Материалы X-го международного геофизического научно-практического семинара

ОСНОВЫ МЕТОДА ВП-ЧХ: РЕАЛИЗАЦИЯ, АППАРАТУРА, ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

Илюхин В.С., Белевская Е.С., Лисицкая Ю.А.

ФГУ НПП «Геологоразведка», Санкт-Петербург, vil_geo@mail.ru

Аннотация

Рассматриваются приближения в решениях уравнений электродинамики для задач электроразведки. Устраняется несоответствие между приближениями решений уравнений в переменных полях и в инфранизкочастотной области (ВП) посредством применения преобразования Фурье к уравнениям Максвелла. Данное преобразование является теоретической основой метода ВП-ЧХ (вызванная поляризация – частотные характеристики). Приводится краткое описание существующей аппаратурной реализации метода. На примере постановки метода с целью поиска полиметаллических месторождений на Рудном Алтае показываются его преимущества и высокая геологическая эффективность.

Summary

Consider approximations to solutions of the equations of electrodynamics for electrical problems. Remove the inconsistency between the approximate solutions of the harmonic electromagnetic fields and in the field of infra (IP) through the use of the Fourier transformations to the Maxwell equations. This transformation is the theoretical basis of the method of IP-FR (induced polarization - frequency response). A brief description of the current implementation of the method of the equipment. On the example of the method of production in order to search for property of polymetallic in Rudny Altai showing its advantages and high geological efficiency.

Введение

Вэлектроразведке сложилась парадоксальная ситуация: в подавляющем числе методов и методик электроразведки переменным током не учитывается диэлектрическая проницаемость среды, тогда как в методе вызванной поляризации (ВП) измеряются переходные процессы, длительностью до единиц секунд. С точки зрения проводимости, геологическую среду можно называть или плохим проводником, или плохим диэлектриком – что эквивалентно

Вэлектроразведке сложилась парадоксальная ситуация: в подавляющем числе методов и методик электроразведки переменным током не учитывается диэлектрическая проницаемость среды, тогда как в методе вызванной поляризации (ВП) измеряются переходные процессы, длительностью до единиц секунд. С точки зрения проводимости, геологическую среду можно называть или плохим проводником, или плохим диэлектриком – что эквивалентно.

Основополагающими работами в становлении электроразведки переменным током являются теоретические исследования В.А. Фока. [1], в которых последовательно используются два приближения: предполагается независимость диэлектрической проницаемости проводящего полупространства от частоты (частотная дисперсия), и, в целях упрощения расчетов, осуществляется переход к квазистационарному случаю, в котором пренебрегают величиной постоянной диэлектрической проницаемости. Эти приближения, вплоть до настоящего времени, используются во всех учебниках, и теоретических работах по электроразведке.

С другой стороны, процессы вызванной поляризации сами по себе отражают факт существования больших значений диэлектрической проницаемости геологической среды. И если эти значения так сильно влияют на процессы становления электрического поля в инфранизкочастотной области, то они тем более оказывают решающее влияние на формирование поля в области более высоких частот.

А.П. Краев [4], В.А Комаров [2] разработали упрощенную теорию метода ВП, которая оказала неоценимое влияние на результаты практических полевых работ. Но исследователи не придавали значения и не обращали внимания на очевидное противоречие двух постановок задач.

В.А. Комаров [2] формально сформулировал функциональную связь между анализом процессов во временной и частотной областях, но не придал этому глубокого физического смысла, и не вывел из этого необходимости учета больших значений диэлектрической проницаемости в теории электроразведки переменным полем. В работе [3] вводится зависимость диэлектрической проницаемости от частоты. Но круг решенных задач крайне узок, и использование результатов в практической области вызывает определенные трудности.

В смежных областях, например, в методе радиолокационной съемки льдов Арктики и

71

Материалы X-го международного геофизического научно-практического семинара

Антарктики, нормальным образом используется высокие значения относительной диэлектрической проницаемости, равные 1000 и более.

Для решения уравнений электродинамики в линейном приближении, уравнения материальных связей в общем случае записываются в виде [5]:

j(t) = γE(t);

D(t) = ∞ò ε (t − τ )E(τ )dτ ;

− ∞

B(t) = μ H(t).

Традиционно, уравнения Максвелла решаются посредством перехода из временной области в частотную в предположении наличия гармонического сигнала одной частоты. В такой постановке невозможно решить задачу для источника, в котором возбуждается сигнал со сложным спектром. В таком общем случае, к левым и правым частям уравнений электродинамики необходимо применить преобразование Фурье во временной области, и использовать теоремы о свертке, и о спектре производной. Тогда уравнения Максвелла в частотной области приобретут вид:

Ñ´ H( f ) = γE( f ) + i2π fε ( f )E( f );

Ñ´ E( f ) = - i2π fμ H( f );

Такое преобразование заложено в основу метода ВП-ЧХ. В этих уравнениях:

E, D, j – векторы напряженности, индукции электрического поля, и плотности тока; H, B - векторы напряженности и индукции магнитного поля;

γ, μ, ε - проводимость, магнитная и диэлектрическая проницаемости; t , τ - время;

f, i – циклическая частота, мнимая единица.

Импульсная характеристика системы есть ее отклик на выходе, при действии на входе δ- функции; переходная – отклик на ступенчатую (σ) функцию. Импульсная характеристика удобна в расчетах, переходная – в реальных измерениях. Одна функция легко пересчитывается в другую.

Спектр импульсной характеристики называют частотной характеристикой системы. Она может быть легко измерена, если на входе системы последовательно возбуждать заданные гармонические сигналы на различных частотах, и синхронно измерять эти сигналы на выходе системы. По измеренной частотной характеристике (ЧХ) легко могут быть рассчитаны импульсная и переходная характеристики системы (ВП).

Основными недостатками прямого измерения переходной характеристики в методе ВП являются низкая помехоустойчивость и ограниченный динамический диапазон системы питающая - приёмная линии. Эти проблемы легко разрешимы, если измерения производить в частотной области.

В методе ВП-ЧХ генератор возбуждает в питающей линии свип-сигнал, сигнал, в котором, в заданной последовательности генерируются колебания на заданных частотах. Конкретные значения ряда частот, и длительность генерации каждой из них, выбираются непосредственно в поле, в зависимости от решаемых задач, выбранной установки электроразведки, и спектра и уровня помех. Для синхронизации измерений, в начале каждого свип-сигнала генерируется сигнал Баркера.

Измеритель записывает в памяти два периода следования свип-сигнала. Другой измеритель, с аналогичными параметрами систематически измеряет, и сохраняет в памяти сигналы тока в питающей линии в процессе съемки. Измерители синхронизированы во времени с точностью до минуты. В полевом измерителе сохраняются координаты, время и основные параметры измеряемого сигнала, и заданной установки электроразведки. По окончании работы, результаты дневной съемки переписываются в компьютер, где производится окончательная полуавтоматическая обработка измерений.

Как показала длительная практика применения метода, в условиях сильных помех сложно создать последовательный автоматический алгоритм обработки результатов наблюдений, в нормальных условиях отсутствия помех, такие алгоритмы легко реализуются.

В результате обработки вычисляются: кажущееся (эффективное) удельное сопротивление,

72

Материалы X-го международного геофизического научно-практического семинара

эффективная диэлектрическая проницаемость, зависимость эффективного импеданса от частоты, частотная дисперсия эффективной диэлектрической проницаемости. Начиная с частоты 70 Гц и выше, метод ВП-ЧЗ может быть реализован в модификации бесконтактных измерений.

На данный момент времени выполнены все необходимые теоретические исследования для расчетов поля вертикального и горизонтального электрических диполей, расположенных в промежуточном слое, и на поверхности горизонтально-слоистой среды с учетом параметра диэлектрической проницаемости. Программная реализация расчетов в соответствии с полученными выражениями пока не начата, что ограничивает постановку метода применительно к осевым установкам электроразведки во внешнем градиенте, в которых индукционное влияние питающей линии минимально.

В модификации установки точечных зондирований (ТЗ) метод широко применялся при поисках золота в Магаданской области, на Чукотке и Камчатке. На Рудном Алтае метод ставился авторами в комплексе с гравиразведкой и магниторазведкой с целью поиска полиметаллических руд.

По результатам съемок гравитационного и магнитного полей отбраковывались участки, в пределах которых, месторождения полиметаллов в принципе не могли быть локализованы. На оставшихся интервалах, места заложения скважин задавались на основании интерпретации результатов съемки методом ВП-ЧХ в модификации точечных зондирований.

Для данного района характерен высокий уровень электромагнитных помех, рабочие профили проходили вблизи поселков, линий электропередач и телевизионных вышек. Прямое измерение переходных характеристик в соответствии с традиционной методикой измерений вызванной поляризации не дало никаких результатов: сигнал ВП пропадал на расстоянии 100 – 200 м от заземления. При всех тех же условиях, в модификации ВП-ЧЗ, сигнал измерялся на расстоянии 2000 м от заземления.

Вначале, работы ставились на производственном участке. Единственная скважина, заданная по результатам интерпретации данных метода ВП-ЧЗ вскрыла оруденение.

Результаты работ методом ВП-ЧХ (установка ТХ) при поисках полиметаллов. Рудный Алтай

В дальнейшем работы ставились на известных месторождениях в различных рудных районах Рудного Алтая, и в каждом случае, метод ВП-ЧХ показал прекрасные результаты. Как пример, на рисунке приведены результаты работ на Лазурском месторождении Змеиногорского рудного района.

73

Материалы X-го международного геофизического научно-практического семинара

В обоих случаях, на производственном участке и месторождении, в геофизических разрезах электрических параметров, рудные объекты отражаются в виде локализованных областей совпадения повышенных значений эффективной диэлектрической проницаемости и проводимости.

Заключение

1.Теоретической основой метода ВП-ЧХ являются уравнения электродинамики, трансформированные в частотную область посредством преобразования Фурье.

2.Высокая помехоустойчивость метода обусловлена тем, что в отличие от традиционного измерения переходных характеристик, в системе питающая – приемная линии измеряются сигналы последовательно задаваемых мощных, независимых гармоник.

3.Существующая аппаратная реализация позволят измерять сигналы в условиях помех на расстояниях до 2 км от точечного источника поля.

4.Высокая геологическая эффективность постановки метода связана с возможностью интерпретации результатов непосредственно в частотной области, в которой можно в первом приближении применять простые приемы интерпретации, разработанные для методов электроразведки постоянным током.

Список литературы

1.Бурсиан В.Р. Теория электромагнитных полей, применяемых в электроразведке. 2-е изд., исправ. и доп. Л., “Недра”, 1972.

2.Комаров В.А. Электроразведка методом вызванной поляризации. 2-е изд., перераб. и доп. Л., “Недра”, 1980.

3.Кормильцев В.В., Мезенцев А.Н.. Электроразведка в поляризующихся средах. Свердловск, 1989.

4.Краев А.П. Основы геоэлектрики. Л., М., “Гостехиздат”, 1951.

5.Ландау Л.Д, Лифшиц Е.М. Электродинамика сплошных сред. Теоретическая физика т. VIII, 2-е изд. перераб. и доп. М., «Наука» 1982.

74