Главная » Публикации » Технические средства для дистанционных исследований

Технические средства для дистанционных исследований

Автор(ы): Бабаянц П.С., Контарович О.Р.   

Развитие аэрогеофизических съемок, как составной части технологий геологического картирования, поисков месторождений полезных ископаемых, экологических исследований и мн. др., основывается прежде всего на постоянном совершенствовании их аппаратурно-технического, программного и методического обеспечения. Современный высокий технологический уровень мировой аэрогеофизики и ее возрастающая популярность в горнодобывающей и газово-нефтяной индустрии, экологических исследованиях, дистанционном мониторинге состояния технических сооружений, во многом определяется постоянным усовершенствованием применяемой техники в направлениях повышения качества и детальности наблюдений и снижения затрат на проведение работ.

Помимо общего для всей промышленности процесса обновления технологий в аэрогеофизике имеется некоторая специфика т.к. использование авиационных носителей определенным образом влияет на конструкторские идеи разработчиков аэрогеофизической аппаратуры. Это связано с тем, что авиация традиционно была потребителем самых передовых технологий и эта традиция оказывает влияние на аэрогеофизическое приборостроение. Достаточно вспомнить первые опыты применения для нужд аэрогеофизики спутниковых навигационных систем, лазерных радиовысотомеров, персональных компьютеров промышленного назначения и т.п. — все эти новейшие конструкции оказывались в составе аэрогеофизических комплексов сразу же после их появления на рынке.

Одним из важнейших стратегических принципов деятельности и развития ГНПП «Аэрогеофизика» является применение самых передовых доступных технических средств и технологий для проведения аэросъемок, их модернизация с привлечением ведущих специалистов предприятия или страны. Этот подход существовал еще во времена СССР. Но и после прекращения централизованного финансирования программ технического перевооружения отрасли «Аэрогеофизика» тратит большую часть получаемой прибыли на разработку, приобретение и внедрение современных технических средств и технологий.

Аппаратура для дистанционных методов

Аэромагнитометрия — традиционный метод в аэрогеофизических исследованиях, применяющийся для решения весьма широкого класса геологических и других задач. В последнее десятилетие, в связи с интенсивным использованием квантовых (в основном цезиевых) датчиков, существенно повысилась чувствительность приборов и частота измерений. В настоящее время чувствительность в 0,001 нТл при 10 измерениях в секунду является практически отраслевым стандартом в Мире.

В ГНПП «Аэрогеофизика» в 70-х годах использовались отечественные квантовые БТМ, КАМ-28 и протонный ЯМБ-3 магнитометры, и протонные магнитометры G-801/3B фирмы Geometrics и фирмы Zander, обеспечивая чувствительность 1 нТл при 1 измерении в секунду. Применялись варианты жесткого крепления магниточувствительных датчиков с аналоговыми компенсаторами и варианты магниточувствительных датчиков, буксируемых в гондолах.

В 1994 году впервые в нашей стране ГНПП «Аэрогеофизика» приобрела и начала использовать в производственной съемке новейший аэромагнитометр фирмы Scintrex с цезиевым датчиком CS-2 с разрешающей способностью 0,001 нТ и с частотой измерения 10 раз в секунду. Впоследствии «Аэрогеофизика» финансировала разработку собственных аэромагнитометров такого класса под названием «АЭРОМАГ», которые теперь не только используются в нашем предприятии, но также два таких изделия поставлены в компанию «Алмазы России-Саха» и там успешно применяются для поисков кимберлитов.

В целях выполнения съемочных работ для поисков углеводородов в ГНПП «Аэрогеофизика» в 1996 году был проведен ряд опытно-методических полетов на самолете Л-410 с использованием жесткого крепления датчика магнитометра с канадским феррозондовым компенсатором девиации. Использование оригинальных программ постобработки данных компенсатора, созданных в нашем предприятии, позволило скомпенсировать девиацию, связанную с эволюциями летательного аппарата, до уровня сотых долей нанотеслы. Магнитная очистка самолета в комплексе с таким цифровым компенсатором девиации позволяет выполнять аэромагнитную съемку для поисков нефти и газа на уровне самых высоких требований ведущих отечественных и западных нефтяных компаний.

Кроме бортовой аппаратуры в ГНПП Аэрогеофизика разработана и используется базовая вариационная станция, совмещенная с приемником GPS. Она обладает высокими эксплуатационными характеристиками, отвечающими и даже превосходящими современный мировой уровень подобных изделий.

Аэрогамма-спектрометрия — после интенсивного применения в стране и за рубежом для поисков месторождений радиоактивного сырья, отражающегося в гамма-поле достаточно контрастными аномалиями , в настоящее время ориентирована на высоконадежное картирования распределений радиоактивных элементов на кларковом уровне для решения многих геологических и экологических задач.

Проводя аэрогамма-спектрометрические съемки с 1972 года ГНПП «Аэрогеофизика», в сотрудничестве с Всесоюзным институтом минерального сырья, сконструировало целую серию аэрогамма-спектрометров АГС — 4 к / АГС — 10 к . Они базировались на 128- и 256-канальных анализаторах спектра. В качестве детекторов использовались несколько цилиндрических кристаллов NaJ(Tl) общим объемом до 15 литров с разрешением по линии 0,662 Мэв 14—15%. Интенсивности гамма-излучения в пяти дифференциальных окнах, данные высотомера и другая служебная информация записывались на перфоленту. В состав спектрометра также входил специальный блок, который проводил в реальном времени коррекцию за высоту и выполнял, легко программируясь с пульта, любые интерпретационные операции (расчет отношений содержаний естественных радиоактивных элементов, доминанты, радиохимической специализации) с выводом результатов на диаграммную ленту. Последнее было необходимо в то время для принятия оперативных решений о детализации перспективных аномалий и закрепления их эпицентров на местности с использованием вымпелов. Также, начиная с 1972 года использовался аэрогамма-спектрометр «Digrs-3001» фирмы Exploranium, который уступал отмеченным выше отечественным спектрометрам по ряду параметров.

В 1980 году были приобретены 512-и канальные аэрогамма-спектрометры «Spectra -2» фирмы Exploranium (в комплекте станции McPhar) с сцинтиляционными NaJ(Tl) призматическими детекторами объемом до 48 л, с разрешением по линии 0,662 Мэв — 9%. Прекрасное владение современной элементной базой электронных компонентов и высокая квалификация разработчиков и программистов предприятия позволили существенно модернизировать и улучшить эксплуатационные характеристики аэрогамма-спектрометров. На базе замечательных полисциновых кристаллов ГНПП «Аэрогеофизика» имеет в настоящее время три современных гамма-спектрометра, которые в сравнении с закупленными отличаются новой современной электронной базой с использованием современных АЦП, анализатором спектра на 4096 каналов, ПВМ Pentium. Кардинально изменена система сбора и регистрации данных.

Разработана уникальная технология компьютерной коррекции «уранового» канала за содержание в воздухе радиоактивного изотопа инертного газа — радон-222. Эта технология не требует использования т.н. «атмосферного детектора», но, с одной стороны, приводит к безусловному улучшению качества данных по урану и позволяет выделять участки повышенных концентраций радона в непосредственной близости от источника эманирования. Практическая реализация этой технологии при проведении аэрогамма-спектрометрических работ в Татарстане, Тульской, Рязанской и частично Московской областях позволила выделить из всей совокупности откартированных разрывных нарушений открытые (проницаемые) нарушения.

Аэроэлектроразведка — также традиционный метод аэрогеофизических исследований использовалась ранее преимущественно для выделения и картирования пород и руд с аномальной электронной проводимостью. Совершенствование измерительных и интерпретационных возможностей метода привело в настоящее время к его использованию для решения весьма широкого круга практических задач, связанных с литолого-петрографическим картированием территорий (в плане и в разрезе) при поисках и геологической съемке, с картированием водонасыщенности разреза, с выделением зон вторичного изменения пород, как признаков рудообразования или вторичной минерализации, связанной с миграцией углеводородов из их залежей.

На протяжении многих лет ГНПП «Аэрогеофизика» успешно развивала самолетную электроразведочную систему ДИП-А (Дипольное Индуктивное Профилирование в Аэроварианте). Эта работа проводилась под руководством и непосредственном участии сотрудников Физико-механического института АН УССР и ЦНИГРИ. Применяя методику дипольного индукционного профилирования, с гармоническим сигналом в источнике, при «неместной» базе, информацию о вторичном поле получали путем измерения полуоси эллипса поляризации магнитного поля по алгоритму предложенному Б.С.Световым. Первые образцы аппаратуры ДИП-А могли одновременно производить измерение только на одной фиксированной частоте. Необходимость получения информации по другим более высоким или низким частотам, требовало перестройки генератора и повторных залетов. С этой аппаратурой успешно решались задачи выявления хорошо проводящих рудных залежей при поисках медно-никелевых месторождений норильского типа и месторождений золота в черносланцевых толщах или картирования контакта битуминозных и рифогенных известняков при поисках бокситов на Урале. Также для этих целей ранее использовалась канадская аэроэлектроразведочная станция F-400 фирмы McPhar.

