Mетод сопротивлений без заземлений

Основные вопросы доклада:
Существует ли электрическое поле в воздухе при работах методом сопротивлений?
Возможно ли его измерение?
Возможно ли обнаружение подземных объектов при измерениях электрического поля в воздухе?
Технология и аппаратура.
Примеры работ в полевых и городских условиях.
Заключение.

1.1. Метод сопротивлений. Электрическое поле в земле
(1)
На Fig.1 показаны изолинии потенциала и линии тока электрического по-ля двух заземленных электродов «A» и «B». Этот рисунок обычно ис-пользуют для объяснения теоретических основ метода сопротивлений. Формулы (1) описывают электрическое поле постоянного тока в земле.
Однако картина поля не является полной. Здесь не показаны линии электрического поля в воздухе. Воздух можно рассматривать как иде-альный изолятор, препятствующий протеканию гальванического тока. По-этому с помощью линий тока невозможно изобразить электрическое поле в воздухе. Означает ли это отсутствие в воздухе электрического поля?

1.2. Электрическое поле в земле и в воздухе
(2)
Для того, чтобы ответить на этот вопрос рассмотрим Fig.2. Картина электрического поля и формулы (2) описывают общий случай, соот-ветствующий двум однородным полупространствам с удельными сопро-тивлениями «ρ1» и «ρ2».
Вычисляя предел формул (2), нетрудно убедиться в том, что они пере-ходят в формулы уравнений (1) и позволяют определить электрическое поле, как в земле, так и в воздухе.
Картина электростатического поля в воздухе (изолинии потенциала и линии напряженности поля) оказывается зеркальным отражением элек-трического поля постоянного тока в земле, как показано на Fig.2.

(2)
Из рассмотрения Fig.2 следует, что горизонтальная составляющая элек-трического поля в центральной части линии «AB» одинаково медленно уменьшается при перемещении точки наблюдения в обе стороны от поверхности раздела земля-воздух.
Это означает, что высотная зависимость для этой составляющей поля чрезвычайно мала. Этой зависимостью вполне можно пренебречь, когда наблюдения проводятся на высотах 1-5 % от длины линии «AB».
Вертикальная составляющая электрического поля в воздухе в центральной части линии «AB» много меньше горизонтальной составляющей.
1.3. Электрическое поле в земле и в воздухе

(2)
Таким образом, при измерении электрического поля в воздухе вблизи границы раздела земля-воздух очевидной физической предпосылкой предложенного усовершенствования является известное равенство тан-генциальных составляющих электрического поля по обе стороны гра-ничной поверхности.
Это позволяет заменить контактные измерения электрического поля (с применением заземленных электродов) бесконтактными измерениями с использованием приемных электродов-антенн. Последние либо вообще не имеют гальванического контакта с землей, либо этот контакт очень плохой.
1.4. Электрическое поле в земле и в воздухе

2. Измерение электрического поля в земле
На Fig.1 (слайд 3) показана обычная заземленная приемная линия «MN». Та же линия изображена на Fig.3 в увеличенном масштабе.
Эквивалентная электрическая цепь линии «MN» (Fig.3) содержит ЭДС «ΔU» (разность потенциалов между приемными электродами), входное со-противление «RIN» микровольтметра и переходные сопротивления зазем-лений «RM» и «RN».
Из уравнения на Fig.3 следует, что при благоприятных условиях заземлений входное напряжение «UIN», измеряемое микровольтметром, почти равно «ΔU». В этом случае сумма сопротивлений «RM+RN» достаточно мала по сравнению с входным сопротивлением «RIN».
По результатам измерений «ΔU» и известной длине «a» приемной линии легко вычислить значение напряженности «EX» горизонтальной составляющей электрического поля: EX = ΔU /a.

