Начало использования радиоволн в геоэлектрике
Идея использования радиоволн в геоэлектрике возникла практически сразу вслед за изобретением А.С. Попова, а именно с появлением первых технических средств, передающих и принимающих радиоволны. Одна из первых попыток применить радиоволны в решении геологических задач была осуществлена в 1901 году немецким инженером Трюстедтом [Trüstedt, 1912], который в г. Питкяранте (Карелия) применил так называемый лучевой метод (с источником и приемником радиоволн – рис. 1). В этом опыте по обе стороны от предполагаемого места расположения рудного тела располагались передающая и приемная антенны, подключенные к зеркалам с совмещенными фокальными плоскостями. Поворотом зеркал в вертикальной плоскости определялся такой угол, при котором преломленная электромагнитная (ЭМ) волна от источника активирует регистратор. При этом между приемной и передающей антеннами располагался экран, препятствующий прохождению прямой ЭМ волны. По углу наклона зеркал и расстоянию между ними определялась глубина залегания верхней кромки рудного тела.
Рисунок 1. Схема опытов Трюстедта [Петровский, 1925]. А – источник ЭМ поля, В – приемник, С – экран, препятствующий прохождению прямой ЭМ волны.
В работе А.А. Петровского [Петровский, 1925] дано краткое описание некоторых методов геоэлектрики, возникших в первой четверти ХХ века, использующих радиоволны. Ниже приводятся краткое описание этих методов с проведением аналогий с современными методами геофизических исследований.
Теневой метод
Теневой метод – аналог метода радиоволнового просвечивания, ориентированного на качественную оценку наличия или отсутствия контрастно проводящей зоны в непроводящих породах – например, заполненной грунтовыми водами карстовой полости в каменной соли (рис. 2). Используется явление образования радиотени за счет затухания ЭМ волны в проводящей среде. Впоследствии А.Г. Тархов называет этот метод радиоволновым [Тархов, 1955].
Рисунок 2. Иллюстрация теневого метода [Петровский, 1925].
Лучевой метод
Лучевой метод – аналог метода георадиолокации с разнесенными и направляемыми передающей и приемной антеннами. Под направляемостью антенн подразумевается возможность управления направлением распространения ЭМ волны. Метод ориентирован на изучение объектов, контрастных по удельному сопротивлению и диэлектрической проницаемости в сравнении с вмещающими породами. Использовалось явление отражения ЭМ волны от контрастной границы раздела двух сред (рис. 3).
Рисунок 3. Иллюстрация лучевого метода [Петровский, 1925].
Интерференционный метод
Интерференционный метод – основан на записи профиля ЭМ волны (зависимости амплитуды от пространственной координаты) неподвижной радиостанции вдоль линии наблюдения. Используется явление интерференции ЭМ волн, идущих от источника до приемника по различным траекториям: сквозь горные породы, вдоль границы земля-воздух и т.д. Схема наблюдений интерференционным методом представлена на рис. 4. Анализируя интерференционную картину по простым геометрическим соотношениям длины волны и пройденного ею расстояния можно определить глубину залегания отражающего объекта.
Другой вариант интерференционного метода заключается в изменении не положения приемной станции, а частоты поля. Наблюдаемые при этом эффекты аналогичны.
Рисунок 4. Иллюстрация интерференционного метода [Петровский, 1925].
Возвратный метод
Возвратный метод основан на явлениях образования узла (минимума) напряженности электрического поля и пучности (максимума) напряженности магнитного поля при отражении от проводника на расстояниях, кратных половине длины волны в земле (рис. 5). Обратное явление наблюдается на расстояниях кратных четверти длины волны. В возвратном методе использовалась одна антенна в качестве генераторной и приемной. Антенна ориентировалась обычно параллельно границе земля-воздух. Излучение велось на заданной частоте и с заданной действующей силой тока. При возвращении в антенну отраженной ЭМ волны на действующую силу тока накладывается индуцированная сила тока, которая может как усилить измеряемую результирующую силу тока в антенне, так и уменьшить ее. Таким образом, ориентируя передающую антенну (электрический диполь) параллельно изучаемой проводящей плоскости (например, кровле рудного тела) и варьируя длину излучаемой ЭМ поля можно по профилю результирующей силы тока в антенне определить расстояние до отражающей поверхности. В работе А.А. Петровского [Петровский, 1926] развивается теория возвратного метода: математически описано возвратное действие ЭМ волны на антенну (диполь Герца), исследована зависимость генерации диполя от наклона к отражающей поверхности и даны методы графического определения необходимых величин ЭМ поля. Также в работе [Петровский, 1925] отмечается наибольшая популярность этого метода в то время среди других методов геоэлектрики.
