- •1. Предмет и методы полевой геофизики
- •2. Гравиразведка
- •2.1. Сила притяжения и ее потенциал
- •2.2. Сила тяжести на поверхности Земли
- •Практическое задание № 1
- •2.3. Вторые производные потенциала силы тяжести и их физический смысл
- •Единицы измерения в гравиразведке
- •2.4. Изменение силы тяжести внутри Земли
- •2.5. Изменения гравитационного поля во времени
- •2.6. Нормальное поле силы тяжести
- •Нормальные значения вторых производных потенциала.
- •2.7. Методы измерений ускорения силы тяжести и устройство гравиметров
- •2.7.1. Классификация методов измерений
- •2.7.2. Динамические методы измерений силы тяжести
- •2.7.3. Статические методы измерений силы тяжести
- •Общее устройство кварцевых астазированных гравиметров.
- •Чувствительная система гравиметра.
- •Подготовка гравиметров к работе
- •2.8. Методика гравиметрической съемки
- •2.8.1. Общие положения
- •2.8.2. Опорная сеть
- •2.8.3. Рядовая сеть
- •2.8.4. Методика топо-геодезического обеспечения гравиметрических работ
- •2.9. Камеральная обработка данных съемки
- •2.9.1. Первичная обработка данных
- •9.2.2. Окончательная обработка
- •1. Поправка за высоту точки стояния прибора.
- •3. Поправка за влияние окружающего рельефа
- •2.10. Решение прямой и обратной задач гравиразведки
- •2.10.1. Способы решения прямой задачи.
- •2.10.2. Способы решения обратной задачи.
- •Практическое задание № 3
- •2.10.3. Построение контактной поверхности
- •Практическое задание № 4
- •Контрольные вопросы
- •3. Магниторазведка
- •3.1. Магнитное поле земли
- •3.1.1. Дипольное поле Земли и элементы вектора геомагнитного поля
- •3.1.2. Магнитосфера и радиационные пояса Земли
- •3.1.3. Структура геомагнитного поля
- •3.1.4. Вариации геомагнитного поля
- •3.1.5. Нормальное магнитное поле
- •3.1.6. Генеральная магнитная съемка и магнитные карты
- •Практическое задание № 5
- •3.1.7. Природа магнитного поля Земли
- •3.1.8. Элементы вектора Та
- •3.1.10. Условия и область применения магниторазведки
- •3.2. Магнетизм горных пород
- •3.2.1. Магнитные свойства минералов
- •3.2.2. Магнитные свойства горных пород
- •3.2.3. Палеомагнетизм и археомагнетизм
- •3.3. Способы измерения магнитногополя
- •3.3.1. Классификация способов измерений магнитного поля
- •3.3.2. Оптико-механические магнитометры.
- •3.3.3. Феррозондовые магнитометры.
- •Протонные магнитометры.
- •Квантовые магнитометры.
- •3.3.6. Индукционные и криогенные магнитометры.
- •3.4. Методика полевых работ и обработка полевых данных
- •3.4.1. Методика полевых магнитных съемок
- •3.4.2. Обработка данных магнитной съемки
- •3.5. Различие и взаимосвязь гравитационных и магнитных аномалий
- •3.5.1. Особенности гравитационных и магнитных аномалий
- •3.5.2. Определение величины и направления вектора намагничения геологических тел по наблюденным гравимагнитным аномалиям
- •Практическое задание № 6
- •Контрольные вопросы
- •4. Электрические методы разведки
- •4.1. Физико-геологические основы и классификация методов электроразведки
- •Метод сопротивлений
- •4.2.1. Нормальные поля точечных и дипольных источников
- •4.2.2. Электрическое профилирование (эп).
- •Над вертикальным пластом. Установка (в см) а2в6m2n.
- •4.2.3.Вертикальные электрические зондирования
- •Практическое задание № 7
- •Факторы, определяющие электрические свойства горных пород
- •Методы электрохимической поляризации
- •Метод естественного электрического поля
- •- Медный стержень; 2 – пробка; 3 – резиновая прокладка; 4 – пластмассовый корпус; 5 – пористый сосуд.
- •Практическое задание № 8
- •4.3.2. Метод вызванной поляризации
- •Электромагнитные и магнитотеллурические методы
- •Общие принципы электромагнитных зондирований.
- •Дистанционные и частотные зондирования
- •Магнитотеллурическое зондирование
- •Контрольные вопросы.
- •5.1.2. Устойчивое и подвижное радиоактивное равновесие
- •5.1.3. Единицы измерения радиоактивных величин.
- •5.2. Способы регистрации радиоактивных излучений
- •5.2.1. Газонаполненные детекторы излучения
- •5.2.2. Сцинтилляционные счетчики
- •5.2.3. Полупроводниковые счетчики
- •5.3. Основы полевой гамма-спектрометрии
- •5.3.1. Принцип раздельного определения u(Rа), Тh, к.
- •5.3.2. Факторы, влияющие на результаты γ-спектрометрии
- •5.3.3. Обработка и интерпретация материалов аэрогамма-съемки
- •5.3.4. Характеристика аэрогамма-спектральных аномалий
- •Контрольные вопросы.
- •6. ТерМические методы разведки
- •6.1. Физико-геологические основы терморазведки
- •6.1.1. Тепловые и оптические свойства горных пород.
- •6.1.2. Принципы теории терморазведки
- •6.1.3. Тепловое поле Земли
- •6.2. Аппаратура для геотермических исследований
- •6.3. Методика работ и области применения терморазведки
- •Контрольные вопросы
- •7. Возможности методов полевой геофизики при поисках нефтегазовых месторождений
- •7.1. Применение гравиразведки
- •1.Локальные структуры тектонического типа.
- •2.Локальные структуры аккумулятивного типа
- •7.2. Применение магниторазведки
- •7.2.1. Отражение месторождений углеводородов в региональном магнитом поле
- •7.2.2. Возможности магниторазведки при поисках залежей углеводородов.
- •Применение электроразведки для поисков нефтеперспективных объектов
- •7.3.1. Геоэлектрическая модель залежи углеводородов
- •7.3.2. Применение методов электроразведки для поисков нефтегазовых структур
- •Комплексирование методов полевой геофизики для поисков нефтеперспективных объектов
- •7.4.1. Физико-геологические модели залежей углеводородов
- •7.4.2. Комплексирование геофизических методов при нефтегазопоисковых работах.
- •Практическое задание № 9
- •Справочные сведения к выполнению работы.
- •4. Контрольные вопросы.
- •Литература
Метод сопротивлений
4.2.1. Нормальные поля точечных и дипольных источников
В методе сопротивлений исследуют электрическое поле источников постоянного или низкочастотного поля с целью получения информации о строении геоэлектрического разреза.
Первичное поле при работе методом сопротивлений создают совокупностью постоянных точечных или дипольных источников, располагаемых различным способом на поверхности земли, либо (реже) в скважинах или горных выработках. Под точечным источником обычно понимают такой источник поля, линейные размеры которого намного меньше расстояния от этого источника до точек, где исследуется поле.
Рис.4.3. Нормальное поле полусферического (а) и сферического (б) электродов.
1 – электрод; 2 – зеркальное отображение электрода; 3 – токовые линии; 4 – эквипотенциальные линии.
В большинстве методов сопротивлений в качестве информационого параметра поля используют его электрическую составляющую, хотя принципиально не исключена возможность исследования магнитного поля.
Если на поверхности однородного полупространства с удельным сопротивлением ρ расположить полусферический электрод, через который пропускается ток J, то при условии бесконечно малого сопротивления электрода по сравнению со средой, потенциалы всех точек электрода можно считать одинаковыми. Такой электрод принято называть эквипотенциальным. При этом токовые линии от электрода, распространяются радиально, по нормали к поверхности электрода (рис.4.3,а), а линии равного потенциала (эквипотенциальные линии) представляют собой полуокружности.
Для упрощения решения задачи о поле полусферического электрода обычно, используя метод зеркальных изображений, дополняют нижнее полупространство его зеркальным изображением в плоскости раздела земля – воздух (рис. 4.3, б) Тогда решение совпадает с решением задачи о поле сферического электрода, питаемого током 2J, расположенного в полном пространстве. При этих условиях задачу решают на основе уравнения Лапласа для потенциала U, которое из за сферической симметрии будет содержать только производную по расстоянию r:
(4.3)
Решением уравнения (4.3) в окончательном виде являются выражения для потенциала U и напряженности E нормального поля полусферического электрода:
, (4.4)
В эти выражения не входит значение радиуса полусферического электрода, что означает, что они справедливы и для точечного электрода.
Напряженность поля Е, удельное сопротивление однородной (изотропной) среды ρ и плотность тока j в последней связаны между собой законом Ома для объемных проводников:
, (4.5)
из чего следует, что в изотропной среде ориентировка векторов Е и j совпадает.
В случае однородной геоэлектрической среды нормальное поле двух точечных электродов приведено на рис. 4.4. Следует обратить внимание на то, что напряженность электрического поля Е в средней трети питающих электродов практически постоянна.
Рис.4.4. Электрическое поле двух точечных электродов: 1 – токовые линии, 2 – эквипотенциальные линии.
Потенциал в точке М от питающего электрода А в соответствии с выражением (4.4) определяется по формуле:
, (4.5)
где ρ – удельное электрическое сопротивление среды, I – величина тока, rAM – расстояние от питающего электрода А до точки измерения М.
Предположим, что на поверхности земли в точках А и В расположены заземления, через которые в землю от какого-либо источника поступает ток +I и -I. В разведочной геофизике обычно буквами А и В обозначают именно питающие заземления или электроды. Электрическое поле питающих заземлений можно исследовать, измерив разность потенциалов между двумя точками земли (М и N), в которые также помещены заземления (рис. 4.5.). Эти заземления обычно называются измерительными, или приемными.
Рис.4.5. Четырехточечная установка для измерения ρк .
Установим зависимость разности потенциалов U между измерительными электродами от тока в цепи питающих заземлений, полагая при этом, что земля однородна и обладает сопротивлением ρ. Очевидно, что потенциал точки М является суммой потенциалов, создаваемых питающими электродами:
(4.6)
Аналогично потенциал точки N
(4.7)
Из приведенных выражений можно определить разность потенциалов ΔUMN между измерительными заземлениями:
. (4.8)
Отсюда удельное сопротивление однородной среды, заполняющей нижнее полупространство
. (4.9.)
Если введем обозначение
, (4.10)
то для удельного сопротивления получим
. (4.11)
Коэффициент К в последнем выражении принято называть коэффициентом установки. Из формулы (4.10) очевидно, что он зависит только от взаимного положения питающих и измерительных заземлений. Взаимное положение питающих и приемных электродов в электроразведке называется установкой.
Поскольку, как это видно из рис. 4.4, в средней трети расстояния между питающими электродами А и В напряженность поля Е постоянна, то положение приемных электродов обычно выбирают в этой зоне, то есть обычно расстояние меду приемными электродами MN не превышает 1/3 расстояния между питающими электродами AB. Приближенно можно считать, что ΔUMN ≈ E, а значит разность потенциалов ΔU между приемными электродами прямо пропорциональна плотности тока между ними (см. формулу 4.5).
При однородной в геоэлектрическом отношении среде значение ρ будет равно истинному удельному электрическому сопротивлению среды, однако реальные геологические разрезы практически никогда не бывают геоэлектрически однородными, поэтому измеренное значение ρ будет равно некоторому эффективному значению сопротивления, которое называют кажущимся удельным электрическим сопротивлением ρк:
. (4.12)
Кажущееся сопротивление сложным образом зависит от расположения питающих и приемных заземлений, а также от характера геоэлектрического разреза. Его не следует понимать как параметр, усредняющий истинные удельные сопротивления пород, слагающих геологический разрез. В практике известны случаи, когда величина ρк выходит за пределы изменения истинных удельных сопротивлений.
Рис.4.6. Распределение токовых линий в геологической среде, при наличии: а – проводящего объекта; б – непроводящего.
Если в однородной среде с удельным сопротивлением ρ1 находится какое-либо хорошо проводящее геологическое образование (например, рудная залежь), то распределение тока, поступающего в землю через электроды А и В, будет отличаться от такового для однородной среды. Ток будет отжиматься к поверхности залежи, что вызовет уменьшение плотности тока j вблизи приемных электродов MN и, соответственно, уменьшение ρк (рис.4.6, а).
Наличие в геологическом разрезе плохо проводящего объекта приводит к возрастанию плотности тока j вблизи земной поверхности, т. е. к увеличению плотности тока в области приемных электродов и, значит к увеличению ρк (рис. 4.6, б). В данном примере ρк > ρ1. В случае же однородной среды ρ к = ρ. Это соотношение следует из самого способа введения параметра ρк.
Важным принципом в электроразведке методом сопротивлений является принцип взаимности, означающий, что если поменять местами питающие и приемные электроды, то значение ρк при этом не изменится.
Кроме точечных, в электроразведке зачастую применяют дипольные источники тока. Дипольным источником называется совокупность двух разнополярных равных точечных источников, удаленных друг от друга на малое расстояние по сравнению с расстоянием до точки наблюдения (рис. 4.7). Из теории поля известно, что в однородной среде с удельным сопротивлением ρ поле диполя определяется выражением:
, (4.13)
где θ – угол между осью диполя и направлением на точку измерения М, r – расстояние от центральной точки оси диполя до точки М, Р – момент диполя с расстоянием между его полюсами , равный:
. (4.14)
Рис. 4.7. Силовые линии поля электрического диполя.
При расположении диполя на поверхности полупространства (земли), его момент увеличивается вдвое:
. (4.15)
При этом соответственно радиальная Er и азимутальная Eθ составляющие напряженности поля диполя равны:
, . (4.16)
Полное значение напряженности поля в точке М определится:
. (4.17)
На оси диполя при θ = 0 E = Er = 2P/r3 , а в экваториальной плоскости при θ=900 E = Eθ =P/r3.
Таким образом, для поля диполя можно сделать два важных в электроразведке вывода:
На оси диполя его поле вдвое интенсивнее, чем в экваториальной плоскости, поэтому чаще всего применяют осевые дипольные установки.
Напряженность поля диполя убывает обратно пропорционально кубу расстояния до источника, то есть быстрее, чем поле точечного источника, поэтому при использовании дипольных источников поля по сравнению с точечными требуется больший ток.
Наблюдаемое в процессе полевых работ электрическое поле может быть разделено на нормальное поле, соответствующее однородному полупространству и рассмотренное выше, а также аномальное поле, создаваемое зарядами, индуцированными на поверхностях раздела сред с различным сопротивлением, а также объемными зарядами, существующими в областях, в которых сопротивление меняется непрерывно. Именно аномальное поле несет в себе информацию о геологическом строении исследуемой площади.
Приемы выделения из суммарного поля аномальной части различны. В некоторых методах из наблюденного поля вычитают теоретически рассчитанное нормальное поле и полученную таким образом аномальную составляющую подвергают интерпретации.