способ геоэлектроразведки

Формула изобретения

Способ геоэлектроразведки, заключающийся в том, что на исследуемой поверхности в узлах прямоугольной сетки устанавливают электроды с заданным шагом, соизмеримым с линейным размером объекта поиска, измеряют кажущееся удельное электрическое сопротивление участков между электродами и по результатам измерений определяют расположение объекта в грунте, отличающийся тем, что электроды размещают с шагом h, одинаковым в направлении обеих сторон сетки, который определяется минимальным линейным размером наименьшего из объектов поиска r_min в диапазоне минимальных линейных размеров различных классов объектов [r_min, r_max] измеряют кажущееся удельное сопротивление участков между электродами, расположенными в рядах, параллельных одной из сторон сетки на расстоянии шага измерений Н₁, соизмеримого с минимальным линейным размером наибольшего из объектов поиска r_max в диапазоне минимальных линейных размеров [r_min, r_max] при этом расстояние между смежными рядами сетки, по которым проводятся измерения, равно шагу измерений Н₁, сравнивают полученные значения между собой, по аномальным значениям кажущегося удельного электрического сопротивления определяют местоположение объекта поиска и выделяют границу внешнего контура объекта поиска, затем по периметру выделенной границы дополнительно измеряют удельное электрическое сопротивление участков между электродами, расположенными в рядах, параллельных той же стороне прямоугольной сетки, с шагом измерений H₂, определяемым из условия

h <H<SUB>2
где К 2, 3, 4, с расстоянием между смежными рядами,

по которым проводятся измерения, равным H₂, сравнивают полученные результаты между собой и по аномальным значениям удельного сопротивления определяют уточненную выделенную границу объекта.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области геофизических исследований 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 сопротивление грунта. В ходе геоэлектроразведки установка с электродами перемещается вдоль профилей наблюдений с постоянным шагом. По результатам измерений строят карту распределения кажущихся удельных сопротивлений и определяют местоположение объекта.

Недостатками известного способа являются невысокая точность определения местоположения объекта поиска и большая трудоемкость при проведении исследований ввиду необходимости переноса всей установки для получения значения в каждой новой точке измерений, причем на результаты измерений влияет погрешность установки, возникающая при переносе установки на новое место измерений. Погрешности возникают за счет неверного вычисления коэффициента установки, максимальную ошибку для методов серединного градиента и симметричного электропрофилирования вносит относительно небольшое изменение расстояния между измерительными электродами [2] Для проведения уточняющих измерений на участке, где уже были произведены измерения, необходимо вновь устанавливать либо перемещать измерительные и питающие электроды.

Наиболее близкой по технической сущности является многоэлементная система [3] для определения удельного 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 удельного электрического сопротивления грунта производится на различных глубинах.

Недостатком способа, используемого в известной системе для определения удельного сопротивления, является невысокая точность определения границ объекта поиска вследствие того, что способ предназначен для определения местоположения объекта в грунте и не предусматривает проведения измерений, уточняющих границу объекта.

Сущность изобретения состоит в размещении электродов в узлах прямоугольной сетки с шагом h, одинаковым в направлении обеих сторон сетки, который соизмерим с минимальным линейным размером наименьшего из объектов поиска r_min в диапазоне минимальных линейных размеров различных классов объектов [r_min, r_max] Шаг прямоугольной сетки одинаков в направлении ее обеих сторон. После этого производят измерения кажущегося удельного сопротивления участков между электродами, расположенными в рядах, параллельных одной из сторон сетки, на расстоянии шага измерений H₁, который соизмерим с минимальным линейным размером наибольшего из объектов поиска r_max, находящегося в диапазоне минимальных линейных размеров [r_min, r_max] Расстояние между смежными рядами сетки, по которым проводятся измерения, равно шагу измерений H₁. На основании сравнения полученных данных между собой по аномальным значениям кажущегося удельного электрического сопротивления определяют местоположение объекта поиска и выделяют границу внешнего контура объекта поиска.

В дальнейшем по периметру выделенной границы дополнительно измеряют удельное электрическое сопротивление участков между электродами, расположенными в рядах, параллельных той же стороне прямоугольной сетки с шагом измерения H₂, определяемым из условия h <H<SUB>2

Расстояние между смежными рядами, по которым проводятся измерения, равно H₂. Сравнивают полученные результаты между собой и по аномальным значениям удельного электрического сопротивления определяют уточненную выделенную границу объекта.

