6Окт, 2022
Мобильный комплекс на базе регистратора “Байкал-8”
В работах посвященных развитию метода инженерно-сейсмического мониторинга, разработанного в ФИЦ ЕГС РАН [Селезнев и др.,2012], и основанного на результатах исследований по изучению динамических воздействий, возникающих при работе крупного промышленного оборудования [Лисейкин и др.,2016,2017,2019], был разработан способ мониторинга технического состояния сооружений, основанный на слежении за изменением его собственных частот и способ осуществления дистанционного контроля над вибрационным состоянием промышленного оборудования по данным, полученным с сейсмических станций, удаленных на несколько километров от объекта исследования.
Полученные результаты привели к идее создания комплекса инженерно-сейсмологического мониторинга в Новосибирске. Было принято решение о реализации под Новосибирским Академгородком сети сейсмических наблюдений, направленной на выделение и изучение монохроматических сигналов от различных техногенных источников, расположенных на территории города Новосибирска для проведения дистанционного инженерно-сейсмологического мониторинга (контроля) потенциально опасных объектов и особо важных инженерно-технических сооружений, зданий, расположенных на территории города Новосибирска (и части Новосибирской области). В планы входило создание системы предупреждения техногенных аварий через своевременную передачу информации о состоянии контролируемых объектов органам исполнительной власти, территориальным органам МЧС, органам Ростехнадзора.
Новосибирск и все крупные города в сейсмическом отношении можно представить как большое количество работающих монохроматических или изменяющихся во времени по частоте источников сейсмических колебаний: это различные механизмы (двигатели, турбины, генераторы, агрегаты, крупные промышленные установки и пр.). Все здания и сооружения (плотины, мосты, высотные здания и пр.) также являются источниками сейсмических волн на частотах, равных собственным частотам колебаний. Основная опасность возникает при совпадении собственных частот зданий и сооружений с частотами, излучаемыми различными механизмами и установками, тогда возникает риск резонансных возбуждений и образуются такие колебания, которые могут приводить к обрушениям конструкций, крупным техногенным авариям и прочим подобным катастрофам с человеческими жертвами.
Кроме того, посредством сейсмической сети наблюдении становится возможным дистанционное техническое обследование ответственных зданий и сооружений, это новый и наиболее эффективный способ слежения за изменением их физического (технического) состояния через контроль их собственных частот с большого расстояния от обследуемого объекта. Он позволяет дистанционно (и потому не затратно) следить за динамикой собственных частот зданий и сооружений, на ранней стадии выявлять их отклонения, и уже после обнаружения изменений в амплитудно-частотных характеристиках излучаемого объектом сигнала на месте проводить дальнейшее детальное (более дорогостоящее) обследование объекта традиционными методами или сейсмометрическими, включая метод стоячих волн, разработанный и запатентованный ФИЦ ЕГС РАН, и таким образом локализовывать места изменения напряжённо-деформационного состояния строительных конструкций, диагностировать их предельное состояние, усталостные явления в материале, наклоны (крены) и иные характеристики безопасности зданий и сооружений, благодаря чему выявлять аварийные участки и узлы, и предотвращать их разрушение.
На сегодняшний день существуют обширный выбор систем мониторинга инженерных конструкций, основывающихся на применении визуальных, геодезических, сейсмологических и т.п. подходах (ГОСТ Р 22.1.12–2005, ГОСТ Р 22.1.14-2013, 2019) и пригодный для решения вышеописанных задач. Наиболее известные организации специализирующиеся на производстве данных систем в России это ООО «ЭТМС»(ZetLab), Güralp Systems Ltd., ООО «НТП «Горизонт», ООО “МОНСОЛ РУС” и другие, но стоимость их услуг достаточно высока.
Ввиду вышесказанного, для реализации поставленных задач, в СЕФ ФИЦ ЕГС РАН было решено разработать недорогой и компактный комплект сейсмического оборудования, комплекса онлайн передачи данных и программного обеспечения.
1. Комплекс онлайн-передачи данных
Современные технологии развития цифровых сетей связи и сейсмических регистраторов дают возможность реализовать передачу сейсмических данных с места их записи на сервер СЕФ ФИЦ ЕГС РАН в режиме реального времени.
Специалистами филиала разработаны программное обеспечение и аппаратная конфигурация мобильного комплекса (далее – Комплекс), позволяющего получать на удаленном сервере записи сейсмических сигналов от входящей в его состав сейсмостанции в формате miniSeed, посредством коммуникационной среды Интернет и сетевой инфраструктуры организации. Реализованное решение является малогабаритным, для его функционирования требуется подключение к электросети и обеспечение доступа в Интернет (проводное, или через стандартный модем оператора связи).
Принципиальная схема Комплекса приведена на рис. 1.
