Теоретические основы метода РАП

 

Метод РАП относится к категории геофизических методов, изучающих и использующих для получения информации естественные физические поля. Это ставит его в разряд методов с небольшой себестоимостью, так как позволяет обходиться без громоздких источников возбуждения.

Метод использует для получения информации собственное акустическое поле Земли, а именно – поле акустического резонанса, возникающее в толщах горных пород под влиянием различных внешних факторов. Внешними факторами являются источники сейсмической активности земной коры, механические колебания, возникающие в результате напряжений земной толщи, движения планет и многое другое. Под влиянием вышеперечисленных внешних факторов в слоистой толще возникают поперечные упругие колебания.

 

Поперечные упругие волны возникают только в телах, в которых возможны упругие деформации сдвига. Существование поперечных поверхностных волн является следствием взаимодействия продольных и (или) поперечных упругих волн при отражении этих волн от плоской границы между различными средами. Границей между средами могут быть поверхности ослабленного механического контакта между средами, обусловленные:

 

       -резкой сменой литотипов пород изучаемого разреза

       -прослоями различного генезиса (углистыми, глинистыми, слюдистыми и т.п.)

       -перерывами в осадконакоплении

       -интрузивными и экструзивными контактами

       -тектоническими нарушениями

           

Чем слабее контакт – тем большая возможностью взаимного перемещения соседних слоев, и, следовательно – больше амплитуда возникающих собственных колебаний.

В результате поверхностные волны локализуют энергию возмущений, созданных на поверхности, в сравнительно узком слое. Именно это свойство поверхностных волн приводит к резонансным явлениям. Также любая упругая среда характеризуется тем, что резонансные эффекты в ней проявляются и тогда, когда изначально там не было свободных поверхностей, а затем они появились, например, в результате возникновения и развития трещин. В случае среды «граница твердого тела и жидкости» возникает незатухающая поверхностная волна, что характеризуется повышением амплитуды колебаний. Возможно искусственное усиление амплитуды принимаемых собственых колебаний (приведение акустического датчика в состояние резонанса) путем механического его возбуждения, при этом мощность источника возбуждения не имеет особого значения. Как правило, для возбуждения достаточно обыкновенного молотка.      При возбуждении (ударе в непосредственной близости от датчика) на датчик наводятся акустические колебания широкой полосы частот, которые, при совпадении с частотами собственных акустических колебаний подповерхностных объектов, вызывают усиление их амплитуды. Частота колебаний обратно пропорциональна мощности колеблющегося «слоя». Под «слоем» понимается толща горных пород, находящаяся между поверхностью наблюдений и поверхностью «ослабленного механического контакта» (ОМК). Нижеследующая иллюстрация поясняет основные принципы и поисковые объекты метода РАП:

Записав и проанализировав суммарный акустический сигнал, можно вычислить его спектральные характеристики и выделить резонансные частоты колебаний, каждая из которых соответствует мощности соответствующего слоя, то есть – глубине залегания поверхности ослабленного механического контакта, при этом большей глубине залегания соответствует более низкая частота собственых акустических колебаний. Реальные сигналы, записываемые аппаратурой РАП, и их спектральные характеристики можно увидеть на рисунках ниже:

 

 

Как видно по иллюстрации, результаты измерений (положение основных выделяемых экстремумов спектра) практически не зависят от того, выполнялись ли они с возбуждением датчика либо без его возбуждения. Это позволяет говорить именно о естественной природе фиксируемых акустических колебаний.

Метод Резонансно-акустического профилирования защищен патентом США:

Используемая аппаратура

 

Вышеизложенные физические принципы РАП определяют параметры применяемой аппаратуры, функциональное назначение которой заключается в приеме и записи акустического сигнала с сохранением всех его спектральных особенностей и последующим спектральным анализом записанного сигнала.

Применяемый в РАП датчик акустических колебаний (акустоэлектрический преобразователь) 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.

 

В настоящее время для работы применяется два типа аппаратуры.

 

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.

 

Комплект аппаратуры 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.

В настоящее время разработана и готовиться к изготовлению новая, современная модификация аппаратуры РАП, обладающая лучшими техническими и эксплуатационными характеристиками.

    

⇐ Предыдущая12345Следующая ⇒

Поделиться: