Уровень помех

Реферат

Уровень помех

Любое наблюдаемое геофизическое поле является суммой полезного сигнала и помехи (шума). Под помехами понимаются все факторы, которые осложняют производство измерений геофизического поля и интерпретацию получаемых данных. Различают активные помехи (блуждающие токи, микросейсмы, временные вариации поля и др.) и пассивные помехи (неоднородность перекрывающих пород, рельеф, влияние посторонних объектов как естественных, так и искусственных и т. п.). Первые обусловливают появление в той или иной степени заметных ошибок измерений, накладывающихся на инструментальные погрешности и зависящих от чувствительности применяемой аппаратуры. Вторые дают дополнительные поля, искажающие поле искомого объекта.

В сейсморазведке наблюдается много различных случайных помех: микросейсмы, возникающие от ряда неконтролируемых причин (ветра, производственной: деятельности человека и т. п.), рассеяния энергии колебаний вблизи поверхности, геологические неоднородности, изменения в зоне малых скоростей. В подземной сейсморазведке помехи возникают за счет реверберации при наличии по соседству отработанных камер большого объема, волноводных свойств выработок, и т. д.

Случайные помехи в гравиразведке и магниторазведке весьма разнообразны. Это прежде всего помехи естественного происхождения: неоднородность и изменение физических свойств пород верхней части разреза; неровности рельефа; короткопериодные возмущения измеряемого поля; неточность плановой и высотной привязки сети наблюдений и т. п.

В электроразведке помехи часто обусловлены изменениями сопротивлений пород как по площади, так и по глубине за счет незначительных вариаций в их литологическом и фациальном составе, степени обводнённости и минерализации подземных вод, неоднородности рыхлых отложений и т. п. Кроме того, на результаты изменений в методах электроразведки оказывают влияние токи в Земле естественного и искусственного происхождения (теллурические, индустриальные и др.).

На метод ВП большое влияние оказывают низкочастотные составляющие теллурического поля, а также непостоянные во времени естественные электрические ноля на обнаженных участках, интенсивность которых может изменяться на несколько милливольт в течение 2-3 мин. Однако наибольшие искажения данных метода ВП вызывают электрические помехи от промышленных источников. Эти помехи условно разделяются на гармонические, источниками которых являются все установки, работающие на токе промышленной частоты 50 Гц (линии высоковольтных передач, установки трехфазного тока с заземленным нулевым проводом и т.п.), и нестационарные низкочастотные, возникающие в результате утечек с электрофицированных железных дорог и промышленных установок, питаемых постоянным током. Пример гармонической помехи на двух разносах (Ех - вдоль профиля, Еу - перпендикулярно к нему), приведен на рис. 1. Имеет место наличие сигнала частотой 50 Гц, осложненного гармониками 150 Гц и низкочастотной помехой Еу.

Рис. 1. Помехи в методе вызванной поляризации

Интенсивность нестационарных помех во времени непостоянна и быстро ослабевает с возрастанием их частоты и увеличением расстояния от точки измерения до источника. Полное затухание помех обычно происходит на расстоянии 6-12 км от источника. Характер временных изменений интенсивности помех зависит от типа источников, а интенсивность гармонических помех от разноса. Основными резонансными в спектре апериодических частот, искажающими запись кривых ВП являются 0,05; 0,1 и 0,15 Гц.

При гамма-каротаже к аномально большому поглощению гамма-излучения пород и руд приводит влияние обсадных труб и бурового раствора.

Уровень помех, вызванный элементами геолого-геофизического разреза (рыхлые отложения, экранирующие пласты, вмещающие породы, близкие по своим физическим характеристикам к исследуемым объектам), может быть существенно снижен, например, путем выбора оптимальной частоты в методах электроразведки, использующих гармонически изменяющиеся поля, или надлежащих стадий переходного процесса в методах, использующих нестационарные поля, применение оптимальных установок при работе на постоянном токе и т. д. Существенное улучшение отношения полезного сигнала к помехе достигается также за счет приближения источника и приемника поля к искомым объектам. Для этого могут быть использованы подземные выработки и скважины, как уже имеющиеся в данном районе, так и специально пройденные (подземная геофизика).