Рис. 1. Архитектура разработанного Комплекса
Аппаратная часть Комплекса, устанавливаемая непосредственно в точке регистрации, состоит из следующих компонент:
- сейсмического датчика (используется GD-4.5, или GD-10);
- регистратор Байкал-8 – сетевой мобильный 6-ти канальный регистратор с высококачественным аналого-цифровым трактом с записью и передачей данных в составе проводных и беспроводных сетей Ethernet. Предназначен для построения стационарных или быстроразвёртываемых мобильных сетей наблюдений [Байкал-8, технические характеристики] (рис. 2)
- микрокомпьютера Raspberry Pi; (рис. 3)
- роутера для организации локальной сети и доступа в интернет.
Рис. 2. Регистратор «Байкал-8»
Использование универсального роутера позволяет получить доступ к сети передачи данных через любое возможное подключение – DSL, Ethernet или модем доступного оператора связи, без нарушения внутренней организации локальной сети (регистратор и микрокомпьютер), что обеспечивает мобильность Комплекса. Следует дополнительно отметить, что с одним роутером могут одновременно работать несколько регистраторов и микрокомпьютеров, при необходимости.
Микрокомпьютер Raspberry Pi работает под управлением ОС Seismobian, разработанной на базе стандартного дистрибутива Linux (RaspiOS). В операционную систему включены средства, позволяющие:
- организовать туннель (VPN) между микрокомпьютером и центром сбора данных;
- проводить сбор данных с регистратора;
- обеспечивать временное (циклическое) хранение собранных данных во внутренней памяти;
- по запросу основного сервера VPN передавать накопленные данные в центр сбора данных.
Рис. 3. Микрокомпьютер Raspberry Pi
Использование стандартного решения позволяет, в случае необходимости, осуществить быструю замену вышедшего из строя оборудования. На рис. 4 представлен аппаратная часть комплекса в сборе
Рис. 4. Пример Аппаратной части комплекса
В нормальном режиме (при условии непрерывной связи с основным сервером) сейсмические данные передаются с задержкой в 1-2 с, что позволяет считать Комплекс работающим в режиме реального времени. При возникновении проблем с каналом передачи данных, информация буферизируется и после восстановления соединения вновь передается в основное хранилище данных.
Основной сервер VPN, так же выполняющий роль центра сбора данных, установлен в серверном помещении СЕФ ФИЦ ЕГС РАН (совместно с АСФ ФИЦ ЕГС РАН) и построен на базе системного блока под управлением ОС Linux. Сервер обеспечивает непрерывный опрос микрокомпьютеров, доступных в туннелях VPN по протоколу seedlink, и формирует файловую структуру данных, полученных с сейсмостанций, в формате miniseed.
Доступ к серверу и запрос данных возможны как с помощью ПО Seisgram2K (для получения волновых форм в режиме реального времени), так и стандартными средствами протокола SMB для изучения архивных данных
Особенностью комплекса является возможность удаленно проводить настройки микрокомпьютера и регистратора.
Следует отметить, что доступ к данным разрешен только авторизованным пользователям, в рамках протокола OpenVPN, что позволяет обеспечить необходимый уровень безопасности при удаленной работе специалистов организации.
На сервере организован специальный web-сервис, который позволяет отслеживать поступление данных (задержки буферизации и актуальность информации) в режиме реального времени (рис. 5).
Рис. 5. Монитор слежения доступности подключенных станций
В течение двух последних лет СЕФ ФИЦ ЕГС РАН осуществил закупку восьми новых комплектов оборудования для мобильных Комплексов, интегрировал на сервер сбора информации станции из Камчатского филиала, приступил к сотрудничеству с ИВМиМГ СО РАН для регистрации данных со скважины этой организации (табл. 1).
Таблица 1. Описание сейсмических станций на сервере сбора информации.
