Электромагнитные и магнитотеллурические методы
Общие принципы электромагнитных зондирований.
Под электромагнитными зондированиями понимают способы электроразведки искусственно создаваемыми электромагнитными полями, предназначенные для исследования геоэлектрических разрезов в вертикальном направлении. Источником поля при этом могут служить переменные электрические или магнитные диполи.
Плоская электромагнитная волна характеризуется длиной λ, которая связана с фазовой скоростью Vф и с периодом колебаний Т = 2π/ω = 1/f соотношениями:
λ = Vф·Т = ω/af = 2π/a, (4.36)
где величина а называется фазовым коэффициентом, определяющим скорость распространения некоторой фазовой поверхности волны вдоль вертикальной оси z, т.е. фазовую скорость.
Интенсивность поглощения электромагнитной волны проводящей средой принято характеризовать глубиной проникновения поля или толщиной скин-слоя - расстоянием, на котором поле из-за поглощения ослабляется в е раз. Эту величину принято обозначать δ:
,
(4.37)
Где ω = 2πf – круговая частота поля, γ- удельная проводимость среды, ε и μ – соответственно диэлектрическая и магнитная проницаемости среды. Коэффициент b называется коэффициентом поглощения среды. Из выражения (4.37) следует, что b возрастает с ростом частоты поля и проводимости среды γ за счет увеличения потерь энергии волны на нагревание среды.
Наряду с толщиной скин-слоя в электроразведке иногда используют понятие эффективная глубина проникновения поля hэф. , которая определяется следующим образом:
.
(4.38)
Для реальных параметров горных пород и руд в диапазоне частот, используемых в электроразведке (за исключением радиоволновых методов) γ >> ωε, поэтому токи проводимости много больше токов смещения и выражения для толщины скин-слоя δ, фазовой скорости Vф и длины волны λ приобретают вид:
,
,
(4.39)
.
Имеются два способа выполнения электромагнитного зондирования с переменными диполями.
Первый способ заключается в том, что в некоторой фиксированной точке пространства изучают зависимость поля диполя от характера изменения поля во времени. Простейший пример — частотное зондирование (ЧЗ), при котором изучается зависимость электромагнитного поля диполя от его частоты при постоянном расстоянии между дипольным источником поля и точкой наблюдения. Физической основой частотного зондирования является скин-эффект — зависимость глубины проникновения поля в землю от его частоты.
Изменяя частоту тока, питающего электрический или магнитный диполи, можно управлять глубиной проникновения поля и таким образом получать сведения об изменении геоэлектрического разреза в вертикальном направлении. В данном случае изменение частоты приводит к такому же эффекту, как и изменение разноса АВ в зондированиях постоянными полями (ВЭЗ или ДЭЗ).
Другим (и в настоящее время более распространенным) вариантом первого способа является зондирование становлением поля (ЗС), при котором изучается поле электрического или магнитного диполя при ступенчатом изменении питающего тока в нем. При этом в проводящих областях геоэлектрического разреза индуцируются вторичные токи, распределенные в первый момент в поверхностных частях разреза и стремящиеся в соответствии с законом индукции сохранить постоянным первичное поле. Со временем вторичные токи начинают перераспределяться, проникая в глубь разреза, и одновременно затухать вследствие тепловых потерь. Зависимость глубины проникновения вторичного поля от времени в нестационарном поле обусловливает возможность осуществления ЗС на основе изучения зависимости компонент электромагнитного поля от времени, прошедшего с момента выключения тока в источнике первичного поля.
Второй способ электромагнитного зондирования геоэлектрического разреза заключается в исследовании зависимости электромагнитного поля от расстояния между источником поля и точкой наблюдения. Зондирования такого типа принято называть геометрическими или дистанционными Частный случай таких зондирований — зондирования постоянными полями (ВЭЗ, ДЭЗ). Электромагнитное поле в точке наблюдения складывается из первичного поля источника и вторичных полей, создаваемых зарядами, существующими на поверхностях раздела сред с различными удельными сопротивлениями, и вихревыми токами, индуцированными в проводящих областях геоэлектрического разреза. В точках, расположенных близко к источнику, первичное поле, не несущее информации о характере разреза, существенно превышает вторичное, и таким образом глубинность исследования оказывается малой. По мере удаления точки наблюдения от источника возрастает относительная роль вторичного поля и тех источников, которые располагаются на больших глубинах. Соответственно повышается глубинность исследования.
Вместе с ЧЗ этот тип зондирований иногда объединяют в метод зондирования гармоническим электромагнитным полем (ЗГЭМП).
Выбор того или иного способа зондирований определяется решаемой геологической задачей. Первый способ (ЧЗ или ЗС) применяется преимущественно при детальных поисках структур, благоприятных для нефтегазонакопления, особенно в районах с неблагоприятными сейсмогеологическими условиями и при наличии в надопорных отложениях высокоомных экранирующих горизонтов, исключающих возможность применения зондирования постоянными полями.
Реже такие электромагнитные зондирования применяют для решения инженерно-геологических задач, а также для поисков водоносных структур, при изучении структуры рудных полей.
В последних случаях предпочтение обычно отдается дистанционным электромагнитным зондированиям, хотя может использоваться и комбинация этих двух способов (т. е. изменяют как частоту, так и разнос).
Электромагнитные зондирования выгодно отличаются от ВЭЗ и ДЭЗ такими возможностями, как изучение разрезов с высокоомными экранами и бесконтактные измерения. Кроме того, в ЧЗ и ЗС в процессе зондирования не приходится перемещать источник и приемник поля, так как разнос постоянен.