ГЕОФИЗИКА

УДК 550.837

А. К. Матевосян

Способ обработки результатов площадных электроразведочных
измерений при нерегулярной сети пунктов наблюдений

(Представлено академиком Р. Т. Джрбашяном 7/VIII 2001)

   Настоящая статья является логическим продолжением работы [1], в которой оценена погрешность площадных электроразведочных исследований (контактным способом регистрации) [2-4], связанная с точностью установления пунктов наблюдений, и c целью повышения их эффективности обоснована необходимость разработки методики таких исследований при нерегулярной сети пунктов наблюдений. В данной работе рассмотрена возможность использования нерегулярной (произвольной) сети пунктов наблюдений при площадных электроразведочных исследованиях и на примерах разнотипных геоэлектрических моделей показана эффективность предлагаемого способа регистрации и преобразования (трансформации) первичного и вторичного электрических полей (методами сопротивлений и ВП).
   Для осуществления поставленной задачи вычислены основные интерпретируемые параметры кажущегося сопротивления rS (rSmax,rSmin,rSmed =
, rSrel = rSmax/rSmin, здесь rSmax,rSmin - главные (экстремальные) значения rS ) и кажущейся поляризуемости hS (аналогично rS) при исследовании методами сопротивлений и вызванной поляризации многоэлектродной установкой ABCD [5]. Расчеты проведены при координатах питающих электродов A(-60, -50), B(-30, 70), C(70, -30), D(50, 60) (в метрах) для планшета съемки: -42 м Ј (x,y) Ј 42м, при шаге по x и y равном 1.5 м, для следующих четырех геоэлектрических моделей:
   1- однородная анизотропная среда, при rn = 1200 Ом·м, rt = 800 Ом·м, hn = 0.01, ht = 0.05, a = 750, b = 400 (здесь rt и rn - удельное электрическое сопротивление вдоль и поперек плоскости простирания одноосной анизотропии, ht и hn - поляризуемость при тех же направлениях, a - угол падения плоскости анизотропии, b - угол между простиранием плоскости анизотропии и осью y против часовой стрелки);
   2 - вертикальный контакт двух однородных сред, при r1 = 1000 Ом·м, h1 = 0.01, r2 = 800 Ом·м, h2=0.10;
   3 - однородная изотропная среда (r0 = 1000 Ом·м, h0 = 0.01), содержащая полусферическую неоднородность, при r1 = 800 Ом·м, h1 = 0.10, x1 = 2  м, y1 = 2 м, r = 10 м (здесь x1, y1 - координаты, r - радиус неоднородности);
   4 - однородная изотропная среда (r0 = 1000 Ом·м, h0 = 0.01), содержащая сферическое тело, при r1 = 800 Ом·м, h1 = 0.50, x1 = 2 м, y1 = 2 м, z1 = 12 м, r = 10 м (здесь x1, y1, z1 - координаты, r - радиус тела).
   Представим способ преобразования данных, полученных нерегулярной сетью пунктов наблюдений, в правильную. Допустим, что определение вектора напряженности электрического поля A в рассматриваемом пункте N(xN,yN) нерегулярной сети выполняется по результатам измерений двумя и более (k Ј 2) приемными линиями (каждая из которых представлена двумя приемными электродами, один из которых распoложен в пункте N, другой - в одном из смежных пунктов) с разносами, не превышающими R. В результате таких измерений для пункта N вычисляются (нормируя величину разности потенциалов между электродами по разносу соответствующей приемной линии) p1-, .., pk- составляющие вектора A: Ap1(N), .., Apk(N). Взяв попарно значения произвольных составляющих вектора A, можно преобразовать их в требуемые x- и y-составляющие, по формулам [6]:
Axij(N) = (Api(N)sinnj(N) - Apj(N)sinni(N))/sin(nj(N) - ni(N)),
Ayij(N) = (Api(N)cosni(N) - Apj(N)cosnj(N))/sin(nj(N) - ni(N)),
(1)

при sin(nj(N) - ni(N)) 0, т.е. когда векторы Api(N) и Apj(N) не коллинеарны (пункты i и j не находятся на одной прямой с N). Здесь (i,j) = 1,..., k; (i < j); ni(nj) - угол между положительными направлениями осей x и pi (pj) при отсчете от полярной оси против часовой стрелки.
   Тогда усредненные значения x- и y-составляющих вектора A в пункте N нерегулярной сети определим из m Ј k(k - 1)/2 полученных значений по выражениям:

Ax(N) = е
(Axij(N) · Wij(N))/ е
Wij(N)   и  Ay(N) = е
(Ayij(N) · Wij(N))/ е
Wij(N),
(2)
где Wij(N) = (R/di(N)-1)(R/dj(N)-1) - весовой коэффициент, при R > (di(N), dj(N)); di(N) = и dj(N) = - разнос приемных линий i и j, соответственно.
   С использованием (2) получим усредненные значения x- и y-составляющиx вектора A в пункте M(xM,yM) правильной сети:

Ax(M) = е
(Axi(N) · Wi(M))/ е
Wi(M)  и  Ay(M) = е
(Ayi(N) · Wi(M))/ е
Wi(M),
(3)

здесь суммирование выполняется для n (количество смежных с M пунктов нерегулярной сети), при R > di(M), где di(M) = 0.
При di(M) = 0 составляющим Ax(M) и Ay(M) присваиваются значения Axi(N) и Ayi(N), соответственно.
   Путем геометрических построений определение x- и y- составляющих вектора A в пункте N выполняется следующим образом: сперва по значениям (величинам с учетом знаков) двух произвольных (но не коллинеарных) pi- и pj-составляющих строится вектор A (Api(N) и Apj(N) стороны параллелограмма, |A| - его диагональ, проходящая через начало координат), а затем, опустив перпендикуляры с его конца соответственно на оси X и Y, определяются Ax и Ay. При необходимости можно определить и произвольную составляющую A. С целью оценки погрешности или визуализации результатов преобразований (1) можно воспользоваться следующей особенностью: проекции вектора A при всевозможных осях, проходящих через начало координат, располагаются на окружности, диаметром которой является данный вектор, а длина хорды, отсекаемой произвольной осью, равна величине соответствующей его составляющей.
   Следует отметить, что в краевых частях планшета съемки могут наблюдаться некоторые искажения (уменьшение точности), ввиду измерения требуемых составляющих напряженности электрического поля по результатам измерений в определенном направлении (отсутствия равномерно, всесторонне расположенных смежных пунктов). В этом случае можно рекомендовать способ линейного интерполирования (и экстраполирования) векторного поля, предложенный при изучении поля БТ в требуемом полевом пункте по трем базисным пунктам [7] или же использовать при промежуточных этапах расчетов соответствующего параметра некоторые процедуры из пакета SURFER, в частности: Minimum Curvature или Kriging [8]. Очевидно, что предлагаемые преобразования данных площадной векторной съемки нерегулярной сетью наблюдений в правильную позволяют полностью применять известные методики электроразведочных исследований.
   Теперь воспользуемся произвольно заданной нерегулярной разряженной (более чем в 3 раза) сетью пунктов наблюдений, установленных в пределах вышепредставленного планшета съемки, фрагмент которой изображен на рис.1,а. Линиями на рис.1,б-г соединены пункты, расстояние между которыми не превышает R, показывающие, какие составляющие исследуемого электрического поля привлечены при преобразовании данных нерегулярной сети в правильную. Величины R выбраны кратными шагу правильной сети. Заметим, что при R = 3 м (рис.1,б) некоторые пункты соединены со смежными одной или двумя (почти расположенными на одной прямой) линиями и тем самым при преобразовании данных в этих пунктах невозможно определение требуемых значений поля, что в итоге приводит к появлению "белых пятен" на картах интерпретируемых параметров. С другой стороны, при R = 6 м (рис.1,г) в процессе преобразования данных для каждого пункта привлекается довольно много смежных пунктов, более удаленных от рассматриваемого пункта, что приводит как к существенному увеличению компьютерного времени преобразований, так и в определенной степени сглаживает поле (аномалии), что может привести к уменьшению контрастности проявления исследуемых параметров. Для данной нерегулярной сети оптимальным можно считать R = 4.5 м (рис.2,в).

