогерц до первых сотен килогерц. Область преимущественного применения предлагаемого изобретения - определение электропроводности и поляризационной характеристики мерзлых грунтов в естественных условиях, контроль за изменением указанных характеристик грунтов во времени.

Известен индуктивный способ определения электропроводности массивов с использованием разнесенных по земной поверхности излучателя поля и магнитоприемника. В наиболее близком нам способе-аналоге [1] источником поля является горизонтальная рамка или стержневая самоотвешивающая антенна (аппаратура типа ДЭМП), а измеряются взаимно перпендикулярные компоненты магнитного поля - радиальная H_r и вертикальная H_z; электросопротивление среды определяют через отношение H_z/H_r при данной рабочей частоте f и разное r установки.

Недостаток этого способа - низкая точность определения поляризационной характеристики мерзлых грунтов из-за сильного мешающего влияния скин-эффекта в более электропроводной, смежной (например, подстилающей, не мерзлой) геологической среде, а также влияния других электромагнитных эффектов (интерференция, дифракция и т.п.) на посторонних геоэлектрических неоднородностях.

Для уменьшения влияния указанных нежелательных эффектов в этом способе уменьшают разнос установки для нескольких метров или снижают рабочую частоту. При этом измерения переходят в область малых параметров, где информативно только поле H_r. С применением же известного способа в области малых параметров он имеет недостаток, т.к. регистрируемое поле H_r кроме полезной информации (отклик земли на электромагнитное возбуждение) содержит и составляющую H_r,o первичного поля (помеху). Это происходит вследствие неизбежного нарушения требуемой взаимной ортогональности в системе излучатель (вертикальный магнитный диполь) - датчик поля H_n (например, из-за земной неровной поверхности, неодинаковой высоты излучателя и приемного датчика и т. п. ). По указанной причине при применении способа-аналога с малыми разносами или низкими частотами резко возрастает погрешность в определении ρ геологической среды, и он становится совершенно не применимым для изучения частотной дисперсии электропроводности грунтов.

Известен также способ дистанционных зондирований с возбуждением вертикальным магнитным диполем, в котором датчик поля H_r устанавливают по малой оси эллипса поляризации магнитного поля на частоте, соответствующей малым параметрам поля [2]. Но он применим лишь при отношении H_z/H_r, не превосходящем 10 - 30, если же среда имеет высокое сопротивление (мерзлота), а разносы составляют несколько метров, то отношение H_z/H_r может достигать 100 и более; в этом случае для отыскания малой оси эллипса поляризации измерительный датчик H_r необходимо поворачивать в пределах около 1^o с точностью в несколько угловых минут, что превосходит возможности применяемых в способе [2] угломерно-поворотных устройств. Из-за этого резко снижается точность измерения поля H_r и сильно возрастает погрешность определения ρ в нужном для изучения поляризуемости мерзлых грунтов диапазоне частот и разносов установки.

Для достижения высокой точности измерения отклика земли на электромагнитное возбуждение при малых параметрах поля генераторную рамку и приемные датчики объединяют в одну жесткую конструкцию, переносимую по рабочему профилю как одно целое устройство, а для выделения сигнала, пропорционального только вторичному полю, используют различные вспомогательные схемно-технические приспособления, включаемые в это устройство, как его неотъемлемая часть.

Цель предлагаемого изобретения - повышение точности определения электросопротивления и поляризационных характеристик геологической среды при использовании индуктивного метода возбуждения и регистрации поля. Поставленная цель достигается тем, что в индуктивном способе электромагнитного мониторинга процесса оттайки грунта возбуждают горизонтальной рамкой переменное электромагнитное поле в диапазоне частот десятки - первые сотни килогерц, измеряют вертикальную H_z и горизонтальную H_r составляющие на всех рабочих частотах f₁, ₂,......, f_i,...., f_N после компенсации составляющей H_r,o первичного магнитного поля на каждой рабочей частоте f, определяют по отношениям H_z/H_r электросопротивление земли ρ, находят приращение Δ(lgρ) = lgρ_i+1-lgρ_i и по изменению во времени ρ_i и коэффициента K_f = Δ(lgρ)/Δ(lgf) судят о состоянии процесса оттайки грунта, где Δ(lgρ) и Δ(lgf) соответственно приращения логарифмов от электросопротивления и частоты, K_f - коэффициент частотной дисперсии.

