УДК 551.521.2

Компьютерная обработка результатов радиометрических измерений с целью выявления корреляционной зависимости распределения пространственных аномалий среди различных методов гамма-съемок

Михиденко Алексей Анатольевич – магистрант Иркутского национального исследовательского технического университета

Гаченко Сергей Владимирович – доцент Иркутского национального исследовательского технического университета

Аннотация: В работе рассматривается методика компьютерной обработки данных радиометрических измерений ионизирующего излучения, формируемого геологической обстановкой участка геополигона Черноруд расположенного на территории Ольхонского комплекса в Восточной Сибири, позволяющая выполнять привидение результатов различных типов гамма-съемок, которые были получены в ходе проведения комплексных работ по геофизической разведке, к единой размерности с целью определения потенциальных границ чувствительности применяемой в процессе исследования радиометрической аппаратуры на основе малых сцинтилляционных регистраторов. Целесообразность разработки методики приведения различных типов гамма-съемок в этой работе трактуется с позиции экономической эффективности применения региональной БПЛА-гамма-съемки в границах мелких масштабов (1:5000).

Ключевые слова: аэрогеофизика, радиометрия, естественная радиоактивность горных пород, ионизирующее излучение, гамма-излучение, геология, геоинформационные системы, БПЛА, сцинтиллятор.

Введение

Методика БПЛА геофизической разведки появилась относительно недавно и в последнее время набирает все большую популярность при проведении геологоразведочных работ (далее – ГРР) на начальном поисковом этапе. Однако, стоит отметить, что масштабы применения БПЛА методики этим не ограничивается. В силу своей дешевизны, практичности и простоты использования, она может применяться и на последующих стадиях ГРР, например когда необходимо уточнение дополнительной информации в пределах (или наоборот за пределами) границ исследуемого месторождения.

При проведении исследования ожидается, что средствами пакетов современных геоинформационных систем получится разработать методику обработки данных радиометрических измерений, которая может стать частным решением приведения результатов различных типов гамма-съемок в контексте интерпретации данных радиометрии БПЛА-съемки мелкого масштаба (1:5000), а благодаря выявленным коррелирующим факторам между воздушной (БПЛА) и наземной съемками, удастся добиться определения границ чувствительности радиометрической аппаратуры на основе сцинтилляционных счетчиков малого объема при выполнении воздушной гамма-съемки с огибанием рельефа в пределах 35 м.

В этой работе рассматривается методика приведения результатов обработки данных радиометрической разведки двух принципиально разных типов, наземной и коптерной (БПЛА) съемок с применением элементов математической статистики и современных средств геоинформационных систем.

В качестве экспериментальных данных были взяты результаты радиометрических измерений естественной радиоактивности гамма-излучения горных пород. Данные измерений были получены сотрудниками института «Сибирская Школа Геонаук» (СШГ) в ходе проведения ими практических (полевых) работ на учебном полигоне иркутского исследовательского национального технического университета (ИРНИТУ) в августе 2022 года.

К объекту исследования в этой работе отнесено геологическое строение участка геополигона «Черноруд», что способно объяснить природу формирования полей гамма-фона естественной радиоактивности горных пород, которая представлена слагаемыми породами комплекса Ольхонского террейна в зоне территориального расположения участка исследования.

Предметом исследования принято считать тектонику и метаморфизм Чернорудской мегазоны в части небольшого участка проведения испытаний, а также ближайшую к этому участку территории мегазоны Анга-Сахюрты, условия залегания которых приурочено к формированию геологии комплекса.

Материалы и методы

Исходные данные по наземной и БПЛА радиометрии были получены в ходе проведения полевых (практических) работ студентами ВУЗа под руководством сотрудников института «Сибирская Школа Геонаук».

До начала проведения полевых работ, вся радиометрическая аппаратура была отградуирована при помощи эталонов гамма-излучения.

В ходе проведения измерений гамма-излучения наземным способом студенты использовали дозиметр СРП-68-01, время интеграции счета импульсов которого было установлено на 5 с. Показания радиоактивности в точках измерений вычислялось как среднее арифметическое из 5 отсчетов с интервалами 30 с.

Рисунок 2.1. Космический снимок исследуемого участка и маршруты профилей радиометрических измерений. Наземный способ гамма-съемки.

Уровень остаточного фона окружающей среды по данным измерений на поверхности водоема составил 5.2 мкР/ч. Значение интенсивности излучения для среднего нормального фона без учета повышенных значений колеблется в диапазоне 12.4 мкР/ч.

На рисунке 2.1 представлен макет карты космоснимка с наложенными на него маршрутами наземной съемки, где каждый профиль маршрута имеет строгий порядок нумерации. На этапе визуального анализа карты можно определить, что на профилях 1, 2, 4, 5, 7, 9 проявляются пикеты с явно выраженными повышенными значениями гамма-излучения относительно общего уровня нормального фона. Повышенные значения в большей степени соответствуют геологическим структурам, которые хорошо просматриваются на космоснимке, а также зонам сноса обломков горных пород и продуктов их разрушения.

Рисунок 2.2. Космический снимок исследуемого участка и маршруты профилей радиометрических измерений. БПЛА-гамма-съемка.

Маршруты и пространственное расположение результатов гамма-съемки выполненной с использованием БПЛА изображено на рисунке 2.2.

Полетные задания для БПЛА были сформированы исходя из пространственного расположения профилей наземной съемки, а также с учетом возможности огибания высоты рельефа исследуемого участка.

По данным этих измерений, ширина диапазона излучений создаваемое гамма-полем в воздухе ожидаемо оказывается значительно ниже относительно гамма-съемки, выполненной с поверхности Земли, и колеблется в более узком интервале, относительно наземной съемки, варьируясь в пределах от 2 до 12 мкР/ч. Высота полета регистратора на момент БПЛА-съемки составляет 35 м.

В результате предварительной оценки полученных данных радиометрических измерений, выполненных на геологический полигоне, было установлено, что проводимый эксперимент по привидению двух различных типов гамма-съемок невозможен без оценки влияния факторов, которые потенциально способны оказывать воздействие на точность результатов сопоставления съемок.

Результаты исследования и их анализ

Ниже приводятся краткое описание пяти основных выявленных факторов влияния. По нашему мнению, это первостепенные причины, которые способны ухудшить интерпретацию при привидении различных типов гамма-съемок.

Первый фактор, на который стоит обратить внимание, выражается в зависимости отклонения маршрутов профилей между съемками. Поскольку при сопоставлении маршрутов двух съемок возникает диассоциация их расположения по пространственному признаку, в связи с этим появляется необходимость определения уровня влияния соседних профилей.

Второй фактор заключается в оценке зашумлённости сигналов. Оценка уровня шума в измерениях, с возможностью последующей его фильтрации, необходимая и обязательной процедура.

Третий фактор указывает на различие в диапазонах измерений между наземной и БПЛА съемками.

Четвертый фактор, заключается в оценке потенциальных выбросов в обоих типах съемок, которые также способны влиять на результат обработки общей выборки. Например, при построении карт изолиний, в процессе интерполяции могут возникать «затяжки» по данным выбросов, искажая тем самым полноту и достоверность информации.

Пятый фактор определяется на этапе выполнения процедур осреднения, применяемых при построении grid необходимых для создания карт изолиний. В процессе расчета (генерации) grid, ошибки интерполяции существенно возрастают в интервалах отсутствия данных радиометрических измерений между профилями и увеличиваются при пересчетах в процессе генерации новых grid по уже существующим ошибкам, вследствие чего точность расчётов для последующих сеток снижается.

Хорошие результаты распределения, свидетельствующие об отличной сходимости при регистрации различных геологических структур, представлены данными измерений полученные в ходе применения к ним алгоритма фильтрации, отражены на картах изолиний рисунок 3.1 и 3.2.

Рисунок. 3.1 Карта изолиний уровня интенсивности радиоактивности горных пород по данным радиометрических измерений (с учетом факторов). БПЛА-съемка.

Рисунок 3.2. Карта изолиний уровня интенсивности радиоактивности горных пород по данным радиометрических измерений (с учетом факторов). Наземная-съемка.

Обсуждение

В процессе проведения эксперимента, целью которого является разработка методики по привидению результатов радиометрических измерений среди двух различных типов гамма-съемок, определяются и дается оценка факторам влияния на результаты их сравнения.

Сразу скажем, что оценка фактора, которая заключается в определении зависимости разницы интенсивности счета импульсов гамма-излучения между двумя съемками по отношению к отклонению между их пикетами, не подтверждает гипотезу по такой зависимости.

Расчёт величины отклонения между пикетами двух съемок осуществляется по косвенному методу, который основан на разнице расстояний по линиям профилей. При сопоставлении наземной и БПЛА съемок, имеющих значительные отклонения между пикетами (<25 м), также учитывается фактор влияния ошибок интерполяции, для компенсации влияния которых применяется методом перекрестной съемки значений с GRID в точках пикетов среди обеих съемок. В целях упрощения обработки, данные обоих съемок перемещаются в общую таблицу (совмещенную БД), которая включает в себя значения радиометрических измерений по координатам обеих съемок, а также снятые с GRID перекрестные параметры интерполяции.

При сравнении двух гамма-съемок с разными диапазонами интенсивности гамма-излучения, предварительно потребовалось проведение процедуры привидения значений съемок в единую размерность. Нормирование значений данных радиометрических измерений производится с учетом того, что уровень границ диапазона интенсивности счета импульсов БПЛА-съемки, относительно выборки наземной съемки, значительно ниже (коэффициент затухания ~4.5 раз).

Поскольку в эксперименте больший интерес представляет значимость БПЛА-гамма-съемки, в этом случае нормирование выполняется для значений БПЛА-выборки, а наземная является как съемка с опорным диапазоном. Для нормирования БПЛА-съемки применяется пропорциональность, которая позволяет для значений ее диапазона получить равнозначное значение из диапазона съемки наземного типа.

Несмотря на то, что распределение по выборкам съемок не является нормальным, мы делаем предположение, что размеров площади геологической аномалий достаточно для того, чтобы сформировать амплитудный пик, соответствующей закону нормального распределения, поскольку в таком случае мы можем выполнить фильтрацию по Гауссу.

Фактор зашумленности информативных сигналов, обоих типов съемок, один из самых важных, поскольку мешает четко определить пространственное расположение и размер площади источника гамма-излучения.

Выполняя фильтрацию данных по каждому профилю в отдельности используя метод Гаусса с высоким показателем рассеивания величины (σ=6), мы тем самым отсекаем зашумлённость нашего сигнала по границе нормального фона, но при этом получаем выделенные амплитуды для сигналов, попадающих в область среднеквадратичного отклонения.

В результате учета факторов влияния, была повышена сходимость результатов измерений гамма-излучения выполненных наземным и БПЛА методами. В случае геологических структур, имеющих уровень излучения равного или выше границы минимально-аномального уровня относительно нормального фона, значительно повышается сходимость амплитуд сигналов между профилями наземной и БПЛА-съемками, особенно это хорошо просматривается на графиках фильтрации, полученных c учетом устранения факторов зашумленности и нормирования диапазона.

Интерпретация зон повышенных значений гамма-излучения в случае БПЛА-съемки, источники которых подтверждены на Земле, трактуется как результат в последствии активного преобразования рельефа Ольхонского террейна, сопровождающегося процессом рифтообразования [3].

На рисунке 4.1 красным пунктиром показаны зоны рельефообразующих разломов, ограничивающие современные грабены, сложенные четвертичными отложениями в состав которых входят солифлюкционно-гравитационные валунники, образованию которых в прошлом предшествовал процесс внедрения метаморфических горных пород представленных на сегодня гранулитами амфиболитовой фации [3].

Рисунок 4.1. Карта зон распространения повышенных значений гамма-излучения. Подложка: геологическая карта, космоснимок.

Заключение

В работе было положено начало для проведения эксперимента, заключавшегося в разработке методики по привидению результатов, полученных в ходе применения двух различных методов для съемки интенсивности гамма-излучения.

Средствами современных ГИС при разработке методики были определены факторы, оказывающие влияние на результат сопоставлении измерений.

Как и ожидалось, разработка методики позволила определить границу чувствительности регистраторов на основе сцинтиллятора малого объема.

К объекту исследования в этой работе отнесено геологическое строение участка геополигона «Черноруд», что объясняет природу формирования поля фона радиоактивности, которое представлено слагаемыми породами комплекса Ольхонского террейна в зоне территориального расположения участка исследования.

Предметом исследования принято считать тектонику и метаморфизм Чернорудской мегазоны в части небольшого участка проведения испытаний, а также ближайшую к этому участку территории мегазоны Анга-Сахюрты, условия залегания которых являются формированием геологической обстановки исследуемого участка.

В качестве основных инструментов, используемых на этапе проводимой работы по оценке факторов влияния на результаты приведения съемок во время эксперимента, применялись средства геоинформационных систем, пакетов прикладного программного обеспечения «Surfer», «QGIS», «Oasis Montaj».

Первый фактор, на который было обращено внимание, это наличие обнаруженных неуточненных помех в общей выборке данных.

Граница, которая была определена в качестве доверительного интервала, по которой было произведено усечение данных радиометрических измерений, образовала новую выборку в интервале доверительных границ.

Второй фактор указывал на диассоциацию данных радиометрических измерений по пространственному признаку. Для оценки его значимости возникла необходимость в построении GRID. Однако в силу того, что сеть съемок нерегулярная, при расчете интерполяции возникают погрешности в местах больших расстояний, например между линиями профилей (третий фактор). Для того, чтобы уменьшить влияние ошибок интерполяции, пришлось для каждой съемки в точках GRID снять значения по пикетам профилей ее маршрутов из другой съемки.

Таким образом, для облегчения дальнейших расчетов появилась необходимость в создании объединённой таблицы, в которую данные интерполированных значений вносились по принципу перекрестного объединения. В следствии этого, усеченная выборка получила больше информативности в пикетах, а уровень детализации дальнейшей обработки стал более полноценным.

Оценка второго фактора, которая заключается в определении зависимости разности уровня радиоактивностей двух съемок от расстояния между пикетами, не подтвердила гипотезу по этой зависимости.

После оценки первого фактора, усечения выбросов, нормирования выборки БПЛА-съемки и попытки снятия шума, методом 2D-фильтрации по Гауссу, удалось добиться более четких контуров, по которым уже можно с большей степенью уверенности судить о сходстве БПЛА (рисунок 3.1) и наземной съемками (рисунок 3.2) начиная с уровня интенсивности радиоактивности в 11-12 мкР/ч для ореолов крупных геологических структур с повышенным содержанием изотопов.

Резюмируя, можно сказать, что картирование пространственных геологических аномалий на территории геологического полигона «Черноруд», выполненного при помощи сцинтилляторов малого объема с высоты 35 м посредством использования БПЛА, является больше успешным. Это подтверждается при обработке данных радиометрических измерений гамма-съемок и сравнении карт изолиний пространственного (по площади) распределения участков (полей), испытывающих влияние радиоактивности.

Даже несмотря на малый объем сцинтиллятора, который был применен в эксперименте, с высоты полета БПЛА на уровне 35 м, границы геологических аномалии (крупных по площади) на Земле (или в Земле) картируются более чем успешно.

Список литературы

1. Ларионов В.В., Резванов Р.А. Ядерная геофизика и радиометрическая разведка / перераб., 2-е изд., Москва: «Недра», 1976.
2. Баранов В.И. Радиометрия / перераб., 2-е изд., Москва: АН СССР, 1956.
3. Федоровский В.С., Скляров Е.В. Ольхонский геодинамический полигон (Байкал): Аэрокосмические данные высокого разрешения и геологические карты нового поколения. // 2010. Т. 1. вып. 4. с. 331-418.
4. Донская Т.В., Гладкочуб Д.П., Мазукабзов А.М., Скляров Е.В., Хубанов В.Б., Демонтерова Е.И., Мотова З.Л. Метатерригенные породы Ольхонского террейна центрально-азиатского складчатого пояса: U-Pb возраст цирконов, геохимическая характеристика и модель формирования осадочных протолитов. // Геодинамика и тектонофизика. 2022. Т. 13. вып. 3. С. 1-30.
5. Parshin A., Grebenkin N., Morozov V., Shikаlenko F. First results of a low-altitude unmanned aircraft system gamma survey by comparison with the terrestrial and aerial gamma survey data. // Geophysical Prospecting. 2018. Vol. 66. I. 7. p. 1433-1438.