Главная » Публикации » Высокоточная аэрогравиметрическая съемка на шельфе

Высокоточная аэрогравиметрическая съемка на шельфе

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

Описываются результаты первой в РФ производственной аэрогравиметрической съемки, выполненной на площади 200 000 км2 над центральной частью Охотского моря в 2006 г.

Введение

Как известно, разумное комплексирование сейсморазведки и «легких» геофизических методов – магниторазведки и гравиразведки – позволяет существенно снизить затраты на создание геофизической основы поисков углеводородов.  Современные технологии интерпретации магнитометрических и гравиметрических данных (Сигма-3D, Каскад и др.) дают возможность создавать детальные геолого-геофизические модели исследуемых территорий и локализовать наиболее перспективные участки. Однако для таких построений прежде всего необходимо иметь современные, высокоточные массивы геофизических данных. И с этим часто возникает проблема, особенно в удаленных районах (Сибирь, Дальний Восток, шельфы), где как раз и сосредоточены основные перспективы развития минерально-сырьевой базы РФ. Эти территории остаются слабо изученными, а их огромные размеры и труднодоступность не позволяют решить данную задачу традиционными наземными/морскими геофизическими работами. Только использование авиации может исправить ситуацию с изученностью удаленных территорий в обозримом будущем.

Аэромагнитные измерения уже несколько десятилетий выполняются в больших объемах во всем мире и являются в настоящее время хорошо отработанным, традиционным геофизическим методом. С аэрогравиметрией ситуация совершенно другая. Измерения гравитационного поля на борту летящего самолета (вертолета) начались в опытном порядке достаточно давно по инициативе В.В. Федынского [4], но только несколько лет назад перестали быть «экзотикой». В мире сейчас наблюдается огромный интерес к этому методу. Он имеет ряд несомненных преимуществ перед традиционными гравиметрическими съемками:  быстрота получения материала, высокая экономическая эффективность  и возможность изучения поля силы тяжести в трехмерном пространстве (на разных высотных уровнях). Пока всего несколько стран, включая Россию, проводят такие работы [6]. Причина заключается в сложностях создания аэрогравиметрической аппаратуры, организации самого процесса съемочных работ и, наконец, обработки получаемых данных.

Основной проблемой, возникающей при  измерениях силы тяжести на самолете, является исключение и/или учет воздействия на измерительную систему ускорений носителя (помехи), величина которых может в десятки тысяч раз превышать амплитуду аномалий силы тяжести (полезный сигнал). При этом возможности частотной фильтрации, применяемой, к примеру, в морской гравиметрии для подавления помех, в случае аэрогравиметрических измерений очень ограничены. Это обусловлено, во-первых, наличием в спектре возмущений длиннопериодных (до 100-120 сек) гармоник и, во-вторых, невозможностью использовать большие интервалы сглаживания из-за высокой скорости самолета. В результате аэрогравиметрическую съемку можно выполнять только при синхронном, неинерционном измерении, и последующем учете, ускорений летательного аппарата. Ранее использовался барометрический метод измерения вертикальной скорости самолета. Сейчас ускорения летательного аппарата определяются с помощью всемирной спутниковой навигационной системы GPS, применение которой и обеспечило успехи аэрогравиметрии в последние годы. При этом аэрогравиметрия предъявляет весьма жесткие и специфические требования к данным навигации, обусловленные необходимостью надежно определять не только положение в пространстве быстро перемещающейся измерительной системы, но и компоненты скорости и возмущающих ускорений

В России основные работы по внедрению аэрогравиметрии в практику геофизических исследований проводятся в «ГНПП Аэрогеофизика». В настоящее время это единственная российская компания, имеющая опыт проведения аэрогравиметрических работ в производственных объемах [5,7]. Только в 2005 -2008 г. было выполнено более 800 000 пог. км съемки масштабов 1:50000 -1:1000000 в различных регионах России.

