3. Электрические зондирования

В ходе краткого курса лекций и лабораторного практикума по электроразведке в Москве студенты познакомились с методом вертикального электрического зондирования (ВЭЗ) в его традиционном (классическом варианте). Напомним основные положения ВЭЗ.

Метод ВЭЗ предназначен для изучения горизонтально-слоистых сред (или полого-залегающих сред с углами наклона не более 15-20). Для ВЭЗ обычно используется симметричная четырехэлектродная установка Шлюмберже. На каждом разносе измеряются значения тока в AB и напряжения в линии MN по которым вычисляется _к. Основная идея ВЭЗ - чем больше разнос установки, тем больше глубина исследования. Идея основана на законе распределения плотности тока с глубиной. Плотность тока, точнее ее горизонтальная составляющая J_x в середине разноса AB меняется с глубиной z относительно плотности тока на поверхности J_x0 по следующему закону:

Рис.3.1. Изменение плотности тока с глубиной для трех разносов R.

На поверхности земли (z=0) плотность тока будет максимальной, а с глубиной она убывает (рис.3.1). Для увеличения плотности тока на какой-то глубине, а значит для увеличения глубины исследования, необходимо увеличить разнос R. В среднем глубину исследования метода ВЭЗ можно оценить как 1/3 R. Если интересующая нас граница находится на глубине H, то максимальный разнос для ее надежного обнаружения должен быть не менее 3H. При этом начальный разнос обычно не связывают с глубиной этой границы, а берут равным 1-1.5 м. Малые разносы нужны для определения свойств слоев выше интересующей нас границы, что необходимо для интерпретации всей кривой ВЭЗ.

Традиционная методика ВЭЗ состоит в следующем: В центре зондирования располагают линию MN, приборы, катушки для разноса питающих электродов. В процессе зондирования питающие электроды разносят по прямой линии симметрично относительно центра установки, так чтобы разносы возрастали в геометрической прогрессии с коэффициентом 1.2-1.5. Геометрическая прогрессия при построении кривой зондирования на билогарифмическом бланке дает равномерный шаг точек на кривой. Разнос приемных электродов MN не должен превышать 1/3 минимального разноса AB. Когда с ростом разносов AB измеряемый сигнал убывает и приближается к пределу чувствительности прибора, то линию MN следует увеличить. Сегменты кривой ВЭЗ для разных длин MN измеряют с некоторым перекрытием. Несовпадение этих сегментов называют "воротами". Точки ВЭЗ располагают по отдельным профилям или равномерно по площади. Чтобы избежать случайных ошибок при выполнении ВЭЗ обычно по результатам измерений сразу рассчитывают _к и наносят очередную точку на график, контролируя гладкость кривой ВЭЗ. Кривые ВЭЗ интерпретируют с помощью наборов теоретических кривых, собранных на отдельных листах - палетках, или на ЭВМ. При интерпретации важно правильно оценить по виду кривой ВЭЗ число слоев и соотношение сопротивлений в разрезе. Для этого кривую ВЭЗ сравнивают с трехслойными модельными кривыми (рис.3.2), названными буквами K, H, Q, A.

Рис.3.2. Основные типы трехслойных кривых ВЭЗ

Как правило интерпретация ВЭЗ нуждается в дополнительной информации о разрезе: числе слоев, сопротивлениях и мощностях отдельных слоев. Искусство интерпретатора состоит прежде всего в умении собрать и использовать дополнительную геологическую информацию. Количество слоев, выделяемых на кривой ВЭЗ, может не совпадать с геологически известным числом слоев в разрезе. Отдельные группы слоев могут не различаться по электрическим свойствам. Физические границы (уровень грунтовых вод, выветривание) могут увеличивать видимое на ВЭЗ число слоев. С учетом геологической ситуации на первом этапе интерпретации осуществляется идентификация геоэлектрических горизонтов и их привязка к определенным слоям. После этого уже выполняется количественная интерпретация.

Практика интерпретации ВЭЗ показала, что более качественных результатов можно добиться применяя групповую интерпретацию ВЭЗ. Ее принципы можно сформулировать в следующем виде:

1) Количественной интерпретации должен предшествовать этап качественного анализа данных ВЭЗ и их сопоставления с имеющейся дополнительной (в том числе геологической) информацией о разрезе.

2) Последовательность интерпретации - от простых кривых к более сложным, от точек с известным разрезом к менее известным, от однозначно интерпретируемых к эквивалентным, от менее искаженным к более искаженным.

3) Когда это возможно, интерпретация проводится с закрепленными параметрами слоев (обычно сопротивлением), что уменьшает пределы действия эквивалентности.

По результатам интерпретации ВЭЗ строят геоэлектрический разрез (ГЭР). По горизонтали при построении ГЭР откладывают расстояния по профилю наблюдений, по вертикали - глубину. В каждой точке ВЭЗ от поверхности земли откладывают мощность первого слоя, от нее вниз - мощность второго и т.д. При объединении результатов интерпретации каждой точки ВЭЗ в ГЭР соединяют слои с близкими значениями сопротивлений, учитывая при этом и имеющуюся дополнительную информацию о строении среды.

После 1991 г. во многих странах на смену традиционным электрическим зондированиям пришла новая методика, впервые использованная в России А.А.Либерманом и В.К.Хмелевским и получившая в МГУ название "сплошных электрических зондирований" - СЭЗ. Методика отличается от ВЭЗ высокой плотностью наблюдений и более надежными геологическими построениями. Разносы ВЭЗ возрастают в геометрической прогрессии в соответствии с принципом зондирования. Разносы СЭЗ возрастают в арифметической прогрессии с постоянным (линейным) шагом, к тому же равным шагу зондирований по профилю. (Примечание. Для регистрации начальной ветви кривой зондирования в СЭЗ иногда применяют более частый шаг роста малых разносов, логарифмический или линейный.) Точки ВЭЗ размещают по профилю с линейным шагом, но не связанным с сеткой разносов ВЭЗ. У СЭЗ шаг по профилю жестко связан с сеткой разносов. Для ВЭЗ обычно используется установка Шлюмберже, для СЭЗ двухсторонняя трехэлектродная установка AMN+MNB. Основной формой представления ВЭЗ является кривая зондирования, а СЭЗ - разрезы _к. Два основных разреза _к для установок AMN и MNB дополняются системой трансформаций (V, D, G, Z, X) позволяющих на разрезах увидеть проявление геологических помех и глубинных структур. Система наблюдений, применяемая в СЭЗ позволяет превратить искажения от приповерхностных неоднородностей из случайных (для ВЭЗ) в регулярные. С регулярной помехой легче бороться, поэтому в СЭЗ разработаны эффективные системы подавления геологических помех, использующие свойство регулярности их проявления (программы Median и MPC). При профильных работах с установкой AMN+MNB за направление профиля принимается направление от меньших к большим номерам пикетов. Установкой AMN считается установка с питающим электродом, движущимся в сторону начала профиля, а MNB - в сторону конца профиля.