1. Экспериментальные магнитометрические исследования на Дубоссарском гидротехническом полигоне

В.П.Дудкин

В качестве характерного примера отображения в магнитном поле типичного техногенного объекта приведем результаты экспериментальных магнитометрических исследований на части площади гидротехнического полигона в Дубоссарском районе (Молдова), которые проводились под руководством В.П. Дудкина по договору с НИИ Гидромелиорации (УкрНИИГиМ) в 1989 г.

Исследования планировались для достижения следующих целей: выяснение возможностей магнитометрического метода при трассировании подземных трубопроводов, оценка информативности и экономической эффективности магнитометрии по сравнению с альтернативными исследованиями методами электроразведки, а также выяснение связи характерных особенностей магнитного поля с техническим состоянием трубопровода. Для сокращения объема статьи последние два аспекта целевого задания не рассматриваются.

Экспериментальные исследования проведены в пределах двух участков площадью 120×20 м каждый, выделенных заказчиком как наиболее интересные. Длинная ось съемочных участков ориентирована вдоль оси трубопровода широтно, профили – меридионально. Длина профилей (20 м) выбрана с таким расчетом, чтобы обеспечить выход графиков аномалий магнитной индукции в фоновое поле.

Магнитометрическая съемка проведена по сети 1×1 м протонным магнитометром ММП-203 при установке датчика прибора на высоте 0.3 м над поверхностью земли. Наблюдения проводились по системе профилей, ориентированных вкрест простирания трубопровода. Съемка выполнялась по упрощенной методике: короткими рейсами продолжительностью 30-40 минут, которые начинались и заканчивались на контрольном пункте. Это позволило в достаточной мере учесть влияние вариаций магнитного поля Земли и обеспечило возможность вычисления аномалий магнитной индукции со средней квадратической погрешностью не более ±10 нТ. Учитывая высокую интенсивность аномалий (до 2000 нТ) и градиентов магнитной индукции (нередко – свыше 500 нТ/м), точность съемки можно считать вполне удовлетворительной.

С целью сокращения иллюстративного материала ниже рассматриваются результаты исследований только по одному из участков (№2). На карте аномалий магнитной индукции участка №2 (рис. 1, А) линия трубопровода отмечается цепочкой линейно вытянутых положительных аномалий, которые в отдельных местах прерываются аномалиями отрицательного знака.

Подобная характерная особенность распределения магнитных аномалий является типичной и наблюдается практически на всех трубопроводах. В частности, нить трубопровода из стальных цельнометаллических труб фиксируется цепочкой магнитных диполей, отвечающих отдельным трубам (или секциям труб). Каждый такой диполь отмечается интенсивной положительной аномалией и расположенной рядом с ней аномалией обратного знака, близкой по форме и амплитуде. Вследствие этого типичная аномалия от трубопровода приобретает явный четкообразный характер.

Из опыта наших исследований и по литературным данным [Ружин, Станюкович 1988] чередование положительных и отрицательных аномалий над трубопроводом обычно имеет более регулярный характер и проявляется более контрастно, чем на Дубоссарском полигоне. Эта особенность рассматриваемой аномалии объясняется, по-видимому, тем, что в данном случае мы имеем дело не с цельнометаллическими трубами, а с бетонными конструкциями, армированными железом. Вследствие ячеистого заполнения стенок магнитоактивным материалом остаточная намагниченность таких труб значительно уступает намагниченности цельнометаллических железных труб, в связи с чем в магнитном поле трубопровода ярко выраженных дипольных эффектов практически не наблюдается. В пользу такого предположения говорит следующий факт. Если намагниченность труб вызвана главным образом индуктивной составляющей, то вектор намагничивания труб, который ориентирован в плоскости магнитного меридиана, направлен ортогонально или под небольшим углом к оси трубопровода, проложенного в данном случае широтно. В этих условиях влияние нижнего полюса наклонно намагниченной трубы должно проявляться минимумом не в осевой части трубопровода, а к северу от него. И действительно, к северу от оси трубопровода наблюдается цепочка линейно вытянутых минимумов, сопутствующих положительным аномалиям.

