СПОСОБ ГЕОЭЛЕКТРОРАЗВЕДКИ Российский патент 1997 года по МПК G01V3/02 

Изобретение относится к геофизическим исследованиям и может быть использовано для поиска подземных объектов или полостей при археологической разведке.

Известен способ геоэлектроразведки [1] в котором с помощью питающих и приемных электродов измеряют напряжение поля, а затем рассчитывают кажущееся удельное электрическое сопротивление грунта. В ходе геоэлектроразведки установка с электродами перемещается вдоль профилей наблюдений с постоянным шагом. По результатам измерений строят карту распределения кажущегося удельного электрического сопротивления и определяют местоположения объекта.

Недостатком известного способа является большая трудоемкость при проведении исследований ввиду необходимости переноса всей установки для получения значения в каждой новой точке измерений. Для проведения уточняющих измерений на участке, где уже были проведены измерения, необходимо вновь устанавливать либо перемещать измерительные и питающие электроды, что также увеличивает трудоемкость измерений.

Наиболее близкой по технической сущности является многоэлементная система [2] и способ для определения кажущегося удельного электрического сопротивления и геоэлектрического разреза, взятая в качестве прототипа. Измерения проводятся с помощью электродов, установленных в предварительно подготовленных скважинах, расположенных по разные стороны от анализируемого участка грунта. Измерение кажущегося удельного электрического сопротивления грунта производится на различных глубинах.

Недостатками способа и системы для определения удельного сопротивления является значительная трудоемкость измерений, связанная с бурением скважин на подготовительном этапе и необходимостью проведения всех возможных измерений при единовременно установленных электродах.

Предлагаемый способ геоэлектроразведки направлен на снижение трудоемкости путем адаптивного выбора шага и участка измерений при анализе каждого полученного результата.

Способ геоэлектроразведки заключается в том, что на исследуемой поверхности в узлах прямоугольной сетки устанавливают электроды с шагом h, соизмеримым с априорно предполагаемым минимальным линейным размером наименьшего из объектов поиска r_min в диапазоне минимальных линейных размеров различных классов объектов [r_min, r_max] После этого измеряют кажущееся удельное электрическое сопротивление участков между электродами по параллельным профилям с шагом H₁, при этом смежные ряды сетки, по которым проводятся измерения, расположены на расстоянии H₁. Шаг измерений H₁ не превышает половину минимального линейного размера наибольшего из объектов поиска r_max в диапазоне минимальных линейных размеров [r_min, r_max] Затем сравнивают полученные значения между собой по аномальным значениям кажущегося удельного электрического сопротивления определяют местоположение и границу объекта поиска. Для уточнения границы объекта поиска по периметру границы проводят дополнительные измерения кажущегося удельного электрического сопротивления между электродами, расположенными в узлах сетки электродов, образующих квадрат со стороной H₂, определяемой из условия
h ≅ H₂ ≅ H₁/k.

где k 2, 3, 4,
причем измерения проводят между электродами, расположенными в вершинах каждого из квадратов в различных направлениях, по результатам измерений определяют уточненную границу объекта поиска.

Нам не известен способ определения местоположения и выделения границы объекта поиска, использующий адаптивный выбор направления измерений и гибкое изменение шага измерений на основе анализа полученных результатов.

На фиг. 1 изображена структурная схема системы для реализации данного способа; на фиг. 2 4 результаты проведения измерений.

Система для реализации способа содержит коммутатор 1, соединенный с генератором 2 и измерителем 3. Коммутатор 1 также соединен с блоком 4 управления и с устройством 5 визуализации. Блок 4 управления состоит из процессора 6 (ПЦ), соединенного с оперативным запоминающим устройством 7 (ОЗУ) и постоянным запоминающим устройством 8 (ПЗУ). Каждый из блоков имеет автономное питание (не показано). Коммутатор 1 соединен с блоком 9 электродов, который представляет собой набор электродов, устанавливаемых на излучаемом участке по прямоугольной сетке. В общем случае может быть произвольное количество электродов, но не менее 4 шт. так как количество устанавливаемых электродов зависит от технических возможностей коммутатора и площади исследуемого участка.