|
№ п/п |
Название |
Место установки, принадлежность и назначение |
|
1 |
BSTK |
НСО, полигон «Быстровка», АСФ ФИЦ ЕГС РАН, мониторинг НГЭС |
|
2 |
ETLN |
г. Новосибирск, СЕФ ФИЦ ЕГС РАН, мониторинг здания |
|
3 |
IMVG |
г. Норильск, Дворец культуры ПАО «Норникель», СЕФ ФИЦ ЕГС РАН, мониторинг здания |
|
4 |
KLCH |
НСО, сейсмостанция «Ключи», СЕФ ФИЦ ЕГС РАН, мониторинг сооружения |
|
5 |
KZBS |
г. Междуреченск, ВГП шахты «Распадская-Коксовая», СЕФ ФИЦ ЕГС РАН, мониторинг оборудования |
|
6 |
MKSB |
г. Новосибирск, скважина ИВМиМГ СО РАН, ИВМиМГ СО РАН, наблюдение |
|
7 |
RSPD |
г. Междуреченск, ВГП шахты «Распадская-Коксовая», СЕФ ФИЦ ЕГС РАН, мониторинг оборудования |
|
8 |
SFGS |
г. Междуреченск, ВГП шахты «Распадская-Коксовая», СЕФ ФИЦ ЕГС РАН, мониторинг оборудования |
|
9 |
SVSH |
г. Новосибирск, СЕФ ФИЦ ЕГС РАН, мониторинг здания |
|
10 |
UNVR |
г. Новосибирск, СЕФ ФИЦ ЕГС РАН, мониторинг здания |
|
11 |
AD355 |
г. Петропавловск-Камчатский, КФ ФИЦ ЕГС РАН, мониторинг здания |
|
12 |
ADM |
г. Петропавловск-Камчатский, КФ ФИЦ ЕГС РАН, мониторинг здания |
|
13 |
AX355 |
г. Петропавловск-Камчатский, КФ ФИЦ ЕГС РАН, мониторинг здания |
|
14 |
AY355 |
г. Петропавловск-Камчатский, КФ ФИЦ ЕГС РАН, мониторинг здания |
|
15 |
AZ355 |
г. Петропавловск-Камчатский, КФ ФИЦ ЕГС РАН, мониторинг здания |
|
16 |
IVS |
г. Петропавловск-Камчатский, КФ ФИЦ ЕГС РАН, мониторинг здания |
В качестве программы для анализа спектров сейсмических данных использована программа SpectrumSeism [Селезнев и др, 2021]. Программа позволяет создавать 2D-спектрограммы, а также спектры на указанной трассе. Для пользователя доступен набор инструментов для изучения спектральных особенностей данных, включая расширенные режимы визуализации и экспорта для дальнейшей работы со сторонним программным обеспечением. Поддерживаются следующие форматы данных: miniSeed, vibr2, Роса и Байкал. Благодаря использованию современных алгоритмов, реализована возможность быстрого анализа зависимости амплитуды частоты от времени, с любой заданной точностью, позволяющим обрабатывать большие объемы данных в режиме реального времени.
2. Результаты работы комплекса
2.1 Мониторинг вращательных механизмов
В результате анализа данных, зарегистрированных комплексом во время мониторинга работы главной нагнетательной вентиляционной установки шахты «Распадская – Коксовая» (рис.6), определены основные характеристики колебаний, связанных с их работой [Громыко и др, 2021]. Колебания имеют вид монохроматических колебаний с постоянными частотами, кратными оборотной частоте вращения установки (12.5 Гц оборотная частота), у которых абсолютные значения амплитуд различаются(рис.7).
Рис. 6. Главная нагнетательная вентиляционная установка шахты «Распадская – Коксовая»
Рис. 7. Спектры записи в точке наблюдения возле ВУ-1, в период её работы
Создана новая методика обработки и анализа регистрируемых трехкомпонентных колебаний, основанная на интерпретации пересчитанных в сферическую систему координат параметров R, θ и φ. Показано, что с изменениями различных факторов, влияющих на работу вентиляционной установки (давление, режимы работ, поток воздуха и т.д.) происходит изменение данных параметров и их стабилизация на определенном уровне, что дает возможность, набрав статистику, создать систему контроля состояния любого вращающегося оборудования.
На рис.8 показан пример графика колебаний на оборотной частоте, зарегистрированных в точке наблюдения во время переходных процессов включения-отключения вентиляционных установок. Из графиков видно, что со временем происходит процесс стабилизации в плоскости θ-φ, где колебания фокусируются в определенные зоны. Колебания стабилизируются через примерно 6 часов в областях θ ~ 60-90o, φ ~ 5-20o. Набрав вышеописанным способом статистические данные, характеризующие стабильную работу вентиляционных установок, можно выдвинуть критерии для прогнозирования неисправностей в механизмах или потенциально опасных для работающего оборудования ситуаций.
Рис. 8. Графики изменения амплитуд колебаний на частотах, кратных оборотной частоте вентиляционной установки, зарегистрированных комплексом., Z-компонента
2.2 Удаленный мониторинг техногенных источников
В результате анализа данных, зарегистрированных комплексом, установленном в посёлке Каменушка, удалось выделить техногенные колебания, вызванные гидроэлектростанцией НГЭС на удалении 16 км [Коковкин И.В. и др., 2021]. Полученные данные сопоставлялись с результатами регистрации сейсмической станции НГЭС (NHES) Алтае-Саянского филиала ФИЦ ЕГС РАН, расположенной вблизи от Новосибирской ГЭС (500 м). Станция «NHES» оснащена трехкомпонентным широкополосным высокочувствительным сейсмометром «Guralp CMG-3ESPCD». Ориентация осей соответствует станции Ключи. Схема расположения сейсмостанций и НГЭС представлена на рис. 9.
Рис. 9. Схема расположения сейсмостанций KLCH
В качестве изучаемого сигнала рассматривались колебания на лопастной частоте семи гидроагрегатов НГЭС мощностью 70 МВт, включающих в себя вертикальные поворотно-лопастные турбины ПЛ 30-В-800 и гидрогенераторы СВ 1343/140-96 УХЛ4. Оборотная частота порядка 1.04 Гц, При учете, что турбина включает в себя пять лопастей, лопастная частота равна 5.21 Гц.
