§ Методи постійних електричних полів

Методи досліджень, у яких використовують постійні електричні поля, поділяються на методи природного (ПП) та штучного полів. Останні ж прийнято називати методами опорів.

Метод природного електричного поля. Об’єктом досліджень у цьому методі є природні постійно існуючі у Землі електричні поля електрохімічного або електрокінетичного походження.

У методі ПП розрізняють профільну та площинну зйомки. У першому випадку спостереження виконують, як показує сама назва, окремими профілями, а у другому – за системою та звичаєм паралельних профілів, орієнтованих приблизно вхрест простягання пошукових об’єктів і які покривають рівномірно площину, яка вивчається. Відстань між профілями та пунктами спостережень вздовж профілю визначається масштабом зйомки та інтенсивністю поля, яке вивчається, з таким розрахунком, щоб у масштабі звітної карти інтервали між профілями та пунктами спостережень знаходились у межах 14 см, 0,52 см відповідно. Звичайно ж на місцевості мережа спостережень у методі ПП коливається у межах 1001000550 м.

Вивчення природного поля проводиться переважно на суші, але часто застосовується при вивченні процесів фільтрації водосховищ, річок та озер і т.п.

Спостереження природного поля можна виконати двома способами: потенціалу та градієнта потенціалу. У першому способі один приймальний спектр (звичайно це N) кріплять у одному пункті, потенціал якого прирівнюють до нуля, а другий електрод (М) пересувається по усіх пунктах профілю, який вивчається, або площини, щоб визначити відносні значення їхнього потенціалу. У другому способі вимірюється різниця потенціалів (градієнт) короткою незмінною лінією MN, яку зміщують з кроком, що дорівнює величині MN, по всіх профілях.

На акваторіях можна проводити зйомку ЕП у русі, використовуючи для безперервного запису каротажні або інші реєстратори.

За результатами спостережень методом потенціалу будують графіки та карти природного поля, а за даними спостережень градієнта можна виконувати аналогічні побудови або, взявши найбільш кращий для цього пункт за початковий, перерахувати їх у значення потенціалу.

Інтерпретація отриманих даних виконується у більшості випадків якісно: спрямована на встановлення розташування, глибини та умов залягання пошукових джерел природно поля.

За окремими перетинами, які вибрані на карті вхрест простягання інтенсивних аномалій, можна провести кількісне визначення глибини залягання об’єктів, які вивчаються. Наприклад, користуючись результатами теоретичних досліджень аномалій ПП над природно поляризованими тілами, можна визначити глибину залягання ізометричних (кулеподібних) h_м та витягнутих (циліндричних) h_у тіл за формулою h_м=0,65q та h_у=0,65q, де q – параметр, який дорівнює ширині аномалій на рівні 0,5U_min (у масштабі графіку).

Геологічне тлумачення даних методу ПП спрямоване на з’ясування природи знайдених аномалій і повинно здійснюватись, враховуючи геологічну будову та гідрогеологічні особливості площі, яка вивчається.

Область застосування методу ПП визначається інтенсивністю аномалій природного поля. Найбільших значень (0,51В) останні досягають над природно-поляризованими тілами, тому метод ПП знайшов широке застосування, коли ведеться пошук та розвідка покладів сульфідних руд і декотрих поліметалів, а також вугілля, графіту та інших. Цим же методом, використавши поля дифузійно-адсорбційного походження, можна розв’язувати також декотрі задачі геологічного картування попід малопотужними намулами та виділення у водах озер і морів шарів різного ступеню мінералізації. Додатні ж результати дає метод природного поля коли вивчається фільтрація (витік або підтікання) води крізь плотини, дамби, а також крізь дно і борти річок, озер і особливо штучних водосховищ. При цьому низхідні потоки будуть відмічені від’ємними, а висхідні – додатними аномаліями ПП.

Метод природного поля може бути ефективно використаний, коли проводяться інженерно-геологічні дослідження по вияву ділянок корозії трубопроводів, броньованих кабелів та інших металічних конструкцій у Землі, для яких характерні інтенсивні природні поля, які виникають на незначній глибині (12 м).

Основними ж факторами, що ускладнюють застосування методу природного поля, є нестаціонарні втрати промислового та магнітотелуричного походження.

