Вопрос 90. Классификация методов электроразведки по типам полей и моделями среды.

Электроразведка (точнее электромагнитная разведка) объединяет физические методы исследования геосфер Земли, поисков и разведки полезных ископаемых, основанные на изучении электрических и электромагнитных полей, существующих в Земле либо в силу естественных космических, атмосферных, физико-химических процессов, либо созданных искусственно. Используемые поля могут быть: установившимися, т.е. существующими свыше секунды (постоянными и переменными, гармоническими или квазигармоническими с частотой от миллигерц (1 мГц = 10^-3 Гц) до петагерц (1 ПГц = 10¹⁵ Гц)) и неустановившимися, импульсными с длительностью импульсов от микросекунд до секунд. С помощью разнообразной аппаратуры измеряют амплитудные и фазовые составляющие напряженности электрических ( ) и магнитных ( ) полей. Если напряженность и структура естественных полей определяется их природой, интенсивностью, а также электромагнитными свойствами горных пород, то для искусственных полей она зависит и от мощности источника, частоты или длительности, а также способов возбуждения поля.

Основными электромагнитными свойствами горных пород являются удельное электрическое сопротивление (УЭС, или ), электрохимическая активность ( ), поляризуемость ( ), диэлектрическая ( ) и магнитная ( ) проницаемости. Электромагнитные свойства геологических сред, вмещающей среды, пластов, объектов, а также геометрические параметры последних служат основой для построения геоэлектрических разрезов. Геоэлектрический разрез над однородным по тому или иному электромагнитному свойству полупространством принято называть нормальным, а над неоднородным - аномальным. На выделении аномалий и основана электроразведка.

Вследствие многообразия используемых полей, их частотно-временных спектров, электромагнитных свойств горных пород электроразведка отличается от других геофизических методов большим количеством методов (свыше 50). По физической природе их можно сгруппировать в методы естественного переменного электромагнитного поля, поляризационные (геоэлектрохимические), сопротивлений, индукционные низкочастотные, высокочастотные, сверхвысокочастотные, биогеофизические.

По геометрии и строению изучаемых геологических разрезов методы электроразведки условно делятся на: 1) зондирования, которые служат для расчленения горизонтально (или полого) слоистых разрезов в вертикальном направлении; 2) профилирования, предназначенные для изучения крутослоистых разрезов или выявления объектов в горизонтальном направлении; 3) подземно-скважинные (объемные), объединяющие методы выявления неоднородностей между скважинами, горными выработками и земной поверхностью.

Электроразведка с той или иной эффективностью применяется для решения практически всех задач, при которых используются геофизические методы. В частности, с помощью естественных переменных полей солнечно-космического происхождения разведываются земные недра на глубинах до 500 км и ведется изучение таких геосфер, как осадочная толща, кристаллические породы, земная кора, верхняя мантия. Электромагнитные зондирования используются при глубинных и структурных исследованиях, поисках нефти и газа. Электромагнитные профилирования применяются при картировочно-поисковых съемках, поисках рудных и нерудных полезных ископаемых. Объемные методы применяются при разведке месторождений. Малоглубинные электромагнитные зондирования и профилирования используются при инженерных и экологических исследованиях.

По технологии и месту проведения работ различают аэрокосмические, полевые (наземные), акваториальные (или аквальные, водные, морские, речные), подземные (шахтно-рудничные) и скважинные (межскважинные) методы электроразведки.

Теория электроразведки базируется на теории электромагнитного поля.

Естественные переменные электромагнитные поля.

К естественным переменным электромагнитным полям относятся квазигармонические низкочастотные поля космической (их называют магнитотеллурическими) и атмосферной (грозовой) природы.

Измеряемыми параметрами являются электрические ( ) и магнитные ( ) составляющие напряженности магнитотеллурического поля. Их амплитуды и фазы зависят, с одной стороны, от интенсивности вариации теллурического и геомагнитного полей, а с другой, от удельного электрического сопротивления пород, слагающих геоэлектрический разрез.

Естественные постоянные электрические поля.

К естественным постоянным электрическим полям (ЕП) относятся локальные поля электрохимической и электрокинетической природы.

Искусственные постоянные электрические поля.