Четкообразный характер магнитной аномалии трубопровода отмечается и на дубоссарском трубопроводе. Периодически с интервалом 4–5 м наблюдается резкое уменьшение амплитуды аномалии и пережимы (сужения) аномальной зоны нередко до нуля. Регулярность подобных деформаций дает основание предположить, что четкообразный характер аномалии объясняется в данном случае, скорее всего, не дипольным эффектом, а естественным уменьшением магнитных характеристик материала на участках стыков отдельных труб. Четыре высокоинтенсивных минимума в районе профилей 15–20, 34–40, 96–100 и 117–120 связаны, по-видимому, с проявлением так называемой обратной намагниченности, что может иметь место при использовании здесь цельнометаллических труб, обладающих высокой остаточной намагниченностью.

Несмотря на специфические деформации аномалии магнитной индукции, линия трубопровода уверенно фиксируется на всем его протяжении (3 на рис. 1, А). Эпицентр трубопровода располагается вблизи максимума аномалии в точках, где магнитная индукция близка величине B_o = B_max – |B_min|.

По данным трансформаций исходных аномалий магнитного поля, зона трубопровода отличается высокими значениями горизонтального и вертикального градиентов магнитной индукции. При этом на карте горизонтального градиента (рис. 1, Б) ось трубопровода прослеживается по нулевым значениям параметра в области перехода от высокоинтенсивных максимумов к минимумам. Еще более контрастно линия трубопровода отображается в поле вертикального градиента магнитной индукции (рис. 1, В) и совпадает с зоной линейно вытянутых максимумов. Наиболее рельефно особенности аномальной зоны отражены на пространственной модели поля (рис. 1, Г).

Рис.1. Результаты магнитометрических исследований на Дубоссарском гидротехническом полигоне.

Деформации аномального магнитного поля в районе профилей 50–60 в значительной мере связаны с наличием здесь вентилей, колодцев и устройств антикоррозионной защиты. Вентили (1 на рис. 1, А) отмечаются отрицательными магнитными аномалиями. Положительная аномалия к северу от основной ветви трубопровода в районе профилей 50–60, по-видимому, связана с наличием там резервуара специального назначения и подводом к нему. Еще одну аномалию-помеху отрицательного знака с центром в конце профиля 78, создает расположенный там металлический столб (2 на рис. 1, А).

Параллельно основной зоне положительных аномалий наблюдается еще одна цепочка максимумов меньшей интенсивности, расположенная на расстоянии 4–5 м к югу от оси трубопровода (4 на рис. 1, А). Аномалии этой зоны имеют прерывистый характер, значительно меньшие размеры и амплитуды. Так могла бы выглядеть старая заброшенная ветвь трубопровода.

Для оценки формы, глубины залегания и магнитных характеристик источника аномалии по ряду профилей съемки проведена количественная интерпретация.

Процесс интерпретации магнитометрических данных на примере профиля 10 иллюстрируется рисунком 2. Кроме графика аномалии магнитной индукции на уровне наблюдений В(0) на рисунке приведена также кривая распределения значений магнитной индукции В(1) на высоте 1 м над уровнем наблюдений, которая рассчитана методом, описанным в работе [Дудкин, Кошелев 1999].

Рис. 2. Пример интерпретации магнитной аномалии по профилю 10: а – методом характерных точек, б – по алгоритму С.П. Левашова

Нулевой уровень аномалии выбран исходя из особенностей формы интерпретируемой кривой. В соответствии с условием B_o = B_max – |B_min| начало координат (точка 0) принято на пикете 10.

