Разработан аппаратурно-программный комплекс серии «Байкал (модульная система)» для исследования и мониторинга геоэлектрических параметров среды, нацеленный на решение современных актуальных задач геофизических методов поиска разведки и доразведки разных месторождений, экологических, инженерных задач, мониторинга геологической среды в сейсмоактивных районах в режимах 3D и 4D. Архитектура комплекса состоит из семейства цифровых модульных регистраторов и комплекса компьютерного обеспечения для обработки, редактирования и просмотра данных.

Назначение комплекса: проведение высокопроизводительных, профильно-площадных глубинных зондирований становлением поля ЗС с контролируемым источником ЭМ-поля. Отличительные особенности: беспроводная пространственно асинхронная система сбора профильной и площадной информации Количество многоканальных модулей сбора комплексной информации неограниченно. С помощью комплекса можно легко создавать любые системы наблюдений.

Регистраторы предусматривают режимы работ как с традиционными датчиками электромагнитных нестационарных полей (приемные линии и петли, магнитные датчики), так и с современными системами многокомпонентной регистрации этих полей и их производных, выполненные на основе тонких магнитных пленок. Синхронизация и позиционирование регистраторов осуществляться с помощью глобальных навигационных спутниковых систем (ГЛОНАСС, GPS).

Аппаратурная разработка «БАЙКАЛ 512»

Объект разработки

Электроразведочная система регистрации переходных процессов в составе программно-измерительного комплекса для нестационарных электромагнитных зондирований.

Разработка, изготовление и полевые испытания регистрирующей аппаратуры выполнены силами Сейсмологического филиала ФИЦ ЕГС РАН и Сибирского филиала ФИЦ ЕГС РАН в период 2018-2020 гг.

Актуальность разработки

Нестационарные электромагнитные зондирования показали свою высокую эффективность и заняли достойное место в комплексе работ по изучению литосферы Земли до глубин в несколько километров. Осложнения, с которыми приходится иметь дело можно разделить на две группы. К первой следует отнести геологические факторы, затрудняющие исследование осадочных отложений – трапповый магматизм, разрывные нарушения, соляную тектонику, сложную морфологию терригенных и карбонатных коллекторов. Вторая группа – это сложные условия рельефа и климата, наличие интенсивных индустриальных электромагнитных помех. Также важную роль играет возрастание стоимости электроразведочных работ в сложных условиях и при повышении пространственной плотности наблюдений.

Таким образом, требовалась разработка современной многоканальной регистрирующей аппаратуры, создание измерительных систем с высокой мобильностью, точностью измерения, с возможностью эффективной организации наблюдений с повышенной пространственно-временной плотностью в условиях густой залесенности и сложного рельефа местности. Актуальной являлась разработка технологий сбора и математической компьютеризированной обработки информации для условий высокого уровня электромагнитных помех вблизи промышленных объектов.

Задачи разработки

Разработка измерительного комплекса для нестационарных электромагнитных зондирований на основе мобильных регистрирующих систем с высокой пространственной плотностью наблюдений, арифметическим шагом дискретизации и записью всех накоплений в цифровом виде; разработка программного обеспечения для регистрации, обработки сигналов, подавления помех, интерпретации.

Цель разработки

Повышение достоверности и качества геофизических данных, увеличение информативности нестационарных электромагнитных зондирований путем создания измерительного комплекса на основе современной элементной базе.

1.1. Электроразведочная станция для проведения работ методом ЗС «Байкал 512»

Основные особенности системы регистрации для нестационарных электромагнитных зондирований:

– одновременная регистрация сигналов становления электромагнитного поля от нескольких приемников поля (возможно использование приемников любых типов – петля, линия, компактные датчики и др.), пространственно отдаленных друг от друга;

– расположение усилительных трактов и аналого-цифрового преобразователя непосредственно у приемной петли, что позволяет избавиться от проблемы передачи аналоговых сигналов и тем самым повысить качество записываемого материала и помехозащищенность измерителя;

– высокоточная настраиваемая система синхронизации источника тока и измерительной системы на основе GPS;

– небольшие габариты и масса полевых модулей обеспечивают мобильность измерительного комплекса, позволяют располагать приемные петли в стороне от дорог и организовывать наблюдения в широкой пространственной полосе в условиях пересеченного рельефа. Регистрирующая система, состоящая из неограниченного набора модулей позволяет выполнять сложные площадные и профильные наблюдения с высокой пространственно-временной плотностью;

– программный комплекс, созданный с учетом эксплуатации прежней версии программного обеспечения для аппаратуры «БАЙКАЛ МЭРС Т», обеспечивает получение, обработку и представление данных на всех этапах работы. Входящие в него программы обладают удобным унифицированным графическим интерфейсом.

Содержание разработки

Центральным узлом электроразведочной станции является одноканальный цифровой модуль 24-х битный геофизической электромагнитной измерительной системы «Байкал 512 (модульная)». Разработан вариант прибора для различных частотных диапазонов, (диапазоны ЗС) собранный в одном корпусе. Частотный диапазон (ЗС) составляет 0.01-512 000 Гц.

К модулю подключаются датчики электрического и/или магнитного поля как традиционные: линии, одновитковая или многовитковая рамки, так и датчики, собранные по технологии тонких магнитных пленок.