3.1. Измерение электрического поля в воздухе
На Fig.2 (слайд 6) показана неза-земленная приемная линия с двумя одинаковыми электродами «M» и «N». На Fig.4 та же линия пред-ставлена в увеличенном масштабе.
Как и в случае заземленной приемной линии, разнос «a» здесь равен рас-стоянию между центрами приемных электродов. Разнос «a» - эффектив-ная длина приемной антенны .
Линия «MN» изготовлена из двух равных отрезков изолированного провода. Она может непосредственно лежать на земле («стелющаяся» линия), либо может быть поднята на значительную высоту над землей. Каждый из элек-тродов приемной линии приобретает потенциал эквипотенциальной линии, проходящей через его центр.
Эквивалентная электрическая цепь линии «MN» (Fig.4) содержит ЭДС «ΔU» и емкостной делитель напряжения, образованный входным импедансом микровольтметра и собственными емкостями «CM» и «CN» приемных электродов.

3.2. Измерение электрического поля в воздухе
Для того, чтобы обосновать выбор рабочей частоты, рассмотрим экви-валентную электрическую схему приемной линии на Fig.4.
На постоянном токе сигнал на вхо-де микровольтметра равен нулю. С повышением частоты входная цепь микровольтметра трансформирует-ся в частотно-независимый дели-тель напряжения.
При достаточно малой входной емкости «CIN» напряжение «UIN» на входе микровольтметра практически равно измеряемому значению ЭДС «ΔU».
Вычисления напряженности переменного электрического поля могут быть сделаны с помощью простой формулы, приведенной ранее для заземленной приемной линии. При выборе рабочей частоты приходится учитывать следующие противоречивые требования.

3.3. Измерение электрического поля в воздухе
С одной стороны, использование низких частот обеспечивает боль-шую глубинность исследований ме-тодом сопротивлений.
С другой – чем выше рабочая частота, тем легче обеспечить эф-фективную защиту от специфи-ческих для бесконтактных изме-рений сигналов-помех, связанных с вибрацией электродов-антенн при-емной линии.
Вибрационные помехи на входе микровольтметра обусловлены элек-тризацией изоляционных покрытий проводов приемной линии. Эти помехи имеют значительную амплитуду импульсов и существенно низкочастотный спектр.
Выполненные исследования определили оптимальную полосу частот 20-3000 Гц. При разработке аппаратуры «ЭРА» в качестве основной была выбрана частота 625 Гц, обеспечивающая бесконтактное возбуждение и измерение электрического поля.

Остановимся на природе аномальных электри-ческих полей в воздухе, наблюдаемых при рабо-тах по методике бесконтактных измерений элек-трического поля (БИЭП).
На Fig.5 показан ограниченный на глубину верти-кальный пласт высокого удельного сопротив-ления, являющийся причиной аномального поля. Пласт находится в нормальном электрическом поле с горизонтальной поляризацией. Вследствие этого вертикальные стороны пласта приобретают стационарные электрические заряды разных зна-ков.
Это вызывает в земле аномальные электрические токи, которые не должны проникать в изолятор (воздух). Поэтому на границе земля-воздух формируются статические электрические заряды, препятствующие проте-канию электрического тока из земли в воздух.
Распределение этих зарядов полностью определяется аномальными токами в земле. В свою очередь наблюдаемое в воздухе электрическое поле статических зарядов отражает наличие в земле аномального объекта.
4.1. Аномальные электрические поля в воздухе

На Fig.5 показаны графики горизонталь-ной «EX» и вертикальной «EZ» составляю-щих аномального электрического поля в воздухе вблизи поверхности раздела сред земля-воздух.
Нетрудно заметить, что эти кривые аналогичны графикам горизонтальной «HX» и вертикальной «HZ » составляющих аномального магнитного поля над вер-тикальным пластом, намагниченным в земном поле с горизонтальной поля-ризацией (вблизи экватора).
4.2. Аномальные электрические поля в воздухе

5.1. Технология и оборудование
При работах по методике БИЭП используются приемные незаземленные линии, пока-занные на Fig.6. В зависимости от требуемой детальности исс-ледований они имеют разные длины и различную кон-струкцию.
Например, на Fig.6b представ-лена асимметричная стелю-щаяся приемная линия, вы-полненная из изолированного провода длиной 10-100 м. Эф-фективная длина телескопи-ческой воздушной антенны (Fig.6d) может быть выбрана в диапазоне 0.5-1.5 м.