Методика съемки, аппаратура

В 2006 году  «ГНПП Аэрогеофизика» впервые в России провела масштабные аэрогравиметрические (в комплексе с аэромагнитными) работы над шельфом.  Съемкой в масштабе 1:1 000000 была покрыта центральная часть Охотского моря на площади 200000 кв. км в форме прямоугольника длиной 1000 и шириной 200 км (рис. 1). Измерения выполнялись по сети рядовых (меридиональных) и ортогональных им опорных маршрутов на постоянной барометрической высоте 300 м над уровнем моря со скоростью 330 км/час. Расстояние между рядовыми маршрутами – 10 км, между опорными –100 км. Для оценки точности были также проведены измерения на трех секущих (диагональных) и трех повторных маршрутах.

Работы выполнялись на самолете Ан-26 из аэропортов г. Магадан и г. Оха.

Съемка проводилась аэрогравиметрическим комплексом МАГ-1  разработанным в ЗАО «Гравиметрические технологии» [1] (Рис.2).  В настоящее время этот аэрогравиметр является одним из лучших в мире. Его активно используют (под именем GT-1) для аэрогравиметрических работ ведущие зарубежные компании

Чувствительный элемент комплекса МАГ-1 включает в себя пробную массу в виде плоской катушки в зазоре дифференциальной магнитной системы, состоящей из четырех магнитов. Постоянная составляющая силы тяжести компенсируется подачей в катушку постоянного тока от прецизионного источника тока. Остальная часть силы тяжести  компенсируется контуром с отрицательной обратной связью. Компенсационный ток преобразуется в частотный сигнал, пропорциональный приращению силы тяжести.

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 самый современный, т.н. шулеровский метод коррекции положения гравиметра, введением в команды управления сигналов, формируемых в бортовом вычислителе гироплатформы. Кроме того, имеется система непрерывной интегральной коррекции с использованием внешней  спутниковой информации о широте места и скорости летательного аппарата.

Аэромагнитные измерения, выполняемые одновременно с аэрогравиметрическими, производились квантовым  аэромагнитометром с магниточувствительным датчиком, расположенным в буксируемой гондоле.

Навигационное обеспечение аэрогравиметрических работ выполняла спутниковая система GPS, для приема сигналов которой на самолете установлены специальные приемник и антенна. Спутниковые данные используются, прежде всего, для определения и учета возмущающих ускорений летательных аппаратов при съемке.  Кроме того, они обеспечивают привязку съемочных маршрутов и учет поправки Этвеша, которая из-за высокой скорости самолета может достигать сотен миллигал и поэтому вычисляется по уточненной формуле, учитывающей эллипсоидольность Земли и высоту полета.

Необходимая для ввода поправки за ускорения летательного аппарата точность позиционных решений, достигается при дифференциальном режиме работы спутниковых навигационных систем с использованием наземных базовых станций. Они должны устанавливаться вблизи от площади съемки так, чтобы удаленность их от съемочного самолета была минимальной, поскольку итоговая погрешность дифференциальных решений GPS возрастает с увеличением длины базовых линий. При съемке над Охотским морем дифференциальный режим работы системы GPS обеспечивали три станции приема спутниковых сигналов в г. Магадан, г. Оха и п. Усть-Большерецк. Удаленность их от площади работ достигала 700 км (обычно при работах над сушей 150-200 км), но другого варианта расстановки станций не было. На базовых станциях выполнялась так же запись геомагнитных вариаций.

Для привязки результатов аэрогравиметрической съемки к МГСС-71 были выполнены передачи силы тяжести в места стоянки самолетов с ближайших ОГП I (а/п Магадан) и II (а/п Оха) классов.

Обработка данных

Обработка данных выполняется в два этапа: сначала рассчитываются аномалии Фая вдоль съемочных профилей; затем строятся цифровые модели (сети) поля силы тяжести в различных редукциях.

Профильная обработка выполняется по алгоритмам и программам, разработанным сотрудниками «Лаборатории управления и навигации» Механико-математического факультета МГУ им. Ломоносова [2]. Обработка заключается в учете с максимально возможной полнотой всех возмущающих ускорений и введении необходимых поправок. При этом приходится учитывать, что некоторые члены вычислительного алгоритма имеет строго детерминированную природу (вертикальные ускорения, нормальное поле, поправки Этвеша, за свободный воздух); другие содержат неопределенные параметры (поправки за влияние горизонтальных ускорений); ряд членов, возможно, определены с недостаточной точностью (параметры гравиметра) и, наконец, имеются элементы, влияние которых на гравиметр на сегодняшний день не вполне ясны (например, производные ускорений движения). Решение этой задачи выполняется на основе многомерной линейной регрессии.

