Электрорезистивная томография

Томография электросопротивления ( ERT ) или визуализация электросопротивления ( ERI ) — это геофизический метод для визуализации подземных структур на основе измерений удельного сопротивления, выполненных на поверхности или с помощью электродов в одной или нескольких скважинах . Если электроды подвешены в скважинах, можно исследовать более глубокие участки. Она тесно связана с методом медицинской визуализации электроимпедансной томографии (ЭИТ) и математически представляет собой ту же обратную задачу . Однако, в отличие от медицинской ЭИТ, ФЭТ по существу представляет собой метод постоянного тока. Родственный геофизический метод, индуцированная поляризация (или спектрально-индуцированная поляризация ), измеряет переходный отклик и направлен на определение свойств заряжаемости подповерхностных слоев.

Измерения удельного электрического сопротивления можно использовать для идентификации и количественной оценки глубины залегания грунтовых вод, обнаружения глин и измерения проводимости грунтовых вод. ^[1]

История

Этот метод произошел от методов электроразведки, которые существовали до цифровых компьютеров, где искались слои или аномалии, а не изображения.Ранние работы над математической проблемой в 1930-х годах предполагали многослойную среду (см., например, Лангер, Слихтер). Над этой проблемой также работал Андрей Николаевич Тихонов, наиболее известный своими работами по регуляризации обратных задач. Он подробно объясняет, как решить проблему ERT в простом случае двухслойной среды. В 1940-е годы он сотрудничал с геофизиками, и они без помощи компьютеров открыли крупные месторождения меди. За это они были удостоены Государственной премии Советского Союза.

Когда адекватные компьютеры стали широко доступны, обратную задачу ERT можно было решить численно. Работа Лока и Баркера из Бирмингемского университета была одним из первых подобных решений, и их подход до сих пор широко используется.

С развитием электротомографии (ERT) от 1D до 2D, а теперь и до 3D, ERT исследовала многие области. Приложения ERT включают исследование неисправностей, исследование уровня грунтовых вод, определение влажности почвы и многие другие. При визуализации промышленных процессов ЭРТ можно использовать аналогично медицинской ЭИТ для визуализации распределения электропроводности в смесительных емкостях и трубах. В этом контексте ее обычно называют томографией электрического сопротивления , подчеркивая количество, которое измеряется, а не отображается.

Порядок работы

Удельное сопротивление почвы , измеряемое в ом-сантиметрах (Ом⋅см), меняется в зависимости от содержания влаги и изменений температуры. В целом увеличение влажности почвы приводит к снижению удельного сопротивления почвы. Поровая жидкость обеспечивает единственный электрический путь в песках, в то время как поровая жидкость и поверхностно заряженные частицы обеспечивают электрические пути в глинах. Удельное сопротивление влажных мелкозернистых грунтов обычно значительно ниже, чем у влажных крупнозернистых грунтов. Разница удельного сопротивления грунта в сухом и насыщенном состоянии может составлять несколько порядков. ^[2]

Метод измерения подземного удельного сопротивления включает размещение четырех электродов в земле на одинаковом расстоянии друг от друга, подачу измеренного переменного тока на два внешних электрода и измерение переменного напряжения между двумя внутренними электродами. Измеренное сопротивление рассчитывается путем деления измеренного напряжения на измеренный ток. Затем это сопротивление умножается на геометрический коэффициент, включающий расстояние между каждым электродом, для определения кажущегося удельного сопротивления.

Расстояние между электродами 0,75, 1,5, 3,0, 6,0 и 12,0 м обычно используют для небольших глубин (<10 м) исследований. Для более глубоких исследований обычно используются большие расстояния между электродами: 1,5, 3,0, 6,0, 15,0, 30,0, 100,0 и 150,0 м. Глубина исследования обычно меньше максимального расстояния между электродами. Вода вводится в отверстия электродов, когда электроды вбиваются в землю для улучшения электрического контакта.

