Методы постоянного электрического поля

 

Электрическая разведка основана на изучении существующих на Земле естественных электромагнитных полей, или полей создаваемых искусственно с целью изучения ее геологического строения и поисков в земных недрах месторождений полезных ископаемых.

По характеру изменения во времени естественные и искусственные поля могут быть

п о с т о я н н ы м и и п е р е м е н ы м и. Если такие поля существуют длительное время

(более нескольких секунд ), их называют у с т а н о в и в ш и м и с я. Поля, созданные с помощью кратковременных импульсов тока или путем его ступенчатого изменения во времени называют н е у с т а н о в и в ш и м и с я. Переменные установившиеся поля делят на низкочастотные ( с частотой менее 10 кГц) и высокочастотные ( с частотой более 10 кГц).

Изменение электромагнитных полей, измеряемых на разных уровнях ( в космосе, воздухе, на поверхности Земли, на уровне моря, в скважинах и выработках) обуславливаются дифференциацией горных пород по электромагнитным свойствам. Различные по составу горные породы, находящиеся в электромагнитном поле по-разному возбуждаются и создают электромагнитные поля, зависящие от размеров геологических объектов, глубины и условий их залегания. Совокупность геологических тел, пластов, каждый из которых имеет определенные размеры и параметры, называют геоэлектрическим разрезом. От других геофизичеких методов электроразведка отличается широким набором методов и способов исследования геоэлектрических разрезов за счет разной природы и характера полей, их частотного спектра и способов возбуждения и измерения полей.

 

Естественные и искусственно созданные электромагнитные поля.

Изучаемые электромагнитные поля могут иметь естественное (не зависящее от деятельности человека) или искусственное ( специально созданное человеком) происхождение.

Е с т е с т в е н н ы е э л е к т р о м а г н и т н ы е п о л я подразделяют на региональные и локальные. К региональным электромагнитные полям ( магнитотеллурическим ) относят такие поля, природа которых связана с воздействием на ионосферу Земли потока заряженных частиц, Это поля, как правило инфранизкой частоты, могут проникать на большие глубины. Измеряемыми параметрами магнитотеллурического поля являются электрические E_x и E_y и магнитные Н_х и Н_у компоненты электромагнитной волны.

Изучаются также поля грозовых разрядов, причем возникающие с молниями мощные электромагнитные импульсы взаимодействуют с верхними частями литосферы и распространяются на огромные расстояния.

К локальным естественным электромагнитным полям относятся поля электрохимической и электрокинетической природы. Электрохимические поля возникают при окислительно-восстановительных реакциях, протекающих на границе электронного (рудные минералы) и ионного ( окружающие породы и подземные воды) проводника. К электрокинетическим относятся фильтрационные, диффузионно-адсорбционные и другие поля, обусловленные фильтрацией подземных вод в пористых породах.

Наиболее интенсивны естественные поля окислительно-восстановительной природы на сульфидных, угольных, графитовых месторождениях при активном участии подземных вод.

На рисунке 5.1 показан процесс образования такого поля над сульфидной залежью, верхняя часть которой находится в зоне аэрации, где происходят окислительные реакции за счет вод богатых кислородом и углекислотой. В нижней части залежи происходят восстановительные реакции, вследствие чего нижняя часть ее заряжается отрицательно. Образуется естественный гальванический элемент, и во вмещающей среде начинает протекать электрический ток. Над таким объектом отмечаются отрицательные аномалии естественного электрического поля, достигающие сотен милливольт.

При фильтрационных процессах в горных породах ионы разного знака и природы имеют различные размеры и различную подвижность. Это приводит к тому, что катионы увлекаются потоком при его движении через пористый пласт, а анионы адсорбируются на стенках капилляров и между истоком электролита и его стоком образуется электрическое поле.

 

Рис. 5.1. Естественное поле над сульфидной залежью:

1- график естественного потенциала; 2- токовые линии; 3- рудное тело;

УГВ - уровень грунтовых вод.

 

Искусственно созданные электромагнитные поля могут быть как постояными, так и перемен-ными. Существуют гальванические, индуктивные и смешанные способы возбуждения поля. При гальваничексом способе возбуждения в землю с помощью металлических электродов вводится постоянный или переменный электрический ток, источником которого являются аккумуляторы, сухие батареи или генераторы На рисунке 5.2, а показан этот способ возбуждения с помощью электродов А и В.

Возможные варианты расположения токовых и эквипотенциальных линий в разрезе и плане в случаях, когда геологический разрез однороден и когда во вмещающей среде находится плохо проводящий объект в виде линзы ( эллипсоида ), приведены, соответственно, на рисунках а, б, в. При расположении между питающими электродами А и В приемных электродов М и N можно, при известной силе тока в цепи А В проводить измерения разности потенциалов между электродами МN, а затем определять электрическое сопротивление пород при перемещении такой установки по геофизическим профилям на изуча-емой площади.

 

 

Рис. 5.2. Способ возбуждения поля в методе сопротивлений:

1- токовые линии, 2- эквипотенциальные линии, 3- плохо проводящий объект.

 

Аналогичной установкой можно измерять искусственное электрохимическое поле или поле вызванной поляризации. Так как в непроводящих породах имеются проводящие минералы, то при возбуждении постоянным или переменным током очень низкой частоты происходит поляризация на поверхности раздела электронных и ионных проводников. После снятия электрического поля ( выключения поляризационного тока ) в течение некоторого времени будет наблюдаться поле вызванной поляризации, интенсивность которого и спад (разрядка) с течением времени над рудным объектом будет выше (рис. ).

При индуктивном способе возбуждения источниками поля являются незаземленные контуры, питаемые переменным или ступенчато меняющимся током. В этом случае формируется вторичное электромагнитное поле, которое измеряется с помощью электродов ( при измерении его электрической компоненты Е ) или приемных рамок (контуров) при измерении его магнитной компоненты Н. Интенсивность вторичного электромагнитного поля будет также зависеть от состава пород разреза и их электромагнитных свойств.

 

Электромагнитные свойства пород и руд.

При измерении естественных и искусственных электромагнитных полей измеряют потенциал и его градиент, амплитуды и фазы напряженности поля, а также такие характеристики геоэлектрического разреза как удельное электрическое сопротивление r (УЭС), поляризуемость h, диэлектрическую e и магнитную m проницаемость и магнитную восприимчивость c.

У д е л ь н о е э л е к т р и ч е с к о е с о п р о т и в л е н и е (УЭС) горных пород и руд r меняется в очень широких пределах - от тысячных долей омметра для самородных металлов ( электронные проводники) до нескольких миллиардов омметров для минералов-изоляторов (диэлектрики), таких как слюда, кварц и другие. Большинство рудных минералов можно отнести к полупроводникам, УЭС которых изменяется в широких пределах ( от 10 ^-5 до 10 ² Ом м.). Горная порода - гетерогенное образование, состоящее из минерального скелета, пор и трещин, заполненных минерализованной водой, нефтью, газом. Это обусловливает зависимость УЭС от количественного соотношения этих компонент, а также от температуры и давления.

Для изверженных пород характерны очень высокие значения УЭС (тысячи, десятки тысяч омметров); метаморфические породы обладают близкими значениями удельного электрического сопротивления ( десятки - тысячи омметров).Среди последних присутствуют графитизированные и углефицированные разности, сопротивления которых могут снижаться до десятков- долей омметра.

Осадочные породы, имеющие высокую пористость и увлажненность, характеризуются низкими значениями r (десятки омметров). Сухие пески, известняки, ангидриды обладают высокими значениями сопротивлений ( тысячи Омм). Вне зависимости от природы пород, сопротивления их выветрелых разностей низкие.

Слоистые. сланцеватые горные породы с упорядоченной ориентировкой пор и трещин или хорошо проводящих минералов обладают неодинаковым электрическим сопротивлением поперек r _n и вдоль r _t. слоистости или сланцеватости. Такие породы называют анизотропными, и их неоднородность по сопротивлению оценивают коэффициентом анизотропии

 

L =Ö r _n ½ r _t.?????

