Теоретические и экспериментальные исследования возможностей некоторых компенсационных установок и методика их применения в индукционной электроразведке тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.10, кандидат технических наук Чистосердов, Борис Михайлович

• Чистосердов, Борис Михайлович
• кандидат технических наук
• 2008

Оглавление диссертации кандидат технических наук Чистосердов, Борис Михайлович

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА

ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДИЧЕСКИХ ВОПРОСОВ ПРИМЕНЕНИЯ ДВУХПЕТЛЕВОЙ ИНДУКЦИОННОЙ УСТАНОВКИ В

ЭЛЕКТРОРАЗВЕДКЕ

1.1. Основы измерений двухпетлевой установкой

1.2. Определение параметров горизонтально слоистого разреза

1.3. Экспериментальное опробование способа определения параметров горизонтально слоистого разреза.

1.4. Профилирование двухпетлевой установкой над аномальным объектом.

1.5. Двухпетлевое частотное зондирование над аномальным объектом

1.6. Результаты частотного зондирования на Чусовском месторождении и на Бобровской аномалии

1.7. Выводы.

ГЛАВА

ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДИЧЕСКИХ ВОПРОСОВ ПРИМЕНЕНИЯ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЙ ИНДУКЦИОННОЙ УСТАНОВКИ В

ЭЛЕКТРОРАЗВЕДКЕ

2.1. Варианты дифференциальных установок

2.2. Профилирование с дифференциальной установкой.

2.3 Вертикальное зондирование дифференциальной установкой.

2.4. Выводы.

ГЛАВА

КВАДРУПОЛЬНАЯ» УСТАНОВКА ДЛЯ ВЕРТИКАЛЬНОГО

ИНДУКЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ

3.1. Описание установки

3.2. Компенсация в точке измерения вторичного магнитного поля, создаваемого верхними слоями разреза

3.3. Вывод

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Теоретические и экспериментальные исследования возможностей некоторых компенсационных установок и методика их применения в индукционной электроразведке»

При индукционном зондировании Земли неизбежно возбуждаются как вмещающая среда, так и исследуемые аномальные объекты. Измеряемое вторичное магнитное поле также содержит отклик, возбуждаемый во вмещающей среде (нормальное магнитное поле) и в аномальном объекте (аномальное магнитное поле), поэтому эффективность зондирования зависит от относительного вклада в измеряемый сигнал нормальной и аномальной части вторичного электромагнитного поля. В практике зондирований постоянно встречаются ситуации (например, аномальный объект находится на большой глубине или перекрыт сверху слоем с повышенной электропроводностью), когда величина аномального магнитного поля мала по сравнению с нормальным магнитным полем. В этом случае обнаружение искомого объекта становится затруднительным или вообще невозможным. Как следствие создавшейся ситуации в геофизике появилось понятие «эквивалентных разрезов» [11], для которых кривые зондирования зачастую отличаются лишь в пределах погрешности полевых измерений. Для исправления ситуации целесообразно увеличить относительный вклад аномальной части магнитного поля в измеряемый сигнал. Техническое решение этой задачи может быть выполнено с помощью компенсационных методов, разработке и исследованию которых посвящена данная работа.

В электроразведке широкое распространение получили индукционные методы, среди которых наиболее часто используется метод переходных процессов (МПП) и дипольный метод (ДМ). С помощью Ml 111 разведано большинство колчеданных месторождений на Южном Урале, в то же время ДМ получил несколько меньшее развитие, хотя физические основы МПП и ДМ считаются одинаковыми. Кратко перечислим основные достоинства и недостатки обоих методов.

Основная особенность МПП состоит в том, что параметры разреза определяются по кривой переходного процесса, протекающего в Земле [20].

Однако для регистрации переходного процесса, содержащего широкий спектр частот, требуется широкополосное приемное устройство, что ведет к известным трудностям в обеспечении нужной помехозащищенности при наличии промышленных помех. К достоинствам МПП следует отнести тот факт, что максимальный аномальный сигнал наблюдается над центром аномального тела, т.е. возбуждение аномального объекта и регистрация аномального сигнала осуществляются на кратчайшем расстоянии. Вследствие симметрии установки МПП точка записи совпадает с центром установки.

В последнее время ведутся поиски более мелких месторождений в районах, прилегающих к освоенным рудным полям. При этом основным поисковым методом остался метод переходных процессов, который себя хорошо зарекомендовал при проведении разведочных работ в районах, слабо освоенных в промышленном отношении. Однако, в настоящее время из-за большего количества на исследуемой территории линий электропередач (ЛЭП) для получения качественных результатов приходится использовать как мощные источники магнитного поля, так и новейшие методы фильтрации помех. Использование мощных источников нередко приводит к возбуждению нескольких аномальных объектов, для выявления которых требуется проведение детализации. Все это значительно удорожает производство электроразведочных работ.

