Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Математическое моделирование электромагнитных зондирований поляризубщихся сред и проблема высокоразрешающей электроразведки

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

Автореферат диссертации по теме "Математическое моделирование электромагнитных зондирований поляризубщихся сред и проблема высокоразрешающей электроразведки"

российская академия наук

ОБЪЕДИНЕННЫЙ ИНСТИТУТ ФИЗИКИ ЗЕМЛИ ИНСТИТУТ ГЕОЭПЕКТРОМаГНЕТНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

На правах рукописи

АГЕЕВ Владимир Викторович

УДК 550.837

Математическое моделирование электромагнитных зондирований поляризующихся сред и проблема высокоразрешающей электроразведки.

Специальность 04.00.12 - геофизический методы поисков ч разведки месторождений полезных ископаемых.

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации аа соискание ученой степени кандидата физико-математических наук.

Москва - 1997 г.

Работа выполнена в ИНСТИТУТЕ ГЕОЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ОБЪЕДИНЕННОГО ИНСТИТУТА ФИЗИКИ ЗЕМЛИ РАН.

Научный руководитель - доктор технических наук,

профессор Б.С.Светов.

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Ю.В.Якубовский

кандидат физико-математических наук А.Г.Яковлев.

Ведущее предприятие - Центральный научно-исследовательский геологоразведочный институт (ЦНЙГРИ)

Защита состоится 26 нюня 1997 г. в часов на заседании Специализированного Совета Д.063.55.03 при Московской Государственной геологоразведочной Академии по адресу!117485,Москва,ул.Миклухо-Маклая,23, ауд 6-38

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГГА. Автореферат разослан мая 1997 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета --Ю.й.Блох

доктор физ.-мат.наук Г^Ц/р^^Х

- 1 -

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность проблемы. Понятие высокоразрешающей электроразведки (ВРЭ) возникло с esрдением в практику электроразведочных работ методика зондирований становлением поля в ближней зоне и интерпретации, основанной на дифференциальной S трансформации исходной кривой становления, которые были предложены Сидоровым S.A., Тикэтевым Б.В. (1969). При обеспечении достаточной точности полевых измерений на кривых ЗСБ стали выделять слабые локальные особенности, которые во многих случаях увязывались с закономерностями геологического разреза. По выделенным особенностям выполнялось построение многослойных разрезов, содержащих тонкие проводящие слои. В рамках классической теории электродинамики гомогенных сред атст феномен не находил объяснения и его достоверность продолжает оспариваться. Тем не менее за последние гозк накоплен огромный опыт полевых работ, демонстрирующий хорокую корреляцию вру с данными ГИС и сейсморазведкой- Зтя работы выполняются разными коллективами по разным технологиям: зондирования становлением поля методом многократных перекрытий ЗСл'П (Тяхшэев В,В. 1985 г.), зондирования с закреплевкым источником ЗСЗИ (Сафонов А.С.,Муиин H.A., Киселев B.C., Горюнов A.C. 1996 г.), морские зондирования ЗСБ-ИВП (Сочельников В.В., Небрат А.Г. 1994 г.).

Среди возможных причин, объясняющих природу локальных особенностей на кривых становления поля, многими авторами рассматривается низкочастотная дисперсия (НЧД) проводимости горных пород (поляризуемость). Однако недостаточная изученность влияния КЧД на результаты зондирований реальных многослойных сред с разнообразиями законами НЧД проводимости не позволяет однозначно обосновать природу локальных особенностей и разработать эффективную методику полевых работ и способы интерпретации данных ВРЭ. Эти соображения, а также необходимость выявления и учета поляризационных искажений при интерпретации электромагнитных зондирований в поляризующихся средах определили актуальность выполненных исследований.

Цепь работы: Еа основе систематического исследования влияния НЧД проводимости на результаты гг.ехтромагниткых зондирований (э.и.з.) выяснить, как искажаются кривые таких зондирований вследствие НЧД проводимости отдельных слоев разреза, какие особенности, выделяемые при ВРЭ, могут быть объяснены НЧД, а

какие - нет, и к чему приводят принятые способы интерпретации таких особенностей без учета поляризационных закономерностей. Задачи исспедававши: На основе математического моделирования э.м. полей различных возбудителей в присутствии горизонтально слоистой поляризующейся среды

1)выяснить разнообразные формы проявления НЧД проводимости при э.м.з. и основные закономерности, сопровождающие эти эффекты.

2)сформулировать основные принципы постановки полевых исследований, обеспечивающие получение достоверной информации о проводимости, поляризуемости и глубине залегания выделяемых пластов.

3)охарактеризовать отличия в подходах к интерпретации данных э.м.з. в поляризующихся и непопяризующкхся средах.

Научна» новизна: Результаты выполненного математического

моделирования показали, что:

- низкочастотная дисперсия электропроводности может приводить к появлению локальных особенностей на кривых становления паяя, аналогичных выделяемым в "васокоразрешак.щих методах электроразведки" .

- эти особенности ве должны рассматриваться как непременное проявление отдельных поляризующихся слоев разреза, а свидетельствуют лишь о иротекании в разрезе поляризационных процессов с разншш постоянными времени.

- в сложных иерархически устроенных средах с несколькими одновременно протекающими поляризационными процессами каждый процесс н каждый характерный элемент среды, приводящий к дисперсии электропроводности (разные системы пор, зернистость разных размеров и т.д.), проявляются в данных электромагнитных зондирований самостоятельно, а не в виде среднего эффективного процесса поляризации.

- задача интерпретации данных э.м.з. в поляризующихся средах принципиально неоднозначна. Для правильной интерпретации необходимо либо располагать достаточной априорной информацией, либо проводить дополнительные э.м. исследования (на разных разносах, при разных возбудителях).

Практическая значимость результатов. Установлено, что

обычно применяемый традиционный подход к интерпретации данных э.м.з. не может быть применен к поляризующимся разрезам. Он приводит к ошибочным заключениям. Показано, что э.м.з. в поляризующихся средах с соответствующим учетом влияния НЧД можно

проводить только при индукционном возбуждении поля. Установки с гальваническим возбуждением и првемом поля эффективны для изучения поляризационных процессов.

йпробацня работы. Основные результаты работы докладывались на международной научной конференции "Неклассическая геоэлектрика" (Саратов,1995), международной геофизической конференции "Электромагнитные исследования с контролируемыми источниками" (С.-Петербург,!996}, на 58 международной конференции EAGE (Амстердам, 1996), российско-германском семинаре "Актуальные проблемы электромагнитных зондирований Земли" (Москва, 1997), а также на секции ученого совэта ВНИИГеофизики (1997). Цубпикацйн« Основное содержание диссертации опубликовано в б работах,

O&seit а структура работа?. Диссертация содержит 115 страниц текста, включает в себя 40 рисунков н список литература из 73 наименований. Работа состоит нз введения, трех глав и заключения. Во введении дано обоснование актуальности темы диссертации, определены цели и основные задачи работы, сформулированы основные защищаемые положения, показана их новизна. В главе 1 проанализировано современное состояние проблемы ВРЭ и сделай обзор рабст по НЧД электропроводности горных пород, во 2 главе обосновывается закон частотной дисперсии проводимости в виде формулы Cole-Cole, как основной закон для последующего моделирования, и рассматривается модификация этого закона для сложно построенных иерархических сред. В 3 главе приводятся результаты математического моделирования и анализ электромагнитных зондирований поляризующихся горизонтально-слоистых срод. В заключения работы сделаны обобщающие выводы и намечены пути дальнейшие исследований в направлении создания методнхи проведения электромагнитных исследований, позволяющей проводить однозначную интерпретацию а получать дополнительную информации о среде и ее сзсйствах.

Автор глубоко признателен своему научному руководители B.C.Светову за научное руководство, постоянное внимание и интерес к работе. Кроме того,автор считает своим приятным долгом выразить благодарность М.И.Эпову, £.Ю.Антонову, И.В.Ельцову (ИГ СО РАН) за переданную программу для расчета переходных процессов над поляризующимися слоистыми средами и П.О.Барсукову за предоставленную возможность совместного проведения полевых экспериментов.

_ 4 -

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

___веввая_кива представляет собой обзор предшествующих работ, посвященных различным аспектам понятия "высокоразрешающей электроразведки". С началом работ зондированием становлением поля в ближней зоне, разработанным и теоретически обоснованным Сидоровым Б.А.,Тикшаевым В.В.,Каменецким Ф.М., Морозовой Г.М., Обуховым Г.Г., Кауфманом A.A. и другими, была предложена для интерпретации в качестве базовой модель тонкой проводящей плоскости.Такой моделью пользовался Каыенецкий Ф.М. для интерпретации данных МПП (1982). Эта же модель легла в основу методики интерпретации с использованием дифференциальных кривых кажущейся продольной проводимости, разработанной Сидоровым В.А., Тикшаевым В.В.. По получаемым в результате S трансформации кривым S(h) стали выделять многочисленные перегибы, которые связывали с проявлением тонких проводящих слоев в разрезе. Природа этих особенностей неизвестна. Однако при интерпретации данных ВРЭ, признавая не чисто электродинамическую природу этого явления, тем не менее, пользовались классическими понятиями скин-глубины, принципом проникновения поля в глубину с ростом времена. Безо всяких обоснований, особенности на кривой ЗС, проявивиаеся на больших временах, относились к большим глубинам, вероятно исходя просто из общефизических представлений о распространении электромагнитных полей. Наиболее полный обзор и анализ методов ВРЭ и экспериментальных примеров выполнен Сафоновым A.C. (19S6). Рассмотрение результатов полевых работ разных исследователей в различных геологических условиях позволило сделать вывод о том, что локальные особенности на кривых ЭС выделяются надежно и устойчиво и во многих случаях (но не всегда) хорошо коррелируются вдоль профиля и с данными других методов (ГИС, сейсморазведка). Однако их физическая основа не ясна, ах геологическое истолкование неоднозначно.

