Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Решение прямых и обратных задач электроразведки постоянным током для неоднородно-анизотропных сред

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

Автореферат диссертации по теме "Решение прямых и обратных задач электроразведки постоянным током для неоднородно-анизотропных сред"

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени М.В.ЛОМОНОСОВА

с ГЕОЛОГИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

л На правах рукописи

\ ^

БОЛЬШАКОВ ДМИТРИИ КОНСТАНТИНОВИЧ

УДК 550.837

РЕШЕНИЕ ПРЯМЫХ И ОБРАТНЫХ ЗАДАЧ ЭЛЕКТРОРАЗВЕДКИ ПОСТОЯННЫМ ТОКОМ ДЛЯ НЕОДНОРОДНО-АНИЗОТРОПНЫХ СРЕД

Специальность 04.00.12 геофизические методы поисков и разведки месторождений полезных ископаемых

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

МОСКВА - 1998

Работа выполнена на кафедре геофизических методов исследовав земной коры геологического факультета Московского Государстве! ного Университета имени М.В. Ломоносова.

Научный руководитель - кандидат геолого-минералогических

наук, доцент И.Н. Модин

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Л.Л.Ваньян (Институт Океанол! гии РАН),

кандидат физико-математических наук, главный инженер ОАО «НАФТАКОМ» В.В.Кусков.

Ведущая организация - Московская геолого-разведочная академия.

Защита состоится 18 февраля 1998 года в 14 час. на заседании ди сертационного совета Д.053.05.24 в Московском Государственно Университете имени М.В. Ломоносова по адресу: 119899, Москв Воробьевы горы, МГУ, геологический факультет, зона «А», аудитору 308.

Москва, 119899, Воробьевы горы, МГУ, геологический факультет, Факс: (095) - 939 - 49 - 63; E-mail: bolsh@geophys.geol.msu.su

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке геологического факультета МГУ (ГЗ МГУ, зона «А», 6-ой этаж).

Автореферат разослан 18 января 1998 года.

Ученый секретарь диссертационного совета

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Метод сопротивлений широко используется при малоглубинных исследованиях. Область применения метода непрерывно увеличивается из-за расширения круга решаемых задач и соответственно появляются новые возможности. Этому способствуют громадный накопленный опыт, необходимость в решении новых задач и возрастающие требования высокой точности и детальности, решение ряда теоретических задач. Кроме этого, используя современную компьютерную технику имеется возможность многократной переинтерпретации данных с подбором моделей разного уровня сложности. Положительную роль сыграло развитие аппаратуры, обладающей высокой точностью и производительностью.

В настоящее время практически во всех странах мира наблюдается тенденция переноса объема геофизических работ в область малоглубинных экологических и инженерно-геологических исследований. В частности, на передний план выходят экологические задачи, которые требуют незамедлительного решения из-за того, что грозят перерасти в неразрешимые. Другой круг проблем - задачи, связанные с катастрофическими процессами, решение которых за короткое время позволит избежать необратимых последствий. Необходимость решения такого рода задач привела к появлению новых, более высоких требований, ранее представлявшихся неосуществимыми и излишне завышенными, так как применяемая аппаратура, методика, теория, интерпретация удовлетворяли существующим потребностям.

Последние 10 лет являются эрой интенсивной компьютеризации, которая стимулировала быстрое развитие метода сопротивлений. Широкое и повсеместное внедрение персональных компьютеров позволило широкому кругу геофизиков получить прямой доступ к вычислительным машинам. Это привело к тому, что появилось достаточно много работ с решениями и старых, и новых проблем. В силу того, что возросли требования к решаемым задачам, появилась необходимость в создании новых аппаратуры, технологий и теоретических представлений.

В настоящее время для удовлетворения все более жестких требований, предъявляемых к решению самых разнообразных задач, необходимы развитие теории, совершенство аппаратуры, улучшение точности интерпретации данных. Таким образом, усложнение задач и

повышение естественных требований делают необходимыми новые усилия по разработке решений давно поставленных проблем и, возможно, апробации этих решений применительно к конкретным условиям. В частности, возродился интерес и к анизотропным средам.

Актуальность темы. При решении ряда геологических задач необходимо изучение анизотропии электрических свойств геологической среды. Другой важной проблемой является влияние анизотропии на данные метода сопротивлений. При исследованиях не связанных с изучением анизотропных свойств среды в случаях влияния анизотропии необходимо, для правильной интерпретации данных метода сопротивлений, учитывать это свойство среды.

Анизотропия проявляется в том, что в разных направлениях наблюдаются разные свойства. Физически анизотропия может быть связана с тонкой слоистостью, зернистостью, трещиноватостью, метаморфизмом, напряженно-деформированным состоянием, то есть с литологическими, струетурными, текстурными, тектоническими свойствами пород.

Анизотропия электрических свойств геологической среды изучается для решения следующих геологических задач:

• геологическое картирование (задача определения направления простирания круто падающей слоистой толщи);

• оценка гидрогеологических свойств геологической среды (определение направлений трещиноватости пород).

Особенно необходимо отметить, что анизотропия электрических свойств затрудняет решение традиционных задач. Поэтому

• изучение и учет анизотропии также является очень важным для правильной интерпретации данных метода сопротивлений в рамках горизонтально-слоистых и неоднородных сред.

Если на данные метода сопротивлений влияет анизотропия электрических свойств изучаемого разреза, то это влияние должно учитываться при интерпретации. Оценить влияние анизотропии электрических свойств геологической среды можно анализируя данные азимутальных электрических зондирований и профилирований (АЭЗ и АЭП).

В силу сложности интерпретации моделей с анизотропными свойствами, большего объема данных, который необходим для анализа и при отсутствии развитой теории, позволяющей моделировать более сложные ситуации, большинство интерпретаторов было вынуждено при обработке результатов метода сопротивлений останавли-

ваться на рассмотрении и анализе кусочно-однородных и изотропных моделей. Наиболее широко для аппроксимации реальной геологической среды используется модель горизонтально-слоистой среды с однородными изотропными слоями. Кроме учета слоистости, для более точного приближения модели к реальной геологической среде необходимо учитывать влияние неоднородностей и анизотропии. Особенно остро такого рода проблемы возникают при малоглубинных исследованиях, связанных с изучением верхней части разреза от нескольких метров до десятков метров, так как с одной стороны требуется высокая точность определения параметров геологического разреза, а с другой стороны результаты геофизических исследований легко проверяются с помощью бурения. На рис. 1 схематично изображены составляющие геоэлектрической модели разреза: ГСС -горизонтально-слоистая среда; Н - неоднородности (ГН -глубинные, ППН - приповерхностные); А - анизотропное полупространство; ГСС+Н -горизонтально-слоистая среда с неоднородностями; ГСС+А - слоисто-анизотропная среда; А+ППН -анизотропное полупространство с приповерхностными неоднородностями; А+ГН -анизотропное полупространство с глубинными неоднородностями.

Совместное проявление слоистости и неоднородностей в электрическом поле изучалось с помощью физического моделирования (Блох, Боголюбов, Авдевич, Фокин и др.). Одновременно развивались аналитические подходы (Шкабарня, Шак и др.). Были разработаны алгоритмы численного моделирования (Альпин, Дмитриев, Кусков, Модин, Яковлев, Серебрянникова, Смирнова и др.). В настоящее время теоретические вопросы, связанные с учетом влияния неоднородностей на электрическое поле в горизонтально-слоистых средах, в целом решены. Результаты этих научных разработок используются

Рис.1. Взаимосвязь основных составляющих геоэлектрической модели разреза.

в технологиях многоэлекгродных электрических зондирований (Loke, Barker, Модин, Шевнин, Бобачев и др.).

Проблему влияния анизотропии на электрическое поле в слоистых средах рассматривали в своих исследованиях Бреднев и Сысков, Гуревич и Сажина, Козак и другие. Кроме этого, изучалось совместное влияние анизотропии и неоднородностей на значения кажущегося сопротивления, измеряемые на поверхности земли (Модин, Перваго, Акуленко и другие).