Заявляемое изобретение направлено на снижение трудоемкости проведения электрометрического исследования участка грунта путем сокращения количества избыточной измерительной информации за счет использования адаптивного алгоритма проведения измерений. Благодаря одновременному размещению электродов по всему анализируемому участку можно производить дополнительные уточняющие измерения вдоль рядов электродов, в дальнейшем профили, где ранее уже были проведены измерения без повторной перестановки электродов, а также при каждом измерении осуществлять произвольную коммутацию электродов для выбора одного из отрезков измерений на территории анализируемого участка.

Для определения границы объекта поиска в грунте первоначально требуется определить местоположение этого объекта, то есть по аномальным значениям удельного сопротивления найти область, где располагается объект поиска. По периметру границы выделенной области аномальных значений удельного сопротивления определяем участки между измерительными электродами, которые пересекают границу объекта поиска. Один из измерительных электродов, ограничивающих каждый из выделенных участков измерений, расположен над объектом поиска (внутренний электрод), другой за границей объекта поиска во вмещающем грунте (внешний электрод). Многоугольник, вершинами которого являются узлы сетки, в которых установлены внутренние электроды, является внутренней границей объекта поиска, соответственно внешние электроды определяют внешнюю границу объекта поиска. Область, расположенная между внутренней и внешней границами, в дальнейшем граничная область, содержит границу объекта поиска. Для определения границы объекта поиска необходимо проведение измерений в пределах выделенной граничной области с шагом H₂, меньшим по сравнению с шагом измерений H₁. Для определения границы объекта поиска проводят измерения только в пределах граничной области, что сокращает количество проводимых измерений и позволяет последовательно уточнять размер граничной области до достижения границы объекта поиска.

С помощью известного устройства [4] можно определить местоположение объекта в грунте. Однако для определения границы объекта поиска необходимо провести дополнительные уточняющие измерения в граничной области, что невозможно осуществить без повторного переноса всей измерительной системы на профили, по которым уже были проведены измерения.

Нам не известно использование прямоугольной сетки электродов, одновременно установленных на анализируемом участке с возможностью планирования коммутации электродов, определение с их помощью местоположения и выделение граничной области объекта поиска, в которой производятся дальнейшие уточняющие измерения.

При проведении электрометрических измерений вдоль профиля измерений по значениям удельного электрического сопротивления в точках измерений можно построить график функции изменения удельного электрического сопротивления грунта по профилю (x), где x координата точки профиля. Согласно теореме Котельникова [5] существует интервал между отсчетами x,, при котором с определенной погрешностью можно восстановить функцию (x) по ее дискретным отсчетам.

Из принятого физического смысла функции (x) за интервал между отсчетами x принимается шаг измерений по профилю x =nh, где n 1, 2, 3, h расстояние между электродами сетки.

При проведении реальных измерений априорно неизвестна форма функции (x) и определить требуемый для восстановления с заданной точностью интервал x невозможно, то есть необходимо определить на интервале T (длина профиля измерений) интервал дискретизации x (шаг измерений по профилю) по известным сведениям о функции (x). При этом предполагается сократить избыточность измерительной информации и обеспечить восстановление функции (x) выбранным интерполяционным полиномом с заданной ошибкой восстановления .

Очевидно, что форма функции r(x) связана с расположением объектов поиска в грунте, причем амплитуда экстремумов связана с соотношением удельных электрических сопротивлений грунта и объекта поиска, а протяженность области аномальных значений функции (x) по линии профиля (координата x) с линейным размером объекта, пересекаемым данным профилем. За аномальную область значений функции (x) принимается область, в которой отношение удельного электрического сопротивления отличается от фонового значения (сопротивления грунта) на определенное заданное значение, например 20% [1] Протяженность области аномальных значений функции примерно равна (с учетом масштаба графика функции (x) по оси x) линейному размеру объекта поиска. Ввиду того, что при исследованиях участка грунта априорно известны усредненные размеры для каждой категории объектов поиска r_i (диапазон размеров объектов поиска [r_min, r_max] определяется исходя из линейных размеров различных классов объектов), то можно оценить протяженность области аномальных значений функции (x).

Учитывая, что аномальная область отражает совокупность ряда объектов поиска, будем рассматривать функцию (x) как сумму множества гармонических функций (аналогично функциям отсчетов в ряду Котельникова):



На каждом отрезке профиля размером r_i определяющую роль будет играть одна из гармоник.

