Можливості високочутливих магнітометрів POS при
проведенні геомагнітних зйомок
Л. А. Муравйов - інститут геофізики УрВ РАН
Розглянуто
питання застосування сучасних високочутливих магнітометрів POS при
проведенні магнітометричних зйомок з урахуванням варіації геомагнітного поля і
використанням супутникового топопрівязкі. Наведені результати натурної оцінки
точності визначення координат за допомогою портативного приймача GPS,
що працює спільно з магнітометрів.
Поява
високоточної магнітометричною апаратури дозволяє не тільки підвищити
якість, збільшити швидкість і здешевити отримання фактичної інформації про
просторових і часових змінах геомагнітних полів, але й дає
можливість здійснення недоступних раніше геофізичних експериментів.
Магнітометри POS, розроблені на фізико-технічному факультеті УГТУ-УПІ
є сучасним інструментом отримання інформації про геологічну
будові, тому введення їх в практику промислових розвідувальних робіт
представляє величезне значення.
Процесорний
оверхаузеровскій магнітометр POS має наступні метрологічні характеристики
[1]:
--
стабільність на рівні 0.02 нТл на рік,
--
поріг чутливості 0.002 нТл,
--
частота опитування один вимір в секунду,
--
працездатність в ураганних градієнтах до 10000 нТл/м.
--
математична (процесорна) обробка сигналу прецесії [2]
--
можливість оцінки точності вимірювання за допомогою параметра якості QMC [3].
Магнітометр
POS оснащується польових накопичувачем даних, з простим і зручним інтерфейсом,
що дозволяє зберігати і передавати результати вимірів на комп'ютер. До даного
накопичувача по стандартному інтерфейсу NMEA може бути підключений портативний
приймач супутникової системи позиціонування (GPS). Реалізована можливість
синхронізації годин накопичувача даних із всесвітнім часом (за допомогою GPS), і з
годинами варіаційної станції, у якості якої може бути використаний
аналогічний магнітометр POS. Дана стаття присвячена методичних питань
застосування зазначених магнітометрів при проведенні геомагнітних зйомок.
Облік варіації при проведенні магнітної зйомки
Вимірювання
проходять на тлі псевдовипадкових перешкод, зумовлених як явищами в іоносфері,
так і процесами, що проходять на поверхні, і в земній корі (варіації
геомагнітного поля). При проведенні магнітних зйомок, відповідно до інструкції по
магніторазведке [4] обов'язкова реєстрація варіації і введення з її урахуванням
поправок у виміряні значення. Як варіаційної станції може виступати
ще один магнітометр POS.
Середнє
квадратичне значення додатково вноситься в вимірювання похибки буде
залежати від тимчасового зсуву моментів включення пішохідного та варіаційного
приладів і спектральної щільності збурень геомагнітного поля.
Виконані
раніше теоретичні та експериментальні дослідження [5] показали, що для
отримання похибки на рівні одиниць пікотесли синхронність моментів
вимірювань повинна відрізнятися на мілісекунди (при часі рахунку приладом 1
секунда).
Апаратура
POS використовує внутрішні алгоритми обробки і усереднення сигналу за час
отримання одиничного відліку. У роботі [6] виконана натурна оцінка
необхідної точності синхронізації моментів вимірювання магнітного поля. Показано
що для мінімізації похибки необхідна жорстка електронна синхронізація
вбудованих годин приладів. В даний час в магнітометри POS ця
можливість реалізована.
Аналогічні
вимоги до одночасності вимірювань пред'являються в експериментах з
отримання відгуку в магнітному полі при штучному чи природному
термодинамічній впливі на геолого-геофізичну неоднорідність середовища.
Проведення магнітної зйомки спільно з іншими
геофізичними методами
Під
час проведення комплексу геофізичних робіт на о.Уруп (Курильські острови)
виявлено та проаналізовано вплив перешкод, що виникають при спільному
проведенні магніторазведкі і електророзвідувальні робіт методами
електрозондірованія і викликаної поляризації.
При
проведенні зйомки методом викликаної поляризації (апаратура Вирга) по живильної
лінії довжиною 1 км йде сигнал прямокутної форми, періодом 16 сек, силою струму
близько 1 А. Створюване цим змінним струмом магнітне поле спотворює виміряні
магнітометрів значення. На рис.1 показаний приклад вимірювання магнітного поля в
точці, розташованій на відстані 50 м від лінії живлення.
Рис.1.
Магнітне поле в 50 метрах від живильного проводу у методі викликаної поляризації
(ВП).
Додатково
вноситься на вимірювання похибка при цьому може досягати 1 нТл. На відстані
100 м від лінії живлення подібних амплітуда коливань, і додаткова похибка
не перевищують 0,1 нТл.
Даний
експеримент вказує на можливість виявлення за допомогою POS магнітометри
виключно малих змін магнітного поля.