Рисунок 5. Иллюстрация возвратного метода [Петровский, 1925].
Примечательно, что в работе [Петровский, 1925] идет речь о постепенном вытеснении методов постоянного тока методами, использующими переменные ЭМ поля (не только радиочастотного диапазона). Систематическая разработка метода, основанного на использовании переменного ЭМ поля частотой 50-10000 Гц в период с 1918 по 1922 г.г., согласно А.А. Петровскому [Петровский, 1925], принадлежит шведским инженерам Гансу Лундбергу и Гарри Наторсту (Hans Lundberg и Harry Nathorst) [Lundberg, 1929]. Уже в 1925 году в Германии, Швеции и США существовал целый ряд акционерных компаний, разрабатывающих и использующих такие методы. Также в СССР и Германии были созданы институты прикладной геофизики, разрабатывавшие, в числе других, методы, использующие переменные ЭМ поля для геологических целей.
Естественно, что для получения более полной и точной информации об объектах исследования методами, использующими поля радиостанций (как и другими методами электроразведки) необходимо располагать методиками количественной оценки удельного электрического сопротивления r и относительной диэлектрической проницаемости e горных пород в их естественном залегании.
Одной из первых публикаций на эту тему являлась статья А.А. Петровского [Петровский, 1930]. В этой работе было дано теоретическое обоснование интерференционного метода определения длины ЭМ волны в горной породе. Также описан способ измерения r и e, основанный на регистрации картины интерференции прямой ЭМ волны, проходящей от источника, помещенного в горной выработке, к приемнику на дневной поверхности, и «обходной» волны, скользящей от источника до приемника через ствол шахты вдоль границы земля-воздух. Приведены методика определения коэффициента поглощения ЭМ волны в породе и выражения для расчета эффективного (характеризующего некоторый объем горной породы) удельного сопротивления и диэлектрической проницаемости через измеренные длину волны и коэффициента поглощения в породе.
Несколькими годами позже работы подобной направленности публикуются и в европейских журналах [Feldman, 1933; Smith-Rose, 1933; Barfield, 1934; Cloos, 1934]. В указанных работах рассматриваются вопросы изучения электрических свойств почвы и верхних горизонтов земной коры как для геологических целей, так и для задач радиосвязи.
В целом данный этап развития электромагнитных методов, в том числе с использованием полей радиочастотного диапазона, характеризуется увлечением числа методов переменного тока с некоторой чрезмерной оценкой их возможностей, не соответствовавшей степени развития теоретических средств и методик интерпретации данных.
Литература
-
Петровский А.А. Радио в горной разведке // Известия ИПГ, вып 1, 1925, С. 135 – 152.
-
Петровский А.А. Теория возвратного метода // Известия ИПГ, вып 2, 1926, С. 143 – 176.
-
Тархов А.Г. Радиоволновой метод электроразведки // Труды МГРИ, 1955, том 28, С. 215 – 225.
-
Barfield R.H. Some measurements of the electrical constants of the ground at short wavelength by the wave tilt method // Proc Inst. Electr. Electron. Eng., 1934, 75. P. 214 – 220.
-
Cloos E. Auto radio; an aid in geologic mapping // American Journal of. Science, 1934, 28 5, P. 255-68.
-
Feldman C.B. The optical behavior of the ground for short radio waves // Proc. Inst. Electr. Electron. Eng., 1933, 21, P. 764 – 801.
-
Lundberg H. The history of magnetic and electrical prospecting for oil: Mining Mag., 1929, v. 41, no. 2, P. 73-78.
-
Smith-Rose R.L. The electrical properties of soil for alternating currents at radio frequencies // Proc. Roy. Soc. London, 1933, 140, P. 359 – 377.
-
Trüstedt. Ueber ersuchen mittels elektrizität // Zs. F. prakt. Goelogio, 1912, 20, P. 159 – 162.