На фиг. 1 приведена структурная схема устройства для осуществления предлагаемого способа. В устройство входят: 1 - приемный датчик магнитного поля, способный поворачиваться в вертикальной плоскости и занимать два фиксированных положения - по оси установки и в ортогональном положении , датчик подключается к селективному вольтметру 6; 2 - генераторная рамка с магнитным моментом перпендикулярным оси установки и параллельным плоскости вращения датчика 1; к рамке 2 подключается генератор переменного тока 7; 3 - комплексационная рамка с магнитным моментом направленным по оси установки 4 - коммутатор компенсирующего тока, он изменяет на противоположное направление магнитного поля момента 5 - размыкатель тока компенсационной рамки; в положении А ток в компенсационной рамке отсутствует, а в генераторной рамке сохраняется, в положении Б обе рамки включены последовательно; 6 - жесткая несущая рама.

На фиг. 2 показаны результаты применения предлагаемого способа при мониторинге процесса оттайки сезонной мерзлоты в г.Екатеринбурге с 4 марта по 26 июня 1997 г.; на фиг. 2 приведены графики изменения максимального и минимального электросопротивления ρ грунта в диапазоне частот 2,5 - 160 кГц, на фиг. 3 - графики поинтервального коэффициента частотной дисперсии K_f, цифры у графиков соответствуют интервалу частот (в килогерцах), на котором определяли K_f, на фиг. 3 приведен также усредненный график изменения температуры воздуха за время наблюдений - в градусах Цельсия (T^oC), на фиг. 4 изображены графики кажущегося сопротивления при изопараметрическом зондировании, выполненном в августе 1997 г. на пункте, где проводилось опробование предлагаемого способа в марте-июне, цифры у точек графика - значение в килогерцах.

Предлагаемый способ заключается в следующем (фиг. 1). При установке приемного датчика 1 по оси регистрируемое им поле H_r состоит из трех слагаемых H_r = ImH_r±ΔH_r,0±H_k, (1) где ImH_r - вторичное поле индуцированных в земле токов; при малых параметрах поля он находится в квадратуре с первичным полем H₀, создаваемым генераторной рамкой; ΔH_r,0 - доля первичного поля H₀ по направлению возникающая за счет ошибки в перпендикулярности генераторного магнитного момента продольной оси установки и неточного совпадения магнитной оси датчика H_r с осью H_k - поле компенсационной рамки 3.

Поскольку в схеме фиг. 1 через генераторную и компенсационную рамки протекает один и тот же ток, то поля ΔH_r,0 и H_k синфазны друг другу и оба одинаково сдвинуты по фазе на π/2 по сравнению с ImH_r. Следовательно, чтобы регистрируемый сигнал содержал только информативную часть, зависящую от электропроводности земли, должно выполняться векторное равенство.

В схеме на фиг. 1 противоположность направления полей и обеспечивается коммутатором 5 направления тока в компенсационной рамке, а равенства их амплитуд добиваются изменением напряженности поля путем перемещения компенсационной рамки по продольной оси установки.

В предлагаемом способе продольной осью установки и одновременно жесткой основой, на которой размещены генераторная, компенсационная рамки и приемный датчик поля с поворотным антеннодержателем, является неметаллический брус (рама) длиной 3,4 м. Генераторная рамка и антеннодержатель для удобства при транспортировке выполнены съемными, но имеют на концах рамы посадочные гнезда, чтобы обеспечивать строгое постоянство расстояния между центрами приемного датчика и генераторной рамки, равного 2,8 м. Средняя часть опорного бруса, где размещена компенсационная рамка, имеет размеченную в сантиметрах продольную шкалу. Сама компенсационная рамка для плавности перемещения по брусу выполнена в виде отрезка трубы из фольгированного медью гетинакса длиной 15 см с сечением немного большим, чем у бруска. Размеры компенсационной рамки подобраны так, чтобы при ее перемещении на 1 см шкалы создаваемое ей компенсационное поле в центре приемного датчика было в пределах 10^-4 - 10^-5 За счет этого в предлагаемом способе достигается высокая точность исключения влияния на измерения нарушений строгой геометрии системы излучатель поля - магнитоприемник.

