HU186678B - Method for determining the structure and condition characteristics of soil on the basis of analysis of artificial electromagnetic field present in soil - Google Patents

Abstract

A találmány lehetővé teszi talajrétegek szerkezeti és állapotjcllemzőinek meghatározását olyan környezetben is, amelyben a magnetoteilurika nem vezet eredményre, alkalmazhatósága szélesebbkörű, mint a hálózati frek venciás mesterséges terek elemzésén alapuló vizsgálaté és ahhoz képest nagyobb lehet a kutatási méiység is. A hálózati kiegyenlítetlenség folytán a talajrétegben villamos berendezések földelésén át gerjesztett energiaimpulzusokat elemezzük; előállítjuk az ezek elektromos és mágneses térkomponenseit reprezentáló jeleket, impulzus diszkrimináló eszközökkel kiválogatjuk azon impulzusokat, amelyek impulzusjellemzői nem térnek el küszöbaránynál nagyobb mértékben az egyező töltésintegrálú ideális négyszögimpulzus megfelelő jellemzőitől és az. ilyen impulzusokhoz tartozó térkomponensek hányadosát reprezentáló jeleket is előállítunk. Az így kapott és tárolt jelekből elektronikus adatfeldolgozással leszármaztatjük az impulzusok periódusidejét és észlelési irányát reprezentáló villamos jeleket. Irányonként úgy határozzuk meg a talaj vezetőképességének mélységmenti eloszlását, hogy az egyes mélységszintekhez tartozó értékeket a megfelelő periódusidejű impulzusokhoz tartozó primer jelekből származtatjuk le. -1-The invention also allows the determination of soil and structural properties of the soil layers in an environment in which the magneto-silicate does not produce results, its applicability is wider than that based on the analysis of network frequency artificial spaces, and the research quality may be higher compared to that. Due to network imbalance, energy pulses excited by the grounding of electrical equipment in the soil layer are analyzed; generating signals representing their electrical and magnetic spatial components, using pulse discriminating means to select pulses whose pulse characteristics do not deviate more than threshold from the corresponding characteristics of an ideal rectangular pulse with the equal charge integral. signals representing the quotient of the spatial components of such impulses are also provided. The electrical signals representing the period time and the detection direction of the impulses are derived from the received and stored signals by electronic data processing. The depth distribution of the soil conductivity is determined by directions so that the values for each depth level are derived from the primary signals belonging to the corresponding periodic pulses. -1-

Description

A találmány lehetővé teszi, hogy talajrétegek meghatározott szerkezeti, illetve állapotjellemzőit a technika állásához képest kedvezőbb üzemi feltételek között határozzuk meg olyan helyeken is, ahol a technika állása szerinti eljárások alkalmazását külső zavaróterek jelenléte nehezíti vagy ki is zárja. A találmány előnyös alkalmazási területe a földtani kutató módszerek ipari alkalmazása, a technogén kőzetmechanikai változások kimutatása főként bányavidéken; különösen jelentős alkalmazási területe a találmánynak: kőzetomlás veszélyének előrejelzése.The invention also makes it possible to determine certain structural or condition characteristics of soil layers under more favorable operating conditions than those in the prior art where the use of prior art techniques is rendered difficult or excluded by the presence of external interferences. A preferred field of application of the invention is the industrial application of geological survey methods, the detection of technogenic rock mechanical changes, especially in the mining region; a particularly important area of application of the invention is the prediction of the risk of rock fall.

Talajrétegek szerkezeti tulajdonságainak, állapotjellemzőinek meghatározására szokás hasznosítani ezt a fizikai tényt, hogy a szerkezeti és állapotjellemzök befolyásolják a talaj villamos vezetőkénti magatartását; ez a befolyás kimutatható az áram hely szerinti és időbeni megoszlásában egyaránt. Különböző ilyen jellegű (pl. lyukszelvényezési) eljárásoknál úgy járnak el, hogy vizsgáló berendezés áramforrásáról a talaj meghatározott pontjában villamos energiát táplálnak a talajba és a talajfelszín kitüntetett pontjaiban elrendezett érzékelőkkel vizsgálják a téreloszlást és/vagy az áramerősséget; a kapott jelekből különböző ismert - vagy e célra felállított - fizikai összefüggések szerint leszármaztatják a keresett jellemző(k) — helyi, pillanatnyi — értékeit. A módszer előnye, hogy a térgerjesztés körülményeit ismerjük és céljainknak megfelelően alakíthatjuk, ebből ered az egyik hátrány is: a tér külön gerjesztése eszközés üzemi költségráfordítást igényei, a térjellemzők variációs köre az alkalmazott eszközök adottságaira korlátozódik. Ugyanakkor a felügyelt tér gyakorlatilag soha sem egyezik meg a rákényszeríteni kívánt ideális térrel, hiszen a talajban kisebb vagy nagyobb mértékben mindig jelen vannak külső (zavaró) elektromágneses terek. Erősebb külső tereknél egyes esetekben felléphet jó közelítéssel becsülhető periodicitás, intenzitás, alaktényező, stb., de még ilyen ismert eredetű gerjesztő források keltette tér sem tekinthető szabályos - és kielégítő pontossággal reprodukálható - erőtérnek, általában a külső eredetű zavarótér erősen sztohasztikus jellegű, ami a saját gerjesztés nyomán figyelni kívánt térjellemzők értékelését megnehezíti, nem ritkán kizárja.To determine the structural properties and condition characteristics of soil layers, it is customary to use this physical fact that structural and condition characteristics influence the conductivity of the soil as conductors; this influence can be detected in both the location and the time distribution of the current. Various methods of this kind (eg, hole tracing) involve applying power to the soil from a source of test equipment at a specific point in the soil and detecting spatial distribution and / or current through sensors located at specific points on the surface; derive from the signals received the local, instantaneous values of the characteristic (s) sought according to different known or established physical relationships. The advantage of this method is that we know the conditions of spatial excitation and can shape it according to our aims, which results in one of the disadvantages: the special excitation of space and its operational cost requirements, the range of spatial characteristics is limited to the capabilities of the tools used. However, the controlled space is practically never the same as the ideal space to be imposed, since external (interfering) electromagnetic fields are always present in the soil to a greater or lesser extent. Stronger outer spaces may in some cases have a good approximation of periodicity, intensity, shape factor, etc., but even excitation sources of such known origin cannot be considered as regular - and reproducible with sufficient precision - the external disturbance space is generally highly stochastic. makes the evaluation of spatial features to be monitored by excitation difficult, and often excludes.

