Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Теоретические и методические основы электромагнитного мониторинга современных геодинамических процессов

ВАК РФ 04.00.12, Геофизические методы поисков и разведки месторождений полезных ископаемых

Автореферат диссертации по теме "Теоретические и методические основы электромагнитного мониторинга современных геодинамических процессов"

г го о л

саратовский ордена трудового красного знамени

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЛШВЕСИТЕТ КМ. Н.Г.ЧЕРНЫШЕВСКОГО

На правах рукошси

АЛЕКСАНДРОВ ЛАВЕЛ НИКОЛАЕВИЧ

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И МЕТОДИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ

элЕктроштаткого МОНИТОРИНГА СОВРЕМЕННЫХ ГЕОДШМИЧЕСКИС ПРОЦЕССОВ

Специальность 04.00.12 - геофизические методы поисков а разведки месторождений 'полезных ископэеша

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учекоЗ отелена хакд'-датэ геолсго-ылперз.лопгческ1х наук

Саратов - 1993

РаСота выполнена в Саратовском государственно.! университете имени Н.Г.Чернышевского

Научный руководитель : член-корреспонедент РАЕН , профессор В.В.Тиюизев

0$шшальше оппоненты : доктор геолого-мкяераяогических наук, профессор Ю.П.Конценейин'

кандидат фгпгихо-изтематичемагх наук, доцент В.Л.Губатенко

Ведуцее предприятие : Акционерное обцество

"СттоВНЕМЕГЕйИЙЖА" ( г.Саратов )

Зазить состоится ^¿¿^ ь часов

на засела;ни Спэциадгзироьбнного Совега К 063-74.03 в Саратовском государственном ункзерсктете им.Н,Г.Черниговского в 53 аудитории 1 учебного корпусе по адресу : г.Саратов, пр. Ленина,155-

С диссертацией ысдаю ознакомиться в Научной библиотеке Сзратопского государственного университете вы. К.Г. Черны-соьского.

.Автореферат разослан

Учб.шГ. секретарь Спещзй-тазирсванвого Совета, кандидат геологс-итаералогичэсюи наук

В.Д.Гуцавг

ОКИАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Участившиеся техногенкыэ зенлкгрясевкя и авар1йность скьькин на нефтегазовьа меетсроаденяях заставляют обратиться к геофизической задаче глекекпя за ссврешетйма гео-динамичеекймк процессами. Последние ггрс.'.сюдя? а геоде-гачЕ-екоа среде как под воздействием природных факторов,так а пой йЛ!йн::сц деятельности челсаека на скруасавдуи среду,в частности, на земние недра. Эта проблема тесно связана с прогнозом еетестеадаш: зеиля-гресенкЯ, но имеет свои ссосекпестя. 3 плане электромагнитного монитор!Нга сзвремекньл. геодвтшчески: процессов осковно2 задаче?? является слежение за геазгпласткческгмд деформациями гсргих перед, в то время как основной задачей сеЗснологги, где такяе игпсдьзуг? электромагнитные поля, является прогноз катясгрй&теехг! соОэткй (зеклятрясенкй).

Здектрсывгедтккй мониторинг - новая зздзча геовлектрага, связанная с изучением данакикя гесдогствсксЗ ср^ды. Рззрагстка месторождений, извлечение огрошаа масс полезны пскспаеша 2, в первую очередь н-эфтп г газе, сопровождается яарузешмы естественного природного баланса ¡гапряаекиЗ в зеинс2 кор-е, лрязодит к игискекив зэтесма свойств горных пород,провоцируя 2 зпппзпгруя тем самим современные гс.гдннььгаческие процессы.

Огромное кслачеогао "пагзггггх" скезхин, подготовка з г-^-'^эй'-з'Я техногенных зеылятрзеенай сЕидэтедьстьует о та, что ссвр^мскыв гведгдз&озчеокзе грсиегои препегодлт дееггтзчго мстгаяо я к? учг-тзгаать "¿г заюае а значение уте нельзя. В евягш с рпш разработка гео-^зэткс'-з датсдсз сдегэпая за ссьреие.чзиасг геедгнз-иячесхаи зрсиоссаш! является иггу&Ллл.тЯ л яегкксюсЗ з^д-'зчч-Е.

Йзуче:юе сспр^иезаа: гееданг&ачестси др^иесегр зрсдхглсияе нс-обхсддасотьг- аселЕдспаго; технегмаагэ заздйгеткха зь ;з?е-е5*р7. так в разватаем наук с Зеиде, в чаоткгста г*5£авиа, с цчгл.» рзг-агрегпм а гэ2гре:енетаса&аЕЯ £кз;г;егк;:х «етсдоз

дозгкгя зеикоЗ кори.

В ездза с п»ргзрагг.-т«2!зетьв теоретически В метсд:гс«те2Х с снег (кгектрсмагетгиго мгкггергаг® даивал ык.лзлпегкз* прейгека не сз5бго паузо огоетозжкого тэпэтгсксга р5Д»гл.я.

Пйл уласти. Разраготка тбсргг-гчеуст а «««яяогкзх ссжа злектршйпг.'тасгс ионзтергзгз еезрчи-.-мгч грс-

шсссг.

0-;г:'г~У-1 л'';-!--' :

ч. Разработка кошелкк алектромагкитного мониторинга современных г«одина>.ически2 процессов.