                               


 

 

 

 

 

 

 

 

 


Рис. 1. Верхний левый фрагмент нерегулярной разряженной сети пунктов наблюдений (а, б,
в, г) и пункт наблюдений №160 (д) со смежными пунктами, расположенными в его
окрестности с радиусами R, равными 3, 4.5, 6 м (линиями соединены пункты, расстояние
между которыми не превышает R, равный 3 м (б), 4.5 м (в) и 6 м (г); пунктирная квадратная
сетка - правильная сеть наблюдений).

   На рис.1,д крупным планом показан пункт наблюдений №160 со смежными (тремья, шестью, четырнадцатью) пунктами при этих радиусах усреднения (приведения) данных R, соответственно. Заметим, что при преобразовании данных в этих пунктах использование некоторых пар приемных линий, таких как: №161 и 162; №241 и 246; №128 и 156; №129 и 241; №156 и 247; №128 и 247 - не целесообразно, поскольку они располагаются почти на одной прямой с пунктом №160, что приводит к увеличению погрешности преобразований. С целью уменьшения влияния данного фактора на конечный результат при расчетах принимались во внимание только те пары приемных линий, для которых соблюдалось условие: |sin(nj(N) - ni(N))| > 0.1 (при экспериментальных исследованиях рекомендуется |sin(nj(N) - ni(N))| і 0.5 [6]).


 

 

 

 

 

 

 


Рис. 2. Карты изолиний x- и y-составляющих вектора j (в A/м2) при возбуждении
электрического поля током, пропускаемым через питающий электрод A, по данным: а -
квадратной сети; б, в - нерегулярной разряженной сети при R, равном 4.5 м (б - в пунктах
нерегулярной сети; в - в пунктах квадратной сети после соответствующей трансформации).

   Наблюдаемая схожесть приведенных карт x- и y-составляющих вектора j (рис.2,б,в), построенных различными вариантами по данным нерегулярной разряженной сети, и их несущественные расхождения ("волнистость" изолиний) с исходными картами jx и jy, соответственно (рис.2,а), несомненно говорит в пользу предлагаемого способа регистрации и преобразования данных (об устойчивости предлагаемого алгоритма решения поставленной задачи). Об этом свидетельствует и сопоставление карт различных параметров кажущегося сопротивления и кажущейся поляризуемости (в частности rSmed и hSmed при R = 4.5 м в случае нерегулярной сети - рис.3), несмотря на их общую характерную особенность - незначительную (несущественную для достижения поставленной цели) "волнистость" изолиний.

 


 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 3. Карты изолиний rSmed (в Ом · м) и hSmed на поверхности четырех (1, 2, 3, 4)
геоэлектрических моделей при возбуждении электрического поля многоэлектродной
системой AD-BC, построенные по данным в пунктах наблюдений: а - правильной сети; б -
нерегулярной сети; в - нерегулярной сети после трансформации в рассматриваемую
правильную сеть.

   В заключение следует отметить, что применение нерегулярной сети пунктов наблюдений требует проведения дополнительных топографических полевых работ, связанных с определением координат каждого пункта (приемного электрода). Можно также рекомендовать применение современных зарубежных многоканальных (сотни и даже тысяча каналов) электроразведочных станций, однако целесообразна разработка многофункциональной измерительной компьютеризированной аппаратуры с соответствующим программным обеспечением, позволяющей проводить комплексные электроразведочные исследования методами с контактным способoм измерений.

   Институт геологических наук НАН РА


Литература

   1. Матевосян А. К. - - ДНАН РА. 2002. T.101. №2. C.
   2. Инструкция по электроразведке. Л. Недра. 1984. 352 с.
   3. Электроразведка. Справочник геофизика (под ред. В. К. Хмелевского и В. М. Бондаренко). М. Недра. 1989. В 2-х кн. 438 с., 378 с.
   4. Комаров В. А. - Электроразведка методом вызванной поляризации. Л. Недра. 1980. 391 с.
   5. Матевосян А. К. - Изв. НАН РА. Науки о Земле. 1999. Т.52. №1. С. 53-63.
   6. Матевосян А. К. - Изв. НАН РА. Науки о Земле. 1999. Т.52. №2-3. С. 84-88.
   7. Матевосян А. К. Способ геоэлектроразведки. Авторское свидетельство СССР №1704120. Бюллетень изобретений №1. 1992.
   8. SURFER for WINDOWS. Contouring and 3D Surface Mapping. Version 6. User’s Guide. Golden Software. 1997.