Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Прямая задача высокочастотных электромагнитных зондирований квазигоризонтальных тонкослоистых сред

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

Текст научной работыДиссертация по геологии, кандидата технических наук, Геник, Иван Васильевич, Пермь

1 г

ГОРНЫЙ ИНСТИТУТ УРАЛЬСКОГО ОТДЕЛЕНИЯ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК

На правах рукописи УДК 550.837+621.396

Геник Иван Васильевич

ПРЯМАЯ ЗАДАЧА ВЫСОКОЧЛ^>ТНЫХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ЗОНДИ#6вАНИЙ КВАЗИГОРИЗОНТАЛЬНЫХ ТОНКОСЛОИСТЫХ СРЕД (ПРЯМАЯ ЗАДАЧА ГЕОРАДАРА)

Специальность 04.00.12 — Геофизические методы поисков и разведки месторождений полезных ископаемых

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: Заслуженный деятель науки РФ,

доктор геолого-минералогических наук, профессор Новоселицкий В.М.

>л

Пермь - 1999

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ........................................................................................................3

1 .ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РЕШЕНИЯ ПРЯМЫХ ЗАДАЧ

ДЛЯ ВЫСОКОЧАСТОТНОГО ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ............7

1 Л.Основные электромагнитные характеристики вещества.................7

1.2.Частотная зависимость электрических свойств...............................10

1.3. Методы решения прямых задач для высокочастотного

электромагнитного поля...................................................................18

1.3.1. Решение прямых задач во временной области...........................20

1.3.2. Решение прямых задач в частотной области..............................22

2.ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ ГОРНЫХ ПОРОД,

АППРОКСИМАЦИЯ ЧАСТОТНЫХ ЗАВИСИМОСТЕЙ............................31

2.1. Электрические параметры горных пород в переменных высокочастотных электромагнитных полях.....................................31

2.2. Оценка характера распространения электромагнитных волн в соляных толщах.................................................................................39

2.3. Аппроксимация частотных зависимостей электрических характеристик пород.........................................................................42

3.ВЫЧИСЛЕНИЕ ОТРАЖЕННЫХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ИМПУЛЬСОВ.................................................................................................58

3.1. Постановка задачи и метод решения...............................................58

3.2. Система программ решения прямой задачи Теорадар".................59

3.2.1. Общая характеристика.................................................................59

3.2.2. Работа блоков системы ...............................................................61

3.3. Исследование особенностей отраженных сигналов........................67

4. РАСЧЕТ ВРЕМЕННЫХ ГЕОРАДАРНЫХ РАЗРЕЗОВ..............................85

4.1. Создание физико-геологических моделей разрезов........................85

4.2. Волновые картины, получающиеся для зон трещиноватости........87

4.3. Временные разрезы при латеральном изменении электрических свойств слоев.....................................................................................94

4.4. Расчет георадарных разрезов для моделей с переменной мощностью слоев..............................................................................105

ЗАКЛЮЧЕНИЕ..................................................................................................112

ЛИТЕРАТУРА...................................................................................................114

ВВЕДЕНИЕ,

Актуальность проблемы. В современных условиях внимание к высокочастотным электромагнитным методам, в которых используются отраженные сигналы, связано с возможностью детального изучения массивов горных пород. Перспективными для применения георадара являются среды, обеспечивающие значительную глубинность исследований. К таким средам, в частности, относятся соляные толщи. Их составляют пласты карналлита, сильвинита, каменной соли, характеризующиеся малым затуханием, и резко отличающиеся от этих пород по электромагнитным свойствам прослои глин. Вследствие тонкослоистого строения соляных массивов, зависимости электрических параметров от частоты приложенного поля и различных петрофизических факторов (состав, пористость, минерализация водных растворов и др.), регистрируемые отраженные сигналы характеризуются значительной сложностью. Поэтому основная трудность при георадарных работах в подземных условиях заключается в интерпретации отраженных сигналов, поскольку используемые модели слоистых сред часто не позволяют проанализировать регистрируемые волновые картины, так как решения прямых задач найдены лишь для относительно простых случаев (Богородский, 1983, 1987; Финкельштейн, 1977,1984,1986,1994; Кондратьев, Чернышев, 1994; Кабанихин, 1990; Carcione, 1996; Xu, McMechan, 1997). В связи с вышеизложенным, Верхнекамское месторождение солей (ВКМС) может рассматриваться в качестве нового, перспективного объекта для подземных георадарных исследований, а актуальность решения прямой задачи высокочастотного электромагнитного зондирования состоит в том, что таким образом создается основа содержательной интерпретации реальных сигналов, получаемых в тонкослоистых соляных массивах.

Авария на калийном руднике БКРУ-3 (г.Березники), приведшая к его затоплению, вскрыла целый комплекс проблем в деле геофизического обеспечения безопасного ведения горных работ. Для ВКМС и до настоящего времени актуальной остается проблема изучения вертикальной и латеральной изменчивости физических и, в частности, электрических параметров пород водозащитной толщи в различных горно-геологических условиях, как базы для проведения работ по обеспечению системы разработки, использования выработанного пространства и охраны недр.

В комплексе применяемых в подземных условиях Верхнекамского месторождения геофизических методов высокочастотная электроразведка и, в частности, георадар до настоящего времени практически не использовались. В то же время, на других месторождениях водорастворимых руд (например, в

Германии и Канаде) начинают широко проводиться радарные исследования геологических сред. ,

С применением высокочастотных методов в рудничных условиях ВКМС могут решаться задачи по изучению особенностей строения подстилающей каменной соли, продуктивных калийных пластов, междупластий и целиков.

Существуют различные способы применения георадара. Наиболее распространенным является зондирование. Приведенные в литературе данные позволяют заключить, что при решении прямой задачи для высокочастотного электромагнитного зондирования целесообразно применение квазигоризон-тально-слоистой модели среды, аппроксимирующей реальный разрез в окрестности точки зондирования моделью горизонтально-слоистой среды. Распространяющуюся волну можно рассматривать в приближении нормального падения поскольку, когда источник и приемник расположены близко друг к другу, эффектами, связанными с наклонным падением, можно пренебречь.

Целью работы является решение прямой задачи высокочастотного электромагнитного зондирования для квазигоризонтальных тонкослоистых сред, изучение влияния электрических свойств пород, слоистости, кратных волн для основных групп физико-геологических моделей разрезов соляной толщи Верхнекамского месторождения.

В диссертации решаются следующие задачи.

1. Анализ существующих подходов к расчету отраженных сигналов для массивов горных пород. Обоснование необходимости учета затухания электромагнитных волн и частотной дисперсии электрических характеристик сред при решении прямой задачи. Выбор метода, позволяющего рассчитать как отдельный отраженный сигнал, так и временной георадарный разрез с наиболее полным учетом слоистости, многократных отражений и частотной дисперсии. Обзор данных по электрическим свойствам пород. Разработка и программная реализация способа аппроксимации экспериментальных частотных зависимостей комплексной функцией, удовлетворяющей соотношениям Крамерса-Кронига.

2. Создание системы программ, предназначенной для решения прямой задачи высокочастотного электромагнитного зондирования квазигоризонтальных тонкослоистых сред, а также для визуализации получающихся результатов. Исследование в одномерном случае влияния параметров исходного импульса и слоистого массива на характеристики отраженного сигнала.

3. Создание физико-геологических моделей разрезов с различными типами неоднородностей. Применение разработанных программ для расчета георадарных временных разрезов соляной толщи Верхнекамского месторождения в случае подземных высокочастотных электромагнитных зондирований. Анализ получающихся результатов, проявления в волновых картинах

особенностей строения разреза в зависимости от сигнала и задаваемых параметров сред. ,

Защищаемые положения диссертационной работы.

1. Разработанный алгоритм расчета параметров функции Гаврильяка-Негами по экспериментальным данным позволяет адекватно описывать электрические свойства горных пород в высокочастотных электромагнитных полях при решении прямой задачи.

2. Созданная система компьютерных программ является новым инструментальным средством расчета отраженных высокочастотных электромагнитных сигналов для тонкослоистых сред при наиболее полном учете электрических свойств и кратных волн. Анализ отраженных волн в одномерном случае позволяет раздельно изучать влияние параметров исходного импульса и слоистой толщи на характеристики получающегося сигнала и является основой создания содержательных физико-геологических моделей сред и интерпретации наблюденных волновых картин.

3. Рассчитанные впервые временные разрезы (в случае подземных георадарных работ) для моделей соляной толщи Верхнекамского месторождения с основными типами неоднородностей - трещиноватость, латеральное изменение электрических свойств, переменная мощность слоев. Показано проявление этих особенностей строения в зависимости от задаваемых параметров разреза, длины и частоты сигнала.

Научная новизна заключается в следующем.

1 .Разработан численный способ нахождения параметров функции Гаврильяка-Негами, определяющей частотную зависимость комплексной диэлектрической проницаемости, применяемой для задания электромагнитных свойств горных пород. Использование этой функции позволяет адекватно характеризовать среды в высокочастотных электромагнитных полях при решении прямой задачи, открывает возможность физически обоснованной классификации пород по электрическим свойствам и описания характеристик сред промежуточных между выделенными классами.

2.Новые компьютерные программы решения прямой задачи высокочастотного электромагнитного зондирования квазигоризонтальных тонкослоистых сред позволяют рассчитывать отраженные сигналы для массивов с числом слоев до нескольких сотен при описании электрических свойств функцией Гаврильяка-Негами и учете всех кратных волн. Выявлены в одномерном случае взаимосвязи параметров отраженного сигнала с характеристиками слоистой среды и исходного импульса, являющиеся основой для построения физико-геологических моделей и интерпретации волновых картин.

3.Впервые рассчитаны как отдельные радарограммы, так и георадарные разрезы для квазигоризонтально-слоистых моделей сильвинитовой литозоны

и литозоны подстилающей каменной соли Верхнекамского месторождения солей с основными типами неоднородности: трещиноватость, изменение мощностей и электрических свойств слоев. Исследовано влияние этих особенностей строения на отраженные сигналы.

Практическая ценность и реализация работы.

Практическое значение работы заключается в обосновании использования георадара в рудничных условиях Верхнекамского месторождения для прогноза состояния горного массива и обеспечения безопасного ведения горных работ. Разработанная система программ использована при расчете георадарных временных разрезов соляной толщи Верхнекамского месторождения. Полученные при этом результаты вошли в научные отчеты Горного института УрО РАН. Вычисление отраженных высокочастотных электромагнитных сигналов для квазигоризонтально-слоистых сред с учетом многократных отражений, затухания и частотной дисперсии обеспечивает получение радарограмм и георадарных разрезов, позволяющих детально анализировать регистрируемую волновую картину и увеличить объем извлекаемой информации. Тем самым, повышается качество интерпретации георадарных съемок, что позволит расширить применение этого бесконтактного способа электроразведки.

Апробация работы. Результаты исследований по теме диссертации докладывались и обсуждались на научной конференции "Прогнозирование и методика геолого-геофизических исследований месторождений полезных ископаемых на Западном Урале" (Пермь, 1994), на региональных конференциях "Геология и полезные ископаемые Западного Урала" (1997), "Проблемы геологии Пермского Урала и Приуралья" (1998), на Российской конференции "Теория и практика интерпретации данных электромагнитных геофизических полей" (Екатеринбург, 1996), на международных конференциях "Горные науки на рубеже XXI века (Мельниковские чтения)" (1997), "Проблемы геотехнологии и недроведения (Мельниковские чтения)" (1998).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 работ.

Объем работы. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения (119 страниц, в том числе 38 рисунков, 16 таблиц) и списка литературы из 81 наименования.

Автор выражает глубокую признательность своему научному руководителю д.г.-м.н., профессору, Заслуженному деятелю науки РФ, В.М.Новоселицкому и старшему научному сотруднику лаборатории геопотенциальных полей к.г.-м.н. В.К.Сидорову за содействие в постановке задач и выполнении исследований.

Автор признателен заведующему лабораторией наземной и подземной электрометрии д.т.н. В.П.Колесникову за конструктивные замечания при написании работы.

1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МЕТОДОВ РЕШЕНИЯ ПРЯМЫХ ЗАДАЧ ДЛЯ ВЫСОКОЧАСТОТНОГО ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ

Первая задача, вставшая при расчете отраженных высокочастотных электромагнитных (георадарных) сигналов [19,20,25], заключалась в компактном и в достаточной мере исчерпывающем математическом описании электрических свойств горных пород.

Вследствие пространственной и временной изменчивости состава пород, наличия пористости, водных растворов различной минерализации и других петрофизических факторов, находящих свое отражение в широком диапазоне вариаций электрических свойств пород и образуемых ими массивов, могут быть, в некотором роде, два подхода к рассмотрению электромагнитных свойств пород. Первый подход состоит в обобщенном описании этих свойств, основанном на макроскопическом рассмотрении (уравнения Максвелла). При необходимости более подробно характеризовать среды описание их электрических свойств продолжают на область "квазимикроскопического" состояния. Этот второй подход позволяет связать понятия об электрических характеристиках среды, получаемых из уравнений Максвелла с конкретными петрофизическими параметрами горных пород и с соответствующими им молекулярными и атомными процессами, дает возможность объяснить реакцию горных пород на приложенное к ним внешнее поле, проявлением которой являются электрические характеристики пород.

Рассмотрим в начале макроскопический подход. Уравнения Максвелла для изотропного, линейного, однородного идеального диэлектрика имеют вид

Так как среда изотропна (е и ц, - скаляры), линейна (то есть поля достаточно малы), однородна (в и ¡л - константы), то материальные уравнения записываются следующим образом:

1.1.Основные электромагнитные характеристики вещества

[54]:

гоШ= (1/с)чШ/А, гоЖ=-(1/с)-<1В/Л, <КУВ=0, (ММ).

(1.1) (1:2)

(1.3)

(1.4)

В=|иН.

(1.5)

(1.6)

Соотношения, в которых г и ¡л - электрическая и магнитная проницаемости - величины, не зависящие от частоты, справедливы для полей,

частоты которых малы по сравнению с частотами, характерными для установления электрической и магнитной поляризации вещества.

Волну, распространяющуюся в диэлектрике, можно характеризовать волновым числом, скоростью, длиной волны:

d-7)

v =

с

с

1Z- <18>

x = f (1.9)

где со - круговая частота, s и \х - диэлектрическая и магнитная проницаемости, с - скорость света. Из выражений для скорости и длины волны следует, что эти

1 /9

величины в диэлектрике меньше, чем в вакууме в (ец) раз.

Большинство горных пород можно отнести к несовершенным диэлектрикам, то есть к материалам, обладающим свойствами одновременно диэлектриков и проводников [57,59]. Соответственно для характеристики электрических свойств используются две величины: диэлектрическая проницаемость и величина, характеризующая затухание волны в среде [20,21].

Для переменных электромагнитных полей, компоненты которых меняются по гармоническому закону, E=E0exp(-io)t), H=Hoexp(-i©t), при частотах малых по сравнению с частотами, характерными для установления электрической и магнитной поляризации вещества уравнения Максвелла примут вид [43]:

го®,, iioe (, 4îCOi V 1+ E0, С V. сое (1.10)

rotE0 - - H0 ' с (1.11)

divH0 = 0, (1.12)

divE0 = 0, . (1.13)

отсюда получаем комплексную диэлектрическую проницаемость б*=е(1+14ла/ш8). В общем виде величина в* записывается как 8*=81+1в2. Действительная часть её - 81 - обычная диэлектрическая проницаемость, мнимая часть - 82 - фактор потерь, характеризующий затухание электромагнитной волны, проходящей через среду. В нашем случае - 82=471а/ш. Затухание часто характеризуют и тангенсом угла потерь:

^ба/б! (1.14).

При изучении диэлектрических потерь различных материалов проводят измерения именно тангенса уг