2. Соверсенетновакке метода осреднения градиентных и градаентно-^глзотропкьт. моделей локальной влектроггроьодноста. Анализ чувствительности к информативности тензора бффектиного сопротизленьм к хзиекенгл структурно-текстурных характеристик, происходивших при дефзрлзди горной порода.

3. Разработка иетотгкя анализа чувствительности и информативности к неоднородностям геологического разреза всех компонент електро-ыапатяого поля вблизи источников.

4. Построен;« матеиатичесчой модели эмиссии электромагнитного соля и разработка принципов ргаения обратной задачи пассивного электромагнитного мониторинга.

Методы радения поставленных задач. Еыл проведен анализ и обобщение опубликованных теоретических, экспериментальных и лабораторных резудьтатоа исследований, свяаашшх с отражением деформации горной породи в влектрофизэтеских параметрах и ьлектромаг-нитню. полях. Реввние поставленных задач проводилось на основе теоретических исследований уравнений Максвелла, опискзавдйх вопкмодсйстг.ие электромагнитного поля и вещества, с привлечением Еачкслительвах экспериментов. Научная новизна.

1. Определена концепция электромагнитного мониторинга современных геоддаамкческих процессов. Сформулировали цели и обоснована постановка задач электромагнитного мониторинга. Определены объекты исследования при активном и пассивном мониторинге.

2. Впервые получен тензор эффективной электропроводности для гра-даентних а градаентно-акизотрошшх моделей сред, что позволило провести математическое моделирования отражения структурно-текстурной перестройки горной порода в тензоре макроанизотропии электропроводности.

3. Установлэнс, что тензор макроанизотропии служит информационным параметром струкурпо-текстурвой перестройки горно$ порода. Тензор махроанпзстропш» сопротивления является конкретяш объекточ исследования пр-д активном йдектромагнятном мониторинге.

4. Ьперьие для всех ксмпонзнт электромагнитного поля, измеряемых вблизи источника, получены уравнения внергетичеекого типа. На основе анализа втих. уравнений предложена система наблюдения активного електромагнигного мониторинга в совмещенном варианте,основан-

ная на врадаюовмся электромагнитном поле.

5. Построена математическая модель зшскм электромагнитного поля, что позволило шервые сформулировать прямую z обратяу» задача пассивного электромагнитного мониторинга. На основе построенной математической модели установлено, что средний модуль любе* компоненты электромагнитной эмиссии (ЗЖ> зависят только от пространственного распределения влектрспрововсста и геометрического расхождения электромагнитного поля.

6. Релена обратная задача для двухслойной модели среды - определены интенсивности источников и их местоположение в проотрш-стве. Показано, что алгоритм, оснсзаннкЯ на теореме Плангереля-Парсевалк дает удовлетворите льнув оценку параметров источников. В работе обоснована возможность обобщения результата ре=с;пхя обратной задачи на произвольную п-слоЗнув иодель геологической среды.

Практическая ценность. По результатам проведенных исследований подготовлены ряд научных рекомендаций, которые внедрены в производство.

Ашгробпция работа. Основные задпдзеш;а положения докладывались я обсуждалась на научных ксн^гренциях "Построение £лзнко-геслогпческсй недели системшга подход при истолкована результатов геофизических исследований "(10-11.10.89г.,16-1?.10.9Сг., 28-30.С9.93г., Пермь), вз ежегодных Еаудшх кен£ерзшда1 а семз-нарах геологического i-жультетз z КИИ геологаа Саратовского укаьеристета (1939-1993гг.).

3 целом работа доложена на нзутакх семинарах хь^'Д? •

- геологии нефти и газа геологического £..экультета CI7:

- прикладная математика и теория аавагацискннх приборов Саратовского государственного технического университета ;

- геофизических «етодоз разведка полезних ископаешл. С ГУ.

Работа таккэ доложена на каучнах семинарах :

- ОРТГГ и СМИТ Нияе-вслжского КМТ (г.Саратов) :

- НТС злехтрсизппгтного отделе EKKITeoSsiszjci (г.Носкза) .

Публикации. С-сясЕнке положения диссертация опубликованы э 6-та науеш! статьях а докладах.

Мии работа. £яссертацая ссстсзт аз ввздветл, тр«х глаз я заклгчення, содврза? 124 страниц j/агияопясзого техзта, 11 рисунков з 1 таблицу. С-ласок литературу 65 пэдйэнозангЗ.

СОЯЕШБИЕ РАБОТЫ

Под совреыекаьи гаодинаыическгаш процессами будем понимать процессы различной прцроды ( в основном механические ) происходжцде в геологической среде в настоящее вреия. Гесф!зическиэ методы оказываются едязсгвеншак дготатпщозвынк методами, позволяйте эти процессы наЗлхдать я, Солее того, ояредэлять ш параметры. Для элаэтрхчйсках методов наяболыгай интзрес представляют современные геодянашческге процесса отражающиеся в адактрофцзхгчэскпх аара-«srpax а агёктроыагЕигаьа полях. В связи с втам в&е<$ходямо, презде всего, опрадедеть сбьакт гсс.;здоваяня, цеди и задачи электромагнитного uoiSîTCt-шга.

