Глава 22 аппаратура и области применения электроразведки

22.1. Электроразведочная аппаратура

В связи с существованием большого количества модификаций электроразведки, аппаратура для электроразведки не является универсальной. Существует множество типов аппаратуры, характеризующихся разнообразием схемных решений и конструкций в зависимости от решаемых задач и глубины исследований, источников электромагнитного поля, их частоты и измеряемых параметров. Поэтому здесь конкретных названий аппаратуры не приводится.

Аппаратура может быть переносной и в виде так называемых электроразведочных станций. Переносная аппаратура имеет небольшие габариты и массу, ее применяют при разведке на небольшие глубины (до 0,5 км) и она часто предназначается для работы только одним методом.

В электроразведочной станции измерительная аппаратура установлена в автомашине повышенной проходимости. В комплект станции входят также источники питания, которые размещены в другой автомашине. Здесь же установлены приборы для контроля, регулировки и измерения тока в питающей цепи. Как правило, электроразведочные станции более универсальны и предназначены для работы разными методами (ВЭЗ, ДЭЗ, ЧЗ и ЗС, МТЗ) и на большие глубины.

В комплект аппаратуры обычно входят источники постоянного или переменного тока. В качестве источников постоянного тока используют сухие элементы, аккумуляторы, либо специальные генераторы постоянного тока, приводящиеся в действие двигателем автомобиля или бензоэлектрическими агрегатами. В качестве источников переменного тока применяются генераторы гармонических колебаний (для ЧЗ) или прямоугольных импульсов (для ВП и ЗС) заданной полярности и длительности - однополярные или двухполярные прямоугольные импульсы разной длительности и скважности. Важной характеристикой аппаратуры, определяющей глубинность исследований, является максимальная величина тока, которую создает генераторное устройство. Напряжение источников тока в разных методах может изменяться от 10 до 1000 В, а ток в питающих линиях может достигать 50 А. Это позволяет увеличить глубину исследований до 5-6 км и более. Глубинные электромагнитные исследования иногда выполняют с помощью специальных мощных источников - магнитодинамических генераторов (МГД-генераторов).

Измерительная аппаратура предназначена для измерения тока в питающих линиях и для определения амплитудных и фазовых значений (абсолютных и относительных) напряженности поля.

В методах постоянного тока измеряемыми величинами являются разность потенциалов между приемными электродами и сила тока в питающей цепи. Простейшим способом измерения разности потенциалов является компенсационный способ, сущность которого состоит в сравнении измеряемой и известной разностями потенциалов. Компенсационное устройство (рис. 22.1) представляет источник постоянного тока Е, нагруженный на потенциометр - делитель напряжения. В компенсационном контуре, образованном измерительными электродами М и N и участком делителя напряжения между точками тип, действуют две разности потенциалов - измеряемая и компенсирующая . Суммарная разность потенциалов в компенсирующем контуре равна . Изменяя компенсирующий ток и сопротивление , уравнивают компенсирующую и измеряемую разности потенциалов. В случае полной компенсации гальванометр Г в компенсационном контуре покажет отсутствие тока в цепи. Существуют и другие способы измерения разностей потен­циалов и силы тока в питающей цепи.

Рис. 22.1. Принцип компенсационного способа измерений разности потенциа­лов в методах постоянного тока

В методах переменного тока измеряются электрические Е_х, Е_у и магнитные Н_х, Н_у, Н_z компоненты поля и их различные сочетания. Аппаратура для их измерения должна обладать большой чувствительностью (минимальный уровень измеряемого сигнала) и широким динамическим диапазоном (отношение максимального измеряемого сигнала к минимальному), что достигается только при цифровой регистрации. Так, например, сигнал становления поля за короткое время изменяется в широком диапазоне (на 5-6 порядков). На малых временах становления ЭДС в приемной петле может достигать десятков вольт, а на поздних - уменьшаться до долей микровольт. Поэтому динамический диапазон цифровой аппаратуры достигает 130 дБ.

В качестве датчиков-источников в электроразведке применяются заземленные стальные электроды АВ или незаземленные контуры - петли, служащие для индукционного возбуждения поля. В качестве датчиков-приемников - заземленные электрические диполи MN (медные или латунные электроды) для регистрации вариаций электрического поля, незаземленные контуры - петли, индукционные датчики и кварцевые магнитометры - для регистрации вариаций магнитного поля на разных частотах.

В некоторых методах применяют специальные неполяризующиеся электроды. Это вызвано тем, что при использовании простых металлических электродов в результате электрохимических процессов на контакте с грунтом возникают потенциалы, сопоставимые по величине с потенциалами, подлежащими измерению. Эти электроды состоят из заземляемого пористого (керамического или брезентового) сосуда с раствором медного купороса и медного стержня в нем. Индукционный датчик представляет многовитковую катушку с ферритовым сердечником, в которой разность потенциалов возникает под влиянием изменений магнитного поля. Основным элементом кварцевых магнитометров является магнит, изменяющий свое положение под воздействием поля, которое преобразуется в разность потенциалов. Незаземленные контуры - петли (размером стороны до 1 км) служат для индукционного возбуждения поля и измерения его магнитных составляющих. Петли изготовляют из изолированного провода, число витков которого зависит от частоты поля и метода разведки. Для устранения влияния высокочастотных помех на кабели, соединяющие полевые датчики и измерительную аппаратуру, применяются выносные усилители, устанавливаемые рядом с индукционными датчиками и электрическими диполями.

Аппаратура магнитотеллурических методов основана на регистрации естественного электромагнитного поля и состоит из управляющего и измерительных блоков. Число измерительных блоков современной аппаратуры может быть большим, поэтому она является многоканальной. Для передачи цифровой информации применяется беспроводная связь, позволяющая избежать взаимных помех, возникающих в случае проводной связи. МТ- съемки становятся более эффективными при проведении синхронных наблюдений с помощью спутниковых систем навигации. Регистрация электрических и магнитных компонент проводится в широком диапазоне частот от 10 кГц до 0,00002 Гц.

В настоящее время имеется тенденция к более плотным системам наблюдений, что расширяет круг решаемых электроразведкой задач за счет исследования сред, значительно отличающихся от горизонтально-слоистых. Так, в рамках методов постоянного тока применяется многоканальная многоэлектродная аппаратура. Ее особенностью является многократное использование в качестве питающих и измерительных одних и тех же электродов - каждый электрод может использоваться как приемный, так и как питающий. Таким образом, например, создается комбинированная система наблюдений ВЭЗ и ЭП, позволяющая проводить томографическую обработку информации. Для достижения максимальной производительности применяется специальная многоэлектродная аппаратура, объединенная многожильным кабелем (косой), когда один раз установив и подключив электроды можно провести весь комплекс профильных измерений. Для этого используют программируемую автоматическую коммутацию электродов. Следует отметить, что подобная методика, получившая название электротомографии, пока используется только при малоглубинных исследованиях. Аналогичные методики многократных наблюдений иногда используются при работах методом ЗС.