На рис. 10 представлены спектры сигналов, зарегистрированных на сейсмостанциях НГЭС и Ключи. Из рисунка видно, что в спектрах присутствует монохроматический сигнал с частотой 5.2 Гц. На станции НГЭС, ввиду её малой удаленности, исследуемый сигнал имеет наиболее высокие значения. Также в спектре видны кратные для оборотной (1.04 Гц) частоты.
Рис. 10. Графики усредненного спектра сейсмической записи зарегистрированной на (а) сейсмостанции НГЭС и на (б) сейсмостанции Ключи. Z-компонента
На рис. 11 представлены графики изменения амплитуд Z-компоненты колебаний на частоте 5.2 Гц, полученные с записей сейсмостанции НГЭС (синий) и Ключи (оранжевый), в период с 15 по 22 января 2021 г. Наблюдается хорошая корреляция между сигналами с двух станций, несмотря на отличие по амплитуде более чем в 40 раз. Следовательно, можно сделать вывод, что даже на расстоянии 16 км возможно отслеживать режимы работы оборудования на ГЭС.
Рис. 11. Графики изменения амплитуд колебаний на частоте 5.2 Гц, полученные на сейсмостанции НГЭС (синий) и Ключи (оранжевый) с 15 по 22 января 2021 г. Z-компонента
2.3 Мониторинг технического состояния сооружений
Как упоминалось ранее все здания и сооружения (плотины, мосты, высотные здания и пр.) также являются источниками сейсмических волн на частотах, равных собственным частотам колебаний. Изменение значения собственных частот колебаний может служить признаком развивающихся в сооружении деформационных процессов и служить критерием для оценки их технического состояния [Громыко и др.,2017]. Для наблюдения за собственными частотами сооружений в г. Новосибирске было установлено несколько точек наблюдений (см. табл.1). В результате анализа данных, зарегистрированных комплексом, установленном с различных типах домов в г. Новосибирск определено, что изменение температуры окружающей среды приводит к изменению значения собственных частот колебаний сооружений. Причем рост температуры окружающей среды приводит к увеличению значений частоты собственных колебаний, а снижение температуры к уменьшению значений.
На рис. 12 показано здание по адресу ул. Пирогова, 28 в котором установлен пункт наблюдения комплекса. Ранее было проведено исследование здания по адресу ул. Пирогова, 28 методом стоячих волн [Еманов А.Ф и др., 2002], результатом которого стало определение частот его собственных колебаний. В направлении Х (поперек здания) в колебаниях объекта выделяются 4 собственных частоты, отвечающих по порядку с 1-й по 4-ю формам колебаний конструкции (Гц): 1.91; 2.10; 3.19; 5.93, в направлении Y (вдоль здания) в колебаниях здания выделяются 2 собственные частоты: 2.50 Гц и 7.25 Гц.
Рис. 12. Схема наблюдений при регистрации микросейсмических колебаний здания
На рис. 13 приведена спектрограмма X-компонент записи, зарегистрированной на пункте наблюдения, в период с 29.05.2021 по 09.06.2021. На рисунке хорошо видны изменения первых трех мод с течением времени.
Рис. 13. Спектрограмма и изменение собственных частот X-компонент колебаний с записей, зарегистрированных на пункте наблюдений в верхней части жилого 10-ти этажного дома по адресу ул. Пирогова д. 28 (с 29.05.2021 по 09.06.2021)
Полученные изменения значений собственных частот сравнивались с изменением температуры в данный период времени. В качестве данных о температуре выбраны показания метеостанции, установленной в сооружении Института ядерной физики имени Г.И. Будкера СО РАН. Также была проведена оценка схожести полученных собственных колебаний здания и изменений температуры. Для этого использовался коэффициент корреляции Пирсона.
Для 1-й моды колебаний значение r=0.5873; для 2-й моды колебаний значение r=0.7965; для 3-й моды колебаний значение r=0.8083 (рис. 14, 15, соответственно).
Рис. 14. Изменение температуры и значений 1 и 2 мод собственных частот X-компонент колебаний с записей, зарегистрированных на пункте наблюдений, в верхней части жилого 10-ти этажного дома по адресу ул. Пирогова д. 28 в летний период (с 29.05.2021 по 09.06.2021)
.
