Теоретические и экспериментальные исследования возможностей некоторых компенсационных установок и методика их применения в индукционной электроразведке

Чистосердов, Борис Михайлович

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Теоретические и экспериментальные исследования возможностей некоторых компенсационных установок и методика их применения в индукционной электроразведке
ВАК РФ 25.00.10, Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых

Автореферат диссертации по теме "Теоретические и экспериментальные исследования возможностей некоторых компенсационных установок и методика их применения в индукционной электроразведке"

на правах рукописи

0034572Б2

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВОЗМОЖНОСТЕЙ НЕКОТОРЫХ КОМПЕНСАЦИОННЫХ УСТАНОВОК И МЕТОДИКА PIX ПРИМЕНЕНИЯ В ИНДУКЦИОННОЙ ЭЛЕКТРОРАЗВЕДКЕ

Автореферат диссертации на соискание степени кандидата технических наук

25.00.10 - Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых

1 2 ПРИ 2008

Екатеринбург-2008

003457262

Работа выполнена в Институте геофизики УрО РАН

Научные руководители:

доктор технических наук

Человечков Александр Иванович, кандидат технических наук Улитин Руслан Васильевич

Официальные оппоненты:

доктор геолого-минералогических наук Голиков Юрий Владимирович, Кандидат технических наук Волынский Дмитрий Николаевич

Ведущая организация:

Пермский государственный университет (г. Пермь)

Защита состоится 26 декабря 2008 г. в 10. 00 на заседании диссертационного совета Д 004.009.01 при Институте геофизики УрО РАН, по адресу: 620016, г. Екатеринбург, ул. Амундсена, д. 100.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института геофизики УрО РАН.

Автореферат разослан 2008 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Доктор физико-математических наук,

профессор

Общая характеристика работы

Актуальность работы. В последние годы ведутся поиски более мелких месторождений в районах, прилегающих к освоенным рудным полям. При этом основным поисковым методом является метод переходных процессов, который себя хорошо зарекомендовал при проведении разведочных работ в районах, слабо освоенных в промышленном отношении. Однако, в настоящее время из-за большего количества на обследуемых территориях линий электропередач для получения качественных результатов приходится использовать как мощные источники магнитного поля, так и новейшие методы фильтрации помех. Использование мощных источников нередко приводит к возбуждению нескольких аномальных объектов, для выявления которых требуется проведение детализации. Все это значительно удорожает производство электроразведочных работ.

Метод дипольного индукционного профилирования при поисках рудных объектов применяется значительно реже вследствие недостаточной чувствительности этого метода. Однако использование в этом методе гармонического сигнала позволяет добиться высокой добротности измерительной аппаратуры, в результате чего отпадает необходимость в мощных источниках магнитного поля.

В настоящее время при проведении профилирования аномальный объект может быть обнаружен лишь в том случае, если профиль пройдет над объектом. Процедура поисков значительно упрощается, если используемая при профилировании установка позволяет выявлять искомый объект даже тогда, когда профиль проходит в стороне от него.

При интерпретации экспериментальных данных, полученных при картировании аномального объекта, очень часто используют приближение слоистой среды. Вблизи границ объекта это приближение оказывается очень грубым, поэтому положение границы аномального объекта в плане находится с ошибками.

Таким образом, актуальность работы определяется необходимостью:

a) повысить чувствительность исследуемых установок при измерении магнитного поля, возбуждаемого в неоднородной геосреде контролируемым источником;

b) создать установки, позволяющих повысить эффективность обнаружения проводящих объектов, расположенные в стороне от профиля геоэлектрических наблюдений;

c) разработать способы определения положения границ аномального объекта в плане с использованием только экспериментальных данных.

Цель работы. Учитывая упомянутые выше требования к методике измерений, можно сформулировать цель работы следующим образом:

1. Создание измерительных установок, обладающих не только высокой добротностью, но и высокой чувствительностью, которая позволяла бы выделять аномальные объекты даже в том случае, когда они сверху перекрыты наносами с повышенной электропроводностью.

2. Разработка методики измерений, позволяющих выявлять объекты, расположенные в стороне от профиля.

3. Создание измерительных установок, позволяющих определять положение в плане вертикальных границ аномальных объектов.

Задачи исследования:

1. Выбор конструкции установок, позволяющих уменьшить влияние верхних слоев разреза на измеряемый сигнал.

2. Теоретическое обоснование применимости предлагаемых установок "для горизонтально слоистых сред.

3. Расчеты профильных кривых и кривых частотного и дистанционного зондирования для разрезов, содержащих аномальные объекты с пониженным электрическим сопротивлением.

4. Экспериментальное опробование разработанных методов.

Объект исследований

В данной работе изучаются компенсационные методы, для реализации которых предлагается использование трех индукционных установок: двух-петлевой, «квадрупольной» и дифференциальной.

Научная новизна полученных результатов

1. Предложен способ прецизионной компенсации первичного магнитного поля, создаваемого индукционной двухпетлевой установкой (патент №2230341).

2. Показано, что для повышения чувствительности измерительной установки целесообразно использовать фазочувствительные измерения, по результатам которых строится кривая частотной зависимости кажущегося сопротивления отдельно по реальной и мнимой частям измеренной компоненты магнитной индукции; для определения типа разреза целесообразно использовать частотную зависимость кажущегося сопротивления, рассчитанного по реальной части измеренного сигнала.

3. Разработана методика расчета параметров двух- и трехслойного разреза, основанная на экспериментальном определении количества слоев в разрезе с последующим численным решением системы уравнений, что позволяет определять электрофизические параметры среды без использования процедуры подбора.

4. Показана целесообразность использования двухпетлевой установки при вертикальном зондировании среды, что позволяет выявлять аномальные объекты, обладающие повышенной электропроводностью, на глубинах, соизмеримых с размерами установки.

5. Предложена индукционная «квадрупольная» установка, позволяющая существенно уменьшить экранирующее влияние верхних слоев разреза (патент №2310214).

6. Показана перспективность использования дифференциальной индукционной установки при определении положения вертикальных границ исследуемого объекта (для профилей, проходящих над объектом) и для определения положения центра объекта в плане (для профилей, проходящих в стороне от объекта).

Выделяя основополагающие из полученных результатов, сформулируем следующие защищаемые научные положения:

1. Впервые разработана и экспериментально опробована методика прецизионной компенсации первичного магнитного поля, создаваемого двухпетлевой индукционной установкой. Данная методика позволяет визуально контролировать процесс компенсации по измерительному прибору, в результате чего в точке измерения первичное магнитное поле может быть плавно снижено до уровня помех (патент № 2230341).

2. Впервые предложен способ определения типа разреза, основанный на построении частотной зависимости кажущегося сопротивления, рассчитанного по реальной части измеряемой компоненты магнитной индукции. Применение этого способа позволяет по результатам частотного зондирования качественно определить порядок чередования в изучаемом разрезе слоев с повышенным и пониженным сопротивлением.

3. Впервые предложена и теоретически обоснована «квадрупольная» электроразведочная установка, позволяющая существенно снизить влияние верхних слоев разреза на измеряемый сигнал, в результате чего появляется возможность выявлять слои в разрезе, перекрытые наносами повышенной электропроводности (патент № 2310214).

Практическая ценность и реализация результатов исследования

Для выявления глубоко залегающих аномальных объектов с использованием дипольной установки требуются разносы, превышающие глубину залегания аномального объекта. При таких разносах часто оказываются возбужденными несколько аномальных объектов, для выявления которых требуется большой объем детализационных работ. В таких ситуациях целесообразно использовать рассмотренные в данной диссертации двухпетлевую и «квадрупольную» установки, позволяющие обнаружить объект на глубинах, соизмеримых с размерами установки.

Разработанные способы измерений вторичного магнитного поля позволяют при профилировании в стороне от аномального объекта определять положение центра проекции объекта на дневную поверхность.

фильтрация загрязненной воды из отстойника. Аналогичным образом с использованием дифференциальной установки устанавливается положение вертикальных границ при изучении зон просачивания воды сквозь тело плотины.

Разработанные способы измерений магнитной индукции и методика построения частотной зависимости по экспериментальным данным впервые были опробованы на Чусовском медноколчеданном месторождении вблизи г. Полевского Свердловской области. Для зондирования использовалась двухпетлевая установка. Полученные результаты не противоречат известным по этому месторождению геологическим данным. Построенные частотные зависимости также подтвердили вывод, что наибольшую информацию об аномальном объекте несет величина кажущегося сопротивления, определенного по реальной части измеряемой компоненты магнитного поля. В то же время по кажущему сопротивлению, рассчитанному по мнимой части измеряемой компоненты объект практически не выделяется. Аналогичные измерения были проделаны на Бобровской магнитной аномалии вблизи г. Реж Свердловской области. По результатам измерений эта аномалия была определена как приповерхностная.

Дифференциальная методика использовалась при работах в районе ПО «Маяк». С её использованием прямыми измерениями выявлены положения границ тектонически нарушенных, водопроницаемых пород, по которым происходит фильтрация загрязненной воды из озера Карачай. Аналогично, с помощью дифференциальной установки определены положения границ зон просачивания воды из водоема В-11 сквозь тело плотины. Сформулированные выводы хорошо согласуются с результатами интерпретации данных, полученных на тех же объектах методом ВЭЗ.

Апробация работы. Результаты работ докладывались на международном семинаре им. Д. Г. Успенского «Вопросы теории и практики геологической интерпретации гравитационных, магнитных и электрических полей» (Екатеринбург 1999г., Пермь 2005г., Екатеринбург 2006г.), на научных чтениях им. Ю. П. Булашевича «Ядерная геофизика, геофизические исследования литосферы, геотермия (Екатеринбург 2003г., 2007г.)», на межрегиональном форуме «Приборостроение 2004».

Личный вклад автора.

При рассмотрении двухпетлевой установки автором самостоятельно решены следующие задачи:

1) определение параметров горизонтально слоистого разреза;

2) профилирование двухпетлевой установкой над аномальным объектом;

3) двухпетлевое частотное зондирование над аномальным объектом.

Методика прецизионной компенсации первичного магнитного поля разработана автором совместно с Человечковым А. И.

При рассмотрении дифференциальной установки автор самостоятельно проделал все теоретические расчеты, полевые измерения сделаны под руководством Улитина Р. В.

В главе, посвященной «квадрупольной» установке, автором получены самостоятельно все результаты.

Полевые измерения производились автором в составе бригады, состоящей из сотрудников Института.

Публикации. По теме диссертации опубликована 21 печатная работа, в том числе получено четыре патента.

Работа над диссертацией выполнялась в Институте геофизики УрО РАН г. Екатеринбург.

Автор выражает благодарность научным руководителям Человечкову А. И. и Улитину Р. В. за помощь в работе и полезные советы, заведующему лаборатории «Экологической геофизики» Шестакову А. Ф. за обсуждение полученных результатов и полезные советы,. Автор считает необходимым поблагодарить сотрудников лаборатории экологической геофизики Бакаева В. П., Деветьярова В. В., Журавлеву Р ,Б., Федорову О. И. за помощь в проведении полевых работ и обсуждении полученных результатов, автор благодарен также сотрудникам других лабораторий Института Астафьеву П. Ф., Байдикову С. В., Ратушняку А. Н. за помощь при оформлении диссертации и обсуждении полученных результатов.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения, содержит 94 страницы текста, 53 рисунка и список литературы из 57 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение. В этом разделе рассмотрены актуальность работы, цель, основные задачи и научная новизна исследований, сформулированы защищаемые научные положения, рассмотрены практическая значимость и апробация работы.

Первая глава (Исследование методических вопросов применения двухпетлевой индукционной установки в электроразведке). В этой главе излагаются принципы работы двухпетлевой установки (ДПГУ) и демонстрируются различные аспекты ее применения.