С помощью блока 4 управления задается последовательность коммутации электродов, их функциональное назначение в соответствии с алгоритмом измерений. В ОЗУ 7 хранятся результаты измерений, а также константы, необходимые для вычислений. ПЗУ 8 содержит наборы программ, реализующие алгоритмы измерений, программы вычисления коэффициентов установок, программы обработки результатов измерений. Процессор 6 управляет процессором измерений в соответствии с определенным алгоритмом, осуществляет обработку результатов измерений и запись их в ОЗУ 7. Благодаря устройству 5 визуализации существует возможность в полевых условиях оценить полученные результаты, при необходимости провести дополнительные уточняющие измерения в соответствии с выбранным алгоритмом.

Способ осуществляется следующим образом.

Для проведения измерений на поверхности грунта устанавливают электроды 9 по заранее размеченной прямоугольной сетке и соединяют их с коммутатором 1. Шаг прямоугольной сетки h выбирают соизмеримым с априорно предполагаемым минимальным линейным размером r_min наименьшего из объектов поиска в диапазоне линейных размеров различных классов объектов, которые могут быть обнаружены на анализируемом участке [r_min, r_max] Для проведения каждого измерения выбирают по две пары электродов (одна питающая, другая - измерительная). На фиг. 2 4 показаны только измерительные электроды.

По заданному с блока 4 управления алгоритму (программы, реализующие алгоритмы измерений, хранятся в ПЗУ 8) генератор 2 через коммутатор 1 в грунте между питающими электродами возбуждает электрическое поле. На измеритель 4 через коммутатор 1 поступает значение падения напряжения на участке между измерительными электродами. С помощью процессора 6 вычисляют кажущееся удельное сопротивление.

Результаты вычислений записываются и хранятся в ОЗУ 7 и могут быть показаны на устройстве визуализации 5.

С помощью предлагаемой системы можно производить измерения на участке, где установлены электроды, используя различные методы измерений (симметричное электропрофилирование (СЭП), серединный градиент (СГ), дипольное, трехэлектродное и пр.).

Для определения местоположения и границ объекта проводят измерения в следующей последовательности:
с блока 4 управления через коммутатор 1 задаются последовательно по две пары электродов питающие и измерительные.

с генератора 2 через коммутатор 1 на питающую пару электродов подается ток, с измерительных электродов через коммутатор 1 снимается с измерителя 3 значение падения напряжения на участке между измерительной парой электродов, которое поступает в блок 4 управления, где вычисляется кажущееся удельное электрическое сопротивление в точке измерений, которая находится на середине отрезка, соединяющего измерительные электроды;
процессор 6, входящий в состав блока 4 управления, сравнивает значения кажущихся удельных электрических сопротивлений, полученных при измерении соседними парами электродов.

По результатам этого сравнительного анализа определяют область, содержащую объект поиска, с аномальным значением кажущегося удельного электрического сопротивления по сравнению с кажущимся удельным электрическим сопротивлением грунта на данном участке.

Способ осуществляется следующим образом. Диапазон размеров объектов поиска [r_min, r_max] определяется, исходя из линейных размеров различных классов объектов r_i. Минимальный линейный размер объекта поиска определен, исходя из технических возможностей аппаратуры и точности восстановления границы объекта поиска (r_min 0,35 0,5 м). На этапе определения местоположения объектов измерения необходимо проводить с шагом H₁, равным 0,5 минимального линейного размера объекта поиска (0,5 r_i). Первоначально на территории подпланшета проводятся измерения с шагом, соответствующим r_i, причем выбирается первое значение r_i r_max. Сравнивают между собой значения кажущегося удельного электрического сопротивления по каждому профилю измерений, выделяя участки с аномальным значением кажущегося удельного электрического сопротивления, по которым формируется аномальная область, определяющая местоположение объекта поиска. Если на территории подпланшета не обнаружено объектов с размером r_max, то r_i присваивается следующее дискретное значение из интервала [r_min, r_max] причем новое значение r_i всегда меньше предыдущего. При новом значении r_i приводятся измерения по всему подпланшету. Если на территории подпланшета не обнаружено объектов с линейным размером большим r_min, то дальнейшие измерения на нем не проводятся. При нахождении объектов размером r_i ∈ [r_min, r_max] необходимо проведение уточняющих измерений для определения контура объекта.

