Аэрокосмические методы при поиске полезных ископаемых
Разведка из космоса позволяет значительно оптимизировать процессы поиска полезных ископаемых, но она требует крупных инвестиций. В России имеется огромный потенциал для применения космических технологий в геологоразведке, особенно в нефтегазовом секторе.
Космические технологии пришли в геологоразведку в виде метода дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ).
Суть ДЗЗ состоит в приеме данных со спутников, их регистрации, обработке и архивации. В геологоразведке используются такие направления, как структурный анализ изучаемой поверхности для оценки глубинного залегания пород, изучение свойств полезных ископаемых посредством спектрального анализа, прогнозирование мест залегания пород, подсчет запасов, разработка карт, актуализация и анализ геологических аномалий и изменений, отслеживание состояния экзогенных геологических процессов и т.д.
Их использование имеет высокий экономический потенциал. Основные плюсы:
- ДЗЗ значительно удешевляет поиск полезных ископаемых и минералов: снижаются финансовые и временные затраты на наземную разведку и использование техники и персонала;
- геологоразведочные работы выходят на качественно новый уровень;
- высокая скорость получения информации: от 1-2 дней до нескольких недель;
- высокая точность информации: снимки из космоса документируют конкретную местность в конкретное время;
- значительно большая широта и глубина охвата: ДЗЗ позволяет одновременно делать снимки на большой площади с высокой степенью точности, исследовать труднодоступные регионы и участки, локализовать поиск, делать одновременные наблюдения на разных участках;
- отсутствие привязки к государственным и другим границам, не требуется специального разрешения;
- помощь в получении более детальной информации о возможных сейсмологических изменениях в сейсмоактивных зонах;
- тенденция к удешевлению услуг: актуальные разработки в области микроспутников, другие разработки, направленные на снижение себестоимости.
Но есть и минусы:
- высокая стоимость инновационных технологий, требующая первоначальных инвестиций;
- сложность в оценке эффективности в текущем периоде (отложенный во времени экономический эффект);
- замкнутость индустрии ДЗЗ на государственном финансировании, включая оборонные бюджеты (закрытая информация);
- проблемы, связанные с психологическим восприятием инновационных методов в геологоразведке, недоверие к новым методам;
- дискредитация метода ДЗЗ низкоквалифицированными специалистами, нехватка квалифицированных специалистов;
- отсутствие практики массового потребления данных услуг (несформированный рынок).
Рынок ДЗЗ в России еще не сформирован на уровне массового потребления, страна пока отстает от мировых лидеров, но в целом старается быть в тренде развития рынка.
- Услуги ДЗЗ для геологоразведки могут предоставлять любые компании, занимающиеся дистанционным зондированием Земли в целом. Наибольшее развитие данные методологии получили в США (в тесной связи с НАСА). GeoEye, DigitalGlobe — крупные американские игроки. Наиболее популярные космические системы для ДЗЗ: Landsat 7, Landsat 8, Terra/Aster и WorldView-3.
- В России развитие систем ДЗЗ регулируется государством. Главный российский игрок: госкорпорация Роскосмос. Головная компания по работе с ДЗЗ — АО «Российские космические системы».
Наиболее актуальные и перспективные направления для ДЗЗ в России:
- Нефтегазовая отрасль. В рамках федеральной космической программы 2016-2025 гг. «Газпром» рассматривает запуск 7 спутников (системы «Смотр») на небюджетные средства (около 93,5 млн рублей планируется получить от инвесторов). Спутники могут быть отправлены в космос уже в 2018-2019 гг.;
- Арктика, обладающая гигантскими запасами полезных ископаемых, становится все более актуальной для исследований, включая ГРР: изучение состава ледяного покрова, его изменений, мониторинг природных ресурсов, поиск полезных ископаемых.
В России на геологоразведку в бюджете 2016 г. было выделено в целом 35 млрд рублей. На 2017 г. запланировано около 30 млрд рублей. Инвестиции недропользователей в 2016 г. составили 295 млрд рублей., в 2017 г. прогнозируется рост до 339-354 млрд рублей.
Развитие новых классов беспилотных мультиротационных летательных аппаратов (МЛА) положительным образом сказывается на областях их применения. Обладая простотой и надежностью конструкции, компактностью, высокой маневренностью, а также небольшой взлетной массой при существенной массе полезной нагрузки, МЛА, при этом, обладают низкой стоимостью. Как указывалось в [1], в последние годы в практике геологоразведочных работ наблюдается активное использование МЛА с применением специальной измерительной аппаратуры, направленной на получение информации из электромагнитных взаимодействий, происходящих в геофизических условиях различных физических полей. Также указывалось, что на рубеже 80-х и 90-х годов выдвигалась гипотеза о зарождении дискретных электромагнитных излучений (аномалий), формирующихся в верхних слоях мантии Земли, вызванными возмущениями естественного магнитного поля Земли (МПЗ), обусловленных локальными геомагнитными вариациями (ГМВ) Солнца, ближайших планет, а также сейсмическими процессами, происходящих внутри литосферных образований.
К настоящему времени более эффективное применение МЛА в поисках и разведке полезных ископаемых стало возможным с применением в качестве их энергетической системы водородных топливных элементов, позволяющая МЛА находиться в воздухе около сорока часов. Это обстоятельство позволяет усложнять и наполнять инструментальную составляющую в измерительной технике новыми инновационными системами. Кроме всего, маршрутизация полетов, сканирование пространств в различных спектральных диапазонах, измерительные процессы физических полей, а также принятие внештатных решений, производится в автоматизированном режиме типа: «искусственный интеллект».
Рис.2 БПЛА с оптико-электронным оборудованием
для исследования электрического поля
1 – мультикоптер с водородным топливным элементом; 2 – измерительная аппаратура.
Модернизация МЛА позволила:
1. Значительное снижение стоимости работ и расширение границы географических исследований;
2. Использование нового, ранее практически не используемого, высотного диапазона проведения геофизических измерений и съёмок: от единиц до сотен метров;
3. Возможность оперативного проведения разновысотных измерений и съемки на заданном маршруте;
4. Получение более подробной и качественной информации, необходимой для выделения малоконтрастных аномалий;
5. Увеличить время полета и величину полезной нагрузки МЛА до 30 кг,
6. Расширить линейку одновременно применяемых измерительных систем и приборов.
Геофизические методы разведки
Геофизические методы подразделяются:
– по возможности обнаружения полезных ископаемых – на прямые и косвенные;
– по характеру аномалий: а) магниторазведку, б) гравиразведку, б) электроразведку, в) сейсморазведку и др.
Современные методы аэрокосмического изучения месторождений полезных ископаемых, на основе многозонального дистанционного зондирования поверхности с целью изучения как ландшафтных признаков, так и локальных электрических, магнитных и термических аномалий [2,3], обладают всеми качествами инновационных технологий. Однако, эффективность аэрокосмических способов, опирающихся на технологии, остается низкой, поскольку вероятность обнаружения месторождений не превышает 30÷35% [3]. Одной из причин является невозможность определения вариативных аномалий со слабым энергетическим содержанием на аэрокосмических высотах.
Еще одним из направлений, бурно развивающегося в последние годы, является системная разработка методов сканирования электрического поля у поверхности Земли (ЭПЗ). В данном случае, применение МЛА является приоритетным началом. Это положение следует из нескольких причин:
1) У поверхности Земли напряженность электрического поля составляет около 130 В/м и снижается до полной аннигиляции с набором высоты до 100 м;
2) Воздух насыщен отрицательными аэроионами;
3) Указанные факторы присутствуют в любое время суток и не зависят от солнечного света.
4) Возможность продолжительного сканирования слабых вариативных аномалий на основе расчетных топографических ожиданий, вызванных влиянием обнаруженных геомагнитных вариаций (ГМВ).
Прямой экономический эффект выражается в:
– снижении удельных затрат на выявление и изучение геофизических аномалий;
– сокращении сроков проведения геолого-геофизических и поисковых работ на перспективных региональных объектах;
– предотвращении непроизводительных затрат на изучение неперспективных объектов;
– значительная вероятность обнаружения месторождений;
– регистрация предельно малых концентраций тяжелых углеводородов;
– существенное сокращение расходов на пробные бурения за счет повышения точности определения топографии залежей («периметров»), особенно на региональном и поисково-разведочном этапах работ;
– снижение экономических затрат на разведку новых залежей и уменьшение себестоимости разведки и затрат труда на единицу извлекаемых нефтегазовых запасов.
Постановка задачи
За последние полвека развитие научной мысли было сконцентрировано на разработке физических теорий и уникальных методов в космических и аэрогеофизических исследованиях, обусловленных тем, что рудные тела и окружающие их горные породы, имея различные физико-химические свойства, могут создавать вокруг себя физические поля, которые обнаруживаются и исследуются с помощью специальных оптико-электронных приборов, устанавливаемых на космических или авиационных летательных аппаратах.
В начале 60-х годов прошлого века [5] сформировался один из значительных информационных вариантов определения возникновения электромагнитных и корпускулярных аномалий (ЭМКА) непосредственно перед землетрясениями разного уровня, а также после вариативных изменений магнитного поля Земли (МПЗ). До сих пор ЭМКА является объектом всесторонних исследований, являясь общей физической предпосылкой, на основе которой строятся методы решения геофизических задач на предмет мониторинга динамики напряженно-деформируемого состояния земной коры. Особенности постановки задач формулируются в идентификации взаимодействия ЭМКА с физическими полями Земли (ФПЗ: электрическим, магнитным), обусловленные статистическими составляющими исследований.
Проводившиеся за период 2012-14 гг., исследования, на различных технологических базах ВПК РФ, установили корреляционную статистическую зависимость между возникавшими аномалиями и уровнем их взаимодействий с ФПЗ, отождествлявших физические свойства и типы осадочных пород. Результатом исследований явилась разработка специальной микролаборатории, устанавливаемой на МЛА, для сканирование электрического поля у поверхности Земли (ЭПЗ). Глубинность аэроразведки при благоприятных условиях может достигать 500-2 000 м.
Одним из инициаторов такого научно-практического подхода, заложивших практические основы в изучении возникающих аномалий, был ак. Г.В. Морозов, который еще в конце 80-х годов выдвинул гипотезу: генерация дискретных электромагнитных излучений, формирующиеся в верхних слоях мантии Земли и, обнаруживаемая в определенных географических координатах, происходит не случайным образом, а в порядке, ожидание которого можно определить математическим соотношением, от уровня квантования гравитационного поля через так называемое «квантовое гравитационное число», названным Морозовым «розаном» [1]. В его работах было показано, что любое массовое распределение вещества (внутриземное скопление нефти, воды, полезных ископаемых) или материального объекта, внутри другого объекта (например, Земли, мантии) имеет свои, вполне определенные квантовые уровни и подуровни. И расчеты квантовых гравитационных уровней позволяют определять не только возможное положение этих массивов, но также обозначать строение и плотностные характеристики залежей. Построенная, таким образом, «топография» концентраций залежей ископаемых, указывала не только на уже известные и разрабатываемые, но и очерчивала совершенно новые, ждущих своего открытия.
Этапы исследования
Разработанный инновационный метод представляется как синтез оптоэлектронного, радиоэлектронного и измерительных модулей, устанавливаемых на специальной гироскопической платформе, обеспечивающих регистрацию и передачу полезных сигналов, исходящих с поверхности Земли, на базовые пункты, для последующего исследования их спектрально-энергетических характеристик, с целью определения морфологии и топографии верхней мантии Земли на предмет поиска полезных ископаемых, углеводородов, пресной воды и возникновения ЧС.
Выполнение задачи разбивается на несколько этапов:
1. Космический этап, использующий аппаратуру, установленную на спутниках или микроспутниковых летательных аппаратах (МЛА). На данном этапе определяются географические координаты ГМВ, вызванные эндогенными или экзогенными источниками.
2. Аэровизуальный этап нацелен на обнаружение собственно вариативных аномалий, определение его поверхностной плотности потока, угловых, линейных, спектральных характеристик, отношение фон/сигнал и др.
3. На третьем этапе происходит корреляционная обработка сигналов, сопровождаемая оценкой геофизических аномалий, позволяющей, при соответствующей реализации аппаратной части, получить необходимые надежные данные, определяющих положение ископаемых, сопровождающих пород и вмещающих их сред.
Для разработки системы потребовалась элементная база, которая значительно отличалась от той, когда, собственно, задумывался сам метод. Вследствие чего, всю измерительную систему удалось расположить на одном летательном аппарате. Это позволило существенно повысить точность измерений и устранить погрешности, неизбежно возникающих при иных методах [4].
Предлагаемая технология может, в конечном итоге, стать существенным вкладом в развитии инновационных технологий, связанных с поисковыми задачами. Существенный вклад в это, также, могли бы сделать достижения в развитии техники спектральных приборов. Пробные лабораторные измерения на уже известных залеганий, дают основания полагать, что новый подход может занять свое достойное место в инновационных технологиях.
Прогнозирование землетрясений
Обратимся к таким явлениям как землетрясения и связи ГМВ с сейсмическими событиями. Как известно, землетрясение являются одним из самых грозных природных явлений, оказывающих значительное влияние среду обитания человека.
Судя по публикациям зарубежной научной печати, за последние годы оформилось перспективное направление работ по прогнозированию землетрясений путем выделения из различных геофизических полей сигналов, в спектре которых наблюдаются частоты волн приливного воздействия, наблюдаемый, как высокочастотный сейсмический шум в виде импульсного электромагнитного излучения (ИЭМИ) исходящего из литосферы. Особенность этих сигналов определяется тем, что непосредственно перед землетрясением наблюдаются стабилизации фаз гармонических компонент с частотами приливных волн. Однако, как указывается в печати, вероятность определения наступления катаклизма все еще остается низкой из-за высокой погрешности измерений, которая не позволяет точно отделить уровень частотных гармоник от фонового шума без серьезного изменения числовой апертуры приемной антенны.
Поэтому, важной задачей данного метода, предложенного Морозовым, надежно определять временные промежутки, когда над фоном шумов появляются определенные аномалии. Эту задачу предлагается решать в скользящем вдоль ряда данных временном окне. Предлагаемый выше метод по принципу измерения аномалий по интерференционной схеме позволяет увеличить разрешение уровня и частоты принимаемого сигнала в десятки раз [6].
Пресная вода
Еще одним важным аспектом поисков может стать пресная вода.
На протяжении всего существования человеческой цивилизации, пресная вода играет в ней наиважнейшее значение, без которой невозможна никакая деятельность. Как известно, пресная вода является возобновляемым природным ресурсом, поступающим в виде атмосферных осадков через сеть водосборных бассейнов рек и озер, образуя подземные запасы вод, являющимися главными источниками пресной воды. К сожалению, современный дефицит водных ресурсов возник, по большей части, из-за неуемной антропогенной деятельности человека. Особенно, это показательно на примере Китая. В Китае проживает около 20% всего населения планеты, при этом запасы пресной воды составляют всего лишь 7% от мировых [7]. Ко всему прочему распределены они по огромной стране неравномерно. До сих пор северные регионы КНР решали проблему дефицита воды нещадной эксплуатацией подземных вод. Однако в начале века стало понятно, что такую практику продолжать невозможно: выкачивание воды из верхних слоев создало огромное количество экологических проблем, прежде всего – значительное проседание почв. Одно из решений – поворот части стока рек. Но и это будет лишь частичное решение проблемы. Другое – поиск новых запасов пресной воды глубинного залегания.
В России проблема обеспечения населения доброкачественной питьевой водой так же остается напряженной, а в ряде регионов приобрела кризисный характер. Из объема подаваемой населению воды 68% занимают поверхностные водоисточники, только 1% которых соответствует качеству, обеспечивающему при существующих технологиях, получение питьевой воды. Предлагаемый метод мог бы стать заметным вложением научно-практического опыта для постановки его на службу цивилизации.
Литература
1. М. В. Перов, Геофизические аспекты исследования околоземных электромагнитных полей.
https://www.tpsapfir.net/about/zhurnal/_naukoemkiy_biznes/
2. Гридин В.И. Дмитриевский А.Н. Системно-аэрокосмическое изучение нефтегазоносных территорий. М., Наука, 1994.
3. Готынин B.C. Теоретические предпосылки дистанционного исследования при изучении геологического строения нефтегазовых территорий. В кн. “Дистанционные исследования при нефтепоисковых работах”. Мин. нефт. пром. СССР, АН СССР, Сб. научи, трудов. М., 1985.
4. Приходько Н.Н. К вопросу о природе волновых колебаний, регистрируемых на земной поверхности с периодами геомагнитных пульсаций, 2012, /
https://SciTecLibrary.ru/
5. В.А. Троицкая, А.В. Гульельман, Геомагнитные пульсации и диагностика магнитосферы, Успехи физических наук, М., 1969, т. 97, вып. 3.
6. Г.В. Морозов Совокупность происходящих событий – общепланетарная катастрофа, Подмосковье, 1995, №37.
7. Водный кризис в Китае. Русское географическое общество. /
https://оиак.рф/