Геофизические исследования

Информация о толщинах слоев дорожной конструкции крайне важна для изучения состояния эксплуатируемых автомобильных дорог и оценки соответствия строительства новых. До недавнего времени контроль толщины слоев дорожной конструкции мог осуществляться разрушающим методом бурения или в ходе исполнительной геодезической съемки. С июля 2019 года на территории России начал действовать ГОСТ Р 58349-2019 "Дороги автомобильные общего пользования. Дорожная одежда. Методы измерения толщины слоев дорожной одежды" согласно которому была утверждена методика применения георадиолокационного метода в комплексе с априорным бурением для определения толщины слоев дорожной конструкции. Однако для асфальтобетонов свойственны процессы сегрегации, которые приводят к неоднородности их свойств. Очевидно, что усредненные значения диэлектрической проницаемости слоев дорожной конструкции могут приводить к погрешностям в определении толщины слоев, если объем калибровочного бурения будет недостаточным.

Одним из способов решения указанной задачи является применение метода ОСТ с использованием многоканальной аппаратуры для проведения георадиолокационных исследований.

One of the most important characteristics of any geophysical instrumentation is the penetration depth. Present paper is devoted to description of the approach for estimation of the penetration depth for frequency sounding method. The approach takes into account the accuracy of the instrumentation and geoelectrical model as well. It is more accurate than traditional one that based on skin depth estimation.

The investigations are carried out for two types of target objects for EMI frequency sounding device EMS developed by authors.

Электромагнитные индукционные методы весьма популярны при малоглубинных геофизических изысканиях. В частности, за рубежом они активно используются в экологических, инженерных, археологических и агрокультурных исследованиях. В последние десятилетия был разработан и успешно применяется ряд одночастотных и многочастотных электромагнитных приборов (среди них EM-31, EM-34, EM-38, GEM-2, GEM-3 и т.д.). Не смотря на определенный прогресс в этой области, возможность и эффективность электромагнитных частотных зондирований, выполняемых компактными портативными приборами, являются предметом споров. Основным недостатком таковых приборов принято считать их работу в ближней зоне (при малом значении параметра установки), что обусловлено частотным диапазоном и малым разносом между источником и приемником.

Недавние результаты других исследователей демонстрируют обоснованные возможности

зондирования компактных многочастотных приборов и более жесткие условия малости

индукционных чисел.

Цель настоящего исследования - показать, что компактный многочастотный прибор может 

основном функционировать вне ближней зоны, при больших величинах индукционного числа, а также теоретически оценить зондирующую способность приборов частотного и радиально частотного зондирования на простой слоистой модели.

A geoelectric prospecting test site was constructed within the area of Kluchi geophysical station (Novosibirsk, IPGG SB RAS). The aim of the test site is to study resolution of the near surface geophysical equipment and to improve methodical base of field works. The ten squares of 100 m2 were used test site design, in which 33 targets simulating various real objects were organized. The following objects were laid down: plastic and metal pipes with different length and diameter, aluminum flasks, plastic jerry cans, etc. In the course of our work the distinctive features of every measured component of the signal were identified. Various targets are identified either in real or imaginary components of the signal. The imaginary component describes the position of the test object more clearly. The phase of signal appears to be an efficient way to display the field data. Targets with different shapes and depths can appear

as form of one to five images. It can lead to difficulties connected with the interpretation of this material without prior accumulated methodical information.

The paper presents a modeling of different type of compact EMI sensors response over a local conductive shallow depth targets. The target as well as Tx and Rx coils are approximated by the vertical magnetic dipoles. All the calculations are made under the model of uniform conductive space. Three types of coil configuration are considered. First is semi two coil device with fixed transmitter that carries out the sounding by the changing both the intercoil separation and frequency. The second type is three coil multifrequency sensor with fixed geometry. All the coils in previous configuration are arranged at the same plane. The last new type is multi frequency sensor with the receiver coils that placed at the line inclined to the horizon. A field example is considered as well. The theoretical and practical investigations show that shallow local conductive anomalies produce sophisticated response for compact EMI sensors with spaced coils. It yields from one to four anomalies over one target. The new proposed coil configuration produces the single anomaly.

