3.7 Методи електророзвідки змінним струмом низької частоти

Електророзвідка змінним струмом відрізняється різноманіттям методів і способів проведення робіт, що пояснюється широким діапазоном вживаних частот змінного струму (від часток герц до мільйонів герц) і відмінністю способів збудження і прийому електромагнітної енергії. Методи змінного струму можна підрозділити на низькочастотні і високо­частотні.

До низькочастотних методів електророзвідки відно­сяться методи, в яких використовуються інфранизкі, низькі і середні частоти (від 0,01 гц до 10000 гц). У низькочастотній елек­тророзвідці порушувати і виміряти поле можна, як гальванічним шляхом як це робиться при електророзвідці постійним струмом, так і індуктивним способом.

При гальванічному збудженні через електроди - заземлителі вводиться змінний електричний струм, що створює в землі первинне поле, яке порушує в провідному середовищі вторинне, індукційне електромагнітне поле.

При індуктивному збудженні поля по рамці або петлі з про­водом пропускається змінний електричний струм, що створює у землі змінне магнітне поле. Останнє індуцірує у про­водящому середовищі вторинні електричні струми. Сумарне поле (первинне і створене вторинними струмами) можна зміряти на поверхні землі або гальванічним шляхом, або індуктивним. Індуктивний спосіб збудження і вимірювання поля має перевагу у порівнянні з гальванічною, оскільки відсутне заземлення.

Приймальними пристроями вимірюється або сумарне електри­чне поле за допомогою електродів-заземлителей або сумар­не магнітне поле за допомогою індукційних пристроїв або різних рамок. Рамкою, на якій намотаний дріт, вимірюється компоненту магнітного поля, перпендикулярна її площині. Перевагою методів змінного струму в порівнянні з ме­тодами постійного струму є і те, що крім амплітудних значень можна виміряти фазові зсуви.

При електророзвідці змінним струмом використовуються гармо­нічні поля, що змінюються в часі з круговою часто­тою. Структура і характер векторів і їх фаз над різними геологічними об'єктами різна, тому, виміряючи ці чотири параметри (на постійному струмі вимірюється лише амплітудне значення), можна однозначно а значить більш надійно провести інтерпретацію.

Недоліком електророзвідки змінним струмом є менша глибинність в порівнянні з постійним струму. Чим ви­ще частота, тим менше глибина проникнення струму. Це пояснюється явищем, схожим з скин-ефектом, тобто віджимання струму до поверхні провідника (поверхні Землі), так і збільшенням поглинання енергії із зростанням частоти. Так, при частотах порядку 1 гц глибинність розвідки порядку кілометра при частотах в декілька тисяч герц - порядку перших сотень метрів.

Перешкодою для широкого упровадження методів низькочастот­ної електророзвідки є складність апаратури, теорії і інтерпретації в порівнянні з методами постійного струму. Розглянимо основні методи низькочастотної електророзвідки: природні (магнітотелурічні) і штучні (частотні) електромагнітні зондування і індуктивні методи.

3.7.1 Магнітотелурічні методи

Магнітотелурічнимі називаються природні змінні електромагнітні поля частотою від сотих часток герца до декількох десятків герц, спостережувані практично одночасно у земній корі в межах значних регіонів. Походження магнітотелурічних полів пояснюється впливом на іоносферу Землі потоку заряджених частинок Сонця. Варіації магнітотелурічного поля, тісно пов'язані з варіаціями магнітного поля Землі відбуваються одночасно і залежать від однієї причині корпускулярного опромінювання Сонця. Періодичні (11-річні), річні, добові варіації магнітного поля Землі і магнітні бурі викликають відповідні зміни магнітотелурічного поля.

Магнітотелурічне поле складається з електричної компоненти, яка пов'язана з телурічними (земними) струмами, і магнітної компоненти, зобов'язаної варіаціям магнітного поля. Якщо до двох заземлених на відстані в декілька стільників метрів електродам MN підключити електророзвідувальний осцилограф і автоматично записати зміну природних потенціалів, то вийде телурограма. Магнітну компоненту можна виміряти за допомогою чутливого магнітометра.

Залежність магнітотелурічного поля від часу носить різний характер. Бувають періодичні коливання з періодом від часток секунди до декількох хвилин, коли обурення стійкі. Іноді записи носять імпульсний характер іноді взагалі тривалий час напруження ні. Магнітотелурічні дослідження проводяться за допомогою спеціальних станцій, змон­тованих на автомашинах (наприклад, станції телурічних струмів СТТ-59, МТЛ-63 і ін.). Ці станції мало чим відрізняються від вимірювальних лабораторій електророзвідувальних станцій постійного струму. Марки часу записуються на фото стрічці за допомогою третього гальванометра, що підключається до особливого приладу – телевимикачу.

Телевимикач разом з радіостанцією служать для прийому сигналів точного часу, синхронізації роботи декількох станцій і подачі на телурограму марок часу тривалістю по 5 сек. Як і в методах опору на постійному струмі, при зйомці телуричних полів розрізняють магнітотелуричне зондування (МТЗ), магнітотелуричну профілізацію (МТП) і зйомку телуричних струмів (МТТ).

Єство магнітотелуричних зондувань полягає в дослідженні залежності від періоду (частоти) поля. Глибина проникнення електромагнітного поля в землю тим більше, чим менше частота або більше період коливань. Іншими словами довгоперіодні «телурики» проникають на велику глибину і несуть в собі інформа­цію про глибинну будову, а короткоперіодні варіації про­никають на невелику глибину і характеризують верхні частини геологічного розрізу.

Методика МТЗ зводиться до тривалих вимірювань на одній крапці двох компонент магнітотелуричного поля, різного періоду (не менше 5 - 8 компонент, відмінних по періоду приблизно в 1,5 рази). В результаті на бланках ВЕЗ з логарифмічним мас­штабом по осях координат будується крива МТЗ.

По горизонтальній осі відкладається величина, пропор­ційна глибинності дослідження (більше Т, більше гли­бина розвідки), а по вертикальній осі – уявний опір. Крапки МТЗ розташовуються або за окремими профілями або рівномірно за площею, що вивчається. Відстані між ними можуть мінятися від одного до декількох кілометрів.

Інтерпретація кривих МТЗ в основному кількісна, в складних умовах - якісна. Кількісна інтерпретація кривих МТЗ проводиться шляхом порівняння польових кривих з теоретичними кривими зібраними в палетки магнітотелу­ричного зондування. В результаті інтерпретації виходять опори і потужності окремих горизонтів.

Як і при електричних зондуваннях, інтерпретація багатошарових кривих МТЗ неоднозначна і для точного визначення потужності необхідно з'ясувати зна­чення опору. Якнайкращі результати виходять якщо на вівчаємій ділянці є опорні свердловини або сейсмічні розрізи. Магнітотелуричне зондування служать для вивчення горизонтально шаруватих розрізів (кути падіння шарів менше 15°) і застосовуються для картування структур, вивчення гли­бини залягання кристалічного фундаменту, розчленовування геологічних розрізів. Звичайно глибинність МТЗ складає дещо кілометрів. Проте вивчаючи сверхдовгоперіодні магнітотелуричні поля, можна досягти будь-кого глибинності. Є досліди за визначенням методом МТЗ потужності земної кори і виявленню окремих провідних шарів в мантії на глибинах декількох стільників кілометрів.

У порівнянні з ДЕЗ МТЗ має наступні переваги: при МТЗ не потрібні генераторні установки, можна вивчати розріз під шарами-ізоляторами (оскільки ізолятори, завдяки явищу індукції, не є перешкодою для магнітного поля) вище продуктивність і нижче вартість робіт. Проте іноді поле спокійно протягом декількох діб і роботи проводити не можна.

Єство магнітотелуричної профілізації (МТП) і методу телуричних струмів (МТТ) зводиться до дослідження залежностей періоду або одночасних варіацій векторів в різних крапках. При МТП виміряючи за розвідуванню площею або профілем одного періоду, ми вивчаємо геоелектричний розріз однієї глибинності, точно так, як і це робиться при елек­тропрофіліруванні, причому роль рознесення живлячих електродів грає період коливань. Графіки і карти інтерпретують якісно, тобто виділяють максимуми, відповідні підня­ттю фундаменту (або взагалі високодумних порід), мінімуми, якими наголошуються прогинання фундаменту і ділянки збільшення потужності осадових порід оцінюють розміри і простягання структур.

МТП проводиться швидше МТЗ, оскільки при МТП вимірюються «телурики» однієї частоти. Спрощеною модифікацією МТП, давно що застосовується в практиці геофізи­чної служби, є зйомка телуричних струмів (МТТ) при якій проводиться одночасне вимірювання варіацій електричної компоненти поля на базовій (опорної) точці і на всіх пунктах площі, що вивчається.

Графіки і карти телуропараметрів служать для вивчення геоелектричного розрізу: області підви­щених значень телуропараметру відповідають підняттям високоомного опорного горизонту (наприклад, підняття фундаменту) і, навпаки, мінімумам - прогинання.

МТП і МТТ застосовуються для вивчення структур з кутами па­діння більше 3 - 5° і вирішують задачі геолого-структурних досліджень (вивчення кристалічного фундаменту, картування високоомних горизонтів, виявлення нафтогазоносних структур). Для визначення глибин залягання структур магнітотелуричнії профілізації слід поєднувати з МТЗ або ДЕЗ.