Методы аэро-и аквагеофизики

Дистанционные методы (ДМ) — это комплекс исследований физических полей Земли, выполняемых приборами, находящихся на космических и воздушных носителях. С помощью ДМ можно получать информацию о строении земной поверхности, верхней части литосферы, происходящих в них процессах.

ДМ в зависимости от дистанционных носителей разделены на аэрокосмические (приборы установлены на космических аппаратах) и аэрогеофизические (приборы установлены на воздушных суднах).

Аэрокосмические методы:

• — Космофотосъемка (КФС);
• — Телевизионная съемка (ТС);
• — Инфракрасная съемка (ИК);
• — Радиотепловая съемка (РТ);
• — Радиолокационная съемка (РЛ) и др.

Аэрогеофизические методы:

• — Аэромагнитная съемка;
• — Аэрогравиметровая съемка;
• — Аэроэлектрометрическая съемка;
• — Аэрорадиометрическая съемка;
• — Аэротепловая съемка.

Важнейшей особенностью дистанционных съемок является возможность различной степени генерализации объектов и изменения обзорности (ширины полосы исследований), которые зависят:

• 1) от высоты орбиты космического носителя (от 180 до 1000 км) или летательного аппарата (от 500 до 10 000 м);
• 2) от типа аппаратуры и ее разрешающей способности, масштаба съемки.

В большинстве случаев, чем больше генерализация, тем меньше разрешение на местности.

Особенность ДМ в том, что с их помощью удается, как бы заглянуть внутрь литосферного пространства, получив структурные планы объектов, фрагменты которых только частично выделяются наземными съемками.

1. Краткие сведения об аэрокосмических съемках

Это съемки посредством фотографирования космофотосъемка (КФС) и аэрофотосъемка (АФС). Они разделяются на съемки в видимом и невидимом диапазоне частот, в первом случае при длинах волн = 0,35−12,5 мкм, а во втором — при длинах волн =1,5−14 мкм.

Физической основой фотосъемки в видимом диапазоне частот является изучение отраженного электромагнитного излучения по электромагнитным и тепловым свойствам. Используются фотоматериалы, позволяющие производить съемку в различных диапазонах светового спектра частот. Разрешающая способность КФС от 30 до 2 м.

Физической основой фотосъемок в невидимом диапазоне частот также является изучение отраженного электромагнитного излучения от природных и техногенных объектов, но в более низком частотном диапазоне. Это преимущественно инфракрасное излучение, которое как носитель информации близко к световому изображению. Длины волн >1 мкм. Приборы для производства инфракрасных съемок получаем название тепловизоров. При увеличении частоты до 300 МГц (< 1 м) фотосъемки в невидимом диапазоне частот получили название радиолокационных (радарных). Характер изображения здесь определяется шероховатостью растительного покрова, микрорельефом и рельефом.

Радиолокационные съемки позволяют обнаруживать разрывные нарушения, определять состав пород, картировать участки развития и деградации мерзлоты. В условиях высокого сопротивления зондирование радиолокационными съемками может осуществляться на глубину в несколько десятков метров.

Ультрафиолетовая и лазерная съемки используются для контроля загрязняющих компонентов приземных частот атмосферы, оценки воздействия промышленных объектов на окружающую среду. Датчиками являются лазерные сенсоры (лидары). Лидары способны обнаруживать отдельные атомы загрязняющих веществ. Лидары и лидарные станции могут устанавливаться на воздушных носителях, зданиях и мачтах, на передвижных наземных носителях.

Лидарные станции насчитывают помимо видимого канала, каналы ультрафиолетового и инфракрасного излучения. Канал ультрафиолетового излучения предназначен для контроля загрязняющих газов SO₂, NO_2, O₃, а канал ИК для контроля загрязняющих газов NH_3, C₂H₄ и O₃.

2. Краткая характеристика аэрогеофизических методов

Это методы, выполняемые с помощью приборов, установленных на воздушных суднах (самолетах, вертолетах, планерах). Аэросъемки проводятся в более крупных масштабах, нежели аэрокосмические. Основная задача — картировочные работы в геологии и геоэкологии. Масштабы съемок 1:200 000 — 1:25 000. Наибольшее распространение получили аэромагнитные, аэрогравитационные, аэрорадиометрические и аэроэлектроразведочные съемки. Созданы аэрогеофизические станции. В них имеются квантовый магнитометр, гравиметр, тепловизор, электроразведочная аппаратура, гамма-спектрометр. Последний является одним из основных модулей, предназначенных для разведки на глубинах до 100−200 м.

Перечисленные методы относятся к пассивной группе, где используются естественные геофизические поля. Другая группа методов, где изучаются искусственно вызываемые поля, получила название активной группы.

Пассивная группа включает методы всех геофизических полей, кроме сейсмометрии — методы аэрограви-, аэромагнито-, аэроэлектро-, аэротеплои аэрорадиометрии. Наибольшее применение имеют методы спектрорадиометрии, аэромагнитои аэроэлектроразведки.

Аэрорадиометрия, решающая задачи по картированию выходящих на земную поверхность геологических комплексов пород, используется в экологических целях для контроля радиационного фона. С помощью магнито-, электрои гравиразведки выполняется региональное картирование перспективных участков на различные полезные ископаемые, а также детальное изучение рельефа и, в мониторинговых целях, наблюдения за изменением геологических и географических изменений земной поверхности (оползневые процессы, вулканическая деятельность и т. д.). Картирование выполняется по традиционной для геофизических методов схеме, т. е. профили располагаются вкрест простирания изучаемых объектов. Расстояние между профилями определяется в соответствии с заданным масштабом. По этим же критериям оценивается высота съемки. Наиболее эффективны съемки с вертолетов, но они более дорогостоящие по сравнению с самолетами.

Варианты пассивных аэрогеофизических методов посредством использования естественных электромагнитных полей:

a. Аэровариант метода естественного электромагнитного поля, где изучается магнитотеллурическое поле в диапазоне частот f = 10²-10⁵ Гц.

Над однородным полупространством магнитотеллурическое поле имеет горизонтальную и близкую к круговой поляризацию. Наличие проводящих объектов вызывает появление вертикальных составляющих магнитного поля, а, следовательно, имеет место наклон плоскости поляризации поля.

Входной преобразователь: две взаимно перпендикулярные рамки, оси которых наклонены под углом 45 к горизонтальной плоскости. Разностный сигнал в этих рамках измеряется высокочувствительным устройством. При горизонтальной поляризации магнитного поля сигналы в рамках равны и их разность равна нулю. Если сигнал не равен нулю, значит, имеет место наклон плоскости поляризации магнитного поля. При высоте 200 м. (оптимальная высота) уровень аномалий-помех от приповерхностных неоднородностей невысокий. Глубинность метода большая. Хорошо выделяются протяженные проводящие объекты, а также крутопадающие пласты, в частности тектонические нарушения.

b. Аэроварианты метода радиокип.

Изучаются поля радиостанций в сверхдлинноволновом диапазоне (15−30 кГц). Существует несколько систем:

1) Измеряется активная (R_b) и реактивная (J_m) составляющие двух ортогональных компонент магнитного поля H_x и H_y, расположенных в горизонтальной плоскости. В качестве опорного сигнала используют вертикальную составляющую электрического поля E_z, которая слабо зависит от характера геоэлектрического разреза. Проводящие объекты выделяются на картах изолиний магнитного поля максимумами (), при этом вектор перпендикулярен к простиранию объектов. Наилучшие результаты, когда простирание структур параллельно распространению первичного поля.

Измерение активной и реактивной компонент горизонтального магнитного поля.

2) Измеряются активная (действительная) R_e H_z и реактивная (мнимая) Jm H_z компоненты вертикальной составляющей магнитного поля, при этом в качестве опорной принимают фазу ().

Измерение R_e H_z и J_m H_z компонент горизонтального магнитного поля Над электрически однородным разрезом первичное магнитное поле горизонтально. H_z связана с изменением геоэлектрического разреза в горизонтальном направлении. Метод эффективен при картировании электрически разнородных толщ.

3) Измеряют отношение сигналов H₁ и H₂ и судят о наклоне вектора магнитного поля. Установка точно такая же, как и в методе магнитотеллурического поля: две ортогональные рамки, наклоненные под углом 45 к горизонту.

Недостаток всех систем аэровариантов, основанных на изучении полей радиостанций — их чувствительность к рельефу и к неоднородностям в верхней части разреза: появляется большое число аномалий, связанных с нерудными объектами (зонами графитизации, тектоническими нарушениями и пр.).

Активная группа включает методы аэроэлектроразведки, так как имеется широкий круг возможностей для создания искусственных полей как по схеме «земная поверхность — воздушное пространство», так и по схеме «воздушное пространство — воздушное пространство». В первом случае искусственное поле создается на поверхности Земли. Например, на земной поверхности растягивается длинный кабель, который питается током низкой частоты. Этот кабель располагается вдоль простирания изучаемых геологических структур, а вкрест простирания пород размещаются профили геофизических наблюдений.

Кроме кабеля, в качестве источника поля может быть петля большого размера (сторона петли от 5 до 10−15 км). Что касается схемы «воздушное пространство — воздушное пространство», то в этом случае модуль возбуждения поля и модуль приема поля могут находиться как на разных суднах, так и на одном.

Варианты активных аэрогеофизических методов посредством использования искусственных электромагнитных полей:

а) Неподвижный источник поля, расположенный на поверхности земли (бесконечно длинный кабель, незаземленная петля).

В варианте бесконечно длинного кабеля, последний располагается прямолинейно длиной 10−40 км. и заземляется на концах. Питание кабеля на переменном токе.

Аэроэлектроразведочные системы с неподвижным источником поля. Аэровариант метода БДК Приемная рамка буксируется вертолетом на высоте h, изменяющейся от 50 до 70 м. вдоль профилей, ориентированных вкрест кабелю. Измеряется амплитуда и фаза () на нескольких частотах. Можно измерять R_e H и J_m H. Опорный сигнал, необходимый для работы фазочувствительных детекторов, передается от генераторной установки на борт самолета по радиоканалу. Область применения — геологическое картирование линейно вытянутых проводящих зон (тектонических нарушений), контактов крутопадающих пород, неглубоко залегающих хорошо проводящих руд.

В варианте незаземленной петли первичное поле возбуждают с помощью большой прямоугольной незаземленной петли со стороной 3−4 км.

Аэроэлектроразведочные системы с неподвижным источником поля. Аэровариант метода незаземленной петли.

Частота f = 100−700 Гц. Датчики поля две горизонтальные или вертикальные рамки Р₁ и Р₂, которые жестко скреплены между собой и буксируются выпускной гондолой. Измеряются в точках расположения рамок. Профили располагают вне петли перпендикулярно к длинной стороне. Длина профилей достигает 15 км.

б) Системы с жесткой базой.

Это методы дипольного индуктивного профилирования. Источник поля — питающий диполь (ПД) и датчик поля — измерительный диполь (ИД) жестко связаны между собой. ПД и ИД укрепляются на общей жесткой конструкции, которая буксируется на трос-кабеле.

Аэроэлектроразведочные системы с жесткой базой. Генераторный и измерительные диполи установлены на одном и том же носителе.

Аппаратура ДИП-ЖСК — дипольное индуктивное профилирование, жесткое крепление. Регистрируются составляющие переменного поля: и др. Частота 625 и 5000 Гц. За счет компенсации первичного поля рамки, измеряется только вторичное поле.

Аэроэлектроразведочные системы с жесткой базой. Генераторный и измерительный диполи в выносной гондоле (система ДИГЕМ) Длина гондолы 9 м. Генераторная рамка — горизонтальный диполь, ИД — три взаимно перпендикулярные рамки. Шесть каналов регистрации. Низкий уровень шумов за счет компенсации первичного поля, что обеспечивает высокую глубинность исследований.

в) Системы с разнесенными генераторным и измерительным диполями.

Аэроэлектроразведочные системы с разнесенными генераторными и измерительными диполями. Система ДИП ПД — на летательном аппарате. ИД — на гондоле в нескольких десятках метрах или на другом самолете. Преимущество систем — повышенная глубинность. Недостаток — изменения взаимной ориентации самолета и гондолы за счет воздушных потоков. Источник поля — горизонтальная многовитковая рамка, укрепленная на крыльях и физюляже самолета. Измерение с помощью 2^х ортогональных рамок, размещенных в гондоле. Область применения — геологическое картирование и помехи проводящих рудных залежей.

г) Аэроэлектроразведка МПП.

Аэровариант наземного метода МПП, т. е. дипольное индукционное профилирование с нестационарным магнитным полем.

Установка АМПП.

ГК — генераторный контур.

ИД — измерительный диполь.

ГК питается периодическими импульсами тока прямоугольной или полусинусоидальной формы. С помощью ИД изучается переходный процесс в паузах между импульсами тока. Измерения с различными задержками выполняются в процессе одного полета в отличие от наземного варианта. Следовательно, аппаратура многоканальная. Преимущество АМПП перед аэроэлектроразведкой, использующей гармонически меняющееся поле, — отсутствие первичного поля в момент измерения переходных процессов. Это исключает применения сложных приемов компенсации первичного поля. Но с другой стороны появляется необходимость компенсации паразитного сигнала от вихревых токов, наведенных первичным полем в металлическом корпусе летательного аппарата. Отечественная аппаратура 4^х канальная. Три канала одновременно регистрируют компоненты нестандартного поля на трёх временах задержки в интервале 0,5−3 мс, четвёртый канал контролирует помехи. Аппаратура рассчитана на поиски хорошо проводящих руд и реже применяется при геологическом картировании (малые задержки).

3. Аквальные геофизические методы

Это комплекс геофизических методов, которые выполняются в водной среде, и наибольшее значение из которых имеет морская геофизика, преимущественно предназначенная для изучения шельфа с целью поисков и разведки МПИ. Отдельный вид исследования — региональные исследования в водной среде, относящиеся к общей геофизике. Изучение деформации геофизических полей Земли в целом, как и в аэрометрии, выполняются с помощью плавсредств, начиная от крупных океанических и заканчивая лодками и катерами. Среди методов грави-, магнито-, электро-, радиои сейсмометрии наибольшее значение имеют исследования по сейсмои электроразведке, при том, что в отличие от аэрометодов более широко используются методы, основанные на искусственном возбуждении поля (морская и водная сейсмои электроразведка).

Классический пример по электроразведке:

Водная среда является идеальным проводником, следовательно, в ней легко производить возбуждения электромагнитного поля и проводить электроразведочные методы, относящиеся к профилированию или зондированию на глубину.

Пример электрического зондирования:

Используется ток низкой частоты. Изменяя расстояние l, осуществляется зондирование, т. е. чем больше расстояние, тем глубже проникает ток. Если транспортировать неизменную по размерам электроразведочную установку, то будет осуществляться электропрофилирование. Также возможны варианты по схеме «водная среда — береговая зона».