Метод дипольного индукционного зондирования основан на возбуждении в исследуемой среде переменного магнитного поля определенной частоты с помощью магнитного диполя (чаще всего это вертикальный магнитный диполь) [1, 4, 5, 6, 28, 33, 34, 55]; измерения производятся на некотором расстоянии от источника магнитного поля. Наличие монохроматического первичного поля позволяет при измерении аномального сигнала использовать резонансные методы, в результате чего добротность измерительного тракта может достигать величины от нескольких сотен (на низких частотах) до нескольких десятков тысяч на высоких частотах. Большие значения добротности измерительного тракта позволяют проводить измерения вблизи таких мощных источников помех, как, например, линии электропередач. Однако чувствительность дипольного метода существенно ниже по сравнению с Ml 111. Это вызвано тем, что в дипольном методе аномальный объект выявляется наилучшим образом тогда, когда он находится между источником первичного поля и измерительным устройством. В этом случае интенсивность возбуждения аномального объекта меньше по сравнению с МПП, так как расстояние между источником и аномальным объектом больше. Точно также вторичное магнитное поле в дипольном методе измеряется на расстоянии, которое всегда больше расстояния, на котором измеряется аномальное магнитное поле в МПП.

К недостаткам дипольного метода следует отнести также неопределенность точки записи.

При поисках аномально проводящих объектов обнаружить их можно только тогда, когда профиль пройдет в непосредственной близости от аномального объекта. Процедура поисков может быть значительно упрощена, если наряду с обычными методами профилирования используются также методы, позволяющие определять горизонтальную проекцию направления на объект. Тогда по измерениям на профиле, проходящем в стороне от объекта, можно приближенно оценить положение проекции аномального объекта на дневную поверхность.

При интерпретации экспериментальных данных, полученных при картировании аномального объекта конечных размеров, очень часто используют приближение слоистой среды для получения параметров некоего эффективного разреза. Вблизи границ аномального объекта это приближение оказывается очень грубым, поэтому параметры границы аномального объекта в плане находятся с большими ошибками. Поскольку в настоящее время отсутствует аналитическое решение задачи о форме поверхности аномальных тел, приходится задавать приближенную модель аномального объекта, положение вертикальных границ которой определяется по экспериментальным данным. Для этих целей наибольший эффект дает использование дифференциальных установок [9, 15, 17, 18, 21, 22, 30, 31, 32], которые предназначены для регистрации пространственных изменений удельного сопротивления аномального объекта.

Таким образом, актуальность работы определяется необходимостью: a) повысить чувствительность исследуемых установок при измерении магнитного поля, возбуждаемого в неоднородной геосреде контролируемым источником; b) создать установки, позволяющих повысить эффективность обнаружения проводящих объектов, расположенные в стороне от профиля геоэлектрических наблюдений; c) разработать способы определения положения границ аномального объекта в плане с использованием только экспериментальных данных.

Учитывая упомянутые выше требования к методике измерений, можно сформулировать цель работы следующим образом.

1. Создание измерительных установок, обладающих не только высокой добротностью, но и высокой чувствительностью, которая позволяла бы выделять аномальные объекты даже в том случае, когда они сверху перекрыты наносами с повышенной электропроводностью.

2. Разработка методики измерений, позволяющих выявлять объекты, расположенные в стороне от профиля.

3. Создание измерительных установок, позволяющих определять положение в плане вертикальных границ аномальных объектов.

Повышения чувствительности измерений невозможно добиться без относительного уменьшения влияния на измеряемый сигнал нормального магнитного поля, генерируемого верхними слоями разреза. Один из возможных путей решения этой задачи - вертикальная фокусировка первичного (или нормального) магнитного поля, другой путь-использование дифференциальной установки, с помощью которой регистрируются только аномальные поля объектов.

Основные задачи

1. Выбор конструкции установок, позволяющих уменьшить влияние верхних слоев разреза на измеряемый сигнал.

2. Теоретическое обоснование применимости предлагаемых установок для горизонтально слоистых сред.

3. Расчеты профильных кривых и кривых частотного и дистанционного зондирования для разрезов, содержащих аномальные объекты с пониженным электрическим сопротивлением.

4. Экспериментальное опробование разработанных методов.

Научная новизна исследований

1. Предложен способ прецизионной компенсации первичного магнитного поля, создаваемого индукционной двухпетлевой установкой (патент № 2230341).

2. Показано, что для повышения чувствительности измерительной установки целесообразно использовать фазочувствительные измерения, по результатам которых строится кривая частотной зависимости кажущегося сопротивления отдельно по реальной и мнимой частям измеренной компоненты магнитной индукции; для определения типа разреза целесообразно использовать частотную зависимость кажущегося сопротивления, рассчитанного по реальной части измеренного сигнала.

3. Разработана методика расчета параметров двух- и трехслойного разреза, основанная на экспериментальном определении количества слоев в разрезе с последующим численным решением системы уравнений, что позволяет определять электрофизические параметры среды без использования процедуры подбора.

4. Показана целесообразность использования двухпетлевой установки при вертикальном зондировании среды, что позволяет выявлять аномальные объекты, обладающие повышенной электропроводностью, на глубинах, соизмеримых с размерами установки.

5. Предложена индукционная «квадрупольная» установка, позволяющая существенно уменьшить экранирующее влияние верхних слоев разреза (патент №2310214).

6. Показана перспективность использования дифференциальной индукционной установки при определении положения вертикальных границ исследуемого объекта (для профилей, проходящих над объектом) и для определения положения центра объекта в плане (для профилей, проходящих в стороне от объекта).

Выделяя основополагающие из полученных результатов, сформулируем следующие защищаемые научные положения:

1. Впервые разработана и экспериментально опробована методика прецизионной компенсации первичного магнитного поля, создаваемого двухпетлевой индукционной установкой. Данная методика позволяет визуально контролировать процесс компенсации по измерительному прибору, в результате чего в точке измерения первичное магыитное поле может быть плавно снижено до уровня помех (патент № 2230341).

2. Впервые предложен способ определения типа разреза, основанный на построении частотной зависимости кажущегося сопротивления, рассчитанного по реальной части измеряемой компоненты магнитной индукции. Применение этого способа позволяет по результатам частотного зондирования качественно определить порядок чередования в изучаемом разрезе слоев с повышенным и пониженным сопротивлением.

3. Впервые предложена и теоретически обоснована «квадрупольная» электроразведочная установка, позволяющая существенно снизить влияние верхних слоев разреза на измеряемый сигнал, в результате чего появляется возможность выявлять слои в разрезе, перекрытые наносами повышенной электропроводности (патент № 2310214).

Практическая ценность и реализация результатов исследования

Для выявления глубоко залегающих аномальных объектов с использованием дипольной установки требуются разносы, превышающие глубину залегания аномального объекта. При таких разносах часто оказываются возбужденными несколько аномальных объектов, для выявления которых требуется большой объем детализационных работ. В таких ситуациях целесообразно использовать рассмотренные в данной диссертации двухпетлевую и «квадрупольную» установки, позволяющие обнаружить объект на глубинах, соизмеримых с размерами установки.

Разработанные способы измерений вторичного магнитного поля позволяют при профилировании в стороне от аномального объекта определять положение центра проекции объекта на дневную поверхность.

Дифференциальная установка может быть использована при поисках мест фильтрации отходов промышленного производства. С её помощью прямыми измерениями можно выявить положение вертикальных границ тектонически нарушенных, водопроницаемых пород, по которым происходит фильтрация загрязненной воды из отстойника. Аналогичным образом с использованием дифференциальной установки устанавливается положение вертикальных границ при изучении зон просачивания воды сквозь тело плотины.

Разработанные способы измерений магнитной индукции и методика построения частотной зависимости по экспериментальным данным впервые были опробованы на Чусовском медноколчеданном месторождении вблизи г. Полевского Свердловской области. Для зондирования использовалась двухпетлевая установка. Полученные результаты не противоречат известным по этому месторождению геологическим данным. Построенные частотные зависимости также подтвердили вывод, что наибольшую информацию об аномальном объекте несет величина кажущегося сопротивления, определенного по реальной части измеряемой компоненты магнитного поля. В то же время по кажущему сопротивлению, рассчитанному по мнимой части измеряемой компоненты объект практически не выделяется. Аналогичные измерения были проделаны на Бобровской магнитной аномалии вблизи г. Реж Свердловской области. По результатам измерений эта аномалия была определена как приповерхностная.

Дифференциальная методика использовалась при работах в районе ПО «Маяк». С её использованием прямыми измерениями выявлены положения границ тектонически нарушенных, водопроницаемых пород, по которым происходит фильтрация загрязненной воды из озера Карачай. Аналогично, с помощью дифференциальной установки определены положения границ зон просачивания воды из водоема В-11 сквозь тело плотины. Сформулированные выводы хорошо согласуются с результатами интерпретации данных, полученных на тех же объектах методом ВЭЗ.

Апробация работы Результаты работ докладывались на международном семинаре им. Д.Г. Успенского «Вопросы теории и практики геологической интерпретации гравитационных, магнитных и электрических полей» (Екатеринбург 1999г., Пермь 2005г., Екатеринбург 2006г.), на научных чтениях им. Ю.П.Булашевича «Ядерная геофизика, геофизические исследования литосферы, геотермия (Екатеринбург 2003г., 2007г.)», на межрегиональном форуме «Приборостроение 2004».

Публикации. По теме диссертации опубликована 21 печатная работа, в том числе получено четыре патента.

Структура и объем работы Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения, содержит 94 страницы текста, 53 рисунка и список литературы из 57 наименований.

Заключение диссертации по теме «Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых», Чистосердов, Борис Михайлович

2. 4. Выводы

1. Дифференциальная установка позволяет экспериментальным путем определить положение в разрезе вертикальных границ исследуемого аномального объекта.

2. При профилировании в стороне от объекта дифференциальная установка позволяет определить положение центра проекции аномального тела на дневную поверхность (при условии, что расстояние между установкой и границей проекции существенно больше, чем характерный размер проекции объекта на дневную поверхность).

3. С помощью дифференциальной установки можно осуществить дистанционное зондирование в точке, где профильная кривая имеет экстремум; это позволяет приближенно оценить расстояние от поверхности Земли до верхней кромки исследуемого объекта.

73

ГЛАВА 3

КВАДРУПОЛЬНАЯ» УСТАНОВКА ДЛЯ ИНДУКЦИОННЫХ

ЗОНДИРОВАНИЙ

3.1. Описание установки

При проведении индукционных электроразведочных работ нередко возникают ситуации, когда чувствительности традиционных методов оказывается недостаточно. Для повышения чувствительности измерений применяют специальные установки [35, 36], которые позволяют фокусировать первичное магнитное поле на заданной глубине. Это позволяет уменьшить вклад верхних слоев разреза в измеряемый сигнал, в результате чего относительно возрастает доля сигнала, генерируемая исследуемым объектом. К повышению информативности приводит также интерпретация с помощью частотной зависимости кажущегося сопротивления, рассчитанного на основе реальной части вторичного магнитного поля. Применение установки, описанной в работах [35, 36], позволяет решать задачу выявления глубоко залегающих проводящих объектов. Однако, если исследуемый объект перекрыт достаточно мощным слоем с повышенной электропроводностью, обнаружение такого объекта представляет известные трудности. С подобной ситуацией приходится сталкиваться, например, на Южном Урале (месторождение Юбилейное) [29].

