Document 2531250
advertisement
Актуальность темы Изучение природы воздействия сверхширокополосных электромагнитных импульсов на геологическую среду является одной из актуальных задач разведочной геофизики, позволяющей исследовать закономерности их распространения в природных и техногенных средах для получения информации о пространственном распределении электрофизических характеристик. Поскольку в сверхширокополосной импульсной георадиолокации характерные времена поляризации среды часто оказываются близкими к характерным временам зондирующих импульсов становится практически важным для развития метода достоверно оценивать вклад формирующейся дисперсии электрофизических характеристик в измеряемые сигналы. Нерешённые вопросы интерпретации данных георадиолокации во многом обусловлены недостаточным для анализа массива уже накопленных полевых данных уровнем теоретического описания процессов взаимодействия зондирующих сигналов со средой. Это значительно замедляет внедрение перспективной технологии импульсного сверхширокополосного электромагнитного зондирования. Изложенные в диссертации результаты в совокупности вносят значительный вклад в понимание и описание процессов, происходящих в среде при воздействии на неё короткими сверхширокополосными электромагнитными импульсами, несомненно способствуя дальнейшему развитию и расширению перспектив этого метода. Цель работы Основные цели диссертационной работы О.А. Гулевич заключаются в следующем: исследования характеристик временной и пространственной эволюции сверхширокополосных импульсов в диспергирующих средах, диэлектрическая поляризация которых описывается различными приближенным моделями; учёт влияния этой дисперсии путём качественного сопоставления результатов численного моделирования и полевых экспериментов; оценка эффективности метода сверхширокополосной импульсной георадиолокации, основываясь на конкретных экспериментальных данных. Диссертация состоит из введения, трёх глав, заключения и списка литературы, содержащего 56 наименований. Общий объём диссертации составляет 126 страниц. Во введении сформулированы цели исследования и определена его задача, обоснована актуальность темы, её научная новизна и практическая значимость, а также приведены основные положения, выносимые на защиту. Все указанные разделы сформулированы корректно и обоснованы в достаточной степени. В заключительной части дан краткий обзор развития дистанционных методов электромагнитных зондирований. Эта часть текста наименее проработана и не выглядит сколько-нибудь цельной. Начиная с вступительной фразы о "зондировании земной поверхности", под которой подразумевается зондирование земных недр. Автор очень часто использует термин "грунт", подразумевая под этим термин "горная порода" ("содержащие флюиды грунты", с. 12). Обзор иногда сопровождается совершенно бездоказательными утверждениями ("чем плотнее среда, чем больше в ней флюидов, тем меньше затухают сейсмические колебания, и, как правило больше, электромагнитные", с. 14). Действительно, если флюидом в песчанике является солёная вода, то затухание электромагнитного поля больше. Однако, напротив, если флюид - нефть или газ, то затухание меньше, чем в породе без флюида. Утверждение на с. 15 о том, что "индукционные электромагнитные методы не обеспечивали необходимые для практического использования глубину зондирования и разрешающую способность", не выдерживает никакой критики, поскольку огромное число рудных залежей, особенно не выходящих на земную поверхность и глубоко залегающих, было открыто с использованием метода переходных процессов. То же самое можно сказать о методе зондирований становлением поля, с помощью которого в Восточной Сибири ещё в 1980-х годах были выделены глубоко залегающие (более 2500 м) нефтегазовые залежи. Список этих замечаний можно было бы ещё продолжить, однако они не добавят нового смысла. Если же говорить о качестве диссертационной работы, то на её положительную оценку в целом они мало влияют, поскольку обзор можно считать слабо относящимся к результатам диссертационного исследования. Первая глава посвящена теоретическому исследованию распространения сверхширокополосного импульсного радиосигнала в диэлектрической среде с дисперсией, но без учёта электропроводности. В п. 1.1 (Постановка задачи, с. 23) утверждается, что неограниченность спектра есть следствие ограниченности сигнала во времени. Как известно, спектр импульса становится неограниченным в случае, если его производная по времени содержит дельта-функцию. Здесь же представлены результаты качественного сопоставления численного моделирования с экспериментальными данными. 3 Наиболее интересными являются рассмотренные п. 1.2. физически разные модели диэлектрической проницаемости. Полученные здесь результаты и их дальнейшее применение в теоретическом исследовании во-многом обеспечили новизну диссертационных результатов и позволили объяснить многие, до этого не находившие корректного истолкования, экспериментальные результаты. Приведено решение системы уравнений, описывающих процесс распространения радиоволнового импульса, включая движение его фронта в зависимости от вида частотной дисперсии диэлектрической проницаемости. Представленные в работе решения получены с использованием преобразования Лапласа. Показано, что его применение позволяет физически адекватного формализовать задачу распространения ограниченных по времени и неограниченных по спектру электромагнитных импульсов с соблюдением принципа причинности. Здесь основополагающим можно считать результат, связанный с распространением волн с собственной резонансной частотой без поглощения в среде с электрической поляризацией (рис. 1.9). Полученные результаты моделирования также сопоставлены с экспериментальными данными, полученные георадаром "Грот-12" при локализации затопленных выработок и исследовании старых угольных выработок в Австралии. Несомненной научной новизной обладает приведённое на с. 50 объяснение с помощью модели дипольной поляризации с инерцией расхождения значений диэлектрической проницаемости, полученных на керне и из данных георадара. В то же время необходимо отметить, что приведенное на с. 51 объяснение появления окон прозрачности над залежами углеводородов за счёт диэлектрической проницаемости с электронной поляризацией не является убедительной. Действительно, рассматриваемая модель относится к совершенным диэлектрикам, в то время как породы, перекрывающие нефтегазовые коллекторы, характеризуются значительной электронной и ионной проводимостью (так для глин она может составлять 0.5 См/м). По результатам первой главы адекватно сформулировано первое из основных положений, выносимых на защиту. Во второй главе диссертации теоретически описана модель взаимодействия сверхширокополосного импульса с несовершенным диэлектриком, обладающим конечной электропроводностью. Выполнены численные расчёты, необходимые для сравнения квазистационарного приближения в методе становления электромагнитного 4 поля с точными решениями, учитывающими вклад диэлектрической проницаемости. Приведено общее выражение для функции диэлектрической проницаемости, полученное из уравнения движения заряженной частицы в электрическом поле с учётом её замедления из-за столкновений. Наибольший научный интерес представляет модель поляризации, содержащая в качестве параметров проводимость и инерцию (п. 2.3). Из её рассмотрения сделан весьма важный и общий вывод о методике измерения диэлектрической проницаемости на больших частотах в петрофизике ("прямое измерение удельного затухания являются более подходящими ..., чем эксперименты по измерению действительной и мнимой частей диэлектрической проницаемости посредством размещения исследуемого образца между обкладками конденсатора", с. 68). Исследованы зависимости удельного затухания импульсного электромагнитного сигнала от частоты и электропроводности. Приведены результаты нескольких экспериментальных работ, полученные в средах с различной электропроводностью. Рассмотрена дисперсия сигналов в реальных средах (при георадиолокационных исследованиях кварцевых жил золоторудного месторождения в Австралии и использовании георадара "Грот-10" для изучения загрязнённых нефтепродуктами участков в Воронежской области). Сформулированы рекомендации направленные на увеличение глубины зондирования и разрешающей способности моноимпульсного георадиолокатора. По результатам второй главы адекватно сформулировано второе из основных положений, выносимых на защиту. Третья глава посвящена сравнению результатов георадиолокационного зондирования с результатами зондирований другими геофизическими методами. Приведены конструктивные особенности и технические характеристики моноимпульсных сверхширокополосных георадаров, в первую очередь "Грот-12", "Грот-12Е". Подробно изложены полученные с их помощью результаты экспериментов. К сожалению, практически не описано уникальное зондирование, глубинность которого оценена в 450 м (с. 85). Из приведённой ссылки (34) неясно, какова достоверность полученной оценки глубинности. В п. 3.3 выполнено сравнение результатов георадиолокации и сейсмоакустики на австралийских угольных месторождениях. Дальнейшая часть третьей главы посвящена описанию конкретных примеров применения георадиолокации и сравнения 5 с результатами других методов (электротомография и зондирования становлением поля в окрестности ямальского кратера и т.д.). Предложены рекомендации по совершенствованию конструкции сверхширокополосных импульсных георадаров. По результатам третьей главы необоснованно узко сформулировано третье из основных положений, выносимых на защиту. Действительно, в основном положении говорится о "различных гидрогеологических условиях", тогда как рассмотрены примеры, различающиеся совсем по другим условиям. Например, восстановление структуры пород в области тектонических нарушений не имеет отношения к гидрогеологическим условиям. Как уже упоминалось, достаточно полный список цитируемой литературы состоит из 56 наименований. К сожалению, его нельзя признать исчерпывающим. Так, за пределами внимания автора осталась диссертационная работа на близкую тему (А.А. Долгун, Моделирование электромагнитного поля в средах с дисперсией электропроводности и диэлектрической проницаемости. Новосибирск, 2011). Это же относится к одной из основополагающих работ по электромагнитным волнам в диспергирующих средах (T. Bergman, J. Robertson, K. Holliger //Geophysics. - 1998. - Vol. 63, №3. - P.856-867). В заключении перечислены основные результаты диссертационной работы и сформулированы выводы. Научная новизна 1. Получены точные решения одномерной задачи распространения сверхширокополосного импульсного сигнала в однородном диэлектрике для трёх моделей диэлектрической проницаемости. Они представлены в виде интегралов от параметров среды и начальных характеристик сигнала, значения которых находились численно. 2. На основе этих решений и качественного сопоставления с экспериментальными данными показана необходимость учёта дисперсии в задачах сверхширокополосной импульсной радиолокации для геологических сред. 3. Экспериментально показана возможность применения импульсной георадиолокации до глубин 100 и более метров, подтверждённая сравнительным анализом результатов дистанционных методов электроразведки, сейсморазведки и 6 импульсной георадиолокации на одних и тех же объектах, как при наличии сухих грунтов, так и вечной мерзлоты. 4. Показано, что крутой передний фронт импульса повышает информативность георадиолокационных данных и улучшает их качество при исследовании малоконтрастных объектов. Эта рекомендация по формированию зондирующего импульса получена на основе сопоставления результатов моделирования и экспериментальных данных для различных природных и техногенных сред. Практическая значимость Полученные результаты диссертации могут быть использованы для решения широкого круга задач импульсной георадиолокации. Представленные экспериментальные данные получены с использованием георадиолокаторов, в которых учтены рекомендованные в диссертации требования к приборам подповерхностного сверхширокополосного зондирования. Практически значимые результаты: 1) получены точные решения задачи распространения сверхширокополосного импульсного сигнала для трёх моделей диэлектрической проницаемости, позволившие дать качественное объяснение эффектов, регулярно наблюдаемых в экспериментах: а) установлено ослабление степени затухания сигнала при увеличении длительности импульса при зондированиях в соляных шахтах, геологическая среда которых характеризуется очень низкой электропроводностью; б) выявлено появление низкочастотных составляющих в спектре сигналов при распространении в средах с относительно повышенной электропроводностью; 2) даны рекомендации по формированию зондирующего импульса с крутым передним фронтом для увеличения разрешающей способности и глубинности, способные повысить эффективность вновь создаваемых георадаров; 3) получены достоверные данные георадиолокационного импульсного зондирования с глубин в десятки и первые сотни метров, значительно расширяющие области практического применения наземной и шахтной модификаций георадиолокационного зондирования. Следует отметить, что аппаратура и методика интерпретации данных, предложенных в диссертации, активно использовались при исследованиях разных типов природных и искусственных объектов как в России, так и за рубежом. 