Измерения по предлагаемому способу выполняются следующим образом.

1. Измерения начинают с нижней из выбранных рабочих частот. На этой частоте приемный датчик устанавливают в положение для регистрации поля H_r и при разомкнутом размыкателе 4 измеряют поле H_r. Это соответствует по (1) сумме вторичного поля ImH_r и добавки ΔH_r,0.
2. Включают переключателем 4 ток в компенсационной рамке 3.

3. Перемещая компенсационную рамку по несущему брусу, находят ее положение, при котором регистрируемый сигнал минимален.

4. Если отсчет по измерительному прибору не уменьшается, то коммутатором 5 меняют полярность компенсирующего тока и повторяют операцию по п.4.

5. В положении, соответствующем минимуму регистрируемого сигнала, компенсационную рамку закрепляют. В этом положении выполняется равенство (2) и регистрируемый сигнал U_r^min пропорционален только вторичному полю ImH_r.

6. Измеряют сигнал U_r^min.

7. Поворачивают приемный датчик на фиксированный угол 90^o и измеряют сигнал U_z. Этот сигнал пропорционален полю H_z, а отношение U_z/U_r^min равно искомому отношению полей H_z/H_r.

8. При измерениях на все более высоких частотах операции по пп. 4.5.6 опускают, а измеряют только сигналы U_z и U_r и находят их отношение.

Электросопротивление исследуемой среды определяют по известной формуле [1] . Коэффициент частотной дисперсии вычисляют для каждой пары смежных рабочих частот по формуле

где индексом i и i+1 обозначены величины, относящиеся к более низкой и более высокой частоте соответственно.

Опробование предлагаемого способа проведено при мониторинге процесса оттайки сезонной мерзлоты. Мониторинг проводили в южном лесопарке г. Екатеринбурга в период с 4 марта по 26 июня 1997 г. Возбуждение и измерение поля выполняли на 7 фиксированных частях: 160, 80, 40, 20, 10, 5, 2,5 кГц. В качестве генератора тока и частотно-избирательного микровольтметра использовали аппаратуру малоглубинного частотного зондирования типа МЧЗ-10.

На фиг. 2 приведены графики изменения во времени максимального и минимального сопротивления ρ в рабочем диапазоне частот. Максимальная величина ρ уменьшилась от 247-230 Омм (4-11 марта) до 65 Омм 26 июня (примерно в 3,7 раза), минимальное ρ уменьшилось на это же время от 115-125 Омм до 47 Омм (2,6 раза). Очевидно, что такие сильные изменения ρ могут быть вызваны только изменением физического состояния содержащейся в грунте влаги - переходом ее из твердой фазы (лед) в жидкую (вода).

На фиг. 3 приведены графики изменения во времени коэффициента частотной дисперсии K_f для шести пар частот (в кГц): 160-80, 80-40, 40-20, 20-10, 10-5, 5-2,5. В нижней части фиг. 3 показан усредненный график изменения температуры атмосферного воздуха. Из сравнения температурного графика и графика K_f видно, что процесс оттайки характеризуется появлением отрицательных значений коэффициента K_f в интервале частот 160-20 кГц. Максимальная величина K_f в отрицательной области, регистрируемая с 3 по 11 апреля на частотах 160-80 кГц, достигает -0,57 - 0,87, что соответствует коэффициенту поляризуемости η ≈ 50-80%. В период 4 марта по 11 апреля изменения коэффициента K_f отображает неравномерность процесса оттайки мерзлоты, заметную и по изменению погодных условий: начавшееся после 4 марта потепление и быстрое таяние снега сменилось во второй половине марта резким похолоданием с временным установлением снегового покрова; только около 1 апреля вновь установилась теплая погода с устойчиво возрастающей положительной температурой воздуха.

Из сравнения графиков K_f, температурного графика (фиг. 3) с графиками ρ на фиг. 2 видим, что изменение коэффициента при частотах 160 - 40 кГц лучше, чем изменение ρ отображает особенности процесса оттайки грунта. По графику K_f на частотах 160-40 кГц можно также заключить, что 4 марта процесс оттайки еще практически не начался (K_f = ± 0,08), а к 26 июня уже закончился (K_f= 0 - 0,08), в изменении же ρ сохраняется его тенденция к уменьшению и после 26 июня, что, вероятно, связано с обводнением грунта прошедшими дождями. Таким образом, использование при мониторинге дополнительной электрофизической характеристики - коэффициента K_f, получаемого с применением предлагаемого способа, дает важную дополнительную информацию о состоянии процесса оттайки мерзлоты.