Большая ясность на сегодняшний день достигнута в объяснении немонотонности кривых спада ЗСБ с возможной однократной, двукратной и даасе многократной сменой знака. В настоящее время не вызывает сомнений факт существования НЧД проводимости (поляризуемости) горных пород. Он подтверждается многочисленными результатами лабораторных исследований образцов. В определенной мере это явление исследовано и теоретически. Именно процессами НЧД многие исследователи объяснили наблюдаемые аномальные кривые ЗСБ с совмещенными петлями. Проблемой изучения

э.м. полей в поляризующихся средах активно занимаются и электроразведчики, занимающиеся методом ВП. В теории этого метода основной задачей становится изучений нестационарного вп и временных поляризационных характеристик различных пород. При этих исследованиях процессы ВП рассматриваются как низкочастотные, более медленные, чем электродинамические. Анализируются достаточно поздние времена становления БП, применяются асимптотические методы расчетов, позволяющие анализировать эти времена, которые в основном и используются в методах ВП. Основной задачей представляется разделение электродинамических процессов и процессов ВП с целью получения данных о проводимости и поляризуемости средн. Результаты этих исследований, выполненных для простейших моделей, используются при рассматрении НЧД как возможной причины, объясняющей феномен БРЭ. Но распространяя эти закономерности на многослойные, тонкослоистые среды, делают вывод, что ВВ на объясняет феномена ВРЭ или объясняет только частично.Оснований для такого утверждения недостаточно. Поэтому главной целью данной работы является ответ на вопрос, какие особенности, выделяемые при ВРЭ, могут быть объяснены НЧД электропроводности, а какие - не могут. Проблема не только в интерпретации, но а в методике постановки работ.

зависимости проводимости (поляризуемости) среды. Отмечается, что к НЧД электрических параметров горных пород приводят различные электрофизические и электрохимические процессы. Строгий н полный учет любого из этих явлений при решении прямых и тем более обратных задач электроразведки невозможен,да и не нужен. Задачей теории является введение аппроксимирувщах конструкций, генералазованно характеризующих среду. Этими вопросами занимались многие исследователи:Краев Д.П.(1951),Комаров В.л.(1980), Тархов А.Г.(1948), Кормильцев В.В. (1980,1981), Постельников А.Ф. (1964), геннаднник Б.И. <1985), Мезенцев А.Н. (1990), Pelton W.H. и др.(1983), Patella О., R. DI Maio , Olhoeft G.R. (1985) и многие другие. Ими был предложен целый ряд эмпирических аппроксимаций НЧД электрических параметров горных пород, в той или иной мере согласующихся с теоретическими и экспериментальными данными. Анализируя экспериментальные результаты параметрических измерений и измерений на образцах следует признать, что в большинстве случаев экспериментальные зависимости

посвящена обоснования и выбору закона частотной

могут быть удачно аппроксимированы функцией Cole-Cole. Запишем ее в виде: для комплексного удельного сопротивления-

v. ft +р (~IOTp)c (-ШТр)с ,

p(_VB) = = ft[1 -, <2.1)

и для комплексной электропроводности-

o(-iffl) = —2——-2-^=0^(1---!---) (2.2)

1 + (-11»т„)с

Здесь <За-; (рю) и со (ро )-значения проводимости (удельного сопротивления) на предельно высоких частотах (истинная проводимость неполярнзованной среды) и на постоянном токе (полностью поляризованная среда); Т| =(Пос —аоУ<3*> и /'(l-rj)- поляризуемость и

постоянная времени поляризуемости; в>=2п£- круговая частота приложеннох-о поля (запись гармонического колебания в форме exp(-iot)). Разница в постоянных времени та и тр не случайна -она отражает разную скорость спада вызванной поляризации по току при снятии приложенного напряжения (тст) и, наоборот (тр). Ввиду этого выражение (2.2) удобнее использовать при индукци-онно возбуждаемых полях в ближней зоне, а выражение (2.1)- при гальваническом введении постоянного тока в Землю в дальней зоне возбудителей независимо от способа возбуждения. Следует заметить, что формула Cole-Cole может быть получена теоретически. Светоь Б.С. (.1991) показал, что алгебраическая аппроксимация передаточных функций среды (электропроводности), удовлетворяющая требованиям физической реализуемости, совпадает с формулой Cole-Cole. При этом было отмечено, что все необходимые свойства таких функций сохраняются при показателе 0sC<2, однако при 1<С<2 дополнительно накладывается ограничение на допустимую величину поляризуемости п такое, чтобы Re(а) не становилась отрицательной величиной. Это ограничение имеет

• ? лп* вид: Sin —С

2 Ц2 + 4(1-;/)

Эти и другие приведенные в работе соображения, а так же стремление исследовать влияние НЧД в достаточно хорошо выраженной форме определило выбор закона Cole-Cole в качестве основного закона НЧД и необходимость изучения этого явления в широком диапазоне изменения параметров т, tj и С.

В этой же главе рассмотрен еие один важный аспект проблемы частотной зависимости электрических свойств реальной геологической среды, связанный с ее сложным строением. В такой среде одновременно присутствуют и системы пор разных размеров и геометрии, содержащих различные флюиды, и твердые включения от тысячных долей мм до блоков большого размера.Таким образом, на практике мы имеем дело с иерархически устроенной средой, в которой, к тому же, одновременно протекают различные электрофизические, электрохимические и другие процессы. Остается неясным вопрос- будут ли эти процессы, характерная пористость, зернистость и т.д. проявляться в НЧД самостоятельно, либо будет наблюдаться некий средний процесс с эффективными усредненными параметрами? Для ответа на этот вопрос были проведены расчеты частотной зависимости проводимости зернистой среды с несколькими характерными размерами зерен, и гатосхослоистой среды при замещении отдельных проппастков переслаивающимися пачками более тонкой структуры. Было показано, что на итоговой кривой элементарные процессы проявляются по отдельности с унаследованный постоянными времени. Формально для дальнейшего моделирования одновременный учет нескольких поляризационных процессов со своими параметрами осуществлялся обобщенной формулой Cole-Cole, записанной в виде ряда

= (2.3)

X -1 4 ' к - 1

Это, по-видимому, достаточно общая конструкция, удовлетворяющая условиям физической реализуемости и способная аппроксимировать при соответствующем подборе параметров практически любые виды экспериментально наблюдаемой НЧД проводимости реальной геологической среды.

Третья глава посвящена моделированию типовых задач э.м. зондирований с учетом НЧД электрических параметров модели. Такому моделированию был посвящен целый ряд статей в отечественных н зарубежных изданиях! Куликов А.В.,Шемякин Е.А.(1978), Кормильцев В. В. (1981), Мезенцев А.Н. (1985,1990), Рыжов A.A. (1985), Губатенко В.П.,Бердичевский М.Н., Светов Б.С. (1992), Каменец-кий Ф.М., Тимофеев В.Н.,Сидоров В.А.,Яхин A.M. (1990), Астра-ханцев Г.В.,Гаврилова И.З.,Журавлева Г.В., Улитин Г.В. (1975), Обухов Г.Г.,Бутковская А.И. (1977), Kaufman А.А.,Geoltrain S., Knoshaug R.N. (1989), Weidelt P. (1982) и др.

В качестве основных моделей нами были выбраны однородное поляризующееся полупространство и горизонтально-слоистые разрезы, содержащие поляризующиеся слои с заданными значениями поляризуемости ц и постоянной времени т. Рассчитывались э.м. поля вертикального магнитного (ВМД) и горизонтального электрического (ГЭД) диполей и плоской волны в частотной (частотные зондированпя-ЧЗ) и временной (зондирования становлением поля-ЗС) областях. Особое внимание уделялось сравнительному анализу наблюдаемых явлений в дальней и ближней зонах. Численные расчеты проводились в частотной области, для перехода во временную область выполнялось преобразование Фурье. Для расчетов полей в ближней зоне источников над слоистыми средами использовалась программа, разработанная в ИГ СО РАН Л.А.Хабаровским, М.И.Эповым, Е.¡0.Антоновым, И.Н.Ельцовым.

На модели поляризующегося однородного полупространства были установлены и проанализированы протекающие в такой среде квазистатические процессы двух типов:

а) Первый тип выражается в плавном переходе нормального поля ВМД, отвечающего полупространству с удельным сопротивлением р» на аналогичное - с ро. На высоких частотах (ранних временах) быстропеременные возбуждающие токи не успевают поляризовать среду и ее сопротивление истинное - р,г. При достаточном понижении частоты (увеличении времени становления) поляризация среды происходит практически синхронно с поляризующим током. Поскольку токи ВП имеют противоположное (по сравнению с поляризующими) направление, то в результате кажущееся сопротивление среды увеличивается до ро.Чем меньше постоянная времени тр , тем выше частоты (меньше времена), на которых осуществляется этот переход. Этот тип проявляется в ближней и дальней зонах, в частотной и временной областях.

б) Второй тип выражается наиболее ярко в ближней зоне. Он проявляется в уменьшении или увеличении переходного процесса с возможными однократной или многократной сменами знака в зависимости от закона НЧД и типа источника и измеряемой компоненты. Показано, что осцилляции с возможной многократной сменой знака возникают при С>1. Для ВМД при С от 1 до 1/2 имеет место локальная особенность на кривой ЗСБ с возможной двукратной сменой знака, которая становится шире при уменьшении С. При

С<1/2 скорость релаксации поля ВП всегда медленнее, чем индукционных токов, и процессы ВП будут определять поле на поздних временах при любых малых значениях поляризуемости. При этом всегда имеет место однократная смена знака кривой становления. Это согласуется с асимптотическими выводами Мезенцева А.Н. (1990).

Показано, что если среде присущи одновременно несколько процессов ВП с разными постоянными времени, то на кривой ЗСБ будут появляться и несколько локальных экстремумов, отвечающих этим постоянным времени. Таким образом, даже в рамках модели полупространства, в зависимости от закона НЧД проводимости, можно получить и объяснить самые экзотические наблюдаемые на практике особенности кривых становления - к однократные смены знака, и осцилляции, и т.д.

С тех же позиций проанализировано поле ГЭД. Установлено, что при изучении реакции поля на включение наблюдается, как и в

случае ЕМД, переход нормального поля с кривой для ра, па кривую

для ро на временах, соизмеримых с тР, со схсоростыо, зависящей от закона дисперсии. На выключение кривая становления симметрична по форме кривой на включение, но нельзя говорить о переходе с одной нормальной кривой на другую. За время пропускания тока среда, поляризуясь, запасает энергию. Поэтому сразу после выключена1? эта запасенная энергия проявляется в том, что к электродинамическому полю добавляется поле поляризации, и кривая спада начинается выше нормальной кривой. Со временем запасенная энергия начинает релаксировать. Если скорость спада ВП больше скорости затухания индукционных токов, то заряженная среда разрядится до определенного уровня, а затем поляризация спадает синхронно с поддерживающими ее индукционными токами. Это означает, что на больших временах кривая спада выходит на график нормального поля, соответствующий ро. Если жа релаксация ВП происходит медленнее, чем спадают электродинамические процессы (при С<1.5), то на поздних временах будет наблюдаться асимптотика,характеризующая спад ВП, на фоне которого электродинамические процессы уже не видны. Это подтверждает правильность традиционной методологии изучения ВП при электрических возбуждении и приеме поля. С другой стороны, это обстоятельство накладывает существенные ограничения на возможность изу-

чения электродинамического становления поля с такой установкой, особенно в ближней зоне (поздней стадии).

Отмечены две характерные зависимости результата от геометрии установки.

1) С увеличением разноса г поляризационный член быстро убывает, а электродинамический в поздней стадии не зависит от г. Это свойство может быть использовано (как и для ВМД) при диагностике, подавлении или подчеркивании влияния ВП.

2) Противоположное влияние поляризации на кривую становления на оси диполя и на экваторе диполя. После выключения тока в диполе электродинамическое попа становления всюду имеет одно направление и направлено в ту же сторону, куда был направлен ток в диполе. Поле ВП имеет разное направление в разных точках среды, унаследованное от направления растекания гальванических токов зарядки, и имеет обратный знак. Поэтому так же, как н гальваническое поле, поле ВП на оси диполя и на экваторе имеет разные знаки. В результате на оси электродинамическое и поляризационное поля складываются, а на эквиторе - вычитаются. Это свойство может быть использовано для выделения и изучения поля ВЕ.

Далее анализируются горизонтально-слоистые поляризующиеся среды. В дальней зоне возбудителей при рассмотрении двух я трехслойных моделей установлен новый тип проявления поляризационных процессов - квазиволновые явления типа интерференции и отражения от границ, связанные с комплексностью электропроводности при наличии НЧД. Они наблюдаются в частотной и временной областях для любого типа возбуждения в виде флюктуации кривых зондирований. Для возникновения таких явлений должно выполняться условие, чтобы отношение токов смещения к токам проводимости было не слишком мало в той области частот, в которой длина волны в поляризующемся слое соизмерима с мощностью слоя. Зависимость этого отношения от длины волны в случае НЧД носит экстремальный характер. Максимум отношения при С=1 наблюдается

■Л-7 77 при СО = —---, достигая при этом значения —^— . С повышением

г

частоты размах флюктуаций на кривых зондирования уменьшается, отражая возрастающую роль поглощения поля. Показано,что квазиволновые явления достаточно быстро затухают при уменьшении поляризуемости и при увеличении мощности перекрывающих наносов. Смещение волновых явлений в более низкочастотную область,

чем это следует из электродинамики гомогенных сред, необходимо учитывать при радиоволновсм просвечивании и работах с георадарами.

Аналогичные исследования выполнены для передаточных функций плоской волны, изучаемых в методе МТЗ. Для частотной области этот вопрос достаточно детально изучен в работах Губатенко В.П., Светова B.C.,Бердичевского К.Н. (1995). Поэтому основное внимание было уделено изучению передаточных функций магкито-теллурического поля во временной области. На возможность их использования было указано в работах Бердичевского М.Н., Безрука H.A. (1969), lionne M.Г. (1979) и др. Однако их поведение б слоистой среде практически не изучено. Нами показано, что в методе МТЗ временные передаточные функции могут быть более информативными, чем частотные характеристики, для них характерна более узкая область эквивалентности. Различные переходные и импульсные характеристики несут разную информации и дополняют друг друга. Наиболее удобной и информативной является пара передаточных функций - инпедансная переходная характеристика Z (t) и адмитансная импульсная характеристика ïs(t). Рассмотрено их поведение над слоистыми поляризующимися разрезами. Выделяемые квазиволновые осцилляции, связанные с кратными отражениями, и их зависимость от параметров разреза аналогичны отмеченным при изучении дипольных возбудителей. Отражения возникают только при определенном соотношении мощности слоя, длины волны в нем и постоянной времени поляризации. Основная особенность заключается в разной картине для адмятансной импульсной а импедансной переходной характеристик над разрезами с поляризующимся слоем, подстилаемый в одном случае изолятором, а в другом - проводником. Для модели с проводящим основанием наблюдаются интенсивные осцилляции по импедансной переходной и слабые - по адмитаксной импульсной характеристикам. Наоборот, для модели с внсокоомным основанием интенсивные осцилляции со сменой знака появляются на адмитаксной импульсной и незначительные - на импедансной переходной характеристиках. Это различие имеет простое объяснение. Импедансная переходная характеристика пропорциональна удельному сопротивлению и для высо-коомного основания отражения от границ проявляются на фоне больших нормальных значений. Импульсная адмитансная характеристика, наоборот,пропорциональна удельной проводимости, поэтому при изоляторе в основании на больших временах ее значешья.

падают и интерференционная картина не затушевана. Дня проводящего основания картина противоположная.

Совершенно иначе и особенно сильно в лияние поляризуемости слоистых разрезов проявляется при ЗС в ближней зоне, для трехслойной модели с поляризующимся вторым слоем при возбуждении поля ВМД, как и в случае однородного полупространства, проти-во-ЭДС поляризации приводит к уменьшению переходного процесса, что отражается в локальном уменьшении соответствующих значений кажущейся проводимости Проводящий поляризующийся пласт

проявляется на кривой ЗСБ дважды. В области 1:, соответствующей электродинамическому возбуждению пласта (при соответствующей глубине проникновения диффузионно распространяющегося поля) он отмечается обычным увеличением кажущейся проводимости, величина которого определяется в значительной мере соотношением продольных проводимостей пласта и перекрывающей толщи. На больших временах при т0 проявление того же пласта на кривой я, связано с чисто поляризационными явлениями и приводит, как обычно, к уменьшению с- . При изменении постоянной времени поляризации это локальное отклонение перемещается по кривой ЗС вне зависимости от глубины залегания пласта. С увеличением мощности Ь^ перекрывающих поляризующийся проводящий пласт отложений оба отклонения уменьшаются по величине, причем первое смещается в сторону больших времен и становится практически незаметным, а положение второго не зависит от ^ и определяется постоянной времени поляризации.

Изучены зависимости поляризационных процессов от различных электродинамических и поляризационных параметров.

Показано, что в слоистых средах, как и в полупространстве, б поле ГЭД влияние поляризуемости среды проявляется гораздо сильнее, чем в поле ВМД. Это приводит к тому, что наиболее близкий к поверхности поляризующийся пласт, имеющий невысокую поляризуемость и постоянную времени, превышающую время электродинамического проявления первого слоя на кривой ЗС будет определять всю кривую на более поздних временах. Это отличие проявления поляризации в полях ВМД а ГЭД при их комплексирова-нии может помочь разбраковывать поляризационные эффекты на глубинные и поверхностные и будет служить в совокупности с многоразносвостыз средством разделения поляризационных и индукционных явлений.

- 13 -

В заключении третьей главы рассмотрены результаты моделирования ЗС над разрезами, содержащими группы тонких поляризующихся пластов. Первая модель представляет разрез с 5 тонкими проводящими поляризующимися слоями. Слои расположены на глубинах от 100 до 500 м. Поляризуемость слоев взята 0.5. Рассмотрена дальняя зона ВИД. Если пласты неполяризукциеся, вся группа пластов отмечается на кривой ЗС минимумом кажущегося сопротивления, достигающим 13-14%. С учетом поляризуемости пластов минимум незначительно увеличивается. В разности этих кривых появляются флюктуации, отмечающие каждый из пластов локальными изменениями процесса становления в десятые доли процента. Такая операция вычитания из наблюденной кривой становления гладкой расчетной кривой, не учитывающей дисперсии, соответствует одному из принятых в настоящее время методов обработки данных высокоразрешающей электроразведки. Разностная кривая напоминает экспериментально наблюдаемые, однако такой модельный результат для дальней зоны монет быть получен лишь при. достаточно жестких ограничениях. : поляризуемость пластов достаточно высока, расстояния между пластами и их постоянные времени довольно быстро возрастают с глубиной. При нарушении правила возрастания постоянных времени пластов с глубиной эти пласты уже не выделяются по отдельности.

Иначе обстоит пело в ближней зоне ВМД. Рассмотрен разрез, содержащий 3 тонких проводящих а поляризующихся пласта. Пласты расположены на расстоянии 10 и друг от друга. Мощность перекрывающей толщи 2000 м многократно <в 200 раз) превышает расстояние между пластами, а ее продольная проводимость много больае суммарной продольной проводимости пластов {в 30 раз). Разрез в кахой-то мере аппроксимирует ситуацию на нефтегазовых месторождениях Сибири. Кривая ЗС отмечает в случае отсутствия поляризуемости всю группу пластов примерно однопроцентным повешением кажущейся проводимости. При наличии поляризуемости пластов каждый из них отмечается отдельной флюктуацией кривой зондирования , составляющей десятые доли процента. По сравнению с аналогичной ситуацией в дальней зоне здесь нет жестких ограничений на расстояния между пластами, и пласты могут обладать меньшей поляризуемостью. При уменьшении мощности или проводимости перекрывающей толщи сходные результаты могут быть получены при весьма небольших значениях поляризуемости пластов

Таким образом, казалось бы, возможная причина необъяснимой в рамках квазистационарной геоэлектрнхн высокой разрешающей способности экспериментально получаемых кривых ЗСБ в нефтегазовых провинциях найдена - она связана с поляризуемостью горных пород. Однако депо обстоит не так просто. Выие уже отмечалось, что искажения кривых ЗСБ, связанные а поляризуемостью разреза, связаны не только и не столько с глубиной расположения поляризующихся пластов, сколько с постоянной времени их поляризации (и эта обстоятельство при формальном перенесении принципов интерпретации переходных (или частотных) характеристик поля (в частности, кривых э.м. зондирований) на поляризующиеся разрезы может привести к грубым ошибкам. Был рассмотрен аналогичный разрез, но нижний пласт с его постоянной времени был помещен на малой глубине а обладал весьма малой поляризуемостью (г|=0,5%). Вид кривой ЗСБ существенно не изменился, но теперь поверхностный пласт, в соответствия с его постоянной времени, отмечался на самых больших временах и мог быть принят по-прежнему за наиболее глубокий.

Эти же многослойные модели были рассмотрены для случая возбуждения поля ГЭД и измерения электрической компоненты. Получен аналогичный результат. Однако следует отметить, что поляризуемость поверхностного слоя в этом случае может быть ничтожно малой - тысячные доли процента. Гораздо большей фоновой поляризуемостью обладают практически все горные породы. Следовательно, поляризационные особенности на поздних временах при гальваническом возбуждении и приеме поля естественнее объяснить фоновой поляризуемостью поверхностных слоев. По крайней пере, обратное заключение надо подтверждать дополнительными экспериментами.

Отметим еще одну деталь. Три особенности на кривой становления, в принципе, не говорят даже о наличии именно трех слоев в разрезе. Аналогичную кривую можно получить, задав один поляризующийся слой с законом частотной дисперсии в форме (2.3), учитывающем три постоянных времени т. Это означает, что по кривой становления мы можем только заключить, что где-то б разрезе выше некоторой глубины, которую можно оценить, проявляются три различных поляризационных процесса с разными постоянными времени.

Таким образом, показано, что при э.м.з. поляризующихся разрезов мы имеем дело с одномерной обратной задачей геоэлектри-

ки, обладающей принципиальной неединственностью. Это не должно вызывать удивления, поскольку в данном случае разрез даже в рамках заданного закона, аппроксимирующего НЧД, характеризуется дополнительно двумя независимыми параметрами - поляризуемостью л и постоянной времени т. Для определения этих параметров как функции глубины необходимы дополнительные независимые измерения э.м. поля. Наиболее естественным дополнением 43 н ЗС могут стать дистанционные э.м.з. или зондирования на постоянном токе. Такое заключение подтверждается результатами специально проведенного полевого эксперимента с совмещенными петлями разного размера. Изменение размеров петель приводит к резкому изменению осложняющих кривую становления поляризационных эффектов. Не исключено, что необходимую независимую информацию можно получить, проводя э.м.з. с разными возбудителями поля п измеряя разнае компоненты поля (электрическую н магнитную) или используя; разные формы токовых импульсов. Предсталлвпгыа в диссортащш результата асслодэвгшпй позволяют сформртлровата сгвдукг^ае загрщиезше полоякгкня: 1. Частотная дисперсия электропроводности (вызванная поляризация) горных пород приводит к возникновению квазяволновых и квазистатических процессов, существенно изменяющих электромагнитное поле. Квазиполновне процессы выражаются в появлении на кривых электромагнитных зондирований характерных флюктуаций интерференционного происхождения (43), или связанных с отражением электромагнитного поля от границ поляризующихся пластов (ЗС). Квазистатические процессы связаны с процессами зарядки и разрядки среды а приводят либо к изменению эффективной проводимости среды, либо к локальным изменениям характера переходного процесса, вплоть до смены зпака.

2. Задача интерпретации данных электромагнитных зондирований в поляризующейся среде в их стандартной современной постановке принципиально неоднозначна. Особенно велика неоднозначность интерпретации ЗС в ближней зоне. Непременное отождествление локальных отклонений на кривых э.м.з. с отдельными слоями, определение по времени их проявления глубины залегания слоев может приводить к искажению реального геологического разреза, появлению ложных пластов, неправильному определению глубины и проводимости слоев.

3. В определенных ситуациях частотная дисперсия электропроводности может привести к повышению глубинности и разрешающей

способности э.м.з., и прежде всего зондирований становлением поля в ближней зоне. Она объясняет многие <хотя и не все) экспериментально наблюдаемые особенности кривых таких зондирований. Однако достоверная интерпретация результатов э.м.з. ь поляризующихся средах возможна лишь при наличии априорной информации или проведении дополнительных экспериментов ( много-разносаость, разные способы возбуждения и приема поля, разные формы возбуждающих токовых импульсов и т.п.). С учетом влияния поляризуемости горных пород на результаты э.м.з. Земли целесообразно для выявления эффектов, связанных преимущественно с ее электропроводностью, проводить исследования при индукционном возбуждении поля,а для преимущественного выделения поляризационных явлений использовать электрические задание и прием поля. основное содершшие днссе&чйпик ' опувлнкошшо б работах ;

1)Б.С.Светов, В.В.Агеев, Н.А.Лебедева. Поляризуемость гордых пород е феномен высокоразрешающей электроразведки. Научно-технический журнал ЕАГО "Геофизика", 1996, N4, с.42-52.

2)Б-С.СБетов, В.В.Агеев. Частотная дисперсия проводимости горных пород и высокоразреиаюиая электроразведка.-Тез. докл. маж-дунар. геофяз. конф. "Электромагнитные исследования с контролируемыми источниками",27-31 мая 1996 ,С.Петербург,ВЯРГ-Рудге-офизика,1996,с.79-80.

3)Б.С.Светов, В.В.Агеев, И.А.Лебедева, М.Н.Берднчевский. Блеяние частотной дисперсии проводимости на результаты электромагнитных зондирований слоистых сред.- Тез, докл. межд. научной конференции "Иеклассическая геоэлектрика", Саратов, 1995,с.60.

4)В.Б.Агеев. Интерпретация одномерных импедансных переходных характеристик во временной области. В кн."фундаментальные проблемы морских электромагнитных исследований". Москва, ИЗМИРАН 1986, с.57-71.

5)B.S.Svetov, V.V.Ageev. Electromagnetic sounding of frequency dispersive média. 58-th conférence and Technical Exhibition EAGE 1996. Extended Abstracts.V.l.M029.

6)B.S.Svetov, V.V.Ageev. The high-resolution EM method and low-frequency dispersion of rocks conduetivity. - тез. докл. междунар. российско-германского семинара "Актуальные проблемы электромагнитных зондирований Земли",Москва, 11-15 мая 1997.