Рис. 15. Изменение температуры и значений 3 моды собственных частот X-компонент колебаний с записей, зарегистрированных на пункте наблюдений, в верхней части жилого 10-ти этажного дома по адресу ул. Пирогова д. 28 в летний период (с 29.05.2021 по 09.06.2021)
Вероятно, низкие значения коэффициента связаны с тем, что температура окружающей среды меняется гораздо активнее, чем материал исследуемого сооружения. Но можно однозначно утверждать, что температура среды значительно влияет на изменение значений частот собственных колебаний. Причем рост температуры окружающей среды приводит к увеличению значений частоты собственных колебаний, а снижение температуры к уменьшению значений
2.4 Черный ящик / Фиксация моментов аварии
Подобные результаты были получены при анализе данных при детонации, произошедшей в шахте 27.02.2021. На рис.16 представлена спектрограмма и трасса в период сейсмического события, произошедшего в шахтах (детонационный взрыв, по информации сотрудников АО «Распадская-Коксовая») [Громыко и др., 2021]. Видно, что воздействие охватывает практически все частоты. После него меняется амплитудно-частотный состав записи, особенно шум в полосе 23-27 Гц, который заметно увеличился. Какие-то колебания исчезли (например, шум в районе 22 Гц). Рассмотрим подробнее, как изменились колебания на лопастной и оборотной частоте за этот период.
Рис. 16. Спектрограмма (а) и трасса (б) в период сейсмического события, произошедшего в шахте 27.02.2021, Z-компонента
На рис.17 представлен результат обработки сейсмических записей, полученных в пункте наблюдения комплекса 27.02.2021 г., c 13:00 по 16:00 (время местное), зеленые маркеры отображают изменения параметров колебаний на оборотной частоте (12.5 Гц), красные маркеры – на лопастной частоте (100 Гц). Черный маркер отображает параметры колебаний в момент детонации (произошедшей в 14:33:53). Яркие тона соответствуют периоду времени до детонации, блеклые – после.
На рисунках хорошо видно, что изменения значений параметров для колебаний на оборотной частоте (12.5 Гц) довольно низкие: θ изменилась с ~82 o до 84o, с ~72o до 68o. Для колебаний на лопастной частоте (100 Гц) изменения параметров более существенные: θ изменилась с ~33 o до 35o, с ~25o до 50o. Причиной данных изменений может служить изменение давления и/или объема воздуха внутри шахты, вызванное детонацией.
Рис. 17. Результат обработки сейсмических записей, полученных в т.2 27.02.2021 г., c 13:00 по 16:00 во время работы ВУ-2: представлены параметры колебаний на оборотной (зеленые маркеры) и лопастной (красные маркеры) частотах. Яркие тона соответствуют началу, блеклые – окончанию записи. Шаг маркеров 5 секунд.
Выводы
Продемонстрированы возможности программно-аппаратного комплекса. На нескольких примерах показана его пригодность для решения задач удаленного инженерно-сейсмического мониторинга технического состояния объектов. Блочная структура предлагаемого комплекса позволяет легко адаптировать его применение в условиях любых климатических поясов и средств передачи данных. Приведена наиболее универсальная схема подключения, позволяющая подключать разнородные регистраторы, производить передачу через сеть Интернет по протоколу SeedLink, без привязки к провайдеру сети, без обязательного требования публичного IP-адреса на пункте сбора данных.
Литература
Байкал-8, технические характеристики // ООО «Экспас» [сайт]. – URL: http://expas-sib.ru/posts/baykal-8.html (дата обращения 14.08.2022).
ГОСТ Р 22.1.12–2005. (2005). Безопасность в чрезвычайных ситуациях. «Структурированная система мониторинга и управления инженерными системами зданий и сооружений». Общие требования. М., 2005.
ГОСТ Р 22.1.14-2013. (2019). Безопасность в чрезвычайных ситуациях. «Комплексы информационно-вычислительные структурированных систем мониторинга и управления инженерными системами зданий и сооружений. Технические требования. Методы испытаний». Общие требования. М., 2019.
Громыко П.В., Селезнев В.С., Лисейкин А.В., Бах А.А., Красников А.А. Методы инженерно-сейсмического мониторинга целостности конструкции сооружений // Труды Института геологии Дагестанского научного центра РАН. – 2017. – № 70. – С. 59-64.
Громыко П.В. О способе мониторинга состояния вращательных механизмов по данным сейсмических наблюдений // В книге: Современные методы обработки и интерпретации сейсмологических данных. Тезисы XV Международной сейсмологической школы. – Обнинск, ФИЦ ЕГС РАН,2021. – С. 31.
Еманов А.Ф., Селезнёв В.С., Бах А.А., Гриценко С.А., Данилов И.А., Кузьменко А.П., Сабуров В.С., Татьков Г.И. Пересчёт стоячих волн при детальных инженерно-сейсмологических исследованиях. // Геология и геофизика. – 2002. – Т.43, №2. – С.192-207.
Коковкин И.В., Громыко П.В., Брыксин А.А., Селезнев В.С. О возможности удаленного мониторинга работы гидроагрегатов Новосибирской ГЭС по данным сейсмологических наблюдений // Интерэкспо Гео-Сибирь. – 2021. – Т. 2. № 2. – С. 81-89.
Лисейкин А.В., Селезнев В.С., Адилов З.А., Ting-Yu H., Arygianni V. Особенности мониторинга собственных частот плотин гидроэлектростанций (на примере Чиркейской ГЭС) // Российский сейсмологический журнал. 2019. – Т. 1. № 1. – С. 23-34.
Лисейкин А.В., Селезнев В.С., Кречетов Д.В. О мониторинге технического состояния плотины Саяно-Шушенской ГЭС по изменениям ее собственных частот // Гидроэнергетика. Гидротехника. Новые разработки и технологии. Приложение на CD-диске: доклады и выступления на секциях конференции: [Электронный ресурс]. – 2017. – С. 55-60.
Лисейкин А.В., Селезнев В.С., Громыко П.В., Кречетов Д.В. Методика дистанционного контроля над состоянием оборудования и сооружений гидроэлектростанций по данным сейсмических наблюдений // Гидроэлектростанции в XXI веке. Сборник материалов III Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых, специалистов, аспирантов и студентов. – 2016. – С. 80-87.
Лисейкин А.В., Селезнев В.С., Громыко П.В., Кречетов Д.В. О мониторинге оборудования и сооружений крупных ГЭС на основе данных сейсмических наблюдений // Современные методы обработки и интерпретации сейсмологических данных. Материалы XI Международной сейсмологической школы. – Обнинск, ФИЦ ЕГС РАН, 2016. – С. 181-185.
Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2021666241 Российская Федерация. SpectrumSeism : № 2021665611: заявл. 11.10.2021: опубл. 11.10.2021 // В. С. Селезнев, А. В. Лисейкин, Д. Б. Севостьянов, А. А. Брыксин; заявитель Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Федеральный исследовательский центр «Единая геофизическая служба Российской академии наук». – EDN JKKTEX.
Селезнев В.С., Лисейкин А.В., Брыксин А.А. Способ непрерывного мониторинга физического состояния зданий и/или сооружений и устройство для его осуществления: Патент на изобретение РФ, № 2461847 // Бюл. № 26. 20.09.2012
6Окт, 2022
Электроразведочный комплекс “Байкал-512”
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.
6Окт, 2022
Эпицентральная зона Чуйского землетрясения
Применение комплекса электромагнитных методов: зондирований становлением поля (ЗС), вертикальных электрических зондирований (ВЭЗ) позволило значительно уточнить геоэлектрическую модель Чуйской сейсмоактивной области в широком диапазоне глубин. По данным ЗС получены количественные оценки удельного электрического сопротивления (УЭС) и мощности отложений осадочного заполнения, а также УЭС верхней части палеозойского фундамента Чуйской впадины, выявлено разломно-блоковое строение, определено положение разломных нарушений. Подготовлены геоэлектрические материалы для построения подробной неотектонической схемы этой территории. Разработана методика совместной интерпретации данных ЗС и ВЭЗ. Дальнейшее развитие комплексной обработки позволит выяснить соотношение поверхностных и глубинных структур Горного Алтая, что крайне важно для понимания сценария происходящих геодинамических процессов.
Электромагнитный мониторинг. Измерения методом ЗС в режимных точках Чуйской впадины Горного Алтая
Регулярные наблюдения за изменениями УЭС геологического массива методом становления электромагнитного поля (ЗС) с соосными петлями больших размеров (500 х 500 м) выполняются в западной части Чуйской впадины. Пункты этих зондирований расположены на профилях ЗС 80-х годов прошлого столетия с сохранением момента установок предшествующих работ. Измерения начаты в 2004 году после Чуйского землетрясения и продолжаются в настоящее время. Анализ данных мониторинга осуществлялся с учётом особенностей геоэлектрического строения участка измерений.
В 2021 году в западной части Чуйской впадины проведены мониторинговые измерения в девяти регулярных пунктах (рисунок 1) квадратными совмещенными центральными петлями (Q, q). Размеры генераторной петли составляют 500 х 500 м. Размеры приемной петли: 200 х 200 м. Ток в генераторном контуре достигает 25 А.
Рисунок 1 – Схема размещения режимных пунктов в Чуйской впадине Горного Алтая
В ходе проведения работ выполнен запланированный объем полевых наблюдений в девяти режимных пунктах. В каждом из них осуществлялось по шесть циклов измерений, что позволило достичь уровня выделения сигнала порядка 1.0 10-8 В. Кривые ЭДС становления поля, полученные в режимных точках, приведены на рисунке 2.
Рисунок 2 – Кривые ЭДС становления поля в режимных точках
Обработка полевых данных за 2004-2021 годы подтвердила сделанные ранее выводы о происходящих процессах консолидации среды. На рисунке 3 в качестве примера показаны данные, полученные в пункте ЗС 106, за весь интервал измерений. Этот пункт расположен в пределах приподнятого блока фундамента в зоне основного разрыва Чуйского землетрясения. В течение 2011-2021 годов наблюдаются вариации, отражающие афтершоковый процесс (рисунок 3).
а)
б)
Рисунок 3 – Кривые кажущегося удельного сопротивления для ЗС 106 за весь временной интервал измерений
3.5.2 Учет анизотропных свойств геологической среды
В центральной части Чуйской впадины на участке Мухор-Тархата в 2021 году были выполнены ежегодные измерения методом зондирования становлением электромагнитного поля с использованием гальванических и индукционных установок. Применение гальванических установок позволяет определять значения коэффициента электрической анизотропии. Цель исследования 2021 года – получение вариаций электрофизических параметров горных пород (УЭС, коэффициента электрической анизотропии) по данным регулярных измерений методом ЗС на участке Мухор-Тархата для их анализа за весь период измерений (2007-2021 гг.) и оценке влияния происходящих сейсмических событий. На рисунке 4 приведена схема размещения пунктов мониторинга ЗС на участке исследования. Измерения повторяются ежегодно с 2007 года.
Рисунок 4 – Схема размещения режимных пунктов ЗС в районе пос. Мухор-Тархата
Для реализации полевых работ тремя модификациями метода ЗС с гальваническими и индуктивными установками предложена методика измерений. В качестве генераторной конструкции использована заземленная линия АВ длиною 910 м., заземляющими электродами служили обсадные колонны самоизливающихся скважин (скважины 1 и 2). Комплексные измерения выполнялись с использованием следующих установок: а) установка АВ – q (q – приемный одновитковый контур квадратной формы со стороной 200 м); б) установка АВ-MN (MN – заземленная электрическая линия длиной 200 м).
На рисунках 5 и 6 приведены полевые кривые ЭДС 2021 года установки AB-q и AB-MN, которые характеризуют геоэлектрическую модель в каждом пункте ЗС.
Рисунок 5 – Полевые кривые ЭДС 2021 г., установка AB-q
Рисунок 6 – Полевые кривые ЭДС 2021 г., установка AB-MN
Выполнена обработка и интерпретация данных ЗС. На рисунке 7 представлен пример интерпретации данных ЗС1 с соосной установкой, а на рисунках 8 и 9 результат интерпретации ЗС 1 и 4 с установкой AB-MN.
Регулярные наблюдения за вариациями УЭС с установкой «соосные петли» осуществляются в двух пунктах ЗС 1 и 4. Из сопоставления временных рядов продольной проводимости 2-го проводящего слоя разреза с характеристиками сейсмичности получено, что в периоды сейсмических активизаций 2008-2009 гг. и 2012-2013 гг. наблюдалась прямая корреляция изменения продольной проводимости с показателями сейсмической активности.
Рисунок 7 – Пример интерпретации данных ЗС1 с соосной установкой
В результате интерпретация данных ЗС с установкой AB-MN в шести пунктах (ЗС 1, 2, 3, 4, 5, 6) определены значения коэффициента электрической анизотропии для каждого слоя геоэлектрической модели. По результатам интерпретации данных 2007-2021 гг. выделена область (пункты ЗС 1, 2, 5, 6) с максимальными значениями коэффициента электрической анизотропии (λ). Эта область приурочена к зоне разлома, выявленной ранее по результатам площадных измерений методом ЗС с соосной установкой. В 2021 г. значения коэффициента электрической анизотропии в выявленной области в среднем сопоставимы со значениями 2020 г., однако меньше на 10-12%, по сравнению со значениями 2019 года.
Рисунок 8 – Пример интерпретации данных ЗС1 с установкой AB-MN
Рисунок 9 – Пример интерпретации данных ЗС4 с установкой AB-MN
Из сопоставления значений коэффициента анизотропии для выделенной области с показателями сейсмической активности (количество сейсмической энергии и число землетрясений) за период 2014-2019 гг. выявлена их хорошая корреляция (рисунок 10).
Рисунок 10 – Сопоставление значений коэффициента электрической анизотропии с показателями сейсмической активности
Кроме того, максимальные вариации коэффициента электрической анизотропии по данным ЗС 1, 2, 5 и 6, пункты которых расположены в зоне влияние разлома, подтверждают его активность. Следовательно, мониторинг электрофизических параметров в зоне влияния разлома с использованием коэффициента электрической анизотропии позволяет следить за степенью его активности.
Из анализа данных электромагнитного мониторинга 2014-2021 гг. на участке Мухор-Тархата, а также геологических и сейсмологических данных следует, что временные изменения (вариации) анизотропии λ на участке исследования в период 2014-2021 гг. указывают на продолжающийся афтершоковый процесс Чуйского землетрясения 2003 года. Установлено, что вариации коэффициента электрической анизотропии на порядок выше, чем вариации УЭС. Кроме того, значимые вариации λ наблюдаются для первого и третьего горизонтов, в то время как максимальные вариации УЭС получены для второго горизонта, т. е. наблюдается не только разная чувствительность параметров к сейсмическому воздействию, но и каждый из них характеризует свой интервал разреза.
Полученные геоэлектрические характеристики разреза методами ВЭЗ в эпицентральной зоне Чуйского землетрясения
С целью изучения геодинамических процессов, связанных с разрушительным землетрясением 2003 года, в полевом сезоне 2021 года в очередной раз были проведены измерения методом вертикальных электрических зондирований (ВЭЗ) и электротомографии (ЭТ) в районе западной части Чуйской впадины (геодинамический полигон «Бельтир»).
