Резонансно-Акустическое профилирование (РАП)

РЕЗОНАНСНО–АКУСТИЧЕСКОЕ   ПРОФИЛИРОВАНИЕ   (РАП)

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МЕТОДА

       Принципиальное отличие резонансно–акустического профилирования (РАП) от традиционной сейсмоакустики (наиболее близкого к РАПу метода геофизики) состоит в том, что основным источником информации в РАП являются собственные (резонансные) колебательные процессы среды, возникающие при ударном воздействии на исследуемый массив. В традиционной сейсморазведке собственные колебания рассматриваются как паразитная составляющая, наложенная на отраженный сейсмосигнал.
       В основе интерпретации РАП лежит изучение спектрального состава отклика исследуемого массива на ударное воздействие. При этом регистрируемый сигнал рассматривается как совокупность собственных колебаний, свойственных возбуждаемому ударом массиву, а не как совокупность эхо–сигналов. При этом спектр сигнала содержит информацию о параметрах изучаемого объекта.
       Согласно спектрально–акустическим представлениям, при ударном воздействии на слоистый объект, реакцией на воздействие будет совокупность (спектр) гармонических затухающих колебательных процессов. Каждой составляющей спектра соответствует породный слой (или сумма слоев) определенной мощности, т.е. возбуждаемый объект является колебательной системой, характеризующейся собственной частотой колебаний. Частота каждой из составляющих спектра находится в обратной зависимости от мощности соответствующего слоя. Возникающие при ударном воздействии упругие колебания, в виде затухающих гармонических процессов, формируются поперечными волнами, при этом четкость проявления границ между слоями–резонаторами определяется возможностью взаимного «проскальзывания» соседних слоев при наличии в исследуемом массиве сдвигового упругого процесса, т.е. степенью «ослабленности» контакта между слоями.

НАЗНАЧЕНИЕ И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ АППАРАТУРЫ

       Аппаратура РАП–3 используется для проведения работ по резонансно–акустическому профилированию. С помощью этой аппаратуры могут решаться следующие задачи: геофизические, инженерно–геологические, гидро–геологические, археологические, поиски и трассировка подземных коммуникаций, иссле-дование стен и фундаментов зданий и т.п.).
       Методика РАП заключается в регистрации резонансного акустического сигнала от поверхностей механического ослабленного контакта (ОМК) в широком спектральном диапазоне с последующей записью и интерпретацией его частотных характеристик. Возбуждение сигнала происходит путем ударного воздействия молотком на точке регистрации. Благодаря эффекту резонанса, сила отклика (принимаемый сигнал) от объекта с ОМК, как правило, существенно превышает силу первоначального воздействия. За счет этого достигается значительная глубина зондирования (до 600 м ). Применяемый в аппаратуре РАП–3 датчик акустических колебаний разработан и сконструирован таким образом, что амплитудно–частотные и спектральные характеристики электрического сигнала, снимаемого с него, полностью идентичны акустическому сигналу в точке контакта датчика акустических колебаний с исследуемым объектом.

Технические характеристики аппаратуры
Модификация аппаратуры:                                        «РАП»                     «РАП-Плюс»
Глубина изучения геологического разреза:               до   300 м                    до 2000 м
Разрешение:                                                           не менее 2.5% от глубины исследования
Цикл измерений на точке:                                        не превышает 30 секунд
Масса:                                                                        до 6 кг                      до 3-х кг

Программное обеспечение
позволяет оперативно осуществлять:
  - контроль  качества  полевой  информации;
  - экспресс-обработку  данных;
  - визуализацию результатов исследований на мониторе компьютера в виде цветотеневых разрезов, отражающих  характер  механической и структурной неоднородности  изучаемой  геологической  среды
  - графический   вывод результатов наблюдений.

Аппаратура модификации «РАП»

     Состоит из датчика акустических колебаний особой конструкции, аналого-цифрового преобразователя и персонального компьютера  типа "Notebook".
     Аналого-цифровой преобразователь,  разработанный для проведения работ методом РАП, выполнен на основе 16-битного АЦП ADSP2181 фирмы Analog Device и характеризуется высокой чувствительностью, имеет динамический и частотный диапазоны, позволяющие преобразовать в цифровой вид всю информацию, содержащуюся в принимаемом сигнале. АЦП имеет 4 величины дискретизации сигнала ( от 1000 до 48 000 Гц, что позволяет работать до глубин от 13 см до 300 метров без потери качества принимаемого сигнала.
  ПК "Notebook" в аппаратурно-программном комплексе «РАП» используется для реализации следующих функций:
- управления параметрами регистрации сигнала (частотой дискретизации, коэффициентом усиления и др.) в интерактивном режиме
-  записи принимаемого акустического сигнала
- оперативной обработки и визуализации результатов измерений на каждом пункте
- для окончательной обработки и визуализации профильных данных.