При определении местоположения была выделена аномальная область, содержащая объект поиска заданного размера. Внутри найденной области выделяют граничную область объекта поиска, расположенную по периметру аномальной области, которая включает в себя границу объекта и расположена между внешней границей области анализируемого участка, содержащей объект, и внутренней областью объекта поиска. Для определения границы объекта поиска проводят измерения только в пределах граничной области, что позволяет последовательно уточнять размер граничной области до достижения границы объекта поиска. На этапе определения местоположения объекта поиска проводились измерения с шагом H₁, ширина граничной области по каждому из профилей равна H₁.

Для определения контура объекта поиска необходимо проведение измерений в пределах выделенной граничной области с шагом H₂, меньшим по сравнению с шагом измерений H₁. Минимальный шаг измерений на этом этапе H_2min равен шагу между электродами сетки h. При измерениях в граничной области уменьшаем шаг измерений (H₂ <H₁) в целое число раз, т.е. H₂ H₁/k, где k 2, 3, 4,
При этом должно выполняться соотношение.

H₂ mh, где m 1, 2, 3,
Дополнительные измерения кажущегося удельного электрического сопротивления проводят в пределах граничной области между электродами, расположенными в узлах сетки электродов, образующих квадрат со стороной H₂ (в дальнейшем ячейки измерений).

Измерения необходимо проводить в каждой ячейке выделенной граничной области следующим образом: первоначально проводятся измерения на двух участках, расположенных параллельно профилям, по которым проводились измерения на этапе определения местоположения объекта поиска (в дальнейшем - параллельные измерения), после чего проводятся измерения на двух участках, расположенных перпендикулярно первоначальному направлению измерений (перпендикулярные измерения), далее проводятся измерения на участках, расположенных по диагоналям ячейки измерений (диагональные измерения). В каждой ячейки проводится не более 6 измерений до тех пор, пока граница объекта поиска не будет выделена в двух точках выбранной (текущей) ячейки. Границу объекта поиска определяют по результатам сравнения значения кажущегося удельного электрического сопротивления с кажущимся удельным электрическим сопротивлением грунта, после чего проводятся измерения в ячейке, смежной с выбранной на данном этапе измерений. Измерения в граничной области проводятся до тех пор, пока не будут проведены измерения во всех ячейках граничной области.

Если размер ячейки измерений больше h, то, исходя из результатов измерений, сокращается размер граничной области, после чего уменьшается размер ячейки измерений в целое число раз (увеличиваем k (см. формулу 1)) по сравнению с шагом измерений на предыдущем этапе. Разбиваем уточненную граничную область на ячейки измерений вычисленного размера, после чего проводим измерения в ячейках уточненной граничной области.

Эта операция повторяется до получения результатов измерений при размере ячейки, равном h.

На фиг. 2 показано расположение прямоугольной сетки электродов на анализируемом участке грунта (места расположения электродов обозначены точками, профили измерений обозначены буквами A H, номера электродов на каждом профиле обозначены цифрами 1 21). Граница объекта поиска показана сплошной линией и обозначена L.

Для упрощения изложения при описании процесса измерений не указаны питающие электроды. Рассмотрение идет только на основании расположения измерительных электродов, так как благодаря использованию коммутатора возможен произвольный выбор питающих электродов, участвующих в каждом измерении.

Измерения проводят следующим образом. Исходя из линейного размера объекта поиска r_max, из диапазона значений размеров объектов поиска [r_min, r_max] определяем шаг измерений по профилю и расстояние между смежными профилями измерений (H₁ 0,5 r_i). Для приведенного на фиг. 2 примера H₁ 4h.

В соответствии с шагом H₁ выбираем измерительные электроды A1 и A5, измеряем падение напряжений на участке A1 A5, затем вычисляем кажущееся удельное электрическое сопротивление участка измерений. Затем проводим измерение между электродами A5 A9, A9 A13, A13 A17, A17 A21 и также вычисляем кажущееся удельное электрическое сопротивление на каждом из указанных участков. После этого проводим измерения между электродами Д1 Д5, Д5 Д9, Д9 Д13, Д13 Д17, Д17 Д21. Далее аналогично проводим измерения по профилям "И" и "Н".