Полагая, что источник аномалии имеет форму горизонтального кругового цилиндра, глубину залегания трубопровода можно рассчитать несколькими способами по формулам, приведенным в работе [Миков 1962], – по характерным точкам кривой:

(1)

или из соотношения амплитуд аномалий на уровнях 0 и Δh метров над поверхностью наблюдений –

(2)

Расчеты по формулам (1)–(2) дают следующие значения h: 1.4, 1.5 и 1.4 м, соответственно. Относительная погрешность определения глубины в данном случае не превышает 5 см. Близость полученных значений глубин подтверждает правильность выбора формы аномального объекта. Учитывая, что наблюдения проведены на уровне 0.3 м над поверхностью земли, истинную глубину залегания центра трубопровода в районе профиля 10 можно принять в среднем близкой 1.1 м.

Магнитный момент горизонтального кругового цилиндра связан с другими параметрами соотношениями:

(3)

где S=πR² – площадь поперечного сечения цилиндра радиуса R; J – модуль вектора намагничения.

Отсюда можно определить величину намагниченности источника аномалии:

(4)

Принимая R=0.4 м, h=1.4 м, B_max=1030 нТ, получим: J ≈ 20 A/м.

Угол наклона вектора намагниченности можно оценить по величине смещения максимума аномалии магнитной индукции на уровне Dh над поверхностью наблюдений из соотношения: tg i = 3d/Δh. При d=0.6 получим: i = 61^o.

Таким образом, основные характеристики исследуемого объекта в данном случае могут быть определены простейшим методом, основанным на использовании характерных точек интерпретируемой кривой.

Недостатком этого метода интерпретации является его сравнительно невысокая точность (порядка 10–20%) и заметная зависимость величины вычисленных параметров от выбора нулевого уровня интерпретируемой кривой. Поэтому целесообразно было бы сравнить полученные результаты с данными интерпретации каким-либо другим методом.

С этой целью проведена интерпретации той же аномалии принципиально иным способом – методом последовательного накопления и разрастания аномальных масс по алгоритму С.П. Левашова [Булах, Левашов 1987]. В этом случае для расчета распределения величины намагничения интерпретируемого объекта в плоскости вертикального разреза достаточно указать предельную величину верхней и нижней границ глубин залегания и максимальную величину его предполагаемого намагничения.

Задавшись границами глубин 0.5 и 2 м, и максимальной намагниченностью J = 20 А/м, получим геомагнитный разрез, представленный на рис. 2, б. На фоне нулевой намагниченности вмещающей среды контур сечения трубопровода отмечается изолиниями интенсивности намагничивания в интервале 12–20 А/м с центром на глубине 1.25 м. Такое совпадение результатов интерпретации различными методами говорит о высокой степени достоверности определения геометрических и физических параметров исследуемого объекта.

О распределении подобных характеристик трубопровода на всей площади исследований можно судить по данным количественной интерпретации, проведенной по ряду других профилей, выбранных на участках наименьшего искажения аномалий магнитной индукции помехами. Результаты интерпретации приведены в табл. 1. Как видно из таблицы, глубина залегания оси трубопровода в зависимости от форм микрорельефа местности колеблется в пределах 0.75–1.2 м.

Табл.1. Результаты количественной интерпретации

С целью уточнения природы упомянутых ранее интенсивных отрицательных аномалий проведена также количественная интерпретация по профилю 18 через область минимума, ближайшего к описанному выше интерпретационному профилю 10. График магнитной индукции по профилю 18, представленный на рис. 3,а, на первый взгляд не соответствует аномалии от нормально намагниченного горизонтального цилиндра (см. рис. 2).

Рис. 3. Интерпретация магнитной аномалии по профилю 18: а – исходная кривая магнитной индукции.

Рис. 3. Интерпретация магнитной аномалии по профилю 18: б – «обращенная» кривая и результаты расчетов.

Однако если построить зеркальное отражение исходной кривой, получим такой график магнитной индукции, который по форме вполне соответствует аномалии от нормально намагниченного горизонтального цилиндра. Более того, аномалия поддается количественной интерпретации, например рассмотренными выше методами.

Результаты интерпретации изображены на рис. 3,б ниже нулевой линии чертежа и представлены в табл. 1. При этом направление вектора намагниченности J указано на чертеже не для «обращенной», а для исходной кривой магнитной индукции. (Искажения аномалии в районе пикетов 12–13 не принимались в расчет, так как, судя по распределению поля на уровне 1 м, они быстро затухают с высотой и, следовательно, связаны с мелкими приповерхностными магнитными неоднородностями).

Исследования по профилю 18 подтверждают правильность предположения, что отмеченные выше зоны интенсивных минимумов вдоль оси трубопровода объясняются обратной намагниченностью отдельных труб.

Оценку величины намагниченности и магнитной восприимчивости по объекту в целом можно получить непосредственно по магнитометрическим данным, воспользовавшись, например, методом, описанным в справочнике по магниторазведке [Магниторазведка 1990] на основе эмпирической формулы:

(5)

Поправочный коэффициент С зависит от формы аномального объекта. Для случая трубопровода из бетонных, армированных железом труб по данным количественной интерпретации аномалий (табл. 1) коэффициент принят равным С=3.8.

Определив намагниченность J, из соотношения

(6)

где Т – напряженность магнитного поля Земли, можно оценить также величину эффективной магнитной восприимчивости объекта. Результат подобных расчетов приведен на рис. 4.

Рис.4. Магнитные характеристики трубопровода.

Как видно из рисунка, линия трубопровода отмечается высокими значениями как магнитной восприимчивости – в среднем на уровне (30..50)×10^-3 4π СИ, так и интенсивности намагничивания – от –30 до +30 А/м.

В поле магнитных характеристик стыки труб отмечаются более контрастно, чем на карте магнитной индукции. На рис. 4 они для наглядности отмечены вертикальными линиями разрыва. На участках стыков труб магнитная восприимчивость уменьшается до 5×10^-3 4π СИ и менее, что вполне понятно, так как стыки – наиболее слабые места трубопровода, где процессы коррозии и ослабление магнитных характеристик протекают наиболее интенсивно. На графике распределения интенсивности намагничивания вдоль трассы трубопровода (рис. 4, Г) видно, что в местах стыка намагниченность труб уменьшается практически до нуля. Причем подобная картина наблюдается не только при переходе участков нормальной намагниченности в обратную, но и на стыках нормально намагниченных труб (например, в районе профилей 76–77, 106).

Как видно из рассмотренного примера, задачи, поставленные перед экспериментальными магнитометрическими исследованиями Дубоссарского полигона, были решены в основном успешно. Это не означает, что магнитометрический метод исследований трубопроводов следует считать универсальным и самодостаточным, однако свидетельствует о его высоких разрешающей способности и общей эффективности.

Исследование особенностей магнитной аномалии на Дубосарском трубопроводе, быть может, и не имеет прямого отношения к памятникоохранным исследованиям в благоприятных условиях проведения работ. Однако он позволяет получить представление о методах распознавания магнитных аномалий в неблагоприятных условиях – на фоне интенсивных помех техногенного происхождения, когда требуется более глубокий анализ результатов магнитометрических исследований. Важнейшие компоненты такого анализа рассматриваются ниже в заключительной части работы.

Литература

Булах Е.Г., Левашов С.П. Построение геоплотностных моделей методом последовательного накопления и разрастания аномальных масс // Изучение литосферы геофизическими методами.– К.: Наукова думка, 1987.– с. 37–47.

Дудкин В.П., Кошелев И.Н. Методы комплексной интерпретации результатов магнитометрической съемки археологических памятников // АРОІКС.– № 3.– К., 1999.

Магниторазведка. Справочник геофизика. / Под ред. В.Е. Никитского и Ю.С. Глебовского, 2 изд. // М.: Недра, 1990.

Миков Д.С. Методы интерпретации магнитных аномалий//Томск, 1962.–188с.

Ружин Ю.А., Станюкович А.К. Реализация метода свободного поиска (иллюстрации и аномалии). Препринт № 71(825) // М.: ИЗМИРАН, 1988.– 26 с.