Искусственные постоянные электрические поля создаются с помощью батарей, аккумуляторов или генераторов постоянного тока, подключаемых с помощью изолированных проводов к стержневым электродам - заземлителям.

Искусственные переменные гармонические электромагнитные поля.

Искусственные переменные гармонические электромагнитные поля создаются с помощью разного рода генераторов синусоидального напряжения звуковой и радиоволновой частоты, подключаемых к гальваническим (заземленные линии) или индуктивным (незаземленные контуры) датчикам (источникам) поля. С помощью других заземленных (приемных) линий или незаземленных контуров измеряются соответственно электрические ( ) или магнитные ( ) составляющие напряженности поля. Они определяются прежде всего удельным электрическим сопротивлением вмещающей среды. Чем выше сопротивление, тем меньше скин-эффект и больше глубина проникновения поля. С другой стороны, чем ниже сопротивление, тем больше интенсивность вторичных вихревых электромагнитных полей, индуцированных в среде.

Искусственные импульсные (неустановившиеся) электромагнитные поля.

Искусственные импульсные (неустановившиеся) электромагнитные поля создаются с помощью генераторов, дающих на выходе напряжение в виде прямоугольных импульсов разной длительности и подключаемых к заземленным или незаземленным линиям. С помощью других заземленных приемных линий или незаземленных контуров изучается процесс становления и спада разностей потенциалов или на разных временах после окончания питающего импульса.

При зондировании геологической среды такими импульсами в ней происходят разнообразные физические процессы. В зависимости от способа создания и измерения поля и времени, на котором проводятся измерения, а также электромагнитных свойств горных пород различают неустановившиеся поля двоякой природы: вызванной поляризации и переходных процессов или становления поля.

1 . Поля вызванной поляризации. Поля вызванной поляризации, или вызванные потенциалы (ВП), создаются путем гальванического возбуждения постоянного тока с помощью линии АВ и измерения разности потенциалов ВП на приемных электродах МN ( ) через 0,5-1 с после отключения тока, т.е. измеряется спад напряженности электрического поля, обусловленный разной вызванной поляризуемостью горных пород ( ).

2 . Поля переходных процессов или становления поля. При импульсном или ступенчатом изменении тока в питающей линии ( АВ) или незаземленном контуре (петля, рамка) в момент включения или выключения тока в проводящей геологической среде индуцируются вихревые вторичные электромагнитные поля.

Сверхвысокочастотные поля.

Сверхвысокочастотные электромагнитные поля с длиной волны от микрометров до метров используются для пассивной и активной радиолокации земной поверхности. Методы, основанные на их измерении, находятся на стыке электроразведки и терморазведки.

Биогеофизические поля.

К биогеофизическим полям относим поля, создающие так называемый биолокационный эффект (БЛЭ), т.е. вращение или отклонение рамок тех или иных конструкций в руках операторов над природными или техногенными объектами. + таблица в методичке электроразведка

Электромагнитное зондирование

Определяют удельное сопротивление и диэлектрическую проницаемость пород.

Электромагнитным зондированием называют способ просвечивания слоистой толщи земли постоянным или переменным электрическим током. Он основан на измерении компонент поля в одной или одновременно в нескольких точках земной поверхности при последовательном увеличении глубины проникновения электрических токов. К этой группе относятся: вертикальное электрическое зондирование (ВЭЗ) и его модификации, основанные на измерении амплитуд (ВЭЗ-ВП) и фаз (ВЭЗ-ВПФ) поля вызванной поляризации, однополюсное комбинирование (ОКЭЗ) и дипольное (ДЭЗ) электрическое зондирование, а также частотное (ЧЗ), радиально-частотное индукционное (РИЗ), радиоволновое (РВЗ), магнитотеллурическое (МТЗ), зондирование становлением поля в дальней (ЗС) и ближней (ЗСБ) зонах. Электромагнитные зондирования применяют главным образом при региональных, структурно-картировочных и разведочных исследованиях, когда ставятся задачи расчленения геологического разреза на слои и блоки, определения последовательности залегания пластов и картирования тектонических структур, в частности при поисках месторождений нефти и газа.

Электромагнитное профилирование

Измеряют кажущееся сопротивление, определяют поляризуемость пород.

Электромагнитным профилированием называют способ исследования верхней части разреза, основанный на изучении компонент естественного или искусственного поля вдоль профиля при ограниченной или фиксированной глубине проникновения тока. Существенным является то, что глубина "охвата" током горных пород вдоль всего профиля сохраняется примерно одинаковой. Если при этом изучают искусственное поле, то профилирование представляет собой по сути дела упрощенную модификацию электромагнитного зондирования. Сюда относят все виды электрического профилирования с симметричной (СЭП), дипольной (ДЭП), комбинированной (КЭП) установками, способ срединного градиента (ЭП-СГ), в том числе модификации, основанные на измерении амплитуд и фаз поля вызванной поляризации (ЭП-ВП, ВПФ), бесконтактного измерения электрического поля (БИЭП), а также методы дипольного электромагнитного (индукционного) профилирования (ДЭМП, ДИП), незаземлённой петли (НП), длинного кабеля (ДК), постоянного и переменного естественного электромагнитного поля (ЕЭП, ПЕЭМП), радиоволнового профилирования в СДВ-диапазоне (СДВР), переходных процессов (МПП), магнитотеллурического профилирования (МТП) и теллурических токов (МТТ), различные варианты аэроэлектроразведки (ДИП-А, АМПП). Типичными задачами для электромагнитного профилирования являются геологическое картирование, прослеживание рудоконтролирующих или закарстованных зон, поиски рудных и нерудных полезных ископаемых.

Скважинная электроразведка

Измеряют амплитуды, фазы. Определяют диэлектрическую проницаемость, добротность среды.

Скважинной электроразведкой называют способ объёмного изучения межскважинного пространства, основанный на возбуждении и изучении поля как внутри скважин, так и на поверхности земли, а также на электромагнитном просвечивании окружающей среды, сюда относят все варианты электрического профилирования в скважинах (ЭПС), методы вызванной поляризации (ВПС, ВПФС), естественного электрического поля (ЕЭПС, ПЕЭМПС), электрической корреляции (МЭК), погруженных электродов (МПЭ), в том числе методы электрического (МЗ) и магнитного (МЗМ) заряда, контактный и бесконтактный способы поляризационных кривых (КСПК, БСПК), а также все виды скважинного электромагнитного профилирования, основанные на изучении поля дипольного источники (ДЭМПС), незаземлённой петли (НПС), переходных процессов (МППС), радиоволновое просвечивание (РВП) и др. Скважинные модификации применяют для поисков залежей полезных ископаемых в околоскважинном и межскважинном пространствах, изучения формы, размеров и компонентного состава залежи, а также для увязки результатов наземных и скважинных наблюдений. В "Инструкции по электроразведке" (1984) принят технологический принцип разделения методов и модификаций на группы по условиям работы. Выделяются наземные, морские, шахтно-рудничные и аэрометоды зондирования и профилирования, а также скважинные методы исследования. Все они, по существу, сводятся к трём выделенным группам.

Число методов электроразведки велико, они различаются типом используемых полей: их природой, частным составом, закономерностями распространения в геологической среде. Электромагнитные поля могут быть естественными и искусственными, постоянными и переменными, в последнем случае – гармоническими и нестационарными. Они вводятся в среду гальваническим способом (через заземление) либо без непосредственного контакта – за счёт индуктивной или емкостной связи. Их распространение в среде определяется частотой поля и электромагнитными свойствами горных пород. Измеряя разности электрических потенциалов, векторы напряженности электрической и магнитной компонент электромагнитного поля на земной поверхности, над ней или в скважинах, можно судить о пространственном распределении этих свойств пород в изучаемой геологической среде.

Поскольку дифференциация по электрическим свойствам горных пород, руд, различных геологических объектов очень велика, возникает возможность определения по измеренным характеристикам электромагнитных полей параметров геоэлектрического разреза и дальнейшей их геологической интерпретации в терминах структуры, состава, фазового состояния горных пород, определения природы границ изучаемых объектов.

Нарушения структуры пород – пористость, трещиноватость, флюидонасыщенность настолько сильно влияют на сопротивление пород, что практически любые литологические границы находят заметное отражение в геоэлектрическом разрезе. Зависимость электропроводности от концентрации и связности проводящих включений (самородных металлов, сульфидов, некоторых окислов, графита) определяет геоэлектрическое обособление рудных тел.

Закономерности распределения электрических свойств являются физико-геологическими предпосылками применения электроразведки:

Выделяют 4 направления электроразведки по характеру решающих геологических задач:

1. рудное – поиски и разведка рудных месторождений, детальное картирование складчатых областей, изучение массивов пород в целях разработки месторождений;

2. структурное – изучение мантии Земли, строения земной коры, региональное геологическое картирование платформенных областей, поиски нефтегазоносных структур, исследование угольных бассейнов, поиски залежей солей и др.;

3. поиски подземных вод, изучение гидрогеологического режима артезианских бассейнов, задачи экологии, гидромелиорации.

4. инженерно-геологическое - изыскания и исследования оснований для крупных инженерных сооружений (плотин, электростанций, заводов), исследование многолетнемерзлых толщ.

В зависимости от задач физико-геологических условий района исследований методы электроразведки могут быть реализованы как наземные, подземные морские, аэрокосмические.

Модели среды.

Геологическая значимость геоэлектрической модели определяется мерой отражения в ней важных для решаемой задачи особенностей геологической структуры при условии достаточной дифференциации определяющих свойств горных пород. Критерии геофизической эффективности модели – наличие решений прямых задач, помехоустойчивость метода в целом и конкретного алгоритма, в частности.

Условия эффективности применения электроразведки таковы:

1. достаточная дифференциация электрических свойств пород изучаемых объектов и среды. Обычно выполняется.

2. Удобная геометрия объектов изучения, позволяющая иметь решения прямых задач.

3. Отсутствие экранирующих верхних слоев разреза.

4. Низкий уровень помех.

5. Проблема выбора модели связана с тремя условиями, но наиболее актуальна в аспекте второго.

По типу моделей среды МЭР (методы электроразведки) делятся на 2 класса: зондирование и профилирование.

Хотя в основе зондирования заложена горизонтально-слоистая модель среды, в действительности изучаются латеральные изменения слоистого разреза и соответствующих параметров модели. Несмотря на то, что такая постановка внутренне противоречива: в горизонтально-слоистой среде как модели для отдельного зондирования не предполагается изменения по горизонтали – Считают, что объекты изучения (структуры) как отклонения от горизонтально-слоистой модели малы и не влияют на оценки параметров каждого зондирования, т.е. НЕОДНОРОДНОСТЬ предполагается СЛАБОЙ. Для этого углы наклона слоев не должны превышать первых градусов(5-15 в зависимости от требуемой точности определения параметров.)

Обеспечение единственности оценок параметров среды.

Оценка значений параметров модели горизонтально-слоистого разреза – задача количественной интерпретации кривых зондирования. Количественные характеристики имеют смысл, если:

1. они определяются однозначно

2. если возможны оценки погрешностей их определения.

Обратная задача электроразведки ВЭЗ в общем случае – некорректна:

• единственность обеспечивается при соблюдении довольно жестких условий, определенных теоремой А.Н. Тихонова («Параметры разреза (z) определяются однозначно, если кривая _к(АВ/2) ВЭЗ заданы непрерывно в интервале разносов от 0 до »).

• Устойчивость определяемых параметров по отношению к малым вариациям входных данных (значений_к) сильно зависит от характера разреза: характеристики тонких слоев определяются неустойчиво, в связи с чем их заменяют эквивалентными (по S или Т) толстыми слоями.

Реально выполнения теоремы Тихонова не бывает – схема изменений дискретна, максимальный разнос ограничен (условиями местности, мощностью источников тока и т.д.). Можно сделать вывод о том, что решение всегда неоднозначно, но при условии небольшого числа слоев с достаточно хорошей дифференциацией по электропроводности параметры модели определяются вполне надежно.

Если же априорной информации о разрезе недостаточно, решение определяется условиями эквивалентности: восстанавливаются параметры минимального числа слоев, из которых все промежуточные между основанием и покрывающим слоем могут быть заменены слоистыми толщами по условиям S- и T-эквивалентности. Число слоев n, параметры которых могут быть определены при наличии дополнителной информации, варьируют в зависимости от ее качества в интервале: m+2<n<(k-1)