Frequency domain electromagnetic induction sounding is the full title of the method, hardwared in EMS devices. Hereby presented paper includes material made by two

devices: EMS-2 and EMS-3. EMS3 improvements are the matter of design, power consumption, weight and speed of data acquisition.

The device novelty is the realisation of 3-coils device for swface investigation. Instead of two coils - transmitting and receiving - as in the usual Slingram devices, EMS-3 has one transmitting and two receiving coils that allow to compensate primary field and drastically improves the device features.

EMS was tested at numerous sites in Russia, Italy and Antarctica. Comparison with GEM-300, EM-31, EM-34, georadar and DC resistivity tomography were done; In al1 the cases a good correlation between various instrumentation was obtained; Meanwhile, EMS featured better noise resitance, sensitivity and resolution in addition to the unique feature: ability to visualize data as cross-section and pseudo3D view as wel1 as a map right in the field.

Современные портативные приборы для электромагнитного профилирования и малоглубинного зондирования позволяют изучать распределение удельного электрического сопротивления грунта. К типичным сферам применения подобных комплексов можно отнести: исследование археологических объектов - курганы, древние поселения; решение экологических задач - изучение отвалов и хвостохранилищ горнодобывающих предприятий, зон распространения вредных веществ; локализация инженерных объектов - труб и коммуникаций, исследование состояния дамб и плотин. Перспективной сферой являются объекты агропромышленного комплекса - оценка плодородности почв (распределение минерализации), контроль эффективности мелиорации.

Целью проводимых исследований является разработка и создание переносного программно-аппаратурного комплекса электромагнитного профилирования, позволяющего с высокой достоверностью и точностью обнаруживать и дифференцировать по удельному электрическому сопротивлению объекты различного рода. На основании оригинального принципа компенсации первичного поля генераторной катушки была разработана компактная многочастотная аппаратура для электромагнитного профилирования. В результате прототипирования создана оптимальная конструкция корпуса, позволяющая реализовать данный принцип компенсации. Для эффективного использования аппаратурного комплекса было создано программное обеспечение QZond, позволяющее управлять процессом сбора информации и в режиме реального времени визуализировать полученные данные. Проведенные полевые испытания на известных объектах электрометрического полигона ИНГГ СО РАН, при поиске локальных и протяженных проводников, а также археолого-геофизические исследования показывают эффективность реализации компактной аппаратуры электромагнитного профилирования.

Пpиводятcя pезультаты pазpаботки наземного индукционного пpибоpа для иccледования pаcпpеделения электpопpоводноcти гpунтов в задачаx инженеpной геофизики. Показана пpинципиальная cxема уcтpойcтва, в котоpом pеализованы пpедельные теxничеcкие возможноcти измеpения гаpмоничеcкого cигнала на земной повеpxноcти. Цифpовая pегиcтpация и узкополоcная фильтpация cинxpонного детектиpования позволили получить доcтаточную точноcть измеpения cигнала величиной около 1 мкВ, подавление помеxи пpомышленной чаcтоты более 100 дБ. Дано опиcание пpактичеcкиx методов измеpения теxничеcкиx xаpактеpиcтик электpоpазведочной аппаpатуpы. Обcуждаетcя оценка точноcти pезультатов измеpений.

В работе авторы описывают современное состояние метода электротомографии, выполняют сравнительный анализ существующих аппаратурных комплексов и программного обеспечения для электротомографии на постоянном токе. Приводится сравнительное описание особенностей различных многоэлектродных установок и методики работы с ними. На основе математического моделирования делаются выводы о разрешающей способности измерительных установок.

Авторами излагаются результаты собственной разработки многоэлектродного комплекса "Скала-48". Дается его структурное описание и основные технические характеристики. В качестве полевых примеров приведены результаты работ по неразрушающему контролю гидротехнических сооружений, работ на акваториях и вулканогенных структурах.

