Главная » Публикации » Крупномасштабная аэрогравиметрическая съемка на вертолете

Крупномасштабная аэрогравиметрическая съемка на вертолете

Автор(ы): Могилевский В.Е., Павлов С.А.

Последние годы в мире наблюдается повышенный интерес к аэрогравиметрии – измерению силы тяжести на борту летящего самолета (вертолета).

Метод имеет ряд несомненных преимуществ перед традиционными гравиметрическими съемками:  быстрота получения материала, высокая экономическая эффективность (особенно при работах в труднодоступной местности – горные районы, заболоченная тундра, акватории морей) и возможность изучения поля силы тяжести в трехмерном пространстве (на разных высотных уровнях).

За рубежом (США, Канада, Австралия) исследования проводятся как в государственных структурах (Lamont-Doherty Earth ObservatoryUS National Science Foundation и др.), так и в крупных коммерческих компаниях (Carson Services, Edcon Aero Surveys, Sander Geophysics,  Fugro LCT).

В России основные работы по внедрению аэрогравиметрии в практику геолого-геофизических исследований проводит ЗАО «ГНПП Аэрогеофизика».  Только в 2005-2009 гг. было выполнено более 1 000 000 пог. км съемки в различных регионах России на площади 800 000 кв. км.

Центральной проблемой аэрогравиметрии является исключение воздействия на измерительную систему ускорений летательного аппарата — помехи, величина которой может в десятки тысяч раз превышать амплитуду аномалий силы тяжести. К ее решению адаптированы все основные составляющие съемки: аппаратура, методика измерений, приемы обработки данных.

Основным видом аэрогравиметрических работ «ГНПП Аэрогеофизика» являются среднемасштабные (1:100 000 – 1:200 000) съемки, выполняемые на самолетах Ан-26 или Ан-30. Их аэродинамика позволяет проводить устойчивый полет – необходимое условие съемки — со скоростью 300 км/час при слабом и среднем уровне турбулентности воздуха.

Пространственное разрешение карт аномалий силы тяжести, получаемых при полетах с такой скоростью составляет 3.5-4 км. Это достаточно для съемок масштаба 1:100 000, но не соответствует требованиям, предъявляемым к гравиметрическим съемкам более крупного масштаба.

Поэтому, когда был получен заказ на выполнение аэрогравиметрической съемки в Узбекистане масштаба 1:50 000, стало ясно, что провести ее можно только на вертолете, обладающем существенно меньшей, чем самолет скорость полета.

Подобные работы в России еще не проводились, но было очевидно, что условия измерений силы тяжести на самолете и вертолете различны. Поэтому на стадии подготовки были проведены специальные тестовые полеты для оценки возможности такой съемки. В качестве летательного аппарата был взят вертолет Ми-8, как наиболее доступный в России и странах СНГ.

Оказалось, что на вертолете вертикальные возмущающие ускорения – основной фактор, определяющий погрешность съемки —  имеют существенно меньшую величину, чем на самолетах. На самолете среднеквадратическое значение ускорений составляет обычно 20 – 30 Гал, а на вертолете 5 -10 Гал. Более компактная конструкция и отсутствие больших плоскостей крыльев делает вертолет менее чувствительным к неоднородным восходящим потокам воздуха в приземном слое.

Однако на вертолете существенно выше уровень вибрации даже при установке на несущем винте специальных виброгасителей. Измерения, выполненные при разных режимах полета показали, что оптимальной для аэрогравиметрической съемки является  скорость 150-160 км/час.  С увеличением скорости уровень вибрации в салоне уменьшается, однако при этом теряется основное преимущество использование вертолета – большее пространственное разрешение съемки по сравнению с самолетным вариантом.  Вибрация на рабочих скоростях достаточно велика (рис. 1), однако демпфирующая система аэрогравиметра МАГ-1М с ней справляется.

Рис. 1  Спектр вертикальных виброускорений на вертолете Ми-8 при скорости полета 160 км/час

Этот гравиметр (рис. 2) создан в ЗАО «Гравиметрические технологии» и в настоящее время является одним из лучших в мире. Его активно используют для своих работ под именем GT-1 ведущие зарубежные съемочные компании.

Чувствительным элементом комплекса МАГ-1 является пробная масса в виде плоской катушки в зазоре дифференциальной магнитной системы. Изменения силы тяжести  компенсируются контуром с отрицательной обратной связью. Компенсационный ток преобразуется в частотный сигнал, пропорциональный приращению силы тяжести.

Рис. 2  Аэрогравиметр МАГ-1М в салоне вертолета.

Для минимизации влияния горизонтальных ускорений, гравиметрический датчик размещен на гиростабилизированной платформе, обеспечивающих удержание осей чувствительности гравиметров вдоль местной вертикали при изменениях курса и скорости летательного аппарата. В используемом стабилизаторе применен шулеровский метод коррекции положения гравиметра, введением в команды управления сигналов, формируемых в бортовом вычислителе. Кроме того, имеется система непрерывной интегральной коррекции с использованием внешней  спутниковой информации о широте места и скорости летательного аппарата.

Серьезной проблемой явился выбор места установки антенны спутниковой навигационной системы, с помощью которой измеряется траектория летательного аппарата и определяются возмущающие ускорения, воздействующие на гравиметр. Антенна, с одной стороны, должна быть по возможности вблизи точки измерения поля силы тяжести, а, с другой, не находиться в области радиотени от конструктивных элементов вертолета, включая лопасти несущего винта. В итоге, удалось разместить антенну на втулке несущего винта над лопастями (рис. 3) , что позволило до минимума сократить ее удаленность от аэрогравиметра, установленного в центре масс вертолета под винтом, и одновременно уверенно принимать спутниковые сигналы.

Рис. 3  Спутниковая антенна на втулке несущего винта. Желтые конструкции – виброгасители лопастей.

Сама съемка была проведена в апреле-июне 2007 году  в Республике Узбекистан над урочищем Барсакельмес (рис. 4) на плато Устюрт в 100 км к юго-западу от Аральского моря. Площадь района работ – 3000 кв. км.

Рис. 4  Район аэрогравиметрической съемки на вертолете Ми-8

Барсакельмес представляет собой впадину, ограниченную обрывистыми стенками высотой несколько десятков метров с практически плоским дном. Значительная часть впадины покрыта соляными отложениями в виде озер рассола, грязи или высохших пластов (рис. 5). Местность труднопроходима и мало пригодна для наземных геофизических работ.

Рис. 5  Урочище Барсакельмес

Измерения выполнялись по сети рядовых и ортогональных им опорных маршрутов. В процессе съемки для минимизации возмущающих ускорений не допускались маневры летательного аппарата. Поэтому съемка выполняется на постоянной барометрической высоте – минимально возможной при условии обеспечения безопасности полетов, в нашем случае — на  высоте 300 м над уровнем моря или  80 … 230 м над физической поверхностью.

При аэрогравиметрических работах измерения проводятся по более густой сети профилей, чем при обычных (аэромагнитных) съемках. Этим достигается избыточность данных, которая позволяет при обработке исключить остаточное влияние возмущающих ускорений. В этих работах расстояние между рядовыми маршрутами составило 250 м, между опорными – 2.5 км.  Всего  измерения были выполнены  на 18 000 пог. км. Продолжительность работ — два месяца.

Обработка аэрогравиметрических данных имеет свои особенности [2].

Выполняется она в два этапа: сначала рассчитываются аномалии Фая вдоль съемочных профилей; затем строятся цифровые модели поля силы тяжести в различных редукциях.

Для профильной обработки используются алгоритмы и программы, разработанные сотрудниками «Лаборатории управления и навигации» Механико-математического факультета МГУ им. Ломоносова [1]. Обработка заключается в учете с максимально возможной полнотой всех возмущающих ускорений и введении необходимых поправок. Решение этой задачи выполняется на основе многомерной линейной регрессии.