В 1996 г. запущена в производственный цикл новая трехчастотная модель аппаратуры ДИП, разработанная по техническому заданию и на средства нашего предприятия. Этот современный полностью цифровой комплекс представляет собой очередной шаг в эволюции бортовых электроразведочных систем. В настоящий момент на территории СНГ нет аналогов новому ДИПу, который использует в качестве источника возбуждения гармонические поля на частотах 273, 1092 и 4368 гц излучаемых одновременно при моменте вертикального магнитного диполя соответственно 8000, 4000 и 3000 ам2. Измеряются отношения проекций полуосей эллипса поляризации на плоскость наблюдений. Высокая точность реализуется за счет применения схемы инвариантных измерений, системы автоматизированной калибровки, компенсации вихревых токов и системы отслеживания местоположения гондолы.

На 1998 г. запланирована следующая, еще более совершенная модель. При этом в ГНПП «Аэрогеофизика» идет непрерывное усовершенствование собственного специального программного обеспечения для компьютерной обработки и интерпретации данных аэроэлектроразведки.

Тепловая инфракрасная (ИК) аэросъемка, предназначенная для дистанционного изучения теплового поля земной поверхности, играет важную роль при экологических и геологических исследованиях, а также при дистанционном исследовании состояния технических сооружений и природных объектов. Долгое время служившая военным целям, с конца 70х годов она начала успешно применяться сначала в опытных, а затем и производственных работах для решения широкого круга прикладных задач. В связи с тем, что эта технология разработана, успешно внедрена в производственный процесс и продолжает далее наиболее активно развиваться в ГНПП «Аэрогеофизика», ей посвящена отдельная статья настоящего журнала (включая и аппаратурные разработки).

В общем же следует отметить, что это направление вобрало в себя столько научных открытий и новейших технических решений, что потенциал его применения еще даже по достоинству не оценен. При этом в процессе основных разработок было сделано несколько попутных технических решений, которые принесли ощутимый экономический эффект в смежные направления (разработка универсальной системы сбора и регистрации данных, новый навигационный процессор с активным заходом на маршрут, программа постобработки данных цифрового компенсатора и т.д.).

Необходимо отметить, что начало применения тепловой ИК аэросъемки в гражданских целях было связано с попытками решения геологических задач (60-е годы). При этом удовлетворительные результаты были получены при исследовании объектов современной вулканической и гидротермальной деятельности, т.е. для территорий с весьма контрастной дифференциаций теплового поля. Весьма ограниченные метрологические особенности аппаратуры и технологии исследований того времени не позволили распространить применение метода на территории и геологические задачи с меньшей (обычной) контрастностью изменчивости теплового поля. Результаты совершенствования технических средств и технологии метода выполненные в ГНПП «Аэрогеофизика» (оптическое разрешение на местности составляет 0,1—0,2м, чувствительность 0,1°С) позволяют ожидать уже в ближайшее время высокую эффективность от его использования именно в геологических целях на территориях с обычным уровнем контрастности теплового поля. Можно уверенно предполагать, что ИК-аэроъемка скоро вольется на правах высоко информативного метода в традиционный широко используемый в геологии комплекс аэрогеофизических методов.

Аэрозольная аэросъемка проводится путем отбора проб атмосферного аэрозоля на специальные фильтры с помощью малогабаритного фильтровального устройства. Эти фильтры выполнены в виде дисков диаметром 40 мм, являются особочистыми и имеют эффективность улавливания атмосферных аэрозолей не менее 95% при скоростях отбора проб (скорость потока воздуха) от 0,5 до 1,5 м/с. Методика отбора проб атмосферного аэрозоля реализована таким образом, что один фильтр характеризует ячейку площади, например, 1×1 или 2×2 км. Анализ химического состава отобранных проб выполняется методом атомно-эмиссионной спектроскопии со связанной плазмой, что позволяет одновременно определять концентрации значительного числа химических элементов в широком диапазоне содержаний с достаточно высокой точностью и пределами обнаружения от 0,1 до 0,002 мкг/фильтр.

Данные лабораторных анализов в мкг/фильтр с учетом объема прокаченного воздуха и фонового содержания металлов пересчитываются в объемную концентрацию в мкг/м3. По результатам аэрозольной съемки строятся карты распределения соответствующих элементов в атмосферном аэрозоле.

Газовая аэросъемка проводится установленными на борту корреляционными оптическими газоанализаторами, которые предназначены для определения в свободной атмосфере концентраций двуокиси азота (NO2) и двуокиси серы (SO2) на трассе ниже высоты полета в реальном масштабе времени, а также оптическим инфракрасным лазерным абсорбционным газоанализатором на метан (СН4) . Дистанционный оптический метод определения содержания газообразных примесей основан на анализе спектров поглощения газов.

Навигация

Определение координат аэрогеофизических измерений проводилось ранее путем фотографирования опорных ориентиров с переносом последних с аэрофотоснимка на топографическую карту. Точность определения местоположения летательного аппарата, особенно в межориентирном пространстве, была не лучше ±100—200 м. Качество прохождения заданных линий полета в огромной степени зависело от квалификации штурмана, в редких случаях достигались кондиции масштаба 1:25 000.

Навигационная аппаратура, которая обеспечивала активное самолето(вертолето)-вождение и значительный прогресс в точности и непрерывности определения координат аэрогеофизических измерений, была закуплена нами в 1979 году у канадской фирмы «McPhar». Впервые в бывшем СССР ГНПП «Аэрогеофизика» использовала в бортовых системах курсовые навигационные комплексы с допплеровской системой измерения скорости (ДИСС) и гироскопическими системами. Эти комплексы позволяли ежесекундно определять координаты с точностью ±40—60 м и с лихвой обеспечивала, для съемки масштаба 1:25 000, кондиции прохождения заданных маршрутов.

Вслед за этим ГНПП «Аэрогеофизика» были впервые в стране использованы радионавигационные системы дальней навигации (РСДН), отечественные многоканальные приемо-индикаторы спутниковой навигационной системы ГЛОНАСС (А-735) и, наконец, приемники спутниковой системы GPS NAVSTAR также впервые были установлены на самолетах и вертолетах в ГНПП «Аэрогеофизика».

ГНПП «Аэрогеофизика» первая в мировой практике применила в 1996 г. новейшую продукцию фирмы ASHTECH — 24 канальный приемник GG-24, использующий сигналы обеих систем: ГЛОНАСС и GPS NAVSTAR. Только после обнародования наших результатов на международной выставке-конференции в Денвере в ноябре 1996 г., ведущие зарубежные производители аэрогеофизического оборудования срочно включили навигационные комплексы на базе GG-24 в каталоги своих изделий. Системы навигации, работающие со спутниками GPS и ГЛОНАС, обеспечивают определения текущих координат с частотой до 5 гц с точностью не хуже ±10 м.

Бортовые системы сбора и регистрации данных, выполненные на базе современных промышленных компьютеров, с уникальными бортовыми программами, позволяют гарантировать высокоэффективное использование летного времени и получать высококачественные съемочные данные.

Технические средства обработки и интерпретации данных

Текущую полевую и окончательную обработку получаемых геофизических данных. позволяет оперативно и высококачественно выполнять большое количество современной компьютерной техники и периферийного оборудования, включая персональные РС-совместимые компьютеры последнего поколения, рабочую станцию АЛЬФА, набор цветных и черно-белых широкоформатных плоттеров и принтеров, сканеры и т.п.

Использование высококачественного программного обеспечения, как собственной разработки, так и ведущих фирм мира (ARC/INFO, Corel Drow, GEOSOFT и мн. др) дает в результате материалы, отвечающие самым высоким требованиям любых отечественных и западных рудных и нефтяных компаний в соответствии с существующими лучшими российскими и международными стандартами.

Комплексирование технических средств, авианосители

Таким образом, в настоящее время ГНПП «Аэрогеофизика» имеет в своем распоряжении самый передовой арсенал технических средств для СНГ, а по ряду средств и для мира, который включает в себя следующие наименования:

  1. Квантовый магнитометр с чувствительностью 0,001 нТл при частоте измерения 10 гц.
  2. 1024-х канальный гамма-спектрометр, с сцинтиляционными NaJ(Tl) призматическими детекторами объемом до 48 л, с разрешением по линии 0,662 Мэв — 9% с компьютерной коррекцией «уранового» канала за содержание радона в воздухе.
  3. Электроразведочный канал, реализующий измерения по методу ДИП-А, который использует в качестве источника возбуждения гармонические поля на частотах 273, 1092 и 4368 гц излучаемых одновременно при моменте вертикального магнитного диполя соответственно 8000, 4000 и 3000 ам2.
  4. Комплекс аппаратно-программных средств тепловой инфракрасной аэросъемки, работающий в четырех спектральных каналах с высоким геометрическим разрешением и записью данных на жесткий диск бортовой ЭВМ, обеспечивающий оптическое разрешение на местности 0,1—0,2 м при чувствительности 0,1 °С.
  5. Трассовый измеритель концентраций SO2 и NO2 в атмосфере на базе оптического спектрального коррелятора.
  6. Пробоотборник дисперсной части атмосферного аэрозоля, работающий на инерционно-аспирационном принципе.
  7. Системы навигации, работающие со спутниками GPS и ГЛОНАС, обеспечивающие точности определения текущих координат с частотой до 5 Гц с точностью не хуже ±10 м.

Если ранее комплексирование названных средств при проведении съемок осуществлялось преимущественно по возможности размещения на одном авианосителе всех видов аппаратуры, то в настоящее время при разработке целевых геолого-исследовательских технологий необходимо для каждого вида и этапа работ фиксировать определенный комплекс аэрогеофизических методов, различные авиационные носители и варианты крепления к ним геофизических датчиков и т.д. В рамках решения этих задач оказался естественным переход к комплексным аэрогеофизическим станциям модульного типа, в которых различные измерительные блоки объединены единой компьютерной технологией управления процессом получения, обработки и накопления информации.

Модульные аэрогеофизические станции, в зависимости от масштаба исследований, физико-географических условий съемки и видов работ устанавливаются на различные летательные аппараты.

Так самолет АН-26 используется при региональных съемках (аэрогамма-спектрометрические съемки Западной и Восточной Сибири, геотраверсы и т.д.) или при проведении поисковых работ масштаба 1:25 000 и мельче на больших площадях. Он оборудуется аэрогамма-спектрометром и магнитометром с датчиком, который находится в буксируемой гондоле. Достижимая производительность — 35 000 пог.км в месяц. Для решения аналогичных задач применяется более легкий самолет Л-410. На нем магниточувствительный датчик закреплен жестко на стингер самолета. Для исключения девиационных помех применяются автоматические цифровые компенсаторы. Месячная производительность такого комплекса может достигать 20 000 — 25 000 пог.км.

Трехметодная аэрогеофизическая съемка (магнитометрия, гамма-спектрометрия и электроразведка) реализована на двух летательных аппаратах. При съемке в равнинной местности применяется весьма экономичный самолет АН-2 , при съемке в горах — вертолет МИ-8МТВ. Масштабы съемок 1:25 000 и мельче. Месячная производительность 10 000 — 12 000 пог.км. Для выполнения детальных аэромагнитных съемок масштаба 1:5 000 — 1:10 000 на локальных участках, при длине съемочных маршрутов 3—10 км, применяется легкий и экономичный вертолет КА-26. Магниточувствительный датчик помещается в выпускную гондолу и так как магнитная масса этого вертолета крайне мала, длина тросс-кабеля составляет всего 10 м. Это позволяет проводить высокоточные аэромагнитные наблюдения на предельно малых высотах. Производительность такого комплекса 7 000—9 000 пог.км в месяц.

Одна из самых последних разработок канадских специалистов в области комплексных вертолетных электроразведочных систем, четырехчастотная станция HUMMINGBIRD (производитель — компания Geotech) введена в действие в ГНПП «Аэрогеофизика» в 1996 году. Подобный комплекс поступил на территорию СНГ впервые за всю историю отечественной аэрогеофизики. Необычайно популярные на западе, такие системы (многочастотная электроразведка в комплексе с высокоточной магнитометрией) позволяют выполнять высокоэффективные поисково-съемочные исследования рудной направленности в труднодоступных горных районах. В нашем предприятии HUMMINGBIRD успешно объединен вместе с гамма-спектрометром высокого разрешения на вертолете МИ-8, что еще более повысило эффективность поисково-съемочных работ.

При экологических съемках городов, когда на один борт устанавливаются сразу гамма-спектрометр, тепловизор, сборщик атмосферных аэрозолей и троссовый определитель газов, используется вертолет МИ-8 или МИ-8МТВ. Эти вертолеты, имея большую грузоподъемность, мощную энерговооруженность отвечают жестким требованиям, по безопасности которые предъявляются к вертолетам при полетах над такими городскими агломерациями как Москва, Нижний Новгород, Тула.

В ближайших планах ГНПП «Аэрогеофизика» создание на базе самолетов Л-410 или АН-26 (или их классов) многофункциональной аэрогеофизической лаборатории, с помощью которой можно выполнять практически все виды существующих на сегодняшний день съемок. Это два электроразведочных канала в модификациях ДИП и АМПП, магнитометрия с размещением детектора в выпускной гондоле или (и) в варианте жесткого крепления, гамма-спектрометрия, инфракрасная съемка, гравиметрия.

В заключение следует подчеркнуть, что непрерывный процесс совершенствования технологии аэрогеофизических методов является непременной составной частью внутренней стратегии ГНПП «Аэрогеофизика», и это определяет ее успех в прошлом, в настоящем и обоснованную надежду на хорошие перспективы в будущем.