 

Удельное сопротивление большинства руд зависит от количественного соотношения минералов с электронной проводимостью и нерудных минералов, их текстурно-структурных особенностей. Так, если рудные минералы цементируют нерудные или образуют систему прожилков, то их удельное сопротивление близко к сопротивлению сплошных массивных руд; в случае, если рудные минералы образуют рассеянную вкрапленность, сопротивление руды не отличается от сопротивления вмещающих пород. Диэлектрическая e и магнитная m проницаемости - это способность вещества концентрировать или разрежать силовые линии электрического и магнитного поля. При работах на частотах 10 ⁴- 10 ⁵ Гц их влияние мало, а на высоких частотах (тысячи кГц и выше) e изменяется от нескольких единиц ( для сухих горных пород) до 80 ( для влажных). Сульфиды и окислы имеют значение e от 25 до 40. Магнитная восприимчивость большинства горных пород равна магнитной проницаемости воздуха- 1, и лишь у ферромагнетиков она может превышать эту величину в 2- 10 раз.

Свойство горной породы создавать е с т е с т в е н н ы е электрические поля называют

э л е к т р о х и м и ч е с к о й а к т и в н о с т ь ю a. Фактически a - это коэффициент пропорциональности в выражении для расчета разности потенциалов самопроизвольной поляризации в зависимости от основных факторов, которыми она определяется: отношения концентраций электролитов или насыщающих горную породу вод, давления под которым происходит фильтрация и др. Коэффициент a меняется от нескольких милливольт для пород с непроводящими ток минералами до нескольких сотен милливольт для пород с электроннопроводящими минералами.

Поляризуемость h характеризует способность горной породы или руды поляризоваться, т.е. образовывать поверхностные объемные заряды под воздействием электрического поля и разряжаться после его исчезновения (рис. 5.3). Она определяется отношением напряженности Е _вп вызванного электрического поля ( или вызванной поляризации ВП) к напряженности первичного поля Е ( h = Евп / E ) и выражается в процентах. В частности, электронные проводники в виде включений, входящие в состав горной породы ( сульфиды, графитизированные сланцы и другие), создают поляризацию до десятков процентов. Поляризуемость зависит также от влажности, поэтому для осадочно-глинистых образований она несколько выше ( 2-6 %), чем для массивных кристаллических пород (3-4%). Пленочная влага и микротрещины на границе рудных зерен также способствуют увеличению этого параметра.

 

Рис. 5.3.

 

Диэлектрическая проницаемость ε является величиной относительной и характеризует способность молекул веществ поляризоваться (приобретать одинаковую направленность диполей молекул) под действием постоянного электрического напряжения и сохранять эту ориентировку длительное время. Эта величина измеряется в относительных единицах. Наибольшей диэлектрической проницаемостью обладает вода – её ε равна 80. Диэлектрическая прноницаемость вакуума равна 1, а воздуха 1.0006. Большинство минералов и горных пород имеют ε, равную 3-6 относительных единиц, исключая проаодящие и аодонасыщенные горные породы и минералы.

Методы постоянного электрического поля (иначе методы сопротивлений) включают две модификации: электрическое профилирование и зондирование установками, включающими питающие AB и приемные линии MN. Изучаемые поля постоянного тока

характеризуются потенциалом U, E = - dU/dn и плотностью тока j = g E = E/r.

Наблюдаемые при работе этими методами поля аддитивно накладываются на нормальное поле, являющееся откликом изучаемой геологической среды на изучаемое поле, рассчитанное для однородной среды. и наблюдаемое над неоднородным геологическим разрезом. Разность потенциалов D U, измеряемую между электродами МN и создаваемую током I , вводимым через питающие электроды, можно рассчитать, определив предварительно потенциалы в точках M и N, создаваемую источниками А и В.

 

D U MN= (Ir / 2p) ( 1/AM - 1/ AN - 1/BM + 1/BN)

 

Обозначив К= 2p / ( 1/AM - 1/ AN - 1/BM + 1/BN), определим удельное сопротивление однородного пространства, измерив между приемными электродами DU и значение тока I в питаюшей линии: r = K ( D U/ I ), где К- коэффициент установки, имеющий размерность длины и зависящий от расстояния между питающими и приемными электродами.

Заметим, что для электроразведки постоянным током существует принцип взаимности, в соответствии с которым при введении тока через электроды MN между электродами АВ получают ту же разность потенциалов, которую получают при введении тока через АВ при измерении разности потенциалов на MN, поскольку удельное сопротивление r для однородной среды одно и то же. В реальной обстановке методами сопротивлений изучается параметр, называемый кажущимся удельным сопротивлением r к, поскольку изучаемая среда, как правило, неоднородна, а измеряемая величина является условной.