Модуль «Байкал 512» эксплуатируется в качестве автономной системы или как часть массива модулей, в котором каждый блок синхронизируется при помощи встроенных приемных устройств спутниковых навигационных систем ГЛОНАСC, GPS

Основные технические преимущества:

Высокое качество данных благодаря 24-битной технологии аналого-цифрового преобразования.

Ультранизкие характеристики шума – менее 0.2 мкВ.

Малый температурный дрейф входного напряжения смещения и входного тока смещения.

Возможность автономной эксплуатации или эксплуатации в многоканальной сетевой системе.

Высокая точность синхронизации нескольких автономных систем с помощью спутниковых навигационных систем.

Совместимость как с семейством датчиков, традиционно используемых в методах ЗС, так и с новыми разработками на основе технологии тонких магнитных пленок.

Компактная, легкая, водонепроницаемая конструкция повышенной прочности.

Широкий рабочий диапазон температур: от -30°C до +60°C.

Изготовлено пять опытных образцов одноканального электроразведочного модуля (ЭМ) «Байкал 512». Внешний вид аппаратуры «Байкал 512» приведен на рис. 1.

Рис. 1. Электроразведочный модуль «Байкал 512».

1.2. Результаты

Проведены натурные испытания опытного образца ЭМ «Байкал 512».

Оценена эффективность многоканальной электромагнитной системы для задач выделения сложно построенных геологических объектов.

Разработана оригинальная технология многокомпонентной электроразведки на основе комплекса электромагнитных зондирований Земли, с использованием контролируемых и естественных источников.

Создано программное обеспечение для обработки и интерпретации данных нестационарных электромагнитных зондирований.

Проведены тестовые измерения электромагнитных полей.

Электроразведочные измерения методом ЗС в Чуйской впадине Горного Алтая.

В полевой период 2020 г. был проведен эксперимент по регистрации процесса становления поля на ПК 134 двумя комплектами измерительной аппаратуры.

В данной точке был проведен эксперимент с регистрацией переходного процесса становления поля аппаратурой «Байкал 512» с частотой оцифровки 512 кГц и «Байкал МЭРС-Т» с частотой оцифровки 100 кГц.

Параметры установки излучения и регистрации сигнала становления поля в эксперименте были следующие: генераторная петля (ГП) размером 500х500 метров, измерительная петля (ИП) – 200х200 м. Измерения осуществлялись на двух уровнях токового импульса в генераторной петле: большой ток в интервале 18.0÷25.0 А и малый – 2.5÷3.1 А. Регистрация проводилась на двух коэффициентах усиления на приёмной петле (1; 16).

Результаты сопоставления зарегистрированных процессов становления поля двумя комплектами измерительной аппаратуры с разными значениями частот оцифровки приведены на рис. 2.

Рис. 2. Измеряемые процессы ЭДС с аппаратурой «Байкал МЭРС-Т» (синяя кривая), и «Байкал 512» (красная кривая). Генераторная петля 500х500 м, измерительная петля 200х200 м.

Анализ сравнения процессов регистрации позволяет сделать следующие выводы:

– начальное время регистрации аппаратурой аппаратуры «Байкал 512» составляет 1.95 мкс, что дает возможность улучшить детализацию верхней части геологического разреза при построении геоэлектрической модели.

– в интервале времен регистрации до 200 мкс аппаратурой с частотой оцифровки 100 кГц наблюдается колебательный процесс, что связано с параметрами работы АЦП. На зарегистрированном процессе становления поля аппаратурой с частотой оцифровки 512 кГц данных осцилляций нет;

– в поздней стадии становления поля на временах в интервале 200-300 мс данные с использованием аппаратуры с частотой оцифровки 512 кГц более точно отражают глубинную часть геологического разреза.

На рис. 3 показано рассчитанное по данным регистрации переходного процесса распределение удельного электрического сопротивления (УЭС) осадочного чехла до глубин залегания фундамента. Измерения проводились аппаратурой с частотой оцифровки 100 кГц и 512 кГц. Как можно видеть из сопоставления геоэлектрических моделей (1-D инверсия), построенных по данным с разной аппаратурой, более детальное расчленение разреза получено с аппаратурой «Байкал 512». Также более достоверно рассчитываются параметры опорного горизонта.

Рис. 3. Геоэлектрические модели осадочного чехла.

Выводы.

1. Частота оцифровки 512 кГц позволила более достоверно зарегистрировать процесс становления ЭДС переходного процесса в интервале времен 0.002–0.2 мс.

2. В интервале времен с 0.2–100 мс погрешность регистрации процессов становления ЭДС переходного процесса находится в интервале меньше 1%.

3. В поздней стадии регистрации на времени более 100 мс уровень регистрации с частотой оцифровки 512 кГц составляет +1.00е-5 мВ, что значительно лучше уровня регистрации с частотой 100 кГц (5.00е-5 мВ). Уровни сигналов нормированы на силу тока и приведены к значениям 1 А.

Заключение

По итогам выполнения научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ получены следующие основные результаты:

Изготовлено пять опытных образцов модульных регистраторов «Байкал 512».

Разработан программный комплекс сбора и обработки полевых измерений.

Проведены натурные испытаний опытного образца «Байкал 512» на полигоне в Чуйской впадине в зоне многолетних мониторинговых измерений (пикет ПК 134), показавшие его высокую эффективность.