Результаты подвергаются адаптивной, калмановской фильтрации на интервале 80-100 сек. Пространственное разрешение этой процедуры по граничной частоте соответствующей передаточной функции при скорости 160 км/час составляет 1.5-2.0 км. Иными словами, все реальные аномалии силы тяжести с такими и большими горизонтальными размерами будут находить свое отражение в результатах съемки.

Выполненная таким образом обработка исключает влияние возмущающих ускорений на 99.99 – 99.995 %. Оставшиеся 0.01 – 0.005 %  — это, в абсолютных значениях, погрешность на уровне 0.3 … 1 мГал, в зависимости от уровня турбулентности воздуха («болтанки»)  в полете.

Для получения приемлемых точностей съемки остаточное влияние ускорений надо снизить еще в несколько раз или, в нашем случае, до 0.1- 0.2  мГал.

Это достигается с помощью специальных процедур построения сетей, использующих избыточность исходных данных, полученную за счет уплотнения сети съемочных профилей.

Алгоритм программы кратко можно описать следующим образом:

— все съемочные профиля, включая опорные, совершенно формально делятся на две группы,  с четными и нечетными номерами. Межмаршрутное расстояние в каждой группе составляет 500 м;

— полученные значения формируют две идентичных матрицы, которые рассматриваются как результаты независимых друг от друга съемок;

— выполняется сравнение полученных реализаций и итерационный процесс поиска в них повторяющихся структур (аномалий): сначала самых крупных (региональных), затем все более мелких;

— все повторяющиеся структуры обеих реализаций объединяются в итоговую сеть аномалий;

— неповторяющиеся составляющие поля рассматриваются как остаточные погрешности съемки.

В итоге были построены карты аномалий силы тяжести в различных редукциях.  На рис. 6, 7  представлена карта аномалий Буге с плотностью 2.67 г/см3 и локальная составляющая этих аномалий.

Для учета притяжения топографических масс при вычислении аномалий Буге была сформирована цифровая модель высот физической поверхности с разрешением (размером ячейки) 200 метров на площади 200 000 кв. км, обеспечившая учет форм рельефа в радиусе 200 км. Для площади съемки использовались данные GPS и высотомера, для дальней зоны – топографические карты.  Вычисления выполнялись по алгоритму Страхова В.Н. [3]

В отсутствии высокоточных наземных измерений, которые могли бы быть использованы в качестве эталонных, оценка погрешности была проведена по сходимости  между собой цифровых моделей поля, полученных по разреженным сетям профилей. Среднеквадратическое значение их разностисоставило 0.36 мГал.

Далее следуем законам статистики.

Поскольку дисперсия суммы (разности) двух независимых случайных величин равна сумме их дисперсий, стандарт каждого слагаемого — случайной погрешности в аномалиях Буге по разреженной сети профилей — составляет 0.25 мГал (в 2 раз меньше стандарта разности).

Значения итоговой карты аномалий силы тяжести являются средними арифметическими значений поля по разреженным сетям и имеют погрешность в 2 раз меньше погрешности слагаемых, т.е. 0.18 мГал. Эту величину мы принимаем за оценку погрешности определения аномалий.

Вычисленная таким образом погрешность по своей природе близка, хотя и не идентична, погрешности интерполяции.

На основе полученных материалов с привлечением данных бурения и сейсморазведки было проведено геолого-геофизическое моделирование исследуемой площади и локализованы участки, наиболее перспективные на обнаружение углеводородов.

Литература

1  Болотин Ю.В., Голован А.А., Парусников Н.А.   «Особенности камеральной обработки в задаче авиационной гравиметрии»,Разведка и охрана недр, Москва, 2006, № 5.

2.  Могилевский В.Е.  Особенности обработки аэрогравиметрических данных. Статья на этом сайте.

3. Страхов В.Н., Лапина М.И.  «Прямая и обратная задача гравиметрии и магнитометрии для произвольных однородных многогранников»// Киев, 1983.