'

Mетод сопротивлений без заземлений

Понравилась презентация – покажи это...





Слайд 0

Mетод сопротивлений без заземлений Б.Г. Сапожников Институт геоэкологии РАН Санкт-Петербургское отделение


Слайд 1

Основные вопросы доклада: Существует ли электрическое поле в воздухе при работах методом сопротивлений? Возможно ли его измерение? Возможно ли обнаружение подземных объектов при измерениях электрического поля в воздухе? Технология и аппаратура. Примеры работ в полевых и городских условиях. Заключение.


Слайд 2

1.1. Метод сопротивлений. Электрическое поле в земле (1) На Fig.1 показаны изолинии потенциала и линии тока электрического по-ля двух заземленных электродов «A» и «B». Этот рисунок обычно ис-пользуют для объяснения теоретических основ метода сопротивлений. Формулы (1) описывают электрическое поле постоянного тока в земле. Однако картина поля не является полной. Здесь не показаны линии электрического поля в воздухе. Воздух можно рассматривать как иде-альный изолятор, препятствующий протеканию гальванического тока. По-этому с помощью линий тока невозможно изобразить электрическое поле в воздухе. Означает ли это отсутствие в воздухе электрического поля?


Слайд 3

1.2. Электрическое поле в земле и в воздухе (2) Для того, чтобы ответить на этот вопрос рассмотрим Fig.2. Картина электрического поля и формулы (2) описывают общий случай, соот-ветствующий двум однородным полупространствам с удельными сопро-тивлениями «?1» и «?2». Вычисляя предел формул (2), нетрудно убедиться в том, что они пере-ходят в формулы уравнений (1) и позволяют определить электрическое поле, как в земле, так и в воздухе. Картина электростатического поля в воздухе (изолинии потенциала и линии напряженности поля) оказывается зеркальным отражением элек-трического поля постоянного тока в земле, как показано на Fig.2.


Слайд 4

(2) Из рассмотрения Fig.2 следует, что горизонтальная составляющая элек-трического поля в центральной части линии «AB» одинаково медленно уменьшается при перемещении точки наблюдения в обе стороны от поверхности раздела земля-воздух. Это означает, что высотная зависимость для этой составляющей поля чрезвычайно мала. Этой зависимостью вполне можно пренебречь, когда наблюдения проводятся на высотах 1-5 % от длины линии «AB». Вертикальная составляющая электрического поля в воздухе в центральной части линии «AB» много меньше горизонтальной составляющей. 1.3. Электрическое поле в земле и в воздухе


Слайд 5

(2) Таким образом, при измерении электрического поля в воздухе вблизи границы раздела земля-воздух очевидной физической предпосылкой предложенного усовершенствования является известное равенство тан-генциальных составляющих электрического поля по обе стороны гра-ничной поверхности. Это позволяет заменить контактные измерения электрического поля (с применением заземленных электродов) бесконтактными измерениями с использованием приемных электродов-антенн. Последние либо вообще не имеют гальванического контакта с землей, либо этот контакт очень плохой. 1.4. Электрическое поле в земле и в воздухе


Слайд 6

2. Измерение электрического поля в земле На Fig.1 (слайд 3) показана обычная заземленная приемная линия «MN». Та же линия изображена на Fig.3 в увеличенном масштабе. Эквивалентная электрическая цепь линии «MN» (Fig.3) содержит ЭДС «?U» (разность потенциалов между приемными электродами), входное со-противление «RIN» микровольтметра и переходные сопротивления зазем-лений «RM» и «RN». Из уравнения на Fig.3 следует, что при благоприятных условиях заземлений входное напряжение «UIN», измеряемое микровольтметром, почти равно «?U». В этом случае сумма сопротивлений «RM+RN» достаточно мала по сравнению с входным сопротивлением «RIN». По результатам измерений «?U» и известной длине «a» приемной линии легко вычислить значение напряженности «EX» горизонтальной составляющей электрического поля: EX = ?U /a.


Слайд 7

3.1. Измерение электрического поля в воздухе На Fig.2 (слайд 6) показана неза-земленная приемная линия с двумя одинаковыми электродами «M» и «N». На Fig.4 та же линия пред-ставлена в увеличенном масштабе. Как и в случае заземленной приемной линии, разнос «a» здесь равен рас-стоянию между центрами приемных электродов. Разнос «a» - эффектив-ная длина приемной антенны . Линия «MN» изготовлена из двух равных отрезков изолированного провода. Она может непосредственно лежать на земле («стелющаяся» линия), либо может быть поднята на значительную высоту над землей. Каждый из элек-тродов приемной линии приобретает потенциал эквипотенциальной линии, проходящей через его центр. Эквивалентная электрическая цепь линии «MN» (Fig.4) содержит ЭДС «?U» и емкостной делитель напряжения, образованный входным импедансом микровольтметра и собственными емкостями «CM» и «CN» приемных электродов.


Слайд 8

3.2. Измерение электрического поля в воздухе Для того, чтобы обосновать выбор рабочей частоты, рассмотрим экви-валентную электрическую схему приемной линии на Fig.4. На постоянном токе сигнал на вхо-де микровольтметра равен нулю. С повышением частоты входная цепь микровольтметра трансформирует-ся в частотно-независимый дели-тель напряжения. При достаточно малой входной емкости «CIN» напряжение «UIN» на входе микровольтметра практически равно измеряемому значению ЭДС «?U». Вычисления напряженности переменного электрического поля могут быть сделаны с помощью простой формулы, приведенной ранее для заземленной приемной линии. При выборе рабочей частоты приходится учитывать следующие противоречивые требования.


Слайд 9

3.3. Измерение электрического поля в воздухе С одной стороны, использование низких частот обеспечивает боль-шую глубинность исследований ме-тодом сопротивлений. С другой – чем выше рабочая частота, тем легче обеспечить эф-фективную защиту от специфи-ческих для бесконтактных изме-рений сигналов-помех, связанных с вибрацией электродов-антенн при-емной линии. Вибрационные помехи на входе микровольтметра обусловлены элек-тризацией изоляционных покрытий проводов приемной линии. Эти помехи имеют значительную амплитуду импульсов и существенно низкочастотный спектр. Выполненные исследования определили оптимальную полосу частот 20-3000 Гц. При разработке аппаратуры «ЭРА» в качестве основной была выбрана частота 625 Гц, обеспечивающая бесконтактное возбуждение и измерение электрического поля.


Слайд 10

Остановимся на природе аномальных электри-ческих полей в воздухе, наблюдаемых при рабо-тах по методике бесконтактных измерений элек-трического поля (БИЭП). На Fig.5 показан ограниченный на глубину верти-кальный пласт высокого удельного сопротив-ления, являющийся причиной аномального поля. Пласт находится в нормальном электрическом поле с горизонтальной поляризацией. Вследствие этого вертикальные стороны пласта приобретают стационарные электрические заряды разных зна-ков. Это вызывает в земле аномальные электрические токи, которые не должны проникать в изолятор (воздух). Поэтому на границе земля-воздух формируются статические электрические заряды, препятствующие проте-канию электрического тока из земли в воздух. Распределение этих зарядов полностью определяется аномальными токами в земле. В свою очередь наблюдаемое в воздухе электрическое поле статических зарядов отражает наличие в земле аномального объекта. 4.1. Аномальные электрические поля в воздухе


Слайд 11

На Fig.5 показаны графики горизонталь-ной «EX» и вертикальной «EZ» составляю-щих аномального электрического поля в воздухе вблизи поверхности раздела сред земля-воздух. Нетрудно заметить, что эти кривые аналогичны графикам горизонтальной «HX» и вертикальной «HZ » составляющих аномального магнитного поля над вер-тикальным пластом, намагниченным в земном поле с горизонтальной поля-ризацией (вблизи экватора). 4.2. Аномальные электрические поля в воздухе


Слайд 12

5.1. Технология и оборудование При работах по методике БИЭП используются приемные незаземленные линии, пока-занные на Fig.6. В зависимости от требуемой детальности исс-ледований они имеют разные длины и различную кон-струкцию. Например, на Fig.6b представ-лена асимметричная стелю-щаяся приемная линия, вы-полненная из изолированного провода длиной 10-100 м. Эф-фективная длина телескопи-ческой воздушной антенны (Fig.6d) может быть выбрана в диапазоне 0.5-1.5 м.