Приложения

ERT используется для создания изображений различных типов подземных условий и структур. Он имеет применение в различных областях, в том числе:

Экологические исследования:

Разведка подземных вод: ERT помогает обнаружить подземные водоносные горизонты и оценить качество воды.
Картирование загрязнений: ERT используется для мониторинга и определения границ распространения загрязняющих веществ в почве и грунтовых водах.
Мониторинг свалок: ERT контролирует состояние свалок, образование и миграцию газа, ^[3] и пути выщелачивания. ^[4]

Геотехническая инженерия:

Исследование объекта: ERT используется для исследования свойств почвы и горных пород, а также существующей подземной инфраструктуры в строительных проектах. ^[5]
Оценка фундамента: ERT может оценить состояние фундамента, обнаружить пустоты и оценить несущую способность.
Обнаружение провалов: ERT может идентифицировать подземные пустоты, которые могут привести к образованию провалов.

Археология и культурное наследие:

Погребенные археологические объекты: ERT может обнаруживать погребенные постройки, артефакты и археологические памятники.
Структурная целостность памятников: ERT помогает оценить состояние исторических зданий и сооружений. ^[6]

Горное дело и разведка полезных ископаемых:

Месторождения полезных ископаемых: ERT может определить границы и характеристики рудных тел.
Обнаружение пещер: ERT используется для обнаружения пещер и карстовых образований в районах добычи полезных ископаемых.

Гидрогеология:

Картирование водоносных горизонтов: ERT используется для создания подробных карт подземных водоносных горизонтов и их свойств.
Мониторинг проникновения соленой воды: ERT помогает обнаруживать и контролировать проникновение соленой воды в пресноводные водоносные горизонты.

Инженерия и инфраструктура:

Оценка туннелей и плотин: ERT оценивает структурную целостность туннелей и плотин. ^[7]
Обследование трубопроводов и кабельных трасс: помогает выявить подземные коммуникации и потенциальные опасности. ^[8]
Оценка опасности оползней: ERT может обнаруживать подземные плоскости скольжения и нестабильные склоны.
Оценка дамб и насыпей: оценивается структурная целостность дамб и насыпей.
Инспекции состояния зданий: ERT используется для проверки состояния фундаментов и других подземных частей зданий для руководства по их содержанию и ремонту. ^[9]

Разведка нефти и газа:

Характеристика коллектора: ERT помогает понять свойства подземного коллектора.
Мониторинг миграции флюидов: ERT используется для отслеживания движения флюидов в недрах во время бурения и добычи.

Сельское хозяйство:

Картирование влажности почвы: ERT помогает оценить содержание влаги в почве для точного земледелия.
Визуализация корневой зоны: ERT используется для визуализации корневых структур растений и взаимодействия почвы и корней.

См. также

Ссылки

^ Будху, М. (2011) Механика грунтов и фундамент. 3-е издание, John Wiley & Sons, Inc., Хобокен. см. раздел 3.5.1 Методы исследования почв.
^ Будху, М. (2011) Механика грунтов и фундамент. 3-е издание, John Wiley & Sons, Inc., Хобокен. см. раздел 3.5.1 Методы исследования почв.
^ Deep Scan Tech (2022 г.): Deep Scan Tech помогает свалкам защитить окружающую среду с помощью демонстрационного проекта в Украине .
^ Deep Scan Tech (2022 г.): Deep Scan Tech помогает свалкам защитить окружающую среду с помощью демонстрационного проекта в Украине .
^ Deep Scan Tech (2023 г.): Deep Scan Tech обнаруживает скрытые конструкции на месте самого высокого здания Дании .
^ Deep Scan Tech (2023): Deep Scan Tech раскрывает скрытые секреты исторического сухого дока Суоменлинны .
^ Deep Scan Tech (2023 г.): Deep Scan Tech решает вопрос критической инфраструктуры стоимостью 130 триллионов евро .
^ Deep Scan Tech (2022 г.): Deep Scan Tech помогает защитить критически важную канализационную инфраструктуру от переполнения .
^ Deep Scan Tech (2023 г.): Deep Scan Tech запускает новый научно-исследовательский проект по снижению выбросов углекислого газа в искусственной среде .

Лангер, Р.Э. (1 октября 1933 г.). «Обратная задача в дифференциальных уравнениях» . Бюллетень Американского математического общества . 39 (10). Американское математическое общество (AMS): 814–821. дои : 10.1090/s0002-9904-1933-05752-x . ISSN 0002-9904 .
Слихтер, Л.Б. (1933). «Интерпретация метода электроразведки горизонтальных структур». Физика . Том. 4, нет. 9. Издательство АИП. стр. 307–322. дои : 10.1063/1.1745198 . ISSN 0148-6349 .
Лангер, Р.Э. (1 октября 1936 г.). «Об определении проводимости земли по наблюдаемым поверхностным потенциалам» (PDF) . Бюллетень Американского математического общества . 42 (10). Американское математическое общество (AMS): 747–755. дои : 10.1090/s0002-9904-1936-06420-7 . ISSN 0002-9904 .
Тихонов, А. Н. (1949). О единственности решения задачи электроразведки . Doklady Akademii Nauk SSSR (in Russian). 69 (6): 797–800.
А. П. Кальдерон, Об обратной краевой задаче, на семинаре по численному анализу и его приложениям к физике сплошных сред, Рио-де-Жанейро. 1980. Сканированная копия бумаги .
Локи, Миннесота (2004). Учебное пособие: 2-D и 3-D электровизионные исследования (PDF) . Проверено 11 июня 2007 г.
Локи, Миннесота; Баркер, Р.Д. (1996). «Быстрая инверсия псевдоразрезов кажущегося сопротивления методом наименьших квадратов методом квазиньютона». Геофизическая разведка . 44 (1). Уайли: 131–152. Бибкод : 1996GeopP..44..131L . дои : 10.1111/j.1365-2478.1996.tb00142.x . ISSN 0016-8025 .
Локи, Миннесота; Баркер, Р.Д. (1996). «Практические приемы 3D электроразведки и инверсии данных». Геофизическая разведка . 44 (3). Уайли: 499–523. Бибкод : 1996GeopP..44..499L . дои : 10.1111/j.1365-2478.1996.tb00162.x . ISSN 0016-8025 .

[1] Будху, М. (2011) Механика грунтов и фундамент. 3-е издание, John Wiley & Sons, Inc., Хобокен. см. раздел 3.5.1 Методы исследования почв.

[2] Будху, М. (2011) Механика грунтов и фундамент. 3-е издание, John Wiley & Sons, Inc., Хобокен. см. раздел 3.5.1 Методы исследования почв.

[3] Deep Scan Tech (2022 г.): Deep Scan Tech помогает свалкам защитить окружающую среду с помощью демонстрационного проекта в Украине .

[4] Deep Scan Tech (2022 г.): Deep Scan Tech помогает свалкам защитить окружающую среду с помощью демонстрационного проекта в Украине .

[5] Deep Scan Tech (2023 г.): Deep Scan Tech обнаруживает скрытые конструкции на месте самого высокого здания Дании .

[6] Deep Scan Tech (2023): Deep Scan Tech раскрывает скрытые секреты исторического сухого дока Суоменлинны .

[7] Deep Scan Tech (2023 г.): Deep Scan Tech решает вопрос критической инфраструктуры стоимостью 130 триллионов евро .

[8] Deep Scan Tech (2022 г.): Deep Scan Tech помогает защитить критически важную канализационную инфраструктуру от переполнения .

[9] Deep Scan Tech (2023 г.): Deep Scan Tech запускает новый научно-исследовательский проект по снижению выбросов углекислого газа в искусственной среде .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]