Результаты представлены в виде изоповерхностей удельного электрического сопротивления.

Современная геофизика характеризуется бурным развитием и внедрением методов, применимых в различных смежных областях, таких как экология, археология, инженерная геология, гидрогеология, строительство, коммунальное хозяйство и т.п. В частности, в последние два десятилетия получили развитие и внедрение такие методы, как малоглубинное частотное зондирование (МЧЗ) и электротомография (ЭТМ).

На территории стационара ИНГГ СО РАН в п. Ключи был организован геофизический полигон. Целью создания полигона являются отработка методики работ методами электротомографии и малоглубинного частотного зондирования, а также установление зондирующей способности аппаратуры ЭМС.

Теоретические и практические изыскания во многом ориентированы на применение конкретных аппаратурных разработок, реализующих методы МЧЗ и ЭТМ и подробно описанных в отчете по первому этапу реализации проекта. Для придания некоторой автономности настоящему отчету ниже приведены характеристики этих приборов.

Трехкатушечный зонд ЭМС, реализуя метод МЧЗ, осуществляет зондирование на 14ти фиксированных частотах в диапазоне от 2.5 до 250 кГц и имеет фиксированный разнос между катушками 1.5 и 2.5 м.

Электроразведочная станция Скала-48 реализует метод электротомографии, позволяя выполнять измерения методом сопротивлений и вызванной поляризации. Она позволяет подключать многоэлектродные косы с 48 выводами и выполнять измерения томографические измерения с автоматическими коммутациями.

В настоящее время в мировой геофизической практике широко используются приборы для малоглубинных исследований земли (первые метры или десятки метров). В Институте нефтегазовой геологии и геофизики им. А.А. Трофимука СО РАН (г. Новосибирск) ведется разработка аппаратурно-программного комплекса индукционного частотного электромагнитного зондирования (ЭМС). Наземный портативный комплекс ЭМС предназначен для дистанционного исследования

объемного распределения удельной электропроводности верхнего слоя земли на глубинах до 10 метров.

Оперативная обработка данных непосредственно во время полевых измерений существенно повышает эффективность применения аппаратуры. Возможности современных карманных персональных компьютеров (КПК) позволяют решать задачи предварительной обработки, визуализации данных и синхронизации с GPS в реальном времени.

Наличие программной поддержки является необходимым условием для эксплуатации и внедрения аппаратуры ЭМС в качестве аппаратурно-программного комплекса частотного электромагнитного зондирования (ЧЭЗ), а также способствует запуску серийного производства аппаратуры.

В пособии представлены основные и широко распространенные геофизические методы изучения подповерхностной части земной коры, объединенные единой целью - возможностью применения их при решении инженерных и археологических проблем. Дано определение, обоснованы типовые задачи и цели нового научно-прикладного направления разведочной геофизики.

В 2012 году, в соответствии с поставленными в проекте задачами были выполнены полевые и лабораторные исследования разнотипных археологических памятников, относящихся к широкому хронологическому диапазону от неолита до эпохи раннего железного века: поселение Новоильинка-III (Хабарский район Алтайского края), могильники Яшкино, Тартас-1, поселения Венгерово-2, Старый Тартас-5 (Венгеровский район Новосибирской области).

Одной из основных задач проекта на начальном этапе исследований было изучение проблемы контрастности между заполнением археологических объектов и вмещающей

средой.

The paper is devoted to an approach of rapid frequency induction soundings data collection, processing and visualization. Recently developed equipment NEMFIS implementing electromagnetic induction method is briefly described as well as the software that controls the instrument, collects and process the data. The software was developed for mobile operating system based Pocket PC devices. It manages the NEMFIS via wireless Bluetooth' connection, downloads the data and performs real-time processing and visualization (maps, pseudo-sections and diagrams construction). The measured data are synchronized with the coordinates from GPS receiver, that can be wireless external or the Pocket PC integrated. Comparing the traditional approach of survey with prior layout of measuring grid and data post processing the approach presented here has wider capabilities and significantly higher productivity. The paper includes basic formulas for calculating apparent values of conductivity as well as estimation of the depth of investigation. Brief case history of the developed system is presented in the paper.

