книги из ГПНТБ / Светов Б.С. Теория, методика и интерпретация материалов низкочастотной индуктивной электроразведки

УДК 550.837

Гос. публичная

иау ЧНО-УСХНИЧ >ин»я

бибс.о-.ика CCCf»

..МЗЕМ.ШЯ-* ЧИТАЛЬНОГО ЗАЛА

анализируются основные дифференциальные и интегральные уравнения теории электро­

теории поля в области малых параметров, исследуются вторичные поля от сферы и иде­ ально проводящей полуплоскости для случая непроводящей вмещающей среды. Приводятся некоторые результаты модельных исследований важных для геофизики электрических ситуаций.

Обосновывается правомочность применения основных понятий и методов теории инфор­ мации в низкочастотной индуктивной электроразведке. Предлагаются критерии для инфор­ мационной оценки измерительных устройств и результатов наблюдений в разведочной гео­ физике. Устанавливаются связи и различия (с аналитической и информационной точки зрения) методов исследования, основанных на изучении переходных процессов и гармони­ ческих полей. Дается описание основных методов и методик измерения низкочастотной ин­ дуктивной электроразведки, приводятся основные данные об измерительной аппаратуре.

Среди аэроэлектроразведочных методов основное внимание уделяется односамолетному варианту электроразведки с выпускной гондолой, наименее освещенному в литературе. Обосновываются методы и описываются приемы интерпретации материалов индуктивной элек­ троразведки при поисковых и геокартировочных работах. На ряде геологических примеров ил­ люстрируются главные особенности и возможности различных методов индуктивной элек­ троразведки в сопоставлении с другими геофизическими методами.

Книга рассчитана на инженеров-геофизиков, она может быть также полезна студентам и аспирантам вузов геофизических специальностей.

Таблиц 4, иллюстраций 68, список литературы — 91 назв.

ПРЕДИСЛОВИЕ

В книге рассматривается совокупность вопросов, касающихся обоснования и применения методов низкочастотной индуктивной электроразведки. Ограниченный объем книги не дает возможности осветить все аспекты темы с одинаковой степенью детальности. Нередко автор был вынужден ограничиваться изложением необхо­ димого материала на принципиальном уровне, не вдаваясь в обсу­ ждение технических сторон разбираемых вопросов или отсылая чи­ тателя к опубликованной литературе.

В стороне от основного рассмотрения оказались также методы индуктивной электроразведки, основанные на использовании полей, закон изменения которых во времени существенно отличается от гармонического (методы переходных процессов и естественных электромагнитных полей). Метод переходных процессов рассма­ тривается лишь с точки зрения его сопоставления с соответствую­ щими модификациями низкочастотной электроразведки. Однако многие теоретические и методические вопросы, обсуждаемые в кни­ ге, имеют непосредственное отношение и к этим методам.

За счет сокращенного изложения некоторых частных вопросов удалось с большей полнотой проанализировать ряд общих проблем, которым пока не уделялось достаточного внимания в опубликован­ ных работах: обобщенному изложению теории электромагнитных полей в присутствии горизонтально-слоистой среды и проводников правильной формы, изучению вопроса об уменьшении геологических помех при геофизических наблюдениях, сравнительной оценке из­ мерительных средств и результатов наблюдений в различных моди­ фикациях низкочастотной электроразведки и т. д.

Основной объем собственных исследований автора, нашедших отражение в книге, выполнен в тресте «Геофизнефтеуглеразведка» (ныне Центральный геофизический трест) и Центральном научноисследовательском горно-разведочном институте (ЦНИГРИ) при участии большого квалифицированного коллектива научных сотруд­ ников, инженеров и техников. Автор считает приятным долгом вы­ разить глубокую признательность своим товарищам по работе и в первую очередь Е. М. Ершову, Г. В. Прису, В. И. Пятницкому,

A. Н. Алышеву, В. Ф. Лаптеву, Е. П. Лобачевой, Г. Ю. Малышеву, B. Д. Новаку, Г. А. Поляковой, Л. А. Прис, а также сотрудникам

ВВ Е Д Е Н И Е

Врудной геофизике поиск месторождений полезных ископаемых осуществляется на основе прямых или косвенных признаков. В соот­ ветствии с этим, как и в геологии, принято различать прямые и кос­ венные поиски рудных месторождений. Прямые поиски рудных ме­ сторождений геофизическими методами основаны на таких физиче­ ских особенностях полезных ископаемых, которые резко отличают их от прочих геологических объектов и позволяют по наблюденным полям практически однозначно установить их наличие. Косвенные поиски обычно базируются на выяснении общих геофизических осо­ бенностей исследуемой территории и их сопоставлении с имеющи­

мися геологическими данными, что позволяет сделать заключение о возможном наличии того или иного сырья.

Ввиду весьма сложной и неоднозначной связи электрических свойств горных пород и руд с их составом электроразведочные ме­ тоды, как правило, относятся к методам косвенного поиска полез­ ных ископаемых. Однако в некоторых случаях электрические свой­ ства руд настолько сильно отличаются от свойств остальных горных пород, что методами электроразведки, использующими эти свой­ ства, становится возможным (с практической точки зрения) прово­ дить прямые поиски месторождений. Во всех остальных случаях электроразведочными методами осуществляют так называемое гео­ электрическое картирование исследуемой территории по тем или иным электромагнитным полям, результаты которого используются при косвенных поисках рудных месторождений.

Электроразведка включает в себя весьма широкий и разнообраз­ ный комплекс методов. Их основу, помимо собственно электродина­ мических явлений, составляют также электрохимические и электро­ кинетические процессы, связанные со специфической природой горных пород и руд. Оставаясь в пределах классической электро­ динамики, будем рассматривать изучаемую геологическую среду как линейную и кусочно-однородную, а ее свойства будем характе­ ризовать не зависящими от времени (а значит, и частоты) электро­ магнитными константами — электропроводностью (а), магнитной проницаемостью (|л) и диэлектрической проницаемостью (е) . Имею­ щийся опыт электроразведочных исследований позволяет считать та­ кой подход обоснованным для достаточно широкого круга проблем,

5

изучаемых в электроразведке. Вместе с тем не рассматриваются некоторые специфические электроразведочные методы, изучающие частотную дисперсию и нелинейность электрических свойств горных пород и руд.

Ограничиваясь рассмотрением собственно электродинамических явлений в линейных и недиспергирующих средах, целесообразно в основу классификации электроразведочных методов положить ско­

соба электроразведки — постоянного, квазистационарного и быстро-

Характер изменения поля во времени

переменного полей. Основное отличие способа квазистационарного поля от способа постоянного поля — изменение изучаемого поля во времени, а от способа быстропеременного поля — пренебрежимо ма­ лая роль токов смещения.

Физические явления, наблюдаемые в квазистационарном поле, в значительной мере зависят от способа возбуждения и вида изме­ ряемой компоненты электромагнитного поля. В соответствии с этим логично внутри способа квазистационарного поля выделить сле­ дующие основные группы методов: электрическую, магнитно-элек­ трическую и индуктивную.

Группа квазистационарных электрических методов характери­ зуется электрическим способом возбуждения первичного поля при помощи заземленных источников и измерением его электрической компоненты. Аномальные эффекты в этих методах связаны в пер­ вую очередь с явлениями, происходящими на поверхностях раздела сред с различной электропроводностью, и определяются соответст­ вующими граничными условиями. В эту группу входят различные

6

методы электропрофилирования (ЭП) на переменном токе низкой частоты.

В магнитно-электрических методах обычно измеряется магнит­ ная составляющая поля заземленных источников. В этом случае на наблюдаемое поле в основном влияет распределение тока в зависи­ мости от электропроводности и граничные условия на поверхностях раздела сред с различной магнитной проницаемостью. Типичным

в структурной электроразведке методы дипольных электромагнит­ ных (частотных и становлением поля) зондирований (ДЭМЗ), ис­ пользующие в качестве возбудителя поля электрический диполь.

Поскольку граничные условия в стационарных и квазистацио­ нарных полях не различаются, а магнитное квазистационарное поле полностью определяется распределением токов проводимости в дан­ ный момент времени, то физической основой для этих двух групп методов в значительной мере являются законы, справедливые для соответствующих постоянных полей. От аналогичных модификаций существующих или возможных электроразведочных методов посто­ янного тока они отличаются лишь тем, что в формировании наблю­ даемых полей принимает участие электромагнитная индукция, роль которой уменьшается при снижении частоты.

Наконец, к индуктивным методам электроразведки относятся ме­ тоды, основанные на возбуждении и приеме поля при помощи незаземленных контуров: метод незаземленной петли (НП), дипольное индуктивное профилирование (ДИП) 1 и зондирование (ДИЗ) . При применении этих методов явления, связанные с индукционным воз­ буждением вихревых токов в проводящих средах, наблюдаются в наименее затушеванном виде.

Особое место в электроразведке занимают методы, использую­ щие поля удаленных возбудителей естественного или искусствен­ ного происхождения, не находящихся в распоряжении исследова­ теля. Это прежде всего методы естественного электромагнитного поля (ЕЭМП), в которых изучаются поля атмосферного, ионосфер­ ного или космического происхождения. По спектру частот возбу­ ждающего поля эти методы следует отнести к квазистационарным и ввиду специфического первичного поля выделить в отдельную группу. Как известно, в дальней зоне поля любых возбудителей переменного электромагнитного поля могут быть аппроксимированы в земле полем вертикально падающей плоской волны. Конкретный вид возбудителя в этом случае играет второстепенную роль и опре­ деляет в основном ориентацию возбуждающего поля.

Таким образом, выделение методов естественных электромагнит­ ных полей в отдельную группу не противоречит главному принципу, положенному в основу принятой нами классификации. В эту же

1 Этот термин идентичен часто употребляемому термину «дипольное элек­ тромагнитное профилирование» (ДЭМП).

7

Г Л А В А I

О С Н О В Н Ы Е У Р А В Н Е Н И Я ПОЛЯ И ИХ

СП Е Ц И Ф И Ч Е С К И Е О С О Б Е Н Н О С Т И

ВН И З К О Ч А С Т О Т Н О Й О Б Л А С Т И

ОСНОВНЫЕ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УРАВНЕНИЯ И ГРАНИЧНЫЕ УСЛОВИЯ

Электромагнитные методы разведки базируются на макроскопи­ ческой теории электромагнитного поля, в основе которой лежит ана­ лиз системы уравнений Максвелла. Уравнения Максвелла устанав­ ливают связь между основными векторами электромагнитного поля:

напряженностями электрического Е и магнитного Н полей, электри­ ческой D и магнитной В индукциями и плотностью электрического

тока j . При гармоническом законе изменения компонент поля во времени основные уравнения Максвелла в квазистационарной об­ ласти (в пренебрежении токами смещения) могут быть записаны в виде

Они должны быть дополнены соотношениями связи для линейных и изотропных сред:

а при их записи использовано комплексное представление гармони­ чески изменяющихся величин (Ре~ш). Величина / с т обозначает плотность «сторонних» токов, поддерживаемых сторонними силами неэлектромагнитного происхождения либо сторонними электромаг­ нитными полями, не включенными в формулы (1.1) — (1.4). Комп­ лексность величин отмечается значком V • Выражения (1.1) — (1.4) связывают комплексные амплитуды векторов поля.

9