Разом
з тим помітного впливу електророзвідувальні робіт методом вертикального
елетрозондірованія (ВЕЗ, установка Ера) на результати магнітної зйомки не
виявлено.
Застосування супутникової топопрівязкі
Сполучення
магнітометри з приймачем супутникової системи позиціонування дозволяє
істотно підвищити ефективність і оперативність виконання магнітних зйомок.
При цьому кожне вимірювання магнітного поля супроводжується прив'язкою точки
спостереження до географічних координат.
Використання
супутникової топопрівязкі дозволяє уникнути попередньої розбивки мережі
спостережень, а в разі її наявності - реалізувати режим безперервного збору даних
на знімальному маршруті, не тільки в пунктах мережі, але і між ними. Дані
записуються через дискретні проміжки часу безпосередньо в русі.
На
рис. 2 наведено зіставлення рядового і контрольного вимірювань в безперервному
режимі на фрагменті профілю загальною довжиною 15 км. Розбіжність пов'язано з
розбіжністю точок вимірювання поля при рядовому і контрольному проході. Необхідна
детальність на даному об'єкті становила 50 м (вимірювання на пікетах вказані
крапками), і з графіка видно що, не дивлячись на погрішності, пов'язані з
визначенням координат при русі, безперервний режим дозволяє отримати
додаткову інформацію і точніше виявляти геологічні структури, в
Зокрема у верхній частині розрізу.
Реєстрація
координат одночасно з вимірюваннями дозволяє провести експрес-картування
цікавить ділянки, а потім провести детальну зйомку аномальних областей,
повернувшись із записаних координатах.
Рис.2.
Вимірювання магнітного поля на профілі, а - рядове вимір, б - контрольне
вимір, у - вимірювання на пікеті.
Геодезичні
приймачі GPS, що володіють максимальною точністю позиціонування (до
декількох мм в диференціальній режимі), менш зручні у транспортуванні,
достатньо дорогі і вимагають додаткової обробки даних, тому
розглянута можливість застосування спільно з магнітометрів портативних
навігаційних приймачів GPS. Питання застосування їх в геофізичних роботах
розглянуті зокрема в [7] і [8].
Експериментально
похибка планової прив'язки навігаційним приймачем GPS вивчена під час
проведення комплексу геофізичних робіт на о.Уруп. Координати більше 400
пікетів, розташованих на двох ділянках 2? 2 км були записані навігатором Garmin
III +, зв'язаних з магнітометри, а також за допомогою геодезичних вимірювань (з
застосуванням тахеометра і геодезичних приймачів GPS Trimble). Вимірювання
координат проводилися в різний час протягом 3 місяців, на кожній точці
вимір бралося одноразово. Діаграми, що ілюструє різницю отриманих
координат, наведено на рис.3. Нулю відповідає <точне> вимір,
отримання топозйомка, точка зображує відхилення координат, отриманих
приймачем GPS Garmin від <точних>. Число визначень координат на
ділянках Купольний (а) і Айнська (б) склало 157 і 260, а середньоквадратичне
похибка 4 м і 2 м відповідно. Умови видимості супутників в районі
кожного пікету були різними, крім того, ділянка Айнська, в цілому відрізнявся
більшою відкритістю горизонту, ніж ділянку Купольний.
Рис.
3. Різниця між визначеннями координат за допомогою навігатора Garmin,
сполученого з магнітометрів і в результаті проведення геодезичних робіт для
двох ділянках з різною видимістю супутників, а - уч. Купольний, б - уч.Айнскій,
позначення осей - метри
Таким
чином, пару пішохідних геомагнітометров з навігаційним приймачем GPS
забезпечує проведення пішохідних магнітних зйомок, з точністю топопрівязкі
до декількох метрів, залежно від умов видимості супутників.
Подальше
поліпшення точності топопрівязкі можливо із застосуванням приймачів з більшою
чутливістю, виносних антен, а також математичних прийомів обробки
супутникових визначень координат.
В
найбільшому обсязі (420 км профілів через 1 км) методика безперервних вимірювань
була випробувана під час проведення робіт на магніторазведочних
Західно-Байкаловском ліцензійній ділянці (рис. 4, кольорова вкладка). Загальна
час, витрачений на польові роботи, склало 30 робочих днів, слід також
відзначити, що магнітометричних апаратура POS показала гарну роботу при
температурі до-30њ С.
Рис.
4. Карта магнітного поля Західно-Байкаловского ділянки, отримана
магнітометрів POS, зв'язаних з навігатором Garmin
Обробка результатів магнітної зйомки
Результати
вимірювань, що знаходяться в пам'яті накопичувача даних магнітометри передаються на
комп'ютер. У вигляді текстового файлу зберігається інформація про вимір
значенні магнітного поля, дату та час вимірювання, оцінку його якості і
прив'язка до пікету або координати.
