Методы на основе неустановившегося электрического поля

Неустановившееся поле – поле переходных процессов, возникающих при ступенчатом изменении силы тока в источнике. Постоянный электрический ток пропускают через возбуждающие устройства гальванического (линия АВ) или индукционного (петля) типа. В момент включения или выключения тока резко изменяется магнитная индукция, в проводящей среде образуется вихревое переменное электромагнитное поле, структура и частотная характеристика которого непрерывно изменяется во времени и в пространстве.

Ранняя стадия – в частотном спектре высокие гармоники, вихревые токи концентрируются у поверхности.

Средняя стадия – высокочастотная часть поля затухает, (энергия поглощается средой), возрастает роль низкочастотных гармоник.

Поздняя стадия – поле выравнивается, токи равномерно распределяются в пространстве и их интенсивность зависит от суммарной продольной проводимости пород.

Основной параметр неустановившегося электрического поля – время (t).

Модификации ЭП носят название методов переходных процессов (МПП), основанных преимущественно на петлевых установках (индукционные рамки возбуждения и приема сигналов). Измерения выполняют на всех временных задержках (рис. 63).

Модификации ЭЗ основаны на явлении проникновения вихревых токов во все более глубокие горизонты с течением переходного процесса. Методы относятся к разряду глубинных и разделяются на зондирование становлением поля в дальней (ЗСД) и ближней (ЗСБ) зонах.

Рис. 63. Схема съемки для однопетлевого варианта МПП (а) и план отработанных

петель с нанесенными переходными характристиками (б)

А – переходная характеристика над аномальной зоной, Г – генератор, И - измеритель

ЗСД выполняют в дальней зоне, где преобладают линейные процессы распределения электромагнитного поля. Неустановившееся поле регистрируют в режиме включения тока. Применяется экваториальная установка, состоящая из питающего диполя AB (гальваническое возбуждение) и приемного контура q (индуктивный прием) при расстоянии между ними до 10-15 км. Разнос AB-q должен в два и более раз превышать глубину залегания основного опорного горизонта. Установка ЗСД, форма тока и кривая зондирования приведены на рис. 64.

Рис. 64. Установка ЗСД (а),

кривая зондирования (б)

У – усилитель, Р – регистратор,

q – приемная петля

ЗСБ основано на изучении неустановившегося поля в ближней зоне, когда преобладают процессы поздней стадии. Поле «выравнивается» и равномерно распределяется в разрезе. Наблюдения выполняют после выключения тока. Используют различные установки (рис. 65).

Рис. 65. Схемы установок ЗСБ: а) диполь-петля; б) петля-петля; в) петля в петле;

г) длинный кабель–петля; д),е) кривые кажущегося сопротивления ρ_τ

и кажущейся проводимости S_τ

Графики ρ_τ и S_τ используют для детализации геоэлектрического разреза и выделения в них проводящих слоев.

Методы на основе магнитотеллурического поля

Магнитотеллурическое поле - это естественное электромагнитное поле Земли, наблюдаемое на больших регионах в виде вариаций электрических и магнитных компонент. Источники первичного поля зарождаются в магнитосфере и ионосфере Земли под воздействием корпускулярного излучения солнца. У поверхности земли формируются на ограниченном пространстве квазиплоские волны, падающие по вертикали. Они возбуждают вихревые токи, глубина проникновения которых определяется частотой колебаний или периодом вариаций.

В электроразведке используют короткопериодные колебания (КПК). Изучают 5 компонент магнитотеллурического поля: E_x, E_y, H_x, H_y, H_z. Ось Х – вдоль простирания объектов. Об источнике поля сведений нет, поэтому используется относительный параметр – импеданс: Z=E/H. Основные импедансы: .

Кажущееся удельное электрическое сопротивление ρ_Т и фазу импедансов φ_Т рассчитывают по формулам:

, ,(57),

где a и b коэффициенты, зависящие от геоэлектрических условий.

Значения Ех, Еу, Нх, Ну, Т и ∆t снимают с графиков короткопериодных вариаций (рис. 66). Все операции компьютеризированы.

Рис. 66. Фрагмент записи

короткопериодных вариаций

Модификация ЭП, то есть магнитотеллурическое профилирование (МТП), заключается в измерении взаимно перпендикулярных составляющих E_x, H_x, E_y, H_y электрического и магнитного полей на земной поверхности. Диапазон периодов Т составляет 10–100 с, что соответствует квазигармоническим колебаниям с частотой f, равной 0.1–0.01 Гц. Глубинность оценивается по формуле:

(58),

где - продольное сопротивление среды,- длина волны.

Согласно формуле (58), МТП относится к разряду глубинных методов. Например, если Омм, то будет составлять порядка 3 км.

Последовательность работ МТП

Выполняются рекогносцировочные магнитотеллурические измерения в точках, равномерно распределенных по площади. Строится кривая рекогносцировочного магнитотеллурического зондирования (рис. 67).

Рис. 67. Кривая рекогносцировочного магнитотеллурического зондирования

S^I – расширенный диапазон S

Далее работы МТП проводятся или в диапазоне h или в диапазоне S. Время измерений 1–2 часа на каждой точке. Диапазон S используют для вычисления суммарной продольной проводимости S толщи пород до опорного электрического горизонта, например фундамента, а диапазон h для определения глубины горизонта с . Затем строят карты этого горизонта и карты равных значений S.

Модификация ЭЗ носит название магнитотеллурического зондирования (МТЗ). Его сущность заключается в одновременной регистрации компонентов магнитотеллурического поля E_x, E_y, H_x, H_y, H_z на поверхности земли и последующем спектральном анализе результатов измерений. В общем случае МТЗ – это индуктивное зондирование, основанное на использовании скин-эффекта. Глубина проникновения тока зависит от периода вариаций Т.

Измерительная установка состоит из 2-х взаимно перпендикулярных приемных линий M₁N₁ и M₂N₂ (датчики электрического поля) и трех магнитометров - вариометров H_X, H_Y, H_Z (датчики магнитного поля). Датчики электрического и магнитных полей располагают строго в соответствии с элементами залегания пород и тектоникой района. Наблюдения производят в отдельных пунктах по системе профилей. Возможны одновременные наблюдения в нескольких пунктах.

Обработка данных МТЗ производится с помощью специального программного обеспечения, включающего:

1. Узкополосную фильтрацию;

2. Выделение гармонических составляющих E_x, E_y, H_x, H_y, H_z для заданной последовательности периодов Т;

3. Вычисление импедансов , ,

4. Определение сдвига фаз между взаимно перпендикулярными составляющими E_x, H_y, E_y, H_x.

5. Вычисление кажущихся сопротивлений

, (59)

6. Построение графиков зондирования.

Интерпретация данных ЭП преимущественно качественная. Результаты оформляют в виде графиков характерных эффективных параметров (рис. 68).

Рис. 68. Графики ДЭМП над согласным тектоническим нарушением, развитым в угленосной толще

1 - тектонически нарушенная зона,

2 - песчаник, 3 - покровные отложения,

4 - известняк,

5 - аргиллито-алевролитовая толща,

6 – уголь

Наряду с графиками строят план-графики (сопоставление графиков и их корреляция по профилям) и карты этих параметров. Это позволяет составить представление о местоположении искомых объектов и их геометрических особенностях (простирание, падение, примерные размеры). В отдельных случаях возможна количественная интерпретация на основе функционально-аналитической зависимости между характерными точками на графиках аномалий и параметрами создающих их геологических объектов. Необходимое условие достоверности интерпретации данных ЭП - использование дополнительной геолого-геофизической информации.

Интерпретация данных ЭЗ включает анализ кривых зондирования, построение геоэлектрической модели (разреза) на основе решения прямой и обратной задач и геологическое истолкование результатов (трансформацию геоэлектрического разреза в геологический).

Первоначально по результатам полевых измерений строятся в билогарифмическом масштабе (по осям абцисс и ординат логарифмический масштаб с заданным модулем) кривые ЭЗ с последующей их качественной и количественной интерпретацией. Последняя представляет собой достаточно сложный процесс. Основной рабочей моделью служит трехслойный геоэлектрический разрез, согласно которому все кривые зондирования разделяются на четыре типа:

Рис. 69. Типы трехслойных кривых ЭЗ

Для этих типов составлены семейства кривых, которые называются палетками. Интерпретация выполняется в ручном варианте и в компьютерном режиме по программам 1D, 2D, 3D. В последнем случае обязателен диалоговый (интерактивный) подход. Процесс основан на методе подбора, т.е. сравнении теоретических (палеточных) кривых с наблюденными. Далее строится геоэлектрический разрез, трансформируемый в геологический (рис. 70).

Наилучшим образом интерпретация выполняется, когда ЭЗ выполнены в горизонтальнослоистых средах и когда суммарная толщина вышележащих слоев примерно в три раза меньше каждого последующего. Если это условие не соблюдается, то тонкие слои являются «прозрачными» и для их выявления требуются априорные, дополнительные сведения.

Рис. 70. Пример построения геоэлектрического разреза

1 — пески, 2 — песчано-глинистые отложения,

3 - глинистый конгломерат, 4 - гранит, 5 - бокситы, 6 - точки ВЭЗ

Область применения электроразведки

Электроразведка широко применяется при геологоразведочных работах на все полезные ископаемые. При этом различают:

1. Малоглубинную электроразведку, используемую в инженерной геологии, гидрогеологии, геоэкологии и др.

2. Глубинную электроразведку, которая прежде всего решает задачи структурной и нефтегазовой геологии, а также задачи рудных и угольных месторождений.

К наиболее глубинным методам электроразведки относятся ЧЗ, ЗСД, ЗСБ, МТЗ. Эти методы применяются как правило в комплексе с сейсморазведкой и глубоким бурением, при том, что сейсморазведка более точно отбивает геологические структуры, а электроразведка позволяет отличать нефтегазоносные толщи от водоносных пластов (в одном случае ρ высокое, а в другом ρ низкое).

• Проектное задание раздела 1-Г

1) Составить схему основных модификаций электроразведки и их разновидностей.

2) Раскрыть сущность электрических свойств природных сред и показать роль анизотропии удельного электрического сопротивлении и диэлектрической проницаемости. Описать модели электромагнитного поля (волновую, квазистационарнуюя и стационарную).

3) Дать толкование формирования в земной коре разных типов электромагнитных полей и составить представление о токах проводимости и смещения. Объяснить какой физический смысл имеют уравнения Максвелла и какие типы полей используются в электроразведке.

4) Показать способы возбуждения и приема сигналов электромагнитного поля. Объяснить как зависит распределение плотности тока с глубиной от расстояния между источником и точкой измерения и от частоты электромагнитного поля. Дать понятие эффективной глубины проникновения этого поля.

5) Составить реферат об особенностях электромагнитных зондирований с толкованием понятий прямой и обратной задачи электроразведки.

6) Начертить схемы и определить задачи, решаемые методами и способами электромагнитного профилирования.

7) Представить формы основных типов кривых электрических зондирований. Объяснить сущность палеточных и компьютерных способов обработки электроразведочной информации.

8) Дать определение ближней и дальней зон распространения электромагнитного поля при различных способах их возбуждения и приема.

9) Составить типовые блок-схемы генераторных и измерительных установок, используемых в электроразведке.

10) Объяснить сущность качественной интерпретации кривых электромагнитных зондирований.

11) Объяснить особенности переменного, гармонически изменяющегося поля, раскрыть его преимущества и недостатки.

12) Объяснить принципы создания неустановившегося электромагнитного поля в электроразведке.

13) Раскрыть сущность метода магнитотеллурического поля (МТП). Как определяется суммарная продольная проводимость в этом методе?

14) Объяснить при решении каких геологических задач применяются электроразведочные методы.

15) Составить реферат о нормативных требованиях техники безопасности при производстве электроразведочных работ.

• Тесты рубежного контроля раздела 1-Г

1.

Вопрос: Какие типы полей изучают в электроразведке?

Ответ: Нормальное и аномальное. Естественные и искусственные постоянные и переменные электромагнитные поля. Гармоническое, неустановившееся и магнитотеллурическое.

2.

Вопрос: На какие группы разделяются горные породы по электрическим свойствам?

Ответ: На электропроводящие и не проводящие электрический ток. На кристаллические (магматические и метаморфические) и осадочные (терригенные и хемогенные). На проводники, полупроводники и диэлектрики. На содержащие и не содержащие поровую влагу.

3.

Вопрос: Что понимается под количественной интерпретацией результатов электромагнитного зондирования?

Ответ: Определение местоположения слоев в геологическом разрезе. Определение толщин (мощностей) и удельных электрических сопротивлений пластов в точке зондирования. Построение геоэлектрического разреза. Изучение геологического разреза на глубину.

4.

Вопрос: Какие вы знаете модификации в электроразведке?

Ответ: Электромагнитное профилирование и электромагнитное зондирование. Методы на постоянном и на переменном токе. С гальваническим, индуктивным и смешанным возбуждением и приемом составляющих электромагнитного поля.

5.

Вопрос: Какие задачи можно решать магнитотеллурическими методами?

Ответ: Прямые и обратные. Изучение археологических объектов. Геоструктурные при поисках и разведке нефтяных и газовых месторождений, изучения рельефа кристаллического фундамента, границ раздела в земной коре. Выявление и картирование приповерхностных неоднородностей.

• Критерии оценки раздела 1-Г

Контрольная работа.

• Литература к разделу 1-Г

Основная:

1. Геофизика: учебник /Под ред. В.К. Хмелевского. - М.: КДУ, 2007. – С. 63-108.

2. Знаменский В.В. Общий курс полевой геофизики. Учебник. – М.: Недра, 1989. - С. 167-174, 202-207, 221-223.

3. Геофизические методы исследования. (Под редакцией В.К.Хмелевского). Учебное пособие. – М.: Недра, 1988. – С. 76-93, 122-133.

Дополнительная:

1. Электроразведка: пособие по электроразведочной практике для студентов геофизических специальностей. /Под редакцией проф. В.К.Хмелевского, доц. И.Н.Модина, доц. А.Г.Яковлева – М.: 2005. – С. 14-92, 114-266.

2. Матвеев Б.К. Электроразведка. Учеб. Для вузов. –2-е изд., перераб. и доп. – М.: Недра, 1990. – С. 28-102, 280-363.

3. Бондаренко В.М., Лумпов Е.Е., Лыхин А.А. Интерпретация геофизических данных. Учебное пособие. – М.: Из-во МГГА, 1993. С. 11-44.

4. Федынский В.В. Разведочная геофизика. Учебное пособие. – М.: Недра, 1967. – С. 401-403.

5. Якубовский Ю.В., Ренард И.В. Электроразведка: Учебник для вузов. М.: Недра, 1991. - 418 с.