7 Достоверность результатов, представленных в диссертации, обоснована путём сравнительного анализа результатов численного моделирования с экспериментальными данными, в том числе независимо полученными другими авторами. Обоснованность основных результатов подтверждается публикациями в рецензируемых российских и зарубежных журналах, их апробацией на российских и международных конференциях, а также отзывами российских и зарубежных компаний, применяющих аппаратуру и методику интерпретации данных. Личный вклад автора Все результаты по теме диссертации получены лично автором или при её активном участии. Автор выполнила расчёты процессов распространения импульсов в модельных средах; принимала участие в экспедиционных работах, получении экспериментальных данных и их интерпретации, формулировании выводов и обобщений. Несомненным достоинством диссертации является комплексный характер проведенных исследований. Автор использовал оригинальный подход к решению поставленной задачи о распространении сверхширокополосного электромагнитного импульса в однородных диэлектриках и, на основе полученных результатов, обработал и проанализировал большой массив экспериментальных данных. Использованный автором подход к проведению исследований подтверждает его высокую квалификацию и способность применять широкий класс методов и инструментов для решения поставленных задач. К недостаткам работы следует отнести частичное несоответствие параметров рассмотренной теоретической модели реальным условиям экспериментов, что позволило оценить лишь основные закономерности влияния дисперсии. Целесообразно было бы подобрать параметры модели так, чтобы они приближались к условиям эксперимента. Работа бы значительно выиграла, если бы в третьей главе было уделено больше внимания геолого-геофизической интерпретации материалов и построению разрезов с указанием физических и литологических параметров. Все изложенные замечания не влияют критически на общую положительную оценку выполненной работы, не ставят под сомнение результаты проведенных 8 исследований и основные выводы диссертации. Сделанные замечания могут послужить ориентирами в дальнейших исследованиях. Содержание диссертации изложено последовательно, имеет внутреннюю логику, методически правильно и в достаточной мере раскрывает решение поставленных в работе задач. Диссертация и автореферат написаны литературным языком, грамотно, стиль изложения доказательный. Тема диссертации и полученные результаты соответствуют специальности 25.00.10 - геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых. В паспорте специальности тема работы соответствует п. 9 теория распространения сейсмических и электромагнитных волн в Земле; п. математические и численные исследования в теории прямых и обратных задач … геоэлектрики. Автореферат полностью соответствует содержанию диссертации. Результаты диссертационной работы изложены в 16 публикациях, из них 4 статьи в рецензируемых журналах из списка ВАК, 1 статья в зарубежном журнале, 1 монография, созданная в соавторстве, 9 работ в трудах конференций, 1 патент. Содержание публикаций в достаточной мере соответствуют содержанию диссертации. Результаты работы несомненно представляют интерес для специалистов в области георадиолокации, а также в таких важных для практики применениях, как геологоразведка, гидрогеология, мерзлотоведение, археология, мониторинг территорий, находящихся под интенсивным техногенным и антропогенным воздействием. Таким образом, диссертационная работа Гулевич О.А. «Импульсное сверхширокополосное электромагнитное зондирование природных и техногенных сред с дисперсией» соответствует квалификационным требованиям ВАК РФ и пункту 9 «Положения о присуждении ученых степеней», предъявляемым к работам на соискание ученой степени кандидата наук. Диссертация является научно-квалификационной работой, в которой в ходе выполненных автором исследований получены результаты научного и практического характера, имеющие существенное значение для геофизики, а её автор Гулевич Оксана Александровна заслуживает присуждения ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 25.00.10 - геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых. Диссертация, автореферат и отзыв на диссертацию Гулевич О.А. обсуждены на совместном заседании лаборатории электромагнитных 9 полей и лаборатории
