Главная страница  |  Описание сайта  |  Контакты
СПОСОБ ГЕОЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ РАЗВЕДКИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
СПОСОБ ГЕОЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ РАЗВЕДКИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ

СПОСОБ ГЕОЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ РАЗВЕДКИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ

Патент Российской Федерации
Суть изобретения: Использование: при поиске неоднородностей грунта, например, включений подземных вод, локализации границ разнородных сред, инженерно-геологических изысканий, при картографии участков под застройку зданий и сооружений, при поиске подземных коммуникаций и обнаружении мест повреждения подземных трубопроводов для расширения функциональных возможностей за счет осуществления реагирования на неоднородности грунта в виде включений, в том числе на подземные воды, возможности поиска подземных коммуникаций и мест их повреждения, улучшение эксплуатационных характеристик за счет упрощения реализации способа и упрощения обслуживания устройств, реализующих способ, повышение точности и помехозащищенности, достоверности локализации границ неоднородностей. Сущность изобретения: определяют и анализируют качественные характеристики шумовой компоненты электрической составляющей естественного электромагнитного поля Земли (ЕЭМПЗ) в диапазоне сверхдлинных волн. Устройство для электромагнитной разведки, реализующее преложенный способ, осуществляет прием шумовой компоненты электрической составляющей ЕЭМПЗ на приемную антенну 1 в виде сигнала, пропорционального заряду антенны 1, выделяет в импульсном фильтре 3 частотную составляющую шумов и после усиления производит ее фазовую демодуляцию в фазовом детекторе 6 и после вычисления интеграла фазового сдвига в интеграторе 10 отображает его на индикаторе П. 2 с и 5 з.п. ф-лы, 8 ил.
Поиск по сайту

1. С помощью поисковых систем

   С помощью Google:    

2. Экспресс-поиск по номеру патента


введите номер патента (7 цифр)

3. По номеру патента и году публикации

2000000 ... 2099999   (1994-1997 гг.)

2100000 ... 2199999   (1997-2003 гг.)
Номер патента: 2119680
Класс(ы) патента: G01V3/08, G01V3/11
Номер заявки: 94014548/25
Дата подачи заявки: 19.04.1994
Дата публикации: 27.09.1998
Заявитель(и): Кравченко Юрий Павлович
Автор(ы): Кравченко Ю.П.; Горюхин А.С.; Калашченко Н.В.; Савельев А.В.
Патентообладатель(и): Кравченко Юрий Павлович
Описание изобретения: Изобретение относится к геофизике и может быть использовано для поиска неоднородностей грунта, например, включений подземных вод, локализации границ разнородных сред, инженерно-геологических изысканий, например, при картографии участков под застройку зданий и сооружений, для поиска подземных коммуникаций, а также для обнаружения мест повреждения подземных трубопроводов.
Известен способ геоэлектроразведки, в котором возбуждают в земле на исследуемом участке электромагнитный многочастотный зондирующий сигнал, измеряют его частоту, причем, зондирующий сигнал возбуждают формированием последовательности радиоимпульсов с заданным периодом, длительностью и формой модулирующего импульса, изменяют частоту несущей от радиоимпульса к радиоимпульсу последовательности по заданному закону, принимают вторичную последовательность радиоимпульсов, определяют величину разности фаз по отношению к зондирующему сигналу, функцию зависимости величины разности фаз от номера радиоимпульса и ее корреляционные характеристики, по которым судят о свойствах геологических тел и вмещающих пород [1].
Недостатком известного способа являются его высокая сложность и трудность реализации, а также низкие эксплуатационные возможности по причине того, что он является активным и требует наличия передающей радиостанции, и, кроме того, невысокие функциональные возможности, поскольку не позволяет обнаруживать повреждения подземных трубопроводов, а также низкая степень безопасности и экологичности, т.к. создает значительное "загрязнение" среды мощными электромагнитными полями и представляет значительную опасность облучения персонала. Помимо этого, к недостаткам известного способа относится низкая помехозащищенность и невысокая точность, ввиду низкой точности измерения вторичного поля, обусловленной влиянием мощного первичного поля.
Известен способ обнаружения зон разломов впереди забоя подземной выработки, при котором осуществляют регистрацию сигналов естественного электромагнитного поля Земли (ЕЭМПЗ) в диапазоне сверхдлинных волн. Кроме того, регистрацию сигналов ЕЭМПЗ осуществляют по мере проходки подземной выработки в диапазоне 5 - 50 кГц в импульсном виде подсчетом числа импульсов за интервал времени, прохождение предразломной зоны фиксируют по увеличению числа импульсов ЕЭМПЗ в два-три раза по сравнению с фоновым уровнем, а обнаружение зоны разлома производят по уменьшению числа регистрируемых импульсов ЕЭМПЗ практически до нулевого уровня [3].
Известный способ является пассивным, т.е. не требует облучения грунта внешним электромагнитным полем, в связи с чем обладает относительно высокой чувствительностью по причине отсутствия влияния первичного поля и простой реализации, поскольку не требует передающей аппаратуры.