На фиг. 3 также хорошо видно, что на частотах ниже 20 кГц коэффициент K_f переходит в положительную область, причем положительный знак сохраняется независимо от времени наблюдений. Это показывает, что почастотные измерения ρ при f ≅ 20 кГц характеризуют уже не временные изменения состояния вещества грунта, а особенности геоэлектрического разреза в статическом состоянии, а именно, наличие подземного непромерзающего водоносного слоя повышенной электропроводности. В доказательство этого на фиг. 4 приведен график кажущегося сопротивления при изопараметрическом зондировании, выполненном нами по способу [2, стр. 46-49] на том же самом пункте, в августе 1997 г. Цифры у точек графика указывают частоту тока в генераторной рамке в килогерцах. На графике фиг. 4 при разносах 9,8, 15,7 и 20 метров (частота 20,10 и 5 кГц соответственно) наблюдается отчетливый минимум Судя по графику глубина до электропроводного слоя равна 5-7 м, его удельное сопротивление ρ ≅ 30 Омм, удельное сопротивление перекрывающего слоя равняется 43 Омм.

Таким образом, результаты опробования подтвердили возможность применения предлагаемого способа для определения электросопротивления и коэффициента частотной дисперсии электропроводности мерзлого грунта в процессе его оттаивания.

Нам известны другие индуктивные способы, которые позволили бы в естественных условиях определять обе эти характеристики мерзлых грунтов. Обычно сведения о частотной дисперсии электропроводности мерзлых грунтов получают из данных электромагнитных зондирований как изменения не соответствующие теоретической модели горизонтально-слоистой земли. Но, очевидно, что такие изменения могут вызываться и любыми геоэлектрическими неоднородностями, не имеющими к мерзлоте никакого отношения. Соотнесение, связь с мерзлотой не очевидна, и возможна лишь при известной априорной информации о наличии мерзлоты и ее состояния. Достоинство предлагаемого способа состоит в том, что в нем не требуется априорная информация о мерзлоте, он сам дает эту информацию, причем из непосредственных измерений. А это исключает субъективный фактор из получаемого результата.

Одним из важных достоинств предлагаемого способа является то, что в нем можно выполнять измерения вторичного поля H_r в области малых параметров при очень малой величине полезного сигнала по сравнению с возбуждающим полем. Так в описанном выше опробовании отношение полезного сигнала (ImH_r) к полю на нижней рабочей частоте 2,5 кГц составляло 0,0005 - 0,001. За счет этого достигнута высокая чувствительность предлагаемого способа к почастотным изменениям ρ, вызванным повышенной поляризуемостью мерзлого грунта и повышенной электропроводностью водоносного слоя ниже зоны промерзания.

Источники, использованные при составлении заявки:
1. Вешев А.В., Любцева Е.Ф. и др. Временное руководство по методу электромагнитного зондирования с вертикальным магнитным диполем. - МЦМ СССР, М., 1978, с. 19 - 25.

2. Титлинов В.С., Журавлева Р.Б. - Технология дистанционных индуктивных зондирований. - Екатеринбург, УИФ "Наука", 1995, с. 29 - 30.

Формула изобретения

Индуктивный способ электромагнитного мониторинга процесса оттайки грунта, отличающийся тем, что в нем возбуждают горизонтальной рамкой переменное электромагнитное поле в диапазоне частот десятки - первые сотни килогерц, измеряют вертикальную H_z и горизонтальную H_r составляющие на всех рабочих частотах f₁, f₂, ..., f_i, ... f_n после компенсации составляющей H_r,o первичного магнитного поля на нижней рабочей частоте f₁, определяют по отношению H_z/H_r электросопротивление ρ земли, находят приращение электросопротивления Δ(lgρ) = lgρ_i+1-lgρ_i и частоты Δ(lgf) = lgf_i+1-lgf_i на смежных частотах и по изменению во времени f_i и коэффициента частотной дисперсии k_f= Δ(lgρ)/Δ(lgf) судят о состоянии процесса оттайки грунта.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4