5.2. Технология и оборудование
При использовании стелющейся приемной линии в качестве одного из приемных электродов может выступать оператор (Fig.7), переносящий микровольтметр. В этом случае клемма «N» микро-вольтметра соединяется с металлическим браслетом, закрепленным на руке оператора.

5.3. Технология и оборудование
На Fig.8 показаны схемы питающих линий установок градиента: a – обычная установка с заземленными питающими электродами; b, c – незаземленные установки: b – «емкостная» (незамкнутая петля), c - «индуктивная» (замкнутая петля).

5.4. Технология и оборудование
На Fig.9 сопоставлены конструкции заземленной (a) и незаземленной (b) дипольно-осевых установок: «A’A» – питающие линии; «MN» – приемные линии. Для работ с незаземленной установкой вместо 4-х достаточно двух человек.

Частотный диапазон аппаратуры «ЭРА-В»: 0, 4.88, 625 Гц, диапазон изме-рений: 3 мкВ-2000 мВ, выходное напряжение генератора до 1.5 кВ. В комплект аппаратуры входят «активные электроды» (в виде отдельных блоков и в составе воздушной антенны) с входной емкостью 0.1 пФ и входным сопротивлением 20 ГОм).
На Fig.10 показана последняя версия аппаратуры «ЭРА» - «ЭРА-МАКС» разработанная Л.И. Дукаревичем и выпускаемая под его руководством научно-производственным предприятием НПП «ЭРА».
Transmitter
Receiver
Fig.10
Для работ по методике БИЭП автором и под его руководством разработано и выпущено несколько серий аппаратуры - «БИКС-75», Электро-Разведочная Аппа-ратура «ЭРА-625» и «ЭРА-В» (общее количество комплек-тов более 300).
5.5. Технология и аппаратура

Метод сопротивлений без заземлений, предложенный автором в 1963 г., успешно использовался в СССР и работает в России при геологическом картировании, в гидрогеологии и инженерной геологии, при геоэкологических и археологических исследованиях.
В 1981 г. методика БИЭП утверждена для применения на территории СССР министерством геологии. Аппаратура и методика БИЭП отмечены 2-мя серебренными медалями ВДНХ.
Новая технология существенно повышает возможности методов сопротивлений и заряда. Она применяется в вариантах профилирования (дипольная и градиентная установки), зонди-рования, 3-х мерных векторных измерений с вращающимся элект-рическим полем и др. Преимущества технологии:
повышение эффективности методов сопротивлений и заряда в областях с неблагоприятным поверхностным покровом: каменные осыпи («курумы»), сухие пески, снежно-ледовый покров, асфальтовые и бетонные покрытия;
сокращение затрат труда при уменьшении состава полевых бригад;
расширение потенциальных возможностей методов за счет ис-пользования векторных измерений электрического поля в воздухе.
6.1. Примеры работ в полевых и городских условиях

На Fig.11 сопоставлены графики кажущихся сопротивлений зазем-ленной (a) и незаземленной (b) дипольно-осевых установок. Саяны, 1975 г.: 1, 3, 4 – метаморфические породы, 2 – тектонические зоны, 5 – известняки.
6.2. Примеры полевых работ

На Fig.12 представлены зим-ние и летние электроразве-дочные работы методом соп-ротивлений с установкой сре-динного градиента.
Приемная линия «MN» – воз-душная антенна с эффектив-ной длиной 1 м. Длины пи-тающих линий «AB» – 600 м.
Зимняя съемка выполнена по льду Онежского озера.
Центральная Карелия, 1980 г.
6.3. Примеры полевых работ