Недостатками известного способа являются низкие функциональные возможности ввиду невозможности обнаружения подземных вод, различных включений грунта, подземных коммуникаций и локализации мест их повреждений, а также низкая помехозащищенность и достоверность измерения, особенно при импульсных и случайных помехах, которые могут отсеиваться только статистически при многократных повторениях измерений, и, кроме того, низкая точность.
Известен способ геоэлектроразведки, заключающийся в том, что регистрируют электрическую составляющую сигналов естественного электромагнитного поля Земли (ЕЭМПЗ) за счет того, что перемещают приемную антенну параллельно поверхности Земли, выделяют из всего зарегистрированного спектра, по меньшей мере, одну узкую полосу частот. Кроме того, узкие полосы из зарегистрированного спектра выделяют одновременно и параллельно по параллельным каналам, а затем проводят сравнение амплитудных и модуляционных вариаций во временной области всех сигналов в узких полосах частот между собой. Кроме того, сравнение осуществляют с предварительно определенными эмпирическими данными, идентифицирующими локализацию искомой аномалии, т.е. проводят предварительную калибровку по эмпирическим данным. Кроме того, шаг измерения включает амплитудное детектирование принимаемого сигнала во временной области. Кроме того, осуществляют преобразование спектрального сигнала из узких полос частот в цифровую форму и запись на магнитный носитель (пат. США 5 148 110).
К недостаткам известного способа относится низкая помехозащищенность ввиду амплитудного характера измерений и низкая точность по причине большой трудности идентификации геологической неоднородности в принимаемом сигнале, поскольку отсутствуют достаточно четкие объективные критерии ее наличия, и в определении появления неоднородности и ее местоположения большой компонент занимает субъективная оценка ввиду высокой вариативности амплитуды принимаемого сигнала во временной области, а также, соответственно, сигналов, выделенных из него в узких полосах частот. По причине высокой подверженности влиянию помех известный способ не позволяет реализовать достаточно высокую чувствительность, что также снижает точность измерений и функциональные возможности способа, поскольку позволяет определять с достаточной достоверностью только крупные и очень явные неоднородности. Кроме того, способ является сложным и обладает низкими эксплуатационными возможностями, т.к. требует параллельного разделения принимаемого сигнала на множество параллельных каналов, т.е. применение спектроанализатора, постоянной записи сигналов во всех каналах, хранение их в памяти и сравнение между собой и друг с другом, что при длительном мониторинге представляет довольно сложную задачу, а также требует постоянной калибровки по эмпирическим данным каждый раз при определении нового вида неоднородности.
Известно устройство для электроразведки, содержащее генератор периодических сигналов, выход которого подключен к излучателю, последовательно соединенные приемник магнитного поля и предварительный усилитель, а также избирательный усилитель и блок измерения и регистрации; содержащее также генератор импульсов опорной частоты, первый и второй делители частоты, детектор пересечения нулевого уровня, схему И, счетчик импульсов, цифровой блок памяти, цифроаналоговый преобразователь, инвертор напряжения, первый и второй одновибраторы, причем, генератор импульсов опорной частоты соединен со входом первого делителя частоты и первым входом схемы И, выход первого делителя подключен ко входу генератора периодических сигналов, выход предварительного усилителя подключен к последовательно соединенным избирательному усилителю, детектору пересечения нулевого уровня и второму делителю частоты, выход которого соединен со вторым входом схемы И и входами первого одновибратора и инвертора напряжения, выход схемы И подключен к счетному входу счетчика импульсов, разрядные выходы которого подключены ко входам цифрового блока памяти, выходы цифрового блока памяти соединены со входами цифроаналогового преобразователя, аналоговый выход которого подключен к блоку измерения и регистрации, выход первого одновибратора подключен ко входу установки в "0" счетчика импульсов, а выход инвертора напряжения соединен со входом второго одновибратора, выход которого подключен к управляющему входу блока памяти [2].
Известное устройство является активным, т.е. работает на прием отраженного от аномалии зондирующего сигнала, в связи с чем недостатками его являются высокая сложность и низкие эксплуатационные характеристики, а также невысокая точность по причине влияния помех от первичного электромагнитного поля при приеме отраженного вторичного сигнала, и низкие функциональные возможности.
Известное устройство содержит чувствительный элемент, выполненный в виде антенны, предварительный усилитель, вход которого соединен с входом антенны, перестраиваемый полосовой фильтр, вход которого соединен с выходом предварительного усилителя, анализатор с индикаторным элементом, генератор опорного сигнала и фазовый детектор, а анализатор содержит фильтр нижних частот, усилитель и интегратор, вход интегратора соединен с выходом усилителя, вход которого соединен с выходом фильтра нижних частот, а выход интегратора соединен с входом индикаторного элемента. Кроме того, в разрыв связи между выходом предварительного усилителя и входом перестраиваемого фильтра включен режекторный фильтр, настроенный на частоту сети (50 или 60 Гц), анализатор также содержит смеситель, первый выход которого является входом анализатора, второй вход соединен с выходом генератора опорного сигнала, а выход смесителя соединен со входом фильтра нижних частот, выходы перестраиваемого полосового фильтра и фильтра нижних частот соединены соответственно со входом анализатора и усилителя через переключатели. Кроме того, генератор опорного сигнала также содержит кварцевый генератор, первый делитель частоты на 104, вход которого соединен с выходом кварцевого генератора, выход которого соединен с первым входом фазового детектора, первый фильтр нижних частот, вход которого соединен с выходом фазового детектора, первый управляемый напряжением генератор, вход которого соединен с выходом фильтра нижних частот, управляемый делитель частоты, тактовый вход которого соединен с выходом первого управляемого напряжением генератора, выход управляемого делителя частоты соединен со вторым входом фазового детектора, а входы установки коэффициента деления управляемого делителя частоты соединены с выходами аддитивного сумматора, входы которого являются входами установки принимаемой частоты; второй делитель частоты на 103, вход которого соединен с выходом первого управляемого напряжением генератора, второй фазовый детектор, первый вход которого соединен с выходом второго делителя частоты, второй фильтр нижних частот, вход которого соединен с выходом второго фазового детектора, второй управляемый напряжением генератор, вход которого соединен с выходом второго фильтра нижних частот, а первый выход является выходом генератора опорного сигнала, второй выход которого соединен со входом третьего декадного делителя частоты, выход которого соединен со вторым входом фазового детектора (пат. США N 4 198 596).