Изменение r к при перемещении питающих и приемных электродов или изменения их взаимного расположения позволяет судить о геоэлектрическом и геологическом разрезах. Так, над непроводящим объектом плотность тока увеличивается, следовательно, увеличивается и r к, т.е. по характеру графиков r кможно картировать различные по составу горные породы и локализовать рудные тела с различным электрическим сопротивлением.

 

Аппаратура и оборудование.

 

Установки для работы методом сопротивлений состоят из двух цепей -питающей и приемной и различаются их взаимным положением. По расположению и числу заземлений питающих и приемных электродов выделяют: четырехэлектродные установки (рис. 5.4); трехэлектродные, в которых один из питающих или приемных электродов отнесен на такое расстояние ( в практическую бесконечность), что его влиянием пренебрегают (рис. 5.5); двухэлектродные, у которых в бесконечность отнесены один питающий и один приемный электроды. ( рис. 5.6).

По расположению питающих и приемных электродов выделяют линейные установки, у которых все электроды расположены на прямой линии (рис. 5.7) и нелинейные, где это условие не выполнено.

 

Рис. 5.4.

Рис. 5.5.

Рис. 5.6.

Рис. 5.7.

 

 

Линейные установки могут быть симметричными, для них расстояния между центром

установки О и питающими и приемными электродами равны: т.е. ( АО = ОВ и ОМ =ОN). В зависимости от расположения электродов изменяется и коэффициент установки.

В установках, называемых дипольными расстояния r AB между питающими электродами AB и расстояние r _MN между центрами диполей OO' находятся в соотношениях

r AB< < r _oo' ; r _MN < < r _oo'.. В зависимости от углов g между осью приемного диполя MN и радиусом-вектором, проведенным из центра питающего диполя в центр приемного, а также от углов q между осью питающего диполя и этим радиусом-вектором выделяют азмиутальную ( g = p/2 ), радиальную ( g = 0 ), параллельную ( g = q ), дипольно - осевую ( q= 0 ) и дипольно - экваториальную ( q = p / 2 ) установки.

К непрямолинейным относят установку срединного градиента ( рис. ) в которой питающие электроды разнесены на большое расстояние, а измерительные M и N перемещаются вдоль линий, параллельных линии AB в пределах квадрата, сторона которого не превышает трети AB.

Приемные и питающие заземления представляют собой железные или латунные стержни длиной 0, 7- 1, 5 м и диаметром 15-20 мм. Для уменьшения переходных сопротивлений и увеличения тока в питающей линии эти электроды стремятся максимально заглубить в землю. Кроме того, на контакте электрод - земля за счет электрохимических процессов возникает ЭДС поляризации, которая искажает результаты измерений D U. Для исключения ее влияния применяют компенсаторы поляризации. В методах сопротивления применяют комплект аппаратуры низкой частоты (АНЧ, МЭРИ), работающие на частоте 4, 88 Гц и измерители кажущегося сопротивления(ИКС), работающие на частоте 22, 5 Гц и имеющие высокое входное сопротивление. В качестве источников питания применяют батареи сухих элементов, и щелочные аккумуляторы. Для глубинного исследования Земной коры применяют мощные ( десятки киловатт) источники постоянного тока ( до 50 - 60 А ) на специальных электроразведочных станциях. В состав каждой станции входит генераторная установка и универсальная лаборатория, смонтированные на отдельных автомашинах. В питающей и приемной линиях используются провода повышенной прочности, с малым сечением, небольшим сопротивлением и хорошей изоляцией.

Электропрофилирование проводят вдоль заданных направлений установкой с постоянным расположением питающих и приемных электродов. Исключение представляет установка срединных градиентов, при которой электроды AB неподвижны, а MN перемещаются.

Данные электропрофилирования позволяют получать информацию о геоэлектрическом разрезе до определений глубины, которая для симметричной установки приближенно находится в пределах от 1/3 до 1/ 10 расстояния АВ (в зависимости от электрического сопротивления) и связывается непосредственно с линией профиля, вдоль которой измерениями линией MN определены значения r _к.

В процессе работ на каждой точке проводят измерения силы тока в питающей цепи АВ

и разность потенциалов D U в цепи MN. Затем определяют r к = К ( D U_MN / I AB). Полученное значение относят к середине MN, после чего строят карты графиков и иногда карты изолиний rк в масштабе съемки или более мелком.