На основании сравнения значений кажущегося удельного электрического сопротивления выделяют участок профиля с аномальным значением кажущегося удельного электрического сопротивления. На смежных профилях измерений сравнивают расположение участков с аномальными значениями кажущегося удельного электрического сопротивления и по результатам сравнения определяют местоположение объекта поиска и выделяют граничную область объекта.

В результате проведенных измерений (см. фиг. 2) на анализируемом участке определено местоположение объекта, внешняя граница которого описывается замкнутой линией L₁. Внутренняя область объекта описывается замкнутой линией L₂, то есть граничная область расположена между линиями L₁ и L₂. Линии L₁ и L₂ проходят через точки расположения измерительных электродов, задействованных в измерении. Для приведенного примера внешняя граница объекта поиска ограничена элементами А5-А17-Н17-Н9-И9-Д5, а внутренняя область объекта поиска ограничена электродами Д9-Д13-Т13.

В случае, если в пределах анализируемого участка не обнаружено объектов с максимальным линейным размером r_max, то продолжаем измерения на этом участке, при этом сокращаем шаг измерений H₁ таким образом, чтобы определить границу объекта с меньшими размерами. Минимальный шаг измерений на этом этапе определяется значением r_min, диапазон размеров объектов поиска [r_min, r_max] определяется, исходя из линейных размеров различных классов объектов r_i.

Если на анализируемом участке не обнаружено объектов с размером r_max, то r_i присваивается следующее дискретное значение из интервала [r_min, r_max] причем новое значение r_i всегда меньше предыдущего. При новом значении r_i проводятся измерения по всему участку. Если не обнаружено объектов с линейным размером, большим r_min, то дальнейшие измерения на нем не проводятся. При нахождении объектов размером r_i e [r_min, r_max] необходимо проведение уточняющих измерений в граничной области.

Для снижения трудоемкости проведения электрометрического исследования участка грунта в дальнейшем измерения проводятся только в пределах граничной области.

Процесс определения внешней границы объекта поиска проиллюстрирован на фиг. 3 и 4. Обозначения совпадают с обозначениями на фиг. 2. Для наглядности и удобства изображения сетка электродов показана с разным масштабом и отсутствуют участки, не содержащие объекта поиска.

Шаг измерений H₁ в приведенном примере был равен 4h. При проведении уточняющих измерений первоначально выбираем шаг измерений H₂ равным 2h (фиг. 3).

В соответствии с шагом измерений H₂ разбиваем граничную область на ячейки измерений, в каждой ячейке измерений первоначально проводятся параллельные измерения, если при этом граница объекта поиска не обнаружена на двух участках измерений, то проводятся перпендикулярные и диагональные измерения. Например, для ячейки А5-А7-В5-В7 выбирают измерительные электроды А5 и А7, измеряют падение напряжения на участке А5 А7, вычисляют удельное электрическое сопротивление участка. Далее измеряют падение напряжения на участках В5-В7, А5-В7, А7-В7, А5-В7, А7-В5 и вычисляют значения кажущегося удельного электрического сопротивления на каждом из участков (фиг. 3).

Аналогично проводятся измерения с шагом H₂ по ячейкам А7-А9-В7-В9; А9-А11-В9-В11; А11-А13-В11-В13; А13-А15-В13-В15; А15-А17-В15-В17; В5-В7-Д5-Д7; В7-В9-Д7-Д9; В9-В11-Д9-Д11; В11-В13-Д11-Д13; В13-В15-Д13-Д15; В15-В17-Д15-Д17; Д7-Д9-Ж7-Ж9; Д13-Д15-Ж13-Ж15; Д15-Д17-Ж15-Ж17; Ж9-Ж11-И9-И11; Ж13-Ж15-И13-И15; Ж15-Ж17-И15-И17; И9-И11-Л9-Л11; И11-И13-Л11-Л13; И13-И15-Л13-Л15; И15-И17-Л15-Л17; Л9-Л11-Н9-Н11; Л11-Л13-Н11-Н13; Л13-Л15-Н13-Н15; Л15-Л17-Н15-Н17.

На основании сравнения значений кажущегося удельного электрического сопротивления участков измерений выделяют участки в каждой ячейке измерений, пересекающие границу объекта поиска, после чего уточняется и сокращается размер граничной области: (фиг. 3).

Для уточнения границы объекта поиска опять сокращают шаг измерений (увеличивают k (см. формулу (1)) и проводят измерения в пределах уточненной граничной области (фиг. 4). Определяют размер ячейки измерений и шаг измерений H₂, равный h (при этом k 4).

В результате измерений получена новая уточненная граничная область которая строится аналогично области Область на фиг. 4 не показана.

Таким образом, на основании полученной уточненной граничной области, ограниченной линиями определяют границу объекта поиска R.

Трудоемкость измерений снижается за счет сокращения количества избыточных измерений и благодаря одновременному размещению электродов на всем анализируемом участке, что позволяет проводить коммутацию электродов, необходимую для уточняющих измерений в различных областях анализируемого участка.

Для определения границы объекта поиска с помощью известного способа [2] потребуется проведение более 5000 измерений. Предлагаемый же способ позволяет в несколько раз сократить количество измерений (число измерений по предлагаемому способу равно 240). Указанные данные приведены для одного и того же объекта поиска при одинаковой установке сетки электродов.

Использование предлагаемого способа позволяет определить местоположение объекта поиска, найти граничную область объекта поиска и определить его границу с малой трудоемкостью проведения измерений по сравнению с известными методами.

Применение сетки электродов позволяет мобильно изменять метод измерений (СЭП, серединный градиент и пр.) в зависимости от объекта, вмещенного в грунт, и задачи исследований.

Исходя из этого, предлагаемый способ можно эффективно использовать для решения задач археологии, геофизики, для проектных работ при строительстве и в других смежных областях.

Источники информации.

1. Электроразведка: Справочник геофизика. В 2-х кн. /Под ред. В.К. Хмелевского и В.М. Бондаренко. Кн. I, М. Недра, 1989, с. 174-177.

2. Международная заявка PCT 89/00705, G 01 V 3/02, 1989.

Использование: геофизические исследования, в частности поиск подземных объектов и полостей при археологической разведке. Сущность изобретения: способ геоэлектроразведки заключается в установке электродов с заданным шагом на исследуемой поверхности в узлах прямоугольной сетки. Шаг между электродами соизмерим с линейными размерами минимально возможного объекта поиска. Измерения кажущегося удельного сопротивления производят по параллельным профилям, причем шаг измерений и расстояние между смежными профилями не превышает половины минимального линейного размера наименьшего объекта. Сравнивают между собой значения удельного сопротивления с выделением аномальной области, по ее периметру выделяют граничную область, в которой проводят дополнительные измерения, по результатам которых определяют уточненную границу объекта поиска. 4 ил.

Способ геоэлектроразведки, заключающийся тем, что на исследуемой поверхности в узлах прямоугольной сетки устанавливают электроды, измеряют кажущееся удельное электрическое сопротивление участков между электродами, сравнивают полученные значения между собой, по аномальным значениям кажущегося удельного электрического сопротивления определяют местоположение и границу объекта поиска, отличающийся тем, что электроды размещают с шагом h, соизмеримым с априорно предполагаемым минимальным линейным размером наименьшего из объектов поиска γ_min в диапазоне минимальных линейных размеров различных классов объектов [γ_min,γ_max], измерение кажущегося удельного сопротивления участков производят с шагом Н₁, не превышающим половины минимального линейного размера наибольшего из объектов поиска γ_max в диапазоне минимальных линейных размеров [γ_min,γ_max], смежные ряды сетки, по которым проводятся измерения, располагают на расстоянии Н₁, а затем производят дополнительные измерения кажущегося удельного электрического сопротивления между электродами, расположенными в узлах сетки электродов, образующих квадрат со стороной Н₂, определяемой из условия
h ≅ H₂ ≅ H₁/K,
где К 2,3,4,
причем измерения производят между электродами, расположенными в вершинах каждого из квадратов в различных направлениях и по результатам измерений определяют уточненную границу объекта поиска.