Материалы X-го международного геофизического научно-практического семинара

ВРЕМЕННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ВЫЗВАННОЙ ПОЛЯРИЗАЦИИ ОБРАЗЦОВ КЕРНА КИМБЕРЛИТОВЫХ БРЕКЧИЙ И ВМЕЩАЮЩИХ ПОРОД

Тарасов В.А

ООО НПК «Элгео», Санкт-Петербург, Россия, mail@elgeo.ru

Аннотация

Представлены результаты лабораторных измерений вызванной электрической поляризации (ВП) широком временном диапазоне: от сотен микросекунд до десятков секунд, на образцах керна кимберлитовых брекчий и вмещающих пород. При оценке временных характеристик ВП применялись различные подходы: определение дифференциальной поляризуемости ηd, расчет спектра постоянных времени w(τ) и аппроксимация измеренных переходных характеристик ВП релаксационной моделью Cole-Cole. У кимберлитовых брекчий разных типов и вмещающих карбонатных пород выявлены различия временных характеристик ВП, наиболее существенные - в диапазоне единиц-десятков секунд, где кимберлитовые брекчии выделяются характерным ростом кривых спектра и дифференциальной поляризуемости, а также большими значениями постоянной времени τ модели Cole-Cole. Образцы были представлены Ботуобинской ГРЭ (АК «АЛРОСА»).

Summary

Laboratory measurements of the time-domain induced polarization (TDIP) were performed on a few kimberlite breccia and host rock core samples in a wide time range (hundreds microseconds – several ten of seconds). Different

approaches were used for estimation of TDIP spectral parameters: evaluation of differential polarizability ηd, time constant spectra w(τ), approximation with the Cole-Cole relaxation model. Our measurements revealed some differences in spectral TDIP parameters of different types of kimberlite breccias and carbonate host rock, most obvious in a time range from a few seconds – to several ten seconds, where kimberlite breccias demonstrate a distinctive growth of time constant spectra and

differential polarizability curves, as well as large values of Cole-Cole time constant τ. Core samples were provided by the “Botuobinskaya” Expedition (OJSC ALROSA).

Введение

В докладе представлены результаты лабораторных измерений вызванной электрической поляризации (ВП), которые проводились на образцах керна кимберлитовых брекчий и вмещающих пород. Образцы были представлены Ботуобинской ГРЭ (АК «АЛРОСА»).

Измерения ВП выполнялись на лабораторной установке в широком временном диапазоне: от сотен микросекунд до десятков секунд. Также оценивалось значение удельного электрического сопротивления (УЭС) образцов и насыщающей жидкости.

Основная задача исследования заключалась в выявлении специфических особенностей временных (спектральных) характеристик и интегральных параметров ВП, присущих кимберлитовым брекчиям и вмещающим породам.

Лабораторная установка, методика измерений и обработки данных

Лабораторная установка состояла из генератора, измерителя с управляющим компьютером и пластиковой измерительной ячейки, в которую помещался образец (рис.1). В измерительной ячейке питающими электродами А, В служили медные стержни или пластины, а в качестве приемных M, N использовались неполяризующиеся медно-купоросные электроды.

Выборка состояла из 5-ти образцов кимберлитовых брекчий (из них 2 автолитовых брекчийпород со специфической концентрически-зональной текстурой) и 4-х образцов вмещающих пород. До начала измерений каждый образец керна выдерживался в отдельной ёмкости в водопроводной воде 1014 суток для насыщения и достижения равновесия между образцом и жидкостью. Изменение сопротивления жидкости в процессе насыщения образца и растворения содержащихся в нем солей контролировалось кондуктометром.

Для измерений использовалась аппаратура АИЭ-2 (НПК «Элгео»). Генератор пропускал через образец ток плотностью единицы - десятки мкА/см2 в режиме разнополярных импульсов с паузами. В паузах измерялись спады ВП при трех значениях длительности импульсов Tи: 1, 8 и 64 с (рис. 2-А). Величины собственных процессов ВП измерительной ячейки, по результатам измерений на воде, не превышали тысячных долей %, в пересчёте на поляризуемость.

99

Материалы X-го международного геофизического научно-практического семинара

Рис. 2. Результаты измерений на образце керна автолитовой кимберлитовой брекчии

Аппроксимация измеренной переходной характеристики ВП релаксационной моделью Cole-Cole позволяет описать её набором трёх параметров: стационарной поляризуемости η0, постоянной времени τ и показателя c. Во временной области формула Cole-Cole имеет вид [3]:

где Г (1 + kc) - гамма функция.

Для рассчета спектра постоянных времени ВП и аппроксимации моделью Cole-Cole использовались программы IPSPECTR и IPANALYSIS (А.В.Тарасов).

Результаты

Сопоставление результатов измерений показывает, что образцы кимберлитов характеризуются в целом меньшими значениями параметра пористости F, по сравнению с вмещающими карбонатными породами (рис. 3). Т.е. в условиях одинаковой минерализации поровой жидкости кимберлитовые брекчии будут отличаться меньшими значениями УЭС, чем карбонатные породы.

Значения заряжаемости кимберлитовых брекчий и карбонатных пород изменяются в достаточно широком диапазоне: от десятых долей до нескольких %. Наибольшими значениями m (4.6 %) характеризуется образец скарнированного известняка с вкрапленностью сульфидных минералов. Среди кимберлитов самыми низкими значениями m (0.23-0.25 %) отличаются образцы автолитовых кимберлитовых брекчий.

Рис. 3. Зависимость значений заряжаемости m64с от параметра пористости F

Спектры постоянных времени ВП карбонатных пород – полого спадающие кривые во всём диапазоне времён (рис. 4). Исключение составляет образец скарнированного известняка с сульфидной вкрапленностью, дифференциальная поляризуемость и спектр которого имеют максимум на времени около 10-15 с. Спектры ВП образцов кимберлитовых брекчий отличаются от спектров вмещающих пород большей динамикой и ростом на поздних временах (от единиц до сотен секунд). Автолитовые брекчии выделяются провалом в среднем диапазоне времен (0.1 – 1 с) и интенсивным ростом кривых спектра, начиная с первых секунд.

101

t, с

Рис. 5. Графики дифференциальной поляризуемости (измеренныесплошные, модельныепунктирные) с оценками параметров модели Cole-Cole

Заключение

102

Материалы X-го международного геофизического научно-практического семинара

В результате лабораторных измерений ВП на образцах керна выявлены различия временных характеристик ВП кимберлитовых брекчий разных типов и вмещающих карбонатных пород. Наиболее существенные различия в динамике переходных характеристик ВП отмечаются во временном диапазоне единиц-десятков секунд, где кимберлитовые брекчии выделяются характерным ростом кривых спектра

и дифференциальной поляризуемости, а также большими значениями постоянной времени τ при аппроксимации кривых моделью Cole-Cole. При этом амплитудные значения ВП кимберлитовых брекчий остаются невысокими и варьируют в диапазоне десятых долей-первых процентов.

Представленные результаты характеризуют небольшую выборку образцов. Для получения более полного представления о временных и амплитудных параметрах ВП кимберлитов и вмещающих пород следует выполнить исследования более представительной выборки, а также выяснить влияние ряда факторов: минерализации поровой жидкости, температуры и др.

Проводившиеся ранее исследования позволили выявить различия временных и частотных параметров ВП у кимберлитов и вмещающих пород [4, 5], однако, вопрос о разработке эффективной полевой методики поиска и разведки кимберлитовых трубок, основанной на измерении и анализе временных (частотных) характеристик ВП, остаётся открытым. Решению этой задачи могут способствовать дальнейшие лабораторные и полевые исследования.

Благодарности

Автор признателен Е.М.Гончарову, главному геофизику Ботуобинской ГРЭ АК «АЛРОСА», за предоставленные образцы керна, и А.В.Тарасову, сотруднику ЗАО «НПП ВИРГ-Рудгеофизика», за предоставленные компьютерные программы для анализа переходных характеристик ВП.

Список литературы

1.Комаров В.А. Электроразведка методом вызванной поляризации. Л.: Недра, 1980. 392 с.

2.Тарасов А.В., Титов К.В, Оценка распределения времени релаксации по данным метода вызванной поляризации во временной области// Геофизика, 2006, №6, с. 42.

3.Pelton W.H., Ward S.H., Hallof P.G, Sill W.P. and Nelson P.H. Mineral discrimination and removal of inductive coupling with multifrequency IP// Geophysics, 1978, V.43. № 3, p. 588-609.

4.Комаров В.А., Березин Г.И., Духнин К.Ю. Использование временных особенностей дифференциальной поляризуемости при поисках кимберлитовых тел// Межвузовский научный сборник: Применение метода вызванной поляризации при поисках месторождений полезных ископаемых. М. 1987. – с. 93-99

5.Жандалинов В.М. Электрические и электромагнитные зондирования при поисках коренных месторождений алмазов. Новосибирск: Академическое изд-во «Гео», 2011. 275 с.

103

Материалы X-го международного геофизического научно-практического семинара

НОВЫЕ ЭФФЕКТИВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ПЕРЕХОДНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ДОСТОВЕРНОСТИ ИНТЕРПРЕТАЦИИ МЕТОДА ВЫЗВАННОЙ

ПОЛЯРИЗАЦИИ

Хрол Н.С., Ермохин К.М., Клепиков А.В.

Группа геолого-геофизических компаний “Теллур”, Санкт-Петербург, khrol@bmail.ru

Аннотация

Предлагается метод выделения из переходных характеристик вызванной поляризации (ВП) новых эффективных параметров в виде постоянных времени индукционной τ L и емкостной τ c составляющих на основе электротехнических аналогий. Эти параметры, наряду с традиционными (кажущимся сопротивлением ρ k и

поляризуемостью η k ), могут быть использованы для повышения достоверности интерпретации данных метода ВП.

Summary

A method is proposed in the allocation of the transient characteristics of the induced polarization (IP) for new effective parameters in the form of the time constants of the induction and capacitive components based on electrical analogies. These parameters, along with the traditional ones (apparent resistivity and polarizability) can be used to improve the reliability of data interpretation in IP method.

Импульсная модификация метода ВП основана на изучении изменения во времени вторичного электрического поля под воздействием прямоугольных импульсов гальванически возбужденного первичного электрического поля в горных породах.

Обычно в паузе между импульсами стабилизированного тока измеряется спад (переходная характеристика - ПХ) поля ВП. Измеряемая ПХ отражает изменение во времени напряжения за счет вторичных электромагнитных и электрохимических процессов - индукции и вызванной поляризации. В первое время после выключения тока индуктивные процессы становления электромагнитного поля преобладают, а измеряемое суммарное напряжение со временем растет (рис.1). Затем все большую роль играют поляризационные процессы и через 10-20мс. после выключения тока идет спад измеряемого напряжения.

Эти два процесса несут в себе различную геологическую информацию: эффект становления поля характеризует размеры и электропроводность объектов, а поляризационный эффект зависит от текстурных особенностей электронопроводящих минеральных включений и вещественного состава пород и руд. [Шейнман 1964, Комаров 1980, Нхин 1985, Вахромеев 1990]

Рис. 1. Переходная характеристика поля ВП z(t) и её индукционная y(t) и поляризационная x(t) составляющие

104

Материалы X-го международного геофизического научно-практического семинара

При проведении геофизических работ в низкоомных средах (сопротивление до 500 Омм) и применении длинных питающих линий время становления поля может достигать 100-300мс, а это уже времена измерения эффектов вызванной поляризации. Поэтому представляется актуальной разработка методики разделяющей указанные эффекты, что позволит более полно и эффективно использовать данные полевых измерений при интерпретации ПХ ВП.

Рассмотрим один из возможных методов идентификации параметров измеряемого сигнала. На рисунке 2а в схематическом виде представлена система для импульсной электроразведки. Система включает генератор тока, заземленную линию, исследуемую геологическую среду, приемную линию и регистратор. Обычно при анализе системы указанные компоненты рассматривают как линейные двухполюсники с сосредоточенными параметрами [Вишняков,1974]. Предполагается, что параметры двухполюсников взаимно независимы и постоянны во времени. Каждый из указанных элементов характеризуется собственной переходной характеристикой. Полезным сигналом является переходная характеристика геологической среды. В нашем случае получается последовательная RLC цепь.

Рис. 2. Система зондирования как совокупность последовательно включенных элементов (a) и модель в виде контура с сосредоточенными параметрами (б):

1.генератор тока 2.питающая линия 3. геологическая среда 4. приемная линия 5. измеритель

Для моделирования элементарной эквивалентной схемы поляризующейся среды можно воспользоваться схемотехнической программой OrCad. (рис.2б). На вход цепи подается переменное напряжение U1 в виде разнополярных прямоугольных импульсов со скважностью 2 длительностью Т/2 (Т-период). Тогда напряжение на выходе цепи U2 соответствует осциллограмме (рис 3a).

Рис. 3. a. Осциллограмма зависимости напряжения от времени на модельной LRC цепи. б. аппроксимация переходной характеристики и параметры функции (2)

при R=100 Ом, С=0.2 Ф, L=100 Гн

В паузе на генераторе ток равен нулю и уравнение цепи имеет вид [Бессонов, 1978]:

105

Рис. 4. График параметра поляризации τ c (a), разрез его аналитического продолжения по

профилю (b) и геологический разрез по двум скважинам (c)

Для успешного применения аппроксимации функцией (2) к полевым данным желательно, чтобы

106

Материалы X-го международного геофизического научно-практического семинара

ПХ измерялась длительное время (T >2τ c ) и c детальным шагом. На практике мы часто ограничены временным диапазоном и количеством измеряемых стробов (точек ПХВП). Поэтому параметры τ L и

τ c , рассчитанные по формулам (1), (2) скорей можно назвать эффективными факторами индукции и поляризации.

На рис.4 изображен результат геофизических работ, проведенных группой компаний «Теллур» в «Восточно-Челюскинской» площади в 2005 году, геологический разрез, подтвержденный данными

бурения и результат аналитического продолжения [Ермохин 2010] параметра τ c по одному из профилей. Короткопериодная аномалия на графике (на пикетах 1250-1400) и в разрезе аналитического продолжения τ c уверенно выделяют зону мелкой сульфидной золотоносной вкрапленности.

Электроразведочные работы методом ВП выполнялись аппаратурой разработанной ЗАО «Теллур-СПб» – генератор TLT–1000 и микропроцессорный измеритель TLR–IP-03, установкой симметричного профилирования (СЭП-ВП). Время измерения переходной характеристики 3 сек.

Заключение

Дополнение традиционных параметров ВП кажущегося сопротивления ρ k и кажущейся

поляризуемости η k новыми - постоянными времени индукционной τ L и емкостной τ c составляющих

ПХ, позволяет более полно и объективно использовать данные, полученные в процессе полевых измерений ВП, для повышения надежности и достоверности результатов интерпретации.

Список литературы

1.Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники: Электрические цепи. Учеб. для студентов электротехнических, энергетических и приборостроительных специальностей вузов. –7-е изд., перераб. и доп. –М.: Высш. шк., 1978. 528c.

2.Вахромеев Г. С., Кожевников Н. О., Никитин И. В., К теории возбуждения электромагнитных полей в индукционной электроразведке // Электромагнитная индукция в верхней части земной коры: М., Наука, 1990 C.76 - 77.

3.Вишняков А. Э., Вишнякова К. А., Возбуждение и измерение полей в электроразведке: Л., Недра. 1974.129с.

4.Комаров В. А. Электроразведка методом вызванной поляризации. Л.: Недра, 1980.

5.Нхин, А. М. Изучение влияния вызванной поляризации на индукционные переходные процессы. Автореф. дис. канд. технических наук Москва, 1985 C.13-34

6.Шейнман С.М. Об установлении электромагнитных полей в земле// Прикладная геофизика. Вып.3. Москва. Гостоптехиздат. 1947.C. 3-55.

7.К.М. Ермохин, Технология построения разрезов методом аналитического продолжения геофизических полей, ж. Геоинформатика, М. 2010, №2.

107