Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Круговые исследования в электроразведке

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

Автореферат диссертации по теме "Круговые исследования в электроразведке"

1^НИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ' МОСКОВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ГЕОЛОГОРАЗВЕДОЧНАЯ

АКАДЕМИЯ

на правах рукописи

Назарова Марина Вадимовна

КРУГОВЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ В ЭЛЕКТРОРАЗВЕДКЕ

Специальность 04.00.12.-Геофизические методы поисков и разведки

месторождений полезных ископаемых

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1997

Работа выполнена в Московской Государственной Геологоразведочной Академии

Научные руководители: доктор технических наук,

профессор Ю.В. Якубовский

доктор физико - математических наук,

профессор Г.Ц. Тумаркин

Официальные оппоненты: доктор геолого-минералогических наук,

профессор В.К. Хмелевской

кандидат технических наук, профессор B.C. Зинченко

Ведущая организация : ЦНИГРИ

Защита диссертации состоится "2.6 " июня 1997 года в 15 часов на заседании Специализированного Совета Д.063.55.03 при Московской геологоразведочной академии по адресу : 117485, г. Москва, ул. Миклухо - Маклая, 23, ауд. 6 - 38 .

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан " -{9 " мая 1997 г.

Ученый секретарь Специализированного совета

профессор Ю.И. Блох

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Зависимость аномалий, наблюдаемых в методах электроразведки, от ориентации первичного поля общеизвестна и широко используется при выборе электроразведочных установок и ориентации профилей, вдоль которых обычно направлено первичное поле.

Наряду с этим, в различные годы выполнялись исследовательские работы и применялись методики полевых работ, при которых специально изучалась зависимость информационных параметров вторичного поля от ориентации превичного.

К числу первых работ подобного рода следует отнести круговое профилирование методом сопротивлений при исследовании электрически неоднородных сред. (В.Н.Дахнов 1953 г., А.И.Заборовский 1941 г).

Позднее возможности подобной модификации профилирования были исследованы применительно, главным образом, к картированию крутопадающих плохопроводящих пластов. (И.М.Блох, Е.А.Шемякин 1957 г).

В 19 г Э.Г.Порфилкиным была предложена модификация электропрофилирования, при которой измерения кажущегося сопротивления в каждой точке исследуемой площади выполнялись при двух взаимно - перпендикулярных направлениях питающих линий.

Позднее эти работы в скважинном варианте были продолжены Н.Е. Фоменко и C.B. Вонсовичем.

Следует отметить, что теоретический и методический уровень упомянутых выше исследований соответствовал возможностям современных им физико-математических и эксперементальных

методов геоэлектрического моделирования и измерительным возможностям электроразведочной аппаратуры.

В частности, моделирование аномальных эффектов осуществлялось в аналоговой форме (обычно в баках) для простейших модельных ситуаций, в которых источники аномального поля обладали бесконечно большим или бесконечно малым сопротивлением. Измерялась одна какая-либо компонента поля, а в качестве информационного параметра использовалось кажущееся сопротивление.

К настоящему времени ситуация в отношении разработки теоретических основ круговых исследований в методах электроразведки постоянными полями существенно изменилась.

Во первых, возможности физико-математического моделирования существенно расширены в связи с развитием вычислительной математики. Появилась возможность моделирования сложных геоэлектрических ситуаций применительно к конкретным условиям исследуемой площади и использования результатов моделирования при интерпретации данных моделирования для конкретных условий.

Во вторых, появление нового поколения многоканальной электроразведочной аппаратуры с цифровой регистрацией обосновывает возможность применения более сложных систем возбуждения поля и его векторных измерений. Цифровая регистрация позволяет также использовать более сложные системы обработки результатов измерений и их компьютерный анализ .

Приведенные выше соображения обуславливают актуальность проблемы разработки теоретических основ методов электроразведки постоянными (а затем переменными) полями, в которых информация о характере геоэлектрического разреза извлекается из зависимости аномальных эффектов от ориентации первичного поля.

Целью настоящей работы явилось теоретическое обоснование таких методик полевых работ методами сопротивлений и ВП, в которых основным способом получения информации о геоэлектрических разрезах является изучение зависимости аномального поля от ориентации первичного поля.

В связи с высказанными выше соображениями, перед авторами работы стояли следующие конкретные задачи :

1. Исследование зависимости аномального поля от направления первичного поля над геоэлектрическими моделями различной стуктуры.

2. Использование этой зависимости для разработки рекомендаций по методике проведения электроразведочных работ методами сопротивлений и ВП .

3. Разработка рекомендаций по обработке и способам представления результатов работ.