Результаты подвергаются адаптивной (калмановской) фильтрации на интервале 100 сек. Пространственное разрешение этой процедуры по граничной частоте соответствующей передаточной функции (способ оценки «half sine wave») при скорости 330 км/час составляет приблизительно 5 км. Иными словами, реальные аномалии силы тяжести с горизонтальными размерами более 5 км должны находить свое отражение в результатах съемки.

При построении сетей используются алгоритмы и программы разработанные в «ГНПП Аэрогеофизика».  Одной из них является программа, вычисляющая притяжение топографических масс и соответственно аномалий Буге. Данная процедура потребовала составления цифровой модели рельефа дна Охотского моря на площади более 800 000 км2 (при радиусе учета дальней зоны 200 км). Модель была построена по батиметрическим картам масштаба 1:250000 и 1:500000.

Результаты съемки

В ходе съемки были выполнены гравиметрические измерения (в комплексе с магнитными)  на 31800 пог. км и построены карты аномалий силы тяжести в редукциях Фая (рис. 3), Буге (рис. 4) и карта аномального магнитного поля на площади 200000 км2.

Оценка погрешности съемки была прведена по сходимости аэрогравиметрических данных на специально отработанных для этой цели повторных маршрутах, общая длина которых составляет 2010 пог. км. Среднеквадратическое отклонение аномалий по повторным маршрутам от их средних значений (оценка по сходимости контрольных измерений [3]) составило  0.41 мГал  (рис. 5).

Это значение свидетельствует об очень высоком качестве выполненной съемки, несмотря на большую длину базовых линий. Полученный результат является принципиальным, поскольку ранее считалось, что аэрогравиметрические работы можно проводить лишь в прибрежных зонах, удаленных от береговой линии не более чем на 150-200 км. Теперь стало очевидным, что, по крайней мере, на расстоянии 500-600 км от берега съемку проводить можно. На рис. 6 показаны соответствующие районы арктического бассейна России — потенциальные объекты аэрогравиметрических исследований.

Рис. 5   Сопоставление результатов аэрогравиметрической съемки на повторном маршруте. Вверху – реализации аномалий силы тяжести вдоль маршрута в условном уровне; внизу — отклонения аномалий от их средних значений

Рис. 6  Территории арктического бассейна РФ, на которых возможно проведение аэрогравиметрических работ

Длина базовой линии, конечно, оказывает влияние на точность съемки наряду с уровнем «болтанки» самолета, степенью возмущенности ионосферы, количеством и расположением спутников GPS и др. Выделение в чистом виде влияния одного из этих факторов является достаточно сложной задачей. С этой точки зрения при съемке на повторных маршрутах наблюдалась благоприятная ситуация: все параметры, определяющие погрешность измерений (за исключением собственно длины базовой линии), оставались стабильными и оптимальными по величине. Для оценки влияния удаленности базовой станции на точность аэрогравиметрических измерений была выполнена следующая процедура:  повторные маршруты обработаны с использованием дифференциальных данных только одной базовой станции в г. Магадан.

Рис. 7  Погрешность съемки в зависимости от длины базовой линии

При этом длина базовой линии изменялась от 120 до 800 км. Погрешность оценивалась по стандарту отклонений гравиметрических аномалий на повторах от их средних значений, вычисленному в скользящем окне 700 секунд. Результаты по всем повторным профилям сведены на один график (рис. 7). Полученные данные апроксимируются линейной зависимостью погрешности съемки от длины базовой линии. По нашим оценкам, увеличение расстояния от съемочного самолета до базовой станции на 100 км увеличивает погрешность всего на 0.04 мГал.