Felvetődött már az a gondolat, hogy éppen a külső zavaró terek megfigyeléséből származtassanak le földszerkezeti és állapot információkat; így mellőzhető lenne a vizsgálótér gerjesztéséhez szükséges ráfordítás. JTi mód van a külső zavarótér reprodukálható, ismétlésre és egybevetésre alkalmas feldolgozására, akkor kitüntethetünk olyan térkomponenseket, amelyekre nézve elegendő ismeretet szerezhetünk megbízható következtetések levonásához. Az ilyen módszer hátránya viszont, hogy ez csak ott és akkor alkalmazható, ahol és amikor van ilyen külső zavarótér és csak e tér tőlünk függetlenül fennálló jellemzőiből vonhatunk le következtetéseket.The idea that ground structure and condition information should be derived from the observation of external interferences has already been raised; This would eliminate the expense needed to excite the test room. With JTi mode of reproducible, repeatable and juxtaposition processing of external disturbance space, we can distinguish spatial components for which we have sufficient knowledge to draw reliable conclusions. The disadvantage of such a method, however, is that it can only be applied where and when there is such an external disturbance space, and only the characteristics of this space independent of us can be inferred.

Ilyen vizsgálatoknál alkalmazható az olyan zavaró erőtér, amelyet pl. nagyteljesítményű villamos berendezésiek) üzeme gerjeszt a környező talajban, elsősorban a berendezésnek a talajba bevezetett földelő testein át. A térkoinponcusek lehetnek:In such tests, an interfering force field, such as that of high-performance electrical equipment) excites the surrounding soil, primarily through the grounding bodies of the equipment into the ground. Spatial coincidence can be:

— hálózati frekvenciás, illetve hálózati felharmonikus — szinuszos vagy alaktorzított - periodikus komponensek, továbbá — szabályos ismétlődésű, illetve aperiódikus, hasonló vagy eltérő időtartamú és alakú impulzusok, impulzussorozatok.- line frequency or network harmonic - sinusoidal or alactorized - periodic components, and - regular repetitive or aperiodic pulses of a similar or different duration and sequence.

A szakirodalom általános tendenciája éppen a zavaróterek hatásának kiküszöbölésére irányul a saját gerjesztésű vizsgálatok pontosságának javítása céljából. Ezzel foglalkoznak pl.: Hoogevorst G. Η. T. C. a Geophysical Prospecting, 23 (1975), 380-390. oldalain megjelent tanulmányában, illetve Geyer R. G. és Keller G. V. a Rádió Science, 4 (1976), 323—342. oldalain megjelent tanulmányukban.The general tendency in the literature is precisely to eliminate the effects of interference fields in order to improve the accuracy of self-excited investigations. For example, Hoogevorst G. Η. T. C. a Geophysical Prospecting, 23 (1975), 380-390. and Geyer, R.G. and G.V. Keller, Radio Science, 4 (1976), pp. 323-342. pages of their study.

A technika állása szerinti elektromos, elektromágneses kutatómódszerek azonban erősen iparosított területeken, pl. bányavidékeken mindmáig csak kis mértékben alkalmazhatók, sok helyen egyáltalán nem, mert a villamos üzemű műtárgyak okozta elektromágneses zajok nagy intenzitása nem teszi lehetővé a saját gerjesztésű hasznos jelek kielégítő pontosságú diszkriminálását.However, prior art electrical, electromagnetic research methods in highly industrialized fields, e.g. they are still very limited in mining areas, and not at all in many places, because the high intensity of electromagnetic noise generated by electric artefacts does not allow for sufficiently accurate discrimination of self-excited useful signals.

Ilyen alkalmazási helyeken különösen jelentős lehetne a zavaróterek feldolgozásán alapuló analízis, de ez ideig inkább csak a gondolat felvetésére — esetleg diszkussziójára - került sor, a publikációk általában nem adnak kellő útmutatást a gyakorlatban alkalmazható módszer tekintetében és nem is számolnak be kísérleti mérésekről.In such applications, analysis based on disturbance field processing could be particularly important, but so far only the idea has been raised, perhaps debated, and publications generally do not provide sufficient guidance on the method to be applied in practice, nor do they report experimental measurements.

A zavaróterek eredetét és hatását már több ízben vizsgálták. Az OMFB 11-8001-Et tanulmánya (szerkesztő: Jpsitz Imre) is abból a célból vizsgálta a villamos hálózatok és fogyasztók okozta zavarótereket, hogy azok korlátozására keressen megoldást. Verő J. és Márz Gy. a Geophysical Report, Year 1969 (megjelent Sopronban 1970-ben) c. beszámolóban kimutatták, hogy a zavarótér komponenseit a földeléseken keresztül a talajba jutó impulzusok okozzák. Ismeretlen eredetű zajimpulzusokból számított ellenállás-értékeket vetett egybe magnetotellurikus adatokkal Ádám A. et al a Magyar Geofizika, XXI (1980), 1.08-119. oldalain megjelent cikkben. Tellurikus érzékelőkkel figyelték az elektromos potenciálváltozásokat, variométerreí a mágneses térerősségváltozásokat, a négycsatornás analóg regisztráló műszerben rögzített adatokat ismert geofizikai összefüggések alapul vételével számítógépen kiértékelték. Az ismeretlen eredetű kvázi-sztatikus pontforrások fizikáját vizsgálta Szarka L. a Magyar Geofizika, XXIV (1983), 1-10. oldalain megjelent cikkében. A zavaróterek hasznosításával talajszerkezeti vizsgálatokban Takács E. foglalkozott a Magyar Geofizika, XA'(1979), 121—127. oldalain megjelent cikkében. Takács kimutatta, hogy a villamos távvezetékek környezetében a térerősségek feltérképezése földtani információkat szolgáltat. Kétcsatornás szelektív vevővel vette a térerősség elektromos, illetve mágneses komponenseit és képezte azok hányadosait.The origins and effects of interferences have been studied several times. The study of OMFB 11-8001-Et (editor: Imre Jpsitz) also examined interferences caused by electric networks and consumers in order to find solutions to limit them. J. Verő and Gy. Márz in Geophysical Report, Year 1969 (published in Sopron in 1970). It has been shown in the report that the components of the disturbance field are caused by impulses entering the ground through earthing. Resistance values from noise pulses of unknown origin were compared with magnetotelluric data by A. Adam et al., Hungarian Geophysics, XXI (1980), 1.08-119. pages. Telluric sensors monitored electrical potential changes, variometer magnetic field changes, and data recorded in a four-channel analogue recorder were evaluated by computer based on known geophysical relationships. The physics of quasi-static point sources of unknown origin was investigated by L. Szarka in Hungarian Geophysics, XXIV (1983), 1-10. pages. Utilization of interference spaces in soil structure studies by E. Takács was discussed in Hungarian Geophysics, XA '(1979), 121-127. pages. Takács showed that the mapping of field strengths in the vicinity of electric power lines provides geological information. With a two-channel selective receiver, it received the electric and magnetic components of the field strength and formed their quotients.

Az idézett források különböző típusú összefüggéseket ismertetnek, amelyek segítségével — értékelhető minőségben — rendelkezésre álló erőtér jellemzőkből leszármaztathatunk információkat a talaj szerkezetére, állapotára vonatkozóan is; rámutattak rnár arra is, hogy elektromágneses zavaróterek térkomponenseibőí is leszármaztathatók ilyen információk. Az utóbbi javaslat alkalmazására azonban csak akkor nyílik lehetőség, ha a zavaró erőtérből el tudunk különíteni (abból „ki tudunk halászni”) olyan jeleket (jelhalmazokat), amelyek a mindenkori keresett fizikai mennyiségeket közvetlenül vagy közvetve, de mindenképpen kielégítő pontosságú diszkriminálásra alkalmas módon reprezentálják. Ilyen jellegű ipari eljárásokra, iiletve apparatúrára a technika állása még nem ad útmutatást.The cited sources describe different types of relationships that can be used to derive information on the structure and condition of soil from available force field characteristics in an evaluable quality; it has also been pointed out that such information can also be derived from the spatial components of electromagnetic disturbance fields. However, the latter suggestion can only be applied if we can extract ("fetch") signals from the disturbing force field that directly or indirectly, but in any case, with sufficient accuracy, discriminate the physical quantities sought. The state of the art does not yet provide guidance for such industrial processes and apparatus.

Vizsgáltuk annak lehetőségét, hogy a külső zavaró-21We investigated the possibility of external interference-21

186 678 terek hasznosítását a talaj szerkezeti és állapot jellemzőinek meghatározására korszerű eszközök célszerű alkalmazásával megoldjuk általános rendeltetéssel is, de különösen a földtani kutatás ipari alkalmazásainál, technogén kó'zetmechanikai változások kimutatására főleg bányavidékeken és kőzetomlás veszélyének előrejelzésére.The utilization of 186,678 spaces to determine the structural and condition characteristics of the soil is also solved by the use of modern tools in general, but especially in industrial applications of geological research, to detect techno-mechanical changes especially in mining areas and to predict the risk of rock collapse.

A találmány alapja az a felismerés, hogy a keresett jellemzők meghatározhatók egyszerű és jól kezelhető eszközkészlet alkalmazásával, ha érzékeljük és adathordozón rögzítjük a nagyiníenzitású villamos berendezések (hálózatok, erőműtelepek, nagyfogyasztók) létesítményeiben kialakított földelések útján (a hálózat kiegyenlítetlenségébői folyóan) a talajba jutó elektromágneses energia impulzusokat, előállítjuk és adathordozón rögzítjük az energia impulzusok térkomponenseit, illetve egyes egyéb jellemzőit reprezentáló villamos jeleket, kiválogatjuk a keresett kiinduló jellemzőket értékelhető minőségben reprezentáló impulzusokat és az értékelhető impulzusokhoz tartozó regisztrált jelekből származtatjuk le — ismert vagy erre a célra felállított összefüggések alkalmazásával - a keresett jellemzőket reprezentáló villamos jeleket.The present invention is based on the discovery that the desired properties can be determined by using a simple and well-managed toolbox by sensing and recording on the ground an earth leakage of electricity through the earth imbalance of high-intensity electrical equipment (networks, power plants, large consumers) generating and recording on a medium electrical signals representing the spatial components and certain other characteristics of energy pulses; representing electrical signals.

A találmány szerint a technika állásából ismert, pl. analóg magnetotellurikus műszerekkel megmérjük a kitüntetett talaj szakaszban jelenlévő erőtér villamos és mágneses komponenseit, a regisztrátumből kiválogatjuk a közelítőleg négyszög alakú impulzusokat, vagyis azokat, amelyek impulzusjellemzői (fel-, illetve lefutási meredekség, impulzusszélesség, periódus) nem tér el meghatározott küszöbaránynál nagyobb mértékben (pl, 10%-ot meghaladó mértékben) az egyező töltésintegrálú ideális négyszögimpulzustól, az így kiválogatott impulzusokat periódusidő és érzékelési irány térszögértéke szerint osztályozzuk és regisztráljuk, a térszögérték(ek) alapján meghatározzuk a zajforrás(ok) irányát és az egyegy forrásból érkező, egy periódusfokozatba tartozó impulzusok E/H viszonyai alapján meghatározzuk a talajszintenkénti megfelelő impedancia és ellenállásértékeket, célszerűen a „közel”, „átmeneti”, illetve „távol” zóna képletek alkalmazásával.According to the invention, it is known from the prior art, e.g. analogue magnetotelluric instruments measure the electrical and magnetic components of the force field present in the preferred soil section, and select from the register pulses of approximately rectangular shape, i.e. those with pulse characteristics (greater than or equal to slope width, impulse width, pulse width, (Greater than 10%) from the ideal quadrature pulse of the same charge integral, the selected impulses are classified and recorded according to the period time and the directional angle of the sensing direction, the direction (s) of the noise source (s) the impedance and resistance values per soil level are determined based on the E / H conditions of the pulses, preferably using the "near", "transient" and "away" zone formulas.

Ha a mérés azt mutatja, hogy az erőteret több független zajforrás hozza létre, további fizikai mennyiségek meghatározása lehetséges. Legalább három független forrás esetén kiszámítható a teljes-impedancia tenzor Két forrás esetén becsülhető az impedancia minimum és maximum helye abból kiindulva, hogy a forrás irányától a vektor mindig a maximális impedancia iránya felé té* el. Ismételt, ciklikus mérésekkel felvehető a források irányába eső impedancia értékek idődiagramja.If the measurement shows that the force field is generated by several independent sources of noise, additional physical quantities can be determined. For at least three independent sources, the total impedance tensor can be calculated. For two sources, the minimum and maximum positions of the impedance can be estimated from the fact that the vector always moves from the source direction to the direction of maximum impedance. Repeated cyclic measurements can be used to record a time diagram of the impedance values in the direction of the sources.

Az impedancia, ellenállás ugrásszerű változásából adott esetben kőzet nagymérvű repedésére, stb. lehet következtetni. Látható tehát, hogy az értékelésre alkalmas impulzusok találmány szerinti kiválogatása a zavarótér eredő jelhalmazából olyan adatkészletet hoz létre, amelyből számos információ leszármaztatható részben a találmány szerint kialakított összefüggések alapján, részben pedig - amikor a vett (primer) jelekből már olyan jeleket állítottunk elő, amilyenekből az ismé t elemzési módszerek is kiindulnak — a találmány szerint előállított adatjelek ismert módon való további feldolgozásával.From sudden changes in impedance, resistance to large cracks in rock, etc. can be inferred. It can thus be seen that the selection of the impulses for evaluation according to the invention creates a data set from the resulting set of interfering signals, from which a large amount of information can be derived partly from the relationships established by the invention and partly when the received (primary) signals are Repeat analysis methods are also initiated by further processing of the data signals generated by the present invention in a known manner.

A magnetotellurikus műszerekkel végzendő mérés (az eljárás első lépése) eltérő időtartamú attól függően, milyen gyakran és milyen amplitúdóval jelentkeznek az impulzusok, mert az impulzus amplitúdója kihat a számítandó E/H-arány pontosságára, s függ a mérés szükséges időtartama attól is, hány forrásból származnak a mérendő impulzusok. Ha pl. a periódusidő 10-60 s közötti és néhány mV/km, illetve néhány tized nT intenzitás mellett tíz percenként néhány impulzus keletkezik, akkor egy-egy pontban 4—6 órás méréssel kapunk általában olyan mért adatkészletet, amelyből az értékelhető impulzusok száma kiválogatható. Több forrásból származó impulzusok esetében megfelelően több mintából kell válogatni, a mérést folytatni kel). Ugyancsak hosszabb a mérés időtartama, ha az említettnél lényegesen kisebb az impulzus gyakoriság.Measurement with magnetotelluric instruments (step one of the procedure) has a different duration depending on how often and with what amplitude the pulses occur, because the amplitude of the pulse affects the accuracy of the E / H ratio to calculate, and the number of sources required are the impulses to be measured. If, for example, with a period of time between 10-60 s and a few pulses every 10 minutes at tens of mV / km and a few tenths of nT, a measurement set of 4 to 6 hours is usually obtained at a single point from which the number of evaluable pulses can be selected. For pulses from multiple sources, a sufficient number of samples should be selected, the measurement should be continued). The measurement time is also longer if the pulse rate is significantly lower than the one mentioned.

Az impulzusok irány és periódus szerinti válogatásának feltételei is függenek a rendelkezésre álló mintakészlettől. Az érzékelési irány legalább közelítően egybeesik a forrás és a mérési pont közötti egyenes meghatározta iránnyal. A periódusok szerinti osztályozáshoz célszerűen olyan csoportokat alkotunk, amelyeknél a perióduscsoport alsó és felső határértékének hányadosa 1,2. Egy-egy csoportban észlelési irányonként kb. 10-20 impulzusra van szükség, ha az impedanciát pl. ±5%-nyi pontossággal kívánjuk meghatározni.The conditions for selecting pulses by direction and period also depend on the sample set available. The sensing direction coincides at least roughly with the direction defined between the source and the measuring point. For the purpose of classifying by periods, it is expedient to form groups in which the ratio of the lower and upper bounds of the period group is 1.2. Approx. 10-20 pulses are required if the impedance is eg. To be determined with an accuracy of ± 5%.

Az E/H arányok alapul vételével az impedancia számításokat más-más összefüggések szerint végezzük attól függően, hogy a forrás távolsága és a geológiai szerkezet szerint az említett háromféle zóna melyikének modellje mértékadó. Az átlagos geológiai felépítés és az impulzusok szokásos periódus tartománya esetén túlnyomó részben a közelzóna összefüggéseket kell alkalmazni.Based on the E / H ratios, impedance calculations are performed in different contexts depending on the source distance and geological structure of which model of the three types of zones are relevant. In the case of the average geological structure and the normal period of the pulses, near-zone relationships should be used for the most part.

A továbbiakban a találmány szerinti eljárás példaként! foganatosítási módjaként általunk a Mecseki Szénbányák területén végzett vizsgálatokat ismertetünk, a mérési körülmények és a kapott eredmények az la, lb, 2a—2d, 3a-3d ábrákon követhetők.Hereinafter, the process according to the invention is exemplary! As an embodiment, we describe the investigations in the Mecsek Coal Mines, the measurement conditions and the results obtained can be seen in Figures 1a, 1b, 2a-2d, 3a-3d.

Az alapfeltevés a következő volt: amennyiben a mesterséges források és a mérési pontok helye a vizsgált térben állandó, az észlelt impulzusokból leszármaztatható Z impedancia változása gyakorlatilag csak az áramvezető közeg geoelektromos paramétereinek megváltozásától függ.The basic assumption was that if the position of the artificial sources and the measuring points in the test space is constant, the change of the Z impedance derived from the detected pulses is practically dependent only on the change of the geoelectric parameters of the conducting medium.

A megközelítően azonos fázisban lévő E_x, E_y, H_x, H_y kitérések egyedi kiolvasással nyert amplitúdóibólFrom the amplitudes of the E _x , E _y , H _x , H _y deviations in approximately the same phase

Z_xy = E_x/H_y, Z_yx = E_y/H_x, valamintZ _xy = E _x / H _y , Z _yx = E _y / H _x , and

Z_c!f - j/ɲ + E² / VtH + H²· (1) impedanciákat számítottunk. A kvázi-statikus impedanciák elsősorban a közeg elektromágneses tulajdonságaitól függenek és szigetelő aljzatú geológiai környezetekben az S horizontális vezetőképességgel közvetlen kapcsolatban vannak:Impedances Z _{c! F} - j / N ² + E ² / VtH + H ² · (1) were calculated. The quasi-static impedances are primarily dependent on the electromagnetic properties of the medium and are directly related to the horizontal conductivity S in insulating substrate geological environments:

S = S* = — (2)S = S * = - (2)

ZZ

A feltételek együttes fennállása esetén a magnetotellurikus módszer adatfeldolgozási eljárása a pont-, vagy dipólszerű forrásokból származó impulzusokból a magnctotcllurikus p-értéknél éppen 4-szer nagyobb p-ertékeket ad, azazIf the conditions co-exist, the magnetotelluric data processing method yields p-values of pulses from point or dipole-like sources, which are exactly 4 times the magnctotclluric p-value, i.e.

Amennyiben a feltételek valamelyike nem áll fenn, 3If one of the conditions is not met,

-3186 678 akkor a mesterséges impulzusokból és a természetes pulzációkból számított p értékek kapcsolata bonyolultabb. Ilyenkor az impulzusokból a (2) összefüggéssel számított S* érték nem adja meg a tényleges S horizontális vezetőképességet.-3186 678 then the relationship between p values calculated from artificial pulses and natural pulses is more complex. In this case, the S * value calculated from the pulses with the relation (2) does not give the actual horizontal conductivity S.

Ezt az általánosabb esetet homogén anizotrop féltér, horizontális elektromos adó-dipólus és vele párhuzamos MN esetére írjuk le.This more general case is described for a homogeneous anisotropic semiconductor, a horizontal electric transmitter dipole and a parallel MN.

££

A kvázi-statikus zónában a Z — impedanciára az H_y alábbi kifejezést számítottuk:In the quasi-static zone, the expression H _y was calculated for the Z impedance:

(4) ahol p_m a p_m = j/p_tp_n átlagos fajlagos ellenállást jelenti, r a mérés helyének a forrástól mért távolsága.(4) where p _m ap _m = j / p _t p _n average specific resistance, r is the distance of the measuring site from the source.

Átrendezéssel azBy rearranging the

4=1 (5) 20 összefüggéshez jutunk. Látható, hogy a mérésekből meghatározható impedancia most nem az S =— horizontális4 = 1 (5) 20 relationships are obtained. It can be seen that the impedance that can be determined from the measurements is now not S = - horizontal

Pt 25 vezetőképességtől függ, hanem az r/p_m mennyiségtől, amely szintén vezetőképesség dimenziójú és számítása — horizontális elektromos dipólforrás esetén - a (2) összefüggésben meghatározott S-sel megegyezik. Most tehát 3025 Pt dependent conductivity, but r / p _m quantity, also conductivity dimension and calculating - in case of a horizontal electric dipólforrás - the same as defined in conjunction with S (2). So now 30th

S* (6)S * (6)

Pmpm

Megjegyezzük, hogy másféle tápelektróda-helyzetek és mérési irányok esetén az S* paraméter az r/p_m bonyo- 35 lultabb függvénye is lehet.Note that for other power electrode positions and measurement directions, the S * parameter may be a more complex function of r / p _m .

Az adatfeldolgozás eredményeiResults of data processing

A magnetotellurikus méréseket a geodéziai hálózat 40 ,,14”-es és „57”-es pontjában az alábbi időpontokban végezték:The magnetotelluric measurements were carried out at points 40, 14 and 57 of the geodetic network at the following times:

14 14 14/1 1982. júl. 2. 10⁴⁵ - 14³⁰ 14/1 July 1982 2. 10 ⁴⁵ - 14 ³⁰ 14/2 1982. okt. 23., 10°³ - okt. 24., 15^2S 14/2 Oct 1982 23, 10 ° ³ - Oct. 24, 15 ^2S 45 45 57 57 57/1 57/1 57/2 57/2 1982. júl. 3. July 1982 Third 1982. okt. 22., October 1982 22 8⁴⁵ - 14³⁰ 8 ⁴⁵ - 14 ³⁰ 9⁰³ - okt. 23., II⁰¹ 9 ⁰³ - Oct 23, II ⁰¹ 50 50

Az 1. ábra egy analóg MT-regisztrátuinot ábrázol és azon a zajimpulzusok jellegét mutatja be.Figure 1 shows an analog MT recorder and shows the nature of the noise pulses.

A 2. ábra az elektromos térerősségvektor irányát szemlélteti. A 2a. ábra a 14/1, a 2b. ábra a 14/2, a 2c. 55 ábra az 57/1, a 2d. ábra az 57/2 esetet mutatja.Figure 2 illustrates the direction of the electric field strength vector. 2a. 14/1, 2b. 14/2, 2c. 55 is a view corresponding to FIGS. Figure 57/2 shows case 57/2.

Látható, hogy a különböző mérési szelvényeken és a különböző időpontokban a zajok jól elkülönülő irá- . nyokra oszthatók. Ezeket az irányokat az ábrákon A,It can be seen that noise is well-directed at different measurement profiles and at different times. can be divided. These directions are shown in Figures A,

B, C, D-vel jelöltük. A különböző irányú elektromos 60 térerősségvektorok különböző pont- illetőleg dipólforrással vannak kapcsolatban. 1982 júliusában az A és B, míg 1982. októberében az A, B, C és D irány által meghatározott források működését észleltük,B, C, D. The electric field strength vectors 60 in different directions are associated with different point or dipole sources. In July 1982 we detected the operation of the A and B sources and in October 1982 the A, B, C and D sources,

A négyszögimpulzusok közül csak a T > 5 sec pe- 65 4 riódusidejű jeleket vettük figyelembe, amelyekre a regisztráló torzítása már kicsiny. (Egyébként a műszer átviteli karakterisztikáiból adódó korrekciókat a rendelkezésre álló hitelesítési görbék alapján számítottuk.)Of the quadrature pulses, only the T> 5 sec pe-65 4 periodic signals were taken into account, for which the distortion of the recorder is small. (Otherwise, adjustments for transmission characteristics of the instrument were calculated from the available calibration curves.)

A feldolgozás során a Z_xy, Z_yx és a Z_ef_f impedanciák közül az utóbbi rendelkezett a legkisebb szórással, ezért az értelmezés során a Z_efr és a belőle számítható S* paramétert (h) p_t, illetőleg r(pm)használtuk fel.During the processing, the latter of the impedances Z _xy , Z _yx and Z _e f _f had the smallest standard deviation, so during the interpretation Z _e fr and the calculated S * parameter (h) p _t and r (pm) we used it.

A feldolgozás eredményeit az 1. táblázatban, valamint a 3. ábrán foglaljuk össze. (Az 1. táblázatban egymás alatt az elektromos vezetőképességek átlagértékeit, a szórást, valamint a pontok számát adjuk meg. A 3a-d. ábrák a p_en/\/T szondázási görbéket mutatják.)The results of the processing are summarized in Table 1 and Figure 3. (Table 1 shows the mean values of electrical conductivity, the standard deviation, and the number of points, one by one. Figures 3a-d show probing curves p _e n / \ / T.)

A mérési eredmények alapot adnak az alábbi következtetésekre.The measurement results provide the basis for the following conclusions.

1. A zaj impulzusokból számítható S* paraméter egy bizonyos időpontban és egy bizonyos irányból érkező impulzusokra jól meghatározható átlagértékkel és elfogadható szórásértékkel bír. (Az eddigi mérések során az érzékenységet az MT-pulzációk várható amplitúdóihoz igazították. Amennyiben a regisztrálás kifejezetten a zajimpulzusok regisztrálására irányul, a mérési pontosság tovább fokozható.)1. The S * parameter, calculated from noise pulses, has a well-defined mean value and an acceptable standard deviation for pulses coming from a certain time and direction. (To date, sensitivity has been adjusted to the expected amplitudes of MT pulses. If the recording is specifically designed to record noise pulses, the accuracy of the measurement can be further enhanced.)

2. A mérésekből csak a forrás változatlanságának feltételezése mellett vonható le geofizikai értékű következtetés. Amennyiben egyik-másik forrás helye a mérések között megváltozott, akkor a zajmérésekből meghatározott S* vezetőképesség csupán emiatt is más lesz.2. Geophysical value can be deduced from the measurements only if the source is unchanged. If the location of one of the sources changes between measurements, then the conductivity S * determined from the noise measurements will be different for that reason alone.

3. Ha azonosítjuk az A, B, C, D irányból érkező zajforrásokat, és közülük megállapítható egyik-másik helyzetének viszonylagos változatlansága, akkor kijelenthetjük, hogy az S* paraméteren észlelt változások a közeg elektromos paramétereinek változásaival kapcsolatosak. A különböző források közül ki kell tehát választanunk azokat, amelyek hosszú időn keresztül változatlan helyen üzemelnek.3. If we identify the sources of noise from directions A, B, C, D and find the relative unchanging position of each of them, then we can say that the changes observed in parameter S * are related to changes in the electrical parameters of the medium. So we have to choose from a variety of sources that are operating in the same location for a long time.

4. Az A, B, C, D-vel jelöltek közül a B iránnyal azonosított forrás tűnik a legstabilabbnak. Állandóságát feltételezve áz a geofizikai következtetés vonható le, hogy a 14-es pontban az elektromos vezetőképesség ugyan kissé csökkent, de a szórásokat is figyelembe véve a közeg geoelektromos tulajdonságai lényegében nem változtak. Az 57-es pontban a két időpontban mért S*-értékek határozottan szignifikáns eltérést mutatnak. A mérések szerint július és október között a közeg S*-paramétere ebben a pontban mintegy 30%-kal megnövekedett.4. Of the candidates marked A, B, C, D, the source identified by the B direction appears to be the most stable. Assuming its permanence, the geophysical conclusion is that although the electrical conductivity at point 14 decreased slightly, the geoelectric properties of the medium were not significantly affected by the standard deviations. At point 57, the S * values measured at the two time points show a significant difference. Measurements show that the S * parameter of the medium increased by about 30% between July and October.

5. Természetesen a geológiai viszonyok és az adott zajforrások helyzete együttesen döntik el, hogy melyik értelmezési lehetőséget választhatjuk, nevezetesen az S*-paramétert tényleges S horizontális vezetőképességének tekinthetjük-e, vágj' inkább az r/p_m-nek feleltetjük meg.5. Of course, the geological conditions and the position of the given noise sources together determine which interpretation option we can choose, namely whether the parameter S * can be considered as the actual conductivity of the horizontal S, rather it equates to r / p _m .

A választást a magnetotellurikus és a zajimpulzusokból számított p_a-értékek összehasonlítása is eldönti. Nevezetesen, ha a kvázi-statikus zónákon Pzaj~4pMr, akkor nagyellenállású aljzatról és az üledékvastagságot meghaladó távolságú forrásokról van szó. 1 la p_zaj» Pmt (^a pécsi zajméréseknél ez állt fenn), a homogén anizotrop féltér alkalmazása célravezetőbb.The choice is also made by comparing the magnetoteuric and the p _a values calculated from the noise pulses. Specifically, if the quasi-static zones are Pzaj ~ 4pMr, they are high resistivity substrates and sources with distances above the sediment thickness. 1 la p _za j »Pmt (this was the case ^with Pécs noise measurements), the use of a homogeneous anisotropic half-space is more appropriate.

6. Az utóbbi, p_zaj» Pmt esetben a p_m megadásához ismerni kellene a források helyét. Ennek hiányában vegyünk fel egységesen r = 500 m-t. Az 1. táblázat6. In the latter case, for p _za j »Pmt, you would need to know the location of the sources to specify p _m . Otherwise, take r = 500 m uniformly. Table 1

186 678186,678

S*-paramétereibői így számított tájékoztató p_mértékeket a 2. táblázat tartalmazza.The indicative p _m values calculated from its S * parameters are given in Table 2.

7. A feldolgozási módszer tovább pontosítható, ha pl. a mérési pontokat különböző' megbízhatósági értékekkel vesszük figyelembe (pl. Steiner-módszer). Elkép- 5 zelhető pl., hogy a 3d. ábrán az 57/2-ben mért p_eff értékek közül a bekarikázottak hatása csökken, ezáltal az 1. és 2. táblázatokban megállapított S*-növekedés, illetőleg p_m-csökkenés kisebb lesz. Az új feldolgozástól várható, hogy a mérések fizikai tartalmát 10 jobban kiemeli.7. The processing method can be further specified if, for example, the measurement points are taken into account with different 'reliability values' (eg Steiner method). It is possible, for example, that 3d. 5A, the effect of the circled ones is reduced from the p _eff values measured in _57/2 , thus reducing the S * increase and p _m decrease observed in Tables 1 and 2, respectively. The new processing is expected to make the physical content of the measurements 10 more prominent.

1. táblázatTable 1

A zajimpulzusokból meghatározott S* 15 vezetőképesség-értékek [Ω^-1]Conductivity values S * 15 determined from noise pulses [Ω ^-1 ]

T > 5 sec T> 5 sec A irány The direction B irány Direction B C irány Direction C D irány Direction D átlag average 14/1 esetszám 14/1 number of cases 34.42± ±4.96 6 34.42 ± ± 4.96 6 42.47 ± + 2.57 9 42.47 ± + 2.57 9 — - ' - '- 39.25 ± ±4.31 15 39.25 ± ± 4.31 15 14/2 esetszám 14/2 number of cases 43.33 ± + 5.12 12 43.33 ± + 5.12 12 38.57 + ± 3.66 5 38.57 + ± 3.66 5 37.35 ± ±5.33 3 37.35 ± ± 5.33 3 42.20 ± ±3.63 21 42.20 ± ± 3.63 21 57/1 esetszám 57/1 number of cases 26.22 + ±1.85 15 26.22 + ± 1.85 15 - - 26.22 ± ±1.85 15 26.22 ± ± 1.85 15 57/2 esetszám 57/2 number of cases 35.50 + ±4.16 17 35.50 + ± 4.16 17 32.71 ± ±2.54 6 32.71 ± ± 2.54 6 35.05 ± ±1.63 22 35.05 ± ± 1.63 22

2. táblázat 35Table 2 35

A zaj impulzusokból meghatározott p_m fajlagos ellenállásokThe specific resistances p _m determined from the noise pulses

A irány The direction B irány Direction B C irány Direction C D irány Direction D átlag average 14/1 14/1 14.5 14.5 11.9 11.9 — - — - 12.7 12.7 14/2 14/2 11.5 11.5 13.0 13.0 - - 13.4 13.4 11.8 11.8 57/1 57/1 - - 19.1 19.1 - - - - 19.1 19.1 57/2 57/2 - - 14.1 14.1 12.3 12.3 - - 14.3 14.3

Összefoglalóan megállapítható, hogy a találmány 50 haladó módon bővíti azon eljárások körét, amelyek során a talajrétegek villamos vezetőkénti magatartásának meghatározása céljából nem gerjesztünk művi úton elektromágneses teret a talajban, hanem az egyéb eredetű, a talajban a mérés végrehajtásától függetlenül jelenlévő 55 elektromágneses tér természetét vizsgáljuk és az így kapott primer jelekből származtatjuk le a geofizikai jellemzőket reprezentáló jeleket. A technika állása szerinti ilyen eljárások:In summary, the present invention extends 50 the scope of methods of determining the behavior of soil layers as conductors not by artificially generating electromagnetic fields in the soil, but by examining the nature of other electromagnetic fields present in the soil independently of conducting the measurement. the resulting primary signals are derived from geophysical features. Such prior art processes include:

- a magnetotellurika és 60magnetotellurics and 60

- a hálózati frekvenciás terek geofizikai vizsgálata.- geophysical survey of network frequency fields.

A magnetotellurika természetes eredetű elektromágneses teret vizsgál; éppen ezért különösen ott eredményes, ahol a természetes erőteret nem torzítják mesterséges eredetű terek. Ronthatja a mérési eredményt a 65 természetes elektromágneses tér véletlenszerűen változó intenzitása, továbbá a terek kedvezőtlen polarizációja; a legjelentősebb korlátozó tényező a mesterséges eredetű zajok zavaró hatása. Éppen ezért intenzív mesterséges zajforrások jelenlétében (pl. bányavidéken, nagyintenzitású villamos erőforrások, illetve fogyasztók környezetében) ez a módszer ritkán vagy egyáltalán nem alkalmazható.Magnetotellurics investigates electromagnetic fields of natural origin; therefore it is particularly effective where the natural force field is not distorted by artificial fields. The randomly varying intensity of the 65 natural electromagnetic fields and the unfavorable polarization of the fields may impair the measurement result; the most significant limiting factor is the interference caused by noise from artificial sources. Therefore, in the presence of intense artificial noise sources (eg in mining areas, high-intensity electrical resources or in the vicinity of consumers) this method is rarely or not at all applicable.

A hálózati frekvenciás mesterséges terek vizsgálata — reprodukálható módon - leginkább csak távvezetékek környezetében (közeli zónában) alkalmazható és a kutatási mélységet erősen korlátozza a hálózati frekvenciából adódó hullámhossz, a mélység néhány tíz méter lehet.The investigation of network frequency artificial fields - reproducibly - is mainly applicable only in the vicinity of power lines (near zone) and the research depth is severely limited by the wavelength resulting from the network frequency and may be several tens of meters.

A találmány szerinti eljárás éppen ott eredményes, ahol a magnetotellurika csődöt mond, az intenzív mesterséges zajforrások környezetében; alkalmazhatósága nem korlátozódik a távvezetékek környezetére és nem korlátozódik a hálózati frekvenciából eredő mélységi korlátra. A hálózat kiegyenlítetlenségéből eredő energiaimpulzusok frekvenciája ugyan jellegében véletlenszerű, de gyakoriságuk eloszlásfüggvényének maximuma a hálózati frekvenciánál jóval kisebb értéknél található és ennek megfelelően megnő a kutatási mélység tartománya is. Külön előnye a módszernek:The method of the present invention is successful where magnetotellurics fail, in the context of intense artificial noise sources; its applicability is not limited to the transmission line environment nor is it limited to the depth range resulting from the network frequency. Although the frequency of energy impulses resulting from network imbalance is random in nature, the maximum of their frequency distribution function is much lower than the network frequency, and the range of research depth increases accordingly. A special advantage of the method is:

— egyfelől, hogy a magnetotellurikával nem kapható mérési eredmények forrásául szolgáló primer jelek előállításához elegendő éppen a magnetotellurika eszköztára és — másfelől, hogy igen kedvező feltételeket biztosit kőzetomlás veszélyének előrejelzéséhez.- on the one hand, it is enough to produce the primary signals used to generate measurement results that are not obtainable with magnetotellurics, and on the other hand, it provides very favorable conditions for predicting the risk of rock collapse.

Claims (4)

SZABADALMI IGÉNYPONTOKPATENT CLAIMS I. Eljárás talajrétegek szerkezeti, illetve állapotjellemzőinek meghatározására, amelynek során a talajban jelenlévő — mesterséges forrás által gerjesztett — elektromágneses teret arra érzékeny ismert eszközzel figyeljük és az elektromágneses tér mért jellemzőiből határozzuk meg a keresett jellemzőket, azzal jellemezve, hogy önmagában ismert módon megmérjük a figyelés során észlelt elektromágneses energiaimpulzusok elektromos, illetve mágneses térkomponenseit (E és H) és a térkomponenseket reprezentáló — első, illetve második jeleket adathordozón rögzítjük, önmagában ismert impulzus diszkiimináló eszközök alkalmazásával kiválogatjuk az észlelt impulzusok készletéből az „értékelhető” impulzusokat, vagyis azokat, amelyek meghatározott impulzusjellemzői (fel- és lefutási meredekség, impulzusszélesség, periódusidő) nem térnek el küszöbaránynál (pl. 10%-nál) nagyobb mértékben az egyező töltésintegrálú ideális négyszögimpulzus megfelelő jellemzőitől, az értékelhető impulzusokhoz tartozó első és második jel hányadosával arányos harmadik villamos jeleket állítunk elő és azokat is rögzítjük adathordozón, ismert módon előállítunk — és adathordozón rögzítünk — az értékelhető impulzusok periódusidejét, illetve azok észlelési irányát reprezentáló negyedik és ötödik villamos jeleket, alkalmasan választott fizikai összefüggések szerinti jelfeldolgozással meghatározzuk a zajforrás(ok) irányát és az észlelési ponttól való távolságát, majd - az impulzusokat periódusidő-sávok szerint osztályozva és az egyazon zajforrás által gerjesztett értékelhető impulzusokhoz tartozó megfelelő jeleket a forrás helye szerint megfelelő (közeli zóna, átmeneti zóna, távoli zóna) 5I. A method for determining the structural and condition characteristics of soil layers, wherein the electromagnetic field in the soil, generated by an artificial source, is monitored by a known known means and determined from the measured characteristics of the electromagnetic field. the electrical and magnetic space components (E and H) of the electromagnetic energy pulses detected during the course and the first and the second signals representing the space components are selected from the set of impulses, which are evaluated, (ascent and descent slope, pulse width, period time) do not differ by more than a threshold ratio (e.g., 10%) generating third electrical signals proportional to the quotient of the first and second signals of the evaluable pulses, and also recording them on a recording medium; , by processing signals according to suitably chosen physical relationships, determining the direction and distance of the noise source (s) from the detection point, then classifying the pulses into periodic time bands and corresponding signals corresponding to the evaluable pulses generated by the same noise source (near zone, transitional zone, remote zone) 5 -5186 678 fizikai összefüggés szerint feldolgozva - meghatározzuk a talajréteg megfelelő (a zajforrás és az érzékelési pont közötti) szakaszának impedancia-, illetve ellenáilásértékét és kívánt esetben más függő változókat.Processed according to the physical relationship -5186 678 - determine the impedance or resistance value of the appropriate section of the soil layer (between the noise source and the sensing point) and, if desired, other dependent variables. 2. Az 1. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy legalább két eltérő irányú zajforrás meghatározása esetén - az adathordozóban rögzített megfelelő jeleket ismert jelfeldolgozó eszközök alkalmazásával feldolgozva - meghatározzuk az elektromos vektort, annak a forrásirány(ok)tól való eltérését és a maximális és minimális impedancia becsült értékét.The method of claim 1, further comprising determining the electrical vector, its deviation from the source direction (s), and determining the maximum and estimated minimum impedance. 3. Az 1. vagy 2. igénypont szerinti eljárás, azzal 5 jellemezve, hogy legalább három eltérő irányú zajforrás meghatározása esetén meghatározzuk az elektromos impedancia és a lineáris vektorfüggvények transzformálási képleteinek segítségével a teljes-impedancia tenzort.Method according to claim 1 or 2, characterized in that by determining the at least three different sources of noise in different directions, the total impedance tensor is determined by means of the electric impedance and the transformation formulas of the linear vector functions. 7 rajz, 10 ábra7 drawings, 10 figures