Объект исслодоаажя методов влетромагнитнсго мониторинга. -Собственно гессянашгскиа npcasco проявляется в дефор«ют горной города прлвсдяцей к лацевени» их фкзяхо-шханических свойств во зреые-ни. Ofiparauae а неойратаиие деформации характеризуют геоди-аиячаокав процесса кчк естественного, так и техногенного проис-дсждэнги, К ойратшал деформацгяы ыокно отнесл раскригие z закрытие трещгн, замосадпе фясада и т.п. К неосратзагкм де^рмагшш -обрвзоашга -т$еащ, гзыанениа струхтури я такстурц горзоз породы.

Этл азизазкая отржжтся как в изменении иакроадектричвсвих ца-рачзтроз roiass пород, так и в азлучашгя влектроиапштзой анэргии. -Вадедгггаж атсго при электромагнитном мониторинге объектом иссле-дзегчахк &ЛЙСТСЯ5

1, И5М£-а«као «актрагчесюа параметров геологической среда во временя ;

с. Эндоганша ясточздаз влегароиагнйтнсй амяасаа.

мактроцапаткаго »онятсрплга. Цель» вхактрсмагнитного «моторанга в гводелтекам смысле является изучение современных гесяздишчзгжех сроцассоа как естественного, так и техногенного Евсаюггадчкзл. Ссйствёяшаи цедяык адактрсмагнатного мониторинга является:

1. Вняснгетг характера изменения во времени влектромагштных параметров геодогячгснс® среди и их количественная оценка.

2. Ёцлснёнаэ характера изменения во вре.чепя вкдзгеннкх источников електромагедгног вчасета a SES. количественная оценка.

225335- макй^о?гнга. Геологической задачей

алектромагяитнзго мзкиторнага является поэяаши современных геодкнамэтаскзх процессов. Собственными задачами адектрсмвшитно-

го мониторинга являются:

1. '¡еследсваЕие пространственно-временного распределения электрических параметров геологической среды.

2. Определение параметров рапределеннцх з теологической среде эндогенных источников электромагнитного поля и их дпнаскя бо времени.

Исходя из целей алектремзгкятнсго мониторинга рез:ен::е поставленных задач может основываться на двух подходах :

1. Использование контролируемых источников электромагнитного полл (з тем числе теллурэтесмгх полей) для определения характера распределения электромагнитных параметров геологической среды (задача разведочной гесфмяки). Используя модель "чернсго ядцпо" это можно про;1ллюстрировать следувдеЗ схемой

sbx => 1 а ? | r> sbhx где Sex - источник электромагнитного поля,

Seux - отклик геологической среды на воздействие Sbx, С - импульсная ила переходная характеристика среда, геоэлектрнческие параметры разреза.

В этой случае для определения С необходимо знать входной Евх я выходной Евцх сигналы. Данная схоыа реализуется в методах разведочной геофизика я,применительно к мониторингу,сэ следует стн<?о-та к аптакшч злектрсиагнитным иетол'.ч.т.г.. для получения ;к}ер-маили об вдектрс^гзиэесюа параметрах среды необходимо использовать искусственные яле окзогекные источники электрсшг-атнсго поля.

С. Втер:?, подход базируется на представления,что гес-'-сгическ&к срода в процесс® сео-ото развития, сама генерирует источника эл-зк-тремзгннтнего поля. Из схемы

£вх 1 -•> I "3 i *> Sauj сл;дуе?.чтс для определения параметров Е-ндсгешаа зсточзнглз Г.ei необходимо знать шходией сигнал Ввчх и гасметкрлчееккй разрез С. Система наблюдения дслзиз сыть направлена на пассивную реггетраст: влектрсцапсггяого поля. Пс&тсиу методы оеыог&ягшв на гаксЗ' схем« относятся к олектрешгнзтшда методам пассивного ускитсржгз.

1. ¿КПШ-КЗ ЭЛЕСТРОиГВПКЯ 1£У~ХГСРЖГ

В ге-одинькгпеекге процессы вовлекаете* crpci£зи> васси горясЗ порода. Счевядяо, что при «тем презехедгт уперядглепг» ала раз-

упорядочекие (переход хаос-порядок) структуры порода в больших обьеиах геологической среда, что яизбежно скажется на Биективных электрических параметрах геологических образований. Учитывая E6B03MCi2ä0CTb физического или лабораторного моделирования влияния ыоеннх геоданамических процессов на электрофизические свойства горной породы, большое значение преобретает математическое моделирование эффективных астрофизических характеристик.

Совершенствование метода вычисления эффективного сопротивления горных пород Начиная с Максвелла, расочитаваего аффективную электропроводность для сферических включений, хшогие исследователи обращались к атой проблеме. Среди них Вурсиан В.Р., Овчинников И.К., Семенов A.C., Нечай A.M., Губатенхо Б.П. и др. Определение. Эффективным электромагнитным параметром среды называется параметр, полученный в результате осреднения его функциональной зависимости от пространственных координат по физически конечно-малому объему.

Введем оператор осреднения

<->{ = iH - «а .

