на самолете (вертолете) или помещенный в буксируемую гондолу. Измерительный диполь в процессе съемки не изменяет своего поло жения относительно питающего диполя, т. е. перемещается одно временно с ним вдоль профиля.
Существуют различные модификации аэроэлектроразведки мето дом дипольного профилирования. В одной из них источником пер вичного поля служит рамка (магнитный диполь), закрепляемая между центрипланом самолета и его стабилизатором (рис. 214, а).
Измерительный |
диполь помещается в гондоле, |
буксируемой |
на трос-кабеле за |
самолетом, несущим генераторную |
рамку; длина |
Рис. 214. Аэроэлсктроразведочные модификации дипольного индуктивного профилирования. Диполи: 1 — генераторные; 2 — измерительные.
трос-кабеля 150—170 м. В этом же самолете помещена генераторная и измерительная аппаратура.
Комплект аппаратуры, применяемый при работе описываемым способом, позволяет возбуждать и измерять магнитное поле одно временно на двух частотах. В качестве рабочих частот может быть выбрана любая пара из 488, 976, 1956, 3904 и 7808 Гц. В процессе полета фиксируются амплитуда и фаза вертикальной составляющей магнитного поля либо ее мнимая компонента. Для уменьшения влияния первичного поля генераторной рамки на величину сигнала, компенсируют ту его часть, которая связана с прямым полем гене раторной рамки. Таким образом, регистрируется та часть сигнала, которая связана с вторичным полем токов, текущих в земле.
Существенным недостатком описываемого способа аэроэлектро разведки является чувствительность измерительного устройства к взаимным относительным перемещениям самолета и буксируемой гондолы, ведущим к изменению уровня нормального поля и,
следовательно, к осложнению записи. Это обстоятельство снижает точность съемки, и таким образом, ограничивает глубинность метода.
От указанного выше недостатка в значительной мере освобождена другая модификация дипольного профилирования, называемая а э р о э л е к т р о р а з в е д к о й м е т о д о м в р а щ а ю щ е г о с я п о л я . Эта модификация отличается от описанной выше тем, что генераторные и приемные рамки установлены на двух само
летах, летящих |
друг за другом по профилю наблюдений |
(рис. 214, б). Для |
возбуждения поля применяются две соосные |
взаимно перпендикулярные рамки, имеющие равные магнитные моменты, т. е. одинаковые площадь и количество ампер-витков. Рамки питаются токами одинаковой силы и частоты, но взаимно сдвинутыми по фазе на 90°. Вследствие этого магнитное поле в любой точке, лежащей на общей оси рамок, является геометрической сум мой двух взаимно перпендикулярных, равных по амплитуде и сдви нутых на 90° по фазе векторов. Как известно, в этом случае резуль тирующий вектор поляризован по кругу, перпендикулярному к оси рамок (отсюда название — метод вращающегося поля).
Для измерения магнитного поля используют две взаимно пер пендикулярные одинаковые рамки, помещенные в гондоле, букси руемой на трос-кабеле за вторым самолетом. Электродвижущую силу, наведенную в одной из рамок, при помощи фазовращателя поворачивают по фазе на 90° и вычитают из электродвижущей силы, наведенной во второй рамке. Если измерительные рамки располо жить так, чтобы ось их пересечения совпала с осью пересечения генераторных рамок, то в воздухе, т. е. при отсутствии вторичного поля токов, текущих в земле, разность электродвижущих сил в изме рительных рамках будет равна нулю независимо от расстояния между генераторными и приемными рамками. Вторичные поля токов, наведенные в земле, создают в приемных рамках сигналы, разность которых уже не равна 90°. Вследствие этого на измерительное устрой ство поступает сигнал разбалансировки, который используется для характеристики геоэлектрического разреза. Основным преимуще ством метода вращающегося поля является возможность ослабления первичного поля в точке измерения за счет большого разноса между генератором и приемником, а также использования первичного поля с круговой поляризацией. Основной недостаток — сложная система
управления движением самолетов, необходимая для |
того, чтобы |
сохранялась соосность генераторных и приемных рамок. |
П р о ф и л и р о в а н и е с ж е с т к о с к р е п л е н н ы м и |
г е н е р а т о р н о й и и з м е р и т е л ь н ы м и |
р а м к а м и |
также применяется при аэроэлектроразведке. В этой модификации две измерительные рамки расположены в вертикальной плоскости, а генераторная рамка — горизонтально (рис. 214, в). Взаимное расположение рамок выбрано так, чтобы первичное поле генераторных рамок не наводило сигнала в приемной рамке. Система рамок жестко скреплена между собой и помещена в гондолу, буксируемую вертоле том на трос-кабеле на высоте около 30 м над поверхностью Земли.