Недостатками его являются невысокая помехозащищенность и низкая точность по причине того, что все измерения, выполняемые устройством, являются амплитудными, т.е. реализуют самый сильно подверженный помехам, наводкам и случайным сигналам и шумам метод. Фазовый детектор (компаратор - в патенте) 14, входящий в состав блока 7, не имеет, практически, никакого отношения к методу измерения и является составной частью генератора опорной частоты 7, а именно, входит в состав первого контура ФАПЧ (фазовой автоподстройки частоты), а второй фазовый детектор (компаратор) 18 - соответственно, в состав второго контура ФАПЧ блока 7. Эти фазовые детекторы 14 и 18 предназначены для обеспечения работы контуров ФАПЧ, которые, в свою очередь, предназначены лишь для расщепления одной фиксированной опорной частоты кварцевого генератора 12 на сетку опорных частот, т.е. блок 7 - генератор опорной частоты - является, по сути дела синтезатором частот, что необходимо для приема входных сигналов не на одной частоте кварцевого резонатора, а на множестве частот, задаваемых со входов аддитивного сумматора 24, который перестраивает коэффициент делителя частоты 17 в блоке 7. В общем же устройство по пат. 4 198 596 представляет собой обычный амплитудный шарикодиапазонный радиоприемник (особенность - прием сигналов на сверхнизких частотах от 10 Гц), в связи с чем обладает невысокой помехозащищенностью, что ограничивает общий коэффициент усиления и чувствительность по сравнению с предлагаемым устройством. Кроме того, в известном устройстве в отличие от предложенного принимаемый шумовой сигнал не является полезным сигналом, а следовательно, также создает помеху, что также усугубляет вышеперечисленные недостатки.
Целью изобретения является расширение функциональных возможностей за счет осуществления реагирования на неоднородности грунта различной природы, в том числе, на подземные воды, осуществления возможности поиска подземных коммуникаций и мест их повреждения; улучшение эксплуатационных характеристик за счет упрощения реализации способа и упрощения обслуживания устройств, реализующих предложенный способ; повышение точности, помехозащищенности и достоверности локализации границ неоднородностей.
Для достижения поставленной цели в известном способе обнаружения зон разломов впереди забоя подземной выработки, при котором осуществляют регистрацию сигналов естественного электромагнитного поля Земли (ЕЭМПЗ) в диапазоне сверхдлинных волн, дополнительно в процессе регистрации сигналов ЕЭМПЗ производят компенсацию помехового фона, а регистрацию сигналов ЕЭМПЗ проводят по регистрации шумовой компоненты электрической составляющей ЕЭМПЗ. Кроме того, регистрацию шумовой компоненты электрической составляющей ЕЭМПЗ осуществляют за счет того, что образуют электроемкость между землей и приемной антенной за счет того, что размещают ее над поверхностью земли; измеряют шумовую компоненту электрического сигнала, пропорционального изменению заряда образованной емкости; и перемещают антенну параллельно поверхности Земли в направлении предполагаемого поиска. Кроме того, измерение шумовой компоненты электрического сигнала, пропорционального изменению заряда, осуществляют на фиксированных частотах, по меньшей мере, одной в узкой полосе частот для каждой фиксированной частоты, а также за счет того, что измеряют фазовый сдвиг каждой выделенной составляющей, по наличию и характеру изменения которого судят о наличии неоднородностей в грунте. Кроме того, измерение фазового сдвига производят накоплением его за большое число периодов колебаний. Кроме того, накопление фазового сдвига за большое число периодов колебаний осуществляют интегрированием текущего значения величины фазового сдвига. Кроме того, компенсацию помехового фона производят за счет того, что выравнивают сдвиг фаз между опорным сигналом и текущим значением узкополосного сигнала ЕЭМПЗ на фиксированной частоте при регистрации последнего при неподвижной приемной антенне. Кроме того, о наличии неоднородностей в грунте судят путем того, что компенсацию помехового фона производят каждый раз непосредственно перед измерением, а антенну в процессе измерения перемещают параллельно поверхности Земли в направлении поиска и считывают при этом изменение величины фазового сдвига и при резком изменении этой величины фиксируют переход из одной среды в другую, а по скорости резкого изменения определяют глубину залегания границы смены сред. Кроме того, после перехода через границу смены сред производят повторную компенсацию помехового фона и перемещают антенну параллельно поверхности Земли в обратном направлении, повторно фиксируя резкое изменение величины накапливаемого фазового сдвига. Кроме того, перед компенсацией помехового фона и регистрацией сигналов ЕЭМПЗ производят нагнетание жидкости в трубопровод, например, воды до тех пор, пока в местах повреждений не образуются пятна окружающего трубопровод грунта, пропитанного жидкостью, по меньшей мере, в несколько раз превышающие диаметр трубопровода, и по результатам регистрации ЕЭМПЗ производят локализацию пятна мокрого грунта в месте утечки.
Для достижения поставленной цели в известную пассивную геофизическую разведочную систему, содержащую чувствительный элемент, перестраиваемый фильтр, вход которого соединен с выходом чувствительного элемента и анализатор, содержащий индикаторный элемент, вход анализатора соединен с выходом перестраиваемого фильтра, дополнительно введены предварительный усилитель, генератор опорного сигнала и усилитель переменного тока, а в анализатор - фазовый детектор, первый и второй входы которого являются первым и вторым входами анализатора, фильтр нижних частот, вход которого соединен с выходом фазового детектора, усилитель постоянного тока, первый вход которого соединен с выходом фильтра нижних частот, блок коррекции, выход которого соединен со вторым входом усилителя постоянного тока, интегратор, вход которого соединен с выходом усилителя постоянного тока, а выход интегратора соединен с выходом индикаторного элемента, кнопка сброса интегратора, соединенная со входом сброса интегратора; чувствительный элемент представляет собой антенну, выполненную в виде плоского проводящего диска; перестраиваемый фильтр выполнен в виде импульсного фильтра, имеющего второй вход, к которому соединен выход генератора опорных сигналов, который соединен также со вторым входом анализатора; предварительный усилитель включен между чувствительным элементом и перестраиваемым фильтром так, что выход чувствительного элемента соединен со входом предварительного усилителя, выход которого соединен со входом перестраиваемого фильтра, а усилитель переменного тока включен между выходом перестраиваемого фильтра и первым входом анализатора. Кроме того, антенна является ненаправленной и широкополосной и имеет размеры пренебрежимо малые по сравнению с длиной принимаемых волн.
На фиг. 1 изображена схема перемещения антенны относительно неоднородности грунта при выполнении предлагаемого способа электромагнитной разведки; на фиг. 2 - схема расположения тектонического разлома и графики изменения выходного сигнала для примера 1 выполнения способа электромагнитной разведки; на фиг. 3 - 7 - примеры 2 - 5 выполнения способа; на фиг. 8 - функциональная схема устройства для электромагнитной разведки, реализующего предлагаемый способ.
Способ электромагнитной разведки основан на измерении естественного электромагнитного поля Земли (ЕЭМПЗ) в диапазоне сверхдлинных волн и локализации его искажений, а именно, изменений фазочастотных характеристик шумовой составляющей электрической компоненты ЕЭМПЗ под действием неоднородностей грунта, в том числе, в виде включений.
Известно, что излучение ЕЭМПЗ в общем случае имеет шумовую компоненту с непрерывным спектром [5]. Известные пассивные способы, основанные на регистрации собственных электромагнитных полей (например, [3]), регистрируют, как правило, общую шумовую характеристику в широком диапазоне без спектрального разложения шума, причем, наличие включений грунта оценивается по амплитуде шумового сигнала. Предлагаемый способ основан на выделении из общей шумовой компоненты отдельной частотной составляющей на фиксированной частоте и измерении величины ее фазового сдвига относительно опорного сигнала. Поскольку амплитуда принимаемого сигнала не играет роли, предлагаемый способ позволяет реализовать значительно большее усиление, чем при амплитудных измерениях, что обусловливает его значительно более высокую чувствительность, что также позволяет высокая помехозащищенность фазового метода, т.к. помехи носят преимущественно амплитудный характер. В сочетании с предложенными операциями (регистрация шумовой компоненты электрической составляющей сигналов ЕЭМПЗ, выделение составляющей шума на фиксированной частоте, измерение шумового сигнала, пропорционального изменению заряда емкости, образованной антенной и землей, порядок перемещения антенны и локация границ неоднородностей, сопоставление характера и количественных показателей изменения величины интеграла фазового сдвига с наличием и расположением неоднородностей) измерение фазового сдвига является чрезвычайно информативным и позволяет обнаруживать не только наличие широкого спектра неоднородностей грунта, включая подземные воды, но и производить локализацию их границ и оценку глубины залегания, в том числе, находить места повреждений подземных коммуникаций, например, трубопроводов.
Способ осуществляют следующим образом.
Приемную антенну электрической составляющей ЕЭМПЗ в виде проводящего диска располагают параллельно поверхности Земли на расстоянии 1 - 1,5 м, при этом антенна образует с землей электроемкость, величина заряда которой не зависит от расстояния до земли и пропорциональна шумовому сигналу ЕЭМПЗ. Далее, с помощью узкополосного фильтра с шириной полосы пропускания не более долей герца выделяют составляющую шумового сигнала на частоте настройки фильтра и измеряют сдвиг фаз между этой составляющей и опорным сигналом той же частоты за большое число периодов опорного сигнала (более 103-104). Т.к. величина фазового сдвига между этими сигналами, как правило, мала, то измерение ее представляет собой значительные трудности. Для разрешения этой задачи в предлагаемом способе измерение фазового сдвига производят путем накопления, в частности, интегрированием его текущей величины и индикацией величины интеграла фазового сдвига. Такой подход дает возможность наиболее просто и безошибочно регистрировать наличие сколь угодно малых величин фазового сдвига. Поиск неоднородностей осуществляют путем перемещения антенны с постоянной скоростью примерно параллельно поверхности Земли в направлении поиска. При этом перед началом движения производят компенсацию помехового фона при неподвижной приемной антенне путем выравнивания начального значения сдвига фаз между опорным сигналом и принимаемой составляющей сигналов ЕЭМПЗ. Далее, производят перемещение антенны в предполагаемом направлении поиска, непрерывно считывая при этом величину интеграла фазового сдвига, и по резкому изменению этой величины фиксируют переход из одной среды в другую, а по скорости этого изменения определяют глубину залегания границы раздела сред так, что меньшей глубине залегания соответствует более резкое изменение фазового сдвига (т.е. за меньшее время). Даже при малых стабильных отклонениях фазы принимаемого сигнала от опорного величина интеграла фазового сдвига увеличивается и за конечное время может достигнуть максимальных значений. Оценка величины фазового сдвига производится в этом случае, фактически, по времени достижения интегралом фазового сдвига определенной величины (например, величины насыщения интегратора), либо по величине интеграла за фиксированный промежуток времени. Для повышения достоверности, особенно при больших глубинах залегания неоднородностей, возможно повторное прохождение границы раздела в обратном направлении. Для этого после первого перехода через границу раздела выполняют повторную компенсацию помехового фона и перемещают приемную антенну в обратном направлении, повторно фиксируя изменение фазового сдвига при прохождении границы раздела сред.
Современная элементная база позволяет построить устройства, реализующие предлагаемый способ, величина дрейфа в которых незначительна по сравнению с минимальными физически значимыми величинами сдвига фаз между измеряемым и опорным сигналами. Кроме того, при измерениях рекомендуется периодически проводить обнуление интегратора, особенно, перед началом движения антенны в направлении поиска.
В случае нахождения мест повреждения подземных трубопроводов, предварительно производят нагнетание в него жидкости до тех пор, пока вокруг мест повреждения не образуются подземные области мокрого грунта, пропитанного вытекающей из повреждений трубопровода жидкостью. Желательно, чтобы размер областей превышал в несколько раз диаметр трубопровода. Далее, выполняют операцию поиска как описано выше, и по фиксации границ раздела сред определяют места повреждений.
Пример 1. Производилась фиксация местоположения тектонического разлома в районе деревни Федоровка Уфимского района республики Башкортостан. Измерения осуществляли на заранее известном месте тектонического разлома по данным Башкирского филиала института геологии РАН, что позволило проконтролировать достоверность предлагаемого изобретения. Приемную антенну перемещали вдоль ровной поверхности дороги (фиг. 2) с постоянной скоростью 0,5 м/с. Показания индикатора считывали непрерывно для нескольких различных частот настройки, а именно, 6, 7, 8 и 10 кГц. Измерения показали явно выраженную зависимость величины фазового сдвига на всех частотах от положения тектонического разлома относительно общего уровня вне разлома, где проводилась предварительная компенсация помехового фона перед перемещением антенны из точки A в точку B и наоборот (см. фиг. 2). Плавность графиков изменения интеграла фазы выделенных составляющих шумового сигнала электрической компоненты ЕЭМПЗ указывает на значительную глубину залегания неоднородности.
Пример 2. Определение прохождения водяной жилы при поиске места для строительства колодца в районе деревни Ракитов Куст Кармаскалинского района республики Башкортостан (фиг. 3). Колодец C - существующий. Необходимо было определить место для нового колодца E, находящегося от существующего колодца C на расстоянии от него не менее 0,5 км. Для этого в непосредственной близости от колодца C по кругу радиусом около 10 м был проведен поиск по предлагаемому способу и найдено направление прохождения водяной жилы. В этом направлении по нормали к нему на расстоянии 0,5 км от колодца C был вторично проведен поиск, показавший залегание водяной жилы и ее ширину (фиг. 3). Скорость перемещения антенны 0,5 м/с, измерения производились на частоте 7,5 кГц. В связи с малой глубиной залегания водяной жилы видно резкое изменение показаний индикатора при прохождении над краями жилы, что способствовало точной фиксации ее местоположения. Бурение в пункте E, выполненное по результатам измерений, подтвердило их высокую точность и показало глубину залегания водяной жилы, равную 5,5 м.
Пример 3. Производилось определение неизвестного места расположения отвода трубы от основной магистрали на территории Уфимского завода синтетических мастик. Диаметр основной магистрали 100 мм, диаметр отвода - 50 мм. Основная магистраль расположена на глубине более 1,5 м под землей, почва на момент измерений была покрыта сверху льдом и снегом толщиной 0,5 м. Измерения производились на частоте 6,2 кГц. Резкие изменения величины фазового сдвига при перемещении антенны (фиг. 4) дали возможность точно определить место прохождения отвода, что подтвердилось при проведении раскопок (что отражено в актах испытаний, которые прилагаются).