о

где z - любая из пространственных координат х.у,2. Проведем осреднение закона Сиа, записанного в дифференциальной форне

J*a-z, (1.1)

связкващего плотность тока проводимости J и напряженность влек- ■ трического поля К через удельную электропроводность о,заданной в виде произведения изолированных функций координат

С * X(xbY(ybZ(ü) . (1.2)

Б атом случае возможные границы раздела сред будут совпадать с координатами плоскостями. Учитывая это обстоятельство а теорему о средней, после осреднение уравнения.(1.1), получим тензор махро-анизотрошга аффективной электропроводности а3^ :

<Y> -<2> у J

О

о

ж я

<Х> -<У>

(1.4)

Для градиентно-аыизотропоноЯ модели среды. заданной а виде а. о о

о=

11

0 0 О осэз

(1.5)'

где кзвднЛ диагональная элемент симметричного тензора электропроводности з зависит от координат в виде :

подучим

<Yii> -<Zn> _¡

О

<Хзз> -<Z2a>

<7П\

<Хзз> -<Уэз>

(1.6)

(1.7)

Слрдугсдчя модель лсквльной электропроводности. для KOTOpcS справедливо использование теорема о среднем а, которая представляет япвСодъеиЯ интерес, является модель, заданная в гиде

• С 5 11 13 13

£Т

11. 13 33

г.. с s.

(1.8)

32 33

где к&удьгй элемент т^пзсрз ыс-зстрогиа удедьнсг эдоктрспр^днестг ззьяоа? то_~,ко от одной л^эстр^гтзе-шоЯ хссрдилаты, каг.-ример,

зп ^ Г., j í £ >. i -1 *. Э >. - (1.9)

Лримендд теср-ему о ср-эдпем, для этса модели получим тензор мйхро-анизотропии електроярсводноота а ' с элементами этого тензора :

с "г - • 5 г--U- ; ¡J * -—- J

I! . t . * 13 , . * tj , 1 ч *

^ V- V-

о

о

31

<4

I

X I

,.21. , 12.

<Г7>«" <*77>-

с

23

X?'

X X

5 =

1 !

11

Х»1 '

22 * Л.. я

11

Г11 *

СГ7 * Х77

х х

-КХ_ > -< I' 13> аз « хм >

—>

1 !

<Г->

XX за к л.

и

11

2 X

277 « 177 >

11

11

X X

+<х >

аз « Х11 х

-

Захзчаиуе 1. Рассмотрений 1чмд осреднения справедлив в любой другой ортогональной системе координат.

Згизчссшв 2. Очевидно, что при достаточно малом объеме осреднения. по сраьнеюпо е растоянием до источникоз и приемников низкочастотного олектромагнитного паля, в взложшксм вьне методе осреднения ыойно учесть и диэлектрическую проницаемость горной породы, что приводит к дисперсии эффективных электрических параметров. Этот е£факт известен как эффект Максвелла-Вагнера. Аналогичные преобразования также справедливы и для магнитной проницаемости.

Ааелиз информативности вффектиьного сопротивления к язмовеиио структуры ж физических свойств горных пород

Из еойго многообразия возможных моделей сред, для которых справедлива операция осреднения, были рассмотрены несколько актуальных для активного электромагнитного мониторинга моделей деформация горной породы, и отрмюнки ее в ыакроанизотропных электрических параметрах.

1. Модель разрушения горной пс^сщы вблизи ствола скважины.

Эта модель отражает необратимые геодикашпескае процессы вблизи горной выработки (еквазяшы). Она характеризует, в основном, деформации растяжения, за счет которых образуются радиальные и

11

азимуталыше треяины разрыва. Развитие трединсобразсвання и сопутс гвуэдяй процесс заполнения тредин флшдом Судет сопровождаться изменением сопротивления околоскваютного пространства. Б результате макроскопические геовлектрические характер;стикя горной породы вблизи ствола сквахпны становятся азиыутально-анизотропними.

В качестве численного примера рассматривалась следулдая модель (цилиндрическая система координат,по оси Ъ среда прикимв-лась однородней) : .

А?„=2(град) . Лр1=1(град) . А? =Э(град);

„ Др1=0.04(м) . Ар =0.12(м);

Аро=0.08(м) Оа =0.01(См/м)

а =о.1(см/м)

Тогда первоначально изотропная и однеродная среда с электропроводностью а становиться макроакизотропней со значениями тензора макроаннзотрспни

0,5=0.0125См/м: (?31=0.012См/м; О =0.027Си/м;к"з1; '¡£"=1.4.

Здесь и далее индексы при коэффициенте анизотрошл к указывают на отношение соответствуют! элементов тензера макроаккзо-тропка электропроводности, например, '-аа

! 1

* " "и'"..'-

2. Моделирование процесса тредннооОрззсванпя в массиве гор-НОЛ породы.

Как показывает анализ проявления геодпваиических процессов, последние ы.'рззаются в структурно-текстурной перестройке геряей породы. Структурно-так^турнув перестройку рассмотрим на примере сзразсвания трещин з карбонатных кодлектерзх. Для локальных электрических параметров заданных в Еяде

О = 10-2(х)-'?(у)-г!2)

где

1{Х)»

Х(г)*

.01,г=[0,0.2) 10,Г=!0.02,.02+Ы .01,Г*[0.02И1.0.04+Ы

1,г«[0,0.2] 0.1,г=(0.2,2.2)

1,7*10,0.02] .15,7*10.02.0.041 О.5,у«[О.04,0.05] 2,7*10.06,0.0611 0.Э,7*[0.061.0.СЭ1]

пра изменении толстш тресош Ь от 0 до 3.2-10" и, махреанизотропна ггеаяатсп в пределах от 1.26 до 0.33. 3. Недель таззппдастпчесУ—З горясЗ породи.

