Поиск - новости науки и техники

Смотреть под ноги. Оригинальные приборы для малоглубинной геофизики пригодятся многим специалистам.

Есть труднодостижимые высоты и малоизведанные глубины. Но и туда проникают ученые в поисках сведений для новых открытий. А что можно найти на малой глубине? На этот вопрос с удовольствием ответят сотрудники лаборатории электромагнитных полей Института нефтегазовой геологии и геофизики им. А.А.Трофимука СО РАН. Правда, слова “малая глубина” они понимают по-своему. Как именно и для чего нужно ее изучать, нашему корреспонденту рассказывает старший научный сотрудник института кандидат технических наук Юрий Манштейн, под руководством которого создается аппаратуры для малоглубинной геофизики.

– На границе поверхности Земли и атмосферы существует особенная, ни на что не похожая среда, – объясняет Юрий Александрович. – Она сложена из геологических тел, обладающих необычными физическими свойствами: это результат близости атмосферы, небольшого давления, сильного влияния внешних факторов – как природных, так и вызванных деятельностью человека. Такая среда называется “экзотехносфера”. Она простирается от поверхности планеты вглубь примерно на 200 метров, а в местах интенсивного освоения недр этот показатель может быть даже больше.
В экзотехносфере существуют разные формы жизни. В ней происходят непрерывные изменения под воздействием воздуха, воды, перепадов температур. Эта среда, а точнее – совокупность ее физических полей, как раз и является объектом изучения малоглубинной геофизики. Проводя измерения и определяя распределение ее физических параметров (электрического сопротивления, скоростей упругих волн, диэлектрической проницаемости и других), геофизики делают выводы о причине возникновения и характере развития опасных геологических процессов, о загрязнениях, напряженных состояниях. С помощью таких исследований они помогают геологам находить месторождения полезных ископаемых и подсчитывать их запасы, проектировщикам – рассчитывать фундаменты зданий, археологам – определять местоположение захороненных объектов, эксплуатационным службам – диагностировать подземные коммуникации и сооружения, фермерам – определять влажность и содержание удобрений в почве.
– Ваши разработки, как я понимаю, открывают для этого новые возможности?
– Наша группа создала ряд новых приборов для малоглубинной геофизики, а также новые методики исследования малоглубинных объектов. В 1996 году мы выпустили первый прототип электромагнитного сканера. Он представлял собой антенный блок – трехметровую стеклопластиковую трубу с плоской квадратной коробкой на одном конце. Из трубы выходил кабель, соединяющий антенны с блоком электроники, ноутбуком и аккумулятором, смонтированными на тележке. Прибор весил около 25 кг. Съемка одной точки записи, дающей представление о единичном объеме среды с параметрами 2,5х2х8 метров на шести частотах, занимала около двух минут. Сейчас мы изготавливаем пятое поколение такой аппаратуры. Теперь ее вес 8 кг, управляется она с коммуникатора по BlueTooth, а время записи 14 частот составляет около двух секунд. Этот прибор применяют для исследовательских и поисковых работ на глубине до 8 метров.
В середине 2000-х годов наша группа занялась разработкой аппаратуры для электроразведки полезных ископаемых. В ее основе лежит метод сопротивлений, изобретенный в начале XX века и внедренный в практику во Франции братьями Конрадом и Марселем Шлюмберже. Опишу вкратце суть метода. Генератор постоянного тока подключают к паре заземленных электродов, разнесенных на сотни метров. Между ними заземляют пару электродов, подключенных к вольтметру. Зная ток, напряжение и расстояние между электродами, можно определить удельное электрическое сопротивление грунта на глубине, пропорциональной расстоянию между токовыми электродами. Распределение сопротивления в среде зависит от наличия в ней рудных тел, воды, нефтенасыщенных пластов и других объектов. За десятки лет метод сопротивлений стал одним из основных в геофизике. Правда, нефть таким способом перестали искать, так как появились более продуктивные технологии. Но для первых сотен метров поиска он остается самым применяемым из всех электроразведочных методов.
С 1980-х годов в Европе и США используется модифицированный метод сопротивлений, называемый электротомографией. Физически все осталось по-прежнему, но заземляются сразу несколько десятков электродов по одной прямой линии (мы называем ее “профиль”), между которыми по очереди переключаются генератор и измеритель. Таким образом, получается большое количество показателей удельного электрического сопротивления на разных глубинах по профилю. Результат изображается в виде двумерного вертикального разреза. Из набора таких разрезов можно сконструировать и трехмерное изображение подземного пространства.
В 2008 году в нашей группе появился первый коммутатор для методов сопротивлений, который по заранее заданной программе переключал генератор и измеритель по 24 электродам. С его помощью можно было из отдельных блоков собирать 24-электродную установку электротомографии, которая работала очень быстро: на запись одного профиля уходило около двух часов. Сейчас на его базе выпускается 48-электродная аппаратура методов сопротивлений. Это небольшой чемоданчик, который отрабатывает один профиль за 15 минут. В зависимости от конфигурации кабелей такой аппарат может “заглянуть” на глубину до 300 метров.
– В чем уникальность ваших работ? Есть ли результаты, сопоставимые с мировыми?
– У нас два направления деятельности: разработка и инновации (внедрение). Если говорить о разработках, то это новые способы и новая аппаратура измерений геофизических параметров экзотехносферы. Сюда же можно отнести и выявление новых связей между измеряемыми величинами и свойствами среды. Что касается инноваций, то здесь мы заняты поиском новых областей применения наших новшеств. В каждой работе, новой модели аппаратуры есть научные и инженерные решения, предложенные впервые в мире. Например, никто до нас не применял для компактных индукционных приборов резонансные генераторы и аналоговое вычитание прямого поля, никто до нас не использовал в аппаратуре методов сопротивлений (и вообще в переносной геофизической аппаратуре) многозадачные операционные системы, touchscreen, построение разрезов удельных электрических сопротивлений во время измерений.
Разработкой аппаратуры для малоглубинной геофизики занимаются десятки компаний по всем миру. Признанные лидеры рынка индукционной аппаратуры – компании США и Канады, аппаратуру методов сопротивлений изготавливают во Франции, Швеции, США, Китае. Мы отслеживаем их работы и стараемся идти впереди. По ряду параметров наша аппаратура лучшая в мире. Но у нас нет большого опыта работы на рынке, наши изделия еще не зарекомендовали себя в длительной эксплуатации, а надежность – одна из главных характеристик для геофизической аппаратуры.
– У вас ведь есть успехи и в других направлениях исследований?
– Конечно. Среди наших достижений – изучение термальных полей активных вулканов Камчатки, исследование замороженных памятников пазырыкской цивилизации, обнаружение дефектов в подземных сооружениях, измерение толщины иловых отложений на дне озера Телецкое. По нашей методике был исследован створ речного перехода через реку Обь в Новосибирске, по которому сейчас достраивают автомобильный мост. Его, кстати, пришлось немного сдвинуть на стадии проектирования, когда мы выявили место, в котором находится подземный гранитный выступ.
С 2009 года мы сотрудничаем со специально созданными внедренческими компаниями, которые получают поддержку и финансовую помощь от правительства Новосибирской области, являются резидентами технопарка Новосибирского академгородка. В 2011 году наша аппаратура получила серебряную медаль Международного салона изобретений Concours Lepine в Страсбурге.
По различным аспектам выполняемой работы сотрудники нашей группы защитили три диссертации на ученую степень кандидата технических наук и одну докторскую, а еще нашим достижением можно назвать десятки дипломов, подготовленных участвовавшими в исследованиях студентами.
– Кстати о студентах: как они появляются у вас и где могут получить первые знания о малоглубинной геофизике?
– На геолого-геофизическом факультете НГУ есть спецкурс “Экологическая геофизика”. На нем я стараюсь заинтересовать студентов процессами, которые происходят не на огромных глубинах, а буквально под ногами. Лекции состоят не столько из сухого учебно-методического материала, сколько из примеров применения малоглубинной
геофизики в ходе экологических и инженерно-геологических исследований. Потом студенты приходят к нам. На полевой практике они учатся работать с аппаратурой, в том числе и с той, о которой мы с вами говорили.
– Что в планах на будущее?
– Достигнута договоренность с ОАО “РусГидро” о внедрении наших технологий для мониторинга гидротехнических сооружений, ведутся переговоры с ОАО “РЖД”, Министерством сельского хозяйства. Надеемся, такое сотрудничество будет плодотворным.

Беседовал Василий ЯНЧИЛИН
Фото предоставлено Ю.Манштейном

Нет комментариев