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

Основные вопросы доклада: 1. Существует ли электрическое поле в воздухе при работах методом сопротивлений? 2. Возможно ли его измерение? 3. Возможно ли обнаружение подземных объектов при измерениях электрического поля в воздухе? 4. Технология и аппаратура. 5. Примеры работ в полевых и городских условиях. 6. Заключение.

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?

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.

(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 Электрическое поле в земле и в воздухе

(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 Электрическое поле в земле и в воздухе

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 «R IN » микровольтметра и переходные сопротивления зазем- лений «R M » и «R N ». Из уравнения на Fig.3 следует, что при благоприятных условиях заземлений входное напряжение «U IN », измеряемое микровольтметром, почти равно « U». В этом случае сумма сопротивлений «R M +R N » достаточно мала по сравнению с входным сопротивлением « R IN ». По результатам измерений « U» и известной длине «a» приемной линии легко вычислить значение напряженности «E X » горизонтальной составляющей электрического поля: E X = U /a.

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 «C M » и «C N » приемных электродов.

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 «C IN » напряжение «U IN » 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.

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 Гц. При разработке аппаратуры «ЭРА» в качестве основной была выбрана частота 625 Гц, обеспечивающая бесконтактное возбуждение и измерение электрического поля.

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 Аномальные электрические поля в воздухе

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

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 м. Эф- фективная длина телескопи- ческой воздушной антенны ( Fig.6 d) может быть выбрана в диапазоне м.

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.

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).

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

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) Технология и аппаратура

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. 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. 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: 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; 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; сокращение затрат труда при уменьшении состава полевых бригад; расширение потенциальных возможностей методов за счет ис- пользования векторных измерений электрического поля в воздухе. расширение потенциальных возможностей методов за счет ис- пользования векторных измерений электрического поля в воздухе Примеры работ в полевых и городских условиях

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 Примеры полевых работ

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 Примеры полевых работ

Новая установка ВЭЗ для малых и средних глубин ( м) Журнал Геоэкология, инженерная геология, гидрогеология, геокриология, 2005, 5, p.p 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 ρ 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

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 Примеры полевых работ

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.

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 м 2, 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 ( 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

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