книги из ГПНТБ / Якубовский, Ю. В. Электроразведка учебник

Глава XI

ЧАСТОТНОЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ЗОНДИРОВАНИЕ

ИЗОНДИРОВАНИЕ СТАНОВЛЕНИЕМ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ

Частотное электромагнитное зондирование (43) представляет собой метод электроразведки переменным гармонически меняющимся полем, предназначенный для изучения геоэлектрических разрезов с горизонтальными либо пологими поверхностями разреза. Источни­ ком переменного электромагнитного поля в данном случае служит гармонически меняющийся электрический диполь — совокупность двух точечных заземлений А жВ, питаемых переменным током через прямолинейный отрезок кабеля, соединяющий эти электроды. Поле изучают в точке, находящейся от источника на постоянном рас­ стоянии, значительно большем, чем разнос AB. В процессе зонди­ рования исследуют зависимость электрической и магнитной компо­ нент поля диполя от частоты.

Как указывалось выше, глубина проникновения электромагнит­ ного поля в Землю определяется его частотой и растет с уменьшением частоты. Вследствие этого поле диполя, момент которого меняется с большой частотой, зависит от строения только верхней части геоэлектрического разреза. По мере снижения частоты глубина про­ никновения растет и на характер поля, наблюдаемого на поверх­ ности Земли, оказывают влияние более глубокие горизонты разреза. Таким образом, снижение частоты приводит к тому же эффекту, что и увеличение расстояния между источником поля и точкой измерения при зондировании на постоянном токе. Кривые зависимости элемен­ тов поля электрического диполя от частоты характеризуют изменение

громоздких теоретических выкладках, которые здесь не приводятся.

301

Схематически зависимость компонент поля от параметров среды и частоты поля может быть изображена в следующем виде:

и точкой измерения поля; Ех0 и В20 — электрическое и магнитное поля диполя, момент которого изменяется с очень низкой частотой, а сам диполь находится на поверхности однородной среды, сопроти­ вление которой равно сопротивлению pL

верхнего слоя:

Если B z и Ех измеряются на поверхности неоднородной среды,

Поскольку Вг и Ех меняются гармонически, кажущееся сопро­ тивление, измеренное в поле переменного электрического диполя, характеризуется амплитудой и фазой, т. е.

Рш = I Pro I COS (соt -f- фа).

При полевых измерениях и соответственно при расчете теорети­ ческих кривых может определяться либо амплитуда, либо фаза этого параметра.

Формулы для расчета рш при наличии горизонтально-слоистых разрезов можно получить, если в выражения (XI.3) подставить значения Вг и Ех, определяемые зависимостями (XI. 1).

302

зоваться электронно-вычислительными машинами. Лишь для некоторых простых разрезов, в частности для разрезов с подстила­ ющим слоем бесконечно высокого сопротивления, разработаны упрощенные способы расчета палеток.

На рис. 188 в качестве примера изображена кривая р ш, рассчи­ танная для двухслойного разреза с подстилающим горизонтом бес­ конечно высокого сопротивления. По оси абсцисс отложена длина волны в первом слое, отнесенная к мощности этого слоя, а по оси ординат — кажущееся удельное сопротивление, выраженное в долях сопротивления первого слоя.

§ 2. А П П А Р А Т У Р А И М Е Т О Д И К А П О Л Е В Ы Х Р А Б О Т

Комплект аппаратуры для частотного зондирования должен обеспечить питание электрического диполя переменным синусо­ идально меняющимся током и измерение амплитуды и фазы магнит­ ной и электрической составляющих поля диполя в точке, отстоящей от него на постоянном расстоянии. Обычно частотное зондирование применяют для изучения рельефа опорных горизонтов, залегающих на глубине от нескольких сотен метров до нескольких километров и перекрытых мощной толщей неоднородных по сопротивлению пород. Диапазон частот, необходимый для изучения таких разрезов, снизу ограничен сотыми долями герца, а сверху — первыми сот­ нями герц. Расстояние между питающим диполем и точками измере­ ния равно 10—20 км. При таких больших расстояниях для обеспечения достаточно высокого уровня сигнала в точке измерения сила тока в питающем диполе должна достигать 100—150 А.

Комплект аппаратуры для частотного зондирования состоит из двух основных узлов — генераторной группы и измерительной установки. Оба узла смонтированы на отдельных автомашинах повышенной проходимости.

Источником тока в генераторной группе служат два машинных

при этом не должно превышать 6 Ом.

Постоянное напряжение, развиваемое генераторами, коммути­ руется в импульсно-периодическое при помощи мощного тиратронного переключателя. Каждый последующий импульс имеет полярность, обратную по отношению к предыдущему. Таким образом, амплитуда импульсно-периодического тока, посылаемого в землю, удваивается по сравнению с амплитудой тока, снимаемого с гене­ раторов.

Тиратронный ключ управляется задающим генератором, работа­ ющим на 24 фиксированных частотах в диапазоне от 0,04

до 250 Гц.

В качестве датчика магнитного поля в точке измерения исполь­ зуют квадратную рамку со сторонами 1 0 0 — 2 0 0 м, состоящую из 15—20 витков, которую раскладывают на земле.

303

При эхом для экваториальной установки угол, составленный ради­ усом-вектором, проведенным из центра питающего диполя в точку измерения, должен быть не менее 70°. В этом случае установка практически может считаться экваториальной.

Измеряют либо компоненту электрического поля, параллельную оси питающего диполя Ех, либо вертикальную компоненту магнит­ ного поля Вг. Измерять Ех технически легче, чем Bz, особенно на нижних частотах рабочего диапазона. В связи с этим при отсутствии в изучаемом разрезе плохо проводящих пород, залегающих выше опорного горизонта (экранирующие пласты), ограничиваются изме­ рениями Ех. При наличии в разрезе плохо проводящих экранов желательно измерение Вг, так как плохо проводящий пласт не пре­ пятствует проникновению магнитного поля. Иногда измеряют обе компоненты поля. На каждой частоте на осциллограмме записывают измеряемое поле (э. д. с. в датчике) и градуировочную разность потенциалов в милливольтах. Это дает возможность оценить измеря­ емое поле также в милливольтах.

По результатам измерений определяют кажущееся сопротивление

\Ра\ = К\Ш\/1,

Фоп — фаза опорного сигнала; К — коэффициент установки, рассчи­ тываемый по следующим формулам:

где п — число витков в петле; а — площадь петли в м2; AU — напря­ жение в датчике в мкВ; / — сила тока в А.

По данным полевых наблюдений строят графики кажущегося сопротивления. При построении этих графиков по оси ординат

откладывают | ра | или фш, по оси абсцисс — Т.

Графики кажущегося сопротивления являются основным мате­ риалом, по которому интерпретируют результаты полевых наблю­ дений. Так же как и при зондированиях на постоянном токе, интер­ претация часто может носить качественный характер и основываться на использовании таких особенностей кривых 43, как их тип, поло­ жение асимптот, глубина минимумов и др. Разработаны приемы количественной интерпретации, основанные на сравнении наблюден­ ных в поле и теоретических кривых.

Частотные зондирования имеют ряд преимуществ перед зондиро­ ваниями в постоянном поле. Наиболее существенным из этих преиму­ ществ является уже отмеченная выше возможность изучения геоэлектрических разрезов, в состав которых входят экранирующие

пласты. Другое преимущество 4 3 — возможность получения допол­ нительной информации о геоэлектрическом разрезе на основании фазовых кривых.

§ 3. М Е Т О Д З О Н Д И Р О В А Н И Я С Т А Н О В Л Е Н И Е М Э Л Е К Т Р О М А Г Н И Т Н О Г О П О Л Я

Отличительной особенностью метода зондирования становлением электромагнитного поля (ЗСП) является то, что он основан на изучении нестационарного электромагнитного поля, возбуждаемого электрическим диполем.

Предположим, что на поверхности земли расположен постоянный электрический диполь, состоящий из двух питающих электродов А я В и прямолинейного кабеля, через который эти электроды пи­ таются постоянным током.

Проводящие горные породы, слагающие геоэлектрический разрез, оказываются в постоянном магнитном поле токов, текущих в кабеле и в земле. Если в некоторый момент времени выключить ток в цепи электродов А я В, то первичное магнитное поле ступенчато изменится от некоторого конечного значения до нуля. Вследствие этого изме­ нения в проводящих горных породах будут индуцироваться вторич­ ные токи, распределение которых таково, что они в первый момент будут стремиться сохранить неизменным первичное поле внутри проводящих областей разреза. В последующие моменты времени вторичные токи перераспределяются в пространстве и затухают вследствие тепловых потерь.

Переходный процесс в электромагнитном поле электрического диполя изучают при помощи измерительных электрического и маг­ нитного диполей, расположенных от питающего на расстояниях, значительно больших длины питающего диполя.

Поскольку в начальные моменты времени после выключения тока в питающем диполе вторичные токи распределяются в при­ поверхностной части разреза и лишь в процессе развития переход­ ного процесса проникают в глубь его, характер зависимости элек­ трического и магнитного полей от времени на ранних стадиях раз­ вития переходного процесса определяется строением верхних горизонтов геоэлектрического разреза, а на поздних стадиях — строением глубинной части разреза. Таким образом, изучение зави­ симости нестационарного поля от времени позволяет составить представление об изменении геоэлектрического разреза в вертикаль­ ном направлении. Здесь мы наблюдаем аналогию ЗСП с частотным зондированием, причем изучение частотных зависимостей (частотных характеристик) в поле гармонически меняющегося диполя при 43 зам 'няется изучением временных зависимостей (переходных харак­ теристик) в поле ступенчато изменяющегося электрического диполя. Эта аналогия, физически объясненная выше, имеет математическую основу. Известно, что переходная и частотная характеристики ли­ нейных электрических систем однозначно связаны между собой.

306

Разрабо'Ганы методы пересчета частотных характеристик в переход­ ные и наоборот. Соответственно, принципиально возможен пересчет кривой частотного зондирования в кривую зондирования становле­ нием поля. Все сказанное свидетельствует о том, что методы 43 и ЗСГІ обладают близкими возможностями и должны применяться для решения сходных геологических задач. Вместе с тем метод ЗСП отличается некоторыми техническими особенностями, облегчающими выполнение полевых исследований.

При зондировании становлением поля электромагнитное поле питающего диполя исследуют после того, как в этом диполе выключен ток. Таким образом, аномальные эффекты от токов, текущих в земле, измеряют при отсутствии первичного поля. Это весьма облегчает процесс зондирования, поскольку снижаются требования к точности измерительной аппаратуры.

Существенным преимуществом метода ЗСП является то, что полевые работы этим методом могут выполняться серийной аппара­ турой, применяемой для зондирований на постоянном токе, после введения в нее небольших изменений.

Комплект аппаратуры для работы методом ЗСП должен обеспе­ чить возможность возбуждения первичного постоянного поля, сту­ пенчатое изменение его в различные моменты времени, а также реги­ страцию переходного процесса в течение нескольких десятков се­ кунд, следующих за переключением тока в питающем устройстве.

Аппаратура состоит из двух основных узлов — генераторной группы и полевой лаборатории. В качестве генераторной группы используется соответствующая часть электроразведочной станции ЭРС-23 либо ЭРСУ-60 (универсальная электроразведочная станция, выпущенная в 1960 году).

Диполь, служащий источником первичного поля, изготовляют из провода ГПСМ. Для уменьшения сопротивления заземления А и В выполняют из большого числа (50—100 штук) штыревых электро­ дов длиной около 1 м. Суммарное сопротивление обоих заземлений не должно превышать 8 —10 Ом.

В качестве датчиков электрического и магнитного полей примёняют электрический диполь и индукционную рамку. Устройство и параметры этих датчиков практически не отличаются от описанных выше для частотного зондирования.

Сигнал, получаемый на выходе датчиков, поступает на усили­ тели постоянного напряжения и затем на шлейфовый осциллограф ЭПО- 6 или ЭПО-7, где записывается при скорости протяжки фото­ бумаги 0,5—1,5 см/с.

При измерении электрической составляющей поля сигнал в при­ емной линии обычно бывает настолько интенсивным, что при­ менение усилителя оказывается необязательным.

Для нанесения на осциллограмму марок времени, синхронизи­ рованных с моментом прерывания тока в питающем диполе, исполь­ зуют радиоканал. На генераторной группе и в полевой лаборатории установлены приемо-передающие радиостанции РПМС с радиусом

действия, равным нескольким десяткам километров. Эти радио­ станции обеспечивают дистанционное управление каналом марки­ ровки времени в лаборатории и двухстороннюю радиосвязь между операторами в генераторной группе и в лаборатории. Аппаратура смонтирована в автомашине повышенной проходимости и выпу­ скается промышленностью под маркой ЭУЛ-60 (электроразведочная универсальная лаборатория).

Всвязи с тем, что нестационарное электрическое и магнитное поля обладают непрерывным спектром, измерительные каналы дол­ жны обладать широкой полосой пропускания для того, чтобы заре­ гистрировать неискаженный сигнал. Это обстоятельство обусловли­ вает слабую помехозащищенность аппаратуры для регистрации нестационарных полей. Выделение полезного сигнала на фоне помех должно проводиться в процессе обработки полевых материалов путем применения статистических приемов. Эта трудоемкая вычис­ лительная операция наиболее эффективно может быть выполнена при помощи ЭВМ. Последнее обстоятельство обусловливает целесо­ образность применения в качестве аппаратуры, регистрирующей нестационарные электромагнитные поля, цифровой электроразведочной станции (ЦЭС) в сочетании с устройством ввода полевой инфор­ мации в ЭВМ общего типа. Применение ЦЭС позволяет существенно повысить эффективность полевых работ методом ЗСП.

Зондирование становлением поля выполняется при неизменном расстоянии между питающим и измерительными диполями. Это рас­ стояние зависит от требуемой глубины исследования.

Взависимости от расстояния между источником и точкой измере­ ния различают зондирование становлением поля в дальней и бли­ жайшей зонах.

При зондировании в дальней зоне разнос установки должен в несколько раз превышать глубину залегания опорного горизонта. При зондировании в ближней зоне разнос близок к глубине залегания опорного горизонта.

Размер питающего диполя не должен превышать половины раз­ носа (чтобы практически сохранилась диполыюсть установки). Так же как и при частотном зондировании, наиболее употре­

поля В г.

Если в надопорной толще пород нет высокоомных экранирующих горизонтов, можно ограничиться измерением Ех. При наличии экра­ нов необходимо измерять Вг. Электрическая компонента поля в боль­ шей степени зависит от рельефа экранирующих пород.

Программа записи осциллограммы при зондировании становле­ нием поля включает в себя 15—20 рабочих и последующих разно­ полярных градуировочных импульсов, необходимых для определения цены 1 мм записи в милливольтах. Длительность импульсов берут достаточной для того, чтобы переходные процессы к концу каждого

308

Образец осциллограммы, записанной по указанной выше про­ грамме, приведен на рис. 190.

а

5

Рис. 190. Типичные осциллограммы, полученные при работе методом ЗСП.

Становление поля: а — магнитного, б — электрического.

Обработка осциллограммы заключается в определении разности потенциалов на выходе датчиков поля для различных моментов времени ЛU (t). Величина AU (t) для этих моментов получается как произведение отклонения блика соответствующего канала осцил­ лографа в миллиметрах на цену 1 мм в микровольтах, определенную по градуировочным импульсам.

309