Аппаратура модификации «РАП-Плюс»

           Состоит из датчика акустических колебаний особой конструкции и процессорно-регистрируещего блока, состоящего, в свою очередь, из  аналого-цифрового преобразователя, микрокомпьютера и энергонезависимого запоминающего устройства на основе памяти флэш-типа, позволяющей хранить от 512 до 2048 единиц информации ( точек наблюдений).
     Аналого-цифровой преобразователь, разработанный для проведения работ методом РАП, выполнен на основе 16-битного АЦП фирмы Analog Device и характеризуется высокой чувствительностью, имеет динамический и частотный диапазоны, позволяющие преобразовать в цифровой вид всю информацию, содержащуюся в принимаемом сигнале. АЦП имеет 6 величин дискретизации сигнала ( от 490 до 28 000 Гц, что позволяет работать до глубин от 13 см до 2000 метров без потери качества принимаемого сигнала.
     Аппаратура для выполнения работ методом РАП модификации «РАП-Плюс» не требует персонального компьютера для сбора информации и позволяет работать до 3-х суток без подзаряда батарей при температуре окружающей среды от – 35 до + 40 градусов Цельсия. Жидкокристаллический дисплей на передней панели и встроенная клавиатура позволяют контролировать и изменять параметры съемки и визуально оценивать качество принимаемой информации. Кроме этого, путем изменения схематики прибора и конструкции датчика – увеличена помехозащищенность комплекса, что позволяет работать в самых неблагоприятных условиях, там, где в большинстве случаев другие геофизические методы работать не могут. В аппаратуре «РАП-Плюс» предусмотрена возможность работы в режиме «реального времени», что позволяет непосредственно в процесе наблюдений выполнять оценку спектральных характеристик принимаемого сигнала и оперативно вносить изменения в параметры наблюдений. Небольшой вес и удобство в обслуживании предусматривают возможность работы одним оператором.


ПРИМЕРЫ ПРИМЕНЕНИЯ МЕТОДА РАП ПРИ РЕШЕНИИ НЕКОТОРЫХ ЗАДАЧ

1. ПОИСК ИНЖЕНЕРНЫХ КОММУНИКАЦИЙ
       Метод РАП может успешно применяться для поиска подземных инженерных коммуникаций: трубопроводов, фундаментов, туннелей и т.п. Результаты работ на одном из объектов (рис. 41) подтвердили высокую эффективность метода для решения подобных задач.

                                                                                                           Профиль трассы трубопровода

Рис. 41.  ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДА РАП ПРИ ПОИСКАХ ИНЖЕНЕРНЫХ СООРУЖЕНИЙ


2. ИЗУЧЕНИЕ ГЕОЛОГИЧЕСКОГО РАЗРЕЗА ДЛЯ СТРОИТЕЛЬСТВА ИНЖЕНЕРНЫХ СООРУЖЕНИЙ
        Метод РАП может успешно применяться для изучения геологического разреза при проведении инженерно–строительных работ. Приведенный ниже рисунок демонстрирует эти возможности. Техническим заданием строительных работ предусматривалась прокладка инженерных коммуникаций подземной проходкой. Инженерные коммуникации должны были прокладываться в толще глин на глубине около 20 метров . Для качественного выполнения работ было важно знать глубины залегания и выдержанность по мощности проектного горизонта.
       Как видно по рисунку 42, поставленная задача была успешно решена при помощи метода РАП. Следует заметить, что возможности применения других геофизических методов были ограничены, так как территория строительства расположена в центре Москвы (Лужники), что обуславливало очень высокий уровень промышленных электромагнитных помех. В результате проведенных работ выделены не только кровля (глубина 12 м ) и подошва (глубина 26 м ) проектного горизонта, мощность которого выдержана по всей длине съемочного профиля, но и с большой детальностью откартированы все горизонты исследуемого разреза. Результаты работ совпадают с данными о разрезе, полученными при бурении разведочной скважины (на рисунке 42 справа от разреза РАП).