1. 1 Основы измерений двухпетлевой установкой

Двухпетлевая установка (рис. 1) содержит две горизонтально ориентированные соосные незаземленные рамки, подключенные последовательно к источнику таким образом, чтобы создаваемые ими магнитные моменты имели противоположные направления, при этом датчик измерительного прибора располагается вблизи центра установки. Поскольку напряженность магнитного поля в центре рамки с радиусом Я равна Н=\*/1/11 ^-число витков рамки, 1-величина тока), то при \У=2 и К.2=2Т1, в точке измерения первичное магнитное поле оказывается полностью скомпенсированным. Человечковым А. И. и автором диссертации была разработана методика плавной прецизионной компенсации первичного магнитного поля, причем степень компенсации контролируется по измерительному прибору. Для осуществления прецизионной компенсации размеры внутренней петли увеличиваются при раскладке в 1.01 раза. При этом создается небольшая недокомпенсация первичного магнитного поля при положении датчика в центре петель. Установление максимальной компенсации достигается на минимально возможной частоте £ путем перемещения датчика в радиальном направлении до достижения минимальных показаний приемника. Необходимо учитывать, что на частоте & компенсируется суммарное значение первичного магнитного поля и реальной части вторичного магнитного поля, поэтому на этом этапе измерения не производятся. Расчеты показывают, что на низких частотах реальная часть вторичного поля растет пропорционально квадрату частоты, поэтому измерения можно начинать с частоты 4{к. В этом случае ошибка в определении реальной части вторичного магнитного поля оказывается порядка 6%. На более высоких частотах ошибка измерения становится еще меньше.

В момент полной компенсации модульный измерительный прибор регистрирует чисто мнимую часть измеряемого магнитного поля, которая не

может быть скомпенсирована по причине ее ортогональности к реальной части магнитного поля.

Наличие плавной контролируемой компенсации первичного магнитного поля существенно отличает рассматриваемый метод от метода искусственного подмагничивания (МИЛ), в котором контроль степени компенсации первичного магнитного поля не осуществим из-за невозможности разделения измерительным прибором первичного и аномального магнитного поля.

Известен зарубежный аналог двухпетлевой установки (I. J. Won, Н. Huang), однако конструкция установки такова, что она может быть использована только для малоглубинных измерений. Существенно также, что первичное поле, создаваемое этой установкой, не обладает вертикальной фокусировкой (в отличии от двухпетлевой установки, рассматриваемой в диссертации).

Конструкция двухпетлевой установки, в которой первичное магнитное поле скомпенсировано в точке измерений, позволяет сфокусировать магнитное поле петель вдоль оси установки на заданной глубине (порядка радиуса внутренней петли). Фокусировка первичного поля позволяет уменьшить влияние верхних слоев разреза на измеряемый сигнал, в то же время увеличивается доля сигнала, возбуждаемая в зоне, где первичное поле максимально. Таким образом, благодаря фокусировке, происходит увеличение чувствительности установки.

Для фазочувствительных измерений в описываемой установке используется модульный прибор, датчик которого имеет дополнительный виток, в который подается ток от шунта, включенного в цепь рамок. Меняя фазу тока в дополнительном витке на 180°, т.е. используя «суммо-разностный метод», можно по трем измерениям модуля магнитного поля определить реальную и мнимую части измеряемого магнитного поля по известной формуле Bi-2 =(Во2 +BV2 ±2 В0 Bv coscp)0'5, где В0 -модуль поля в отсутствие тока в витке, В„-магнитное поле, создаваемое дополнительным витком, В ^-модуль поля при различных фазах этого тока.

Фазочувствительные измерения позволяют получать частотную и дистанционную зависимости отдельно по реальной и мнимой частям измеряемого магнитного поля, на основании которых можно строить соответствующие кривые кажущегося сопротивления.

Численные расчеты показывают, что кривые частотной зависимости кажущегося сопротивления, построенные по реальной части магнитного поля, оказываются более информативными, чем соответствующие кривые, построенные по мнимой части. Это объясняется тем, что реальная часть магнитного поля является более чувствительной к изменениям сопротивления среды, нежели мнимая часть.

При измерениях использовали аппаратуру МЧЗ-1 ¡(частоты 317Hz-325000Hz) и НЧЗ (частоты 4.88Hz-5000Hz), разработанную А. И.Человечковьм.

1. 2 Определение параметров горизонтально слоистого разреза.

Обычно определение электрофизических характеристик горизонтально-слоистого разреза осуществляется путем подбора параметров слоев при многократном решении прямой задачи. В данном разделе описывается методика решения обратной задачи, позволяющая получать параметры двух-и трехслойного разреза без использования процедуры подбора.

Процесс интерпретации имеет две стадии: сначала определяется модель среды, после чего находят параметры этой модели. При определении модели среды целесообразно использовать двухпетлевую установку, которая обладает повышенной чувствительностью к наличию слоев, обладающим пониженным сопротивлением. Для этого необходимо проделать частотное зондирование с использованием фазочувствительных измерений. Частотная зависимость кажущегося сопротивления разреза, полученная на основе реальной части магнитного поля, позволяет, как правило, однозначно установить тип разреза. В дальнейшем величина кажущегося сопротивления, определяемая отдельно по реальной и мнимой частям измеряемой компоненты магнитного поля, будет обозначаться ршг, рш', соответственно.

На рис. 2 в качестве примера приводятся кривые ртг и р0,', построенные по результатам частотного зондирования. По виду кривой 2 на этом рисунке можно достаточно обоснованно предположить, что изучаемый разрез является трехслойным.

Дальнейшая процедура определения параметров разреза предполагает использование измерений на низких частотах, для которых можно использовать низкочастотное приближения для функции отражения а„. Для трехслойного разреза функция отражения имеет вид аз=ОсорУ4Х2){о1+(а2- а1)ехр(-2ХЬ1)+(о3- а2)ехр(-2Х(Ь,+Ь2)}. В этом приближении значения 01, а2, <Уз фигурируют в качестве сомножителей,

ЮОп Ры Ом-м

10-

1ПМ{ 11111111| I

100 1000 1.Е+4 1.Ё+5 1.Е+6 Рис. 2. Участок Логиново. Двухпетлевая установка (К[=8м, 1^=16м), кривая 1-ра', кривая 2-ршг

IIII1II

1.Е+5

_FHz

I'l l Mill)

в результате чего появляется возможность с помощью трех измерений на низкой частоте получить аналитическую зависимость О], о2, через остальные параметры разреза. Для определения значений ht и h2 следует сделать два измерения на высоких частотах с помощью двухпетлевой установки. В результате получаем два уравнения, численное решение которых позволяет установить значения h| и h2. Описанная процедура определения параметров разреза не содержит элементов подбора, что позволяет однозначно определять искомые параметры. В том случае, когда разрез содержит геологические помехи, но используемые выше системы уравнений имеют решения, можно говорить о полученных значениях параметров как о кажущихся. При существенном отличии изучаемого разреза от горизонтально однородного, когда системы уравнений решения не имеют, предлагаемый метод неприменим.

1. 3. Экспериментальное опробование способа определения параметров горизонтально слоистого разреза. Работы по определению параметров горизонтально слоистого разреза производились вблизи деревни Логиново (Белоярский район, Свердловская область). На Логиновском участке были сделаны следующие измерения:

¡.Частотное зондирование с помощью двухпетлевой установки (радиус большой петли 16 и 8 метров).

2.Измерение сопротивления верхнего слоя с помощью установки Шлюмберже (ВЭЗ) при малых значениях АВ/2.

Частотные зависимости кажущегося сопротивления, построенные по результатам измерений, показали, что изучаемый разрез является трехслойным. Далее, согласно разработанной методике, следовало, используя низкочастотные измерения, получить выражения для электропроводностей слоев. Однако дальнейшие расчеты показали, что для электропроводности верхнего слоя получаются заведомо нереальные (отрицательные) значения. Это, скорее всего, свидетельствовало о том, что верхний слой имеет небольшую мощность и повышенное удельное сопротивление, в результате чего вторичное магнитное поле, генерируемое этим слоем, пренебрежимо мало по сравнению с полями от других слоев. В такой ситуации целесообразно использовать прямое измерение электропроводности верхнего слоя с помощью метода ВЭЗ при минимальных разносах АВ/2.

По значениям определенных параметров разреза для контроля была построена частотная зависимость величины Bzr/Bs (&г-реальная часть магнитной индукции, &-модуль магнитного поля при синфазности магнитных моментов петель). На рис. 3 приведены теоретическая и экспериментальная частотные зависимости этой величины. Как видно, на высоких частотах точность измерений понижается (при 80 кГц отличие от среднего значения составляет 8,1%), что связано, по-видимому, с появлением емкостных токов утечки с проводов на землю.

0.1

0.01

0.001

100

Рис. 3. 1-теоретическая кривая, 2-экспериментальная кривая

1. 4. Профилирование двухпетлевой установкой над аномальным объектом.

Для упрощения численных расчетов рассмотрим бесконечное однородное пространство с электропроводностью ап, в котором находится аномальный объект с однородной электропроводностью имеющий форму прямоугольного параллелепипеда, у которого осевая линия совпадает с осью «х» (рис. 4).

->Х

\ /

Рис.4

Для расчетов профильных кривых воспользуемся интегральным уравнением \УеИеИ(а)

Е;(г) + коц /ааЕ^Г>3 ~(г - г')Лг = Е^ (г),

О-

где интегрирование ведется по объему аномального объекта, Е{ -

¡-компонента электрического поля, оа=агстп, Е^-компонента первичного электрического поля; функция Грина С^,- удовлетворяет уравнению

(^■(Д-*иVvíVy)Gp,(r-r>í^^<r-r,), кп2=-1шца„. (1.

Для рассматриваемой модели среды решение уравнения (1. 2) можно записать в виде

г п "Ч- ГЯ .. 1 а2 ч ехрС-кпЯ)

Ор1(г-г)-(5р;+—— )-1;г- (1.

п 1 р

3),

где Д=((х-х')2 +(у-у')2 +(г-г')2)0"5.

При решении уравнения (1. 1) весь объем интегрирования обычно разбивают на отдельные ячейки, внутри которых величина индуцированного электрического поля предполагается приближенно однородной. Таким образом, уравнение (1.1) можно записать следующим образом: Е^) + щМста^Е^) \ С =Еп.(г) (1.

N V

В этом уравнении интегрирование ведется по объему ячейки с индексом «И». Первичное электрическое поле в правой части уравнения (1.4) находится из решения уравнения

ЛЕЩ- Е„Ур2+10}иа-„Ещ=-1со^1оЗ(р-Ко)ё(г+ко), (1.

здесь (-/г0)-вертикальная координата источника.

Для получения профильных кривых сначала рассмотрим простейшую модель аномального объекта в виде прямоугольного параллелепипеда, основанием которого является основание элементарной ячейки со сторонами Ау и Д2, длина такого параллелепипеда равна (ЫДХ). Численные расчеты величины / GJ.(r-r')dvN показывают, что для рассматриваемой

модели аномального объекта ненулевыми значениями обладают только величины Са(Ы) ,С>У(Ы), Са(Ы). Поскольку в двухпетлевой установке вертикальная компонента первичного электрического поля Еш равна нулю, то уравнение для Е2 не содержит источника и, следовательно, величина С^) равна нолю. Таким образом, уравнения для компонент индуцированного электрического поля можно записать в виде

Е,(т)(1Нсо^аСи(т))+1шИаа%Ех(?0С (Ы) =Ега(т), (1.6)

Еу(т)(1+ 1соцоа Суу (т))+ гсоцаа =Е„у(т).

Нфт

В приведенной системе уравнений (1 .6) «/и» является номером ячейки, для которой написаны уравнения (1 .6). Величины С^т), Суу(т) описывают индукционные процессы внутри ячейки «т», величины 0^(1V), СЮ(Ъ1) характеризуют индукционное влияние ячеек «М> на ячейку «от»; компоненты электрического поля Ет(т) и Е„у(т) определяются путем проектирования вектора первичного электрического поля на соответствующие оси координат.

После определения с помощью уравнений (1. 6) величины электрического поля можно перейти к вычислению измеряемого значения вертикальной компоненты магнитного поля. Координатами точки измерения в данном случае являются х=хь у= у-„ 2=0. Для определения вторичной

составляющей вертикальной компоненты магнитного поля воспользуемся уравнением Максвелла Все=(дЕа/дх-дЕа/ду)Лт, где

N г

В результате имеем следующую формулу для величины вертикальной компоненты вторичного магнитного поля:

Вш=муаЪ(Еу(к) / (дО^СР-)-£(Ех(ы) ¡(дОху(?-Г)/ду')^м)).

N v N V

N N

Для получения величины измеряемого сигнала следует просуммировать первичную и вторичную составляющие вертикальной компоненты магнитного поля, т.е. Вг- Вг„+ Ваг.

На рис. 5 показаны кривые, полученные при профилировании на различных расстояниях от оси объекта. Нарушение монотонности профильных кривых вблизи границы объекта можно объяснить тем, что в этом случае большая часть объекта находится в поле внутренней петли, а на вмещающую среду воздействуют поля внешней и внутренней петель, имеющие противоположные направления.

Вг/Вапах

Рис. 5. Профильные кривые над аномальным объектом «а» с размерами 5 м*5 м*30 м, Ь=10 м, оу=0.001 сим/м, са= 1 сим/м, £=300 Нг, 11|=10 м, Я2=20 м (кривая 2: уг=0 м, кривая 1: у,=5 м).

В том случае, когда профиль проходит в стороне от аномального объекта на расстояниях, превышающих размеры объекта, полезную информацию можно получить по измерениям горизонтальных компонент магнитного поля Вх=-(дЕу/дг)/¡со, Ву=(дЕх/дг)/1СО, которые вычисляются по формулам

N у

Результаты расчетов зависимости горизонтального вектора вторичного магнитного поля по профилю, проложенному в стороне от аномального объекта, показаны на рис. б. Нетрудно видеть, что по результатам измерений на двух пикетах можно определить положение проекции центра аномального объекта на поверхность земли.

//М \\\

Пк,

Рис. 6. Профильная зависимость горизонтальной компоненты аномального

магнитного поля

Рассмотрим более общий случай, когда в качестве исследуемого объекта используется тонкая аномально проводящая полоса, расположенная в горизонтальной плоскости, причем профилирование производится через средину полосы, т.е. вдоль оси «х». Схема профилирования показана на рис. 7.

При разбиении тонкой пластины на элементарные ячейки можно ограничиться только одним горизонтальным слоем, поэтому в данном приближении объект становится двумерным.

"Уа

-X.

Рис. 7. Схема профилирования над тонкой аномальной полосой

Учитывая двумерность задачи, систему уравнений для компонент индуцированного электрического поля можно записать в виде

Нсо(1(та^(Ех^)С (Ю+ Е)(Ы)С (Ы))=Епх(Ы0), (1.7)

^ У*

Еу^о)+ ища.

Здесь Н)(хо( у0, Ь) обозначает ячейку, для которой определяются компоненты

индуцированного электрического поля; координаты этой ячейки есть

*„= Ах(тх-1.5), уо=-уа+ Ау(2ту-1)/2, /¡-вертикальная координата полосы; тх,

ту- порядковый номер ячейки вдоль осей «х» и «у» соответственно.

Компоненты первичного электрического поля определяются по формулам

Е^а) = Ещ(хг ха)/р, Е„У(Ы0) =Е„^>(/р, р=((х,- уо/'5, *,-координата точки

измерения, Ещ определяется путем решения уравнения (1.5).

Как и в одномерной задаче, будем определять величину Ваг с помощью

уравнения Максвелла, в результате получаем следующее выражение

Ва¿=муаЪ(Ех(») I (дС (?-г')/дх№к)+£(Еу(н) ! {ВО (г-Г)/дх')<Ьы)-У N .. УУ

Т(Ех(и) ¡(дСхх(г-г')/ду^)--£(Еу(и) / {дС (г-

N V N V

N N

Для получения измеряемого значения вертикальной компоненты магнитной

индукции к рассчитанной величине Вш следует добавить значение

нормального магнитного поля. Характерная профильная кривая приведена на

рис. 8.

Рис. 8. Зависимость относительной величины В^В1т!а при профилировании над аномальным объектом, Д^-модуль вертикальной компоненты магнитного поля, ¿?2т<а-максимальное значение модуля магнитного поля на профиле, Б-поперечный размер аномального тела.

1.5. Двухпетлевое частотное зондирование над аномальным объектом

Для упрощения задачи возьмем в качестве модели аномального объекта цилиндр, ось которого совпадает с осью установки. Расположение цилиндра в среде схематично показано на рис. 9.

Оо_

Оь I1

<*2

Рис. 9. Схема расположения объекта в среде (Б- диаметральное сечение

цилиндра)

В такой постановке задача становится азимутально-симметричной, что существенно упрощает решение.

Запишем систему уравнений Максвелла в цилиндрической системе координат при условии д/д<р=0.

(1/р)д(рЕ^/др=тВг, -дЕ/дгЧсоВр, (1.

дВр /& - дВ2 !др = 1л{аЕ9 + Урсот), з^Щр-КЖ^Ы.

дЕ/дг- дЕ/др=г -дВ/дг^цоЕр, (1/р)д(рВ^)/др =роЕг. (1.

Здесь Е<р, В<р -азимутальные компоненты электрического и магнитного полей, Ер, Вр и Еа Вг соответственно радиальные и вертикальные компоненты этих полей, -плотность тока в источнике, а и //-электропроводность и

магнитная проницаемость среды, ю-круговая частота изменения электромагнитного поля, -радиус петли.

Как видно, уравнения Максвелла распадаются в азимутально симметричном случае на две независимые системы уравнений (1. 8) и (1. 9), из которых только одна (1. 8) содержит источник. Таким образом, в рассматриваемой задаче ненулевыми значениями обладают только следующие компоненты электрического и магнитного полей: Вг, Вр.

Используя систему уравнений (1. 8), нетрудно получить уравнение для азимутальной компоненты электрического поля Еф: ЛЕ„- Е/р2=-тр(а Е,р+ }(рст).

Представим £,, и сг в виде Е9=Е„+Еа о=оп+оа, где индекс "и" относится к нормальным значениям, а индекс "а"-к аномальным (под ап подразумевается электропроводность слоистой среды в отсутствие аномального объекта). Учитывая, что уравнение для нормального электрического поля имеет вид:

ЛЕЩ- Епч/р2+1ацо£щ =-юц105(р-Ка)6(г+к0), (1.

10)

для аномального электрического поля получаем следующее уравнение: ДЕа +Еа 1р2 +1щапЕа = -шцаа(Еа +Еп). Для дальнейших расчетов введем функцию Грина 0(г-?'), которая удовлетворяет уравнению ДО-б/р2 + ¡сацсх^р = 8{г-г')8(р - р')!(2кр),

где 5(т. - г') и 8(р - р') являются дельта-функциями Дирака.

Учитывая, что при рассматриваемой геометрии задачи величины Еа дЕ</дп, (7, д<?/и непрерывны на границе аномального объекта (дЕ^/дп, дО//дп -нормальные производные на границе), можно получить интегральное уравнение Еа = -/ацаа {в(г -г'){Еа +Еп)<Ь>,

При практических расчетах удобно перейти от уравнения для Еа к уравнению для полного значения электрического поля Е$, которое имеет вид Е9+шцсг„ Е9(Г')& =£„. (1.

И)

Для нахождения функции Грина необходимо решить систему уравнений Ь0С7(0)(г-г')=0, 1,1 г') =0,

Ь2С(2)(г-Т)=8(2-2')8{р-р')!{2пр), (1.12)

где оператор Ьа имеет вид Ьа =Л -1/р2+1сораа, индекс а пробегает значения 0, 1, 2. При решении системы уравнений (1. 12) используется условие непрерывности на границах разреза величин С и дС/дп.

Для решения уравнения (1. 11), где о(г -г')- вт(г-г'), нужно знать нормальное электрическое поле Е„(2) в нижнем слое вмещающего пространства. Величину Еп(2) можно получить, решая уравнение (1. 10) для

рассматриваемой двухслойной среды с учетом условий на границах (непрерывность и 8Е„/дг).

Значения индуцированного в аномальном объекте электрического поля, определенные в результате решения уравнения (1. 11), позволяют определить значение аномального магнитного поля в точке измерения. Для получения алгоритма расчета магнитного поля вне аномального тела подействуем на

,, . 1 д

уравнение (I. 27) оператором ¿=--р и, используя уравнение

рЭр

(1/р)д(рЕу)/др=1СоВг, в результате получаем, Ва2 =-муа \Ш(г -г')Е9(г')&,

здесь в подынтегральном выражении необходимо использовать для функции Грина выражение с(г -?')-<3<0)(? -г')и значения^(г% полученные при

решении уравнения (1. 11). Следует заметить, что оператор Ь действует на переменную р, которая содержится только в функции Грина.

Для получения измеряемой величины к рассчитанному значению аномального магнитного поля следует добавить значение нормального магнитного поля, определенного для рассматриваемого разреза.

На рис. 10-11 приведены кривые частотной зависимости кажущихся сопротивлений, построенных на основе реальной части (р</) и модуля (рфт) вертикальной компоненты магнитного поля Вг.

На рис. 10 представлены частотные зависимости ршг и ршт при глубине залегания объекта 200 м, видно, что объект хорошо выделяется по кривой р,/, . в то же время на кривой рыт объект практически не виден. При увеличении глубины до 300 м (рис. 11) в точке измерения ослабевает влияние аномального объекта и начинает сказываться влияние наносов, хотя и имеется небольшой минимум на частоте 156 Гц.

Суммируя полученные результаты можно сделать вывод, что частотное зондирование двухпетлевой установкой позволяет выявлять аномальные объекты на глубинах, соизмеримых с размерами установки. Для сравнения заметим, что для выявления таких же объектов с помощью дипольной установки требуются разносы, превышающие глубину залегания аномального тела.

" 1' 1 I 11'11Н|

1 10 100 1000 Рис. 10. Частотные зависимости ршг И ршт; размеры петель Л;=100 м, л^=200 м; модель: плоский диск с параметрами <£=10 м, ^¿=100 м, 2„=200 м, аа=6.283 сим/м в двухслойной среде (<т/=0.02 сим/м, о2=0.001 сим/м, й/=10 м). Кривая 1- Р;/, кривая 2- ри>т.

7001 Ро Ом-м 1

600 500 400 300 200-

"1 ITIimp I

TTTWp-т

100

""1 '

1000

FHz

Т I i 111^

10000

Рис. 11. Частотные зависимости ршг И ршт; размеры петель Л/=100 м, Яг=200 м; модель: плоский диск с параметрами ¿МО м, 00 м, г„=300 м, <га=6.283 сим/м в двухслойной среде (<г;=0.02 сим/м, сг2=0.001 сим/м, 10 м). Кривая 1- р</, кривая 2- р«/".

1. 6. Результаты частотного зондирования на Чусовском месторождении и на Бобровской аномалии

Для экспериментальной проверки возможностей двухпетлевой установки было выбрано Чусовское месторождение, рядом с которым проходит ЛЭП. Измерения производились в двух точках, которые отстояли от ЛЭП соответственно на 150 м и 45 м. Первичное магнитное поле возбуждалось с помощью двух соосных квадратных рамок размерами

100 мхЮО м и 51 мх51 м, ток в которых составлял 15 А (на низких частотах) и падал до 1 А на высоких частотах. В эксперименте использовались два комплекта аппаратуры НЧ311 и МЧ311, разработанные А. И. Человечковым в Институте геофизики УрО РАН. Первый комплект имел диапазон частот 4.88 Нг+5 кНг, второй 300 Нгн-320 кНг. При измерениях на низких частотах отношение сигнал/шум было не хуже 9, на высоких частотах это отношение было много больше. Схема Чусовского месторождения показана на рис. 12. Пк1 находился над вершиной объекта. Пк2 был смещен примерно на 100 м в сторону падения рудного тела. Цифры у кружков на рис. 12 показывают положение буровых скважин.

По результатам измерений строились кривые частотной зависимости кажущегося сопротивления, которое определялось по отношению B/Bs, где ^-измеряемое вторичное магнитное поле, В,- значение магнитной индукции при согласном включении рамок, когда магнитные моменты каждой рамки имеют одинаковое направление. Полученное экспериментальное значение величины B/Bs далее сравнивалось с расчетным значением этого отношения в случае проводящего полупространства для различных значений величины электропроводности.

На рис. 13 приведены частотные кривые для pj и pj, построенные по измерениям на Пк1. На высоких частотах кривые для pj и pj ведут себя примерно одинаково, однако ниже частоты 1250 Hz значения ршг становятся заметно меньше значений pj. Уменьшение значений pj на низких частотах связано с появлением отклика вторичного магнитного поля, вызванного влиянием рудного тела.

Измерения на Пк 2 (рис. 14) дают похожие частотные зависимости, но частота, после которой кривая pj начинает падать, оказывается существенно меньше (312 Hz), что объясняется, очевидно, большей глубиной рудного тела

2063 П&1 2068 Пк2 2064

—О-

2074

195.6 297.9 411.7

Рис. 12. Схема Чусовского месторождения

на Пк 2. Различное поведение кривых раг и рт' свидетельствует о большей чувствительности кажущегося сопротивления, определенного по реальной части аномального магнитного поля, к изменению сопротивления разреза.

100°1ре> ОМ-М

РНг

100'

I I 1 ЧИП | I 1ПИЦ I I НИЩ I

пгаг" 1 птиц

10 100 1000 юооо

Рис.13. Частотная зависимость кажущихся сопротивлений ршг (кривая 2) и рш' (кривая I) на пикете 1 Чусовского месторождения

Рис. 14. Частотная зависимость кажущихся сопротивлений ршг (кривая 2) и ра' (кривая 1) на пикете 2 Чусовского месторождения

Из рис. 14 следует, что частотная зависимость, построенная по мнимой части аномального магнитного поля, практически не "чувствует" рудного тела, находящегося на глубине порядка 200 м.

10001 Рсо ОМ-М

1 0-|-1 I I 111Ц-1 I И111Ц—I I 41111)

ГШ

I 11ИЦ

10 100 1000 10000

По результатам индукционных зондирований обычно строят частотную зависимость кажущегося сопротивления, определяемого по модулю измеряемого магнитного поля. Учитывая, что на низких частотах (меньше 1000 гц) реальная составляющая измеряемого магнитного поля много меньше мнимой, выводы относительно низкой чувствительности кривой рш' могут быть отнесены также к кривым рыт, построенным по модулю магнитного поля.

Глава 2. (Исследование методических вопросов применения дифференциальной индукционной установки в электроразведке)

2.1 Описание установки

В предыдущей главе рассматривался метод уменьшения в измеряемом сигнале доли первичного магнитного поля по сравнению с аномальной составляющей. Однако в электроразведке известен дифференциальный метод, который позволяет полностью исключить не только первичное, но и нормальное поле из измеряемого сигнала. На постоянном токе этот метод, в частности, может быть реализован с помощью известной установки MAN. На переменном токе дифференциальный метод изучен значительно меньше. Известны лишь работы Светова Б. С., Родионова А. Н. , Сапужака Я. С., в которых дифференциальная индукционная методика изучалась применительно к МПП. В работах Рыхлинского Н. И. дифференциальная методика применялась при зондировании методом становления поля.

В данной работе изучается дифференциальная установка с одним датчиком и двумя вертикальными противоположно направленными магнитными моментами. Такая конструкция установки позволяет сосредоточить почти все возбуждаемое магнитное поле между генераторными петлями, вне генераторных петель поле достаточно быстро затухает в пространстве.

Отличительным признаком дифференциальной установки является координатная зависимость (по переменной х на рис. 15 ) вертикальной составляющей первичного магнитного поля, аналогичная представленной на рис. 16. Для этой зависимости характерно положение датчика в точке с нулевым значением первичного поля.

1' Z

Рис. 15. Схема дифференциальной установки

1-2"]Вг/Вгтах

0.80.40-0.4-0.8-

Пк(м)

-1.2

-40 -20 0 20 40

Рис. 16. Координатная зависимость вертикальной составляющей первичного магнитного поля дифференциальной установки

По обе стороны от датчика первичное поле в каждый момент времени имеет разные знаки, поэтому вторичное поле будет также отличаться знаком. В датчике эти поля алгебраически суммируются, поэтому при наличии градиента сопротивления в точке измерения приемник покажет ненулевые значения.

2.2 Профилирование с помощью дифференциальной установки

Особенность дифференциальной установки состоит в том, что с ее помощью можно изучать изменение сопротивления разреза по профилю. На рис. 17 показана расчетная кривая профилирования над прямоугольным параллелепипедом, где представлена зависимость модуля измеряемого сигнала от положения датчика относительно средины тела. Как и следовало ожидать, кривая имеет максимум, когда датчик находится над кромкой аномального объекта. Когда датчик расположен в центре (т.е. симметрично относительно границ), измеряемый сигнал всегда равен нулю. При расчете профильных кривых, приведенных на рис. 17, использовалась та же методика, что и при расчете профильных кривых, полученных с помощью двухпетлевой установки. На рис. 17 приведены профильные кривые,

полученные при профилировании над осью прямоугольного параллелепипеда (уг=0) и в стороне от него (урЗм). Упомянутые выше свойства

дифференциальных профильных кривых позволяют с успехом использовать дифференциальное профилирование для определения положения вертикальных границ аномального объекта.

На рис. 18 приведена дифференциальная профильная кривая, полученная на Мишелякском профиле (ПО "Маяк"), на которой хорошо видны границы аномальной зоны. Как правило, сравнение результатов вертикального зондирования, проделанного вблизи границы аномального объекта, с соответствующей дифференциальной профильной кривой,

позволяет сделать вывод, что дифференциальное профилирование более надежно фиксирует границу неоднородной зоны. Это объясняется тем, что интерпретация данных вертикального зондирования производится в предположении горизонтальной однородности среды, в то время как кривая дифференциального профилирования построена по экспериментальным данным.

Взу'Влпах

Рис. 17. Профильные кривые над проводящим аномальным объектом «а», имеющим форму прямоугольного параллелепипеда с размерами 5м*5мх30м, А=10 м, ап=0.02 сим/м, ^=0.02 сим/м,/=10000 Ш, <¿=15 м (кривая 1: у^О м,

кривая 2: уг=3 м)

Рис. 18. Результаты дифференциального профилирования (Мишелякский профиль, d=20M, F=40 kHz, шаг измерений 20 м)

При профилировании с использованием установок вертикального зондирования аномальный объект обнаруживается только тогда, когда профиль пройдет непосредственно над искомым объектом. Чтобы не пропустить возможную аномалию, приходится исследуемую территорию покрывать частой сетью профилей. Применение при профилировании дифференциальной установки позволяет существенно уменьшить количество профилей, необходимое для обнаружения аномального объекта. На рис. 19 схематически представлены результаты решения задачи, в которой точка измерения находится в стороне от тела, а источники последовательно перемещаются по окружности с центром в точке измерения. Как видно из рис. 19, максимальное значение аномальное поле принимает тогда, когда источники находятся на прямой, проходящей через центр аномального объекта.

Рис. 19. Азимутальная зависимость аномального поля при измерениях в стороне от аномального объекта («а» при измерениях с определением реальной и мнимой частей аномального магнитного поля, «Ь» при модульных

измерениях)

2. 3 Вертикальное дистанционное зондирование с помощью дифференциальной установки

Помимо профилирования дифференциальная установка может быть использована для зондирования, т.е. измерения производятся в одной точке, но с различными разносами. Естественно проводить зондирование над краем аномального тела, где сигнал максимален и где заведомо неприменимы методы, основанные на предположении горизонтальной однородности среды. На рис. 20 показаны кривые зондирования с помощью дифференциальной установки при различных расстояниях от точки измерения до поверхности аномального объекта. Наиболее информативными на этих кривых являются точки, где кривые достигают максимума. В этом случае значение глубины

залегания слабо зависит от величины аномальной электропроводности. Физическое обоснование рассматриваемого метода имеет сходные черты с методом ВЭЗ. При малых разносах большая часть силовых линий проходит над аномальным объектом. По мере увеличения разноса силовые линии аномального поля проникают в аномальный объект, в результате чего сигнал растет. При дальнейшем увеличении разноса, когда он начинает превышать размеры объекта, сигнал начинает уменьшаться, т.к. уменьшается отличие средней электропроводности сред, возбуждаемых источниками М1 и М2. Следует также заметить, что этот метод не должен использоваться в тех случаях, когда глубина тела превышает его поперечные размеры.

Рис. 20. Кривые дистанционного вертикального зондирования над краем аномального объекта (£=10 кгц, размеры аномального объекта 50 мх20 м*10 м; сг„=0, оа=0.1 сим/м, 1 -го=10 м, 2- ^=20 м, 3- ^=30 м, 2а- 2э=20 м, аз=1. сим/м, го-расстояние до верхней кромки аномального

объекта)

Глава 3. («Квадрупольная» установка для вертикального индукционного зондирования)

Предлагаемая установка состоит из двух магнитных «квадруполей», имеющих общий центр в точке «О», где находится датчик измерительного прибора. Термин «квадруполь» в данном случае является условным, так как в электродинамике квадруполем называют два равных по величине и противоположно направленных магнитных момента, расстояние между которыми бесконечно мало. Магнитные моменты располагаются на одной линии симметрично относительно центра установки на расстояниях (Л и (12, как показано на рис. 16. В дальнейшем эта установка будет именоваться как «квадрупольная» установка (КУ).

М2

М1

М2

¿2

Ж.

<11

а2

Рис. 21. Схема «квадрупольной» установки

При измерении горизонтальной компоненты магнитного поля КУ может быть использована для вертикального зондирования среды. Самым ценным качеством КУ является возможность компенсировать в точке измерения магнитное поле, возбуждаемое верхними слоями. Наиболее просто это можно проиллюстрировать на низких частотах. Рассмотрим низкочастотное приближение для горизонтальной компоненты магнитного поля, измеряемого в центре установки (для конкретности возьмем трехслойный

М1 М2

разрез). Если параметры установки удовлетворяют соотношению — =-,

с11 с12

то выражение для горизонтальной компоненты имеет следующий вид

(£Г2-0-,)(-1

(<73 -<ТгХ-

2К

8 да*1 1 ,ч((2й0)2+^12)0-3 ((2й0)2+</2г)") + 2А,

((2Л,)г+^12)0'5 ((2Л,)2+^22)'

от)"

2Й,2

2Л,,

«Г».

здесь Ьо- вертикальная координата датчика и источника, ЬьЬ2-мощности первого и второго слоя, Ъ12- 11,+ Ь2. На практике отношение 2Ьо/с11<0.01, в результате чего влияние верхнего слоя разреза на результаты измерений оказывается ослабленным более чем в сто раз. Таким образом, рассматриваемую индукционную установку можно эффективно использовать в ситуациях, когда верхний слой разреза обладает пониженным сопротивлением. В этом случае уменьшение в измеряемом сигнале вторичного магаитного поля, генерируемого в верхнем слое разреза, приводит к относительному увеличению доли сигнала, генерируемого изучаемым объектом, т.е. чувствительность КУ оказывается выше по сравнению с установками, в которых отсутствует ослабление экранирующего влияния верхнего слоя. Ниже рассматривается пример использования КУ при частотном зондировании.

На рис. 17 приведена частотная зависимость (кривая 1) для разреза р,=10 Ом м, Ь1=40 м, р2=30 Ом м, Ь2=50 м, р3=8 Ом м (<¿1=40 м , с12=1. 2 <30; кривая 2 построена для разреза, у которого р!=р2=10 Ом-м. Особенность данного разреза состоит в том, что водоносный горизонт является более высокоомным по сравнению с сопротивлением верхнего слоя, однако возможность с помощью «квадрупольной» установки уменьшать влияние

верхнего слоя на измеряемый сигнал позволяет достаточно уверенно выделять этот слой.

Рассмотрим более сложный разрез, в котором экранирующий слой не является верхним слоем. На рис. 18 показана для подобного разреза частотная зависимость ршг. Нетрудно видеть, что на приведенной кривой хорошо выделяются слои рассматриваемого разреза, обладающие пониженным сопротивлением: на частотах, меньших 5 кГц, имеется минимум сопротивления, соответствующий слою 4, а второй слой выделяется на частотах 6 кГц +160 кГц.

Рис. 22. Частотная зависимость кажущегося сопротивления разреза, характерного для востока Курганской области

Аналогичные расчеты, проделанные для этого разреза с применением дипольной и двухпетлевой установок, показывают, что с их помощью выделяется только верхний слой пониженного сопротивления.

При использовании «квадрупольной» и двухпетлевой установок всегда следует учитывать, что повышенная чувствительность этих установок реализуется только при параметрах поля р=(соцаЬ2)0"5, меньших единицы (Ь-характерный размер установки).

Рис. 23. Частотная зависимость р</ для разреза с параметрами р]=100 Ом-м, 111=1.8 м, р2=10 Ом-м, Ь2=9.8 м, р3=200 Ом-м, Ь3=30 м, р4=20 Ом-м, Ь4=10 м, р5=500 Ом-м, полученная с помощью «квадрупольной установки»(с11=41.6 м)

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В завершение работы целесообразно подчеркнуть основные результаты:

1) показана эффективность вертикальной фокусировки первичного или (для «квадрупольной» установки) нормального магнитного поля с последующим анализом частотной зависимости кажущегося сопротивления, определяемого по реальной части измеряемого магнитного поля;

a. Двухпетлевая установка:

разработан метод прецизионной компенсации первичного магнитного поля в точке измерений;

предложен метод определения параметров горизонтально слоистой среды; решена задача профилирования и частотного зондирования над аномальным объектом; исследованы профильные кривые, проходящие над объектом и в стороне от него; показано, что по измерениям горизонтальных компонент аномального магнитного поля на профиле, проходящем в стороне от аномального объекта, можно определить положение центра проекции искомого аномального объекта на поверхность Земли.

b. Дифференциальная индукционная установка:

при профилировании над аномальным объектом позволяет непосредственно по экспериментальным данным определить положение вертикальных границ аномального объекта; при профилировании в стороне от аномального объекта позволяет по измеренным в разных точках на профиле ориентациям

оси установки в момент максимума измеряемого магнитного поля определять положение центра проекции аномального объекта на дневную поверхность; позволяет проводить дистанционное зондирование в точке, где профильная кривая имеет экстремум, что дает возможность оценить расстояние до верхней кромки объекта.

с. «Квадрупольная » установка: показано, что при определенных соотношениях магнитных моментов «квадруполей» и разносов можно существенно уменьшить экранирующее влияние верхних низкоомных слоев разреза.

Сведения о публикациях

Результаты исследований по теме диссертации опубликованы в следующих работах:

1) Улитин Р. В., Чистосердов Б. М., Федорова О. И. Геоэлектрическая дефектоскопия гидротехнических сооружений дифференциальными индукционными установками. // «Дефектоскопия», 2007 г., №7, с. 91-96.

2) Человечков А. И., Чистосердов Б. М., Байдиков С. В. Использование индукционной двухпетлевой установки при частотном зондировании аномальных объектов.//Геология и геофизика, 2008 г., т. 49, №8, с. 830-836.

3) Чистосердов Б. М. Патент № 2310214, класс в 01 V 3/8. Способ вертикального индукционного зондирования. БИЖ31,2007 г., 5 с.

4) Человечков А. И., Чистосердов Б .М. Патент № 2156987 (Россия). Способ индукционного вертикального зондирования. Патент О 01 V 3/08. Бюл. № 27, 2000 г., 8 с.

5) Чистосердов Б. М., Человечков А. И., Байдиков С. В. Патент № 2230341, класс О 01 V 3/8. Способ индукционного вертикального зондирования. БИ №16,2004 г., 8 с.

6) Человечков А. И., Чистосердов Б. М. Патент № 2207595, в 01 V 3/8. Способ определения глубины залегания рудного тела. БИ № 18, 2001 г., 10 с.

7) Чистосердов Б. М. Использование двухпетлевого возбуждения поля при индукционном зондировании земли. Вопросы теории и практики геологической интерпретации гравитационных, магнитных и электрических полей. Материалы 26-й сессии Международного семинара им. Д. Г. Успенского. Екатеринбург, 1999 г.

8) Чистосердов Б. М. Особенности дистанционного зондирования с применением двух квадруполей, Деп. в ВИНИТИ, № 1396-В99.9 с.

9) Чистосердов Б. М. Методика определения параметров разреза, содержащего тонкий проводящий слой. Теория и практика геоэлектрических исследований. Вып. 2. Екатеринбург. УрО РАН, 2000 г., с. 80-83.

10) Чистосердов Б. М. Использование индукционной дифференциальной установки для определения глубины залегания рудного тела. Вопросы теории и практики геологической интерпретации гравитационных, магнитных и электрических полей .Материалы 29-й сессии Международного семинара им. Д. Г.Успенского. Екатеринбург, 2002 г., с. 91-93.

11) Чистосердов Б. М., Человечков А. И., Байдиков С. В. Способ индукционного вертикального зондирования. Вторые научные чтения Ю. П. Булашевича 25-27 июня 2003 г., с. 126.

12) Чистосердов Б. М. Метод определения параметров двух-и трехслойной горизонтально слоистой среды при индукционном вертикальном зондировании, Деп. в ВИНИТИ, № 1174-В2003. 10 с.

13) Чистосердов Б. М. Использование фазочувствительных измерений при решении обратной задачи для горизонтально слоистых сред. Вторые научные чтения Ю.П.Булашевича 25-27 июня, Екатеринбург 2003 г., с. 127.

14) Чистосердов Б. М., Человечков А. И., Байдиков С. В. Способ индукционного вертикального зондирования, Уральский геофизический вестник № 6,2004 г., с. 112-115.

15) Чистосердов Б. М. Использование фазочувствительных измерений при решении обратной задачи для горизонтально слоистых сред, Уральский геофизический вестник № 7,2005 г., с. 74-78.

16) Чистосердов Б. М., Человечков А. И., Байдиков С. В. Индукционное вертикальное зондирование и профилирование с использованием двухпетлевой установки. Вопросы теории и практики геологической интерпретации гравитационных, магнитных и электрических полей. Материалы 32-й сессии Международного семинара им.Д. Г. Успенского. Пермь, 2005 г., с. 285-288.

17) Чистосердов Б. М. Частотное зондирование над аномальным объектом с использованием двухпетлевой установки. Деп. в ВИНИТИ, № 316-В2005. Юс.

18) Чистосердов Б. М. Частотное зондирование и профилирование над аномальным объектом с использованием двухпетлевой установки. Вопросы теории и практики геологической интерпретации гравитационных, магнитных и электрических полей .Материалы 33-й сессии Международного семинара им.Д. Г. Успенского. Екатеринбург, 2006 г., с. 417-421.

19) Чистосердов Б. М. Компенсационная установка для вертикального индукционного зондирования. Деп. в ВИНИТИ, № 1151-В2006. 12. с.

20) Чистосердов Б. М. «Квадрупольная» установка для вертикального индукционного зондирования. Четвертые научные чтения Ю. П. Булашевича 02-06 июля, Екатеринбург 2007 г., с. 202.

21) Чистосердов Б. М. Исследование компенсационных установок при индукционном зондировании и профилировании аномальных объектов.// Деп. в ВИНИТИ, № 565-В2008. 33 с.

Подписано в печать 20.11.2008. Формат 60x84 1/16. Усл. печ. л. 2,0. Тираж 110 экз. Заказ № 403.

Типография «Уральский центр академического обслуживания». 620219, г. Екатеринбург, ул. Первомайская, 91

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Чистосердов, Борис Михайлович

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА

ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДИЧЕСКИХ ВОПРОСОВ ПРИМЕНЕНИЯ ДВУХПЕТЛЕВОЙ ИНДУКЦИОННОЙ УСТАНОВКИ В

ЭЛЕКТРОРАЗВЕДКЕ

1.1. Основы измерений двухпетлевой установкой

1.2. Определение параметров горизонтально слоистого разреза

1.3. Экспериментальное опробование способа определения параметров горизонтально слоистого разреза.

1.4. Профилирование двухпетлевой установкой над аномальным объектом.

1.5. Двухпетлевое частотное зондирование над аномальным объектом

1.6. Результаты частотного зондирования на Чусовском месторождении и на Бобровской аномалии

1.7. Выводы.

ГЛАВА

ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДИЧЕСКИХ ВОПРОСОВ ПРИМЕНЕНИЯ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЙ ИНДУКЦИОННОЙ УСТАНОВКИ В

ЭЛЕКТРОРАЗВЕДКЕ

2.1. Варианты дифференциальных установок

2.2. Профилирование с дифференциальной установкой.

2.3 Вертикальное зондирование дифференциальной установкой.

2.4. Выводы.

ГЛАВА

КВАДРУПОЛЬНАЯ» УСТАНОВКА ДЛЯ ВЕРТИКАЛЬНОГО

ИНДУКЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ

3.1. Описание установки

3.2. Компенсация в точке измерения вторичного магнитного поля, создаваемого верхними слоями разреза

3.3. Вывод

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Теоретические и экспериментальные исследования возможностей некоторых компенсационных установок и методика их применения в индукционной электроразведке"

При индукционном зондировании Земли неизбежно возбуждаются как вмещающая среда, так и исследуемые аномальные объекты. Измеряемое вторичное магнитное поле также содержит отклик, возбуждаемый во вмещающей среде (нормальное магнитное поле) и в аномальном объекте (аномальное магнитное поле), поэтому эффективность зондирования зависит от относительного вклада в измеряемый сигнал нормальной и аномальной части вторичного электромагнитного поля. В практике зондирований постоянно встречаются ситуации (например, аномальный объект находится на большой глубине или перекрыт сверху слоем с повышенной электропроводностью), когда величина аномального магнитного поля мала по сравнению с нормальным магнитным полем. В этом случае обнаружение искомого объекта становится затруднительным или вообще невозможным. Как следствие создавшейся ситуации в геофизике появилось понятие «эквивалентных разрезов» [11], для которых кривые зондирования зачастую отличаются лишь в пределах погрешности полевых измерений. Для исправления ситуации целесообразно увеличить относительный вклад аномальной части магнитного поля в измеряемый сигнал. Техническое решение этой задачи может быть выполнено с помощью компенсационных методов, разработке и исследованию которых посвящена данная работа.

В электроразведке широкое распространение получили индукционные методы, среди которых наиболее часто используется метод переходных процессов (МПП) и дипольный метод (ДМ). С помощью Ml 111 разведано большинство колчеданных месторождений на Южном Урале, в то же время ДМ получил несколько меньшее развитие, хотя физические основы МПП и ДМ считаются одинаковыми. Кратко перечислим основные достоинства и недостатки обоих методов.

Основная особенность МПП состоит в том, что параметры разреза определяются по кривой переходного процесса, протекающего в Земле [20].

Однако для регистрации переходного процесса, содержащего широкий спектр частот, требуется широкополосное приемное устройство, что ведет к известным трудностям в обеспечении нужной помехозащищенности при наличии промышленных помех. К достоинствам МПП следует отнести тот факт, что максимальный аномальный сигнал наблюдается над центром аномального тела, т.е. возбуждение аномального объекта и регистрация аномального сигнала осуществляются на кратчайшем расстоянии. Вследствие симметрии установки МПП точка записи совпадает с центром установки.

В последнее время ведутся поиски более мелких месторождений в районах, прилегающих к освоенным рудным полям. При этом основным поисковым методом остался метод переходных процессов, который себя хорошо зарекомендовал при проведении разведочных работ в районах, слабо освоенных в промышленном отношении. Однако, в настоящее время из-за большего количества на исследуемой территории линий электропередач (ЛЭП) для получения качественных результатов приходится использовать как мощные источники магнитного поля, так и новейшие методы фильтрации помех. Использование мощных источников нередко приводит к возбуждению нескольких аномальных объектов, для выявления которых требуется проведение детализации. Все это значительно удорожает производство электроразведочных работ.

Метод дипольного индукционного зондирования основан на возбуждении в исследуемой среде переменного магнитного поля определенной частоты с помощью магнитного диполя (чаще всего это вертикальный магнитный диполь) [1, 4, 5, 6, 28, 33, 34, 55]; измерения производятся на некотором расстоянии от источника магнитного поля. Наличие монохроматического первичного поля позволяет при измерении аномального сигнала использовать резонансные методы, в результате чего добротность измерительного тракта может достигать величины от нескольких сотен (на низких частотах) до нескольких десятков тысяч на высоких частотах. Большие значения добротности измерительного тракта позволяют проводить измерения вблизи таких мощных источников помех, как, например, линии электропередач. Однако чувствительность дипольного метода существенно ниже по сравнению с Ml 111. Это вызвано тем, что в дипольном методе аномальный объект выявляется наилучшим образом тогда, когда он находится между источником первичного поля и измерительным устройством. В этом случае интенсивность возбуждения аномального объекта меньше по сравнению с МПП, так как расстояние между источником и аномальным объектом больше. Точно также вторичное магнитное поле в дипольном методе измеряется на расстоянии, которое всегда больше расстояния, на котором измеряется аномальное магнитное поле в МПП.

К недостаткам дипольного метода следует отнести также неопределенность точки записи.

При поисках аномально проводящих объектов обнаружить их можно только тогда, когда профиль пройдет в непосредственной близости от аномального объекта. Процедура поисков может быть значительно упрощена, если наряду с обычными методами профилирования используются также методы, позволяющие определять горизонтальную проекцию направления на объект. Тогда по измерениям на профиле, проходящем в стороне от объекта, можно приближенно оценить положение проекции аномального объекта на дневную поверхность.

При интерпретации экспериментальных данных, полученных при картировании аномального объекта конечных размеров, очень часто используют приближение слоистой среды для получения параметров некоего эффективного разреза. Вблизи границ аномального объекта это приближение оказывается очень грубым, поэтому параметры границы аномального объекта в плане находятся с большими ошибками. Поскольку в настоящее время отсутствует аналитическое решение задачи о форме поверхности аномальных тел, приходится задавать приближенную модель аномального объекта, положение вертикальных границ которой определяется по экспериментальным данным. Для этих целей наибольший эффект дает использование дифференциальных установок [9, 15, 17, 18, 21, 22, 30, 31, 32], которые предназначены для регистрации пространственных изменений удельного сопротивления аномального объекта.

Таким образом, актуальность работы определяется необходимостью: a) повысить чувствительность исследуемых установок при измерении магнитного поля, возбуждаемого в неоднородной геосреде контролируемым источником; b) создать установки, позволяющих повысить эффективность обнаружения проводящих объектов, расположенные в стороне от профиля геоэлектрических наблюдений; c) разработать способы определения положения границ аномального объекта в плане с использованием только экспериментальных данных.

Учитывая упомянутые выше требования к методике измерений, можно сформулировать цель работы следующим образом.

2. Разработка методики измерений, позволяющих выявлять объекты, расположенные в стороне от профиля.

Повышения чувствительности измерений невозможно добиться без относительного уменьшения влияния на измеряемый сигнал нормального магнитного поля, генерируемого верхними слоями разреза. Один из возможных путей решения этой задачи - вертикальная фокусировка первичного (или нормального) магнитного поля, другой путь-использование дифференциальной установки, с помощью которой регистрируются только аномальные поля объектов.

Основные задачи

1. Выбор конструкции установок, позволяющих уменьшить влияние верхних слоев разреза на измеряемый сигнал.

2. Теоретическое обоснование применимости предлагаемых установок для горизонтально слоистых сред.

4. Экспериментальное опробование разработанных методов.

Научная новизна исследований

Выделяя основополагающие из полученных результатов, сформулируем следующие защищаемые научные положения:

1. Впервые разработана и экспериментально опробована методика прецизионной компенсации первичного магнитного поля, создаваемого двухпетлевой индукционной установкой. Данная методика позволяет визуально контролировать процесс компенсации по измерительному прибору, в результате чего в точке измерения первичное магыитное поле может быть плавно снижено до уровня помех (патент № 2230341).

Практическая ценность и реализация результатов исследования

Дифференциальная установка может быть использована при поисках мест фильтрации отходов промышленного производства. С её помощью прямыми измерениями можно выявить положение вертикальных границ тектонически нарушенных, водопроницаемых пород, по которым происходит фильтрация загрязненной воды из отстойника. Аналогичным образом с использованием дифференциальной установки устанавливается положение вертикальных границ при изучении зон просачивания воды сквозь тело плотины.

Апробация работы Результаты работ докладывались на международном семинаре им. Д.Г. Успенского «Вопросы теории и практики геологической интерпретации гравитационных, магнитных и электрических полей» (Екатеринбург 1999г., Пермь 2005г., Екатеринбург 2006г.), на научных чтениях им. Ю.П.Булашевича «Ядерная геофизика, геофизические исследования литосферы, геотермия (Екатеринбург 2003г., 2007г.)», на межрегиональном форуме «Приборостроение 2004».

Публикации. По теме диссертации опубликована 21 печатная работа, в том числе получено четыре патента.

Структура и объем работы Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения, содержит 94 страницы текста, 53 рисунка и список литературы из 57 наименований.

Заключение Диссертация по теме "Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых", Чистосердов, Борис Михайлович

2. 4. Выводы

1. Дифференциальная установка позволяет экспериментальным путем определить положение в разрезе вертикальных границ исследуемого аномального объекта.

2. При профилировании в стороне от объекта дифференциальная установка позволяет определить положение центра проекции аномального тела на дневную поверхность (при условии, что расстояние между установкой и границей проекции существенно больше, чем характерный размер проекции объекта на дневную поверхность).

3. С помощью дифференциальной установки можно осуществить дистанционное зондирование в точке, где профильная кривая имеет экстремум; это позволяет приближенно оценить расстояние от поверхности Земли до верхней кромки исследуемого объекта.

ГЛАВА 3

КВАДРУПОЛЬНАЯ» УСТАНОВКА ДЛЯ ИНДУКЦИОННЫХ

ЗОНДИРОВАНИЙ

3.1. Описание установки

При проведении индукционных электроразведочных работ нередко возникают ситуации, когда чувствительности традиционных методов оказывается недостаточно. Для повышения чувствительности измерений применяют специальные установки [35, 36], которые позволяют фокусировать первичное магнитное поле на заданной глубине. Это позволяет уменьшить вклад верхних слоев разреза в измеряемый сигнал, в результате чего относительно возрастает доля сигнала, генерируемая исследуемым объектом. К повышению информативности приводит также интерпретация с помощью частотной зависимости кажущегося сопротивления, рассчитанного на основе реальной части вторичного магнитного поля. Применение установки, описанной в работах [35, 36], позволяет решать задачу выявления глубоко залегающих проводящих объектов. Однако, если исследуемый объект перекрыт достаточно мощным слоем с повышенной электропроводностью, обнаружение такого объекта представляет известные трудности. С подобной ситуацией приходится сталкиваться, например, на Южном Урале (месторождение Юбилейное) [29].

В данной главе рассматривается установка (рис. 42), позволяющая с помощью частотного зондирования обнаруживать проводящие слои в разрезе, где исследуемый горизонт перекрыт низкоомным слоем [38, 51, 52].

ЛМ2 Ml V

М1л М2 У d2 dl О dl d2

Рис. 42. Схема «квадрупольной» установки (условные обозначения приведены в тексте)

Предлагаемая установка состоит из двух магнитных «квадруполей», расположенных симметрично относительно общего центра в точке «О», где находится датчик измерительного прибора. Термин «квадруполь» в данном случае является условным, так как в электродинамике магнитным квадруполем называют два равных по величине и противоположно направленных магнитных момента, расстояние между которыми бесконечно мало. В рассматриваемой установке магнитные моменты располагаются на одной линии симметрично относительно центра установки на расстояниях dl и d2, как показано на рис. 42. В дальнейшем эта установка будет именоваться как «квадрупольная» установка (КУ). Очевидно, что КУ может использоваться в дифференциальном режиме при измерении вертикальной компоненты магнитного поля (в этом случае один из квадруполей может быть отключен), однако этот режим в данной работе рассматриваться не будет.

Каждый из четырех вертикальных магнитных момента, входящих в КУ, создает в точке измерения радиальную компоненту магнитной индукции Вра в соответствии с формулой [23] Вра= fiMa3pa(z+h0o)/47ira5+ о u(z-h )/р лМ(а)/4жга I и J^u)a(upje 0а adu, О

2 OS a(upa)=-J+2u/(u+uia/Ra), Uia =(u-icoftai pa) ' , (3. 1)

Ra=cth[u,a h,/pa+arcth((l+n,2o)/(l- nIla))cth(u2ah2+ .arcth((1 +n(N.1)tдг a)/ (J- П(м.}щa))], n(N-i),N,a =(un-i,otuno)/(UN-i,a + uno)> um =(u-icopoNpa)05ra=((z+h0o)2+pa)05, здесь а-номер источника, z и (-h0a) -вертикальные координаты точки измерения и источника, (^-электропроводность верхнего слоя, hb h2-мощности первого и второго слоя, N обозначает порядковый номер слоя в разрезе.

Как видно из формулы (3. 1), при гф-коа каждый источник создает первичное радиальное магнитное поле, которое не содержит информации об исследуемом объекте. Суммарное первичное поле установки, схематично изображенной на рис. 42, равно Вр0—pMa3pa(z+h0a)/4nra5. Наличие этого а поля в точке измерений неизбежно приводит к снижению чувствительности установки. Для устранения этого недостатка целесообразно изменить положение точки измерений таким образом, чтобы первичные магнитные поля, создаваемые отдельными источниками, компенсировали друг друга в точке измерения. Действительно, вводя обозначение ea=(z+hoa)/pa и полагая еа«1, получаем га~ра. В результате условие равенства нулю величины Вро может быть записано следующим образом (M}/di3)( s/+c2) = (M2/d23)( е3+е4), где di и d2 являются разносами установки (см. рис. 42). Ниже будет показано, что наибольшая чувствительность установки достигается при Mj/dj= M2/d2.

В этом случае равенство нулю Вро достигается при значении z, равном z=~0.5(ho,+ h02-(h03+ h04)d,2/d22)/(l- d,2/d22). (3. 2)

После компенсации первичного поля измеряемая радиальная компонента магнитного поля вычисляется по формуле о u(z-h )/d u(z-h )/d

Bp=pMjMitd] J uAJJu)a(udx)(e 01 1 + e 02 1 )du - (3.3) 0 piM2/4nd2 \uJx(u)a(ud2)(e 03 2 +e 04 2)du. 0 где z следует рассчитывать по формуле (3. 2).

При определении величин кажущихся сопротивлений по результатам измерений, полученных с помощью «квадрупольной» установки, приходится сталкиваться на высоких частотах с появлением немонотонной зависимости величины горизонтальной компоненты магнитного поля от электропроводности однородного проводящего полупространства. В качестве примера на рис. 43 приведена зависимость реальной части магнитной индукции Bqr(a). В этом случае, как и при использовании ДПУ, рекомендуется использовать левую (восходящую) ветвь зависимости Bqr(a). При больших параметрах поля (co/.iad/2>\) измеренное значение реальной части магнитной индукции Bqr может оказаться больше максимума зависимости Bqr(cr). В такой ситуации рекомендуется повторить измерения при меньшем значении dj.

Рис. 43. Зависимость магнитного поля, измеряемого квадрупольной установкой, от удельной электропроводности полупространства (MJ= 1000 ам2,/=1000 Hz, с/;=100 м , М2= 1. 2М1, d2= 1. 2 dh z= 0. 1 м).

Появление немонотонной зависимости, приведенной на рис. 43, можно качественно объяснить следующим образом. При малых значениях электропроводности максимумы магнитных полей, создаваемые в проводящем полупространстве «квадруполями» с параметрами (Ml, dj) и (М2, d2) разнесены по вертикали. Вследствие уменьшения величины скин-слоя (при увеличении а) расстояние между максимумами уменьшается, в результате чего внутри полупространства происходит взаимная компенсация полей, создаваемых «квадруполями», что и приводит к уменьшению измеряемого на поверхности земли магнитного поля.

3. 2. Компенсация в точке измерения вторичного магнитного поля,

Основным достоинством КУ является возможность компенсировать в точке измерения магнитное поле, возбуждаемое верхними слоями. Для большей наглядности рассмотрим простую ситуацию, когда вертикальные координаты всех источников и точки измерения совпадают. Наиболее наглядно процедуру компенсации можно проиллюстрировать на низких частотах. Рассмотрим низкочастотное приближение для горизонтальной компоненты магнитной индукции, измеряемой в центре установки. Тогда для трехслойного разреза можно написать [13, 23] при z=-h0a

Здесь (-h0) - вертикальная координата источника и точки измерения.

Как видно, величина Вр определяется суммарным влиянием верхнего слоя и скачками электропроводности на границах нижележащих слоев. Если параметры квадруполей удовлетворяют соотношению Mlldl=M2ld2 , то выражение для горизонтальной компоненты магнитного поля принимает вид создаваемого верхними слоями разреза

3.4) hl2=hl+h2. dx2)0-5 ((2 hQ)2+d2 2 h,

2 J^

3.5)

На практике отношение 2h(/dl<0.01, в результате чего влияние верхнего слоя разреза на результаты измерений оказывается ослабленным более чем в сто раз. Если необходимо уменьшить влияние второго слагаемого в выражении (3. 5) на измеряемую величину Вр, то для этого достаточно увеличить dj настолько, чтобы выполнялось соотношение 2hj/d; «1. Таким образом, рассматриваемую индукционную установку можно эффективно использовать в ситуациях, когда верхние слои разреза обладают пониженным сопротивлением. В этом случае уменьшение в измеряемом сигнале вторичного магнитного поля, генерируемого в верхних слоях разреза, приводит к относительному увеличению доли сигнала, генерируемого изучаемым объектом, т.е. чувствительность КУ оказывается выше по сравнению с установками, в которых отсутствует ослабление экранирующего влияния верхних слоев.

Сравнивая двухпетлевую и квадрупольную установки, заметим, что в ДНУ осуществляется фокусировка первичного поля, в то время как КУ позволяет фокусировать на заданной глубине нормальное магнитное поле (рис. 44), что приводит к более полному ослаблению влияния верхнего слоя разреза на измеряемый сигнал.

Br Bi max

0.8

0.6

0.4

0.2

On—i—i—i—i—i—i—i—i—i—i

0 5 10 15 20 25

Рис. 44. Зависимость глубины фокусировки нормального магнитного поля, создаваемого КУ в проводящем полупространстве при различных значениях величины di (cr=0.0l сим/м,/=100 Hz, кривая 1 :с//=10м, кривая 2: dj=20м, кривая 3: <^з=40м)

Рассмотрим использование КУ при дистанционном и частотном зондировании [40, 51, 52] при выполнении соотношения Ml/dl=M2/d2. При изучении дистанционного зондирования ограничимся трехслойными разрезами, содержащими слой с пониженным сопротивлением под слоем наносов.

Особенность дистанционного зондирования в рассматриваемом случае заключается в том, что для больших разносов не удается найти соответствующее значение кажущегося сопротивления. Поэтому для получения информации о разрезе приходится ограничиваться дистанционной зависимостью величины измеряемого поля. При проведении дистанционного зондирования целесообразно использовать низкие частоты, так как только в этом случае первичное магнитное поле может (при увеличении разноса) без заметного затухания достигать нужных глубин. а Б С

100 Ом-м 20м 1 со Ом-м 1 Ом 100 °м'м

500 Ом-м

20 ОМ'М 10м

10 Ом-м 10м

500 Ом-м

Рис. 45. Параметры разрезов, для которых на рис. 46 строятся кривые дистанционного зондирования

В* пТл 20 -1

-100

0 10 20 30 АО

Рис. 46. Дистанционное зондирование при условии Ml/dl=M2/d2. Кривая 1 построена для разреза «а». Кривая 2: для разреза «в». Кривая 3: для разреза «с» (М56 Hz, М1=\000 А м2) i

На рис. 46 представлена кривая дистанционной зависимости мнимой части измеряемого магнитного поля для трехслойной среды. Кривая 1 посчитана для разреза, в котором сопротивление среднего слоя заменено на сопротивление верхнего слоя, то есть в этом разрезе отсутствует аномально проводящий слой. На рис. 46 кривые 2 и 3 имеют минимум при dl=10 м, который тем глубже, чем меньше сопротивление аномального слоя.

Представляет интерес оценить возможности дистанционного зондирования с использованием КУ для разрезов, в которых исследуемый проводящий слой экранируется вышележащим низкоомным слоем (рис. 47). р 1=100 Ом*м Н1-1.8М р2-10Ом*м Н2= 9 8 М рЗ=200 Ом*м нз=зо.м р4=-0 Оы*ы Н-4 = 10. М

Р5— 500 Ом*м

Рис. 47. Пятислойный разрез, содержащий водоносный горизонт (слой 4) и экранирующий слой (слой 2)

Как видно по рис. 48, дистанционное зондирование с помощью КУ не позволяет выделить низкоомный слой, экранируемый сверху другим низкоомным слоем.

В целом следует заметить, что дистанционное зондирование в рассматриваемом случае, когда выполняется условие MJ/dl=M2/d2, не позволяет добиться максимальной чувствительности.

Рис. 48. Дистанционное зондирование при условии Ml/dl=M2/d2 для разреза, показанного на рис. 47 (f=156 Hz, Ml=1000 А'м2)

Более высокую чувствительность измерений обеспечивает частотное зондирование с определением кажущегося сопротивления по реальной части горизонтальной компоненты магнитного поля. Рассмотрим в качестве примера разрез (рис. 49), характерный для востока Курганской области [12].

10 Ом-м

40м четверютно-неогеновые отложения

30 Ом-м

50м ош ir оценовьш горизонт

8 Ом-м чеганская свита

Рис. 49. Типичный разрез востока Курганской области [12] ро Ом-м

101

ТГПГТ|-1- I ч ищ—

10 100

FHz

ГТП7Т]-1 I 1 Iflllj

1000

10000

Рис. 50. Частотная зависимость кажущегося сопротивления для типичного разреза востока Курганской области

Особенность разреза, представленного на рис. 49, состоит в том, что водоносный горизонт является более высокоомным по сравнению со слоями, между которыми он находится. Частотная зависимость на рис. 50 кажущегося сопротивления, рассчитанная по реальной части горизонтальной компоненты магнитного поля, получена для разноса 40 м. Для сравнения заметим, что 50 лет назад для обнаружения подобных водоносных горизонтов с помощью метода ВЭЗ требовались разносы 500 м-1000 м. На рис. 50 кривая 1 получена для разреза, показанного на рис. 49, а кривая 2 соответствует разрезу, в котором удельное сопротивление второго слоя положено равным сопротивлению верхнего слоя.

В практике электроразведки иногда встречаются разрезы, в которых слой с пониженным сопротивлением не является самым верхним слоем. В качестве примера рассмотрим разрез, в котором электропроводность второго слоя существенно превышает электропроводность остальных слоев разреза. Как было упомянуто выше, для уменьшения экранирующего влияния верхних слоев необходимо по возможности увеличивать разнос dj настолько, чтобы сохранялась возможность определения кажущегося сопротивления рыг.

Рассмотрим разрез (рис. 47), содержащий в качестве экранирующего слоя глину (р2—10 Ом-м), которая сверху перекрыта слоем близповерхностных отложений. Ниже, на глубине более 40 м имеется водоносный горизонт, который необходимо выделить. При проведении измерений использовался разнос, равный расстоянию до верхней кромки водоносного горизонта, т.е. d 1 =41.6 м (при больших значениях dl не удавалось определить величину рмг). На рис. 51 приведена частотная зависимость pwr, на которой хорошо выделяются основные слои разреза. На низких частотах вплоть до 5 кгц выделяются самые глубокие слои, в том числе хорошо виден минимум, свидетельствующий о наличии водоносного горизонта. На частотах выше 5 кгц выделился экранирующий слой и верхний слой близповерхностных отложений.

Для сравнения на рис. 52, 53 показаны результаты частотного зондирования, полученные с помощью дипольной и двухпетлевой установок. Нетрудно видеть, что в данном случае использование обеих установок позволяет выделить только верхний экранирующий слой.

Рис. 51. Частотная зависимость р{1) разреза, представленного на рис. 47, полученная с помощью «квадрупольной установки»

Рис. 52. Частотная зависимость р0)г разреза, представленного на рис. 47, полученная с помощью дипольной установки

10 О

F Hz

10 т

I ' I 1 I ' I

4000 3000 12000 16000 0

Рис. 53. Частотная зависимость р0)г разреза, представленного на рис. 47,

Высокая чувствительность КУ, позволяющая по частотной зависимости ршг выделять в разрезе слои с пониженным сопротивлением, делает возможным определение всех параметров разреза при использовании методики [40, 44], изложенной в разделе 1. 2. Согласно требований этой методики необходимо сначала сделать при разных разносах N измерений на низких частотах (N-количество слоев, определяемое по частотной зависимости р(/). По результатам этих измерений определяются зависимости cN(h[, h2.hN), где oN и hN есть соответственно электропроводность и мощность слоя N. Далее делается (N-1) измерений горизонтальной компоненты магнитного поля на высоких частотах, после чего искомые параметры определяются путем решения системы (N-1) уравнений вида Bra=F(coa, on, hN), где а меняется таким образом, чтобы величина соа принимала значения частот, на которых производятся (N-1) измерений. полученная с помощью двухпетлевой установки

3. 4. Вывод

Приведенные в данной главе результаты позволяют сделать обоснованный вывод: использование «квадрупольной» установки (при условии построения частотной зависимости pj) обеспечивает наибольшую чувствительность измерений по сравнению с дипольной и двухпетлевой установками. Высокая чувствительность «квадрупольной» установки позволяет эффективно использовать ее при зондировании разрезов, в которых аномальный объект экранирован сверху слоем с пониженным сопротивлением.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В завершение работы целесообразно подчеркнуть основные результаты:

2) с целью увеличения чувствительности измерений могут быть рекомендованы три измерительные установки: двухпетлевая, «квадрупольная» и дифференциальная. При изучении этих установок были получены следующие результаты: a. Двухпетлевая установка: разработан метод прецизионной компенсации первичного магнитного поля в точке измерений; предложен метод определения параметров горизонтально слоистой среды; решена задача профилирования и частотного зондирования над аномальным объектом; исследованы профильные кривые, проходящие над объектом и в стороне от него; показано, что по измерениям горизонтальных компонент аномального магнитного поля на профиле, проходящем в стороне от аномального объекта, можно определить положение центра проекции искомого аномального объекта на поверхность Земли. b. Дифференциальная индукционная установка: при профилировании над аномальным объектом позволяет непосредственно по экспериментальным данным определить положение вертикальных границ исследуемого объекта; при профилировании в стороне от аномального объекта позволяет по измеренным в разных точках на профиле ориентациям оси установки в момент максимума измеряемого магнитного поля определять положение в плане центра аномального объекта; позволяет проводить дистанционное зондирование в точке, где профильная кривая имеет экстремум, что дает возможность оценить расстояние до верхней кромки объекта. с. «Квадрупольная » установка: показано, что при определенных соотношениях магнитных моментов «квадруполей» и разносов можно существенно уменьшить экранирующее влияние верхних низкоомных слоев разреза.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Чистосердов, Борис Михайлович, Екатеринбург

1. Астраханцев Г. В. Индукционное зондирование при изучении контрастных по электропроводности сред. Свердловск: УрО АН СССР. 1988. 182 с.

2. Бурсиан В. Р. Теория электромагнитных полей, применяемых в электроразведке. Ленинград: Недра. 1972. 367 с.

3. Вакульский А. А., Мизюк Л. Я., Проць Р. В., Сикачевский Ю. Ю. Аппаратура для аэрогеофизической разведки. Киев: Наукова думка. 1985.

4. Вешев А. В. Электропрофилирование на постоянном и переменном токе. Л.: Недра. 1965.478 с.

5. Жданов М. С. Электроразведка. Москва: «Недра». 1986. 314 с.

6. Заборовский А. И. Переменные электромагнитные поля в электроразведке. М.: МГУ. 1960. 186 с.

7. Кауфман А. А. Теория индукционного каротажа. «Наука». Сибирское отделение. Новосибирск. 1965. 236 с.

8. Мандельбаум М.М., Агеенков Е.В., Легейдо П.Ю., Пестерев И.Ю., Рыхлинский Н.И. Современное состояние и перспективы применения дифференциально-нормированного метода электроразведки для поисков нефти и газа.// Геология и геофизика, т. 43, 2002. с. 1137.

9. Манштейн А.К., Панин Г.Л., Тикунов С.Ю.

10. Аппаратура частотного электромагнитного зондирования "ЭМС" // Геология и геофизика. 2008. т. 49. № 6, с. 571-579.

11. Матвеев Б. К. Электроразведка при поисках месторождений полезных ископаемых. М.: Недра. 1990. 368 с.

12. Методы геофизики в гидрогеологии и инженерной геологии. М.: Недра. 1972. 295 с.

13. Молочнов Г. В., Радионов М. В. Частотные электромагнитные зондирования с вертикальным магнитным диполем. Ленинград: ЛГУ. 1982. 216 с.

14. Мониторинг гидротехнических сооружений ТКВ и геоэлектрическое картирование верхней части разреза. Отчет о научно-исследовательской работе. Екатеринбург. 2003. 41 с.

15. Наземные геофизические исследования методом дифференциального профилирования. Отчет по работам, проведенным по заданию РОСАТОМа. ПО «МАЯК», 2006. 39 с.

16. Проведение геофизического мониторинга гидротехнических сооружений, в том числе озера Карачай. Отчет о научно-исследовательской работе. Екатеринбург. 2003. 48 с.

17. Родионов А. Н. О способе оценки формы и пространственной ориентировки рудных залежей по данным МПП. В сб. «Электроразведка в области скважин на колчеданных месторождениях Урала». УНЦ АН СССР. 1975. 136 с.

18. Родионов А. Н., Светов Б. С. Эффективность применения дифференциальных установок при исследовании методом переходных процессов. Разведочная геофизика. 1982. Вып. 95. с. 80-90.

19. Рыхлинский Н.И. Зондирование становлением поля с фокусировкой электрического тока для исключения плечевого эффекта при решении обратных задач // Материалы 33-й сессии Международного семинара им. Д. Г. Успенского. Екатеринбург: 2006г. с. 310.

20. Руководство по применению метода переходных процессов в рудной геофизики. Под редакцией Ф. М. Каменецкого. Ленинград: «Недра». 1976. 128 с.

21. Сапужак Я. С. Высшие производные электрического потенциала в геофизической разведке. Киев: «Наукова думка». 1967. 154 с.

22. Сапужак Я. С. Пространственные дифференциальные наблюдения в неустановившихся электромагнитных полях.//В сб. Теория, методы интерпретации и математического моделирования геофизических полей. Свердловск, 1991. с. 84-91.

23. Светов Б. С. Теория, методика и интерпретация материалов низкочастотной индукционной электроразведки. Москва: Недра. 1973. 254 с.

24. Светов Б. С., Губатенко В. П. Аналитические решения электродинамических задач. Москва: Наука. 1988. 341 с.

25. Светов Б. С. Фокусировка постоянного электромагнитного поля с целью повышения глубинности электроразведки.//Геофизика. 2007. №3. с. 79.

26. Стадухин В. Д., Туранов В. Н., Шабанова Н. Н., Медведев А. Е., Захарченко В. Ф. Метод искусственного подмагничивания при поисках и разведке рудных месторождений.//Свердловск: РИСО УНЦ АН СССР. 1982. 107 с.

27. Тархов А. Г. Об электроразведочных методах чистой аномалии. //Изв. АН СССР. сер. Геофизическая. 1958. №8. с. 979-989.

28. Титлинов В. С. Индукционное электромагнитное зондирование при поисках рудных месторождений (методические рекомендации).//Препринт ИГФ УНЦ АН СССР. Свердловск, 1979. 130 с.

29. Улитин Р. В. Концепция геоэлектрической дефектоскопии грунтовых гидротехнических сооружений.// Вторые научные чтения памяти Ю. П. Булашевича, 2003г. с. 107-109.

30. Улитин Р. В., Гаврилова И. Э., Петухова Ю. Б., Федорова О. И., Харус Р. JL Геоэлектрика при решении геоэлектрических и инженерно-геологическихзадач.// сб. «Теория и практика геоэкологических исследований», Екатеринбург: 2000г., с. 84-88.

31. Улитин Р. В., Чистосердов Б .М., Федорова О. И. Геоэлектрическая дефектоскопия гидротехнических сооружений дифференциальными индукционными установками. // «Дефектоскопия», №7, 2007, с. 91-96.

32. Хмелевской В. К. Основной курс электроразведки. Электроразведка переменным током. Часть П. Москва: Изд-во МГУ. 1971. 272 с.

33. Хмелевской В. К., Бондаренко В. М. Электроразведка. М.: Недра, 1989. 286 с.

34. Человечков А. И., Чистосердов Б . М. Патент № 2156987 (Россия). Способ индукционного вертикального зондирования. Патент G 01 V 3/08. БИ № 27. 2000. 8 с.

35. Чистосердов Б. М., Человечков А. И., Байдиков С. В. Патент № 2230341, класс G 01 V 3/8. Способ индукционного вертикального зондирования. БИ №16, 2004. 8 с.

36. Человечков А. И., Чистосердов Б. М. Патент № 2207595, G 01 V 3/8. Способ определения глубины залегания рудного тела. БИ № 18, 2003г. 10 с.

37. Чистосердов Б. М. Патент № 2310214, класс G 01 V 3/8. Способ вертикального индукционного зондирования. БИ №31, 2007г. 5 с.

38. Чистосердов Б. М. Особенности дистанционного зондирования с применением двух квадруполей.//деп. в ВИНИТИ №1396-В99. 9 с.

39. Чистосердов Б . М. Методика определения параметров разреза, содержащего тонкий проводящий слой.// Теория и практика геоэлектрических исследований. Вып. 2. Екатеринбург: УрО РАН, 2000г., с. 80-83.

40. Чистосердов Б. М., Человечков А. И., Байдиков С. В. Способ индукционного вертикального зондирования. // Вторые научные чтения Ю. П. Булашевича 25-27 июня 2003г. с. 126.

41. Чистосердов Б. М. Метод определения параметров двух-и трехслойной горизонтально слоистой среды при индукционном вертикальном зондировании. // Деп. в ВИНИТИ, № 1174-В2003. 10 с.

42. Чистосердов Б. М. Использование фазочувствительных измерений при решении обратной задачи для горизонтально слоистых сред. // Вторые научные чтения Ю.П.Булашевича 25-27 июня, Екатеринбург: 2003. с. 127128.

43. Чистосердов Б. М., Человечков А. И., Байдиков С. В. Способ индукционного вертикального зондирования. // Уральский геофизический вестник № 6, 2004. с. 112-115.

44. Чистосердов Б. М. Использование фазочувствительных измерений при решении обратной задачи для горизонтально слоистых сред. // Уральский геофизический вестник № 7, 2005. с. 74-78.

45. Чистосердов Б. М. Частотное зондирование над аномальным объектом с использованием двухпетлевой установки. //Деп. в ВИНИТИ, № 316-В2005. Юс.

46. Чистосердов Б. М. Компенсационная установка для вертикального индукционного зондирования.// Деп. в ВИНИТИ, № 1151-В2006. 12 с.

47. Чистосердов Б. М. «Квадрупольная» установка для вертикального индукционного зондирования. //Четвертые научные чтения Ю. П. Булашевича 02-06 июля, Екатеринбург: 2007. с. 202-203.

48. Человечков А. И., Чистосердов Б. М., Байдиков С. В. Использование индукционной двухпетлевой установки при частотном зондировании аномальных объектов.//Геология и геофизика, 2008, т. 49, №8, с. 830-836.

49. Чистосердов Б. М. Исследование компенсационных установок при индукционном зондировании и профилировании аномальных объектов.// Деп. в ВИНИТИ, № 565-В2008. 33 с.

50. Якубовский Ю. В. Индуктивные методы электроразведки. М.: Госгеолтехиздат, 1963. 212 с.

51. P. Weidelt. Electromagnetic Induction in Three- Dimensional Structures. // J. Geophysik, v. 41, 1975, p. 85-109.

52. J. Won, Dean A. Keiswetter, David R. Hanson, Elena Novikova, Thomas M. Hall. GEM-3: Monostatic broadband electromagnetic induction sensor. //JEEG,v 2, iss. 1, March 1997, p. 53-64.

Информация о работе

Чистосердов, Борис Михайлович
кандидата технических наук
Екатеринбург, 2008
ВАК 25.00.10

Диссертация

Теоретические и экспериментальные исследования возможностей некоторых компенсационных установок и методика их применения в индукционной электроразведке - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы