Авиационная гравиметрия

[Главная страница][Выше][ Авиационная Гравиметрия ] Навигация ]

Применение гравиметрии для разведки полезных ископаемых
        Оборудование авиационной гравиметрии

                Инерциальная обзорная система
                        Процесс съемки
                                Техника аэрогравитационной разведки
                                        Обработка результатов измерений.
                                                Предварительная интерпретация результатов

                                                        Истолкование результатов
                                                                Что дальше ?

Смотрите также английскую страницу

Применение гравиметрии для разведки полезных ископаемых
Гравиметрическая (или гравитационная) разведка, часто называемая сокращенно гравиразведкой или гравиметрией, есть один из методов геофизической разведки, который основан на изучении свойств силового поля, создаваемого Ньютоновым притяжением масс горных пород, слагающих данный участок земной коры.
Общий характер распределения силы тяжести на земной поверхности может быть представлен одной из довольно простых формул для так называемой нормальной силы тяжести; но более детальное изучение гравитационного поля в любой части земной поверхности сейчас же выявляет ряд отступлений от этой нормальной формулы. т.е. ряд аномалий силы тяжести. Эти аномалии силы тяжести обусловлены главным образом неравномерным распределением масс в поверхностных слоях Земли. Как известно, в земной коре наблюдается чередование горных пород не только по вертикали, но и в горизонтальном направлении, причем плотности этих пород могут быть непостоянны в пределах одного пласта или горизонта, не говоря уже об изменении плотности при смене пород в разных стратиграфических подразделениях.
Поскольку аномалии силы тяжести зависят от распределения плотностей в земной коре, то отсюда и возникла возможность применения гравиметрии в геологии и горной разведке, иными словами - гравиметрическая разведка. Зная картину гравитационного поля в изучаемой области, можно ставить вопрос о нахождении по этой картине тех неоднородностей в земной коре, которые и вызвали появление этих аномалий, т.е. попытаться найти характер геологических структур данного района, наличие полезных ископаемых, элементы их залегания и т.д.
Применение гравиметрической разведки на нефтяных месторождениях очень часто сопровождается большими успехами, особенно на месторождениях, приуроченных к соляным куполам и антиклинальным поднятиям.
Условия для применения гравиметрической разведки на соляных куполах в большинстве случаев вполне благоприятны, потому что купола представляют собой тип крупной структуры с почти одинаковой до большой глубины плотностью и притом заметно отличающейся по плотности от окружающих пород к тому же очень часто верхние покрывающие купол породы довольно однородны, благодаря чему искажающее влияние их на наблюдающуюся гравитационную картину невелико. В специальной литературе достаточно подробно описаны результаты гравиметрической съемки и интерпретации соляных куполов в районе Эмбы, Блю-Ридж и Хоскинс Маунд (Техас) , Ахваз в Южном Иране, в Узбекистане, Северной Мексике, на реке Куре и др.
Однако, несмотря на очевидную ценность гравиразведки для поиска полезных ископаемых, ее применение до сих пор сдерживалось рядом причин технического свойства. Прибор для проведения гравиметрической съемки - гравиметр ,- представляет собой сложное высокоточное техническое устройство. Измеряемые гравиметрами величины столь малы, что для проведения съемки с точностью, достаточной для разведки полезных ископаемых, необходимо, по возможности, обеспечить идеальные условия работы прибора. Прибор устанавливается на специальном штативе, измерение проводится многократно с целью исключения случайных ошибок, что, естественно, снижает производительность работ. Кроме того в труднодоступных районах Земли проведение гравиразведки либо невозможно, либо сопряжено с такими материальными издержками, которые делают проведение подобных работ бессмысленным.
Авиационная гравиразведка решает эти проблемы, многократно повышая производительность съемки и делая доступным практически любые районы поиска полезных ископаемых, находящиеся в пределах досягаемости легкого самолета.
[наверх]

Оборудование авиационной гравиметрии
Идея авиационной гравиразведки воплотилась в реальность на рубеже 60-х - 70-х годов, когда появились компактные гравиметры, способные производить измерения с точностью 1...2 мГал. Принцип АГ столь же прост, сколь сложно его воплощение. Гравиметр устанавливается на борту самолета, который совершает облет местности. По результатам измерений составляется гравиметрическая карта. Однако устройство любого гравиметра таково, что он принципиально не в состоянии отличить ІполезныйІ сигнал, порожденный гравитационными аномалиями, от ІвредногоІ сигнала, порожденного движением самолета. При наземной съемке никакого движения нет, поэтому все измерение гравиметра является ІполезнымІ сигналом. При движении основания гравиметр измеряет как гравитационное ускорение, так и ускорения движения самолета. Поэтому на борту необходимо иметь какой-либо независимый датчик- измеритель движения транспортного средства. В настоящее время повсеместно используется
Gps.gif (5799 bytes)Глобальная позиционирующая система (GPS/GLONASS)
1. Орбитальный сегмент - спутники на орбитах;
2. Управляющий сегмент - наземные станции слежения;
3. Сегмент пользователя - приемник с антенной.

Задачей системы  является точное определение координат пользователя в любом районе Земли. Система GPS управляется военно-воздушными силами США, аналогичная система GLONASS находится в ведении аэрокосмических сил России. Находящийся у пользователя приемник, получая сигналы спутников, определяет координаты своего местоположения ( широту, долготу, высоту над уровнем моря), а также скорости движения (путевую и вертикальную). В настоящее время система GPS/GLONASS применяется повсеместно для навигации всех видов транспортных средств: от межконтинентальных авиалайнеров до участников ралли Париж-Дакар. Другое важное применение системы - геодезия и картография, определение границ землевладении (кадастров). Разработанные в настоящее время приемники не дороги, крайне надежны и очень просты в обращении. Последним достижением в области спутниковой навигации следует считать разработку компании Ashtech - приемник GG24, в котором впервые задействованы сигналы обеих: американской и российской навигационных системДля применения в авиационной гравиразведке приемник устанавливается на борту самолета , а антенна крепится снаружи на фюзеляже. Кроме этого для исключения собственных ошибок системы в предполагаемом районе съемки устанавливается так называемая базовая станция с таким же приемником. В процессе всего полета приемник фиксирует координаты и скорость движения самолета, которые записываются в компьютер и в дальнейшем используются при обработке данных.2gps.JPG (54074 bytes)
Однако, для того, чтобы гравиметр измерял именно ускорение силы тяжести, его ось чувствительности должна быть направлена строго по вертикали, тогда как динамика движения самолета даже в прямолинейном крейсерском полете такова, что он может достаточно произвольно менять свою ориентацию - углы крена, тангажа и рыскания. Для компенсации этого движения летательного аппарата применяется  [наверх]

Инерциальная обзорная система
Инерциальная обзорная система   является модифицированной инерциальной навигационной системой (ИНС) . ИНС входят в стандартный комплект навигационного оборудования любого тяжелого самолета и обеспечивают навигацию летательного аппарата, но, в отличие от GPS/GLONASS, без привлечения какой-либо внешней информации. Устройство ИНС таково, что в ней с помощью гироскопов реализована так называемая невозмущаемая платформа, которая физически поддерживает свое горизонтальное положение при любых поворотах Image52.gif (28683 bytes)(эволюциях) транспортного средства. На этой-то платформе и установлен миниатюрный высокоточный гравиметр. Благодаря тому, что ось чувствительности гравиметра постоянно поддерживается в вертикальном положении, оказывается возможным проведение гравиразведки с борта самолета.
В процессе съемки измерения гравиметра фиксируются компьютером совместно с данными спутникового навигационного приемника. [наверх]

 

Процесс съемки
Как уже упоминалось, аэрогравиметрическая разведка проводится с использованием данных спутниковой навигационной системы. Один и приемников размещается на борту самолета, другой - на базовой станции, которая располагается непосредственно в месте проведения съемки, либо поблизости к нему. Включение приемников и начало записи данных в них производятся не менее, чем за 20...25 мин до начала движения самолета по рулежным дорожкам аэродрома. Это вызвано применением специальной техники двойного дифференцирования при обработки GPS данных. Данная методика повсеместно применяется в геодезической съемке и обеспечивает точность позиционирования на уровне десятков сантиметров. Обычно для проведения всех операций достаточно двух человек - пилота и оператора. Они вместе разворачивают оборудование базовой станции, которое состоит из приемника GPS с антенной на штативе, переносного компьютера для записи данных GPS и источника питания (батарея 12В и бензиновый генератор для подпитки батареи). [наверх]

Техника гравитационной разведки.
Выбор самолета
для гравитационной разведки определяется исходя из оптимального сочетания летно-эксплуатационных характеристик и стоимости эксплуатации. Одним из основных требований для разведывательного самолета является его способность достаточно долгое время находиться в полете, имея на борту полный комплект оборудования и оператора. Обычно продолжительность полета составляет 4.5-5 часов, включая подлетное время от аэродрома до места съемки и обратно. С точки зрения повышения разрешающей способности желательно, чтобы крейсерская скорость полета на линии не превышала 70-90 м/с (~250-320 км/ч). В таком случае, имея скорость выдачи данных с гравиметра 1 раз в секунду, мы получаем одно измерение на каждые 70-90 м. Это весьма низкая скорость полета, доступна достаточно легким аэропланам. Кроме того, как известно, сила Ньютонового тяготения убывает обратно пропорционально расстоянию, следовательно для повышения точности надо придерживаться возможно низкой высоты полета, сообразуясь, безусловно, с рельефом местности, так как в течение съемки изменение высоты полета также недопустимо (это привносит неустранимые ошибки в показания гравиметра). Обычно высота полета составляет 60-100 м над уровнем земли.
В нашей практике мы использовали три вида самолетов : Cessna 310 , King Air C90.

Cessna 310
Image51.gif (35430 bytes)Cessna 310 (Рисунок 4) - это 6-ти местный двухмоторный самолет с поршневыми двигателями. Он способен развивать скорость в 400 км/час и при этом сохранять устойчивость на линии, двигаясь со скоростью 170 км/ч. Благодаря вместительным топливным бакам, расположенным на концах крыльев, самолет имеет запас хода порядка 6 часов. Если бы не тесная кабина, с трудом вмещающая все оборудование, этот самолет был бы идеальной машиной для гравитационной разведки. По-видимому более подходящим аппаратом для такого роды работы была бы Cessna 400-х серий (404, 414, 414), оснащенные такими же двигателями, но имеющие более вместительный салон.

King Air C90
Image49.gif (27171 bytes)Другой самолет King Air C90 (Рисунок 5) - 12-ти местный авиалайнером для местных авиалиний с двумя турбовинтовыми двигателями. Единственным его достоинством является вместительный салон. Ни по летным характеристикам, ни по экономичности он не подходит для гравитационной разведки.

 

Cessna Stationnier 6
stationeer6.JPG (20412 bytes)Легкий одномоторный самолет с просторной кабиной, позволяющей вместить все необходимое оборудование. К его неоспоримым достоинства относятся способность летать с низкой скоростью (от 40 м/сек) и низкая стоимость эксплуатации. Недостатком этого самолета является недостаточная мощность электропитания. [наверх]


Обработка результатов измерений
Описанный выше способ проведения авиационной гравиметрии с использованием гравиметра, установленного на платформе ИНС, не является нашей оригинальной разработкой и используется рядом зарубежных компаний и исследовательских центров. Однако все эти работы имеют исключительно геодезическое приложение ввиду того, что достигнутая точность в 4...5 мГал на линии в 40...50 км позволяет проводить работы по уточнению формы фигуры Земли (геоида), что несомненно так же является важной задачей преимущественно научного характера. Однако эта точность совершенно недостаточна для разведки полезных ископаемых. Только работы нашей группы принесли первые и пока единственные в мире реальные результаты, позволяющие вести геологическую гравитационную разведку.
В чем же причина успеха нашей работы? Дело в том, что при проведении гравиметрической съемки с борта самолета, как уже отмечалось, необходимо отделить движения летательного аппарата от "полезного" гравитационного сигнала. При этом измерения гравиметром движения самолета выступает как шум, из которого необходимо выделить исключительно слабый полезный сигнал. Даже в исключительно спокойной атмосфере, когда человек, располагающийся в кресле самолета, не ощущает тряски, вибрации и воздушных ям, соотношение полезный сигнал/шум обычно достигает уровня 1/(8000...10000). Кроме того поведение инерциального измерительного устройства, каковым является любой гравиметр, на подвижном основании требует учета определенных конструктивных особенностей прибора, известных только профессионалам в области инерциальной навигации. В таких условиях прямое применение традиционных подходов цифровой фильтрации к обработке измерительной информации не позволяет получить сколь-нибудь надежных результатов в авиационной гравиметрии. Сочетание многолетнего опыта разработки и эксплуатации инерциальных навигационных систем с абсолютно новыми нетрадиционными подходами к обработки информации позволило нам разработать алгоритмы, применеие которых обеспечило достижение уникальной точности авиационной гравиразведки - менее 1 mGall на линии 10...15 км, что вполне достаточно для поиска нефтяных полезных ископаемых.
В настоящее время применяется сложная 5-ступенчатая схема математической обработки, реализованная в виде программного обеспечения для персонального компьютера. По результатом вычислений может быть построена карта распределения гравитационного поля исследуемой местности. [наверх]

Предварительная интерпретация результатов
По окончании съемки всего участка проводится обработка полученной информации, построение карт. Обработка информации состоит в применении упомянутой многоступенчатой математической процедуры. Задача обработки состоит в том, чтобы отфильтровать из измерений гравиметра измерительные и прочие шумы и оставить только сигнал, пImage65.gif (59737 bytes)орожденный гравитационными аномалиями. В результате данной работы получаются серии данных.
С помощью специального программного обеспечения, разрабатываемого фирмами, специализирующимися на интерпретации геофизических данных, проводится построение карты гравитационных аномалий. На этой карте  представлен суммарный сигнал гравитационного поля, порожденный как искомыми неоднородностями горных пород, так и рельефом местности. В геофизике это называется аномалиями в свободном воздухе (free-air gravity anomaly). Для того, чтобы получить картину распределения плотности слагающих пород, в первом приближении необходимо вычесть из этих данных так называемую поправку за рельеф местности (terrain correction). Эта поправка может быть получена с помощью детального цифрового воспроизведения топографии зоны гравитационной разведки.   Рисунок выше позволяет сопоставить результаты авиационной гравиметрической съемки (слева) с результатами наземных измерений (справа).   Другим подтверждением точности измерений является сравнение Image66.gif (30965 bytes)результатов двух серий полетов над одной местностью (рисунок внизу). Карта слева получена по данным облетов поперек участка. Карта справа - вдоль. Полеты выполнялись в разные дни при различных погодных условиях. Такое соответствие результатов едва ли может быть случайным. [наверх]

Истолкование результатов гравиметрической съемки
состоит в решении так называемой обратной задачи гравиметрической разведки, т.е. в нахождении формы, размеров и элементов залегания масс по данным значениям вертикальной составляющей силы тяжести. В результате проведения общей аэрогравиметрической съемки мы получаем некоторое обобщенное представление о распределении аномалий силы тяжести в изучаемой области. Для большего успеха при истолковании результатов общей гравиметрической съемки необходимо использовать и весь другой имеющийся материал, будь то результаты иных геофизических съемок (магнитометрических, сейсмометрических и др.) или же чисто геологических изысканий.
В настоящее время опубликовано немало работ, посвященных истолкованию результатов гравиметрической съемки. Все они более или менее состоят в установлении некоторых соотношений между наблюдаемой картиной аномалий силы тяжести и геологическим строением и выводе из этого разного рода следствий. Однако представляется, что геофизическая интерпретация результатов аэрогравиметрии нуждается в новом осмыслении и выработке отличных подходов, исходя из специфики сбора и обработки данных. Специфика эта состоит прежде всего в том, что сбор данных производится с борта подвижного носителя со всеми вытекающими отсюда погрешностями. Однако следует учесть, что со времен начала использования гравиразведки для геологических изысканий инерциальная техника сделала огромный шаг вперед. Это относится как к совершенствованию конструкций гравиметров, так и к инерциальным навигационным системам. Появился даже специальный термин Inertial Survey System , что может быть переведено, как инерциальная обзорная система . Кроме того гигантский скачок произошел в развитии вычислительной техники и методов обработки информации. Возвращаясь к нашим подсчетам протяженности линий на участке съемки в 60ґ40 км (3700 линейных км.), и приняв среднюю скорость самолета на линии в 80 м/с, получим , что на означенном участке будет произведено 46250 измерений силы тяжести! Совершенно нереальное для наземной съемки число. Современная компьютерная технология и применение оригинальных алгоритмов обработки измерительной информации позволяют извлечь и этих измерений полезную гравиметрическую информацию.
Проведенные нашей группой испытательные и контрольные полеты, результаты которых частично представлены выше, показывают, что аэрогравиметрическая съемка для поиска полезных ископаемых стала реальностью. [наверх]

Что дальше ?
По истечении 6 лет работ по созданию оборудования для аэрогравиметрии и методов обработки летных данных мы абсолютно убеждены, что идея установить гравиметр на гиростабилизированную платформу была абсолютно верной. Более того, это, вероятно, единственно возможное решение для проведения воздушной гравитационной разведки. Теперь мы также уверены, что предел точности аэрогравиразведки также еще не достигнут. В некоторых полетах примененные методы обработки данных дали поистине удивительную точность - на уровне 0,2...0,4 мГал. Чтобы сделать такие исключительные результаты нормой, необходимо дальнейшее совершенствование гравиметрического оборудования.
Другим важнейшим результатом нашей работы является вывод о том, что применяемые методы обработки гравиметрической информации не менее важны, чем само оборудование. Можно показать, что любые модификации традиционно известных методов ведут к искажению данных и принципиально неприменимы для аэрогравиметрии. Таким образом, достижение точности аэрогравитационной разведки, приемлемой для поиска залежей твердых полезных ископаемых, уже не выглядит фантастикой.
[наверх]