Процедура
обробки включає перерахунок координат з геодезичних в прямокутну систему,
а також введення поправки за варіацію геомагнітного поля файлу даних
варіаційної станції. Зазначені дії виконуються в автоматичному режимі програмою
Surv (рис. 5). Крім того, дана програма дозволяє робити усереднення,
фільтрацію даних, виведення графіків.
Процедура
перерахунку координат точок вимірювання в плоскі прямокутні в прийнятій на
території Росії проекції Гауса-Крюгера виконана за ГОСТ Р 51794-2001, а в
плоскі у світовій системі UTM за формулами, зазначеними в [9].
Файл
результату містить всі вихідні дані, а також значення поля з поправкою за
варіацію і прямокутні координати кожного пункту виміру.
Рис.5.
Приклад робочого вікна програми обліку варіації Surv.
Проведення
режимних площинних спостережень геомагнітного поля.
При
точних вимірах як просторового розподілу так і варіацій
геомагнітного поля необхідно враховувати ефект ситуаційних мікроваріацій,
які можуть бути викликані електрокінетіческімі процесами, висиханням флюїда і
іншими можливими змінами, що відбуваються у верхній частині розрізу за час
спостереження.
На
території обсерваторії Арті закладений полігон [10], на якому з 2003 року
ведеться площинної моніторинг магнітного поля. Результати повторних майданних
зйомок показані на рис. 6. Проведення систематичних зйомок геомагнітного поля
дозволяє з'ясувати вплив зазначених факторів. Подібні дослідження необхідно
проводити при закладення пунктів довготривалих обсерваторскіх спостережень, а
також моніторингу вікового ходу геомагнітного поля за межами обсерваторій.
a
б
в
Рис.
6. Карти модуля магнітного поля геомагнітного полігону обсерваторії Арті, а --
2003 г, б - 2004 г, в - 2006 р
Таким
чином, застосування комплексу сучасних високочутливих магнітометрів
POS для проведення магнітних зйомок із супутниковою топопрівязкой і з урахуванням
варіації геомагнітного поля дозволяє не тільки підвищити точність, швидкість і
якість виконання магнітометричних робіт, але і вирішувати якісно нові
геофізичні задачі.
Список літератури
1.
Процесорний оверхаузеровскій датчик POS-1 (ПОС-1) Керівництво з експлуатації.
Лаб. КМ УГТУ. Єкатеринбург,
2000
2. Denisov A., Denisova O., Sapunov
V., Rasson J.L. Additional Measurement Algorithms in the Overhauser
Magnetometer POS-1// Xth IAGA Workshop on Geomagnetic Instruments, Data
Acquisition and Processing: Abstracts .- Hermanus Magnetic Observatory, South
Africa, 2002 .- P.269-274
3. Денисов А.Ю. Удосконалення цифрових ядерно-прецесійного магнітометрів: Дисс. канд. фіз.-мат. наук .- Екатеринбург, 2000 .- 134с
4.
Інструкція з магніторазведке. Наземна магнітна зйомка. Аеромагнітная зйомка.
Гідромагнітная зйомка. - Л. Недра. 1981
5.
Доломанскій Ю.К. та ін 4 Всесоюзний з'їзд по геомагнетизму. Тези доповідей.
Володимир-Суздаль, 1991.
6.
Муравйов Л.А. Вимоги до точності синхронізації моментів вимірювання магнітного
поля для виділення тектономагнітних сигналів. IV Уральская молодіжна школа з
геофізики. Навчально-наукові матеріали. - Пермь: Гірський інститут УрВ РАН 2003.
7.
Ильин Е.В., Ситникова А.А. Про можливість застосування навігаційних
GPS-приймачів при польових геофізичних дослідженнях. Уральський геофізичний
вісник N7 (сб.статей) Єкатеринбург: УрВ РАН, 2005 р.
8.
Муравйов Л.А., Денисова О.В. Можливості магнітометрів POS при виконанні
геомагнітних зйомок з використанням супутникового топопрівязкі. Збірник тез
Десятій Всеросійської наукової конференції студентів-фізиків та молодих вчених:
тези доповідей: У 2 т. Т.2. - Єкатеринбург - Красноярск: изд-во АСФ Росії,
2004 р., з 907-908
9. Epicentre Usage Guide.
Projections and Projected Coordinate Systems.
http://posc.org/Epicentre.2_2/DataModel/ExamplesofUsage/eu_cs34i.html
10.
Доломанскій Ю.К., Муравйов Л.А. Геомагнітний полігон обсерваторії Арті. 170 років
обсерваторскіх спостережень на Уралі: історія та сучасний стан. Матеріали
міжнародного семінару. Єкатеринбург, 2006
Для
підготовки даної роботи були використані матеріали з сайту http://geo.web.ru/