Си м м е т р и ч н о е э л е к т р о п р о ф и л и р о в а н и е (СЭП) проводят установкой AMNB с целью картирования зон тектонических нарушений, складчатых структур, круто- падающих контактов и т.д. Однако нередко аномалии rк трудно объяснить, т.к. сходный характер графиков rкможет быть обусловлен различными особенностями геологического строения. Так, например, одинаковыми аномалиями могут отличаться понижения в рельефе гранитов, перекрытых осадочными обводненными породами, обводненные зоны трещиноватости и другие неоднородности геологического строения (рис. 5.8).

 

Рис. 5.8.

 

Более достоверно объяснить подобные аномалии можно проводя измерения rк двухразносной симметричной установкой АА' MNB'B c различным расстоянием между питающими электродами. Такая установка обеспечивает различную глубинность исследования разреза. Иногда при ее использовании можно определить направление падения контактов.

На участках со сложным геоэлектрическим разрезом на характер кривых rк оказывают влияние сложные условия заземления. В этих случаях применяют установку срединного градиента(СГ), в которой питающие электроды AB удалены за пределы изучаемой площадки и неподвижны, а приемные электроды MN перемещаются по нескольким параллельным профилям, примыкающим к средней трети линии АВ.

Шаг наблюдений принимается равным расстоянию между MN и не должен превышать 2-3- кратной мощности картируемых объектов. Хорошие результаты метода СГ получаются при выделении маломощных объектов с высоким сопротивлением ( дайки, кварцевые и пегматитовые жилы и пр.).

Для картирования крутопадающих сравнительно маломощных объектов низкого и высокого сопротивления, контактов горных пород используют установки комбинированного электропрофилирования (КЭП). Эти установки являются совокупностью двух равных по размерам встречных трехэлектрдных установок (A M N C¥ и C¥ M N B), у которых приемные электроды MN и удаленный электрод C¥ являются общими. В процессе работ электрод C¥ неподвижен, а остальные перемещаются вдоль профиля без изменения расстояний между ними. При каждом перемещении в точке наблюдения определяют два значения rк и строят два графика. Над объектами с низким сопротивлением кривые встречных установок образуют прямое т.н. (рудное) перекрестье, т.е. наблюдается переход графика с максимума rк прямой установки (AMNC¥ ) на минимум rкобратной установки ( C¥ MNB); над плохими проводниками наблюдается обратное ( нерудное) перекрестье ( рис. 5.9).

 

Рис. 5.9.

 

Дипольное электропрофилирование (ДЭП) применяют в случае частой смены пород высокого и низкого сопротивлений ( дипольно-осевая установка ). Эти же установки при непрерывной регистрации потенциалов применяют при проведении морских работ на базе электроразведочных станций.

И н т е р п р е т а ц и я результатов электропрофилирования чаще всего качественная. При этом предварительно необходимо исключить из рассмотрения аномалии-помехи, обусловленные влиянием рельефа поверхности. Затем по графикам, планам изолиний rк выделяют аномальные зоны повышенной и пониженной электропроводимости, которые могут быть связаны с рудными телами, дайками, тектоническими нарушениями, контактами горных пород и другими неоднородностями сопротивления. Определение глубины залегания, пространственного положения и удельного электрического сопротивления аномальных объектов возможно на основе сопоставления графиков rк с теоретическими, рассчитанными по формулам или установленными по результатам физико-геологического моделирования.

Э л е к т р и ч е с к и е з о н д и р о в а н и я проводят с целью определения глубины залегания горизонтальных или пологопадающих границ раздела пород с различным сопротивлением. С их помощью решают задачи расчленения разреза осадочных толщ платформ и прогибов, изучения положения кровли фундамента и оценки мощности рыхлых отложений.

Фактически электрические зондирования - модификация метода сопротивлений, при которой в процессе работы расстояние между питающими и приемными электродами постепенно увеличивается. Чем больше это расстояние, тем больше глубина проникновения тока, а измеренное кажущееся сопротивление характеризует породы, расположенные на большей глубине. Таким образом, измеряя rк на разных глубинах получают геоэлектрический разрез, что приводит к существенной экономии затрат на бурение скважин.