Когда помехи связаны с наличием посторонних физических полей (блуждающие токи, микросейсмы и др.), их уровень может быть снижен применением таких технических средств, как фильтрация в измерительном тракте, повышение мощности источника поля и т. д. Однако зачастую после проведения соответствующих мероприятий по подавлению помех вероятность выделения полезной аномалии остается очень низкой, а иногда установить влияние исследуемого объекта вообще не удается. Наиболее эффективным в этом случае является применение комплекса геофизических методов, поскольку отношение сигнал/помеха в разных методах различное.

Виды наиболее значимых помех при геофизических исследованиях

Различают помехи геологического и негеологического происхождения.

К помехам геологического происхождения относят влияние перекрывающих и подстилающих пород, рельефа местности, неоднородности свойств вмещающих пород и т. д. Для электроразведки наибольшее значение имеют рыхлые проводящие отложения в верхней части разреза и слои высокого электрического сопротивления (каменная соль, ангидрит, межпластовые интрузии) на глубине, так называемые экраны. Экраны высокого сопротивления являются препятствием для методов электроразведки постоянным током, но проницаемы для методов переменного тока. Подстилающие породы оказывают заметное влияние на данные грави- и магниторазведки. Рельеф влияет на результаты электроразведки и очень сильно усложняет анализ данных гравиразведки. Толщи многолетнемерзлых пород, распространенные во многих районах нашей страны, создают трудности при проведении электро- и сейсморазведки (устройство заземлений, возбуждение упругих полей).

К помехам негеологического происхождения относят временные вариации геофизических полей. В гравиразведке такие вариации вызываются относительными перемещениями Солнца и Луны и считаются предсказуемыми; в магниторазведке — солнечной активностью и ее воздействием на ионосферу Земли, здесь они непредсказуемы и требуют учета. Искусственные электромагнитные поля искажаются вариациями магнитотеллурических полей, связанных с солнечной активностью, и блуждающих токов техногенного происхождения, а также вариациями полей грозовых разрядов. Для большинства методов электроразведки это — поля-помехи, которые надо подавить или учесть. Однако в некоторых методах электроразведки используют физические поля помех с целью получения полезной геологической информации. Приведенные факты подчеркивают относительность понятия помехи.

В геофизике все более заметными становятся помехи, порождаемые деятельностью человека. Сейсмическая вибрация, блуждающие электрические токи, железные предметы в земле и на ее поверхности, подземные горные выработки, техногенные температурные аномалии нередко оказывают заметное влияние на качество геофизических измерений, а в некоторых случаях делают такие работы невозможными. Борьбу с помехами ведут либо методическими приемами, либо аппаратными средствами.

К помехам также относят и погрешности измерений. Их делят на три категории; систематические, случайные и грубые (промахи). Систематические погрешности обусловлены недостатками конструкции прибора или несовершенной методикой измерений и могут быть выявлены путем периодических поверок и устранены введением поправок (например, поправкой за сползание нуль-пункта прибора в гравиразведке). На случайные погрешности влияет множество причин, учесть и устранить которые не представляется возможным. Но влияние случайных погрешностей можно уменьшить статистическими приемами обработки.

Влияние рельефа местности проявляется не только в появлении аномалий, обусловленных непосредственно самим рельефом, но и в искажении аномалий от искомых геологических объектов. То есть в условиях сложного рельефа «не работают» привычные понятия качественной интерпретации, согласно которым число и местонахождение аномалий соответствуют числу и местонахождению объектов геологического характера.

Например, если дайка основных пород в виде тонкого вертикального пласта залегает под вершиной хребта, то магнитная аномалия раздваивается, что может создать ошибочное представление о наличии двух намагниченных тел (рис. 2а). Залежь с круговым сечением, которой уподобляются некоторые хромитовые тела, располагаясь внутри возвышенности с вертикальными склонами (рис. 2б), создает аномалию g очень сложной формы с четырьмя дополнительными экстремумами.

Рис. 2. Искажение геофизических аномалий за счет влияния дневного рельефа местности.

а — магнитное поле над бесконечным по глубине вертикальным тонким пластом;

б — гравитационное поле лад залежью кругового сечения

Влияние рельефа на данные аэромагнитной съемки показано на рис. 3. Корреляционная связь между магнитным полем и абсолютной высотой местности имеет нелинейный характер, а относительное изменение магнитного, поля, обусловленное рельефом, составляет 1—1,5 мЭ.

Гравитационный эффект рельефа дневной поверхности в пересеченной местности составляет несколько миллигал, а в горных районах (например, Кавказ) может достигать 40—50 мгал при горизонтальном градиенте до 20 мгал/км. Важное значение при оценке влияния рельефа имеет точность плановой и высотной привязки пунктов измерений. Расчеты на теоретических и практических моделях показали, что при погрешности определения высот ±10 м поправки за рельеф в радиусе 2 км составляют около 1 мгала. При погрешности определения g в 2-3 мгала, необходимо определить высоты с погрешностью 2-3 м.

Для высокогорных областей ошибка плановой привязки в 20-25 м даже при постоянной высоте пункта приводит к изменению поправки за рельеф на 0,3-0,4 мгала.

Особенно сильно влияние рельефа проявляется при измерениях вторых производных гравитационного потенциала. При подземных измерениях вторых производных наибольшее влияние на результаты кроме дневного рельефа, соседних выработок, пустых камер, зон обрушения и т. п. оказывают выработка, в которой проводятся наблюдения, и неровности ее стен.

Рнс. 3. Влияние рельефа на результаты аэромагнитной съемки.

1 - поле T, обусловленное рельефом, 2 - исправленная кривая T, 3 - линия полёта вертолета, 4 - контуры интрузивных пород

В методе сопротивлений появление аномалий от рельефа обусловлено в основном укорочением разносов против расчётных. При производстве профилирования вкрест простирания горизонталей рельефа (часто совпадающего с простиранием структур) поднятия (хребты) отражаются на графиках пониженными значениями к, а впадины (долины) — повышенными значениями к (рис. 4) .

Рнс. 4. Кривые к симметричного профилирования над хребтом (а) и долиной (б).

Влияние рельефа местности на изменение аномальности поля в методе ВП можно видеть по результатам модельных работ (рис. 5). Неровности рельефа моделировались трехгранной призмой. Моделью поляризующегося объекта служил графитовый стержень. Измерения проводились по схеме срединного градиента. Приведенные данные показывают, что влияние рельефа местности выражается в изменении интенсивности, формы и положения аномалий к.

Рис. 5. Результаты модельных работ, иллюстрирующие влияние рельефа на данные метода ВП (вертикальная модель).

Кривые к: 1 - под хребтом, 2 - под горизонтальной поверхностью, 3 - под долиной

На рис. 6 приведены графики составляющих Нх и Hz магнитного поля по профилю, пересекающему хребет, сложенный песчаными и кварцит-серицитовыми породами. Влияние рельефа проявляется за несколько сотен метров от точки перегиба по признаку увеличения горизонтального и убывания вертикального полей. Переход через хребет отмечается аномалией, характерной для линейного проводника. Расстояние между экстремумами кривых Нх и Нz на сверхдлинных волнах (f = 16 кГц) составляет сотни метров. На волнах вещательного диапазона (f = 270 кГц) влияние рельефа проявляется более резко. Смещение экстремумов Нх и Нz является диагностическим признаком.

Рис. 6. Влияние рельефа на графики составляющих Нх и Нz электромагнитного поля.

