Для практической реализации указанной задачи предполагается использовать высокоточный феррозондовый многоканальный магнитометр с частотой измерения до 1000 Гц, позволяющий выделить из суммарного магнитного поля Земли, измеряемого магнитометром, аномальное магнитное поле, а также изучить его тонкую структуру с определением параметров интересующей аномалии. Магнитометр разработан в Институте общей физики РАН и ИРЭ РАН, имеет динамический диапазон 180 дБ и позволяет проводить измерения от 1 мТл до 1 пТл, то есть практически на уровне квантовых шумов. В качестве датчиков магнитного поля используются эпитаксиально напыленные на диэлектрик пленки из железоиттриевого граната. На рисунке 3 представлен общий вид магнитометра и типичный спектр его шумов. Совместное использование данного магнитометра и изложенных ниже алгоритмов обнаружения крупных объектов в водоеме по аномалиям измеряемого магнитного поля позволяют оптимистически оценивать перспективу детального измерения положения газовой трубы на дне Байдарацкой губы.
В качестве адекватной модели для трубопровода как источника магнитной аномалии можно выбрать 2D диполь, положение которого совпадает с центром поперечного сечения трубы. В магнитостатике 2D диполь соответствует горизонтально залегающему бесконечному цилиндру; создаваемая таким телом магнитная аномалия зависит только от положения самого диполя, его магнитных свойств и характеристик внешнего магнитного поля Земли( МПЗ). Магнитное поле трубопровода можно аппроксимировать разностью двух, одинаково намагниченных цилиндров, радиусы которых отличаются на толщину стенки трубы. Таким образом, аномалия от такого объекта будет соответствовать разности аномалий от двух геометрически совмещенных диполей, которые отличаются величиной модуля магнитного момента.
В первом приближении,( когда аномалия от источника не превышает нескольких процентов от величины модуля МПЗ в районе измерений, вплоть до нескольких тысяч нТл), магнитный момент источника аномалии по внешнему полю может быть определен однозначно. Следовательно, проведя с нужной детальностью и точностью измерения магнитной аномалии поперек трубопровода, можно определить координаты центра трубы, а зная ее радиус и толщину стенок – величину намагниченности материала, из которого она изготовлена, что влияет на степень изношенности стенок и содержание окислов железа.
Рассмотрим вопросы практической реализации предлагаемого подхода, обращая внимание на благоприятные и осложняющие факторы, характерные для данной задачи.
К первым, безусловно, следует отнести очень высокую магнитную контрастность исследуемого объекта по отношению к окружающей среде и его относительно небольшую глубину залегания. Многолетний опыт проведения инженерно-геологических изысканий на прибрежных акваториях указывает на то, что даже сравнительно небольшие по размерам металлические объекты типа оторванных якорей, бомб и снарядов, металлических тросов при относительно мелком(~ 10 м) залегании очень четко проявляются в магнитных аномалиях. Мы оцениваем прогнозируемые амплитуды магнитных аномалий над трубопроводом во многие сотни нТл. К благоприятным факторам также следует отнести допущение о спокойном характере фонового поля на исследуемой площади; обычно аномальные поля на шельфе очень слабые, если нет палеорусел рек и областей выноса железистых песков. Поэтому мы вправе ожидать устойчивого выделения аномалии от исследуемого объекта при соблюдении требуемых условий съемки.
Основная трудность при определении положения трубопровода методом инверсии магнитной аномалии с точностью до нескольких сантиметров – это требующаяся чрезвычайно высокая детальность измерений вдоль профиля. Забегая вперед, отметим, что во всех модельных расчетах горизонтальная координата центра трубы находилась с точностью до шага дискретизации аномалии по горизонтали, поскольку все используемые технологии в той или иной степени зависят от этой величины. Часть применяемых алгоритмов требует описания аномалий в равноотстоящих по горизонтали отсчетах. Понятно, что никакие процедуры интерполяции не позволяют при этом получить аномалии с более высокой частотой, чем измерено( теорема Котельникова). Поэтому вопрос о нужной детальности измерений – чисто технический, он будет обсуждаться ниже.
Вторая проблема заключается в необходимости исключить из наблюдений искажающее влияние переменных во времени составляющих МПЗ – суточные вариации, а также особенно высокочастотные и высоко амплитудные помехи, возникающие во время геомагнитных бурь, амплитуда которых может достигать для высоких широт сотен нТл. Для устранения такого рода помех также требуется применение специальных технических средств – использования магнитовариационных станций и / или съемки в дифференциальном режиме. Проблема в том, что в настоящий момент вопросы высокоточных и высокочастотных( не менее 100 Гц, см. ниже) магнитных и магнитовариационных измерений не проработаны должным образом.
Еще одним осложняющим фактором может быть наличие в исследуемом районе локальных магнитных аномалий геологической природы, а также высокий уровень аппаратных помех при выполнении съемки с экстремальными по техническим условиям параметрами, необходимыми для обеспечения требуемой детальности данных. Используемые в наших методиках процедуры обработки позволяют эффективно бороться с таким типом помех.
Для решения поставленной задачи – определения положения трубопровода по создаваемой им магнитной аномалии с высокой точностью – предлагается использовать разработанный в лаборатории геофизических полей ИОРАН программный комплекс Linverse2D. Одной из задач,
34 Морские информационно-управляющие системы, 2014 / No. 3( 6)