Новая установка ВЭЗ
для малых и средних глубин (1-2000 м)
Журнал “Геоэкология, инженерная геология, гидрогеология, геокриология”, 2005, № 5, p.p.454-462
Стандартная интерпретационная программа IPI2WIN ( МГУ, Бобачев A.A.)
Особенности
высокая степень защиты измерений от индукционной и емкостной помехи
малые размеры и большая детальность съемки (длина новой установки
почти в два раза меньше симметричной)
увеличение производительности съемки (перемещается только приемный
электрод “M”, все другие электроды заземляются только один раз)
малая численность полевой бригады (1-2 человека вместо 3)
возможность бесконтактных измерений (при плохих условиях заземлений)
Схемы установок ВЭЗ
Индукционные помехи с новой и симметричной установками ВЭЗ
а – разрез “ρк”; b – геоэлектрический разрез;
1 – сухие четвертичные отложения, 1500 Омм;
2 – конгломераты зоны аэрации, 300 Oмм;
3 – глины, 20 Oмм;
4 – водонасыщенные конгломераты, 50÷60 Oмм;
5 – мергель (водоупорный слой), 5÷7 Oмм.
Экспериментальные (a, b) и теоретические
(c) кривые ВЭЗ: a, c – новая установка
( помехи отсутствуют ); b – симметричная
установка (значительные помехи искажают интерпретацию); c – теоретическая кривая
ВЭЗ (новая установка); d – параметры 2-х
слойного геоэлектрического разреза; 1, 2 –
сухой (1) и влажный (2) аллювий; 3 – мергель (водоупорный слой)
a – симметричной, b – новой ( с генератором
в линии MN ), 1 – измеритель, 2 – генератор, 3 –
электроразведочная катушка с проводом
Интерпретация ВЭЗ (новая установка)
Испания, Эль Сальтадор

На Fig.13 показаны результаты зондирований с заземленными и неза-земленными установками ВЭЗ при выборе створа плотины Чагаянской ГЭС на р. Зея: a – сравнение кривых ВЭЗ для различных частот и установок; b – профиль ВЭЗ с геологическим разрезом. Амурская область, 1996 г. 1- лед, 2- вода, 3 – аллювий, 4 – элювий, 5 – известняки.
6.4. Примеры полевых работ

6.5. Примеры работ в городских условиях
На Fig.14 изображена карта кажущихся удельных сопротив-лений дорожного покрытия го-родского проспекта в зоне аварийной утечки водопровод-ной линии высокого давления (диаметр водовода 1 м). Ос-новной поток изливающейся воды проходил по железобе-тонному коробу городской теп-лотрассы.
Однако, метод сопротивлений показал, что часть водного потока прошла под асфальтовым покрытием в виде 2-х рукавов водонасыщенного грунта (зоны 1, 2). Санкт-Петербург, 1999 г.
1- зоны водонасыщенного грунта; 2 – водовод с локализацией утечки; 3 – линия канализации; 4 – теплотрасса; 5 – поребрик тротуара.

6.6. Примеры работ в городских условиях
На Fig.15 представлены ре-зультаты работ с заземлен-ными установками по локали-зации мест протечек подзем-ного бетонного канала сброса сточных вод. Длина канала бо-лее 60 м, сечение 3х3 м2, глу-бина до верхней кромки 1 м. Область утечки (Fig.15а) уста-новлена по данным метода срединного градиента как об-ласть низких значений кажу-щихся сопротивлений (0.5-15 Oм.м).
Места протечек в западной и восточной стенках канала определены с помощью ВЭЗ. Разрезы кажущихся сопротивлений ВЭЗ для внешней (pr.58) и внутренней (pr. 20, 18, 16) зоны области утечки показаны на Fig.15b.
На этом примере видно, что при изучении малых глубин метод сопро-тивлений является вполне достойным конкурентом георадиолокации.
Fig.15