модель характеризует террягешаЛ !юдл<?к?ор. а ктерст раз-

виваются пластические деформации. Рассмотрим двумерную модель трехслойной среды, каждый слой которой имеет следующую анизотропию алектропроводности : первый слой с влектрспроводностыо с^ и толзиной ¡второй - с толщиной ^ и тензором електропроводности . О

'а =

га

третий слой изотропный, с электропроводностью <?з и толщиной Тогда тензор макрсакизотропии аффективной электропроводности примет вид

ЧУ^.ул

с3* =

Ь1рг+\РЯ2+11эР3

где Ь = Ь1+Ь.а+Ь3,

Для Ь =Ь =11 и а -о -** 1 а з 1 з

РЭ=

иметь вид :

коэффициент анизотропии к** будет

У ЫЛор^+о^р)

Отсюда следует, что коэффициент макроанизотроши больше единицы при <!Ргг*а11Р >2 и меньше единицы при ®Р22+"11Р <2 .

Проведенные расчету показывают, что структурно-текстурная перестройка горкой породи сопровождается -изменением структуры, в общем случае, всего тензора макроанизотропии сопротивления. Отсюда следует, что система наблюдения при активной вдектромагнитном мониторинге должна Сыть ориентирована на слезенпе за всеми элементами тензора манроанизотроши.

Ь

О

2. МЕТОДИКА АНАЛИЗА ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ И ШФОЙНАТИВНОСТИ КОШОНШТ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ В СОВМЕЩЕННЫХ УСТАНОВКАХ В методах активного электромагнитного мониторинга проблема выбора оптимальной,чувствительной и информативной установки наиболее актульна. Миграция геоэлектрических границ,образоваяиеовых за счет геодинамических и геохимических процессов,очевидно, будет очень слабо отражаться в вдектромагнитном поле, возбуждаемом контролируемыми источниками.

В диссертации рассматривается только совмещенный вариант уста-

нобоя, обладающих однозначностью в привязке разультатов наблюдения, Критерием информативности и чувствительности, в случае гра-диентко-изотропвоа модели среда, является вхсздение пространственных производных электропроводности (или сопротивления) в полученные соотношения энергетического типа для компонент электромагнитного поля (декартовая система - Т£Ъ) :

- - р-н'й? ; |2-Н*(17 = 0 (2.1)

7 7

(ицрНу = - || |§и.;г)с17 + |г2<1тст(1ч (г.2)

у у

{идга2 = || Ци-Ш? - |2у(Ич^тй7 . (2.3)

7 7

= - |р(*-.Пау - гау|н-Ш7 (2.4)

7 V

РЕу = - ^(вгайр-Ш? + |нгр(Ш^0Т<17 (2.5)

7 " 7

РЕг = - ^рсЦч,!01^ . (2.6)

7 - 7

где источник стороннего тока, текущий в направлении оси ОХ,

задавался в виде

= 1Р5(г) ,

где Р - момент тока в точечном источнике, 3(1*) - дельта-функция Дирака,г - радиус-вектор точки наблюдения,1 - единична вектор направления стороннего тока.

Результаты анализа полученных энергетических соотношений .сводятся к следующему :

1. Коллинеарная компонента магнитного поля (2.1) чувствительна к анизотропии электропроводности, т.к. в случае изотропности однородно® среда, компонента Н^ будет равна нулю. Эта компонента представляет наибольший интерес для определения анизотропии электропроводности геологической среду в методах активного электро-магнитяогр мониторинга.

2. Наибольшей чувствительность«) к горизонтальный геоелектрнческим границам обладает ортогональная компонента магнитного поля Ну . В подынтегральное выражение (2.2) входит производная сопротивления по вертикальной координате. Если среда кусочно-постоянна,то объемныЯ интеграл преобразуется в поверхностный за счет появления, в результате дифференцирования, поверхностной дельта-функции на границах раздела сред.

3. Для изучения геоэлектрических свойств среда в горизонтальном направлении наибольший интерес представляет ортогональная компонента магнитного поля Н2, т.к. в подинтегральное выражение (2.3) входит производная сопротивления по горизонтальной координате у. В случае наличия вертикальных или субвертикальных гео-влектрических границ в кусочно-постоянной среде объемный интеграл преобразуется к поверхностному.

4. Наименьшей чуствительвостью к неоднородностяы геологического разреза при решении структурных задач обладает холлинеарная компонента блектрического поля (установки "петля в петле", "электрический диполь - электрический диполь"), т.к. в подинтегральное выражение соотнопевия (2.4) сопротивление входит в виде самой функции без ее пространственных производных. Магнитное поле пропорционально функционалу содержащему пространственные производные сопротивления и .кроме того, напрерывно на границах раздела сред с разными сопротивлениями. Поэтому ни первый обьемкый интеграл, ни второй в правой части (2.4) не позволяют преобразовать их в поверхностные за счет скачка сопротивления на геоалетрических границах.

5. Ортогональная компонента электрического поля Е^ (2.5), чувствительна практически к любоиу типу нео/лородности. Однако, учитывая,что магнитное поле Н„ максимально на дневной поверхности компонента Е^ будет содержать информацию,® основном, о приповерхностном распределении сопротивления.

£. Вертикальная компонента електрического поля Е„ (2.6) малоактуальна в связи с исчезновением вертикальной составляющей влектркческого поля вблизи дневной поверхности.

Очепидно.что с использованием теоремы о свертке,«окно осуществить переход во временную область в уравнениях (2.1) - (2.6) с учетом дисперсии вл-эктрсцроводности.

Получение соотношения оиергетаческого тепа, иогут бить рас-прсстрааеиы л на анизотропные модели. Детальный анализ чувствительности к инфорыатЕвноств компонент влектромагкатного поля к анизотропия влехтрепровдности позволил сформулировать принципы построения системы наблюдения пра активном влектроиапогпюы шситоринге,которые сводятся к следующему.

Система наСлЕдения, позволягсая регистрировать ин^срльцпи со изменение- тензора електропроводности в различных езаыутах, может гить реализована с вспользованном Ерз^ахсегося елгхтрсшпктаэгс

поля. Такая система наблюдения включает в себя два взаимно срто- . гональных источника, которые представляют собой либо электрический, либо магнитный, либо тот и другой одновременно, диполи. Ор!ентация такой системы наблюдения мохет быть произвольной. Для получения информации в различных азимутах сторонне токи изменяется во времени по следующим законам

= I Соя(;П+а), 1ст = I 31п(*1:+а), .

х О у О

где а - некоторый начальный угол, 10 - сила тока.

. Б этом случае можно сформировать электромагнитное поле произвольной ориентации. В центре установки измеряются компоненты Нх, 3 ,Н ,Е ,2 , что позволяет вычислять компоненты электромагнитного

у I X у

поля в произвольном направлении.

3.ПАССИВНЫЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ МОНИТОРИНГ Пассивный электроыагинтый мониторинг основан на изучении пространственно-временного распределения высокочастотного электромагнитного "шума", который традиционно рассматривался как помеха в классической электроразведке." В связи с этим изучение этого поля велось односторонне, в целях его подавления.

Как показывает экспериментальные и лабораторные исследования и теоретические расчеты, ЭМИ эндогенного происхождения несет полезную информацию о разрушении горной порода при геодинамяческях процессах, о местоположении зон разрушения и их енергетических характеристиках. Однако решение обратной задачи, а именно - локализация источников ЭМИ и определение их интенсивности на основе изучения пространственного распределения ЭМИ сдергивается неразработанностью теоретических основ их обработки. В связи с этим актуальным вопросом является вывод уравнения, которому подчиняется энергетическая характеристика ЭМИ.

Эмиссия электромагнитного поля представляет собой в точке наблюдения непричинную функции времени ограниченной вариации (вместе со своей первой производной по времени) и может Сыть представлена некоторым случайным процесса!,близкой к модели "белого шума",со следуютми свойствах®:

1. Среднее значение любой компонента электрического К или магнит-

ного Н полей по интервалу времени Т>>0 равно нулю

г+т 1 Г

" = т J

fi(r)<ir = 0, где, в системе координат XYZ,

t р = <WVWHZ}!

г+т „ „ г+т ,

в ни . г З1р(т)| з ни . г 8гц>(х)1

ТГ " I ] ТТ"-^ " * — = =

г г

4. Источник электромагнитной эмиссии имеет ограниченный носитель и его пространственные координаты не зависят от времени.

Тогда средний модуль эмиссии електромагиятого поля в каждой однородной и изотропной области будет подчиняться уравнению П-уяосона т2!?! = -!?1 , . (3.7)

где ?=Р(х,у,гД) - функция источника, определяющая пространственное распределение источников и их форму импульса.

Для горизонтально-слоистой модели геологической среды получены следукдие граничные условия :

1Н \1 = \Ъ (15=—1Я I2; |Е |'=1Е |а,0)3||Е I2;'

г х Ои г о2. 2 ас к 1 к 2о2 м

1Е |* = |5 1а,5,я|1Ё 1а;0,!Е 11-С 1Е 1г>5||Е I2.

у у у 202 у 1 х 2 х г о2 х

Компоненты Н^, Н не являются независимыми в граничных условиях и в дальнейшем не участвовали б ревекии прямой к обратной задач пассивного елехтромагнитнсго мониторинга.

Из уравнения (3.7) и граничных уелог.ий следует, что средний модуль (или интенсивность) вмисски электромагнитного поля зависит только от потерь в среде в от геометрического расхождения поля 1 (Г:. Источники ЭКЛ, как результат перехода механической зяергии в электрод.згнить'ую, характеризуют интенсивность современных геодп-»■■лс'.чоскнх процессов и «становление правой части в (3-7) по иьб-лгд-?;шому поли йК дает ьозисзяость количественно оценить эти процессы.

Для двухслойной среды, в которой распределены источники Э1М (в верхнем полупространстве с влектропроводностыз 0о источник ?о пахе дился на высоте го: в первой слое, толщиной й и влектропрсвод-¡пгтью С (, источник Р находился на глубине Ос:, <Ь ; ео втором

слое бесконечной толщины я электропроводностью сга источник ?2 находился на глубине гз>11 ) ревена прямая задача. Результаты решения использовались в дальнейшем для проверки постановки и репения обрзтной задачи пассивного электромагнитного мониторинга.

Решение обратной задачи состоит из двух этапов : первый включает в себя воссановление на границах раздела сред нормального поля источников,второй - непосредственное восстановление параметров источников, находящихся в слоистой среде.

Первый этап реиение обратной задачи основан на разделении поля 31Д1 по положению источников и реализуется в виде преобразования известного поля на дневной поверхности по миграционному типу. Второй атап вклзочает восстановление интесквности и местоположения источника ЭМИ в слое с использованием теоремы Пэрсеваля-Планшереля.

Получено реиение обратной задачи для двухслойной модели геологической среды, численная проверка которой рассматривалась на примере горизонтальных компонент электрического поля. В качестве модели была выбразй следующая : электропроводность верхнего полу-

-14

пространства соотЕествовала электропроводности воздуха ао=10 ; первый слой о электропроводность» 31=0.01 и толщиной Ь. = 50 м ; второй, бесконечной толщины, с электропроводностью оз= 1. С целью оценки точности репения обратной задачи один источник интенсивностью 100 В/м перемещался из первого слоя в низшее полупространство с шагом 10м. Поле расчитывалось на интервале р от О до 200м с иагом Др = 1м. Вычисленные параметры источника были сведены в таблицу (см. ниже), где левый столбец содержит перебор глуйш источника (в м),а второй и третий столбцы,соответственно,вычисленные величины глубины и Интенсивности источника.

=10 21 = 10.26 1 = 93.6

=20' = 20.42 1 =г 101.17

=30 = 30.53 1 ** я 103.74

=40 = 10.18 1 *» к 101.С

=60 га = 50.88 1 Ха а 82.2

=70 К = 57.8 1 *а = 79.6

=80 = 64 1 = 77

=90 = 70.29 1 1а = 74.5

Зтот пример, как и другие варианты' расчетов, дают удовлетворительную оценку параметров источников ЭМИ расчитэншл. по предложенному способу решения обратной задачи. Следует отметить, что точность определение параметров источника иокно повысить за счет увеличения интервала вычисления р. Так,например, увеличение интервала р с 200м до 400м для 90м дает следувдую оценку параметров источника : 2г= 83.9 и ; I = 92.14 В/и .

В работе рассматриваются вопросы технической реализации системы наблюдения пассивного електромагнитного мониторинга под которой понижается геометрические характеристики и пространственное распределение датчиков ЭМИ и аппаратурное преобразование сигналов. Как следует из решения обратной задачи, необходимо регистрировать в полевых условиях само поле влектромагнитной эмиссии и его вертикальную производную, что реализуется с использованием градиентных установок. Повтоыу под датчиком ЭМИ будем понимать техническое уат-яйстьо кзмэряяоее поле ЭШ1 и его вертикальную производную.

Аппаратурное преобразование сигнала от датчиков ЭШ сводится к .интегрированию его модуля в интервале времени Т, что реализуется аналоговыми устройствами (Рис.1)

РЕС.1

Результата проведенных исследований были использованы для определения современных геодинэыкческих процессов на Теплоьског пго-сади Дальнего Саратовского Заволвья.

По предложенному способу были обработаю: профиля Ni, N2, Ун дав-KKi олектроразведочных работ методом зондирования становления полк ь ближаег зоне (ЗСБ).-Работы проводились акционерным обкеством "СаратовнефтегеоСазакз" с использованием установки "петля в петле". Обработка проводилась с целью определения среднего модуля Ж'. (СУ. ЭЖ) вертикальной составляхцей модуля индуюси магнитного поля оЗ;/Э1. Для етого в процедуру обработки дакни ЗСЬ' была включена программа вычисления величины СИ Э1П (влэктрсы&гнатного "гумэ"). ксгорзя выделялась из суммарного наблюденного поля путем вычита-нял из него осредненного (свободного от помех) сигнале становления

поля. Иными словам, "помеха" оценивалась не з метрике Ьг, а а метрике X). Для хаащоа точки наблюдения каждого профиля вычислялась величина среднего модуля "помехи" - СМ ЗМИ.

Анализ условий проведения полевых работ и зсзмсжых помех экзогенного ггроисхождекая показал, что последние ие оказывают влияния на характер кривых СМ 2МИ. Поэтому бил сделан вывод, что поведение кривых непосредственно связано с эндогенными источниками ЗМ11.

Результаты ресеная обратной задачи для аномальней части графиков СМ ЭМИ по профилям дали следуглиг оценки источников эмиссия электромагнитного поля :

1). Профиль ГЛ : интенсивность - ёСмкВ мессполокяенле верхней кремга вертикальной полосы - 10м, нижней кромки - 150м.

2). Про&мь Л2 : интенсивность - 20СмкВ местоположение верхней кремхи вертикальней полосы - 1м, н;жней - ЭССм.

Результаты вкполненых работ сводятся к следующему.

1. Определена концепция электромагнитного мониторинга современных геедянамяческих процессов. Сформулированы цеди и обоснована постановка задач электромагнитного мониторинга. Определены объекты исследования при активном и пассивном мониторинге.

2. В основе методов активного мониторинга лежат представления, что современные геодивемические процессы отражаются в макроскопических электрофизических параметрах горных пород. Для выяснения характера проявления геодинамячеких процессов проведено дальнейшее совершенствование метода осреднения зависимости электропроводности от пространственных координат о цель» проведения математического моделирования структурно-текстурной перестройки горной породы.