Рис. 42.  ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДА РАП ПРИ ИЗУЧЕНИИ ГЕОЛОГИЧЕСКОГО РАЗРЕЗА ДЛЯ СТРОИТЕЛЬСТВА ИНЖЕНЕРНЫХ СООРУЖЕНИЙ


3. КАРТИРОВАНИЕ ТАЛИКОВЫХ ЗОН В УСЛОВИЯХ ВЕЧНОЙ МЕРЗЛОТЫ 
       В районах развития многолетней мерзлоты метод РАП может успешно применяться для выделения и прослеживания границ мерзлых пород с различной льдистостью или для выявления и оконтуривания таликов. Ниже рассматрива-
ется пример таких исследований, выполненных под аварийным зданием в Норильске.
       Как видно из рис. 43, на геомеханическом разрезе достаточно отчётливо видна слоистая структура изучаемого участка. Серо–зеленые оттенки отражают слои мерзлых песчано–глинистых и песчано–галечных грунтов. Контакты слоев с различными геомеханическими свойствами (галечники, пески и суглинки с различной льдистостью) выделяются высокими амплитудами, которые соответствуют границам смены цвета. Таликовая зона на геомеханическом разрезе должна выделятся нарушением слоистости рыхлых пород с различной льдистостью. В цветовой гамме рисунка зона выделяется в синих оттенках, чтосоответствует отрицательным значениям амплитуд спектра акустических волн характерного для разуплотненных пород. В оранжево–красных оттенках выделены границы водоупоров.

Рис. 43.  Результат работы методом РАП по выделению зон таликовых зон под аварийным домом
              г. Норильск


 4. КАРТИРОВАНИЕ ЗОН ФИЛЬТРАЦИИ В ТЕЛЕ ДАМБЫ 
       Вследствие прорыва дамбы одного из водоемов, входящих в систему водоснабжения Петродворцовой системы фонтанов, возникла необходимость ее восстановления и выявления зон фильтрации в теле дамбы, потенциально опасных на возникновение повторных прорывов. Работы по выявлению зон фильтрации проводились по насыпи дамбы и позволили выявить аварийные участки (рис. 44), определить объемы и скорректировать методику инженерно–восстановительных работ. 



Рис. 44.  Результаты работы методом РАП по обследованию дамбы резервного пруда
              Петергофская система фонтанов


5. КАРТИРОВАНИЕ ЗОН ТЕКТОНИЧЕСКИХ НАРУШЕНИЙ 
       Работы методом РАП, проведенные в 1997 году на одном из объектов Крымского полуострова, показали возможность однозначного и высокоэффективного выделения зон тектонических нарушений (рис. 45), что позволяет рекомендовать РАП и для решения данной задачи.

Рис. 45.  Выделение зоны тектонических нарушений методом РАП.
              Крым


6. КАРТИРОВАНИЕ КИМБЕРЛИТОВЫХ ТРУБОК 
       Опытно–производственные работы методом РАП применительно к поискам трубок взрыва проводились в Архангельской провинции и на Украинском щите (Приазовский массив).
       В Архангельской провинции работы проведены на нескольких объектах. Приведенный ниже разрез (рис. 46) иллюстрирует возможности РАП для выявления и оконтуривания погребенных кимберлитовых трубок.

 
Рис. 46.  Результаты работы методом РАП на кимберлитовой трубке
              Архангельская провинция

       По данным РАП уверенно картируются перекрывающие трубку четвертичные отложения (Q), терригенно–карбонатные отложения среднего карбона (С2–3), породы кратерной (D3–C2) и жерловой фаций диатремы. Уверенно фиксируются также эндо– и экзо–контакты трубки.
       Проведенные исследования позволили существенно сократить объемы буровых работ.
       Таким образом, метод РАП может быть эффективно использован в комплексе алмазопоисковых работ на всех стадиях — от заверки аэромагнитных аномалий до детального изучения морфологии трубки.


7. СТРУКТУРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ В СЛОЖНЫХ ГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ 
       В 1999 г . на Таймыре (массив «Крестовский») были проведены опытно–методические работы по применению метода РАП для решения структурных задач в условиях неоднозначной геологической обстановки. Наблюдения проводились по сети профилей с шагом зондирования по профилю — 25, 50, 100 м и расстоянием между профилями 2 км .
       На рисунке 47 представлены полученные результаты, кото-рые дают представление о структурных изменениях по отдельным профилям и в общем о массиве. Специальная обработка слабых сигналов в низкочастотном спектре позволяет увеличить глубинность метода РАП и рекомендовать его приме-нение для изучения разреза до 1 км .

  
Рис. 47. Результаты опытно-методических работ методом РАП
              для решения структурных задач
              Массив «Крестовский», Таймырский п-ов