Исходя из допущения, что функцию r_i(x) можно представить в виде _i(x)= ₀cos(₀t +₀), при использовании интерполяционного полинома Лагранжа первой степени [4] шаг дискретизации составит

,

где _o относительная погрешность восстановления функции.

Картирование археологических памятников методом электрометрии включает в себя два последовательных этапа: определение местоположения объекта поиска и его геометрии (границы объекта поиска). Очевидно, что для решения задач каждого из этих этапов требуется различная точность при проведении измерений и восстановлении данных.

Если принять точность восстановления при определении местоположения объекта _o 25% то в этом случае исходя из формулы (1)

,

то есть максимальный шаг при заданной точности восстановления составляет приблизительно половину минимального линейного размера объекта.

Таким образом, для определения местоположения объекта с заданной точностью достаточно выделить его в двух точках на каждом из двух смежных профилях. Следовательно, при определении местоположения объектов известного размера целесообразно проведение измерений с шагом, в два раза меньшим минимального линейного размера объекта поиска. В этом случае расстояние между профилями равно шагу измерений.

Для уточнения границ объекта поиска требуется проведение измерений с большей точностью. Примем точность восстановления границы объекта равной 5% При этом из формулы (1)



то есть максимальный шаг измерений составляет 1/5 линейного размера объекта при точности восстановления функции (x)), равной 5%

Предлагаемый способ поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображена структурная схема системы для реализации данного способа, на фиг. 2 4 представлены 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 устройство 7 (ОЗУ) и постоянным запоминающим устройством 8 (ПЗУ). Каждый из блоков имеет автономное питание (на чертеже 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 штук, 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 процессом 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), расстояние между питающими электродами должно в 3 раза превышать глубину исследований [2] 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 производим 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 сопротивление в точке измерений, которая находится на середине отрезка, соединяющего измерительные электроды.

Процессор 6, входящий в состав блока 4 управления, сравнивает значения кажущихся удельных сопротивлений, полученные при измерении соседними парами электродов. Наличие объекта в грунте определяется, если аномальное значение сопротивления отличается от сопротивления грунта на определенное заданное значение C (в работе [1] величина C принимается равной 20%). Величина C - минимальное допустимое отклонение удельного электрического сопротивления в точке измерений от удельного электрического сопротивления грунта, которое задается априорно на основании опыта исследователя и условий памятника, на котором проводятся исследования. То есть критерием наличия объекта в грунте служит условие P:



где _i значение сопротивления в точке измерений; _об - истинное сопротивление объектов поиска; _гр усредненное значение сопротивления грунта на исследуемом участке, определяемое по результатам измерений.

Если значение сопротивления в точке измерений удовлетворяет условию (4), то полагаем, что граница объекта находится между измерительными электродами, которые использовались при данном измерении.

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

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

Измерения производят следующим образом.

Исходя из точности на этапе определения местоположения объекта поиска (относительную погрешность восстановления границы объекта поиска принимаем равной 25%) и минимального линейного размера наибольшего из объектов поиска r_max в диапазоне минимальных линейных размеров [r_min, r_max] по формуле (2) определяет шаг измерений по профилю и расстояние между смежными профилями измерений H₁. Для приведенного на фиг. 2 примера H₁ 4h.

В соответствии с шагом H₁ выбирает измерительные электроды А1 и А5, измеряем падение напряжения на участке А1 А5, затем вычисляем кажущееся удельное сопротивление участка измерений.

Затем производим измерение между электродами А5 А9, А9 А13, А13 - А17, А17 А21 и так же вычисляем кажущееся удельное сопротивление на каждом из указанных участков. После этого проводим измерения между электродами Д1 - Д5, Д5 Д9, Д9 Д13, Д13 17, Д17 Д21. Далее аналогично проводим измерения по профилям И и Н.

Количество измерений на данном этапе равно 20.

На основании сравнения значений кажущегося удельного сопротивления в соответствии с условием (4) выделяют участок профиля с аномальным значением сопротивления. На смежных профилях измерений сравнивают расположение участков с аномальными значениями 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 электродами А5 А17 Н17 Н9 И9 Д5, а внутренняя область объекта поиска ограничена электродами Д9 Д13 И13.

В случае, если в пределах анализируемого участка не обнаружено объектов с минимальным линейным размером наибольшего из объектов поиска r_max в диапазоне минимальных линейных размеров различных классов объектов [r_min, r_max, то продолжаем измерения на этом участке. При этом определяем шаг измерений H₁ по формуле (2) исходя из линейных размеров различных классов объектов r_i из диапазона минимальных линейных размеров объектов поиска [r_min, r_max] Минимальный шаг измерений на этом этапе определяется значением r_min.