Достигнутая высокая точность съемки в первую очередь объясняется очень благоприятными условиями ее проведения. Как показывает опыт, погрешность аэрогравиметрических измерений  существенно зависит от интенсивности возмущающих ускорений («болтанки») летательного аппарата. В этом смысле, условия выполнения аэросъемки над морем являются оптимальными. В отсутствии турбулентности, обусловленной неравномерным прогревом земной поверхности, уровень возмущающих ускорений здесь очень небольшой (среднеквадратическое значение вертикальных ускорений на съемочных маршрутах составляет 3-5 Гал). Над сушей это значение редко опускается ниже 25-30 Гал. В ходе описываемых работах съемка над сушей не производилась. Но во время работ в Архангельской области и на Северном Кавказе маршруты выходили на акватории соответственно Баренцева и Каспийского морей. При этом в момент пересечения береговой линии всегда наблюдалась резкая смена характера возмущающих ускорений (рис. 8).

Рис. 8  Типичный пример интенсивности возмущающих ускорений над морем и сушей

Над сушей погрешность измерений, оцененная по повторным маршрутам,  как правило, не бывает лучше 0.6-0.7 мГал. Тем не менее, используя избыточность измерений поля (сети наблюдений повышенной плотности) и специальные приемы обработки, «ГНПП Аэрогеофизика» успешно проводит аэрогравиметрические  исследования масштаба 1:100000 – 1:200000, удовлетворяющие по точности (0.5 мГал) и детальности инструктивным требованиям [3]. Это утверждение подтверждается сопоставлением аэроданных с высокоточными наземными съемками [7].

Тем более, такие съемки можно выполнять над шельфом, где погрешность составляет всего 0.4 мГал. Аэрогравиметрические измерения над Охотским морем являются съемкой масштаба  1:1 000000 только по величине межмаршрутного расстояния. При соответствующей плотности сети наблюдений эти работы отвечали бы требованиям, предъявляемым к съемкам масштабов 1:100000 или 1:200000. Здесь не требуется даже излишне сгущать сеть профилей. При межпрофильном расстоянии 1 и 2 км площадные аэрогравиметрические работы над шельфом способны выявлять аномалии размером более 3-5 км и 6-8 км соответственно. Такая детальность поля силы тяжести вполне достаточна для создания геофизической основы поиска углеводородов на шельфе.

Вся работа, от начала съемки до построения итоговых карт, выполнена за 3 месяца. Непосредственно на съемку потрачено 106 летных часов.  Эффективная производительность составила 1500 пог. км/сутки (при продолжительности вылета 5 часов).

Выводы

Представленные материалы показывают, что при работах над акваториями удаленность съемочного самолета от береговых базовых станций на сотни километров не является ограничением для аэрогравиметрии. При мелко (1:500000 – 1:1000000)  и среднемасштабных (1:100000 – 1:200000) гравиметрических исследованиях и при удаленности района работ от береговой линии до 600-700 км целесообразно проводить именно аэрогравиметрические съемки. Этим достигается существенная экономия материальных средств и времени.

Литература

1. Бержицкий В.Н., Болотин Ю.В., Голован А.А., Ильин В.Н., Парусников Н.А., Смоллер Ю.Л., Юрист С.Ш.  «Инерциально-гравиметрический комплексМАГ-1. Результаты летных испытаний», Издательство Центра прикладных исследований при механико-математическом факультете МГУ, М., 2001 г.

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

3.  «Инструкция по гравиразведке», М., 1980 г.

4.  Лозинская А.М., Могилевский В.Е., Попков С.Г., Федынский В.В., Яшаяев И.Л.  «Измерения силы тяжести на самолете», Прикладная геофизика, Вып. 82, М., 1976

5.  Могилевский В.Е.,  Контарович Р.С. «Аэрогравиметрия — новый метод изучения труднодоступных территорий, перспективных на углеводородное сырье», Приборы и системы разведочной геофизики, Саратов, 2004, № 2

6.  Могилевский В.Е.,Каплун Д.В., Павлов С.А.,  Яшаяев И.Л. «Аэрогравиметрия в России: технология, результаты», Материалы 33-й сессии международного семинара им. Д.Г. Успенского , Екатеринбург, 2006.

7.  Могилевский В.Е.,Каплун Д.В., Павлов С.А., Камков А.Н. «Внедрение аэрогравиметрии в практику геофизических работ», Разведка и охрана недр, Москва, 2006, № 5.

8.  Торге В.,  Гравиметрия, М., 1999.