Методи штучного електричного поля. Раніше вже зазначалось, що до методів постійного струму належать усі різновиди електричних спостережень, які базуються на законах розповсюдження у середовищі, яке проводить постійний струм, та які використовують його (або квазісталий змінний струм f20Гц) для польових спостережень. Серед них по параметрам, що вимірюються, способу спостережень та задач, які необхідно розв’язати, виділяють методи: опорів, зарядженого тіла, електричної кореляції та занурених електродів. Розглянемо коротко їхні особливості у такій же послідовності.

Метод опорів є одним з перших і який до цього часу широко використовується вид електророзвідувальних досліджень, об’єднує велику групу модифікацій (які теж називають методами), які базуються на визначенні опору розрізів, що вивчаються та які в однорідному півпросторі є дійсними, а у неоднорідних середовищах – уявними.

Метод опорів можна поділити на дві великі групи: електричного профілювання та зондування, які у свою чергу, поділяються ще на більші групи. За останні роки на ці дві групи, включаючи свердловинні дослідження, розбивають усі геофізичні методи досить обґрунтовано. Нами не використовується цей принцип класифікації, тому що при цьому створюються визначені, особливо відчутні, вклад яких стислий, незручності, коли описуються теоретичні основи методів і застосованої апаратури, які повністю визначаються характером поля, яке використовується.

Розглянемо детальніше виділення групи. Методи електричного профілювання характеризуються постійними розмірами, а тому, і приблизно однаковою глибинністю досліджень установок, які пересуваються повністю вздовж (рідне в хрест) профілів спостережень. Звідси витікає основне призначення електропрофілювання – вивчення неоднорідностей геоелектричного розрізу у горизонтальному напрямку. Тому об’єктом вивчення методів електропрофілювання є в основному горизонтальні неоднорідності у розрізах (контакти з крутим падінням, пласти, або шаруваті товщі, зони порушень, локальні, що проводять, або високоомні включення і т.п.).

Задачі, що розв’язуються методами електропрофілювання, можна поділити на: 1) структурно-пошукові вивчення захованих структур (флексур, синкліналей, куполів та інших), розвідка рудних (сульфідних, поліметалічних, залізорудних та інших) і нерудних (вугільних, кварцових і тому под.) корисних копалин, 2) інженерно-геологічні картування під наносами мерзлих порід, таликів, тріщинуватих та закарстованих зон, прісних і мінералізованих вод.

Коли дослідження методами електропрофілювання, тоді у кожному пункті визначають значення уявних опорів за формулою

,

використовуючи виміряні (приладами ЕСК-1, Е-72, ІСК-50) або різниці потенціалів U у приймальній лінії MN, центр якої є точкою запису. Шаг профілювання, визначений з потрібною ефективністю і масштабом зйомки, коливається звичайно у межах 550 м. Спостереження виконуються переважно на даній поверхні і лише рідко під землею (у гірських виробках) і на воді (поверхневі або донні установки).

Розрізняють наступні види електропрофілювання по типу використаних установок: пошукові – симетричне та за схемою середнього градієнту і детальні – комбіноване, дипольне і дивергентне (або диференційне), кругове та ін.

Симетричне елекропрофілювання (СЕП) виконується симетричними установками з одним (AMNB) або двома (АА^/MNB^/B) розносами (див. рис. 9, в при AM=BN та AN=BM). Розноси ліній живлення АВ та А^/В^/ вибирають таким чином, щоб перший фіксував пошукові, а другий – поверхневі неоднорідності. За результатами спостережень будують графіки _П, які дозволяють розмежовувати аномалії і виділяти високоомні (за максимумом) або такі, що приводять, об’єкти (за мінімумом) які являють інтерес.

Електропрофілювання за схемою серединного градієнту (ЕПСГ) характеризується нерухомою лінією АВ посередині якої (відстань звичайна АВ/3) пересувається коротка приймальна лінія MN по центральному і декільком

паралельним профілям. Спостереження цим же методом, для якого характерним є висока продуктивність та майже повним виключенням впливу неоднорідностей електродів живлення, зручно виконувати низькочастотною апаратурою АНЧ-3, ІКС-50, яка оснащена декількома приймачами. Результати досліджень оформляють у вигляді графіків уявних опорів. Останні за подобою графіків симетричного профілювання фіксують високоаномальні підняття та включення максимумами, вертикальні контакти – східцями, а ті що проводять, - мінімумами.

