НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ
ІНСТИТУТ ГЕОЛОГІЧНИХ НАУК
ЦЕНТР АЕРОКОСМІЧНИХ ДОСЛІДЖЕНЬ ЗЕМЛІ
ВУЛЬФСОН Леонід Давидович
УДК 528. 8.04 :(550. 361: 504. 43)
ОСОБЛИВОСТІ ФОРМУВАННЯ ТЕМПЕРАТУРИ ТА КОЕФІЦІЄНТІВ ВІДБИТТЯ ЗЕМНИХ ПОКРОВІВ У ТЕПЛОВОМУ ІЧ- І НВЧ-ДІАПАЗОНАХ СТОСОВНО ДИСТАНЦІЙНОГО ЗОНДУВАННЯ У ГЕОЛОГІЧНИХ І ПРИРОДООХОРОННИХ ЦІЛЯХ
Спеціальність: 05.07.12 - дистанційні аерокосмічні дослідження
Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата фізико-математичних наук
Київ - 2000
Дисертацією є рукопис
Робота виконана в Центрі аерокосмічних досліджень Землі ІГН НАН України
Науковий керівник: Доктор геолого-мінералогічних наук, член-кореспондент НАН України, професор Лялько Вадим Іванович Центр аерокосмічних досліджень Землі ІГН НАН України, директор
Офіційні опоненти: Доктор фізико-математичних наук, член-кореспондент НАН України, професор Федоровський Олександр Дмитрович Центр аерокосмічних досліджень Землі ІГН НАН України, зав. відділом Кандидат фізико-математичних наук, Єфімов Валентин Борисович Центр радіофізичного зондування Землі ім. А.І.Калмикова НАН і НКА України, зав. відділом
Провідна установа: Інститут геофізики ім. С.І.Субботіна НАН України
Захист дисертації відбудеться 3 жовтня 2000 р. об 11-00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.162.03 в Центрі аерокосмічних досліджень Землі Інституту геологічних наук НАН України за адресою: 01054, Київ-54, вул. О.Гончара, 55-б, Інститут геологічних наук НАН України.
З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Інституту геологічних наук НАН України.
Автореферат розісланий 1 вересня 2000 р.
Вчений секретар спеціалізованої вченої ради,
кандидат геолого-мінералогічних наук В.М Крат
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. Дистанційне зондування Землі (ДЗЗ) в тепловому ІЧ- та НВЧ-діапазонах на даний час набуває інтенсивного розвитку як комплекс методів дослідження в науці та практичній діяльності.
Розвиток і впровадження цих методів в Україні зумовлені, зокрема, недостатнім забезпеченням енергетичними ресурсами та несприятливим екологічним станом, а, отже, необхідністю застосування сучасних аерокосмічних технологій дослідження геологічної будови надр стосовно пошуків і розвідки покладів вуглеводнів, виявленню перспективних площ для підземного тепловідбору, визначення ділянок, найбільш придатних для створення сховищ радіоактивних відходів АЕС і т.п.
Несприятливі зміни навколишнього середовища внаслідок діяльності людини, проявилися в країні на території, яка займає сотні тисяч квадратних кілометрів, а швидкість їх протікання набагато перевищує швидкість природних екзогенних геологічних процесів. Все це обумовило необхідність проведення оперативного контролю стану довкілля, в тому числі виявлення та спостереження за розвитком областей підтоплення, просідання земної поверхні над шахтними полями, встановлення меж областей підвищеного зволоження та надмірного осушення земель, визначення зон просочування з каналів, водоймищ та відстійників, оцінки швидкості проникнення забруднень до грунтових вод.
Обгрунтуванню можливості та реалізації вказаних вище актуальних задач з використанням теплових ІЧ- та НВЧ-зйомок присвячена дана робота.
Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Всі результати теоретичних та експериментальних досліджень, викладені в дисертації, були отримані при виконанні наступної науково-дослідної тематики відділу енергомасообміну в геосистемах ЦАКДЗ ІГН НАН України:
1. “Новые комплексные методы поисков нефтяных и газовых месторождений на основе теории тепломассопереноса с применением ЭВМ.”, 1973-1975р.р., Постанова ДКНТ СРСР № 182 від 25.05.73, №. держ. реєстр.73071891.
2.“Разработать комплексные дистанционные методы прогнозирования и поиска нефти и газа и внедрить их в практику геолого-разведочных работ на территории Украинской ССР”, 1977-1979р.р., Постанова ДКНТ СРСР № 291 від 28.06.77, №. держ. реєстр.78003866.
3.“Разработка автоматизированных методов контроля и прогноза взаимосвязи поверхностных и подземных вод на приканальных территориях”, 1982-1983 р.р., Комплексна програма ДКНТ СРСР 0.85.06, №. держ. реєстр.01.83.0 068881.
4.“Опытные работы по выявлению площадей, перспективных в отношении нефтегазоносности, методом ИК-съемки в пределах юго-западного Таджикистана”, 1985-1987 р.р. №. держ. реєстр.01.86.0 035797.
5.“Опытно-методические работы по прогнозированию газоносных площадей и доразведке газовых месторождений с помощью комплекса дистанционных методов с применением ЭВМ”, 1986-1988 р.р., №. держ. реєстр.01.86.0 087855.