Слайд 13

5.2. Технология и оборудование При использовании стелющейся приемной линии в качестве одного из приемных электродов может выступать оператор (Fig.7), переносящий микровольтметр. В этом случае клемма «N» микро-вольтметра соединяется с металлическим браслетом, закрепленным на руке оператора.


Слайд 14

5.3. Технология и оборудование На Fig.8 показаны схемы питающих линий установок градиента: a – обычная установка с заземленными питающими электродами; b, c – незаземленные установки: b – «емкостная» (незамкнутая петля), c - «индуктивная» (замкнутая петля).


Слайд 15

5.4. Технология и оборудование На Fig.9 сопоставлены конструкции заземленной (a) и незаземленной (b) дипольно-осевых установок: «A’A» – питающие линии; «MN» – приемные линии. Для работ с незаземленной установкой вместо 4-х достаточно двух человек.


Слайд 16

Частотный диапазон аппаратуры «ЭРА-В»: 0, 4.88, 625 Гц, диапазон изме-рений: 3 мкВ-2000 мВ, выходное напряжение генератора до 1.5 кВ. В комплект аппаратуры входят «активные электроды» (в виде отдельных блоков и в составе воздушной антенны) с входной емкостью 0.1 пФ и входным сопротивлением 20 ГОм). На Fig.10 показана последняя версия аппаратуры «ЭРА» - «ЭРА-МАКС» разработанная Л.И. Дукаревичем и выпускаемая под его руководством научно-производственным предприятием НПП «ЭРА». Transmitter Receiver Fig.10 Для работ по методике БИЭП автором и под его руководством разработано и выпущено несколько серий аппаратуры - «БИКС-75», Электро-Разведочная Аппа-ратура «ЭРА-625» и «ЭРА-В» (общее количество комплек-тов более 300). 5.5. Технология и аппаратура


Слайд 17

Метод сопротивлений без заземлений, предложенный автором в 1963 г., успешно использовался в СССР и работает в России при геологическом картировании, в гидрогеологии и инженерной геологии, при геоэкологических и археологических исследованиях. В 1981 г. методика БИЭП утверждена для применения на территории СССР министерством геологии. Аппаратура и методика БИЭП отмечены 2-мя серебренными медалями ВДНХ. Новая технология существенно повышает возможности методов сопротивлений и заряда. Она применяется в вариантах профилирования (дипольная и градиентная установки), зонди-рования, 3-х мерных векторных измерений с вращающимся элект-рическим полем и др. Преимущества технологии: повышение эффективности методов сопротивлений и заряда в областях с неблагоприятным поверхностным покровом: каменные осыпи («курумы»), сухие пески, снежно-ледовый покров, асфальтовые и бетонные покрытия; сокращение затрат труда при уменьшении состава полевых бригад; расширение потенциальных возможностей методов за счет ис-пользования векторных измерений электрического поля в воздухе. 6.1. Примеры работ в полевых и городских условиях


Слайд 18

На Fig.11 сопоставлены графики кажущихся сопротивлений зазем-ленной (a) и незаземленной (b) дипольно-осевых установок. Саяны, 1975 г.: 1, 3, 4 – метаморфические породы, 2 – тектонические зоны, 5 – известняки. 6.2. Примеры полевых работ


Слайд 19

На Fig.12 представлены зим-ние и летние электроразве-дочные работы методом соп-ротивлений с установкой сре-динного градиента. Приемная линия «MN» – воз-душная антенна с эффектив-ной длиной 1 м. Длины пи-тающих линий «AB» – 600 м. Зимняя съемка выполнена по льду Онежского озера. Центральная Карелия, 1980 г. 6.3. Примеры полевых работ