Комбіноване електропрофілювання (КЕП) об’єднує дві зустрічні трьохелектродні установки AMN та MNB (рис. 10, б), з загальною лінією MN та одним електродом С живлення, віднесеним на нескінченність. У кожному пункті виконують два вимірювання та відповідно будують два графіки _П для прямої (AMN) і оберненої установки (MNB). Характерним для них є розбіжність над вертикальним контактом (рис. 10, б) і чіткий перетин над цокольними (ізометричними покладами, круто спадаючими пластами або лінзами) неоднорідностями, які є провідниками (або високоомні), для вивчення котрих і застосовується у основному метод КЕП. При цьому перетин над високоомними включеннями та включеннями – провідниками схожі за зовнішнім виглядом, але графіки прямої та зворотної установок наче обмінюються місцями і являють собою дзеркальне відображення один одного.

Дипольне електропрофілювання (ДЕП) виконується двохсторонньою осьовою установкою ABMNB^/A^/ з загальною лінією MN, до центру якої приписуються значення обох замірів (від диполів АВ та А^/В^/). Характер графіків _П у загальному подібний до графіку комбінованого профілювання, однак ускладнюється оцінка “несправжніх” аномалій, які отримують, коли диполь живлення перетинає неоднорідності. За наявності двосторонніх графіків ці аномалії легко відрізнити, тому що несправжні фіксуються тільки однією, а дійсні – двома кривими, що співпадають. Коло розв’язаних задач для дипольного та комбінованого профілювання також приблизно однаковий.

Диференційне (або дивергентне) профілювання (ЕП-диф) відрізняється застосуванням замість ліній MN трьохелектродною приймальною установкою М₂Or₂M^/, яка дозволяє вимірювати при r₁=r₂ другі різниці у полі точкового та дипольного джерел або ланцюжку АВ. У останньому варіанті додаткові опори обираються різними (звичайно r₂=2r₁) та щоб отримати двосторонні заміри обмінюють місцями. За результатами замірів, як і для інших установок, розраховують уявні опори з точкою запису у центрі приймальної лінії. Наведене на рис. 10 співставлення графіків _к різних установок над найпростішою неоднорідністю – вертикальним контактом – вказує на високу роздільну здатність і чітку локалізацію (у межах розмірів приймальної лінії MN^/) контакту екстремумами протилежного знаку (рис.10в, в, д, е).

Загальним усіх видів профілювання є питання вибору величини розносів, орієнтації профілів і т.п. Звичайно ж розноси вибирають у 3-10 разів більше глибини, яка потрібна, досліджень, профілі задають вхрест простягання розвідувальних об’єктів з таким розрахунком, щоб отримати не менше 2-3 перетинів неоднорідностей, які вивчаються.

Крок спостережень по профілю повинен бути у 2-5 разів менший видимої потужності тіл, що вивчаються. Звичайним є те, що сітку спостережень обирають так, щоб за розмірами була 130,20,5 см у масштабі звітної карти, що відповідає приблизно сітці 5050010100м на місцевості.

Кругове профілювання може бути виконане симетричними, трьохелектродними або ж дипольними установками, розташованими в одному пункті, але орієнтованими у різних (звичайно по вісьмох) азимутах.

Застосовується воно, щоб оцінити напрямок тріщинуватості та сланцюватості порід, а також падіння нахильних високоомних пластів (установками КЕП та ДЕП). За результатами спостережень у різних азимутах будують кругові діаграми _П, які у однорідному та горизонтально-шаруватому середовищі являють собою коло, а у анізотропному – еліпс. Велика вісь останнього вказує на переважне простягання тріщинуватості. При цьому враховується явище парадоксу анізотропії, яке полягає у тому, що величина уявного опору, виміряного на поверхні похилого шаруватого анізотропного середовища вздовж нашарування, більша, ніж у перпендикулярному напрямку. Кругові діаграми комбінованого та дипольного профілювання над нахильним високоомним пластом будуть обернені максимумами у сторону підняття пласта.

Спостереження методами електропрофілювання у гірських виробках та водоймах виконуються за допомогою звичайної, а у шельфових зонах – морської апаратури. Установки монтуються зі спеціальних, звичайно ж каротажних, кабелів і потребують при спостереженнях у шахтах і на дні водойм спеціального розрахунку коефіцієнтів.

Інтерпретація даних електропрофілювання в основному якісна. На кожному з профілів виділяються характерні аномалії та ведеться їхня площинна кореляція з врахуванням геолого-тектонічних особливостей площі. Окремо виділяються зв’язані з підземними комунікаціями або рельєфом місцевості. Найбільш просто зв’язана з неоднорідностями симетрична установка AMNB, максимумам і мінімумам якої відповідає наближення до денної поверхні високоомних (скельних утворень, нерудних корисних копалин, вапняків, доломітів та інших) або проводячих (рудні тіла, зони порушень, закарстованості та інших) порід.

Зв’язок аномалій комбінованого, дипольного або диференційного профілювання з високоомними та проводячими неоднорідностями більш складний і потребує знання характеру теоретичних кривих над типовими неоднорідностями. Користуючись ними, можна оцінити границі неоднорідностей, характер їхнього залягання, напрямку падіння та ін.

Методи електричного зондування. Електричне зондування, як говорить сама назва, своєю метою має дослідження розрізу вглиб. У методах постійного струму, як зазначалось, для збільшення глибинності досліджень необхідно збільшувати розміри лінії живлення АВ для симетричних та діючої відстані r – для дипольних установок. Тому зондування на постійному (або низькочастотному змінному) струмі здійснюється шляхом послідовного збільшення розмірів установок з закріпленим центром. Такий принцип реалізації зондування прийнято називати геометричним. Загальним для всіх видів зондування є, на відміну від методів електропрофілюваня, вивчення характеру геоелектричного розрізу, у вертикальному напрямку.

Основними та найбільш благоприємними об’єктами для постановки зондувань є горизонтально-шаруваті або слабко нахильні розрізи. У зв’язку з цим основне призначення електричних зондувань є розв’язок наступних задач: структурних (розгадування вертикальної товщі осадових порід на окремі електричні горизонти, вивчення форм їхнього залягання, зокрема рельєфу кристалічного фундаменту соляних куполів і т.п.), пошуково-розвідувальних (вияв пластоподібних родовищ корисних копалин, будівельних матеріалів та ін.), інженерно-геологічних (оцінка потужності намулів, вивчення сучасних та прадавніх річкових долин, зсувів, вічної мерзлоти і т.п.) і гідрогеологічних (пошуки та розвідка підземних вод, оцінка ступеню їхньої мінералізації та глибини залягання водоносних горизонтів).

Виконання зондування полягає у визначенні на кожному розносі АВ або r (користуючись формулою _к=КU/I) уявних опорів за виміряними значеннями U та І. Побудова у подвійному логарифмічному масштабі графіку залежності _П від величини розносів (які визначають глибину досліджень) або кривої зондування є безпосередньою задачею вимірювань.

Залежно від виду установок, які застосовуються, розрізняють зондування вертикальні, дипольні, ортогональні, дивергентні, диференційні та інші. Останні три види, віднесені Б.К. Матвєєвим до спеціальних модифікацій.

Розглянемо коротко основні види зондувань, методику їх виконання, а також інтерпретацію отриманих матеріалів.

Вертикальні електричні зондування (ВЕЗ) виконуються переважно симетричними чотирьох електродними установками AMNB. При цьому розмір лінії MN вибирають таким, щоб були менші за АВ/3, бо у іншому випадку порушуються умови розрахунку теоретичних кривих (FU/MN), і незначні неточності у визначенні довжини MN можуть призвести до помітних похибок U.

По центру зондування розміщується приймальна апаратура (ЕСК-1, АЕ-72 або ІСК-50), джерела живлення (батареї 68-ГР-МЦ-6 або інші). Розмотують та заземлюють приймальні лінії (звичайно не більше 3-4) з різницею по довжині двох сусідніх приблизно у 1,53 рази (рис. 14, а).

Тут таки ж встановлюють 2 котушки з проводами лінії живлення (А та В). У процесі розмотування лінії живлення вона заземлюється (згідно міток на проводах) на потрібних розносах, які поступово збільшують кожен раз приблизно у 1,5 рази. Таким чином, виконується зондування на невеликих розносах (до АВ_max2км), що приблизно відповідає глибинам порядку перших сотень метрів.

Якщо ж необхідно збільшити глибину досліджень розноси АВ подовжують до 610км. З цією метою паралельно до малої розмотують велику лінію АВ з замірами на ній, починаючи з 500750м (рис. 11, б) Живлення її здійснюється від електророзвідувальних станцій (СГЕ-72 або ЕРСУ-71), а вимірювання різниць потенціалів візуально з приладів ЕСК-1 або АЕ-72 (з використанням СГЕ-72) або осцилографічно (з ЕРСУ-71). Звичайно ж для прискорення процесу використання ВЕЗ заміри на малій та великій лініях чергують.

Криві ВЕЗ будують обов’язково у полі з метою виявлення та за допомогою контрольних замірів випадкових похибок, які видно по рідкому відхиленню від закономірного плавного руху кривих ВЕЗ.

Дипольні електричні зондування (ДЗ) виконуються двосторонніми дипольними установками найчастіше азимутальними (ДАЗ) та радіальними (ДРЗ) (рис. 11, в, г). Окремим випадком, є при =90^о,екваторіальні (ДЕЗ) і, при =0^о, осьові (ДОЗ) зондування. Заміри дипольними установками починаються з розносів АВ1 (початкова вітка кривої будується за даними замірів на малій лінії установкою AMNB).

По центру зондування розташовується генераторна група (ЕРС-67), яка надсилає у лінію АВ прямокутні імпульси постійного струму, величина якого визначається візуально або реєструється самописцем, а по обидві сторони від нього одночасно (двома лабораторіями ЕУЛ-71, ЦЕС-1 або ЦЕС-2) або послідовно (при одній лабораторії) ведуться заміри U на постійно зростаючих (також приблизно у 1,5 рази) потрібних розносах. На вирівненій з горними** під’їздами місцевості виконують найчастіше екваторіальні або основні зондування по прямолінійних, раніше прокладених профілях (рис. 11, в).

На місцевості, доступ до якої обмежений, азимутальні зондування можна виконувати вздовж доріг, визначаючи заздалегідь на карті пункти замірів і напрямок розташування диполя живлення та приймальних ліній. Зв’язок між генераторною групою та польовими лабораторіями підтримується по радіо. Результати спостережень зображають у вигляді двохсторонніх кривих уявних опорів, які визначаються за допомогою індивідуальних для кожної установки коефіцієнтів.

Подібним способом виконуються морські безперервні осьові зондування (НДОЗ), для яких враховуючи специфіку спостережень (буксування лінії за кораблем), застосовують лише осьові установки. Як правило, лінія MN з апаратурою реєстрації на одному кораблі залишається нерухомою, а вздовж профілю рухається закріплена на іншому судні лінія живлення АВ. Комутація струму у лінії живлення та реєстрація різниць потенціалів у приймальних лініях ведеться безперервно у русі, що помітно підвищує продуктивність морських робіт.

Інтерпретація даних електричних зондувань різними установкам ведеться подібними прийомами, приймаючи за основу найбільш розроблений метод ВЕЗ.

Залежно від характеру або типу геоелектричного розрізу криві зондування можуть мати найрізноманітніший вигляд. Для зручності систематизації теоретичних та практичних польових кривих зондування всі вони за зовнішнім виглядом поділяються на типи. Двошарові криві тільки двох типів: ₁₂ та ₁₂; трьохшарові – чотирьох:

₁₂₃ (тип Н), ₁₂₃ (тип К), ₁₂₃ (тип А) та ₁₂₃ (тип Q) (рис. 12 а, б, в). Чотирьохшарових кривих нараховують 8 і вони являють собою різні комбінації перерахованих трьох шарових (KH, KQ, AA, HA, QH, QQ, AK) (рис. 12 г-ж). Подібними способами можна описати будь-яку багатошарову криву.

У процесі тлумачення даних електричних зондувань, як у більшості інших геофізичних методів, виділяють якісну та кількісну інтерпретацію. Якісна інтерпретація передбачає аналіз кривих зондувань і безпосереднє виконання за даними спостережень різних побудов: карт типів кривих зондувань, _П для визначення розносів характерних параметрів (_Пmin, _Пmax та інш.), розрізів та графіків _П, сумарної провідності розрізу S, поперечного опору Т та т.п.

Карти типів кривих зондування складається з використанням описаної раніше класифікації та дозволяє виділити на площі, яка вивчається, однотипові у геоелектричному відношенні ділянки. Останні відображають ті чи інші особливості геологічної будови та границі їх нерідко можуть бути покладеними у основу літолого-фаціальних і тектонічних побудов.

Карти _к для визначення розносів і характерних параметрів (_Пmin, _Пmax, S, Т та інші) будуються однотипово: поблизу кожного пункту зондувань на схемі їх розташування, у масштабі звітної карти, виписують значення параметрів, а надалі за допомогою інформації.

Рис.12. Типи двох шарових (а), трьох шарових (б.в) та чотирьохшарових (г-ж) кривих ВЕЗ [10]:

Проводять ізолінії останніх. Отримані таким чином карти дають уявлення про розподіл параметрів які вивчаються, по площі, у зв’язку з особливостями її геологічної будови. Так, зокрема, максимумами _П для кінцевих розносів у розрізах, які закінчуються типом Н, є свідченням про підняття високоомного горизонту, а аномалії однієї назви сумарної провідності – про його занурення. Враховуючи велику інформативність та широке використання практиці інтерпретації останнього параметра, зупинимось на ньому детальніше.

У розрізах типу Н при високих опорах підсилюючого горизонту (хемогенні осади, кристалічні породи та інші) кінцева асимптота кривих ВЕЗ нахилена під кутом 45^о до вісі глибини. Рівняння останньої такого вигляду S=AB/2_П, а отже можна безпосередньо по спостережній кривій визначити S, як відрізок, ординаті _П =1, тому що у цьому випадку S=АВ/2. З іншого боку, повздовжній опір розрізу. Таким чином, якщо, де по площі не змінюється помітно, то S прямо пропорційне Но. Про це говорить аналіз карти параметру _Пmin, який дійсно пов’язаний і прямопропорційний _l.

Для розрізів типу К (або багатошарових, але фкі закінчуються цим типом) характерним є поперечний опір другого шару Т=h₂₂, де h₂ та ₂ – потужність і опір високоомного горизонту. Таким чином, якщо опір ₂ однаковий, то Т прямо пропорційний потужності високоомного пласта. Особливий інтерес становлять карти Т для оцінки перспективності водоносних горизонтів, які містяться у високоомних та піскових відкладах, знизу підстелених водотривкими низькоомними глинами.

Наочне уявлення про характер геоелектричного розрізу дають розрізи уявних опорів, для цього на горизонтальній осі наносять пункти спостережень, а по вертикалі униз – розноси АВ/2 (у логарифмічному масштабі). Напроти кожного зондування відкладають спостережні значення _П і за допомогою інтерпретації проводять їх ізолінії. Конфігурація останніх якісно відображає характерні особливості розрізу: локальні включення, підняття та западини, літологічні та тектонічні контакти у вигляді відхилень ходу ізоліній від горизонталей.

Опис прийомів якісної інтерпретації здійснювали в основному на прикладі кривих ВЕЗ, але зокрема, вони застосовуються і для інших видів зондувань, а саме і для кривих дипольних азимутальних установок, які повністю співпадають з кривими ВЕЗ.

Для двохсторонніх кривих дипольного зондування, окрім описаних, звичайно будують карти векторів _П на певних розносах, S та ін., з визначенням цих параметрів по вітках зондування з різними назвами (називаються плюсові та мінусові, східні та західні і т.п.). Карти та розрізи решти інших параметрів будуються такими ж самими прийомами для середніх, а іноді окремо для плюсових та мінусових віток. Ідентичні описані і прийоми якісного тлумачення кривих двосторонніх дивергентних (або диференціальних) зондувань.

Кількісна інтерпретація має на меті визначення потужностей та опорів шарів геоелектричного розрізу площі, яка вивчається. Розрізняють палеткові, статистичні та машинні способи кількісної інтерпретації.