Аэроэлектроразведка методом переходных процессов (АМГШ). Б этой модификации аэроэлектроразведки используется нестаци онарное импульсно-периодическое магнитное поле, возбуждаемое при помощи генераторного контура, жестко укрепленного на лета тельном аппарате. Это поле измеряют при помощи измерительной рамки, буксируемой на трос-кабеле на некотором отдалении от лета
|
тельного |
аппарата. |
преимуществом |
|
|
|
|
|
I Іесомненным |
|
|
|
|
|
этой |
модификации |
аэроэлектро |
|
|
|
|
|
разведки является то, что отпадает |
|
|
|
|
|
необходимость в компенсации пер |
|
|
|
|
|
вичного |
поля, поскольку измере |
|
|
|
|
|
ния |
ведутся |
в |
паузах |
между |
|
|
|
|
|
импульсами |
тока |
в генераторном |
|
|
|
|
|
контуре. |
Наряду |
с |
этим |
появ |
|
|
|
|
|
ляется необходимость компенсации |
|
|
|
|
|
сигнала |
в измерительной |
рамке, |
|
|
|
|
|
наводимого |
вихревыми |
токами |
|
|
|
|
|
в корпусе летательного аппарата, |
|
|
|
|
|
возникающими в моменты выклю |
Рис. 215. Вертолетный вариант метода |
|
чения тока в генераторном кон |
|
|
переходных процессов. |
|
туре. |
|
|
|
|
модификация |
і — генераторная |
рамка; |
2 — гондола |
|
Описываемая |
в |
|
с измерительной рамкой. |
|
электроразведки |
настоящее |
|
хорошо |
проводящих руд. |
|
время наиболее эффективна при поисках |
|
Аэроэлектроразведка методом переходных процессов широко |
|
применяется за рубежом (в Канаде) |
в с а м о л е т н о м |
в а р и |
|
а н т е . |
В Советском Союзе разработан |
в е р т о л е т н ы й в а |
|
р и а н т |
(рис. 215). Преимущество |
вертолета в |
качестве |
носителя |
аэроэлектроразведочной системы заключается в возможности выпол нения съемок в масштабе 1 : 10 000. Это позволяет надеяться на то, что по мере внедрения АМПП в геологическую практику площадные поисковые наземные съемки будут заменены более производитель ными аэроэлектроразведочными.
Г л а в а XIII
РАДИОВОЛНОВЫЕ МЕТОДЫ
§1. О Б Щ И Е П О Л О Ж Е Н И Я
Радиоволновые методы разведки основываются на изучении процессов распространения в горных породах электромагнитных волн, частоты которых изменяются в диапазоне ІО5—ІО7 Гц, что отвечает длинам волн в воздухе соответственно 3000—30 м.
Электромагнитное поле, как показано в гл. IX, в значительной мере определяется электрическими свойствами среды. Во все выра
жения, определяющие поле, |
входит волновое число, зависящее |
от параметров среды у, е и р. |
|
Амплитудные значения электрической и магнитной компонент поля плоской электромагнитной волны определяются выражениями
Е = £ 0е”ьг, |
Н = Н0е~Ьг, |
(ХНП) |
а электромагнитного диполя — выражениями |
|
Е =» Е0е~Ъг/г, |
Н = H 0e.~br/r, |
(ХІІІ.2) |
где Е0 и Н 0 — множители, характеризующие мощность источника; е~Ъг — множитель, определяющий убывание амплитуды компонент поля по мере распространения колебаний за счет поглощения энергии средой; Ъ — коэффициент, называемый коэффициентом поглощения, который согласно выражению (IX.3) определяется частотой поля, электропроводностью, магнитной проницаемостью и диэлектрической постоянной среды.
Поглощаемая средой энергия расходуется на возбуждение вто ричных (индуцированных) токов, плотность которых прямым образом зависит от проводимости пород. Поскольку же проводимость пород конечна, то вся поглощаемая энергия в конечном счете пере ходит в теплоту.
Таким образом, распространение электромагнитной энергии со провождается явлениями поглощения и индукции. Их интенсивность
возрастает как с увеличением частоты, так и с ростом проводимости среды. Последнее обстоятельство и определяет возможности исполь зования радиоволн для геологического картирования и поисков.
На наблюдении поглощения и связанного с ним ослабления поля основывается метод радиоволнового просвечивания, на наблюдении индукционных эффектов — метод радиокомпарации и пеленгации, или сокращенно — радиокип.
Отметим еще одно характерное обстоятельство. Скорость рас пространения электромагнитных колебаний ѵ также зависит от свойств среды. С увеличением проводимости и диэлектрической постоянной, как это следует из формул (IX.13) и (IX.14), скорость уменьшается, что иллюстрируется табл. 7 (по А. И. Заборовскому).
Таблица 7
V, нм/с
Среда (параметры даны в ед. СГСМ )
|
|
|
|
|
|
|
/ = 5 0 Гц |
/= 5 • 104 ГЦ |
/ = 5 - 1 0 ' Гц |
Вакуум (е=1, |
р = 1 , |
у = 0) |
|
|
3-105 |
3 |
ІО5 |
3-105 |
Сухой песок (е |
|
2, р = 1 , у = 1 0 -6) |
2060 |
65• |
400 |
211 300 |
Влажная |
глина |
(s = |
10, р = 1 , у |
= |
ІО8) |
212 |
6720 |
29 900 |
|
= |
|
|
Так как длина волны электромагнитных колебаний |
|
|
|
Я, = W// = с// /е ц |
|
/ і / 2 |
[ / 1 + (2у/е/)2 4-1], |
|
а длина волны в пустоте (воздухе)
Ко —сЦі
то длина волны в среде
Яс = К іѴ щ Ѵ і /2 [ l/l + (2у/е/7+Т ]. |
(XIII.3) |
Согласно формуле (X III.3) длина волны в среде всегда меньше длины волны в пустоте. В табл. 8 приведены значения Кс для различ ных величин К0 при разном удельном сопротивлении среды (по Д. С. Даеву).
|
|
|
|
Т а б л и ц а 8 |
|
|
хс,М |
р = 10 000 Ом -м |
Я»,м |
р — 500 Ом -м |
Р— 1000 Ом -м |
р = 5000 О м -м |
|
100 |
30,3 |
33,33 |
35,66 |
35,67 |
500 |
85,6 |
113,33 |
178,3 |
178,33 |
1000 |
125,0 |
170,0 |
303,0 |
356,7 |
Необходимость учета изменения длины волны электромагнитных колебаний при прохождении их через толщу исследуемых пород
вызывается тем, что на наблюдаемые эффекты оказывает влияние также и соотношение длин волн и геометрических размеров отдель ных геологических включений (рудных тел, линз и др.), чем обусло вливается возникновение дифракционных явлений.
В методе радиокип для исследования используют поля радио вещательных станций, удаленных на десятки и сотни километров от района работ, поэтому наблюдения проводятся при г > %0, в так называемой д а л ь н е й з о н е станции.
В методе радиоволнового просвечивания исследуется электро магнитное поле автономного передатчика и наблюдения проводятся на расстояниях г, соизмеримых с длиной волны (в породе), т. е. в так называемой п р о м е ж у т о ч н о й з о н е .
§ 2. МЕТОД РАДИОВОЛНОВОГО ПРОСВЕЧИВАНИЯ
Сущность метода радиоволнового просвечивания поясним следующими примерами.
При проводке разведочных и эксплуатационных горных вырабо ток, а также при бурении разведочных скважин часть рудных тел и иных объектов поисков оказывается в пространстве между горными выработками и скважинами и таким образом остается необнаружен-
Рис, 2U». Методы радиоволнового просвечивания.
Просвечивание: а — из штольни на дневную поверхность, б — между штольнями, в — между скважинами.
ной. Используя различие коэффициентов поглощения вмещающих пород и искомых объектов, можно «просветить» электромагнитными волнами исследуемое пространство и по степени поглощения энергии передатчика установить наличие или отсутствие рудных тел или иных геологических образований в толще окружающих отложений.
Пусть между дневной поверхностью и штольней среди плохо проводящих пород находится рудное тело высокой проводимости, наличие и положение которого надо определить (рис. 216, а). С этой целью в штольне в точке Г t помещают передатчик, а на дневной поверхности изучают поле этого передатчика. Вследствие поглоще ния электромагнитных волн рудным телом на дневной поверхности образуется зона, в пределах которой прием будет либо совершенно отсутствовать, либо в значительной мере окажется ослабленным (зона электромагнитной тени). Границы этой зоны отмечены на
рис. 210, а буквами JIY и Л 2. Если переместить затем генератор в новое положение Г 2, границы тени на дневной поверхности изме
нятся и определятся в этом случае лучами Л 3 и J ,.B |
положении |
генератора Г 3 тень ограничится лучами Л ъ и Лв и т. |
д. Нетрудно |
заметить, что по положению лучей, ограничивающих конус Тени, можно приблизительно определить положение рудного тела.
На рис. 216, б изображен случай, когда просвечивание произ водится из одной штольни в другую. На рис. 216, в для этой цели использованы две буровые скважины. Возможен также вариант просвечивания из буровой скважины на дневную поверхность.
Аппаратура для метода просвечивания состоит из передатчика с рамочной антенной и измерителем мощности излучаемой энергии (например, измерителем тока в генераторной рамке) и приемника, также снабженного измерителем сигнала.
Модификацию радиоволнового просвечивания между горными выработками или между выработкой и поверхностью Земли называют ш а х т н ы м р а д и о п р о с в е ч и в а н и е м , а просвечивание между скважинами или между скважиной и дневной поверхностью — с к в а ж и н н ы м р а д и о п р о с в е ч и в а н и е м .
Аппаратура. Аппаратура, применяемая для радиоволнового про свечивания, характеризуется повышенной стабилизацией частоты генератора и коэффициента усиления приемника; желательно при менение замкнутых антенн, так как параметры открытых (штыревых) антенн сильно зависят от расстояния между антенной и стенками выработки (т. е. емкости антенна — Земля). Аппаратура должна обладать повышенной влагостойкостью. Скважинная аппаратура, по мимо того, должна быть герметизирована и удовлетворять специфике наблюдений в скважине (дистанционное управление, автономное питание).
Серьезные затруднения создает волноводный эффект — вынос энергии по объему горной выработки или стволу скважины. В ре зультате резко ослабевает поле в просвечиваемых породах, умень шается глубинность исследований и интенсивность аномальных эффектов, а выносимая энергия, усиливая поле вблизи приемника и интерферируя с проходящими колебаниями, искажает результаты наблюдений. На рис. 217 видно, что отсос энергии боковыми выра ботками сказался на графике напряженности поля вдоль главной штольни образованием ступенчатых спадов.
В шахтном просвечивании эта помеха преодолевается введением поправки, а при большом пути обходной волны с ее влиянием можно практически не считаться. В скважинном варианте просвечивания вынос энергии сводят до минимума применением специальных загра ждающих фильтров, своеобразных электромагнитных пробок.
Другой существенной помехой при просвечивании в подземных выработках является вынос энергии по искусственным проводни кам — троллеям, трубопроводам, рельсам, из которых наибольшее влияние оказывают незаземленные проводники. Способы преодоле ния этой помехи рассматриваются ниже.
Для шахтного радиопросвечивания выпускается комплект аппа ратуры АРІП-1 (рис. 218), состоящий из передатчика I с антенной 3 и приемника I I с антенной 6.
€,иВ
Рис. 217. Влияние волноводного эффекта боковых выра боток.
Передатчик состоит из задающего генератора 1 с кварцевой ста билизацией и усилителя мощности 2. Питание передатчика осуще ствляется от аккумуляторной батареи 5 через транзисторный
Рис. 218. Блок-схема аппаратуры АРШ-1.
преобразователь 4. Выход передатчика рассчитан для работы со штыревой или рамочной экранированной антеннами.
Приемник собран по супергетеродинной схеме с однократным преобразователем частоты и состоит из смесителя 7, аттенюатора 8, гетеродина 9, трех каскадов усиления по промежуточной частоте 10—
12, детектора 13, усилителя постоянного тока 14, стрелочного инди катора 15, усилителя звуковой частоты 16 и головного телефона 17 для слухового контроля работы приемника. Калибровка и контроль чувствительности обеспечиваются калибратором 18.
Питание осуществляется от сухой батареи 19, расположенной
вкорпусе приемника.
Вкачестве приемных антенн используют одну штыревую и че тыре съемные рамочные антенны, настроенные на одну из рабочих частот. В комплект аппаратуры АРШ-1 входит также зарядное устройство — выпрямитель ВСА-10.
Аппаратура АРШ-1 имеет также устройство для согласования параметров приемной антенны с параметрами входа приемника. Благодаря этому можно проводить просвечивание между выработкой
искважинами подземного бурения. Для этого приемную антенну вводят в скважину при помощи специальной штанги-удлинителя.
При отсутствии серийной аппаратуры для шахтного просвечи вания в качестве передатчика можно использовать любой широко диапазонный генератор, удовлетворяющий указанным выше требова ниям и работающий на фиксированных, стабилизированных часто тах. Для измерений в этом случае применяют стандартный, выпускаемый радиопромышленностью измеритель помех ИП-12М. Он представляет собой супергетеродинный приемник с микровольт метром на выходе. Диапазон измеряемых частот 0,15—20 МГц, пределы измерения 1—105мкВ. Питание осуществляется от сухих батарей. Измеритель помех выпускается с открытой антенной, по этому необходимо переделывать вход прибора для работы с магнитной антенной (экранированной рамкой или соленоидом с ферритовым сердечником).
Для скважинного радиопросвечивания разработана серия аппа ратуры СРП. В настоящее время выпускается модель СРП-7. В отли чие от предыдущих моделей, аппаратура СРП-7 имеет наименьший диаметр и обладает повышенной теплостойкостью, что позволяет применять ее в скважинах диаметром до 46 мм и глубиной до 2000 м.
Передатчик работает на фиксированных частотах от 0,15 до 40 МГц; чувствительность приемника не хуже 0,5 мкВ на всю шкалу. Питание осуществляется от аккумуляторов. Аппаратура может быть вмонтирована в комплект типовых каротажных станций; она может использоваться также в переносном варианте с ручными лебедками.
Методика шахтного радиопросвечивания. Работы начинаются с опытных наблюдений, проводимых с целью определения коэффи циента поглощения для вмещающих пород, дальности действия аппаратуры в данных геологических условиях, характера и степени влияния на электромагнитное поле известных рудных тел (или дру гих объектов исследований), а также для выбора оптимального диапазона частот и шага наблюдений. Необходимо также установить возможность появления ложных аномалий от каких-либо геологи ческих образований, также хорошо проводящих, но не являющихся
объектом поисков. В этом случае стремятся найти способы класси фикации аномалий в первую очередь посредством рационального выбора частот. Однако следует отметить, что задача определения природы аномалий и разделения их на «рудные» и «нерудные» является очень трудной и далеко не всегда разрешимой.
Для определения коэффициента поглощения Ъ измеряют напря женность поля Е на участке, где по имеющимся геологическим данным вмещающие породы наиболее однородны и не содержат объектов поисков. Измерения проводят при двух расстояниях между генера тором и приемником.
При радиоволновом просвечивании антенну передатчика рас сматривают как электромагнитный диполь, поэтому при первом наблюдении в соответствии с формулой (X III.2)
Е1 = Е0е~ь^/г1,
а при втором наблюдении —
Е2 = Е0е~ЪГг/г2.
Поделив одно выражение на другое, прологарифмировав их отношение и умножив на 2,3, получим значение
lgJ^l
b = 2,3 |
— |
(XIII. 4) |
|
г2 — гх |
ѵ |
' |
выраженное в Нп/м.
Для устранения случайных погрешностей и определения погло щающих свойств всех пород, встречающихся в районе работ, изме рения повторяют многократно, на разных участках и с разными расстояниями г.
Дальность действия аппаратуры для полученных значений определяют при помощи диаграммы, изображенной на рис. 219.
На диаграмме вычерчено семейство |
кривых Е = ф (г), выража |
емых формулой (X III.2), при различных значениях коэффициента Ъ |
для двух величин мощности W передатчика — 15 и 1 Вт. Взяв не |
который минимальный уровень |
напряженности поля (на |
рис. 219 — 1 мкВ) и проведя горизонтальную прямую на этом уровне, по абсциссе точки пересечения этой прямой с кривой для данного значения b определим искомую дальность. Сравнивая величины г для W — 15 Вт и 1 Вт, можно оценить влияние изменения мощности передатчика на дальность действия аппаратуры (при заданном значе нии Ъ). Как видно, относительные изменения дальности действия аппаратуры Аг/г не превышают 10%.
При просвечивании известных проводящих объектов устанавли вают не только оптимальную частоту и шаг наблюдений, но и вли яние выноса энергии по искусственным проводникам. Экраниру ющее действие оказывают искусственные проводники и на антенну приемника. Наибольшее влияние оказывают незаземленные кабели, троллеи, меньшее — трубопроводы; хорошо заземленные рельсы