Для снижения трудоемкости проведения электрометрического исследования участка грунта в дальнейшем измерения проводятся только в пределах граничной области. При этом исходя из принятой точности (погрешность восстановления границы объекта поиска принимает равной 5%) по формуле (3) определяем необходимое количество шагов измерений по каждому профилю для восстановления границы объекта поиска с принятой точностью.

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

При определении внешней границы объекта поиска необходимо проведение измерений в пределах выделенной граничной области с шагом H₂, меньшим по сравнению с шагом измерений H₁. При этом расстояние между смежными профилями измерений также равно H₂. Минимальный шаг измерений на этом этапе H_2min равен h. Линию границы необходимо идентифицировать с определенной точностью. Для этого при измерениях в граничной области постепенно уменьшаем шаг измерений (H₂ <H<SUB>1
H₂ H₁/k, где k 2, 3, 4, (5)

При этом должно выполняться соотношение



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

В соответствии с шагом измерений H₂ выбирают измерительные электроды А5 и А7, измеряют падение напряжения на участке А5 А7, вычисляют удельное электрическое сопротивление участка. Далее измеряют падение напряжения на участках А7 А9, А9 А11, А11 А13, А13 А15, А15 А17 и вычисляется значение удельного электрического сопротивления на каждом из участков (см. фиг. 3).

Аналогично проводят измерения с шагом H₂ по профилям В, Д, Ж, И, Л, Н в пределах граничной области и вычисляются значения удельного электрического сопротивления каждого из участков.

Количество измерений на данном этапе равно 32.

На основании сравнения значений кажущегося удельного сопротивления участков профиля в соответствии с условием (4) выделяем участки измерения на каждом профиле, пересекающие границу объекта поиска, после чего уточняется и сокращается размер граничной области: [L"₁ L"₂] (см. фиг. 3).

Как было сказано выше, для достижения погрешности восстановления границы объекта поиска с погрешностью 5% необходимо получение пяти точек измерения над объектом поиска (см. формулу (3)). На профилях Д и Ж в результате измерений получено пять точек измерений. Следовательно, достигнута принятая точность восстановления границы объекта поиска и измерения по этим профилям больше не проводятся. На профилях А, В, И, Л количество точек измерений над объектом поиска меньше пяти, следовательно, на этих профилях не достигнута принятая точность и необходимо проведение дополнительных измерений.

Для этого опять сокращаем шаг измерений (увеличиваем k (см. формулу (5)) и проводим измерения в пределах уточненной граничной области [L"₁ - L"₂] (см. фиг. 4). Выбираем шаг измерений H₂ по профилю и расстояние между профилями измерений равным h (при этом k 4). Проводим измерения с этим шагом по профилям А, Б, В, Г, Е, З, И, К, Л в пределах уточненной граничной области.

Количество измерений на данном этапе равно 44, а общее количество измерений по предлагаемому способу составляет 96.

Принятая точность восстановления границы объекта поиска достигнута на всех профилях в пределах граничной области, за исключением профилей Б, В, Л, однако дальнейшее повышение точности на этих профилях невозможно, так как шаг измерений H₂ равен минимальному шагу сетки h. В результате измерений получена новая уточненная граничная область [L""₁ L""₂] которая строится аналогично области [L"₁ L"₂] Область [L""₁ - L""₂] на фиг. 4 не показана.

Таким образом, на основании полученной уточненной граничной области, ограниченной линиями L""₁ и L""₂, определяем 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 метода [1] при одинаковой точности восстановления границы объекта поиска потребуется проведение 260 измерений. Предлагаемый же способ позволяет сократить количество измерений в 2,7 раза (число измерений по предлагаемому методу равно 96).

Использование предлагаемого способа позволяет определить местоположение объекта поиска, найти граничную область объекта поиска и определить его границу с точностью, априорно определяемой исследователем, при низкой трудоемкости проведения измерений по сравнению с известными методами.

Все измерения на данном участке осуществляются при одних и тех же влажности грунта, погодных условиях, что сводит динамическую погрешность измерений до минимальной величины. Одновременность установки электродов обеспечивает минимальную погрешность вычисления коэффициента установки. 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, реализуемый с помощью данной системы, можно эффективно использовать для решения задач археологии, геофизики, для проектных работ при строительстве и в других смежных областях.