В данной главе рассматривается установка (рис. 42), позволяющая с помощью частотного зондирования обнаруживать проводящие слои в разрезе, где исследуемый горизонт перекрыт низкоомным слоем [38, 51, 52].

ЛМ2 Ml V

М1л М2 У d2 dl О dl d2

Рис. 42. Схема «квадрупольной» установки (условные обозначения приведены в тексте)

Предлагаемая установка состоит из двух магнитных «квадруполей», расположенных симметрично относительно общего центра в точке «О», где находится датчик измерительного прибора. Термин «квадруполь» в данном случае является условным, так как в электродинамике магнитным квадруполем называют два равных по величине и противоположно направленных магнитных момента, расстояние между которыми бесконечно мало. В рассматриваемой установке магнитные моменты располагаются на одной линии симметрично относительно центра установки на расстояниях dl и d2, как показано на рис. 42. В дальнейшем эта установка будет именоваться как «квадрупольная» установка (КУ). Очевидно, что КУ может использоваться в дифференциальном режиме при измерении вертикальной компоненты магнитного поля (в этом случае один из квадруполей может быть отключен), однако этот режим в данной работе рассматриваться не будет.

Каждый из четырех вертикальных магнитных момента, входящих в КУ, создает в точке измерения радиальную компоненту магнитной индукции Вра в соответствии с формулой [23] Вра= fiMa3pa(z+h0o)/47ira5+ о u(z-h )/р лМ(а)/4жга I и J^u)a(upje 0а adu, О

2 OS a(upa)=-J+2u/(u+uia/Ra), Uia =(u-icoftai pa) ' , (3. 1)

Ra=cth[u,a h,/pa+arcth((l+n,2o)/(l- nIla))cth(u2ah2+ .arcth((1 +n(N.1)tдг a)/ (J- П(м.}щa))], n(N-i),N,a =(un-i,otuno)/(UN-i,a + uno)> um =(u-icopoNpa)05ra=((z+h0o)2+pa)05, здесь а-номер источника, z и (-h0a) -вертикальные координаты точки измерения и источника, (^-электропроводность верхнего слоя, hb h2-мощности первого и второго слоя, N обозначает порядковый номер слоя в разрезе.

Как видно из формулы (3. 1), при гф-коа каждый источник создает первичное радиальное магнитное поле, которое не содержит информации об исследуемом объекте. Суммарное первичное поле установки, схематично изображенной на рис. 42, равно Вр0—pMa3pa(z+h0a)/4nra5. Наличие этого а поля в точке измерений неизбежно приводит к снижению чувствительности установки. Для устранения этого недостатка целесообразно изменить положение точки измерений таким образом, чтобы первичные магнитные поля, создаваемые отдельными источниками, компенсировали друг друга в точке измерения. Действительно, вводя обозначение ea=(z+hoa)/pa и полагая еа«1, получаем га~ра. В результате условие равенства нулю величины Вро может быть записано следующим образом (M}/di3)( s/+c2) = (M2/d23)( е3+е4), где di и d2 являются разносами установки (см. рис. 42). Ниже будет показано, что наибольшая чувствительность установки достигается при Mj/dj= M2/d2.

В этом случае равенство нулю Вро достигается при значении z, равном z=~0.5(ho,+ h02-(h03+ h04)d,2/d22)/(l- d,2/d22). (3. 2)

После компенсации первичного поля измеряемая радиальная компонента магнитного поля вычисляется по формуле о u(z-h )/d u(z-h )/d

Bp=pMjMitd] J uAJJu)a(udx)(e 01 1 + e 02 1 )du - (3.3) 0 piM2/4nd2 \uJx(u)a(ud2)(e 03 2 +e 04 2)du. 0 где z следует рассчитывать по формуле (3. 2).

При определении величин кажущихся сопротивлений по результатам измерений, полученных с помощью «квадрупольной» установки, приходится сталкиваться на высоких частотах с появлением немонотонной зависимости величины горизонтальной компоненты магнитного поля от электропроводности однородного проводящего полупространства. В качестве примера на рис. 43 приведена зависимость реальной части магнитной индукции Bqr(a). В этом случае, как и при использовании ДПУ, рекомендуется использовать левую (восходящую) ветвь зависимости Bqr(a). При больших параметрах поля (co/.iad/2>\) измеренное значение реальной части магнитной индукции Bqr может оказаться больше максимума зависимости Bqr(cr). В такой ситуации рекомендуется повторить измерения при меньшем значении dj.

Рис. 43. Зависимость магнитного поля, измеряемого квадрупольной установкой, от удельной электропроводности полупространства (MJ= 1000 ам2,/=1000 Hz, с/;=100 м , М2= 1. 2М1, d2= 1. 2 dh z= 0. 1 м).

Появление немонотонной зависимости, приведенной на рис. 43, можно качественно объяснить следующим образом. При малых значениях электропроводности максимумы магнитных полей, создаваемые в проводящем полупространстве «квадруполями» с параметрами (Ml, dj) и (М2, d2) разнесены по вертикали. Вследствие уменьшения величины скин-слоя (при увеличении а) расстояние между максимумами уменьшается, в результате чего внутри полупространства происходит взаимная компенсация полей, создаваемых «квадруполями», что и приводит к уменьшению измеряемого на поверхности земли магнитного поля.

3. 2. Компенсация в точке измерения вторичного магнитного поля,

Основным достоинством КУ является возможность компенсировать в точке измерения магнитное поле, возбуждаемое верхними слоями. Для большей наглядности рассмотрим простую ситуацию, когда вертикальные координаты всех источников и точки измерения совпадают. Наиболее наглядно процедуру компенсации можно проиллюстрировать на низких частотах. Рассмотрим низкочастотное приближение для горизонтальной компоненты магнитной индукции, измеряемой в центре установки. Тогда для трехслойного разреза можно написать [13, 23] при z=-h0a

Здесь (-h0) - вертикальная координата источника и точки измерения.

Как видно, величина Вр определяется суммарным влиянием верхнего слоя и скачками электропроводности на границах нижележащих слоев. Если параметры квадруполей удовлетворяют соотношению Mlldl=M2ld2 , то выражение для горизонтальной компоненты магнитного поля принимает вид создаваемого верхними слоями разреза

3.4) hl2=hl+h2. dx2)0-5 ((2 hQ)2+d2 2 h,

2 J^

3.5)

На практике отношение 2h(/dl<0.01, в результате чего влияние верхнего слоя разреза на результаты измерений оказывается ослабленным более чем в сто раз. Если необходимо уменьшить влияние второго слагаемого в выражении (3. 5) на измеряемую величину Вр, то для этого достаточно увеличить dj настолько, чтобы выполнялось соотношение 2hj/d; «1. Таким образом, рассматриваемую индукционную установку можно эффективно использовать в ситуациях, когда верхние слои разреза обладают пониженным сопротивлением. В этом случае уменьшение в измеряемом сигнале вторичного магнитного поля, генерируемого в верхних слоях разреза, приводит к относительному увеличению доли сигнала, генерируемого изучаемым объектом, т.е. чувствительность КУ оказывается выше по сравнению с установками, в которых отсутствует ослабление экранирующего влияния верхних слоев.

Сравнивая двухпетлевую и квадрупольную установки, заметим, что в ДНУ осуществляется фокусировка первичного поля, в то время как КУ позволяет фокусировать на заданной глубине нормальное магнитное поле (рис. 44), что приводит к более полному ослаблению влияния верхнего слоя разреза на измеряемый сигнал.

Br Bi max

0.8

0.6

0.4

0.2

On—i—i—i—i—i—i—i—i—i—i

0 5 10 15 20 25

Рис. 44. Зависимость глубины фокусировки нормального магнитного поля, создаваемого КУ в проводящем полупространстве при различных значениях величины di (cr=0.0l сим/м,/=100 Hz, кривая 1 :с//=10м, кривая 2: dj=20м, кривая 3: <^з=40м)

Рассмотрим использование КУ при дистанционном и частотном зондировании [40, 51, 52] при выполнении соотношения Ml/dl=M2/d2. При изучении дистанционного зондирования ограничимся трехслойными разрезами, содержащими слой с пониженным сопротивлением под слоем наносов.

Особенность дистанционного зондирования в рассматриваемом случае заключается в том, что для больших разносов не удается найти соответствующее значение кажущегося сопротивления. Поэтому для получения информации о разрезе приходится ограничиваться дистанционной зависимостью величины измеряемого поля. При проведении дистанционного зондирования целесообразно использовать низкие частоты, так как только в этом случае первичное магнитное поле может (при увеличении разноса) без заметного затухания достигать нужных глубин. а Б С

100 Ом-м 20м 1 со Ом-м 1 Ом 100 °м'м

500 Ом-м

20 ОМ'М 10м

10 Ом-м 10м

500 Ом-м

500 Ом-м

Рис. 45. Параметры разрезов, для которых на рис. 46 строятся кривые дистанционного зондирования

В* пТл 20 -1

-100

0 10 20 30 АО

Рис. 46. Дистанционное зондирование при условии Ml/dl=M2/d2. Кривая 1 построена для разреза «а». Кривая 2: для разреза «в». Кривая 3: для разреза «с» (М56 Hz, М1=\000 А м2) i

На рис. 46 представлена кривая дистанционной зависимости мнимой части измеряемого магнитного поля для трехслойной среды. Кривая 1 посчитана для разреза, в котором сопротивление среднего слоя заменено на сопротивление верхнего слоя, то есть в этом разрезе отсутствует аномально проводящий слой. На рис. 46 кривые 2 и 3 имеют минимум при dl=10 м, который тем глубже, чем меньше сопротивление аномального слоя.

Представляет интерес оценить возможности дистанционного зондирования с использованием КУ для разрезов, в которых исследуемый проводящий слой экранируется вышележащим низкоомным слоем (рис. 47). р 1=100 Ом*м Н1-1.8М р2-10Ом*м Н2= 9 8 М рЗ=200 Ом*м нз=зо.м р4=-0 Оы*ы Н-4 = 10. М

Р5— 500 Ом*м

Рис. 47. Пятислойный разрез, содержащий водоносный горизонт (слой 4) и экранирующий слой (слой 2)

Как видно по рис. 48, дистанционное зондирование с помощью КУ не позволяет выделить низкоомный слой, экранируемый сверху другим низкоомным слоем.

В целом следует заметить, что дистанционное зондирование в рассматриваемом случае, когда выполняется условие MJ/dl=M2/d2, не позволяет добиться максимальной чувствительности.

Рис. 48. Дистанционное зондирование при условии Ml/dl=M2/d2 для разреза, показанного на рис. 47 (f=156 Hz, Ml=1000 А'м2)

Более высокую чувствительность измерений обеспечивает частотное зондирование с определением кажущегося сопротивления по реальной части горизонтальной компоненты магнитного поля. Рассмотрим в качестве примера разрез (рис. 49), характерный для востока Курганской области [12].

10 Ом-м

40м четверютно-неогеновые отложения

30 Ом-м

50м ош ir оценовьш горизонт

8 Ом-м чеганская свита

Рис. 49. Типичный разрез востока Курганской области [12] ро Ом-м

12

11

101

ТГПГТ|-1- I ч ищ—

10 100

FHz

ГТП7Т]-1 I 1 Iflllj

1000

10000

Рис. 50. Частотная зависимость кажущегося сопротивления для типичного разреза востока Курганской области

Особенность разреза, представленного на рис. 49, состоит в том, что водоносный горизонт является более высокоомным по сравнению со слоями, между которыми он находится. Частотная зависимость на рис. 50 кажущегося сопротивления, рассчитанная по реальной части горизонтальной компоненты магнитного поля, получена для разноса 40 м. Для сравнения заметим, что 50 лет назад для обнаружения подобных водоносных горизонтов с помощью метода ВЭЗ требовались разносы 500 м-1000 м. На рис. 50 кривая 1 получена для разреза, показанного на рис. 49, а кривая 2 соответствует разрезу, в котором удельное сопротивление второго слоя положено равным сопротивлению верхнего слоя.

В практике электроразведки иногда встречаются разрезы, в которых слой с пониженным сопротивлением не является самым верхним слоем. В качестве примера рассмотрим разрез, в котором электропроводность второго слоя существенно превышает электропроводность остальных слоев разреза. Как было упомянуто выше, для уменьшения экранирующего влияния верхних слоев необходимо по возможности увеличивать разнос dj настолько, чтобы сохранялась возможность определения кажущегося сопротивления рыг.

Рассмотрим разрез (рис. 47), содержащий в качестве экранирующего слоя глину (р2—10 Ом-м), которая сверху перекрыта слоем близповерхностных отложений. Ниже, на глубине более 40 м имеется водоносный горизонт, который необходимо выделить. При проведении измерений использовался разнос, равный расстоянию до верхней кромки водоносного горизонта, т.е. d 1 =41.6 м (при больших значениях dl не удавалось определить величину рмг). На рис. 51 приведена частотная зависимость pwr, на которой хорошо выделяются основные слои разреза. На низких частотах вплоть до 5 кгц выделяются самые глубокие слои, в том числе хорошо виден минимум, свидетельствующий о наличии водоносного горизонта. На частотах выше 5 кгц выделился экранирующий слой и верхний слой близповерхностных отложений.

Для сравнения на рис. 52, 53 показаны результаты частотного зондирования, полученные с помощью дипольной и двухпетлевой установок. Нетрудно видеть, что в данном случае использование обеих установок позволяет выделить только верхний экранирующий слой.

Рис. 51. Частотная зависимость р{1) разреза, представленного на рис. 47, полученная с помощью «квадрупольной установки»

Рис. 52. Частотная зависимость р0)г разреза, представленного на рис. 47, полученная с помощью дипольной установки

10 О

F Hz

10 т

I ' I 1 I ' I

4000 3000 12000 16000 0

Рис. 53. Частотная зависимость р0)г разреза, представленного на рис. 47,

Высокая чувствительность КУ, позволяющая по частотной зависимости ршг выделять в разрезе слои с пониженным сопротивлением, делает возможным определение всех параметров разреза при использовании методики [40, 44], изложенной в разделе 1. 2. Согласно требований этой методики необходимо сначала сделать при разных разносах N измерений на низких частотах (N-количество слоев, определяемое по частотной зависимости р(/). По результатам этих измерений определяются зависимости cN(h[, h2.hN), где oN и hN есть соответственно электропроводность и мощность слоя N. Далее делается (N-1) измерений горизонтальной компоненты магнитного поля на высоких частотах, после чего искомые параметры определяются путем решения системы (N-1) уравнений вида Bra=F(coa, on, hN), где а меняется таким образом, чтобы величина соа принимала значения частот, на которых производятся (N-1) измерений. полученная с помощью двухпетлевой установки

3. 4. Вывод

Приведенные в данной главе результаты позволяют сделать обоснованный вывод: использование «квадрупольной» установки (при условии построения частотной зависимости pj) обеспечивает наибольшую чувствительность измерений по сравнению с дипольной и двухпетлевой установками. Высокая чувствительность «квадрупольной» установки позволяет эффективно использовать ее при зондировании разрезов, в которых аномальный объект экранирован сверху слоем с пониженным сопротивлением.

87

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В завершение работы целесообразно подчеркнуть основные результаты:

1) показана эффективность вертикальной фокусировки первичного или (для «квадрупольной» установки) нормального магнитного поля с последующим анализом частотной зависимости кажущегося сопротивления, определяемого по реальной части измеряемого магнитного поля;

2) с целью увеличения чувствительности измерений могут быть рекомендованы три измерительные установки: двухпетлевая, «квадрупольная» и дифференциальная. При изучении этих установок были получены следующие результаты: a. Двухпетлевая установка: разработан метод прецизионной компенсации первичного магнитного поля в точке измерений; предложен метод определения параметров горизонтально слоистой среды; решена задача профилирования и частотного зондирования над аномальным объектом; исследованы профильные кривые, проходящие над объектом и в стороне от него; показано, что по измерениям горизонтальных компонент аномального магнитного поля на профиле, проходящем в стороне от аномального объекта, можно определить положение центра проекции искомого аномального объекта на поверхность Земли. b. Дифференциальная индукционная установка: при профилировании над аномальным объектом позволяет непосредственно по экспериментальным данным определить положение вертикальных границ исследуемого объекта; при профилировании в стороне от аномального объекта позволяет по измеренным в разных точках на профиле ориентациям оси установки в момент максимума измеряемого магнитного поля определять положение в плане центра аномального объекта; позволяет проводить дистанционное зондирование в точке, где профильная кривая имеет экстремум, что дает возможность оценить расстояние до верхней кромки объекта. с. «Квадрупольная » установка: показано, что при определенных соотношениях магнитных моментов «квадруполей» и разносов можно существенно уменьшить экранирующее влияние верхних низкоомных слоев разреза.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Чистосердов, Борис Михайлович, 2008 год

1. Астраханцев Г. В. Индукционное зондирование при изучении контрастных по электропроводности сред. Свердловск: УрО АН СССР. 1988. 182 с.

2. Бурсиан В. Р. Теория электромагнитных полей, применяемых в электроразведке. Ленинград: Недра. 1972. 367 с.

3. Вакульский А. А., Мизюк Л. Я., Проць Р. В., Сикачевский Ю. Ю. Аппаратура для аэрогеофизической разведки. Киев: Наукова думка. 1985.

4. Вешев А. В. Электропрофилирование на постоянном и переменном токе. Л.: Недра. 1965.478 с.

5. Жданов М. С. Электроразведка. Москва: «Недра». 1986. 314 с.

6. Заборовский А. И. Переменные электромагнитные поля в электроразведке. М.: МГУ. 1960. 186 с.

7. Кауфман А. А. Теория индукционного каротажа. «Наука». Сибирское отделение. Новосибирск. 1965. 236 с.

8. Мандельбаум М.М., Агеенков Е.В., Легейдо П.Ю., Пестерев И.Ю., Рыхлинский Н.И. Современное состояние и перспективы применения дифференциально-нормированного метода электроразведки для поисков нефти и газа.// Геология и геофизика, т. 43, 2002. с. 1137.

9. Манштейн А.К., Панин Г.Л., Тикунов С.Ю.

10. Аппаратура частотного электромагнитного зондирования "ЭМС" // Геология и геофизика. 2008. т. 49. № 6, с. 571-579.

11. Матвеев Б. К. Электроразведка при поисках месторождений полезных ископаемых. М.: Недра. 1990. 368 с.

12. Методы геофизики в гидрогеологии и инженерной геологии. М.: Недра. 1972. 295 с.

13. Молочнов Г. В., Радионов М. В. Частотные электромагнитные зондирования с вертикальным магнитным диполем. Ленинград: ЛГУ. 1982. 216 с.

14. Мониторинг гидротехнических сооружений ТКВ и геоэлектрическое картирование верхней части разреза. Отчет о научно-исследовательской работе. Екатеринбург. 2003. 41 с.

15. Наземные геофизические исследования методом дифференциального профилирования. Отчет по работам, проведенным по заданию РОСАТОМа. ПО «МАЯК», 2006. 39 с.

16. Проведение геофизического мониторинга гидротехнических сооружений, в том числе озера Карачай. Отчет о научно-исследовательской работе. Екатеринбург. 2003. 48 с.

17. Родионов А. Н. О способе оценки формы и пространственной ориентировки рудных залежей по данным МПП. В сб. «Электроразведка в области скважин на колчеданных месторождениях Урала». УНЦ АН СССР. 1975. 136 с.

18. Родионов А. Н., Светов Б. С. Эффективность применения дифференциальных установок при исследовании методом переходных процессов. Разведочная геофизика. 1982. Вып. 95. с. 80-90.

19. Рыхлинский Н.И. Зондирование становлением поля с фокусировкой электрического тока для исключения плечевого эффекта при решении обратных задач // Материалы 33-й сессии Международного семинара им. Д. Г. Успенского. Екатеринбург: 2006г. с. 310.

20. Руководство по применению метода переходных процессов в рудной геофизики. Под редакцией Ф. М. Каменецкого. Ленинград: «Недра». 1976. 128 с.

21. Сапужак Я. С. Высшие производные электрического потенциала в геофизической разведке. Киев: «Наукова думка». 1967. 154 с.

22. Сапужак Я. С. Пространственные дифференциальные наблюдения в неустановившихся электромагнитных полях.//В сб. Теория, методы интерпретации и математического моделирования геофизических полей. Свердловск, 1991. с. 84-91.

23. Светов Б. С. Теория, методика и интерпретация материалов низкочастотной индукционной электроразведки. Москва: Недра. 1973. 254 с.

24. Светов Б. С., Губатенко В. П. Аналитические решения электродинамических задач. Москва: Наука. 1988. 341 с.

25. Светов Б. С. Фокусировка постоянного электромагнитного поля с целью повышения глубинности электроразведки.//Геофизика. 2007. №3. с. 79.

26. Стадухин В. Д., Туранов В. Н., Шабанова Н. Н., Медведев А. Е., Захарченко В. Ф. Метод искусственного подмагничивания при поисках и разведке рудных месторождений.//Свердловск: РИСО УНЦ АН СССР. 1982. 107 с.

27. Тархов А. Г. Об электроразведочных методах чистой аномалии. //Изв. АН СССР. сер. Геофизическая. 1958. №8. с. 979-989.

28. Титлинов В. С. Индукционное электромагнитное зондирование при поисках рудных месторождений (методические рекомендации).//Препринт ИГФ УНЦ АН СССР. Свердловск, 1979. 130 с.

29. Улитин Р. В. Концепция геоэлектрической дефектоскопии грунтовых гидротехнических сооружений.// Вторые научные чтения памяти Ю. П. Булашевича, 2003г. с. 107-109.

30. Улитин Р. В., Гаврилова И. Э., Петухова Ю. Б., Федорова О. И., Харус Р. JL Геоэлектрика при решении геоэлектрических и инженерно-геологическихзадач.// сб. «Теория и практика геоэкологических исследований», Екатеринбург: 2000г., с. 84-88.

31. Улитин Р. В., Чистосердов Б .М., Федорова О. И. Геоэлектрическая дефектоскопия гидротехнических сооружений дифференциальными индукционными установками. // «Дефектоскопия», №7, 2007, с. 91-96.

32. Хмелевской В. К. Основной курс электроразведки. Электроразведка переменным током. Часть П. Москва: Изд-во МГУ. 1971. 272 с.

33. Хмелевской В. К., Бондаренко В. М. Электроразведка. М.: Недра, 1989. 286 с.

34. Человечков А. И., Чистосердов Б . М. Патент № 2156987 (Россия). Способ индукционного вертикального зондирования. Патент G 01 V 3/08. БИ № 27. 2000. 8 с.

35. Чистосердов Б. М., Человечков А. И., Байдиков С. В. Патент № 2230341, класс G 01 V 3/8. Способ индукционного вертикального зондирования. БИ №16, 2004. 8 с.

36. Человечков А. И., Чистосердов Б. М. Патент № 2207595, G 01 V 3/8. Способ определения глубины залегания рудного тела. БИ № 18, 2003г. 10 с.

37. Чистосердов Б. М. Патент № 2310214, класс G 01 V 3/8. Способ вертикального индукционного зондирования. БИ №31, 2007г. 5 с.

38. Чистосердов Б. М. Особенности дистанционного зондирования с применением двух квадруполей.//деп. в ВИНИТИ №1396-В99. 9 с.

39. Чистосердов Б . М. Методика определения параметров разреза, содержащего тонкий проводящий слой.// Теория и практика геоэлектрических исследований. Вып. 2. Екатеринбург: УрО РАН, 2000г., с. 80-83.

40. Чистосердов Б. М., Человечков А. И., Байдиков С. В. Способ индукционного вертикального зондирования. // Вторые научные чтения Ю. П. Булашевича 25-27 июня 2003г. с. 126.

41. Чистосердов Б. М. Метод определения параметров двух-и трехслойной горизонтально слоистой среды при индукционном вертикальном зондировании. // Деп. в ВИНИТИ, № 1174-В2003. 10 с.

42. Чистосердов Б. М. Использование фазочувствительных измерений при решении обратной задачи для горизонтально слоистых сред. // Вторые научные чтения Ю.П.Булашевича 25-27 июня, Екатеринбург: 2003. с. 127128.

43. Чистосердов Б. М., Человечков А. И., Байдиков С. В. Способ индукционного вертикального зондирования. // Уральский геофизический вестник № 6, 2004. с. 112-115.

44. Чистосердов Б. М. Использование фазочувствительных измерений при решении обратной задачи для горизонтально слоистых сред. // Уральский геофизический вестник № 7, 2005. с. 74-78.

45. Чистосердов Б. М. Частотное зондирование над аномальным объектом с использованием двухпетлевой установки. //Деп. в ВИНИТИ, № 316-В2005. Юс.

46. Чистосердов Б. М. Компенсационная установка для вертикального индукционного зондирования.// Деп. в ВИНИТИ, № 1151-В2006. 12 с.

47. Чистосердов Б. М. «Квадрупольная» установка для вертикального индукционного зондирования. //Четвертые научные чтения Ю. П. Булашевича 02-06 июля, Екатеринбург: 2007. с. 202-203.

48. Человечков А. И., Чистосердов Б. М., Байдиков С. В. Использование индукционной двухпетлевой установки при частотном зондировании аномальных объектов.//Геология и геофизика, 2008, т. 49, №8, с. 830-836.

49. Чистосердов Б. М. Исследование компенсационных установок при индукционном зондировании и профилировании аномальных объектов.// Деп. в ВИНИТИ, № 565-В2008. 33 с.

50. Якубовский Ю. В. Индуктивные методы электроразведки. М.: Госгеолтехиздат, 1963. 212 с.

51. P. Weidelt. Electromagnetic Induction in Three- Dimensional Structures. // J. Geophysik, v. 41, 1975, p. 85-109.

52. J. Won, Dean A. Keiswetter, David R. Hanson, Elena Novikova, Thomas M. Hall. GEM-3: Monostatic broadband electromagnetic induction sensor. //JEEG,v 2, iss. 1, March 1997, p. 53-64.