3- Проведено метематяческое моделирование некоторых гесдинами-чвеких процессов. Показано, что они отраяаются в тензоре макроанизотропии электропроводности. Выяснен характер проявления необратимых деформаций горной породы в электрофизических параметрах. 4. Установлено, что тензор макроанизотропии служат информационным параметром струкуряо-текстурноЯ перестройки горной породы. Текзср макрсанизотрспии сопротивления является конкретным объектом исследования при активном электромагнитном мониторинге. Разработка систем наблюдения, регистрации и решения обратных задач активного

ысниторинга должно проводится с цель» получения информации об анизотропных характеристиках геологической среды. С этой целью впервые получены соотношения енергетического типа для всех компонент электромагнитного поля в сомещенньгх установках, показывающее характер сбязи компонент электромагнитного поля и неоднород-ностей геоэлектрического разреза. Проведен анализ полученных урэЕнекй с целые построения системы наблюдения активного электромагнитного мониторинга в совмещенном варианте.

5. Предложена система наблюдения активного электромагнитного мониторинга в совмещенном варианте, основанная на вращающемся электромагнитном поле. Сочетание вращающегося поля и многокомпонентной регистрации позволяет аффективно и в полном обьеме проводить слежение за изменениями анизотропных электрических параметров геологической среды.

6. Проанализирован характер изменения сигнала ЭМИ во времени, сформулированы его математические свойстза. Построена математическая модель эмиссии электромагнитного поля,что позволило впервые сфср/улкровать прямую и обратную задачи пассивного электромагнитного мониторинга. На основе построенной математической модели установлено, что средний модуль любой компоненты ЕМ'.' зависит только ст пространственного распределения электропроводности к геометрического расхождения электромагнитного ноля. Линейное дифференциальное уравнение (уравнение Пуассона) относительно среднего модуля 3!Л: и получение граничное условия пезволяит ресать пряму» и, обратную задачи пассивного ВЛСКТрСЫаГНИТКСГО мониторинга.

7. Для ы:дели двухслойной среды, в которой распределены точечные

р^гела прнмал задача пассивного элоктр'-ыапитного мо-'¡'лг.ср'.и'Га. '-¡пелеыше расчеты использовались в дальнейшем при гытпелптельдем эксперименте для ресения обратной задачи.-

8. ?е~гна обратная задача для дзухслсй-ой мелели ср~ды - спр^де-л -кы 1".:гтепс'/:;:!ость исто-шика и его местоположение а простройгтьс. Г.-казапо, что алгоритм основанный ка теореме Планпереля-Парсеваля дэтт удовлетворительную оценку параметров источников.

?. Б работе обоснована возможность обобщения результата р-г-щг'Ш'.я задачи яг- — льнув п-слойную модель геологический

10. Рассмотрены основные принципы построения система наблюдения ори- пассивном электромагнитном мониторинге и конструирование датчиков ЭМИ. Определена схема аппаратурной регистрации сигналов эмиссии электромагнитного поля.

11. На основе выполняла исследованиях разработаны теоретические я методические ссноеы пассивного электромагнитного мокаторжга. Опробование способа преобргэоаания сигнала ЯМ, выполненсе на Теплсвскей плодзди, в слоаяспостроеных геологических условиях Бузулукской впадины, показало 'зозмсяноеть получения информации сб активных зонах современных геодинамических процессов.

Такая образом, защищаются еледукете наудше положения :

1. Методика осреднения градиентных и градкентпо-анизотропных, моделей локальной электропроводности, псзволязшая оценивать влияние структурно-текстурной перестройки! горней породы на эффективные электрические параметры.

2. Методика анализа чувствительности и.информативности компонент электромагнитного поля в совмещенных установках к неоднородности! геологического разреза, позволякщая определить принципы построения системы наблюдения активного электромагнитного мониторинга.

3. Математическая модель эмиссии электромагнитного поля. Принципы реаения обратной задачи и построения систем наблюдения при пассивном электромагнитном мониторинге.

основные положения диссертации опубликованы в следующих работах :

1. Александров П.Н. Об обратной задаче геофизического мониторинга. // Недра Поволжья и Прихаеппя. - 1993. - N5 - С.60-61.

2. Александров П.Н. Эффективная электропроводность горной породы и современные геодкЕаничесхаэ процессы. Деп. в ВИНИТИ,М., 1993, Н1885-В93, 29с.

3. Александров П.Н. О гейфазическоы мониторинге Тевгизского мес-торсадения. Деп. в ВИНИТИ,М.,1992,]?532-Б92.-15с.

К. Александров П.Н. Обоснование использования анизотропных моделей в геевдектрике. - В сб. Построение фазико-геологическсй модели и системный подход при истолковании геофизических исследований.

Пер&*ь, 1989, С.25.

5. Александров П.Н. Зависимость эффективного сопротивления от частоты при учете диэлектрической проницаемоти. - Е сб. Построение физико-геологической модели и системный подход при истолковании геофизических исследований, Перл,, 1990, С.47-48.

6. Александров П.Н. Макроанизотропия слоисто-анизотропных сред. -В сб. Построение физико-геологической модели и системный подход при истолковании геофизических исследований. Пермь, 1993. С.35-36.

в