На рисунке 11 приведена схема размещения пунктов ВЭЗ и профилей ЭТ на местности. В 2021 году были выполнены регулярные пункты ВЭЗ: профиль по правому берегу р. Чаган (ВЭЗ № 9-12), круговой ВЭЗ на левом берегу в зоне видимых сейсмических нарушений (ВЭЗ № 13-16), крестовый (ВЭЗ № 17-18), ВЭЗ № 29, а также крестовый (ВЭЗ № 19-20) в зоне отсутствия нарушений. Методом ЭТ выполнены повторные измерения по профилям № 1-3, а также новый профиль № 14
Рисунок 11 – Схема размещения пунктов ВЭЗ и профилей ЭТ в районе села Бельтир
Результаты по данным ВЭЗ
Для полигона «Бельтир» получена пятислойная модель: в самой верхней части присутствуют два маломощных низкоомных слоя, далее мощный слой аномально высокоомных отложений (УЭС более 3000 Ом∙м), прослеживаемый практически на всех кривых ВЭЗ участка, эти породы в соответствии с априорной информацией отнесены к многолетнемерзлым. На опорном геоэлектрическом горизонте (УЭС более 4500 Ом∙м) залегает мощный слой низкоомных пород, скорее всего более тонкослоистых и обводненных.
На рисунке 12 приведен пример полевой кривой ВЭЗ за 2021 год и геоэлектрические модели, полученные по результатам решения обратной задачи в комплексе ZondIP.
На рисунке 13 приведена вариация кривых ВЭЗ (ПК 13) за весь период наблюдений, начиная с 2004 года.
Рисунок 12 – Кривая ВЭЗ номер 10
Рисунок 13 – Кривые ВЭЗ № 13 за все годы измерений
По итогам интерпретации данных ВЭЗ за 2017-2021 гг. была построена трехмерная модель с использованием пакета Zond (рисунок 14).
Рисунок 14 – Трехмерная геоэлектрическая модель по данным ВЭЗ в долине р. Чаган
На рисунке 14 показана трехмерная геоэлектрическая модель, линии профилей и пункты ВЭЗ. Модель характеризует общее строение участка исследования. Верхняя часть разреза неоднородна, хорошо видны зоны распространения многолетнемерзлых пород с УЭС выше 3500 Ом∙м (красная цветовая гамма) и мощный низкоомный горизонт, распространенный по всей площади (оттенки синего и зеленого).
Таким образом, по комплексу данных метода постоянного тока (ВЭЗ) с учетом разломной тектоники в западном замыкании Чуйской впадины, построена трехмерная модель участка исследования (использована адаптированная программа моделирования, инверсии, визуализации Zond). Получены геоэлектрические параметры крупной разломной зоны, разделяющей тектонические блоки. Пополнена база данных.
Уточнено и наглядно представлено строение долины реки Чаган в западном замыкании Чуйской впадины. По данным электротомографии построен геоэлектрический разрез верхней части осадочного чехла до глубин в 75-80 м. На глубинных геоэлектрических разрезах по данным ВЭЗ по резкому изменению мощности осадков в двух соседних пунктах выделено разломное нарушение типа сброса, по которому северо-западный блок был приподнят на 80-100 м относительно юго-восточного. В распределении электропроводности по данным электротомографии это же разломное нарушение соответствует относительно низкоомной зоне, разделяющей более высокоомные участки разреза; оценена ширина разломной зоны, составляющая ~ 110 м.
Электрическая анизотропия разреза была оценена на основе решения обратной задачи. Были рассчитаны коэффициенты электрической анизотропии (λ) за все годы наблюдений после сильного сейсмического события для крестовых ВЭЗ как отношения суммарных продольных проводимостей вдоль и поперек выбранного направления.
Таблица 1 – Коэффициенты анизотропии для кругового ВЭЗ 13-16 в зоне трещин
|
2004 |
2005 |
2006 |
2007 |
2008 |
2009 |
2010 |
2011 |
2012 |
|
|
Λ13-14 |
4.87 |
1.19 |
0.79 |
0.74 |
0.78 |
0.86 |
0.67 |
0.60 |
0.80 |
|
Λ15-16 |
2.04 |
1.05 |
0.90 |
0.94 |
1.06 |
0.90 |
0.81 |
0.96 |
0.86 |
|
2013 |
2014 |
2015 |
2016 |
2017 |
2018 |
2019 |
2020 |
2021 |
|
|
Λ13-14 |
0.67 |
0.62 |
0.66 |
0.74 |
0.91 |
0.84 |
0.77 |
0.84 |
0,86 |
|
Λ15-16 |
1.00 |
0.75 |
0.63 |
0.70 |
0.71 |
0.9 |
0.83 |
0.96 |
1,1 |