Таким образом, компонентами полной модели среды являются горизонтальная слоистость, неоднородности и элементы разреза с анизотропными свойствами. Сложность подобных задач, неразработанность теории, методики часто приводит к тому, что в ряде случаев не исключается раздельное изучение этих компонент. Новые обстоятельства, новые задачи заставляют опять вернуться к осознанию того, что эти составляющие модели реальной среды неразрывны и уже невозможно в настоящее время рассматривать толькс слоистую модель без влияния таких факторов как неоднородности v анизотропия. Следовательно, затрагивается задача как определения геометрии границ, так и получения свойств, причем в среде гораздо более сложной, чем горизонтально-слоистая. Необходимость решения этой задачи назрела уже давно. Но, несмотря на весьма почтенный возраст задачи, до сих пор во многих своих общих аспектах она не поддается удовлетворительному решению отчасти из-за неразработанности математического аппарата, отчасти из-за проблем с вычислительными ресурсами. Поэтому обычно при решении рассматриваются два преобладающих фактора, например, горизонтально-слоистая Ъреда и неоднородности.

Изучение анизотропии геологической среды - это особая область исследований, в которой своеобразными являются и прямые, v обратные задачи. Явления, связанные с анизотропией - совершенно особого рода. Объяснение этих явлений в рамках только качественного рассмотрения практически невозможно. И не случайно, известный эффект, связанный с увеличением поля вдоль направления с наименьшим электрическим сопротивлением назвали парадоксом анизотропии (Заборовский, 1943; Пылаев, 1948; Дахнов, 1953). Данная работа направлена на создание более общей модели геоэлектрического разреза и посвящена изучению особенностей влияния анизотропии геологической среды на измеряемое в методе сопротивлений электрическое поле. В работе рассмотрены вопросы со-

вместного влияния на электрическое поле слоистости и анизотропии, анизотропии и неоднородностей.

Цель и задачи работы. Целью работы является математическое моделирование физических закономерностей, которые возникают над горизонтально-слоистыми средами с анизотропией и выработка методических рекомендаций и способов интерпретации данных метода сопротивлений на примере азимутальных наблюдений электрического поля.

В соответствии с этим в работе решались следующие задачи:

1. Разработка и программная реализация теоретического подхода к решению прямой задачи ВЭЗ для двухслойной модели среды с анизотропией во втором слое для разной геометрии измерительных установок.

2. Изучение особенностей электрических зондирований над двухслойной средой с анизотропией во втором слое.

3. Разработка и программная реализация решения обратной задачи азимутальных электрических наблюдений над анизотропной средой.

4. Опробование разработанных алгоритмов и программ на конкретном полевом материале, проведение интерпретации данных.

5. Выработка рекомендаций по методике исследований.

При решении этих задач получены новые научные результаты.

1. Разработано и программно реализовано решение прямой задачи ВЭЗ для случая двухслойной модели среды с анизотропией во втором слое для разных электроразведочных установок.

Использование полученного решения прямой задачи ВЭЗ, реализованного в виде программы позволило выполнить большой объем математического моделирования и провести исследования особенностей электрического поля для горизонтально-слоистой модели с анизотропным основанием. Результаты исследований показали следующее:

• Модель горизонтально-слоистой среды с анизотропным основанием нельзя свести к более простым моделям, ни к горизонтально-слоистой, ни к анизотропному полупространству.

• Для горизонтально-слоистой модели с анизотропным основанием установлено, что при некоторых соотношениях параметров модели и геометрии измерительных установок исчезает эффект парадокса анизотропии.

• По результатам решения прямой задачи для рассматриваемой модели показано, что в анизотропной среде для азимутов, отличных от азимута простирания и падения, азимутальная компонента элек-

трического поля не равна нулю. Этим объясняется высокая чувствительность к анизотропии электрических свойств среды нелинейных установок (например дипольной экваториальной) по сравнению с обычно используемыми линейными установками (трех-электродная, симметричная, дипольная осевая и др.).

• Анализ модельных кривых показал, что при интерпретации вертикальных электрических зондирований для горизонтально-слоистой среды с анизотропным основанием необходимо использовать адекватную модель геоэлектрического разреза. Формальное применение аппарата интерпретации для слоистой изотропной среды, без учета анизотропных свойств основания, приводит к эффекту появления ложного слоя.

2. Разработано и программно реализовано решение обратной задачи азимутального электропрофилирования над анизотропной средой.

• Установлено, что решение задачи наиболее чувствительно к вариациям поперечного сопротивления. Оказалось, что проблема неустойчивости задачи проявляется при изменении именно этого параметра. А наиболее сильно неустойчивость решения задачи проявляется при стремлении коэффициента анизотропии к единице.

3. Проведенные исследования возможности решения прямых и обратных :задач/для неоднородно-анизотропных сред на основе спектрального подхода позволили сделать следующие выводы.

• Использование программной реализации спектрального подхода позволило выполнить математические расчеты спектров азимутальных функций кажущегося сопротивления для различных моделей и геометрии установок. Результаты анализа спектров позволили однозначно определить, что спектр азимутальной функции кажущегося сопротивления нелинейной установки шире спектра линейной установки. Следовательно, при азимутальных измерениях с нелинейными установками необходим более частый шаг по азимуту, чем для линейных установок.

• По результатам анализа спектров показано, что при азимутальных измерениях над анизотропными породами в спектрах получаемых функций кажущегося сопротивления содержатся только четные гармоники. При влиянии неоднородностей амплитуды нечетных гармоник отличны от нуля. По соотношению амплитуд четных и нечетных гармоник в спектре можно судить о преобладании влияния либо анизотропии, либо неоднородностей. Когда амплитуды нечетных гармоник намного меньше, чем амплитуды четных, - параметры анизотропной толщи определяются точнее. Таким образом, установ-

лено, что применение спектрального подхода при обработке данных азимутальных измерений позволяет легко получать количественные оценки влияния анизотропии и неоднородностей по соотношению в спектре амплитуд четных и нечетных гармоник.

• Представление азимутальной функции кажущегося сопротивления над анизотропной средой через ее спектр допускает при последующем восстановлении функции использовать только четные гармоники. Применение этого приема предоставляет возможность при обработке полевых данных уменьшить влияние неоднородностей по сравнению с влиянием анизотропии, а в отдельных случаях почти полностью его подавить.

• При проведении сравнительного анализа спектров азимутальных функций кажущегося сопротивления для линейных и нелинейных установок удалось достаточно просто подтвердить, что нелинейные установки более чувствительны к анизотропии, чем линейные, при одинаковой чувствительности к неоднородностям.

4. Проведенный анализ решений прямых и обратных задач для моделей неоднородно-анизотропных сред показал, что площадные наблюдения дают возможность разделить наблюденное электрическое поле на аномальную составляющую, связанную с влиянием неоднородностей и фоновую составляющую, связанную с анизотропией электрических свойств среды. Лишь в некоторых, наиболее простых ситуациях возможно решение подобной задачи с помощью профильных наблюдений. Для уверенного распознавания влияния неоднородностей и анизотропии рекомендуется несимметричное вращение установок (вращение установки не вокруг ее центра). Практическая ценность работы.

1. Решена теоретическая задача расчета электрического поля над горизонтально-слоистой моделью с анизотропным основанием. Эта модель среды имеет более широкую область практического применения по сравнению с моделью анизотропного полупространства.

• Полученное решение программно реализовано для двухслойной модели. Программа позволяет получать кривые вертикального электрического зондирования и полярные диаграммы кажущегося сопротивления для различной геометрии измерительных установок. Анализ результатов моделирования позволяет целенаправленно выбирать методику наблюдений при постановке полевых работ.

• Теоретически показано, что для горизонтально-слоистых моделей с анизотропными свойствами существуют такие соотношения параметров модели и геометрии измерительной установки при кото-

рых не выполняется парадокс анизотропии, на использовании которого основано решение большинства практических задач.

• Программа моделирования опробована на конкретной геологической ситуации. Результаты модельных исследований электрического поля над двухслойной средой с анизотропным основанием позволили модернизировать методику азимутальных измерений для уверенного определения по площади простирания анизотропного основания (плато Патиль, Бахчисарайский район, Крым). По результатам измерений построена карта-схема простирания анизотропных пород таврической серии, перекрытых слоем песчаников переменной мощности.

2. Разработана программа решения обратной задачи азимутального электропрофилирования над анизотропным полупространством для установок разной геометрии. Решение реализовано в виде программы интерпретации данных азимутальных наблюдений для разной геометрии установок. Программа опробована на полевых материалах, полученных на Чукотке, в Крыму и др. Опыт практического использования программы показал ее эффективность при обработке азимутальных наблюдений.

3. Применение спектрального подхода для анализа азимутальных наблюдений дает возможность определять как параметры связанные с анизотропией электрических свойств (коэффициент анизотропии, направление простирания), так и параметры зависящие от влияния неоднородностей (например, коэффициент асимметрии) и относительный вклад анизотропии и неоднородностей в измеряемое электрическое поле.

4. Разработана технология исследования неоднородно-анизотропных сред, которая включает в себя методику проведения полевых наблюдений, обработку данных и интерпретацию. Технология азимутальных исследований направлена на разделение влияний анизотропии и неоднородностей.

Апробация работы.

Работа апробирована на примере азимутальных наблюдений. Теоретические решения и алгоритмы опробованы на представительных площадях с существенно различным геологическим строением (Крым, Донецк, Чукотка).

Основные результаты работы и ее отдельные положения докладывались и обсуждались на научной студенческой конференции геологического факультета МГУ (Москва, 1993г.); на XX, XXI V XXII научных конференциях молодых ученых геологического факуль-

тета МГУ (Москва, 1993, 1994, 1995 гг.); 57th EAEG & EAPG Conference (Glasgo, Scotland, 1995); на международной конференции "Вопросы теории и практики геологической интерпретации гравитационных, магнитных и электрических полей" РАН, ЕАГО (Воронеж,

1996 г.); на ежегодных научных конференциях "Ломоносовские чтения" (Москва, МГУ, 1996, 1997 гг.); на Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых и специалистов «Геофизика-97» (Петродворец, СПб, 1997 г.; на международной геофизической конференции «Москва-97», SEG-EAEG-ЁАГО (Москва,

1997 г.); 59th EAGE Conference (Geneva, Switzerland, 1997); 3rd Meeting environmental and engineering geophysics (Aarhus, Denmark, 1997); International Symposium IEEGS (Chengdu, China, 1997).

Публикации. Основные положения работы изложены в 14 опубликованных работах, в том числе в учебном пособии «Электроразведка методом сопротивлений» в главе «Изучение анизотропных сред».

Работа выполнена автором на кафедре геофизических методов исследования земной коры геологического факультета МГУ им. М.В.Ломоносова.

Структура и объем работы. Работа состоит из введения, пяти глав и заключения, содержит 100 страниц текста, имеет 40 рисунков и список литературы из 228 наименований.

Автор благодарен своему научному руководителю кандидату геолого-минералогических наук, доценту И.Н.Модину за постоянную помощь, поддержку и участие. Автор выражает свою искреннюю благодарность доктору физико-математических наук, доценту В.А.Шевнину и научному сотруднику Е.В.Перваго за плодотворное сотрудничество, своевременные и полезные советы, здоровую критику и оказанную помощь при выполнении работы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение. Во введении обосновывается актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цель и задачи исследований, представлены основные научные результаты, отмечена практическая ценность работы.

Глава 1. Современный уровень исследований в области анизотропии электрических свойств геологической среды.

В первой главе анализируются опубликованные работы, посвященные вопросам изучения анизотропии электрических свойств среды, применения методов электроразведки постоянным током для исследования анизотропных пород, определения свойств и геометрии границ для слоистых и неоднородных сред с анизотропией, исследования возможностей существующих методов по изучению анизотропных сред, использования теоретических представлений и разработанных технологий для решения геологических задач. §1. Общее понятие об анизотропии электрических свойств геологической среды. Модели геологических сред.

В первом параграфе рассматриваются причины, вызывающие анизотропию электрических свойств, ее типы и модели сред с анизотропией:'

Анизотропия - изменение физической величины в зависимости от направления в котором она измеряется. Анизотропия, как свойство среды, подразумевает изменение по направлению в одной точке, в отличие от неоднородности, которая подразумевает изменение от точки к точке. Рассмотрение среды как анизотропной или неоднородной - это вопрос масштаба и зависит от разрешающей способности метода (Sheriff, 1991). Физически анизотропия свойств геологической среды может быть связана с тонкой слоистостью, зернистостью, трещиноватостью, метаморфизмом, напряженно-деформированным состоянием, то есть с литологическими, структурными, текстурными, тектоническими свойствами пород.

Электрическая анизотропия (анизотропия электрических свойств) среды проявляется в зависимости электрического сопротивления от направления пропускания тока. А.М.Пылаев (1968) определил различия между электрически изотропной и разными типами анизотропных сред по проявленности геологических горизонтов на диаграммах трехэлекгродного каротажа и графиках ВЭЗ. В случае если геологический горизонт представляет собой однородную и изо-

тропную в электрическом отношении породу, соответствующая каротажная диаграмма имеет вид прямой линии с абсциссой, равной истинному сопротивлению этой породы. Если однородный в электрическом отношении геологический горизонт обладает, кроме того, свойствами собственной микроанизотропии, не проявляющейся на каротажной диаграмме, то из-за однородности горизонта, диаграмма также будет иметь вид прямой линии, с постоянным значением сопротивления. В связи с тем, что каротажная установка обычно расположена перпендикулярно плоскостям напластования, полученное кажущееся значение сопротивления будет соответствовать истинному продольному сопротивлению горизонта. Значение истинного поперечного сопротивления и коэффициента микроанизотропии Хмикро по каротажным данным в этом случае не может быть установлено. Для определения этих величин необходимо использовать дополнительные данные, например, данные ВЭЗ. В случае макроанизотропии геологический горизонт представлен чередующимися изотропными пластами различного сопротивления. Мощности этих пластов достаточны для того, чтобы каждый пласт был отмечен каротажной диаграммой (возможно определение ХМАКР0), но недостаточно велики, чтобы каждый пласт был отмечен на графике ВЭЗ. В этом случае на графике ВЭЗ вся толща чередующихся пластов различного сопротивления отмечается в виде отдельного горизонта. В случае общей анизотропии разрез представлен в виде чередующихся анизотропных пластов различных мощностей и сопротивлений, каждый из которых отмечается каротажной диаграммой. По сравнению с описанным выше случаем макроанизотропии здесь каждый пласт, входящий в разрез, или некоторые из этих пластов обладают, кроме того, собственной анизотропией ( микроанизотропия ), не отмечаемой каротажной диаграммой. Коэффициент анизотропии в этом случае -Я.0БЩ = /^макро "-^микро- В силу того, что при наземных наблюдениях методом сопротивлений микроанизотропия и макроанизотропия одинаково проявляются в электрическом поле, мы не различаем эти два случая и называем такую среду анизотропной. §2. Способы решений задач для анизотропных сред. Методики наблюдений при изучении анизотропии и неоднородностей.

Во втором параграфе проведен анализ опубликованных работ, посвященных решению прямых и обратных задач электроразведки для моделей сред с анизотропными свойствами: горизонтально-слоистых и, так называемых, неоднородных (по геометрии границ, по свойствам в нескольких направлениях). Теория анизотропных

сред в истории отечественной электроразведки впервые была рассмотрена в работах В.Р.Бурсиана (1933), А.И.Заборовского (1943), А.П.Краева (1951). В дальнейшем она развивалась усилиями Московской, Санкт-Петербургской, Екатеринбургской школ и другими. Наиболее часто цитируемыми из зарубежных публикаций являются работы Хабберджема (НаЬЬегфт). По результатам анализа опубликованных работ выявлены следующие проблемы:

1. Явление анизотропии электрических свойств часто проявляется как слабое. Коэффициент анизотропии, как правило не превышает 2.

2. Часто анизотропные свойства проявляются совместно с неод-нородностями, которые дают эффект в электрическом поле в10-100 раз больший. Следовательно, влияние анизотропии может подавляться влиянием неоднородностей.

3. Использование опубликованных готовых математических алгоритмов решения прямых задач для слоистых и неоднородных сред с анизотропными свойствами затруднено, а в отдельных случаях, по различным причинам, невозможно.

4. Отсутствие алгоритмов решения обратных задач для анизотропных сред.

Таким образом, возникла проблема построения решений прямых и обратных задач, отвечающих следующим требованиям: точность, быстродействие, пригодность для различной геометрии измерительных установок. На решение этой проблемы и направлена данная работа.

Глава 2. Решение обратной задачи азимутального электропрофилирования.

Во второй главе приведено решение обратной задачи азимутального электропрофилирования для однородного анизотропного полупространства.

§1. Алгоритм решения обратной задачи.

В первом параграфе описан алгоритм решения обратной задачи методом подбора. На каждой итерации решается прямая задача для однородного анизотропного полупространства. Решение прямой задачи производится по аналитическим формулам, в основе которых лежит задача о потенциале точечного источника, расположенного на поверхности однородного анизотропного полупространства (Заборовский, 1963). На основе оценки различий теоретических и экспериментальных значений кажущегося сопротивления вносятся

поправки в параметры модели среды с целью минимизации этих

различий (Большаков и др. 1994).

§2. Программа решения обратной задачи.

Во втором параграфе описана программная реализация алгоритма решения обратной задачи азимутального электропрофилирования. Алгоритм реализован в виде программы интерпретации данных, полученных для различной геометрии установок. Подбор параметров (продольное, поперечное сопротивления и простирание) производится при фиксированном значении угла падения пород анизотропного полупространства Интерпретация производится вдоль профиля по точкам азимутальных наблюдений в интерактивном режиме и сопровождается графическим изображением полярных диаграмм теоретических и полевых значений кажущегося сопротивления. Предусмотрена возможность отключения алгоритма автоматической интерпретации. Быстродействие программы удовлетворительное, - на ПЭВМ класса РСХТ-РСАТ286 для подбора параметров модели одной точки азимутальных наблюдений требуются доли секунды.

§3. Результаты тестирования программы.

В третьем параграфе описаны тестирование программы решения обратной задачи и полученные результаты. Программа тестировалась на модельных расчетах кажущегося сопротивления, выполненных по программе В.А.Шевнина (1992) «АМг», для модели анизотропного полупространства с различными параметрами. Результаты тестирования для разной геометрии установок показали, что максимальные ошибки при определении сопротивлений не превышают 5% (для поперечного - 4.7%, для продольного - 1%), а при определении простирания - не более 0.5 градуса, если шаг по азимуту не превышает 30 градусов. §4. Изучение устойчивости алгоритма.

В четвертом параграфе приведены решения обратных задач по рассчитанным данным азимутального электропрофилирования с внесенными в них ошибками (5%, 10%, 20%). Анализ полученных решений для различных моделей показал, что для данных полученных с дипольной экваториальной установкой даже при сильном расхождении теоретической и экспериментальной кривых (4.5%, 20.7%, 25.2%) точность подбора параметров лучше (для сопротивлений: поперечного - 3.33%, 4.7%, 10.7%, продольного - 3%, 3%, 4%; для простирания - 0°, 0°, 0°), чем для других (линейных) установок. Так, например, для дипольной осевой установки при меньшем расхожде-

нии теоретической и экспериментальной кривых (4.5%, 8.8%, 17%) погрешности в определении параметров модели следующие: для сопротивлений: поперечного - 6.7%, 12.3%, 30,3%, продольного -1%, 1%, 5%; для простирания - 0°, 0°, 7.5°. Для обоих установок сведения приведены для модели анизотропного полупространства с вертикальным падением, азимутом простирания - 0° и сопротивлениями: поперечным - 3 Омм, продольным -1 Омм.

Проведенный анализ устойчивости разработанного алгоритма решения обратной задачи показал: 1) решение обратной задачи наиболее чувствительно к вариациям поперечного сопротивления; 2) наиболее сильно неустойчивость решения задачи проявляется при стремлении коэффициента анизотропии к единице, то есть при слабом влиянии анизотропии; и подтвердил утверждение А.С.Семенова (1975) о более высокой чувствительности дипольной экваториальной установки к анизотропии по сравнению с линейными установками. Таким образом сделан вывод о необходимости использования именно дипольной экваториальной установки при исследованиях анизотропии электрических свойств.

§5. Пример опробования решения обратной задачи.

В пятом параграфе рассматриваются результаты решения обратной задачи азимутального электропрофилирования, выполненного по нескольким профилям для уточнения границ зоны малоамплитудных тектонических нарушений (г. Донецк, участок «Донской-2»), По результатам интерпретации получены оценки параметров анизотропной толщи. Оценки продольного и поперечного сопротивлений использовались для расчета коэффициента анизотропии. По графикам изменения коэффициента анизотропии и простирания анизотропных пород вдоль профилей уверенно выделена зона с аномальными свойствами. Так, например, по одному из профилей граница зоны тектонических нарушений фиксируется по увеличению коэффициента анизотропии с 1.26 до 1.49 (средние значения) и по изменению угла простирания на 60-80 градусов. Выводы, сделанные по результатам интерпретации данных удовлетворительно согласуются с данными других методов (ЭП, ВЭЗ, ДЭМП), использовавшихся при исследовании этой территории и подтверждены бурением.

Глава 3. Использование спектрального подхода для анализа данных азимутальных наблюдений.

Третья глава посвящена особенностям методики азимутальных наблюдений, вопросам обработки и интерпретации данных с использо-

ванием спектрального подхода.

§1. Выбор измерительной установки для исследования сред с анизотропными свойствами.

В первом параграфе рассматривается вопрос выбора установки, подходящей для исследования неоднородно-анизотропных сред и имеющей максимальную чувствительность к анизотропии. Предложенная дипольная экваториальная установка (Семенов, 1975) обладает этими характеристиками. Линейные установки при измерениях на плоскости перпендикулярной к плоскости падения анизотропных пород дают полярные диаграммы кажущегося сопротивления с соотношением большой и малой осей равным коэффициенту анизотропии X, а нелинейная (идеальная дипольная экваториальная) установка - X5. Такая чувствительность объясняется тем, что дипольная экваториальная установка является нелинейной, то есть геометрия установки такова, что не все электроды располагаются на одной прямой, как у линейных установок. Благодаря этой особенности, при использовании дипольной экваториальной установки в момент измерения складываются радиальная и азимутальная компоненты электрического поля. В однородной изотропной среде поле точечного источника тока имеет только радиальную компоненту, а в анизотропной среде добавляется азимутальная. Зависимость амплитуд радиальной и азимутальной компонент поля от азимута и расстояния до точечного источника в анизотропной среде различная. Таким образом, высокая чувствительность дипольной экваториальной установки к анизотропии объясняется влиянием азимутальной компоненты электрического поля (Шевнин и др., 1996).

При изучении анизотропии среды влияние неоднородностей может быть соизмеримо с проявлением анизотропных свойств в электрическом поле или даже превышать его. Но так как чувствительность к неоднородностям среды у измерительных установок с различной геометрией примерно одинаковая (Блох, 1971), а к анизотропии сильно различается (от X до X5), то применение нелинейной установки увеличивает вероятность успешного выявления влияния анизотропии на фоне влияния неоднородностей, с одной стороны, на этапе измерений, с другой стороны, при обработке данных (например, с использованием аппарата спектрального анализа), направленной на разделение этих влияний.

§2. Спектры азимутальных функций кажущегося сопротивления.

Во втором параграфе рассматривается возможности применения при обработке данных азимутальных наблюдений электрическо-

го поля аппарата спектрального анализа. Полярная диаграмма кажущегося сопротивления является периодической функцией и следовательно имеет дискретный спектр. Ее разложение в ряд Фурье можно записать в виде (Перваго и др., 1997):

Рк(ф;) = С0 +Х(А„СОЗ(ПФ|) + Вп вш(пф}) =

П=1

N/2 , .

=С0 + 1Спсоз(п(фгРп))> 1 = 1,. .„К, Где N - число азимутов наблюдения, I - порядковый номер азимута,

1 ^ 2 А 2 Л

с0 = Т7 X р/; Л = Т7 X р< С08(иф,-); В„ =—2 Р, втСйф,);

/=1 -"У /=1 (=1

ГТ--—г 1 в N

Сп=4А1+в1> рп=-агс1ап-^, п = \,

п лп z

А„, Вп, С„ - амплитуды п-ой гармоники, рп- сдвиг фазы п-ой гармоники относительно первого азимута наблюдений. Такое разложение имеет как математический, так и физический смысл. Физический смысл нулевой гармоники С0 состоит в том, что она равна среднему радиусу полярной диаграммы кажущегося сопротивления. В случае изотропной горизонтально-слоистой среды С0 равна значению кажущегося сопротивления на данном разносе. Добавление первой гармоники к нулевой приводит к смещению центра диаграммы от точки записи. Добавление к нулевой второй гармоники вызывает вытянутость (эллиптичность) диаграмм.

Решение прямой задачи метода сопротивлений для горизонтально-слоистой среды с анизотропным основанием можно представить в следующем виде (Электроразведка..., 1994, стр. 126):

рк(К,ф) = р, С0(К)+£Сп(К)со5(2пф) V

где

П=1

(2)

C0(R) = l+lj0(kr)B0(krR)dkr, Cn(R) = 2lJ2n(K)B2n(KR)dkr.

о 0

Различия формул (1-2) в следующем: при разложении наблюденных значений по формуле (1) могут появиться как четные, так и нечетные гармоники (п), а при теоретических расчетах по формуле (2) - только четные гармоники (2п). Наличие в (1) нечетных гармоник носит принципиальный характер: мы его связываем с влиянием горизонтальной неоднородности среды, приводящей к асимметрии полярных диаграмм. Но для того, чтобы в диаграмме проявилась асимметрия необходимо использовать несимметрично вращаемую установку, в которой наблюдения проводятся с поворотом установки на 360° не вокруг центра установки. После разложения на гармоники появляется возможность восстановить функцию кажущегося сопротивления для любого азимута по аналогичной формуле:/

IV£.

рк (ф) = со + X сп cos (п(ф - Р„)). (3)

п=!

При этом возможно:

• восстановить исходную функцию по всем гармоникам или использовать только четные гармоники, удаляя нечетные гармоники;

• оценить рк для любого азимута диаграммы, в том числе вдоль и поперек простирания анизотропной толщи;

• рассчитать ряд дополнительных параметров, например кажущийся коэффициент анизотропии Як (отношение наибольшей и наименьшей взаимно перпендикулярных осей) и коэффициент асимметрии у (отношение двух частей большей оси), определяемых по формулам (Pervago et al., 1997):

n/4 n/2

c0+Ic2n c0+2X

Я.к n/4 ' У n/2 •

c0+I(-Dnc2n c0+]T(-i)ncn

n=I n=l

При расчете Хк используются только четные гармоники, а при расчете коэффициента асимметрии у - как четные, так и нечетные гармоники.

§3. Выбор с помощью анализа спектров шага наблюдений для выполнения азимутальных измерений.

В третьем параграфе анализируются спектры азимутальных функций кажущегося сопротивления с целью выбора угла поворота установки для выполнения азимутальных наблюдений.

В соответствии с теорией спектров при выполнении реальных наблюдений с недостаточно детальным шагом может происходить искажение спектра сигнала. На рис.2 приведены результаты расчета спектров теоретических диаграмм азимутального электропрофилирования (АЭП) для трех-злектродной (АМ1\1) и дилольной экваториальной (О) установок над анизотропным полупространством с продольным сопротивлением р/=1 Омм и поперечным сопротивлением р„=3 Омм (Для О -Р?/МЫ=10, Я -разнос установки, МЫ - размер приемного и питающего диполей). Линиями показаны огибающие дискретных спектров только четных гармоник (нечетные равны нулю). Цифрой 1 отмечена огибающая спектра для АМ1\1, а 2 - для О при повороте установки с шагом 10°; 3 и 4 для Б с шагом 30° и 45°; 5 и 6 для Э с шагом 30° и 45°, когда начальный азимут на 15° отличается от азимута простирания. Аналогичные кривым 3-6 огибающие спектра для установки АМЫ не показаны, так как они практически совпадают с кривой 1. Основные различия спектров для АМ№ и Э установок следующие: 1) для АМЫ амплитуда нулевой гармоники больше всех других гармоник, а для О первые четные гармоники больше или соизмеримы с нулевой; 2) амплитуды нулевой гармоники для этих установок совпадают (эта гармоника несет информацию о среднем сопротивлении среды); 3) спектр для АМЫ затухает быстрее, чем спектр для Э. Последнее приводит к тому, что спектр для АМЫ имеет отличные от нуля гармоники до четвертой включительно, а спектр для Б - до десятой. Таким образом спектр для О установки весьма чувствителен к шагу по углу и, при редком шаге, - к несовпадению с азимутом простирания. Следовательно, для правильного определения значений диаграммы АЭП без искажения ее спектра для установки АМЫ достаточно провести наблюдения по 8 азимутам с шагом 45°, а для Б установки не менее

Рис. 2. Огибающие спектров (четные гармоники) для установок АМЫ и О.

чем по 20 азимутам с шагом 18°. При использовании шага в 30° спектр сигнала для О обедняется и отличается от истинного, как на рис.2 (кривые 3 и 5), где в спектре остается только 6 гармоник. §4. Проявление совместного влияния анизотропии и неодно-родностей.

В четвертом параграфе рассматриваются и анализируются результаты математического моделирования для неоднородно-анизотропных сред. Для получения полярных диаграмм кажущегося сопротивления для анизотропных и изотропных сред с не-однородностями было проведено математическое моделирование по программам АгизСоп^АБА) (Модин и др., 1992) и 1ЕЗИ1 (Яковлев и др., 1992), разработанным на кафедре геофизики геологического факультета МГУ. С целью получения отличий диаграмм АЭП над анизотропной средой и вблизи неоднородностей были рассчитаны диаграммы АЭП с углом поворота 10° для О установки вблизи вертикального контакта двух сред, а также их спектры, и ряд параметров на основе спектров (ЗЬеупт е* а1., 1997). Три разных модели вертикального контакта объединены на рис.3 в один профиль. Это контакт двух изотропных сред (1,2) с разными сопротивлениями (р,=1, рг=2); контакт изотропной и анизотропной сред (2,3) (р„,3=1.5, Ь=2, р3=-

О 10 20 30 40 50 60

К

I

го ;

I

10 :

5 |

2 1 •

I

О 10 20 30 40 50 60

90 60 ■ 30 0 :

Ф

-30 : ■ : г

0 10 20 30 40 50 . 60

2 V

0.5 ■

д

X, м

0 10 20 30 40 50 60

1 2 3 4

Рис. 3. Результаты моделирования и обработки диаграмм АЭП над вертикальными контактами.

20°); и контакт двух анизотропных сред с разными параметрами (3,4) (рт4=3, Х4=3, р4=45°). Для повышения наглядности оценок азимутов для сред 1 и 2 заданы коэффициенты анизотропии немного отличные от 1 и азимут простирания (3=0°. Разнос установки Р=2, АВ=МЫ=0.5. На рис.3 представлены результаты обработки и интерпретации результатов АЭП в виде графиков р/, рт, р„ (А), коэффициента анизотропии Я.« (Б), азимута простирания р (В), коэффициента асимметрии у (Г), отношения сумм нечетных к сумме четных гармоник ^ (Д). Физический смысл последнего параметра - соотношение влияний неоднородной (нечетные гармоники) и анизотропной (четные гармоники) компонент среды. Как видно из графиков, влияние контакта сказывается на расстоянии до 1.5 Я от контакта в каждую сторону. За пределами приконтактной области оценки всех параметров быстро приближаются к истинным значениям. Четкими признаками однородной анизотропной среды являются отличные от единицы значения и близкие к единице значения коэффициента асимметрии у (зоны 3 и 4), а признаки однородной изотропной среды Лк=1, у=1 (зоны 1 и 2).

На рис. 4 показаны две диаграммы для дипольной экваториальной установки и графики огибающих их спектров для точки удаленной от контакта двух анизотропных сред (пк-25) и приконтактной (пк-0). Диаграмма вблизи контача отражает простирания обеих сред, при удалении от контакта ее вид приближается к такой форме как в однородной анизотропной среде. Видно, что спектры диаграмм заметно различаются. Таким образом, основным признаком влияния горизонтальных неодно-родностей среды можно считать появление и резкий рост нечетных гармоник.

1 < v ' 1ь

П ¿.25 *

0 2 4 6 8 10

Рис. 4. Диаграммы АЭП (А) и их спектры (Б) вблизи и вдали от контакта анизотропных сред.

я = 35 ш

-40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40

Рис. 5. Круговые диаграммы для установки АМЫ около 30 объекта.

С целью получения влияния трехмерных неоднородностей, были рассчитаны диаграммы АЭП для установки AMN вблизи прямоугольного параллелепипеда повышенного сопротивления р2=10 (размеры 20 х 20 х 10, глубина верхней кромки h=5), находящегося в однородном полупространстве с р,=1. На рис. 5 показано расположение диаграмм АЭП для R=35 м относительно контура тела, а на рис, 6 - карта коэффициента асимметрии у, хорошо отражающая местоположение и форму неоднородности (Pervago et al., 1997; Modín et al., 1997). В однородной среде коэффициент асимметрии равен единице, а над краем объекта он достигает 3.5. - :

§5. Проявление совместного влияния анизотропии и слоистости.

В пятом параграфе рассматривается влияние анизотропии и слоистости на примере расчетов электрического поля для двухслойной модели с анизотропным основанием. Для полярных диаграмм, полученных над рассматриваемой моделью с погруженным источником (Шевнин и др., 1992, 1996) и при зондированиях с трехэлектрод-ной установкой или Шлюмберже (Электроразведка..., 1994) отмечаются случаи исчезновения парадокса анизотропии на одних разносах, и восстановления на других. Анализ спектров полярных диаграмм кажущегося сопротивления позволил установить (Pervago et al., 1997) и объяснить (Shevnin et al., 1997) причины этого явления.

На рис. 7 показаны графики первых гармоник в зависимости от разноса для потенциал-установки АМ (U), трехэлекгродной установки AMN (Е), дипольной экваториальной установки (D) над двухслойной средой с анизотропным основанием. На малых разносах первые гармоники для E-установки (AMN) оказываются отрицательными и при получении рк для азимута по простиранию они вычитаются из нулевой гармоники, а для поперечного направления суммируются с нулевой гармоникой, что и приводит к исчезновению парадок-

'-40 .30~ -20 -10 О" 1<Г 20 "эО " 40

Рис. 6. Карта коэффициента асимметрии у над ЗР объектом.

са анизотропии. Для и и О установок гармоники положительны и парадокс анизотропии сохраняется на всех разносах.

§6. Обработка и интерпретация данных азимутальных измерений с помощью спектров.

В шестом параграфе рассматриваются возможности применения спектрального подхода для обработки и интерпретации данных азимутальных электрических зондирований (АЭЗ) и профилирований (АЭП). В частности, использование спектров полярных диаграмм позволяв по данным АЭП получать оценки параметров среды (в рамках моде ли однородного анизотропного полупространства) по формулаи (прямым вычислением), в отличии от метода подбора. Для оценю коэффициента анизотропии используется формула (4). Направле ние простирания может быть определено (Перваго и др., 1997) вме сте с ошибкой (Мардиа, 1972) его оценки. Значение азимута прости рания р2„ может быть вычислено для всех четных гармоник по фор муле (1). Средний азимут простирания р и его дисперсия ар могу быть вычислены по формулам (МосПп е1а!., 1997):

Б? + 82

Ю'в ■

10* ; ---------- ..... К

0.1 1 10 10(

Рис. 7. Графики первых гармоник спектр; для разных установок в зависимости о разноса Р.

N/2-1

N/2-1

£С2пС08(Р2п) 2Х8Ш(Р2п)

п=0

N/2-1

, =

п=0

11=0

Ес2п

Р = аг^ап

N/2-1

Г =

Ес2п

п=0

м

, ав = 1 — 21п г

-30

-60

Значения коэффициента анизотропии для установки непривычны по величине и неудобны для сравнения с другими установками. Спектральные преобразования позволяют пересчитать гармоники, а по ним и значения для дипольной экваториальной установки, приведя их к аналогичным значениям эквивалентной линейной установки (Реп/адо е! а1., 1997). Эта операция, как показала практика, удобна еще и потому, что преобразование одновременно значительно ослабляет влияние неоднородностей, поэтому результаты преобразования выглядят более гладкими, чем непосредственно измеренные с линейной установкой (БИеУпт е1 а!., 1997). На рис. 8 приведены в виде графиков Р(Р) и результаты расчетов параметров анизотропной среды по полевым данным 30 (Крым) (Большаков и др.,1997; Шевнин и др., 1997). Графики для трех-электродной установки АМЫ (Е) рассчитывались по измеренным значениям рк АЭЗ, а для дипольной экваториальной установки (Э) - по трансформированным к эквивалентной линейной установке (значения кажущегося сопротивления измеренные с Э-установкой пересчитыва-лись к значениям кажущегося сопротивления эквивалентной линейной установки). Результаты приведены для двух точек, одна из которых находится в месте выхода на поверхность анизотропного основания (1), а в другой осно-

ю

100

1Е

10

К м 100

Рис. 8. Графики азимутов простирания р(Я) и Хк(К) для измерений с установкой АМЫ (1 и 2 Е) и пересчитанные из Э-установки (1 и 2 01.).

вание перекрыто слоем наносов (2). Графики р и кк для О-установки в отличие от Е-установки выглядят более гладкими и сходятся на больших разносах к одному значению. Ошибки определения азиму-

тов простирания ß для D-установки значительно меньше, чем для Е-установки:

Глава 4. Прямая задача для вертикальных электрических зондирований для горизонтально-слоистой среды с анизотропным основанием.

В четвертой главе рассматривается прямая задача ВЭЗ для горизонтально-слоистой модели с анизотропным основанием, приводится математический вывод решение задачи, анализируются результаты моделирования для изотропных и анизотропных моделей с измерительными установками различной геометрии, описывается опробование реализованного решения.

§1. Вывод формул для расчета компонент электрического поля.

В первом параграфе приведен вывод формулы кажущегося сопротивления для потенциал-установки (AM) располагающейся на поверхности двухслойной среды с анизотропией во втором слое (Электроразведка..., 1994, стр.126). Падение анизотропных пород перпендикулярно плоскости наблюдения. Особенностями полученной формулы (2) являются: независимость Во и в следствии этого Со от угла ориентации (азимута) установки ф, что позволяет предположить связь этого коэффициента с влиянием слоисто-изотропной составляющей модели. Зависимость других членов ряда от угла ф подчеркивает их связь с анизотропией основания разреза. При этом влияние угла ориентации установки сосредоточено в соз(2пф), расчет которых можно проводить отдельно от более трудоемких расчетов коэффициентов Сп, что позволяет после расчета Сп легко получить кажущееся сопротивление для любого азимута установки. Дополнительными исследованиями установлено (Shevnin et al., 1997), что гармоники Сп убывают быстро и с достаточной для практики точностью можно ограничиться пятью первыми гармониками (п=0,..., 4). §2. Анализ результатов моделирования для некоторых типов измерительных установок.

Во втором параграфе анализируются результаты расчетов кривых ВЭЗ для потенциал-установки (U) и трехэлектродной установки (Е) над двухслойными анизотропными моделями с различными параметрами (Электроразведка..., 1994). На рис. 9 приведена одна из моделей со следующими параметрами: для первого слоя - сопротивление -1 Омм, мощность - h=1 м; для второго анизотропного (\=5) слоя - поперечное сопротивление - рп=50 Омм, продольное - pt =2 Омм. Для этой модели рассчитаны продольные (||), и поперечные (-4 кривые ВЭЗ (рис. 10) для установок Е (рЕ) и U (ри), по которым были

вычислены кажущиеся коэффициенты анизотропии для обоих установок (ХЕ, Ли) на всем интервале разносов (Р).

Асимптоты кривых рк для обоих установок совпадают. Кривые начинаются от значения р, (разносы менее 1 м, на рисунке не показаны) и выходят на больших разносах к значениям для поперечных кривых рт (рт - среднегеометрическое рп и рО и для

j анД1

Jf

1 м

Г

I ш в й

Рис. 9. Модель 1.

1 10 100 R, м

Рис. 10. Кривые кажущегося сопротивления и коэффициента анизотропии для ВЭЗ с потенциал-установкой (U) и трехэлек-тродной установкой (Е) над моделью 1.

продольных р{. Сдвиг кривых по оси разносов в области перехода от первого слоя ко второму слою связан с разной глубинностью установок. Отличие продольных и поперечных кривых состоит в том, что продольные кривые выходят к значению рт снизу, а поперечные - к значению pt сверху, при этом продольные кривые являются двухслойными, а поперечные - трехслойными типа К. На графике Хк для трехэлектродной установки заметен широкий минимум в интервале разносов от 1 до 10 R/h, где парадокс анизотропии отсутствует. §3. Сравнение кривых зондирования для анизотропной и изотропной моделей.

сж>

В третьем параграфе сравниваются результаты расчетов кривых ВЭЗ для двухслойной изотропной модели и двухслойной модели с анизотропией во втором слое (Электроразведка..., 1994). Результаты моделирования и установки показали, что кривые кажущегося сопротивления для изотропных моделей отличаются от кривых для моделей с анизотропией. Для нисходящих кривых изотропные и анизотропные графики рк для и и Е установок схожи по форме, при этом продольные анизотропные кривые раньше выходят на асимптоту, чем изотропные, а поперечные анизотропные кривые выходят на асимптоту позже изотропных. Для восходящих кривых и продольные, и поперечные анизотропные кривые выходят на асимптоты позже изотропных, при этом поперечные анизотропные кривые имеют форму трехслойных типа К, резко отличную от восходящих изотропных кривых.

§4. Анализ результатов моделирования для дипольной экваториальной установки.

В четвертом параграфе представлены результаты моделирования для дипольной экваториальной установки. На рисунке 11 представлена модель 2. Продольная и поперечная кривые рк для модели 2, а также кривая кажущегося коэффициента анизотропии для О установки показаны на рисунке 12. Для сравнения приведен график кажущегося коэффициента анизотропии для потенциал-установки - с индексом «и». На рисунках 13 и 14 приведены аналогичные результаты для моделей 3 (р!=0.1 Омм) и 4 (р1=0.8 Омм).

Дипольная экваториальная установка обладает существенно большей чувствительностью к анизотропии, достигающей в пределе А.5, по сравнению с линейными установками (АМ, АМ1М) (Электроразведка..., 1994). Соот- 1 10 Я, м 100

ношение сопротивлений первого Рис. 12. Кривые рк и Хк для ВЭЗ слоя и нижнего полупространства с Э установкой над моделью 2. существенно влияет на форму кривых зондирования и на выход этих

1ГИТЁ

Рис. 11. Модель 2

Е

кривых к асимптотическим зна- Рис- 14. Кривые рк и Я,к для ВЭЗ с чениям. При мощности первого 0 установкой над моделью 4. слоя 1 м, выход на асимптоту для модели 2 (рис. 11) можно отметить при Я>10 (рис. 12), для модели 4 он отмечается при 13=100 (рис. 14), а для модели 3 при Р?>200 (рис. 13). На графиках кажущейся анизотропии для дипольной экваториальной установки не отмечены случаи нарушения парадокса анизотропии, в отличие от трехэлектродной установки АМ1\1. Для моделей 3 и 4 поперечные кривые зондирования (х) над двухслойной средой имеют вид трехслойных, особенно для модели 3.

§5. Пример решения прямой задачи.

В пятом параграфе приведены результаты расчетов над моделью двухслойной среды с анизотропным основанием, соответствующей условиям Крымской учебной практики (Большаков и др., 1996). Смоделирован разрез плато Патиль. Нижняя часть разреза сложена породами таврической серии, залегающими субвертикально, с рт =45 Омм и Хк=1.62, а верхняя часть мощностью 10 м - это известковистые песчаники резанской свиты с

Рис. 15. Результаты расчетов ВЭЗ и АЭП для плато Патиль.

р1=450 Омм. Расчеты показывают, что установка Шлюмберже (Е) [ практическом интервале разносов дает очень слабые различия про дольных и поперечных кривых (рис. 15, А). Это обясняет неудачи пр! попытках обнаружить анизотропию основания под слоем наносов < помощью установки Шлюмберже. Потенциал-установка АМ (I)), мо жет дать более заметный эффект анизотропии. Наилучший эффек можно получить при использовании дипольной экваториальной уста новки (О). Таким образом, наиболее удобно выполнить зондировани« с установкой Шлюмберже и азимутальные наблюдения с дипольно! экваториальной установкой в этой же точке, что позволит охаракте ризовать как слоистость, так и анизотропные свойства основания. Н; рис. 15 (Б,В) приведены полярные диаграммы кажущегося сопротив ления для трех установок на разносах 30 (Б) и 40 (В) метров пр! мощности первого слоя Ь=10 м. Начиная с 14/11=3-4 дипольная эква ториальная установка дает сильный эффект анизотропии. §6. Решение задачи для п-слойной среды.

В шестом параграфе решение прямой задачи для двухслой ной среды с анизотропией во втором слое обобщается для случа! многослойной среды с анизотропным основанием. Приведен выво^ формулы для расчета кажущегося сопротивления потенциал установки на поверхности рассматриваемой модели. Полученно( решение реализовано в виде программы расчета кривых зондирова ния для потенциал-установки.

Глава 5. Примеры практического исследования сред с анизо тропией.

В пятой главе рассматриваются применение методики азиму тальных наблюдений с дипольной экваториальной установкой дт изучения анизотропных свойств основания слоистого разреза и ис пользование программы интерпретации данных азимутальных изме рений.

§1. Применение азимутального электропрофилирования длз оценки направления трещиноватости (Мексика, провинция Ну эво-Леон, район города Чина).

В первом параграфе приведены результаты интерпретаци! данных азимутального электропрофилирования. Азимутальные из мерения выполнялись с целью определения преобладающего на правления трещиноватости в плотных песчаниках мелового возрас та, переслаивающихся с рыхлыми алевролитами. Мощность проело ев 1-10 метров, пласты имеют восточное падение (5-10 градусов)

Угол падения трещин около 90 градусов. Наблюдения проводились с шагом по азимуту 30 градусов дипольной экваториальной установкой (АВ=МЫ=5м, 00-40м) в трех точках. Точки удалены друг от друга на 100 и 400 м и располагаются около дамбы, построенной для удержания водных масс проектируемого водохранилища. По результатам интерпретации данных с использованием созданной программы решения обратной задачи было выявлено направление перпендикулярное направлению простирания дамбы. Исходя из априорных геологических данных, нет никаких сомнений в том, что это преобладающее направление трещиноватости. Направление анизотропии, связанной с переслаиванием песчаников и алевролитов явно не выделяется на полярных диаграммах кажущегося сопротивления. Таким образом, при эксплуатации будущего водохранилища возможно сильное развитие фильтрационных процессов. Особенно интенсивная фильтрация ожидается в направлении преобладания трещиноватости. Параметры, определенные в результате интерпретации данных использовались при оценке коэффициента трещиноватости. В результате дополнительных расчетов была проведена оценка значения расхода воды через площадку 100 квадратных метров. Следовательно, развитие фильтрационной активности растворов в районе дамбы может повлечь изменения гидрогеологической обстановки и эксплуатация шоссе, проходящего параллельно дамбе будет затруднена. После того как два года назад водохранилище было заполнено водой, прогноз по данным электроразведки практически полностью подтвердился.

§2. Применение азимутального электропрофилирования для изучения зон трещиноватости на подрабатываемых территориях (Донецкая область, Макеевский район, участок «Холодная балка»).

Во втором параграфе приведены результаты интерпретации данных АЭП, выполненных с целью выявления структурных особенностей и изучения анизотропных свойств геологического разреза. Анизотропными свойствами обладает основание разреза (переслаивание аргиллитов, алевролитов и песчаников), перекрытое рыхлыми отложениями (мощность первые метры). Другие причины анизотропии: сильная рассланцованность аргиллитов и алевролитов, трещиноватость песчаников. По результатам интерпретации данных профильных наблюдений с использованием программы решения обратной задачи были получены параметры анизотропии. В целом, по

изменениям значений коэффициента анизотропии и направлена простирания выявлено блочное строение исследуемой территории. §3. Применение азимутальных измерений для определения про стирания коренных пород (Крым, Бахчисарайский район, плате Патиль).

В третьем параграфе приведены результаты исследование анизотропии пород таврической серии в местах их выхода на по верхность и под слоем песчаников резанской свиты. Анизотропны« свойства пород таврической серии много лет изучались на крымско! практике традиционно - отдельными азимутальными наблюдениям! с помощью установки Шлюмберже в местах их выхода на поверх

У 5

4

3

2

1

О

Рис. 16. Диаграммы АЭП в разных точках плато Патиль.

ность. Решение прямой задачи для слоистой среды с анизотропным основанием позволило провести расчеты электрического поля для данной модели (Электроразведка..., 1994). Эти расчеты позволили выработать практические рекомендации для применения дипольной экваториальной установки, как более чувствительной к анизотропии по сравнению с установкой Шлюмберже. На рис. 16 представлены азимутальные диаграммы дипольного электропрофилирования. На плато Патиль. Точки ТО и Б1 измерены на выходах пород таврической серии, а остальные точки - на перекрывающих их песчаниках. Выбор разносов установки ДЭП (20, 40 и 120 м) в зависимости от предполагаемой мощности перекрывающих песчаников обоснован с помощью теоретических расчетов. Различия в форме диаграмм 82, 8, 7, 6, 5, 10, 4 вызваны постепенным увеличением мощности перекрывающих отложений, а различия в форме диаграмм 2 и 25 - сменой разносов установки (40 и 120 м). Различия в простирании пород таврической серии, выявленные по азимутальному элекгропрофили-рованию позволяют предположить наличие в правой части участка складчатой структуры, форма которой обозначена линиями с буквой Р. Буквой В обозначено положение границы распространения резан-ских песчаников (к северу от линии В их нет) и обрывистый край плато на юге и востоке (Е).

В заключении содержатся краткие выводы по теме диссертации.

ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1. При решении задач геологического картирования, гидрогеологических задач и для правильной интерпретации данных метода сопротивлений необходимо изучение анизотропии электрических свойств среды по специальной методике азимутальных наблюдений. Основными особенностями методики являются:

• Использование нелинейных установок, которые обладают более высокой чувствительностью к анизотропии по сравнению с линейными установками. При проведении азимутальных измерений с нелинейными установками шаг по направлениям обратнопропорцио-нально зависит от кажущегося коэффициента анизотропии и для анизотропных пород с истинным коэффициентом анизотропии около 1.5 не должен превышать 18 градусов.

• Применение несимметричного вращения электроразведочной установки, площадных или профильных азимутальных наблюдений

дает возможность выявления анизотропии на фоне влияния неодно-родностей.

2. Анализ данных азимутальных наблюдений с использованиел/ спектрального подхода позволяет получать количественные оценм связанные с влиянием анизотропных свойств и неоднородностей геологической среды. Для ослабления влияния неоднородностей пру исследовании анизотропных свойств на этапе обработки данных не обходимо использовать процедуры подавления нечетных гармоник.

3. Игнорирование влияния анизотропии в рамках слоистой илк неоднородной модели среды приводит к заметным ошибкам в интер претации. Влияние анизотропии на результаты измерений методе сопротивлений можно распознать и выделить на фоне влияния элек трических неоднородностей и слоистости среды с помощью техноло . гии дипольных азимутальных наблюдений.

СПИСОК РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Большаков Д.К., Модин И.Н., Шевнин В.А. Автоматизированная интерпретация данных кругового ЭП над анизотропным полу пространством./У Геофизика, Журнал ЕАГО, 1994, N6, с. 19-24.

2. Большаков Д.К., Модин И.Н., Шевнин В.А., Перваго Е.В. Изуче ние особенностей электрических зондирований над погребен ной анизотропной средой.//Вестник МГУ. Сер. 4. Геология 1996. N2, с.60-70.

3. Электроразведка методом сопротивлений. Глава 5. Под ред В.К. Хмелевского и ВАШевнина // М., изд. МГУ. 1994. 160с.

4. Bolshakov D.K., Modin I.N., Pervago E.V., Shevnin V.A. Anisotrop} effects investigations by resistivity method in some inhomogeneoui média. EAEG & EAPG 57th Conférence and Technical Exhibition Glasgow, Scotiand, 29 May-2 June, 1995. Extended Abstracts Volume 1. P034.

5. Шевнин B.A., Большаков Д.К., Модин И.Н., Перваго Е.В. Влия ние анизотропии геологической среды на результаты методг сопротивлений. РАН, ЕАГО. Международная конференция "Вопросы теории и практики геол. интерпр. грав., магн. ^ электр. полей", 21-25 янв. 1996г. г.Воронеж., Тезисы докладов с.33-35.

6. Модин И.Н., Большаков Д.К., Перваго Е.В., Шевнин В.А. Алго ритм решения прямой задачи ВЭЗ над слоистой средой с ани зотропным основанием и его практическое применение. Еже-

годная научная конференция "Ломоносовские чтения". 23-29 апреля 1996г, Москва, (МГУ) Тезисы докладов с. 148-149.

7. Шевнин В.А., Большаков Д.К., Модин И.Н.. Электроразведка на учебной геофизической практике в Крыму I Вестн. Моск. ун-та. Сер.4. Геология. 1997. N3, с. 68-72.

8. Перваго Е.В., Шевнин В.А., Большаков Д.К., Модин И.Н. Анизотропия и неоднородность, их раздельная оценка по спектрам азимутальных диаграмм метода сопротивлений. Тезисы доклада Международ, геофиз. конф. SEG-EAEG-EAro Москва-97, 18-20 сентября 1997.

9. Большаков Д.К., Модин И.Н., Перваго Е.В., Шевнин В.А. Новый подход к анализу данных азимутальных наблюдений в методе сопротивлений над анизотропной средой. Всеросс. научно-практ. конф. мол. уч. и спец. Геофизика-97. 3-6 июня 1997, Петродворец. СПб, 1997. с.75-77.

10. Модин И.Н., Большаков Д.К., Перваго Е.В., Шевнин В.А.. Новый подход к изучению анизотропных и неоднородных сред электроразведкой на постоянном токе. Ежегодная научная конференция "Ломоносовские чтения", 23-29 апреля 1997 г., г.Москва, с. 158-159.

11. Pervago E.V., Bolshakov D.K., Modin I.N., Shevnin V.A.. The new approach to the analysis of the azimuthal resistivity data over anisotropic media. EAGE 59th Conference, Geneva - 1997. P139.

12. Modin I.N., Bolshakov D.K., Pervago E.V., Shevnin V.A. Separation of anisotropy and inhomogeneity influence by the spectral analysis of azimuthal resistivity diagrams. 3rd Meeting environmental and engineering geophysics. Proceedings. Aarhus, Denmark, 8-11 September 1997. P.147.

13. Shevnin V.A., Bolshakov D.K., Modin I.N., Pervago E.V. Separation of anisotropy and inhomogeneity influence by azimuthal resistivity diagrams' analysis. International Symposium IEEGS in Chengdu, China, October 25-30, 1997. P.239-245.

14. Большаков Д.К. Решение прямых и обратных задач метода сопротивлений для моделей с анизотропией. Автореф. на соиск. уч. степени магистра геологии. М., 1994. п

( •!'.'.:• Uili'.ti^ К ф. '■! . ■ 4,1! ' vMMU-W ^'•'••¡rih-pitlf ttV{.4 И". I.i Tl»|M4, i ¿i ib' x. (.я л t ,N>> 9