Инверсия данных электротомографии, полученных с аномальными установками при поисках слабоконтрастных объектов

The presentation focuses on the problem of low-contrast geoelectrical anomalies prospecting. Special algorithm for two dimensional ERT interpretation with anomal electrodes array is developed. The inversion is proposed to use the log-linear data normalization and  P / C effects modeling. The algorithm is realized in the ZondRes2d software, tested on synthetic and field examples.

Выявление слабоконтрастных по сопротивлению объектов является актуальной  задачей инженерной геофизики на сегодняшний день.  Современные задачи проектирования требуют детального расчленения геологического разреза. Методики, используемые для исследования карстовых образований, выявления небольших линз или валунов, во многих случаях дают неудовлетворительные результаты.  

Небольшие, малоконтрастные тела очень слабо проявляются в измеренных сигналах. Иногда это влияние сопоставимо с уровнем помех, и возможность их выделения, а тем более определения  параметров чрезвычайно затруднительна. Одним из эффективных приемов, улучшающим качество результатов в таких ситуациях, является использование аномальных измерений.

Методически, задача решается разделением разреза на нормальную (горизонтально-слоистая среда) и аномальную составляющие (локальные объекты). Использование специальных систем наблюдений позволяет измерять эффект только от локальных объектов. В литературе данный подход называется методом чистых аномалий. Существует несколько разновидностей измерительных установок  метода чистых аномалий. Всех их объединяет тот факт, что на поверхности горизонтально-слоистой среды они дают нулевое значение сигнала.

Метод чистых  аномалий давно известен и хорошо изучен в теории и на практике. Несмотря на многолетний опыт использования и  большой объем накопленных материалов, интерпретация до сих пор проводится на качественном уровне. Конечно, возможность использования современных алгоритмов интерпретации, таких как 2D инверсия,  есть. Но все они адаптированы для стандартных электротомографических систем наблюдений.

Для того чтобы получить аномальные измерения необязательно использовать специальные установки, типа MAN. Достаточно произвести наблюдения с трехэлектродной установкой прямым  и обратным ходом.  Разница значений сигналов двух измерений с одним положением MN и одинаковыми по модулю коэффициентами – даст искомое значение. К сожалению, при таком способе получения аномальных измерений страдает качество данных.

Особенностью аномальных измерений  является их знакопеременность и низкий уровень сигнала. Это в первую очередь не позволяет использовать логарифмический масштаб нормировки сигналов при инверсии, что негативно сказывается на решении задачи (расширяется динамический диапазон).

Еще одной проблемой, затрудняющей выявление слабоконтрастных объектов, является наличие в данных P/C-эффекта. Несмотря  на то, что 2D электротомография позволяет учесть P/C-эффекты, их влияние на результат инверсии всегда негативное. В некоторых случаях, локальные приповерхностные неоднородности могут катастрофически искажать глубинные части геоэлектрического разреза. И чем ниже контрастность искомых объектов, тем сильнее они могут быть искажены.

Для решения вышеуказанных задач нами был разработан специальный алгоритм инверсии данных электротомографии. Отличительными особенностями алгоритма является использование линейно-логарифмического масштаба данных и подбор дополнительных параметров, моделирующих P/C эффект.  

Логлинейный параметр  определяет минимальную декаду, в которой масштаб переходит из логарифмического в линейный. Обычно  значение данного параметра выбирается исходя из уровня помех в данных. Линейно-логарифмическая норма сужает динамический диапазон знакопеременной последовательности измерений и понижает значимость данных с высоким уровнем шумовой составляющей.

Для моделирования P или C эффекта используется добавка к нормированному значению сигнала полученного при определенном  положении приемной линии или источника. Для того чтобы избежать чрезмерного влияния добавок на процесс инверсии, скорость их изменения искусственно занижается и подбор ведется только на  поздних итерациях.

Разработанный алгоритм был включен в программу ZondRes2D и опробован на ряде синтетических (Рис.1) и натурных примеров.

Рис.1. Результаты тестирования алгоритма на синтетических данных. А – Исходная геоэлектрическая модель(искомый объект под “экраном”), B – результат инверсии аномальных данных (AMN-MNB), C – результат инверсии обычных данных (AMN+MNB или Шлюмберже).

Для улучшения результата вышеописанного подхода был предложен уточняющий двухстадийный алгоритм, позволяющий четко получать, как структуру вмещающих пород, так и локальные объекты на его фоне. Суть алгоритма заключается в последовательном решении обратной задачи для обычных измерений и последующим уточнением разреза аномальными значениями.

Алгоритм хорошо показал себя при опробовании на синтетических и наблюденных данных. Основной выявленной проблемой является требовательность к   уровню сигнала.

Предложенная методика интерпретации может быть успешно применена при детальных исследованиях  разрезов, выявлении небольших и слабоконтрастных объектов.