6.“Розробка теоретико-методичних основ дистанційного екологічного моніторингу геологічного середовища на базі моделей енерго- і масопереносу в системі “порода-вода-рослина-атмосфера” і проведення дослідних робіт на типових полігонах”, 1991-1995р.р., Постанова бюро ВНЗ НАН України № 11, 129 від 26.11.91р., №. держ. реєстр. 01.9.10 020846
7.“Разработка комплексной методики аэрокосмических многозональных съемок в видимом-, инфракрасном- и радиодиапазонах спектра и автоматизированной обработки полученных материалов с выполнением экспериментальных работ на калибровочно-заверочных полигонах (подспутниковое обеспечение) применительно к решению природоресурсных и природоохранных задач”, 1994-1995 р.р., Державна космічна програма України (напрямок “Зондування”), Постанова КМ України № 371 від 07.06.94 р., №. держ. реєстр. 0194U040249.
8.“Составление карт глубины залегания грунтовых вод, влажности грунтов, интегрального загрязнения растительности тяжелыми металлами и радионуклидами и мощности экспозиционной дозы -излучения территории Зоны отчуждения Чернобыльской АЭС масштаба 1:50 000”, 1996-1997 р.р., №. держ. реєстр. 0198U020250.
9.“Комплексні дистанційні дослідження полів потужності експозиційної дози -випромінювання, вологості грунту та рівня грунтових вод в межах Зони відчуження ЧАЕС та прилеглих територій”, 1998 р. №. держ. реєстр. 0198U000849.
У всіх наведених роботах автор приймав участь як відповідальний виконавець.
Мета і задачі дослідження. Метою роботи є теоретичне обгрунтування та експериментальна перевірка ефективності дистанційних зйомок в тепловому ІЧ- та НВЧ-діапазонах для виявлення ділянок, перспективних у відношенні нафтогазоносності і термальних вод, активних розломних зон, а також картування об’ємної вологості грунтів (W) і глибин рівнів грунтових вод (H), що неглибоко залягають. Для досягнення цієї мети вирішувались наступні основні задачі:
1.Вивчення впливу процесів підземного виділення і кондуктивно-конвективного переносу тепла, які характерні для ділянок, що приурочені до покладів вуглеводнів, термальних вод і активних розломних зон, на формування поля температури в приповерхневих шарах і на земній поверхні (ЗП), з метою визначення пошукових критеріїв (корисних сигналів) на ці об’єкти при проведенні дистанційних зйомок в тепловому ІЧ-діапазоні (8-13 мкм).
2.Дослідження особливостей формування коефіцієнтів відбиття (корисного сигналу) в НВЧ- діапазоні () від різних типів грунтів з різними вертикальними профілями вологості з урахуванням впливу рослинного покрову і шорсткості земної поверхні з метою одержання залежностей, які дозволяють визначати W і Н за даними активного зондування в надир.
3.Розробка методики проведення і обробки результатів дистанційних зйомок в тепловому ІЧ- і НВЧ-діапазонах з метою визначення корисного сигналу на фоні шумів в кожному з діапазонів з наступною тематичною інтерпретацією одержаних розподілів радіаційної температури ЗП (Тр), W , Н з геологічними і природоохоронними цілями.
4.Проведення дистанційних досліджень в комплексі з наземними роботами з метою перевірки достовірності розроблених моделей формування корисних сигналів, ефективності методики проведення і обробки даних зйомок на природних полігонах.
Наукова новизна одержаних результатів.
1.Вперше одержані вирази, що описують залежність амплітуд і фаз кратних гармонік розкладу в ряд Фур'є річного і добового ходу змінної складової температури ЗП, яка здійснює теплообмін з зовнішнім середовищем згідно з граничними умовами III роду (ГУ III роду), і приповерхневих шарів грунту не тільки від коефіцієнта тепловіддачі, теплофізичних характеристик грунту та глибини, але й від швидкості висхідної чи низхідної фільтрації води, характерної для активних розломних зон. Показано, що при швидкості фільтрації V 10-7 м/сек можна зневажити впливом фільтрації на річні і добові варіації температури і обмежитись аналізом лише стаціонарної складової.
2.Вперше одержані наближені вирази, що описують стаціонарні розподіли приростів температури на неізотермічній ЗП з ГУ III роду і в приповерхневих шарах, що зумовлені тепловим потоком, рівномірно розподіленим на поверхні сфери і диску, в залежності від їх радіусів, глибини розташування центрів, щільності потоку і теплопровідності порід.
3.Одержані залежності, які, на відміну від відомих, описують не тільки вертикальний розподіл температури в приповерхневих шарах, але й температуру на ЗП при ГУ III роду, зумовлені стаціонарним розподіленим тепловим джерелом (РТД). Залежності дозволяють оцінити максимально можливі значення приросту температури відносно фону при даних об’ємній щільності тепловиділення, теплопровідності порід і коефіцієнті тепловіддачі на поверхні.
4.Вперше одержані залежності, які описують поле температур в гірських породах і на неізотермічній ЗП в області розвантаження термальних вод у водоносний пласт, яка приурочена до тектонічного порушення, з врахуванням горизонтальної фільтрації в пласті і вертикальної фільтрації в напівпроникних породах, що перекривають пласт. Зокрема, показано, що при будь-якій швидкості горизонтальної фільтрації максимум температурної аномалії в породах, що перекривають пласт, і на ЗП, не може зміститися за межі зони порушення.
5.Розроблено і апробовано удосконалену модель для визначення коефіцієнтів відбиття в діапазоні від різних типів грунтів з довільними вертикальними профілями вологості, яка грунтується на представленні неоднорідного по вертикалі грунту, що підстилається електрично однорідним середовищем (як правило, грунтовими водами) у вигляді елементарних тонких шарів з плоскопаралельними границями розділу з вологістю і діелектричною проникністю, які змінюються від шару до шару, але залишаються постійними в межах шару. Модель відрізняється від відомих тим, що діелектрична проникність в кожному шарі визначається за допомогою формули суміші (Peplinski N.R. et al., 1995), а коефіцієнти відбиття розраховуються в імпедансному наближенні з використанням відомої рекурентної формули вхідних імпедансів (Бреховских Л.М., 1973).
6.Вперше розроблено методики обробки даних теплової ІЧ-зйомки з геологічними цілями для рівнинних і гірсько-складчастих областей, які грунтуються на загальному принципі усунення температурних завад (контрастів), що зумовлені неоднорідним характером ЗП з різними умовами теплообміну з оточуючим середовищем за допомогою поправок. Поправки визначаються виходячи з вимоги приведення неоднорідної ЗП до єдиних умов теплообміну із середовищем за допомогою рівняння теплового балансу ЗП.
7.Удосконалено методику усунення впливу шорсткості ЗП та рослинності при визначенні полів вологості грунтів і глибин рівнів грунтових вод. Згідно з методикою, на відміну від існуючих, визначаються поправочні коефіцієнти для кожного виду ЗП на тест-ділянці з відомим типом грунту та вертикальним профілем вологості, як відношення розрахованого модуля коефіцієнта відбиття від електрично плоскої ЗП до виміряного.
Практичне значення одержаних результатів полягає в розвитку фізичних моделей формування корисних сигналів в полях температури і коефіцієнтів відбиття ЗП, які несуть інформацію про геологічні об’єкти і вологовміст грунтів, а також в розробці методів їх виділення на фоні шумів за даними дистанційних зйомок в тепловому ІЧ- і НВЧ-діапазонах, достовірність і ефективність яких було підтверджено експериментально на природних полігонах. Це дозволило використати вказані дистанційні дослідження в комплексі з іншими дистанційними і наземними методами при прогнозуванні покладів вуглеводнів в межах нафтогазоносних територій України, Таджикистану і Узбекистану; здійснити пошуки термальних вод в Таджикистані (Західний Памір) і виявлення активних розломних зон в Україні (південно-західний борт Дніпровсько-Донецької западини) і в Таджикистані (зона зчленування Паміру і Тянь-Шаню); виконати картування вологості грунтів, глибин рівня грунтових вод; визначити місця фільтраційних втрат з каналів, водосховищ, відстійників; оконтурити зони підтоплення і просідань на територіях Київської, Дніпропетровської областей і Криму.
Особистий внесок здобувача. Всі результати, наведені в розділі “Наукова новизна одержаних результатів”, отримані безпосередньо автором.
Апробація результатів дисертації. Основні результати доповідались на: Всесоюзном семинаре по вопросам моделирования процессов переноса подземними водами, Ленинград, 1978; Всесоюзной конференции “Народно-хозяйственные и методические вопросы геотермии”, Махачкала, 1978; XXI Международном конгрессе по гидротермической технике, НРБ, Варна, 1985; Международном симпозиуме по контролю и управлению ресурсами подземних вод, ГДР, Дрезден, 1987; I Всесоюзном съезде инженеров-геологов, гидрогеологов и геокриологов, Киев, 1988; Международном научном семинаре по аэрокосмическому мониторингу земних покровов и атмосферы, Киев, 1993; Fist International Airborne Remote Sensing Conference and Exhibition, Strasbourg, France, 1994; 15-th EARSel Symposium “Progress in Environmental Remote Sensing Research and Applications”, Basel, Switzerland, 1995; 9-th International Soil Conservation Organization Conference “Towards Sustainable Land Use”, Bonn, Germany, 1996; Third International Airborne Remote Sensing Conference and Exhibition, Copenhagen, Denmark, 1997; Науково-практичній конференції “Наука. Чорнобиль-98”, Київ, 1999; Науково-технічному семінарі “Нові методи в аерокосмічному землезнавстві”, Київ, 1999.
Публікації. Результати дисертації опубліковано у 2 монографіях, 6 статтях у наукових журналах та 17 у збірниках наукових праць, 28 тезах та доповідях конференцій, 2 авторських свідоцтвах, 2 препринтах.
Структура і обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, шести розділів і висновків, які викладені на 145 сторінках машинописного тексту, 84 рисунків і 2 таблиць. Список використаних джерел нараховує 122 назви. В першому розділі дається короткий огляд стану досліджень в тепловому ІЧ- і НВЧ-діапазонах земних покровів і визначено напрями подальших робіт. В другому розділі наведені фізичні моделі, що описують особливості формування полів температури ЗП, приурочених до покладів вуглеводнів, термальних вод і активних розломних зон, які необхідні при визначенні пошукових критеріїв на ці об’єкти при дистанційному зондуванні в ІЧ-діапазоні. В третьому розділі наведені результати розробки і реалізації удосконаленої моделі формування коефіцієнтів відбиття від різних типів грунтів при їх активному зондуванні в надир в НВЧ-діапазоні на довжині хвилі стосовно до визначення W і H за даними зйомки. В четвертому розділі коротко описана апаратура і особливості зйомок в тепловому ІЧ- і НВЧ-діапазонах. В п’ятому розділі наведені розроблені методики обробки даних зйомок в ІЧ- і НВЧ-діапазонах, а також розглянуто взаємозв’язок полів Тр і W, врахування якого суттєво підвищує інформативність і достовірність результатів спільної інтерпретації даних зйомок. В шостому розділі наведені результати експериментальної перевірки розроблених моделей і методів на природних полігонах, які підтвердили їх інформативність та ефективність.
Автор висловлює глибоку подяку науковому керівнику, члену-кореспонденту НАН України В.І.Ляльку за наукові консультації, підтримку і увагу на всіх етапах роботи, а також колективу відділу енергомасообміну в геосистемах ЦАКДЗ ІГН НАН України за багаторічну плідну співпрацю.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
Перший розділ дисертації присвячено аналізу стану дистанційних досліджень полів Тр, W та H відповідно в тепловому ІЧ- і НВЧ- діапазонах.
Найважливішими публікаціями, які присвячено фізичним основам, апаратурним засобам, методиці і результатам застосування теплової ІЧ-зйомки (ТЗ) при вирішенні геологічних, природоресурсних і природоохоронних задач, є роботи: Арцыбашева Е.С., Бабаева В.В., Выприцкого Г.С., Горного В.И., Кондратьева К.Я., Лялько В.И., Митника М.М., Шилина Б.В., Ясенского Г.И., Ahmad M.U., Campbell J.B., Friedman J.D., Herrander P.A., Schmugge T.J., Watson K., Williams R.S. та ін.
Велике значення для розвитку методів ТЗ при вирішенні геологічних задач мають роботи в області наземної геотермії Гордиенко В.В., Кутаса Р.И., Осадчего В.Г., Сардарова С.С., Суетнова В.В. та ін.
Застосування ТЗ найефективніше в тих випадках, коли об’єкт, який досліджується, проявляється в полі Тр у вигляді корисного сигналу (Тр,п,), що суттєво перевищує як чутливість апаратури ТЗ (Тр), так і температурні контрасти (Тр,к), зумовлені неоднорідним характером ЗП. В тих же випадках, коли ТрТр,пТрк , необхідно застосування на основі розроблених фізичних моделей формування полів Тр і Тр,п, методів обробки даних ТЗ для виділення Тр,п на фоні шумів в поєднанні з оптимізацією умов ТЗ і комплексування її з НВЧ-зйомкою з метою врахування варіацій W при інтерпретації результатів ТЗ.
Основні результати теоретичних і експериментальних досліджень в області застосування дистанційного зондування в НВЧ-діапазоні для визначення W і H як за власним тепловим випромінюванням ЗП за допомогою НВЧ-радіометрів, так і з використанням радіолокаційних систем (РЛС) (здебільшого скатерометрів і РЛС бокового огляду) відображені в роботах: Арманда Н.А., Башаринова А.Е., Добрынина Н.П., Калмыкова А.И., Курекина А.С., Кутуза Б.Г., Мельника Ю.А., Финкельштейна М.И., Цимбала В.Н., Шутко А.М., Dobson M.C., Dubois P.S., Engman T., Fung A.K., Henning S., Jian Kang Ji., Moore R.K., Peplinski N.R. Preben G.,Schmugge T., Ulaby F.T.,Van Zyl J. та ін.
Застосування РЛС забезпечує вищу просторову розпізнавальну здатність, крім того, їх дані суттєво менше залежать від температури грунту в порівнянні з даними НВЧ-радіометрів.
Зондування в надир у дециметровому діапазоні ефективніше в порівнянні з сантиметровим тому, що зі збільшенням довжини хвилі збільшується глибина зондування і зменшуються завади, які зумовлені варіаціями шорсткості ЗП і рослинним покровом.
Верхнім обмеженням при виборі довжини хвилі є необхідність забезпечення достатньої просторової розпізнавальної здатності при максимальній простоті і економічності конструкції РЛС.
Для одержання достовірних результатів при визначенні W і H, необхідно удосконалення моделі формування коефіцієнту відбиття у дециметровому діапазоні для різноманітних типів грунтів із довільними вертикальними профілями W, а також методів урахування впливу шорсткості ЗП і рослинності, що спотворюють корисний сигнал.
Другий розділ присвячено обгрунтуванню і реалізації фізичних моделей формування термодинамічної температури (далі температури) приповерхневих шарів і ЗП та Тр на основі вирішення крайових задач теплопереносу при наступних припущеннях:
1.В якості граничної умови на ЗП, яка співпадає з координатною площиною X0Y, використовується рівняння її теплового балансу у вигляді ГУ III роду (Чудновський А.Ф., 1976):
(1)
де q - в загальному випадку кондуктивно-конвективний потік в грунт:
(2)
Т(z,) - вертикальний розподіл температури в грунті; Т(0,)=Тп - температура на ЗП, Те() і N - еквівалентна температура середовища і еквівалентний коефіцієнт тепловіддачі, які визначаються сукупністю стандартних метеорологічних даних, к=а/с - теплопровідність, а - температуропровідність і с - теплоємність грунту, св - теплоємність води, V - швидкість вертикальної фільтрації, z - вертикальна координата.
2. Значення к, с, V приймаються середніми, які не залежать від z, , і Т, а N від і Т.
3. Те() і Т(z,) можна розглядати як суперпозицію незалежних постійних і змінних в часі складових:
(3)
(4)
де Теij, еij, ij - амплітуда, фаза і кругова частота j-тої гармоніки розкладу в ряд Фур’є добового (i=1) і річного (i=2) ходу Те(); T0,e і T(z) - постійні складові Те() і T(z,); (z,) - змінна складова T(z,).
4. У наближенні “сірого тіла”,де Т-коефіцієнт випромінювання ЗП (Криксунов Л.З., 1978).
Це дозволило:
1. З метою оцінки температурних аномалій ЗП, які приурочено до областей живлення і розвантаження підземних вод, а також об’єктів з контрастними значеннями к, с по відношенню до вміщуючих порід одержати розв’язок рівняння кондуктивно-конвективного теплопереносу для (z,), що описує сталі періодичні коливання температури в поверхневих шарах грунту і на ЗП з врахуванням вертикальної фільтрації води, граничних умовах ІІІ-го роду на ЗП при z=0 і (z,) 0, при z, які мають наступний вигляд:
(5)
Як показав чисельний аналіз (5), помітний вплив на річний хід температури поверхні чинить вертикальна фільтрація з V 510-7 м/сек і добовий хід при V 10-6 м/сек. При низхідній фільтрації (V0) зменшується амплітуда коливань на ЗП і збільшується запізнення по фазі в порівнянні з ділянкою, де при інших рівних умовах V=0. При висхідній фільтрації спостерігається протилежна картина. В цілому, в денний час в літній період при антициклональній погоді на широті 50о п.ш. аномалії, які зумовлено вертикальною фільтрацією зі швидкостями V 10-6 м/сек можуть досягати 2-5K. При V <10-7 м/сек вертикальна фільтрація не впливає на (z,) і можливо обмежитись лише аналізом постійної складової T(z) (Митник М.М., 1980).
2. Для оцінки впливу процесів генерації тепла і перерозподілу (фокусування) глибинного теплового потоку при кондуктивному теплопереносі, які характерні для: а) покладів вуглеводнів, сульфідних руд, соляних штоків, дайок і т. п. на температуру в породах, що перекривають та на ЗП, одержані наближені залежності, які описують розподіл приросту температури (Т), що створюється додатковим стаціонарним тепловим потоком qп, рівномірно розподіленим на поверхні сфери, описаної, наприклад, навколо покладу брахіантиклинального типу і диску, що співпадає, наприклад, з поверхнею соляного штока, розміщених навколо неізотермічної плоскої ЗП з ГУ ІІІ роду:
Наближений характер (6) і (7) зумовлений тим, що при їх виводі ГУ ІІІ роду були реалізовані за допомогою теплового опору z/к=1/N додаткового шару грунту товщиною z=к/N, який має, окрім вертикальної складової q(qв), ще й горизонтальну qгр. Але завдяки невеликим значенням z=0.10.2 м, як показав чисельний аналіз (6), qгр не перевищує 0.01 qв при і, відповідно, похибка оцінки Т в цій області не перевищує 1-2%. Виконані за допомогою (6) і (7) розрахунки показали: 1) значення Т=1-2К, які спостерігаються в поверхневих шарах і на ЗП над покладами вуглеводнів, не можуть бути зумовлені безпосередньо процесами в покладах тому, що відповідно до (6) і (7) в кращому випадку не перевищують 0.02-0.04К, але можуть бути пояснені процесами окислення газоподібних вуглеводнів ореолу розсіювання, що відбуваються в поверхневих шарах в умовах надлишку кисню і вологи за допомогою специфічних мікроорганізмів; 2) при співвідношенні при оцінках Т на ЗП можна перейти від тривимірних задач до одновимірних з похибкою не більше 10%.
3. Для оцінки впливу тепловиділення, яке зумовлено мікробіологічним окисленням газоподібних вуглеводнів на Т(z), одержане розв’язання стаціонарного рівняння теплопровідності для області з РТД в інтервалі глибин z1zz2, ГУ ІІІ роду на ЗП при z=0 і ГУ ІІ роду
; (8)
; (9)
, (10)
де qг - глибинний тепловий потік; B0 - щільність РТД.
Згідно з (8) - (10) приріст температури (Т) на ЗП в порівнянні з фоном (де В0=0) визначається додатковим тепловим потокомі може досягати значень від кількох десятих до одного-двох градусів. Зі збільшенням глибини Т(z) зростає до значення:
(11)
і залишається постійним при z>z2. Очевидно, що ці оцінки є гранично великими тому, що одержані в одновимірному наближенні. При переході до дво- і тривимірного випадку, завдяки горизонтальному теплопереносу, Т(z) буде поступово зменшуватись з глибиною при z>z2.
4. Отримано вирази, які описують стаціонарне поле температур родовища термальних вод, теплова модель якого представлена горизонтальним напірним пластом з потужністю (m), постійною температурою по вертикалі (Т2), горизонтальними швидкістю фільтрації (Vx) і теплопровідністю (к1). Пласт підстилається водотривкими породами і перекритий напівпроникними породами зі швидкістю вертикальної фільтрації (V), вертикальною теплопровідністю (к) і горизонтальною теплопровідністю, що дорівнює 0. Через підошву в зоні тектонічного порушення при x l/2 в пласт поступає аномально високий тепловий потік qп, поза зоною порушення при x l/2 - фоновий потік (qг). При цьому температура в породах, що перекривають, включаючи ЗП, описується виразом:
(12)
Як показав аналіз (12) - (15), значення позитивних аномалій Т на ЗП, які зумовлені qп в реальних природних умовах, можуть досягати значень від перших десятих часток до десяти і більше градусів.
З (14) згідно з вимогою dT2,2 / dx = 0, було отримано формулу для визначення місця знаходження максимуму аномалії:
(16)
з якої (оскільки n1+n2n1-n2) виходить, що максимум аномалії завжди зміщений відносно центру (x=0) порушення в напрямі Vx, але ніколи не може вийти за його межі. Це дозволяє точніше визначити місце знаходження і розміри зони порушення, а при відомих параметрах m, Vx, V, к, к1 оцінити значення qп, що визначає динамічні запаси тепла родовища, за даними ТЗ.
5. За допомогою розробленої методики квазіаналогового моделювання кондуктивно-конвективного теплопереносу в гірських породах виконано моделювання задач, сформульованих в п.п. 3 і 4 в двовимірному наближенні, що дозволило підтвердити коректність одержаних аналітичних рішень (8) - (11), при умові xB/z2200 (де xB горизонтальна протяжність РТД), і (12) - (15) при умові V10-9м/сек. Моделювання також дозволило встановити, що горизонтальна фільтрація грунтових вод зменшує значення T(z).
Так, наприклад, при умові глибини залягання рівня грунтових вод H=1.5z2 швидкості фільтрації Vx = 1.510-7 м/сек і потужності грунтового потоку m=10м значення Т(z2) зменшується в 2.5 раз в порівнянні зі значенням, вирахуваним за формулою (11).
В третьому розділі обгрунтовано і реалізовано електродинамічні моделі формування коефіцієнта відбиття () від грунтів з різними вертикальними профілями W при зондуванні в надир на довжині хвилі , з метою визначення залежностей, які пов’язують значення модуля з W і Н.
Як відомо, залежність R від W зумовлена відповідною залежністю від W комплексної діелектричної проникності (КДП) грунту (), яка входить у вирази для визначення R. Для визначення R довільно зволоженого по вертикалі шару грунту з плоскою границею розподілу (1-2) “атмосфера-грунт”, що підстилається напівнескінченим електрично однорідним середовищем, він представляється у вигляді системи з n-1 елементарних плоско-паралельних шарів, що підстилається напівнескінченим по вертикалі електрично однорідним шаром n+1, з Wn і , які змінюються від шару до шару, але залишаються постійними в межах кожного n-го шару.
Тоді згідно з (Бреховских Л.М., 1973) дорівнює:
(17)
де - імпеданс в атмосфері, - вхідний імпеданс на верхній границі шару.
Для напівнескінченого середовища (п.1) були одержані залежності R=R(W) і обернені W=W(R):
W=0.406 exp(6.78R) - для піщаного грунту (S=0.4, C=0.05) ; (30)
W=0.430 exp(6.91R) - для супіщаного грунту (S=0.3, C=0.1) ; (31)
W=0.450 exp(7.05R) - для суглинистого грунту (S=0.15, C=0.2) . (32)
В третьому розділі розглянуто також взаємозв’язок полів Тр і W, які визначаються при синхронних ТЗ і НВЧ-зйомці і проаналізовані його фізичні механізми. Наведені приклади залежностей Тр=Тр(W), одержані в результаті обробки власних і запозичених експериментальних даних. Показано, що комплексування дозволяє: уникнути виявлення хибних аномалій, зумовлених варіаціями W, при пошуках ендогенних теплових джерел; визначати зони розвантаження термальних вод, які приурочені до розривних порушень; картувати зони живлення та розвантаження підземних вод; визначати при відомому виді грунту, значення к, c, альбедо (r), Т, Tп, Те та N, необхідні при оцінці потужності підземних джерел тепла за аномаліями Тр; використовувати значення Тп при розрахунках згідно з (19), виключити можливість інтерпретації підвищених значень відбитого НВЧ-сигналу від інженерних споруд, які містять металеві конструкції (шосе з залізобетонним покриттям, трубопроводи та ін.), як зон підвищеної вологості.
Четвертий розділ містить опис апаратури і методики проведення дистанційних досліджень, які включають:
1. Авіаційні ТЗ і НВЧ- зйомку, за допомогою трасового ІЧ- радіометра (спектральний діапазон 8-13 мкм, енергетична розпізнавальна здатність 0.15К, постійна реєстрації 0.1 сек, миттєвий плоский кут зору 0.12 рад) і НВЧ- скатерометра (довжина хвилі розпізнавальна здатність 0.5 dB, постійна реєстрації 0.1 сек, кут візування =0, радіус поля зору де hс - висота зйомки), що супроводжуються відеозйомкою;
2. Зовнішнє калібрування приладів на природних об’єктах (здебільшого електрично плоска водна поверхня) з відомою радіаційною температурою і коефіцієнтом відбиття Re;
3. Дистанційні виміри Re та наземні визначення вертикальних профілів вологості W=W(z) на тест-ділянках, які представляють типи грунтів, і види ЗП, що характерні для району робіт;
4. Наземні різноглибинні виміри температури, а також визначення W і H, з метою верифікації виявлених аномалій Тр, і визначених полів W і H.
Результатом зйомки є дискретні розподіли вздовж основних (як правило, паралельних) і одного або кількох базових маршрутів, які перетинають основні, що записані в бортовий комп’ютер у вигляді окремих файлів, де - просторова координата, яка співпадає з маршрутом, j- порядковий номер визначення Tp або Re від початку маршруту.
Ця інформація в комплексі з матеріалами, які одержані на тест-ділянках, даними топографічної прив’язки та відеозйомки ЗП є основою для подальшої обробки з метою побудови полів Tp,п, W і H.
В п’ятому розділі розглянуті методики обробки даних дистанційних зйомок і робіт з їх наземного забезпечення.
На основі аналізу теплового балансу (1) і особливостей формування корисного сигналу Тр,п показано, що для рівнинних областей, де більша частина території зайнята різними полями і ЗП має кусково-однорідний характер, обробка даних ТЗ повинна включати:
1. Згладження дискретних розподілів вздовж маршрутів в межах однорідних ділянок за допомогою кубічних сплайнів;
2. Виключення контрастів Тр,к, що спотворюють приведенням згладжених розподілів , які відповідають різним умовам теплообміну на ділянках до однакових умов теплообміну на n-й ділянці, за допомогою послідовного введення поправкового множника Кn+1 і адитивної поправки n+1 для розподілу , які визначаються із вимоги повного спряження на границі n-ї і n+1-ї ділянок:
(39)
де - координата межі ділянок n і n+1 вздовж маршруту. Далі операція повторюється для n-1, n+2, n-2, … ділянок, аж до одержання рівномірного розподілу в межах маршруту.
В гірсько-складчастих аридних областях, де в зв’язку зі складним розчленованим рельєфом відсутні різні однорідні ділянки ЗП з чіткими межами, обробка даних включає:
1. Виділення вздовж маршруту ідентичних ділянок за типом поверхні, грунту і вологості та визначення для статистично показової вибірки близько розташованих, але по-різному орієнтованих за сторонами світу і нахилами пар таких ділянок (1) і (2) середнього значення відношення:
(40)
де - миттєві значення Тр і кутів падіння прямої сонячної радіації i-тої пари ділянок (1) і (2). Близьке розташування ділянок необхідне для виключення впливу корисного сигналу на .
2. Розрахунок і введення адитивних поправок приведення миттєвих значень Тp,i на виділених ділянках до значень, які відповідають горизонтальній ділянці в заданий момент часу (наприклад, часу, який відповідає початку зйомки на маршруті):
(41)
де г - миттєвий кут падіння сонячної радіації на горизонтальну ділянку з наступною апроксимацією одержаних розподілів кубічними сплайнами і одержанням безперервного розподілу
Обробка даних ТЗ з використанням Фур’є-аналізу вихідних розподілів вздовж маршрутів зйомки може використатися як в рівнинних, так і гірсько-складчастих областях і повинна включати наступні операції:
1. Визначення лінійного тренду в розподілі та відхилень від тренду ;
2. Проведення Фур’є-аналізу з наступним синтезуванням безперервного розподілу вздовж маршруту у вигляді суперпозиції низькочастотних гармонік. При цьому мінімальна довжина хвилі гармонік, які використовуються, повинна бути в 3-5 разів більша відстані кореляції температурних контрастів (шумів) вздовж маршруту зйомки. Максимальна довжина хвилі здебільшого відповідає довжині маршруту.
Наступні операції незалежно від способу попередньої обробки на кожному m-ому маршруті включають:
3. Визначення приростів відносно мінімального (фонового) значення , який є шуканим корисним сигналом:
; (42)
4. Приведення на всіх основних маршрутах (m=1...M) до однакових умов теплообміну на базовому маршруті (m=0), що перетинає основні, за допомогою введення поправочного множника , який визначається з вимоги в точках перетину основних і базового маршруту:
(43)
а також побудову карти .
Обробка даних НВЧ- зйомок включає:
1.Розрахунок за даними наземних і дистанційних визначень на тест-ділянках значень R і залежностей W=W(R), H=H(R) для різних типів грунтів і вертикальних профілів W, а також значень i для різних (i-тих) видів ЗП, що характерні для району робіт.
2.Виділення різних однорідних (i-тих) видів ЗП вздовж маршрутів за даними відеозйомки і перерахунок розподілів в з допомогою i . Згладження за допомогою кубічних сплайнів, і визначення розподілів вздовж основних маршрутів (m=1…M) зйомки з врахуванням районування за типом грунтів і вертикальних профілів W.
3.Приведення вздовж маршрутів до єдиного часу зйомки на базовому маршруті за допомогою адитивних поправок, що визначаються з умови рівності значень Wm=W0 і Hm=H0 в точках перетину основних і базового маршруту та побудову карт W і H.
В шостому розділі наведено результати дистанційних зйомок в тепловому ІЧ- і НВЧ-діапазонах і наземних геотермічних, мікробіологічних, геохімічних і гідрогеологічних досліджень, які підтвердили достовірність розроблених моделей формування корисних сигналів і ефективність методів їх виділення, що дозволило прийняти участь у вирішенні ряду геологічних і природоохоронних задач, в тому числі: 1) прогнозування ділянок, перспективних у відношенні нафтогазоносності в межах Дніпровсько-Донецької западини (ДДз), Вахшського прогину Афгано-Таджицької депресії, і Чарджоуської ступені Середньоазіатської плити; 2) пошуки родовищ підземних термальних вод на прикладі долини річки Токузбулак в центральному Памірі; 3) виявлення активних розломів в прибортовій зоні ДДз і зоні зчленування Паміру і Тянь-Шаню; 4) картування полів вологості грунтів і рівнів грунтових вод, що неглибоко залягають, виявлення зон надлишкового зволоження і підтоплення земель, просідань над шахтними виробками, фільтраційних втрат із магістральних каналів, водойм, відстійників і водосховищ відповідно в межах територій зрошуваних масивів Північного Криму, Дніпропетровської і Київської областей, 30-км Зони відчуження ЧАЕС, районах інтенсивного вуглевидобутку Західного Донбасу та ін.
ВИСНОВКИ
Розширення можливостей застосування дистанційних методів дослідження геологічного середовища в тепловому ІЧ- і НВЧ- діапазоні разом з удосконаленням апаратурних засобів зондування вимагає розвитку фізичних моделей формування корисних сигналів, які несуть інформацію про ті чи інші характеристики земних покровів, геологічні об’єкти і процеси енергомасообміну в гірських породах, створення методів їх визначення за даними зондування на фоні шумів, а також експериментальної перевірки достовірності і ефективності розробок на природних полігонах. На вирішення цих актуальних задач направлена дана робота.
Основними результатами є наступні:
1.Запропоновані і реалізовані фізичні моделі, які описують особливості формування полів температури ЗП і приповерхневих шарів, що приурочені до покладів вуглеводнів, ділянок локалізації термальних вод, активних розломних зон. Одержані значення температурних аномалій, що виникають над цими об’єктами і є корисним сигналом, який реєструється під час теплової ІЧ- зйомки.
2.Запропонована і реалізована для різних типів грунтів і вертикальних профілів вологості для довжини хвилі зондуючого випромінювання =0.68м електродинамічна модель формування коефіцієнта відбиття під час дистанційного зондування в надир. Одержані розрахункові залежності, які дозволяють визначати вологість в приповерхневих шарах грунту і глибину рівня грунтових вод, що неглибоко залягають.
3.Розроблені методи обробки матеріалів дистанційних зйомок в тепловому ІЧ-діапазоні, виконаних в рівнинних і гірсько-складчастих областях, з метою виділення корисних сигналів на фоні шумів.
4.Розроблена методика обліку спотворюючого впливу рослинного покрову і шорсткості ЗП на значення коефіцієнта відбиття під час активного зондування в дециметровому діапазоні.
5.На основі проведеного аналізу взаємозв’язку полів температури ЗП і вологості поверхневих шарів грунту розроблена методика спільної інтерпретації матеріалів синхронних зйомок в тепловому ІЧ- і НВЧ-діапазонах, яка суттєво підвищує інформативність і достовірність результатів дистанційних досліджень.
6.Розроблені моделі формування корисних сигналів при дистанційному зондуванні в тепловому ІЧ- і НВЧ-діапазонах, а також методи їх виділення на фоні шумів і комплексної інтерпретації пройшли експериментальну перевірку на природних полігонах, де дистанційні зйомки супроводжувались наземними геотермічними, мікробіологічними, геохімічними і гідрогеологічними роботами. Це дозволило використувавати результати розробки в комплексі з іншими дистанційними і наземними методами при вирішенні актуальних геологічних і природоохоронних задач в Україні і за її межами.
ПЕРЕЛІК ПУБЛІКАЦІЙ
Монографії.
1.Геотермические поиски полезных ископаемых / Лялько В.И., Митник М.М., Вульфсон Л.Д., Шпортюк З.М. - К.: Наукова Думка, 1979. -148 с.
2.Аэрокосмические методы в геоэкологии /Лялько В.И., Вульфсон Л.Д., Жарый В.Ю., Митник М.М. Под ред. Лялько В.И. - К.: Наукова Думка, 1992. - 205 с.
Наукові статті.
3.Вульфсон Л.Д. К вопросу о методике моделирования процессов нестационарного теплообмена в грунте при фильтрации воды на квазианалоговых моделях // Электроника и моделирование. - Вып.5, -К.: Наукова Думка, 1975. - С. 19-21.
4.Лялько В.И., Митник М.М., Вульфсон Л.Д. Исследование особенностей температурного поля поверхности земли на нефтегазовых площадях Днепровско-Донецкой впадины для выявления критериев дистанционных поисков нефти и газа // ДАН УССР, сер. Б. - 1977. - №7.- С.600-602.
5.Лялько В.И., Малашенко Ю.Р., Митник М.М., Вульфсон Л.Д., Романовская В.А., Богаченко В.Н., Чугунный Ю.Г. Геоэкологическая деятельность углеводородоокисляющих микроорганизмов // ДАН УССР, сер.Б. - 1978. - №4. - С. 306-309.
6.Лялько В.И., Митник М.М., Вульфсон Л.Д., Фролов Н.М. Поверхностные очаги питания и разгрузки подземных вод // Геотермические методы исследований в гидрогеологии. - М.: Недра, 1979. - С. 149-163.
7.Лялько В.И., Митник М.М., Вульфсон Л.Д. Решение задач без фазовых переходов // Геотермические методы исследований в гидрогеологии. - М.: Недра, 1979. - С. 25-35.
8.Вульфсон Л.Д. Учет влияния поверхностных факторов на нефтегазовый сигнал при дистанционной тепловой съемки // ДАН УССР, сер. Б. -1980. - №4. - С. 3-6.
9.Лялько В.И., Митник М.М., Вульфсон Л.Д. Дистанционные геотермические поиски полезных ископаемых // Методические и экспериментальные основы геотермии. - М.: Наука, 1983. - С. 195-204.
10.Вульфсон Л.Д. Основы дешифрирования материалов дистанционных тепловых съемок земной поверхности с нефтегазопоисковыми целями // Космическая информация в геологии. - М.: Наука, 1983. - С. 88-90.
11.Бабаев В.В., Вульфсон Л.Д., Золоташко В.И., Стерлин Е.П. Дистанционные тепловые съемки при поисках и разведке залежей углеводородов в ДДв // Космическая информация при поисках, разведке и эксплуатации газовых месторождений: результаты и перспективы использования. - М.: ВНИИГАЗ, 1987. - С. 95-113.
12.Лялько В.И., Вульфсон Л.Д. О возможности применения дистанционной ИК-съемки для выявления раскрытости глубинных разломов // Геологический журнал. - 1988. - №3. -С. 71-75.
13.Лялько В.И., Вульфсон Л.Д. Применение дистанционных съемок в инфракрасном (тепловом) и микроволновом диапазоне для решения геологических и природоресурсных задач // Доклады международного научного семинара по аэрокосмическому мониторингу земных покровов и атмосферы. - К.: Знание, 1993. -С. 19-35.
14.Lyalko V.I., Sakhatsky A.I., Hodorovsky A.J., Filipov J.F., Vulfson L.D.. Geosystem energy-mass exchange modeling for ecological monitoring by use of remote sensing data. // Proceedings of the EARSel Symposium, Basel, Switzerland, 4-6 September 1995/ A.A.Balkema /Roterdam/ Broukfild. 1996. - P. 91-98.
15.Lyalko V.I., Vulfson L.D., Kotlyar A.L., Shevchenko V.N., Ryabokonenko A.D., Marek K.-H., Oppitz S. Application of remote