В сейсморазведке неровные формы рельефа приводят к искажению годографов на величину времени tp, которое определяется по формуле:

tp = h/v,

где h - расстояние по вертикали от действительной точки стояния сейсмоприемника до линии приведения средней линии рельефа; v - скорость распространения упругих колебаний в породах. Если сейсмоприемник расположен выше линии приведения, то знак tp отрицательный, если он находится ниже ее, то знак положительный.

Временные вариации геофизических полей. К этим вариациям относятся:

1. Суточные магнитные вариации и магнитные бури, интенсивность которых значительно возрастает по мере приближения к магнитным полюсам (рис. 7).

Рис. 7. Среднесуточные вариации геомагнитного поля за июнь (1) и декабрь (2).

1. Теллурические токи - естественные электрические токи нестационарного режима, которые отличаются широким частотным спектром и изменяются во времени как по величине (от 0,1 мВ/км до 1 В/км и более в периоды магнитных бурь), так и по направлению поляризации вектора ТТ. Эти вариации охватывают широкий спектр частот: от вековых до вариаций с периодом долей секунды и представляют серьезную помеху, естественного происхождения для проведения измерений по методу сопротивлении и ВП.

1. Блуждающие токи индустриального происхождения (электрофицированные железные дороги, сварочные агрегаты, и другие промышленные установки). Эти помехи особенно интенсивны на действующих рудниках, где они обусловлены работой электровозов и моторов лебедок. Наблюдаются очень резкие по форме (в виде сплошной «пилы») вариации. На фоне высокого уровня помех, как правило, наблюдается непериодическое возрастание разности потенциалов, совпадающее обычно с моментом приближения электровоза к участку измерений или включением других электродвигателей (рис. 8).

Рис. 8. Разность потенциалов промышленных электрических помех в подземной горной выработке, записанная за 4 мин.

1. Уровни временных вариаций поля навигационных радиостанций (вариант метода РадиоКип - СДВР). Эти вариации зависят не только от состояния ионосферы в момент регистрации напряженности поля, но и от свойств земной трассы, вдоль которой распространяется сигнал. Колебания поля днем незначительны, ночью они увеличиваются. Сезонные вариации подобны изменениям поля в течение дня (график слева на рис.9а). Иной вид имеют вариации ноля во времени для трасс, проходящих в полярных районах. Вариационные кривые заметно изменяются даже в летние месяцы. Для поля станции, удаленной на расстояние 6200 км от точки наблюдения, в июле и августе характерны небольшие вариации. Однако, в сентябре, с окончанием полярного дня, с 16 до 24 ч появляется сильное поле (график справа на рис. 9б).

Рис. 9. Напряженность поля сверхдлинноволновых радиостанций в центральных (а) и приполярных (б) районах

Наблюдения проведены в1964 г 1) 8-9 июля, 2) 6-7 августа, 3) 6-7 сентября

1. Временные вариации в гравиразведке. Влияние этих вариаций связано с лунно-солнечными притяжениями, которые периодически колеблются в соответствии с изменением зенитных углов Луны и Солнца. Максимальная величина вариаций может достигать 0,15 мгала, что уже соизмеримо, например, с гравитационными аномалиями от рудных тел (рис. 10).

Рис. 10. Изменение гравитационного поля за счет действия Луны и Солнца.

Помехи от искусственных объектов.

В гравиразведке с помехами от искусственных объектов чаще всего приходится встречаться при проведении подземных исследований в горных выработках, скважинах, а иногда и при наземных съемках, если они, например, проводятся в пределах рудных полей разрабатываемых месторождений. К таким искусственным объектам, создающим своеобразный фон помех, можно отнести находящиеся поблизости от пунктов наблюдений пустые камеры, горные выработки и зоны обрушения пород.

В электроразведке искусственными проводниками, создающими помехи, являются трубопроводы и кабели, силовые и телефонные линии и т. д. Например, при измерении напряженности полей радиовещательных станций в местах наличия высоковольтных линий влияние подземных неоднородностей становится менее заметным и интерпретация данных весьма затрудняется. Влияние искусственных проводников усугубляется еще и тем, что между их полями и полями подземных геологических неоднородностей почти всегда существует сдвиг фаз (рис. 11).

Рис. 11. Аномальные поля радиовещательной станции.

а - профиль под высоковольтной линией; б - профиль, секущий высоковольтную линию и подземную электрическую ось; 1 - Нх; 2 – Ну; 3 Нz; 4 - электрическая ось

Следует иметь в виду двойственный характер понятия сигнал/помеха. Так, при решении региональных задач локальные неоднородности являютея источником помех, что обусловливает необходимость сглаживания наблюдаемых полей, т. е. подавления их высокочастотных составляющих. И, наоборот, в целях выделения относительно небольших до площади аномалий, отвечающих, например, рудным телам, нужно снимать региональный фон, создающий низкочастотные гармоники поля. Или другой пример. Известно, что блуждающие токи; индустриального происхождения при электроразведочных работах методом сопротивлений осложняют проведение наблюдений и снижают их точность. С другой стороны, эти же токи могут быть использованы для локализации зон повышенной электропроводности (тектонические разломы, рудные тела). В большой степени это относится к теллурическим токам, которые являются помехой для электроразведки постоянным током и одновременно служат физической основой весьма эффективных методов структурной и рудной электроразведки (ТТ, МТЗ, МТП и др.). В настоящее время вариации и других полей используются как источники ценной информации, в том числе и геологического характера. Такое положение занимают поля удаленных гроз, исследование которых составляет сущность широко распространенного за рубежом метода АФМАГ.

Для подавления помех часто используют технические средства: переход от постоянного тока к гармоническим низкочастотным полям в методах сопротивлений и вызванной поляризации; заземление искусственных проводников в методе радиоволнового просвечивания; увеличение мощности взрывов в сейсморазведке или группирование сейсмоприемников и т. п. Широко распространены также способы введения поправок за искажающие влияния рельефа, временных вариаций поля и др. Универсальное применение находят различные способы математической и физической фильтрации с использованием аппарата статистической обработки исходных данных, а также направленного возбуждения геофизических полей и направленного приёма его составляющих.

Литература

1. Аполлонский, С.М. Теоретические основы электротехники. Электромагнитное поле: Учебное пособие / С.М. Аполлонский. - СПб.: Лань, 2012. - 592 c.

2. Башарин, С.А. Теоретические основы электротехники: Теория электрических цепей и электромагнитного поля: Учебное пособие для студ. высш. учеб. заведений / С.А. Башарин, В.В. Федоров. - М.: ИЦ Академия, 2010. - 368 c.

3. Бессонов, Л.А. Теоретические основы электротехники. Электрические цепи: Учебник для бакалавров / Л.А. Бессонов. - М.: Юрайт, 2013. - 701 c.

4. Буртаев, Ю.В. Теоретические основы электротехники: Учебник / Ю.В. Буртаев, П.Н. Овсянников; Под ред. М.Ю. Зайчик. - М.: ЛИБРОКОМ, 2013. - 552 c.

5. Лоторейчук, Е.А. Теоретические основы электротехники.: Учебник / Е.А. Лоторейчук. - М.: ИД ФОРУМ, НИЦ ИНФРА-М, 2013. - 320 c.

6. Лоторейчук, Е.А. Теоретические основы электротехники.: Учебник / Е.А. Лоторейчук. - М.: ИД ФОРУМ, НИЦ ИНФРА-М, 2013. - 320 c.

7. Прянишников, В.А. Теоретические основы электротехники: Курс лекций / В.А. Прянишников. - СПб.: КОРОНА-принт, 2012. - 368 c.

8. Ярочкина, Г.В. Основы электротехники: Учебное пособие для учреждений нач. проф. образования / Г.В. Ярочкина. - М.: ИЦ Академия, 2013. - 240 c.

Уровень помех