Научная новизна :

1. модифицирован алгоритм расчета потенциала поля точечного источника в присутствии неэквипотенциального проводника произвольной формы НЕЭКВИП.

2. впервые выполнено физико-математическое моделирование для конкретных геоэлектрических ситуаций и на основе этого показано, что круговые исследования дают дополнительную информацию о характере геоэлектрического разреза. Характер этой дополнительной информации для каждой конкретной геоэлектрической ситуации должен определяться посредством физико-математического моделирования .

3. предложены новые приемы обработки и изображения результатов круговых исследований, в том числе, компьютерный анализ данных полевых работ в интерактивном режиме.

Практическая ценность работы состоит в повышении информативности детальных электроразведочных работ на рудных месторождениях путем более широкого использования круговых исследований и предложенных в диссертации способам обработки их результатов.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы опубликованы в двух статьях, тезисах научных конференций "Новые достижения в науках о Земле" в 1994, 1996 гг, тезисах научной конференции "Новые идеи в науках о Земле" в 1997 г.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, двух глав и заключения. Она содержит 106 страниц, включая 30 рисунков. Список литературы включает 55 наименований. В приложения включены основные фактические материалы физико-математического моделирования в виде карт и графиков.

Защищаемые положения.

1 Разработанная автором модификация алгоритма НЕЭКВИП и соответствующая ей программа POLE позволяет быстро и с практически достаточной надежностью расчитывать постоянные поля и поле ВП в электрически неоднородных средах.

2 Изучение зависимости аномалий от ориентации первичного поля в сочетании с векторными измерениями его дают существенную информацию о характере геоэлектрического разреза. В каждом конкретном случае эта зависимость должна изучаться путем физико-математического моделирования конкретной геологической ситуации и затем учитываться при интерпретации результатов полевых работ.

3 Предложенные в диссертации и обеспеченные соответствующими программами методы обработки и изображения результатов круговых исследований могут быть использованы при обработке

соответвующих полевых наблюдениях. Особое внимание при этом должно быть обращено на компьютерный анализ результатов круговых исследований в диалоговом режиме, позволяющий анализировать зависимость аномальных эффектов от ориентации первичного поля.

Работа выполнена на кафедре ЗГМ Московской Государственной Геологоразведочной Академии. Автор выражает глубокую благодарность научным руководителям проф. Ю.В.Якубовскому и проф. Г.Ц.Тумаркину за помощь и поддержку, а также благодарит проф. Д.С. Даева и весь коллектив кафедры ЭГМ за доброжелательное отношение и ценные замечания.

Автор выражает признательность старшему геофизику геофизической партии Зыряновской ГРЭ Лукичевой И.Г. за помощь в отладке и аппробации программы расчета поля, а также коллективу кафедры общей физики МГГА за поддержку.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении содержатся краткие сведения об истории круговых исследований в электроразведке постоянными полями, обосновывается актуальность исследований по развитию физико-математических основ подобного рода работ, сформулированы основные цели исследований, их научная новизна и защищаемые положения.

В первой главе изложена методика физико - математического моделирования результатов круговых исследований в постоянных полях и полях ВП .

В качестве модели первичного поля использовалось однородное постоянное электрическое поле, направление которого можно было

менять. Выбор модели поля связан с простотой его реализации, а также с тем, что такое поле можно реализовать в методах сопротивлений и ВП. Именно к этим методам, в первую очередь, относятся результаты модельных работ.

Существует множество способов численного решения задачи для распределения аномального эффекта, созданного электрическим полем в неоднородной по электрическим свойствам среде. Среди них следует отметить метод конечных разностей (МКР), метод конечных элементов (МКЭ), метод интегральных уравнений (МИУ). МКР посвящены работы Ильина В.П., ЖдановаМ.С., Голубева Н.Г., Спичак В.В., Юдина М.Н., Шкабарни Н.Г. и др.. Алгоритмы решения задачи таким методом были разработаны и реализованы применительно к постоянному полю Dey А. и Morrison H.F., Кусковым В.В.,Бастис А.И.. Размеры области дискретизации при использовании МКР значительно превышают размеры исследуемых неоднородностей. На границах области задается тот или иной тип граничных условий, а дифференциальный оператор заменяется его разностным аналогом, связывающим значение потенциала в узлах сетки. Получаемые системы уравнений имеют большую размерность, матрицы коэффициентов систем сильно разрежены, а сами коэффициенты связаны с распределение электропроводности и геометрией сетки. Конечно-разностный подход привлекает своей простотой и универсальностью, однако требует больших затрат машинного времени и памяти .

Размеры области дискретизации значительно сокращаются при использовании метода интегральных уравнений (МИУ). В МИУ электрическое поле рассматривается как сумма нормального и аномального полей. Источниками последнего являются заряды,

индуцируемые в местах нарушения неоднородности среды. В результате задача сводится к интегральному уравнению Фредгольма второго рода для поверхностной или объемной плотности аномалие-образующих источников. МИУ используют в своих работах Варен-цов И.М., Barthes V., Vasseur G., Мартышко П.С., Дашевский Ю.А. и другие.

Первый подобный алгоритм был разработан Моисеевым B.C. (СНИИГИМС) для заряженного плоского эквипотенциального проводника произвольной формы. В нем использовалось выражение для потенциала поля тонкой заряженной однородной прямоугольной пластинки. Аналогичные алгоритмы были разработаны в Свердловском горном институте, в НПО "Рудгеофизика" Семеновым М.В., Литвиновой И.М., Элиашберг A.M., ГуревичемЮ.М. для эквипотенциальных и неэквипотенциальных проводников заряженных или незаряженных , находящихся в поле постоянного источника тока. Позднее в МГУ Модин И.Н., Перваго Е.В., Смирнова Т.Ю., Яковлев А.Г. разработали эффективный алгоритм расчета потенциала поля, создаваемого источником постоянного тока для геоэлектрической модели любой степени сложности. Аномальное поле, созданное неоднородностями, представлялось как поле простого слоя источников на границах раздела сред с разными электрическими сопротивлениями. При этом использовалась функция Грина для однородного полупространства с единичным удельным сопротивлением . Интегральное уравнение для токов сводилось к системе линейных уравнений, которая решалась методом Гаусса.

При решении поставленной нами задачи использовался алгоритм, разработанный в НПО "Рудгеофизика" и предназначенный для вычисления потенциала поля точечного источника в присутствии

неэквипотенциального проводника произвольной формы. Суть его заключается в том, что весь объем аномалиеобразующего тела разбивается на п равновеликих кубиков так, чтобы условно принять поле внутри каждого кубика постоянным и равным полю в центре кубика. При этом поле в центре кубика находят как поле электрического диполя по формулам для вписанного шара. (Принимается, что внешнее поле влияет на поле внутри кубика также как в шаре). Внешнее поле ищется методом последовательных приближений. Аналогичный алгоритм только для магниторазведки был разработан Блохом Ю.И.

При реализации этого алгоритма для конкретной задачи однородного поля в неоднородной по электрическим свойствам среде получено интегральное уравнение Фредгольма второго рода для вектора аномального поля. Это уравнение сводится к решению системы алгебраических уравнений для каждой компоненты поля. Учитывая ограничения к объему памяти, система линейных уравнений решалась методом последовательных приближений. При этом элементы матрицы Гессе перевычислялись на каждой итерации. Это значительно увеличивало время вычислений, а при больших контраст-ностях между сопротивлениями вмещающей среды и неоднородности приводило к расходящемуся процессу, В связи с этим интегральное уравнение Фредгольма было преобразовано нами для ликвидации особенности под знаком интеграла. Такое преобразование позволило значительно сократить число итераций, определяемое точностью расчета, и тем самым снизить затраты машинного времени.

Такой алгоритм был численно реализован в Зыряновской ГРЭ в 1990 году применительно к задачам метода электрической корреляции разрезов скважин, создана программа расчета постоянного

электрического поля в присутствии неонородностей произвольной формы. Она прошла тестирование по теоретическим формулам для эллипсоида и использовалась при интерпретации результатов полевых работ методами МЭК, МЗТ на Малеевском месторождении в геофизической партии Зыряновской ГРЭ.

На этой основе создана программа POLE для расчета аномального поля при различной ориентировке первичного постоянного электрического поля по площади с постоянным шагом. Блох Ю.И. показал, что при разбиении объема тела на элементарные кубики, размер этих кубиков устанавливается меньше утроенного расстояния до верхней кромки аномалиеобразующего тела; это подтверждается расчетом поля при различном размере элемента.

Вторая глава посвящена результатам моделирования. Объем модельных работ может быть охарактеризован типом моделей над которыми исследовалось поля.

В ходе проведенных исследований были расчитаны аномальные поля от различных геоэлектрических моделей. Поскольку многие геологические объекты можно аппроксимировать эллипсоидами, то в качестве первоначальной модели исследований выступали именно они. Модель эллипсоида хороша тем, что при различном соотношении осей его можно рассматривать как шар, эллиптический цилиндр, диск.

Были рассчитаны модуль аномального поля и его компоненты по профилям при различной ориентировке перинного поля (поле вращалось в различных плоскостях), получено распределение поля по площади от одиночного эллипсоида. При этом менялось соотношение сопротивлений объекта и вмещающей среды .

Для тестирования расчетов по программе POLE был произведен расчет по теоретическим формулам для напряженности первично

однородного электрического поля в присутствии эллипсоида произвольного сопротивления. Выявлено, что характер зависимости, особые точки совпадают, максимальные отличия наблюдаются над центром и составляют порядка 3-5 %. Они могут быть объяснены погрешностью алгоритма, вычислительной погрешностью, погрешностью разбиения эллипсоида на элементарные кубические элементы.

При этом потребовались вычисления эллиптических интегралов первого и второго рода, в связи с чем при вычислении поля использовалась математическая библиотека "Numerical Recipted". Изучались аномальные поля над эллипсоидами различной контрастности по профилю и по площади. Установлено смещение особых точек по профилям, если первичное поле не совпадает с профилем наблюдений.

Рассчитывался аномальный эффект в присутствии двух эллипсоидов с целью установления зоны взаимовлияния объектов.

Строго говоря, лишь отдельные геоэлектрические неоднородности могут аппроксимироваться эллипсоидами. Большей универсальностью в этом отношении обладают параллелепипеды, из которых можно конструировать модели разной степени сложности. Поэтому следующим этапом моделирования было исследование электрического поля над одиночным или системой параллелепипедов с различным соотношением сопротивлений последних и окружающей среды, различной глубиной до верхней кромки (h), различной вертикальной мощности. Установлено, что влияние нижней кромки пласта становится пренебрежимо мало, когда глубина до нее становится равной порядка 7-10h.

Кроме того, было проведено математическое моделирование и проанализирована зависимость аномального эффекта от направления первичного поля для параллелепипедов различного простирания при различным направлением профилей по отношению к простиранию объектов.

Для упрощенной модели рудного месторождения были посчитаны модуль и компоненты аномального поля. При этом направление первичного поля менялось с определенным шагом. Зависимость аномалий от ориентировки первичного поля вела к тому, что при изменении направления первичного поля в аномальном поле проявлялись сначала одни объекты, потом другие, влияние же первых затушевывалось. Это происходило из-за того, что хорошо проводящие объекты плохо проявляются в аномальном поле, если первичное поле направлено перпендикулярно их простиранию, а тела повышенного сопротивления плохо проявляюся, если первичное поле направлено по простиранию.

Поле ВП расчитывалось в соответствии с алгоритмом Комарова -Зигеля. Для исследования зависимости поля ВП от направления поляризующего поля проводилось математическое моделирование для одиночного вертикального пласта, для двух пластов, ориентированных под углом к системе профилей и для модели месторождения. Характер зависимости поля ВП от направления поляризующего поля сохраняется.

Способы представления результатов результатов моделирования определились спецификой исследуемой зависимости аномальных параметров поля от ориентировки первичного поля.

По результатам модельных работ строились графики и карты графиков модуля и компонент аномального поля для каждого направления первичного поля. В виду сложного характера получае-

мых результатов дополнительно были отстроены карты векторов аномального поля для разных направлений возмущающего поля.

Для одиночного эллипсоида построены графики зависимости модуля аномального поля от угла между направлением первичного поля и системой профилей в случае, когда сопротивление эллипсоида больше сопротивления вмещающей среды, и для случая, когда сопротивление эллипсоида меньше сопротивления среды. Для некоторых моделей отстроены круговые диаграммы зависимости модуля аномального поля от направления первичного поля. Получены графики распределения параметра Е^уЕ^по профилям.

Результаты моделирования осложнены случайной помехой и для этого случая отстроены графики компонент поля и круговые диаграммы. Интересно отметить, что круговые диаграммы вытягиваются по простиранию над хорошо проводящим объектом и перпендикулярно простиранию над плохо проводящим объектом, вдали от аномалиеобразующих тел диаграммы имеют изометричную форму, что может быть использовано при разработке соответствующих методик обработки данных круговых исследований.

Все указанные выше приемы обработки и изображения результатов програмно реализованы на ЭВМ. Соответствующие программы могут быть использованы и при обработке полевых материалов.

Специальная программа GEO позволяет интерпретатору анализировать динамику трансформации аномальных компонент поля в процессе постепенного изменения ориентации возмущающего поля и тем самым как бы отфильтровывать аномальные эффекты, связанные с телами различной контрастности и простирания, что является особенно актуальным в случае сложных слабоконтрастных сред.

При проведении модельных работ были получены следующие

основные результаты:

1) На примере простых модельных ситуаций и их комбинаций (для конкретных геоэлектрических моделей) установлен характер зависимости от ориентировки первичного поля аномалий, наблюдаемых в постоянных электрических полях и полях, связанных с объемной поляризацией.

2) Предложены и опробованы различные приемы обработки и представления результатов полевых работ, в том числе и приемам, использующим компьютерный анализ зависимости аномалии от ориентировки первичного поля. Эти приемы обеспечены соответствующими программами и реализованы на ЭВМ.

3) В целом создано обоснование методик полевых работ, в которых источником информации о геологическом строении исследуемой площади является зависимость аномалий (модуля и вектора аномального поля) от ориентировки первичного поля.

Зависимость аномального поля от ориентировки первичного поля позволяет рекомендовать следующую методику полевых работ и обработку результатов.

Для возбуждения первично-однородного вращающегося поля це-лесооборазно использовать две взаимно-перпендикулярные питающие линии АВ.

Если есть основания полагать, что отсутствует анизотропия разреза по электрическим свойствам, достаточны векторные измерения аномального поля при равной силе токов в обоих линиях. Если (что часто наблюдается в реальных геоэлектрических разрезах) имеется анизотропия, то соотношения токов в питающих линиях необходимо менять, ступенчато меняя таким образом ориентировку первичного поля.

Съемочные планшеты следует ограничивать сторонами, равными 1/3 (или 1/2)АВ. Форма съемочной сети и ее ориентировка должна, как обычно, определяться предполагаемыми размерами и формой объектов-источников аномалий. Для измерения двух компонент аномального поля (по профилю и перпендикулярно к нему) можно использовать две системы приемных взаимноперпендикулярных линий МЫ.

По результатам работ целесообразно строить карты графиков аномального поля, карты векторов, круговых диаграмм, графиков зависимости аномального поля от ориентировки первичного поля. Искажающее влияние случайных помех может быть снижено построением круговых диаграмм модуля аномального поля.

Предлагаемая методика обработки результатов связана с построением большого количества карт графиков и векторов, поэтому основное внимание должно уделяться комьютерному анализу результатов наблюдений и связана с возможностью аппаратуры работать в режиме накопления данных с последующей загрузкой этих данных в ЭВМ. Разработанная программа обработки данных позволяет интерпретатору в интерактивном режиме просматривать аномальные эффекты, меняя направление первичного поля.

Очевидно, что по сравнению с обычно применяемыми предлагаемая методика полевых работ будет более трудоемкой и более дорогой. Соответственно, основной объект ее применения - детальные поисковые или картировочные работы в пределах площадей, выделяемых по результатам предшествующих геологических и геофизических исследований.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В настоящей диссертации содержится лишь теоретическое обоснование методик полевых работ с применением вращающегося поля. Актуальной является проблема разработки самих методик и их практическое опробование на различных геологических объектах.

Измерения подобного рода следует выполнять при помощи многоканальной аппаратуры с цифровой регистрацией. Примером такой аппаратуры для метола ВП является станция МСВП-8.

Целесообразна разработка комплекса аппаратуры, в которой вращающееся поле создается при помощи двух ортогональных линий, питаемых токами очень низкой частоты (например 4.88Гц), сдвинутыми по фазе на 90^ Моменты измерения компонент поля в этом случае должны быть синхронизированными по фазе с токами в питающих линиях. Аппаратура должна быть многоканальной, с цифровой регистрацией сигналов и возможностью введения данных в ЭВМ.

Рекомендовано продолжение физико-математического моделирования для других методов и, в первую очередь, для низкочастотных индуктивных методов применительно к поискам хорошо проводящих и магнитных руд .

Основные положения диссертационной работы изложены в статьях:

1 Назарова М.В. Исследование зависимости аномального поля от направления первичного поля. //Изв.вузов. Геология и разведка. 1995

- №1. сЭб-101.

2 Назарова М.В. Компьютерное моделирование пространственной структуры электрического поля при наличии неоднородности среды. //Тезисы докладов международной конференции Новые достижения в науках о Земле. - М. : МГГА, 1996. с172.

3. Назарова М.В. Исследование зависимости аномального поля от направления первичного поля для постоянных электрических полей. //Тезисы докладов международной конференции Новые идеи в науках о Земле. - М. : МГГА, 1997. с215.

4. Назарова М.В. Вращающееся поле в электроразведке. // Изв.вузов. Геология и разведка. 1997. -№2. с156-158

5. Якубовский Ю.В., Назарова М.В. Об одном алгоритме решения прямой задачи в трехмернонеоднородных средах для постоянных электрических полей. // Тезисы докладов международной конференции Новые достижения в науках о Земле. - М. : МГГА, 1994. с77.