Пример 4. Определение места повреждения трубопровода на территории Уфимского завода чертежных приборов. Трубопровод диаметром 100 мм находился на глубине 2,5 м. Производилась фиксация местонахождения трубопровода в двух сечениях, между которыми предположительно находилось место утечки. Изменения показаний прибора соответствовали диаметру трубопровода (фиг. 5). Далее, по трубопроводу прокачивали воду в течение 10 мин, после чего осуществляли передвижение приемной антенны вдоль трубопровода на небольшом расстоянии от него (0,2 м), непрерывно контролируя нулевое показание индикатора. При прохождении над подземным пятном мокрого грунта в месте утечки, показания индикатора резко менялись, благодаря чему фиксировались границы пятна (фиг. 5). При этом скорость нарастания интеграла фазового сдвига при прохождении над пятном существенно отличалась от скорости его нарастания при прохождении над трубопроводом при постоянной скорости перемещения антенны, равной 0,5 м/с. В непосредственной близости (около 5 м) от обнаруженного места утечки проходил высоковольтный кабель приблизительно перпендикулярно направлению трубопровода, что не повлияло на точность обнаружения повреждения, что подтверждает высокую помехозащищенность предложенного способа. Точность измерений подтверждена проведенными раскопками, о чем свидетельствует прилагаемый акт.
Пример 5. Определение места неисправности отопительной системы на Уфимском заводе чертежных приборов, приводящей к утечке горячей воды до 200 м3 в сутки. Отопительная система в виде трубы отопления диаметром 1 дюйм проходила вдоль стены с внутренней стороны здания в механическом цехе под слоем бетона и металлическим полом (фиг. 6). Утечка воды фиксировалась по разнице давлений на входе F и выходе H трубы. Вытекаемая вода просачивалась в местах утечки под фундамент здания, находящегося на берегу реки, и поступала в нее так (фиг. 7), что невозможно было даже сколько-нибудь приблизительно определить положение мест утечек.
Компенсация помехового фона производилась в пункте F рядом с трубой, после чего осуществляли перемещение приемной антенны вдоль всего протяжения трубы параллельно ей по направлению к пункту H (фиг. 6). Поступление в трубу воды не прерывалось, в результате чего утечка продолжала свободно происходить. В результате проведенных фазовых измерений были обнаружены 4 места утечки различной интенсивности - одно большое пятно G1 диаметром около 1 м и три меньших пятна G2, G3, G4 диаметром 20 - 30 см (фиг. 6). При прохождении через границу каждого пятна наблюдалось возникновение сдвига фаз, приводящего к росту с постоянной скоростью сигнала, пропорционального интегралу сдвига фаз. При этом скорость роста этого сигнала была одинакова для всех пятен G2-G4 и отличалась от скорости роста сигнала интеграла сдвига фаз, возникающего от трубы отопления при ее пересечении, а скорость роста сигнала от пятна G1 была значительно больше, чем в этих случаях.
Устройство для электромагнитной разведки (фиг. 8) содержит приемную антенну 1 в виде плоского проводящего диска, предварительный усилитель 2, вход которого соединен с выходом антенны 1, импульсный полосовой фильтр 3, первый вход которого соединен с выходом предварительного усилителя 2, генератор 4 опорных сигналов, выход которого соединен со вторым входом импульсного фильтра 3, усилитель 5 переменного тока, вход которого соединен с выходом импульсного фильтра 3, фазовый детектор 6, первый вход которого соединен с выходом усилителя переменного тока 5, а второй вход соединен с выходом генератора 4; а также последовательно соединенные фильтр 7 нижних частот, усилитель 8 постоянного тока, интегратор 10 и индикатор 11, причем вход фильтра нижних частот 7 соединен с выходом фазового детектора 6; блок коррекции 9, выход которого соединен со вторым входом усилителя 8 постоянного тока и кнопку 12 сброса интегратора 10, соединенную со входом сброса интегратора 10; фазовый детектор 6, фильтр нижних частот 7, усилитель 8 постоянного тока с блоком коррекции, интегратор 10, индикатор 11 и кнопка сброса 12 интегратора 10 образуют анализатор 13, входами которого являются входы фазового детектора 6.
Устройство для электромагнитной разведки (фиг.6), реализующее предлагаемый способ, работает следующим образом.
Приемную антенну 1 размещают параллельно поверхности Земли на расстоянии порядка 1 м, в результате чего образуется электроемкость, одной из обкладок которой является Земля, а другой - приемная антенна 1. При этом, поскольку размеры антенны 1 пренебрежимо малы по сравнению с рабочими длинами волн, частотная характеристика ее является широкополосной, что позволяет не выделять сигнал (например, радиостанции или отраженный сигнал как в известных устройствах) на фоне шума, а наоборот, принимать все виды шумов сверхдлинноволнового диапазона (с равномерным спектром, "фликкер"-шум и т.д.). Таким образом, в предлагаемом устройстве полезным является шумовой сигнал. Поскольку заряд емкости, образованной приемной антенной 1 и Землей, не зависит от расстояния до Земли и положения антенны 1, а определяется лишь свойствами электрической составляющей электромагнитного поля Земли в данном месте, флуктуация заряда этой емкости пропорциональна шумовому сигналу (напряженности) электрической компоненты ЕЭМПЗ. Сигнал с приемной антенны 1, пропорциональный заряду, поступает на вход предварительного усилителя 2, входной каскад которого выполнен по схеме усилителя заряда, преобразующего заряд в напряжение. Усиленное напряжение, пропорциональное текущим флуктуациям заряда, с выхода предварительного усилителя 2 поступает на вход импульсного фильтра 3, полоса пропускания которого составляет доли герца, где происходит выделение частотной составляющей шума на фиксированной частоте, определяемой частотой сигнала, поступающего на второй вход импульсного фильтра 3 с генератора 4 опорного сигнала (из спектра шума импульсный фильтр 3 пропускает только сигналы, совпадающие по частоте с частотой сигнала генератора 4). Далее, напряжение выделенной фильтром 3 составляющей шума усиливается в усилителе 5 переменного тока с большим коэффициентом усиления (до ограничения сигнала по уровню) и поступает на вход фазового детектора 6, где происходит преобразование фазового сдвига между первой гармоникой входного сигнала и совпадающим с ней по частоте сигналом опорного генератора 4 в импульсное напряжение, площадь импульса которого пропорциональна величине фазового сдвига. Это напряжение поступает на вход фильтра 7 нижних частот, который выделяет постоянную составляющую из этой импульсной последовательности, уровень которой пропорционален текущему значению фазового сдвига, таким образом, происходит преобразование фазового сдвига в напряжение. Это напряжение усиливается далее в усилителе 8 постоянного тока, на второй вычитающий вход которого поступает постоянное напряжение с выхода блока коррекции 9, который представляет собой прецизионный регулируемый источник опорного напряжения. Величина и знак этого напряжения устанавливается при компенсации уровня помехового фона таким образом, чтобы перед измерением сигнал на выходе усилителя постоянного тока 8 был равен нулю. В этом случае сигнал на выходе интегратора 10 также равен нулю, что отражается индикаторным элементом 11.
Аномалии, находящиеся в земной коре (геологические неоднородности, наличие воды, пустот, металлических предметов) создают соответствующие искажения ЕЭМПЗ, что отражается на его шумовой компоненте электрической составляющей, и при прохождении над аномалией антенны 1 в процессе ее перемещения создают дополнительные фазовые сдвиги напряжения с выхода усилителя 5 переменного тока относительно напряжения с выхода генератора 4 опорных сигналов, что обуславливает появление на выходе фазового детектора 6 напряжения, отличающегося от напряжения, соответствующего фазовому сдвигу входных сигналов при отсутствии аномалии. При этом напряжение на выходе фазового детектора 6 становится отличным от предварительно установленного в отсутствие аномалии напряжения с выхода схемы коррекции 9, в результате чего при их вычитании в усилителе постоянного тока 8 они не компенсируют друг друга и на выходе усилителя 8 появляется отличное от нуля напряжение, пропорциональное приращению фазового сдвига вносимых в поле искажений, вызванных скрытой в грунте аномалией. Наличие малейшего фазового сдвига, отличающегося от фона, и, соответственно, напряжения, отличного от нуля на выходе усилителя 8 постоянного тока, приводит к тому, что интегратор 10 начинает интегрировать это напряжение и уровень сигнала на его выходе растет. При этом текущая скорость этого роста определяется текущей величиной фазового сдвига и при наличии даже незначительной величины последнего сигнал на выходе интегратора 10 может достигнуть напряжения насыщения при достаточном времени интегрирования. Процесс изменения напряжения на выходе интегратора 10 отражается на индикаторе 11, например стрелочном, и может поэтому наблюдаться визуально. Таким образом, устройство позволяет индицировать наличие даже небольших отличий фазового сдвига частотных составляющих шумовой компоненты сигналов ЕЭМПЗ от фона, в результате чего позволяет реализовать высокую чувствительность обнаружения неоднородностей грунта и инородных включений в нем. Кроме того, по скорости нарастания напряжения на выходе интегратора 10 можно судить о величине фазового сдвига в конкретном месте, т.е. о глубине залегания искомой неоднородности. Перед началом измерений интегратор 10 необходимо обнулить нажатием кнопки 12 сброса, разряжающей конденсатор интегратора 10. Это рекомендуется также делать периодически в процессе поиска до обнаружения неоднородностей во избежание накопления напряжения дрейфа.
Предлагаемый способ электромагнитной разведки по сравнению с известными, в том числе, с прототипом, обладает следующими преимуществами:
значительно более широкими функциональными возможностями, позволяющими обнаруживать скрытые неоднородности в грунте различной природы - геологического происхождения, например, тектонические разломы, пустоты, водоносные горизонты и т.д., металлические предметы, например, кабели, трубопроводы и т.д., а также проводить локализацию их границ и обнаруживать дефекты, например, трубопроводов, за счет применения анализа наиболее информативной шумовой составляющей поля;
значительно улучшенными эксплуатационными характеристиками, а именно, высокой степенью простоты, отсутствием мощных и громоздких источников энергии и отсутствием необходимости применения сложной аппаратуры, за счет осуществления поиска неоднородностей пассивным путем без применения каких-либо излучающих, поляризующих и других активных средств;
простотой применяемых операций, отсутствием необходимости наладки, настройки и исключительной простотой обучения персонала, а также дешевизной способа;
высокой степенью экологичности, поскольку отсутствуют какие-либо электромагнитные облучения поверхности Земли, окружающих предметов, персонала и т.д.;
высокой помехозащищенностью в связи с применением узкополосной импульсной фильтрации шумового сигнала и фазовой демодуляции выделенных гармонических составляющих и также за счет отсутствия помех от собственных излучающих средств по причине их отсутствия ввиду пассивности способа и работе исключительно на прием;
высокой чувствительностью за счет возможности применения более высоких значений усиления сигнала по причине отсутствия влияния амплитудных помех ввиду применения фазовой демодуляции, за счет измерения шумовой компоненты поля по изменению заряда емкостной антенны, а также за счет отображения значений интеграла фазового сдвига.
Предлагаемое устройство для электромагнитной разведки, по сравнению с известными, в том числе, с прототипом, обладает следующими преимуществами:
более широкими функциональными возможностями, благодаря введению дополнительных элементов, соединенных предложенным образом, т.к. позволяет обнаруживать значительно более широкий спектр неоднородностей грунта различной природы и может использоваться в геологоразведке, поиске скрытых коммуникаций, в качестве миноискателя и дефектоскопа подземных трубопроводов;
высокой чувствительностью и помехозащищенностью, что позволяет реализовать более высокую точность поиска неоднородностей и позволяет локализовать их границы за счет введения дополнительных элементов, соединенных предложенным образом;
простотой, компактностью, малыми весогабаритными показателями по причине отсутствия передающих и излучающих блоков и малого потребления энергии, поскольку устройство является пассивным;
высокой технологичностью и отсутствием применения дефицитных деталей, что позволяет с минимальными затратами организовать массовое производство;
простота, безопасность и доступность эксплуатации, позволяющая проводить измерения без какой-либо специальной подготовки.
Формула изобретения: 1. Способ геоэлектромагнитной разведки, заключающийся в том, что регистрируют электрическую составляющую сигналов естественного электромагнитного поля Земли (ЕЭМПЗ) за счет того, что перемещают приемную антенну параллельно поверхности Земли, выделяют из всего зарегистрированного спектра по меньшей мере одну узкую полосу частот, отличающийся тем, что регистрацию сигналов ЕЭМПЗ проводят по регистрации его шумовой компоненты, а в выделенной узкой полосе частот измеряют фазовый сдвиг сигнала в процессе движения приемной антенны относительно значения его же фазового сдвига в начальной точке движения и по изменению величины фазового сдвига судят о неоднородности в грунте.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что измерение шумовой компоненты электрической составляющей ЕЭМПЗ осуществляют за счет того, что образуют электроемкость между землей и приемной антенной за счет того, что размещают ее над поверхностью Земли и измеряют шумовую компоненту электрического сигнала, пропорционального изменению заряда образованной емкости.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что измерение фазового сдвига производят накоплением.
4. Способ по п.1, или 2, или 3, отличающийся тем, что вычисляют интеграл фазового сдвига и по изменению его величины в процессе перемещения антенны судят о переходе через границу раздела сред, а по величине скорости его изменения судят о глубине залегания раздела сред.
5. Способ по п.1, или 2, или 3, или 4, отличающийся тем, что после перехода через границу раздела сред производят измерение, двигаясь в обратном направлении.
6. Способ по п.1, или 2, или 3, или 4, или 5, отличающийся тем, что локализацию мест повреждений подземных трубопроводов производят за счет того, что нагнетают жидкость в трубопровод, например воду, до тех пор, пока в местах повреждений не образуются пятна окружающего трубопровод грунта, пропитанного жидкостью, по меньшей мере в несколько раз превышающего диаметр трубопровода, и по результатам регистрации ЕЭМПЗ производят локализацию пятна мокрого грунта в месте утечки.
7. Устройство для геоэлектромагнитной разведки, содержащее чувствительный элемент, выполненный в виде антенны, предварительный усилитель, вход которого соединен с выходом антенны, перестраиваемый полосовой фильтр, вход которого соединен с выходом предварительного усилителя, анализатор с индикаторным элементом, генератор опорного сигнала и фазовый детектор, а анализатор содержит фильтр нижних частот, усилитель и интегратор, вход интегратора соединен с выходом фильтра нижних частот, а выход интегратора соединен с выходом индикаторного элемента, отличающееся тем, что в него введены усилитель переменного тока, вход которого соединен с выходом полосового фильтра, второй вход которого соединен с выходом генератора опорного сигнала, выход которого соединен также со вторым входом фазового детектора, введенного в анализатор, который является также вторым входом анализатора, первый вход фазового детектора является первым входом анализатора и соединен с выходом усилителя переменного тока, а выход фазового детектора соединен со входом фильтра нижних частот, в анализатор также дополнительно введен блок коррекции, выход которого соединен со вторым входом усилителя, который выполнен в виде усилителя постоянного тока, и кнопка сброса интегратора, соединенная со входом сброса интегратора, антенна выполнена ненаправленной и широкополосной и имеет размеры, пренебрежимо малые по сравнению с длинами принимаемых волн.