Present work is devoted to development of mathematical apparatus for calibration, data processing, inversion and visualization of electromagnetic induction sounding device EMS. Mathematical algorithms, results of modeling and its practical use will be presented in the contribution.

The paper is devoted to an approach for calculating an apparent resistivity and a layered earth parameters from transformation and inversion of FEM soundings data. First part of study presents theoretical estimation of the sounding capability of the multifrequency sensor at simple layered earth model. Second part includes processing of the both FEM and DC ERT data sets collected at the same profiles. The results of transformation and 1D layered inversion of frequency soundings comparing to 2D ERT inversion are considered.

The paper is devoted to the brief application feasibility study of three-coils multifrequency sounding device, its advantages in comparison to devices that have two-coils. Influence of initial phase determination error into secondary field measurement accuracy was assessed. The estimation results of penetration depth are presented under the following models: conductive layer with non-conductive bottom half-space and conductive layer in resistive half-space. The estimated depths were compared with depth, conventionally calculated using skin-effect approach. Several cases studies are included to prove the usefulness of multi frequency approach.

The paper presents the results of the implementation and optimization of the algorithm for calculating the direct problem and transformation data of radial frequency sounding. Also shown are the results of its application to different horizontal models in order to obtain the parameters of the equipment produce.

Статья посвящена теоретическому и практическому изучению малоглубинного частотного зондирования с помощью компактных многочастотных приборов. В работе использовалась модель двухслойной среды. Исследование включает в себя оценку параметра установки, а также численное моделирование сигналов с последующей их трансформацией в широком диапазоне рабочих частот и удельных электрических сопротивлений среды (частоты от 1 кГц до 1 МГц; сопротивление от 0.001 Ом-м до 1000 Ом-м; мощность первого слоя 1,2,3,5 м).

Оценка параметра установки показывает, что компактная многочастотная аппаратура работает в основном вне ближней зоны. Результаты трансформации синтетических сигналов, оценка пространственной чувствительности и эффективной глубины свидетельствуют о выраженной зависимости этих параметров от частоты и удельного электрического сопротивления среды. Кроме этого в статье описаны результаты сравнения обработки полевых данных, полученных методами малоглубинного частотного зондирования и электротомографии на одних и тех же профилях. Результаты трансформации и одномерной инверсии данных малоглубинного частотного зондирования достаточно хорошо соответствуют результатам двумерной инверсии данных электротомографии. Проведенные численные и полевые эксперименты подтверждают состоятельность компактных многочастотных приборов в осуществлении частотного зондирования малых глубин.

В настоящее время методы электромагнитного зондирования и профилирования весьма популярны при решении малоглубинных задач и находят широкое применение в таких областях как, например, экология, инженерная геофизика, археология и почвоведение. В последние десятилетия был разработан и успешно применяется ряд одночастотных и многочастотных электромагнитных приборов (среди них EM-31, EM-34, EM-38, производимые компанией Geonics; GEM-2, GEM-3, производимые Aeroquest; CMD - Explorer, производимая GF Instruments и т.д.).

Упомянутые устройства могут быть использованы для поиска локальных проводящих объектов, например, таких как неразорвавшиеся боеприпасы или промышленные отходы. Часть аппаратуры предназначена для зондирования и профилирования, часть только для профилирования. Схема измерения бывает двух- или трехкатушечной, с компенсацией прямого поля. Катушки могут быть либо разнесенными, либо концентрическими. В малоглубинных реализациях первые имеют универсальное предназначение, вторые, как правило, используются только для поиска локальных неоднородностей удельного сопротивления грунта. В настоящей работе рассматриваются разнесенные системы.

Целью исследования является изучение сигнала двух и трехкатушечных реализаций электромагнитной аппаратуры, работающей в частотной области, над локальными проводящими аномалиями.