Слайд 20

Новая установка ВЭЗ для малых и средних глубин (1-2000 м) Журнал “Геоэкология, инженерная геология, гидрогеология, геокриология”, 2005, № 5, p.p.454-462 Стандартная интерпретационная программа IPI2WIN ( МГУ, Бобачев A.A.) Особенности высокая степень защиты измерений от индукционной и емкостной помехи малые размеры и большая детальность съемки (длина новой установки почти в два раза меньше симметричной) увеличение производительности съемки (перемещается только приемный электрод “M”, все другие электроды заземляются только один раз) малая численность полевой бригады (1-2 человека вместо 3) возможность бесконтактных измерений (при плохих условиях заземлений) Схемы установок ВЭЗ Индукционные помехи с новой и симметричной установками ВЭЗ а – разрез “?к”; b – геоэлектрический разрез; 1 – сухие четвертичные отложения, 1500 Омм; 2 – конгломераты зоны аэрации, 300 Oмм; 3 – глины, 20 Oмм; 4 – водонасыщенные конгломераты, 50?60 Oмм; 5 – мергель (водоупорный слой), 5?7 Oмм. Экспериментальные (a, b) и теоретические (c) кривые ВЭЗ: a, c – новая установка ( помехи отсутствуют ); b – симметричная установка (значительные помехи искажают интерпретацию); c – теоретическая кривая ВЭЗ (новая установка); d – параметры 2-х слойного геоэлектрического разреза; 1, 2 – сухой (1) и влажный (2) аллювий; 3  – мергель (водоупорный слой) a – симметричной, b – новой ( с генератором в линии MN ), 1 – измеритель, 2 – генератор, 3 – электроразведочная катушка с проводом Интерпретация ВЭЗ (новая установка) Испания, Эль Сальтадор


Слайд 21

На Fig.13 показаны результаты зондирований с заземленными и неза-земленными установками ВЭЗ при выборе створа плотины Чагаянской ГЭС на р. Зея: a – сравнение кривых ВЭЗ для различных частот и установок; b – профиль ВЭЗ с геологическим разрезом. Амурская область, 1996 г. 1- лед, 2- вода, 3 – аллювий, 4 – элювий, 5 – известняки. 6.4. Примеры полевых работ


Слайд 22

6.5. Примеры работ в городских условиях На Fig.14 изображена карта кажущихся удельных сопротив-лений дорожного покрытия го-родского проспекта в зоне аварийной утечки водопровод-ной линии высокого давления (диаметр водовода 1 м). Ос-новной поток изливающейся воды проходил по железобе-тонному коробу городской теп-лотрассы. Однако, метод сопротивлений показал, что часть водного потока прошла под асфальтовым покрытием в виде 2-х рукавов водонасыщенного грунта (зоны 1, 2). Санкт-Петербург, 1999 г. 1- зоны водонасыщенного грунта; 2 – водовод с локализацией утечки; 3 – линия канализации; 4 – теплотрасса; 5 – поребрик тротуара.


Слайд 23

6.6. Примеры работ в городских условиях На Fig.15 представлены ре-зультаты работ с заземлен-ными установками по локали-зации мест протечек подзем-ного бетонного канала сброса сточных вод. Длина канала бо-лее 60 м, сечение 3х3 м2, глу-бина до верхней кромки 1 м. Область утечки (Fig.15а) уста-новлена по данным метода срединного градиента как об-ласть низких значений кажу-щихся сопротивлений (0.5-15 Oм.м). Места протечек в западной и восточной стенках канала определены с помощью ВЭЗ. Разрезы кажущихся сопротивлений ВЭЗ для внешней (pr.58) и внутренней (pr. 20, 18, 16) зоны области утечки показаны на Fig.15b. На этом примере видно, что при изучении малых глубин метод сопро-тивлений является вполне достойным конкурентом георадиолокации. Fig.15


Слайд 24

7. Заключение Метод сопротивлений без заземлений - реальность! Он живет и работает в России уже более 30 лет.


×

HTML:





Ссылка: