Апаратура для геофізичних досліджень

 

Вивчення розглянутих вище природних геофізичних і техногенних фізичних полів проводиться методами граві-, магніто-, електро-, сейсмо- і терморозвідки, а також ядерної геофізики. При цьому використовується апаратура, призначена для робіт з одним чи декількома методами. Геофізична апаратура відрізняється розмаїтістю. Принципи виміру тих чи інших параметрів фізичних полів регулярно обновляються через 5—10 років. Ведучою тенденцією безупинно обновляється техніки є підвищення завадостійкості, точності, комп'ютеризація процесів виміру і попередньої обробки отриманих матеріалів у ході проведення робіт.

4.2.1. Гравіметри і магнітометри. У гравірозвідці основним методом є гравіметрична (гравіметрова) зйомка. Вона проводиться за допомогою переносних гравіметрів, призначених для виміру збільшень (відносних значень) сили тяжіння Dg, тобто різниці між g_н у будь-якій точці спостереження, і величиною g у деякій вихідній опорній точці. Як опорні точки вибираються пункти гравіметричної сітки країни, які розташовуються в містах і великих населених пунктах, а часто на базі чи експедицій партій. Величина Dg є різницею відліків по приладу в усіх точках у порівнянні з опорною.

Чутливим (вимірювальним) елементом гравіметрів є кварцова чи пружина кварцова нитка (іноді їхні комбінації), що знаходиться в так званому астазованому, чи напружено-нестійкому пружному, стані. Еталонна маса (наважка), підвішена на пружині чи нитці, під дією сили тяжіння відхиляється від положення рівноваги. Різниця таких відхилень на будь-якому пункті спостереження і на вихідній точці, відлічувана по шкалі спеціальної оптичної системи, дозволяє розрахувати Dg. Чутливість сучасних гравіметрів міняється від 0,1 до 0,005 мГал (1 Гал = 1см/с²), а величина Dg/g =10^-7—10^-8.

В даний час розподіл сили тяжіння на суші й в океанах одержують також за допомогою спостережень за траєкторіями супутників (альтіметричні спостереження). Відхилення орбіт супутників від теоретично розрахованих для однорідно-шаруватого еліпсоїда обертання, яким у розрахунках представляється Земля, дозволяє обчислити розподіл сили тяжіння на Землі. Для роботи в океанах і на морях використовуються донні і набортні гравіметри.

Магнітні виміри проводяться за допомогою наземних (польових), літакових, корабельних, свердловинних магнітометрів, призначених для визначення відносних (збільшень стосовно опорного чи вихідного пункту) значенні повного вектора напруженості геомагнітного поля (Тн, DТн) чи повного вектора магнітної індукції (Т = mТн, де m — магнітна проникність середовища). Деякі магнітометри призначені для визначення вертикальних складових вектора Тн (Zн, DZн)

Раніш напруженість геомагнітного поля вимірялася в гамах (1 g = 10^-5 Е, де 1 Е (ерстед) дорівнює 103/ 4p А/м). Сучасними магнітометрами виміряється магнітна індукція, а одиницею виміру вважається нанотесла (нТл), рівна 10^-9 Тл. Магнітна індукція, дорівнює 1 нТл, відповідає напруженості поля в 1 g.

Історично першими для виміру DZн використовувалися прилади, що діють на основі взаємодії магнітної стрілки з геомагнітним полем. При вимірі DZн стрілка кріпилась на горизонтальній пружній нитці. Її нахил, пропорційний DZн реєструвався за допомогою оптичної системи. Оптико-механічні магнітометри такого типу забезпечували чутливість до 4—5 g.

Магнітометри, робота яких заснована на вимірі нелінійної залежності магнітної проникності феромагнітних сплавів від величини, що намагнічує поля, називаються ферозондовими. У них є "магнітний міст", що складається з двох стержнів, розташованих в котушці з обмотками, поверх яких розташована третя вимірювальна котушка. Якщо по проводах котушки пропустити струм відомої амплітуди і частоти, то у вимірювальній обмотці виникає електрорушійна сила (ЕРС), пропорційна напруженості геомагнітного поля. Досягнута чутливість ферозондових магнітометрів DТн або DZн складає 2—4 g.

Робота ядерно-прецесійних (протонних) магнітометрів заснована на визначенні частоти прецесії протонів (ядер водню) навколо повного вектора напруженості геомагнітного поля, чи магнітної індукції Т. Процес виміру складається з "підмагнічування" судини з водневовміщуючою рідиною (гас, спирт), який міститься в обмотку котушки, що живиться від батарейки. Ядра водню, є елементарними магнітиками, встановлюються по полю, створеному електромагнітом. Якщо відключити батарейку, то протони прецесують, обертаючи, як дзиґа, і встановлюються уздовж вектора Т, індукуючи в котушці ЭДС, частота якої пропорційна Т. Чутливість протонних магнітометрів складає одиниці нанотесла.

Прилади іншого типу діють на основі квантових ефектів, що полягають у зміні частоти електромагнітного випромінювання, що виникає при переході електронів атомів речовини з одного енергетичного рівня на іншій (так званий ефект Зеємана). Якщо за допомогою визначеного впливу "змусити" частину електронів в атомах піднятися на верхній рівень, а потім забрати вплив, то електрони синхронно опустяться на колишній рівень. У результаті такого переходу виникають електромагнітні сигнали на частоті, обумовленої квантовими характеристиками речовини і напруженістю геомагнітного поля Т. Магнітометри, засновані на цьому принципі, називаються квантовими. Чутливість подібних магнітометрів при вимірі Т близько 1 нтл.

В апаратурі для аеромагнітної і гідромагнітної зйомок (ферозондових, протонних, квантових магнітометрах) еРС, які отримані на виході датчиків, підсилюються і реєструються на аналогових (видимі стрічки з вимірами параметрів поля) чи цифрових (сигнали записуються в цифровій формі, як в електронних обчислювальних машинах) реєстраторах.

4.2.2. Апаратура для електророзвідки і терморозвідки. При глибинних і структурних дослідженнях земної кори (глибина розвідки понад 500—1000 м) використовуються різні електромагнітні зондування (ЕМЗ). Як вимірювальну апаратуру при їхній постановці служать польові лабораторії електророзвідувальних станцій (ПЛ-ЕРС). Вони призначені для реєстрації електричних (Ех, Еу) і магнітних (Нх Ну, Нz) компонентів природного чи штучно створеного поля в широкому діапазоні наднизьких і низьких частот (від 0,01 до 100 Гц) з похибками вимірів до 10 мкв. Реєстрація Е здійснюється через заземлену на кінцях лінію МN (гальванічний вимір), а для реєстрації Н використовуються незаземлені прийомні петлі площею q, індукційні датчики чи спеціальні магнітометри (індукційні виміри).

В електромагнітних зондуваннях штучними (керованими) гармонійними чи імпульсними (сходинкоподібними) полями як джерело струму використовуються генераторні групи електророзвіувальних станцій (ГГ-ЕРС). Напруга на виході генераторної групи до 1000 В може видаватися на ряді стандартних фіксованих частот f: 0,019; 0,038; 0,076; 0,15; 0,31; 0,62; 1,22; 2,44; 4,88; 9,76; 19,5; 39; 78; 156 Гц при максимальній силі струму до 100 А.

Електромагнітне поле в Землі створюється чи за допомогою живильних електродів, заземлених на відстані АВ (гальванічне збудження), чи за допомогою незаземленої генераторної петлі площею Q (індукційне збудження). Як заземлення А и В використовуються десятки металевих штирів довжиною 0,5—1 м, а іноді бурові шнеки довжиною 7—15 м. Останні забурюються за допомогою самохідної бурової установки. Електроди АВ і петля Q підключаються проводами з гарною ізоляцією до генераторної групи, і за допомогою амперметра в них виміряється сила живильного струму I.

При виконанні ЕМЗ генераторна група УГЕ-50 може використовуватися разом з цифровою польовою лабораторією електророзвідувальної станції, наприклад, типу ЦЕС-М чи з переносним вимірювальним приладом типу ЕІН-204.

Електроровідувальний вимірник напруг ЕІН-204 є цифровим комп'ютеризованим мікровольтметром для виміру різниці потенціалів DU на МN чи в петлі q у межах від 10 мкв до 1 В на перерахованих вище частотах.

Вбудований мікропроцесор забезпечує комп'ютерну обробку сигналів (посилення, фільтрацію, реєстрацію).

Вивчення невеликих, глибин (до 500 м) проводиться чи за допомогою ЕІН-204 з портативним генератором, що працює хоча б на одній з перерахованих частот, чи апаратурою на постійному або низькочастотному перемінному (до 20 Гц) струмі, наприклад ЕРА чи АНЧ-3.

Електроровідувальна апаратура ЕРА — це переносний універсальний багатоцільовий комплект приладів, що складає з двох генераторів, що працюють на частотах 0; 4,88 і 625 Гц зі стабілізаційним струмом від 0,1 до 200 ма, і вимірника напруг у діапазоні від 0,3 мкв до 2 В.

Апаратура низької частоти АНЧ-3 складається з переносних генератора і мікровольтметра, що працюють на частоті 4,88 Гц. Вони призначені для гальванічного збудження поля за допомогою заземлень АВ (зі стабілізованим струмом І величиною 10; 31,3 і 100 ма) і виміру різниць потенціалу DU на заземленнях МN (в інтервалі від 10 мкв до 1 В).

Для електророзвідки на малих глибинах (до 100—200м) використовуються індуктивні наземні і повітряні методи електророзвідки з гармонійним (з частотою до 10 кгц) і імпульсним (тривалість імпульсів десятки мілісекунд) порушенням поля і виміром магнітних його компонентів. З цією метою створюються різні малосерійїні комплекти апаратури, що складаються з генераторів і мікровольтметрів.

За допомогою високочастотних радіохвильових методів можна вивчати саму верхню частину розрізу (10—30 м). Для цього використовуються різні радіопередавачі і радіоприймачі, що працюють у діапазоні наддовгих (частота понад 10 кгц), довгих (f > 100 кгц), середніх (f > 1 мГц) і коротких (f > 2—10 МГц) хвиль. При рішенні екологічних задач серед цих методів становлять особливий інтерес методи георадіоконтролю на частотах близько 1 МГц і георадара на частотах 50-150 Мгц.

Надвисокочастотні методи (f >300 МГц) знаходяться на стику електророзвідки і терморозвідки. Апаратурою для них служать реєстратори радіотеплового, інфрачервоного і радарного випромінювань з довжиною випромінюваних радіохвиль у повітрі від 1 мкм (f = 3×10⁸ МГц) до 1 м (f = 300 МГц). Аерокосмічні радіотеплові й інфрачервоні зйомки (РТЗ і ІЧЗ) земних ландшафтів виконуються за допомогою тепловізоров, що складаються з фоточутливого елементу (фотодетектора), що сприймає електромагнітне випромінювання визначених інтервалів мікрометрових хвиль. Висока чутливість і безінерційність фотодетектора забезпечується поміщенням його в охолоджуючий пристрій з дуже низькою температурою (< -200°С), наприклад у судину з рідким гелієм чи азотом. Отримані сигнали перетворяться в електричні, котрі після посилення чи передаються на екран телевізора, чи на інший носій (оптичний, магнітний), чи, після кодування, на ЕОМ. У тепловізорах мається скануючий електронно-механічний пристрій для орієнтації фотодетектора перпендикулярно руху носія, що забезпечує можливість бічного чи кругового огляду.

При терморозвідці крім тепловізорів використовуються різного роду електричні і напівпровідникові термометри, що забезпечують можливість зміни температур у шпурах, шпарах, донних опадах з точністю біля 0,1⁰С.

4.2.3. Сейсмічна і сейсмоакустична апаратура. Сейсмічна апаратура призначена для реєстрації пружних хвиль від природних (землетрусу) чи штучних джерел (вибухи, невибухові джерела).

Для цілодобової реєстрації пружних хвиль від землетрусів на обсерваторіях (їх у світі понад 200) використовуються сейсмографи. Конструктивно вони складаються з інертної маси, підвішеної на пружині у твердому масивному корпусі. Пружні хвилі викликають коливання корпуса, тоді як інертна маса прагне зберегти своє положення. Якщо до інертної маси приєднати механічний записуючий пристрій, наприклад перо, що легко доторкається паперу, закріпленого на корпусі обертового барабану, то можна одержати сейсмограму. Крім такого механічного способу запису існують оптичні чи електромагнітні способи автоматичної реєстрації сейсмічних хвиль від землетрусів.

В сейсморозвідці порушення пружних хвиль іноді проводиться вибуховим способом. Вибухова речовина масою від декількох десятків кілограм до десятків тонн розміщується у свердловини і підривається електродетонатором. Зі збільшенням маси глибинність зростає від сотень метрів до сотень кілометрів.

Як альтернативні джерела в сейсморозвідці використовують: 1) удари по земній поверхні молотком, чи кувалдою за допомогою падаючого вантажу (глибинність відповідно росте від десятків до сотень метрів); 2) імпульсні газовибухові джерела, що представляють собою циліндр, у якому при підриві пропану в кисні внаслідок газової детонації рухається поршень, що вдаряє по земній поверхні; 3) імпульсні збудники від високовольтних електроіскрових джерел, розряд яких у воді створює пружну хвилю; 4) вібраційні пневматичні чи гідравлічні датчики, що діють за принципом перфораторів чи гідравлічних домкратів, і ін. Глибинність розвідки за допомогою джерел останніх трьох типів міняється від декількох сотень метрів до декількох кілометрів.

В сейсморозвідці уловлювання пружних коливань ґрунту і перетворення їх в електричні сигнали виробляється сейсмоприймачами. Вони схожі на сейсмографи, але побудовані на індукційному чи п'єзоелектричному принципі, тобто електричні сигнали виникають у котушці, що рухається усередині магніту, чи унаслідок виникнення п'єзоелектричних зарядів на особливих кристалах при зміні тиску на них. Електричні сигнали на виході сейсмоприймачів дуже малі (порядку 1—10 мкв), тому вони підсилюються електронними підсилювачами, що здійснюють також фільтрацію перешкод, і записуються оптичним ними магнітним реєстратором.

Сукупність сейсмоприймачів, підсилювачів і пристроїв, що реєструють, зветься сейсмічним каналом чи каналом запису. У сейсмічних (сейсморозвідувальних) станціях, які монтуються на автомашинах чи кораблях, буває від одного-двох до сотень ідентичних каналів, а сейсмоприймачі з вихідними від них проводами з'єднуються в сейсмічні коси. Іноді сигнали від сейсмоприймачів на станцію, що реєструє, передаються по радіоканалу.

Багатоканальний запис необхідний для того, щоб безупинно по площі простежувати і розділяти різні пружні хвилі, що приходять від різних об'єктів. Він може бути або прямим (запис ведеться на електротермічному чи звичайному рулонному фотопапері реєстратора), або відтвореним (реєстрація здійснюється на широкій магнітній стрічці спеціального магнітофону). Прямий і відтворений записи бувають аналоговими, коли розгортка сигналів у часі здійснюється у видимій формі, чи цифровими, коли сигнали кодуються в двоякому коді, як в ЕОМ, і записуються на магнітофон. За допомогою графобудівників (плотерів) цифрові магнітограми можна перетворювати в аналогові сейсмограми. Частотний діапазон пружних коливань при сейсморозвідці міняється від часток герца до декількох кілогерців.

Таким чином, сучасна сейсмостанція для геофізичної розвідки — це складний вимірювальний комплекс, що фактично представляє спеціалізовану ЕОМ. Він містить наступні блоки: набір сейсмоприймачів, підсилювачів, реєструюючих голівок по числу каналів у станції; комутатор каналів; перетворювачі аналогового запису в цифрову і назад; цифровий магнітний і аналоговий реєстратори; блоки живлення і контролю роботи станції. Існують різні типи сейсмічних станцій, що відрізняються інтервалами вивчення глибин, числом каналів, технологією робіт (наземні, морські, свердловинні).

Для деяких морських і свердловинних досліджень, а також лабораторних вимірів пружних властивостей зразків гірських порід використовуються різні сейсмоакустичні станції, що працюють у діапазоні від десятків до сотень кілогерців.

4.2.4. Апаратура, яка використовується в ядерній геофізиці і при комплексних аерогеофізичних дослідженнях. З альфа-, бета-и гамма-випромінювань найбільшою проникаючою здатністю володіють гамма-промені. Для реєстрації інтенсивності гамма-випромінювання Іg служать радіометри (наземні, автомобільні, літакові). Як детектор гамма-випромінювань у сучасних радіометрах використовуються сцинтиляційні лічильники. У них під дією радіації виникають спалахи світла. За допомогою спеціального фотомножника вони перетворюються в потік електронів, а потім підсилюються і реєструються. У спектрометричних радіометрах є можливість визначати енергію гамма-променів, що забезпечує поділ випромінювань на уранову, торієву і калієву складові, котрі характеризуються своїми середніми значеннями і спектром енергій випромінювань.

На вимірі інтенсивності альфа-випромінювання І a заснована робота еманометрів, призначених для вивчення концентрації радону в повітрі, що накачується в спеціальну сцинтиляційну камеру еманометра з ґрунту чи приземної частини атмосфери.

Для поелементного хімічного аналізу гірських порід у зразках чи масиві (оголення, гірське вироблення, свердловина) використовуються різноманітні прилади, застосовувані в ядерно-фізичних (ізотопних) методах, робота яких заснована на вивченні фізичних явищ, що відбуваються при штучному опроміненні гірських порід гамма-променями і нейтронами різних енергій (Бондаренко й ін., 1998).

4.2.5. Апаратура для свердловинних і лабораторних вимірів фізичних властивостей гірських порід. Особливим розділом геофізики, призначеним для вивчення фізичних властивостей гірських порід в білясвердловинному просторі, є геофізичні методи дослідження свердловин (ГДС), які називаються також буровою, промисловою геофізикою чи каротажем. Вони забезпечують вивчення порід у радіусі до декількох метрів від осі свердловини без відбору зразків порід (керна). Однак при відборі керна з основних опорних горизонтів з наступними лабораторними аналізами інформативність ГДС різко зростає.

Принципи пристрою датчиків поля для свердловинних вимірів такі ж, як і в розглянутих вище методах прикладної геофізики. Апаратурою для ГДС служать автоматичні каротажні станції (АКС чи АГІС). В каротажній станції, змонтованої на одних-двох автомашинах, є наступне устаткування:

— спуско-підйомний пристрій, що включають лебідку, що працює від двигуна автомобіля, і блок-баланс для спуска і підйому свердловинного приладу, що з'єднується багатожильним кабелем з апаратурою, що реєструє;

— свердловинний прилад (каротажний зонд), що має живильні і вимірювальні електроди чи пристрої для створення того чи іншого фізичного поля і виміру його параметрів;

— підсилювально-реєструюча апаратура, приймаючи сигнали і записуючи їх у вигляді каротажних діаграм (графіків залежності вимірюваного параметра від глибини). Записи бувають аналоговими (на рулонному папері чи магнітній стрічці) чи цифровими, призначеними для обробки за допомогою комп'ютерів, який звичайно комплектуються АКС.

Змінюючи каротажні зонди, можна проводити геофізичні дослідження різними методами, тобто в ГДС легко реалізувати комплексування методів.

До ГДС відносять методи обстеження просторів (цілин) гірських порід між свердловинами і гірськими виробками шляхом просвічування масивів електромагнітними й акустичними хвилями (підземна геофізика). Переміщаючи послідовно випромінювачі і приймачі в сусідніх свердловинах чи виробках, можна оцінити зміни електричних і пружних властивостей по променях між ними. Технічні засоби для просвічуванні і прозвучування, у принципі, відрізняються від розглянутих вище приладів для польових наземних і свердловинних спостережень лише конструктивно. Подібна по пристрої й апаратура сейсмічної (СЕ) і електромагнітної (еМе) емісії, призначена для вивчення природних акустичних і електромагнітних полів, обумовлених зміною геодинамічних умов масивів гірських порід під впливом природних і техногенних факторів. При зміні гірського тиску (навантажень чи розвантажень) у породах спостерігається "розтріскування", що і супроводжується появою пружних і електромагнітних полів сейсмічної, п'єзоелектричної й іншої природи.

Апаратура для лабораторних вимірів фізичних властивостей гірських порід працює на основі тих же принципів, що й у прикладній і свердловинній геофізиці. Однак при зіставленні отриманих даних з обмірюваними в природних умовах (у масиві) варто враховувати коефіцієнти фізичної подоби, відомі в теорії фізичних полів.