Применяют две модификации зондирования: вертикальное электрическое зондирование (ВЭЗ) для исследования глубин до 300 - 500 м и дипольное электрическое зондирование для изучения глубин свыше 300 метров.

Вертикальное электрическое зондирование выполняют симметричной 4-х электродной установкой (рис. 5.10 ). В центре зондирования устанавливают прибор, две катушки с размеченным проводом для питающей линии АВ, приемные электроды MN, а в процессе работы расстояние между ними меняется таким образом, чтобы соблюдалось неравенство

AB / 3 ³ MN ³ ( 1/20 до 1/30 ) AB

 

Рис. 5.10. Принципиальная схема симметричной установки AMNB для проведения ВЭЗ.

 

Максимальный разнос АВ / 2 выбирают в 3 -10 раз большим проектируемой глубины исследования геоэлектрического разреза. Последовательно с увеличением расстояния АВ в каждой точке измеряют ток I, разность потенциалов D U и вычисляют r к= К (D U / I). Для увеличения D U увеличивают расстояние между электродами M и N, при этом измерения на MN проводят при одном и том же разносе АВ. В точках повторных измерений значения r к, измеренные при разных АВ могут не совпадать в пределах 5%. По результатам измерений на бланке с логарифмическим масштабом по осям координат с модулем М = 6, 25 строят кривую ВЭЗ; по вертикали откладывают rк , по горизонтали - АВ / 2. После построения кривой ВЭЗ установку перемещают в новую точку зондирования.

В зависимости от изучаемого геоэлектрического разреза получают различные типы кривых ВЭЗ. Наиболее простыми являются двухслойные кривые, их характер зависит от r к перекрывающих и подстилающих пород (рис. 5.11. а, б).

Рассмотрим трехслойный разрез, состоящий из песков, глин и известняков, имеющих соотношение сопротивлений r 1> r 2< r3 (рис 5.12). При малом АВ rк® r ₁ , с увеличением расстояния АВ ток попадает во второй, проводящий глинистый слой и rк уменьшится, далее при больших АВ ток будет проходить в третьем слое, а при АВ/2 ® ¥ rк® r₃. Такие трехслойные кривые называют кривыми типа Н.

 

Рис 5.11. Двухслойные кривые ВЭЗ.

 

 

Рис. 5.12. Трехслойная кривая ВЭЗ типа Н Рис. 5.13. Трехслойная кривая ВЭЗ типа К.

r₁> r ₂< r₃ r₁ < r₂> r₃

 

Положим, что геоэлектрический разрез слагают два типа пород: рыхлые отложения и карбонатные, причем последние в нижней части обводнены. Очевидно, что на кривой ВЭЗ над сухими известняками получим максимум rк. Подобная кривая называется кривой типа К. Пример на рис. показывает, что не всегда геоэлектрический разрез соответствует литологическому.

При соотношениях r₁ < r₂ < r₃ кривую относят к типу А, а при r ₁ > r ₂ > r ₃ к типу Q. Кривые, характеризующие бό льшее число слоев, называют многослойными, и их индексация строится по типу трехслойных, (на рис. 5.13 приведена пятислойная кривая типа НКQ).

При изучении больших глубин разносы АВ приходится увеличивать до 10 -12 км. В этом случае удобнее проводить дипольные электрические зондирования при помощи электроразведочных станций. Основными преимуществами дипольных зондирований являются: малая длина проводов и удаленность приемных и питающих цепей. Это обеспечивает отсутствие утечек токов и связанных с этим помех и возможность проведения работы не связанные с необходимостью рубки просек и возможностью проведения исследований вдоль естественных трасс. Кривые ВЭЗ и ДЭЗ интерпретируют аналогичным образом как качественно, так и количественно.

Качественная интерпретация проводится на начальном этапе работ и позволяет получить предварительные представления о геологическом разрезе. Основа качественной интерпретации - выделение и определение числа слоёв и их соответствие литологическому составу горных пород, их возрасту, гидрогеологическим условиям, корреляция различных типов кривых по профилям и по площади.

Количественная интерпретация кривых ВЭЗ и ДЭЗ состоит в определении мощности пород h₁ , h₂ , h ₃ и т.д., а при благоприятных условиях и их сопротивлений r₁, r₂ , r ₃ и т.д.

Наибольшее применение при интерпретации кривых находят палеточные методы. В теории электроразведки решены прямые задачи зондирования и рассчитаны 2-х и 3-х слойные кривые для типичных значений мощностей и сопротивлений. Такие теоретические кривые собраны в палетки и построены в том же масштабе, что и полевые. Процесс количественной интерпретации сводится к совмещению экспериментальной (полевой) кривой, вычерченной на прозрачном бланке с одной или несколькими теоретическими кривыми из альбома палеток ВЭЗ.

Наиболее просто интерпретировать двухслойные кривые ВЭЗ. Для этого, соблюдая параллельность осей вухслойной палетки и бланка с вычерченной полевой кривой, ее совмещают с одной из теоретических. В случае несовпадения кривых, интересующие параметы получают интерполированием. Индексы сопротивлений и глубин на палетке (крест палетки) отсекают на осях координат полевого бланка сопротивление верхнего слоя r₁ , и его мощность h₁.. По модулю m теоретической кривой зная r₁ легко получить r ₂: r ₂ = m r₁.

При интерпретации трехслойных полевых кривых их совмещают с теоретическими кривыми соответствующих типов и одинаковой формы. Добившись наиболее точного совмещения, по индексам на палетке- r₁, h₁ определяют модули n = h_{2 пр} / h₁ и m = r _{2 пр} /r ₁;. Отсюда легко получить приближенные значения мощности ( h_2пр = n h₁) и примерное сопротивление ( r_2пр = m r₁) второго слоя. При n > 5 -9 приближенные значения h_2пр мало отличаются от истинных, а при n < 3 отличия могут быть значительными.

Многослойные кривые также интерпретируют с помощью палеток, но точность при этом снижается. В последнее время для количественной интерпретации успешно используют ЭВМ: алгоритмами сравнения или подбора теоретической кривой, совпадающей с полевой по перебираемым параметрам r₁, h₁, r₂, h₂, r₃, h₃... находят варианты эквивалентных разрезов.

Решение обратной задачи злектроразведки неоднозначно, т.е. полевая кривая может совпадать с несколькими теоретическими, а значит может получаться несколько приближенных значений r_2пр, h_2пр, r_3пр... и т.д. иногда существенно отличающихся друг от друга. Для точного определения мощностей всех горизонтов важно знать их истинные сопротивления. Сопротивления промежуточных горизонтов определяют путем их измерения на обнажениях, в скважинах, горных выработках; иногда (при h₂ > 10 h₁) параметр r₂ можно определить точно. Получив любым способом сопротивления промежуточных горизонтов в одной или в нескольких точках, можно рассчитать мощность горизонтов по всем точкам ВЭЗ изучаемой площади. Формула для расчета мощности второго слоя имеет вид

h2 = ( n h1 / m r1 ) r2 ( для кривых типа Н и А ) или h2 = ( n h1 m r1) / r2

(для кривых типа К и Q). Здесь параметры h1, r1, n, m получены с помощью палеток,

а r ₂ определено экспериментально одним из указанных способов. Если r2, r3 известны точно, то погрешность интерпретации ВЭЗ и ДЭЗ не превышает 10 %.

По данным зондирований строят структурные карты по кровле опорного горизонта и карты мощностей различных слоев. Сопоставив их с геологическими данными можно проводить уточнение структурных геологических карт.

 

М е т о д з а р я д а

 

Метод заряда ( или метод заряженного тела) применяется для выделения и оконтуривания рудных тел с высокой электропроводностью на поисково-оценочной и разведочной стадиях, а также решения гидрогеологических задач, связанных с определением направления и скорости движения подземных вод. Один из питающих электродов заземляют в изучаемый рудный объект или опускают его ниже уровня подземных вод пересеченных одной скважиной. Второй электрод относят в бесконечность (на расстояние в 20 раз большее предполагаемых размеров тела), а измерения электродами MN проводят на исследуемой площади для определения положения эквипотенциальных линий, т.к. они будут отражать положение объекта, являющегося эквипотенциальным проводником (рис. 5.14). В гидрогеологическом варианте в скважину, вскрывшую водоносный горизонт, опускают мешок с солью, с которой связан один из электродов, второй электрод заземляют в бесконечности. Соль, растворяясь в воде, образует проводящее тело, размеры которого вначале приобретают шаровую форму, а со временем увеличиваются по направлению движения воды. Это дает возможность определить направление и скорость потока.

 

Рис. 5.14.

 

 

М е т о д ы н и з к о ч а с т о т н о г о э л е к т р о м а г н и т н о г о п о л я.

 

К этой группе относятся низкочастотные индуктивные методы, электромагнитное зондирование и магнитотеллурические методы, где изучаются электромагнитные поля, с частотой от единиц герц до первых десятков тысяч герц. Теория таких методов основана на уравнениях Максвелла, которые устанавливают связь между напряженностями электрического Е и магнитного Н полей, электрической D и магнитной В индукциями и плотностью j электрического тока. Методами низкочастотной электроразведки исследуют гармонически и ступенчато-изменяющиеся поля. Гармонические поля меняются по синусоидальному или косинусоидальному закону.

 

Если две величины гармонически меняются с одинаковой угловой частотой, то сдвиг фаз определяется разностью их начальных фаз; обычно начальную фазу тока в питающем устройстве принимают равной нулю, поэтому начальные фазы других величин, характеризующих поле, соответствуют сдвигу фаз относительно тока в источнике поля.

 

 

Рис. 5.15. Поле заряженного рудного тела Рис. 5.16. Определение направления и

1- рудное тело; 2- изолинии U, Б-батарея, скорости движения потока по одной

АВ-питающая линия, ИП-измерительный скважине. АВ - питающая линия, ИП-

прибор; MN-приемная линия. измерительный прибор; MN-приемная

линия. Б - батарея t₀, t₁, t₂ - эквипотенциаль-

линии, замеренные в разное время после

засолки скважины.

 

Структура и характер электромагнитного поля зависят от волнового числа k, которое выражается через абсолютные диэлектрическую e и магнитную m проницаемости, электропро

водность среды g и частоту поля w.

 

k = Ö ( w² e m + i g m w ). ( )?????

 

Величина k комплексная ( k = a + i b ); вещественной частью а определяется скорость распространения u = w/a и длина волны l = 2 p / a электромагнитных колебаний, мнимая часть b называется коэффициентом поглощения и характеризует глубину проникновения электромагнитного поля в среду.

В средах с высокой электропроводностью k практически не зависит от e, а изучаемые особенности определяются в основном токами смещения. При использовании частоты не превышающей 10 кГц для большинства горных пород влиянием токов смещения пренебрегают. Зависимость компонент поля от частоты называют частотной характеристикой компонент. Частотная характеристика позволяет извлекать информацию о физических параметрах изучаемых сред.

В большинство выражений, определяющих компоненты электромагнитного поля входит не само волновое число k, амодуль произведения k · r, где r- расстояние до источника поля. Этот модуль называют численным расстоянием или параметром Р низкочастотного поля: H = 2, 81· r Ö ( f /r), где f- частота в герцах, r- сопротивление в Ом м, r - в километрах. Величина kr определяет три зоны: ближнюю ¤ kr ¤ < < 1 , дальнюю ¤ kr ¤ > > 1, и промежуточную. В пределах различных зон компоненты электромагнитного поля ведут себя по-разному, и для конкретных значений r по специальным диаграммам можно определить значение kr. Все это можно определить и через длину волны l, тогда дальняя зона определяется при r > > l, ближняя при r < < l.

Ступенчато меняющиеся поля характеризуются тем, что до момента t = 0 существует постоянное по величине возбуждающее магнитное поле, которое исчезает при t ³ 0. Простейшие ступенчато меняющиеся поля возникают, если через заземленную линию или незаземленный контур пропускать ток I до момента t=0 и выключать его в момент t ¹ 0. В этом случае магнитное Н и электрическое Е поля, созданные в проводящих средах вблизи источника возбуждения, исчезают не сразу, а постепенно. Длительность процесса затухания зависит от электропроводнос-ти и размеров проводящих объектов; чем крупнее объект и чем выше его электропроводность, тем больше длится так называемый п е р е х о д н о й п р о ц е с с ( становление поля) а характер поля называют н е у с т а н о в и в ш е м с я или нестационарным.

Зависимость компонент неустановившегося электромагнитного поля от времени называют переходной характеристикой поля, она является основой информации о геологической среде.

 

И н д у к т и в н ы е м е т о д ы э л е к т р о р а з в е д к и.

⇐ Предыдущая234567891011Следующая ⇒

Поделиться: