СПОСОБ ГЕОЭЛЕКТРОРАЗВЕДКИ
GEOELECTRIC SURVEY METHOD

Предлагаемое изобретение относится к геоэлектроразведке на переменном токе с возбуждением электромагнитного поля в земле индуктивным способом и может быть использовано при поисках и разведке проводящих объектов в непроводящей и проводящей среде. Область преимущественного применения: поиски проводящих рудных месторождений.
Известны способы геоэлектроразведки [1, 2], в которых низкочастотное электромагнитное поле возбуждают при помощи незаземленной петли на дневной поверхности Земли, измеряют декартовые составляющие магнитной индукции по параллельным профилям на заданных высотах, измеряют реальную и мнимую компоненты ортогональных составляющих магнитной индукции относительно фазы вертикальной составляющей магнитной индукции в эпицентре незаземленной петли, определяют отклонения измеренных компонент от нормального для однородной среды значения и по их величине и знаку выделяют участки повышенной электропроводности.
Однако известным способам присущи существенные недостатки: 1) на измерения составляющих магнитной индукции в движении влияют различные виды помех: механическая вибрация, электромагнитные помехи летательного аппарата, пространственные колебания выносной системы датчиков за счет метеоусловий, 2) при измерении реальной и мнимой компонент магнитного поля требуется посадка летательного аппарата вблизи питающего кабеля с целью компенсации начальных фазовых сдвигов в измерительном аппаратурном комплексе.
Наиболее близким техническим решением является способ геоэлектроразведки (метод дипольного индуктивного профилирования ДИП-А) [3], взятый нами в качестве способа - прототипа. В способе - прототипе электромагнитное поле создают переменным током в вертикальном магнитном диполе при помощи излучателя и измеряют декартовые составляющие магнитной индукции, причем излучатель и измеритель поля размещают на летательном аппарате. Основное достоинство известного способа заключается в его мобильности.
Однако способу - прототипу, как и способам [1, 2], так же присущи те же существенные недостатки, связанные с измерением составляющих магнитной индукции в движении и обусловленные влиянием различных видов помех: механическая вибрация, электромагнитные помехи летательного аппарата, пространственные колебания выносной системы датчиков за счет метеоусловий (ветер и др.).
Сущность заявляемого изобретения выражается в совокупности существенных признаков, достаточных для достижения технического результата, который выражается в повышении точности определения положения и линейных размеров трехмерных проводящих объектов, залегающих в земле, и расширении возможностей технологии поисков этих объектов без предварительного бурения поисковых скважин.
Заявленная совокупность существенных признаков находится в прямой причинно-следственной связи с достигаемым результатом.
Новизна предложенного способа усматривается в том, что измерения составляющих электромагнитного поля на дневной поверхности земли осуществляют многократно в одной точке, обладающей минимальным уровнем помех: механическая вибрация, электромагнитные помехи летательного аппарата, пространственные колебания выносной системы датчиков. Повышение точности измерений обеспечивается в 10 и более раз.
Цель предлагаемого технического решения - повышение точности измерений при площадных исследованиях.
Поставленная цель достигается тем, что в способе геоэлектроразведки низкочастотное электромагнитное поле создают переменным током в вертикальном магнитном диполе при помощи силового генераторного устройства, перемещаемых по параллельным профилям на заданной высоте, и регистрируют время и координаты точек положения излучателя. На поверхности Земли в фиксированной точке измеряют декартовые составляющие векторов напряженности электрического поля и магнитной индукции и регистрируют время измерений. По соответствующим временам регистрации поля и положения излучателя определяют координаты взаимного положения точек измерения и излучателя, находят составляющие векторов напряженности электромагнитного поля в цилиндрической системе координат и относят их значения к точкам положения излучателя. По величине отклонения полученных значений поля от нормальных для однородной среды выделяют участки среды с повышенной электропроводностью.
o
o
На фиг.1 изображена структурная схема устройства, с помощью которого реализуется предлагаемый способ. На фиг.2 приведены план и разрез математической модели трехмерного проводящего объекта, погруженного в проводящее однородное полупространство и показано положение точки измерений с координатами (x, y). На фиг.3-5 представлены результаты математического моделирования, поясняющие принцип реализации предлагаемого технического решения.
5
2
-3
Для проведения математического моделирования использовалась программа расчета электромагнитного поля с 3D проводящими объектами в поле источника гармонического тока [4]. Параметры расчетов: момент излучателя (контура 5) М=J·S=10 А·м, частота f=1000 Гц, высота точек положения излучателя h=100 м, удельная электропроводность среды σ=10 См/м. Параметры 3D-тела: размеры по осям X·Y·Z=200·400·100 м, глубина от дневной поверхности до центра тела z=200 м, расстояние от точки измерений до центра тела r=1000 м, удельная электропроводность тела σ=1 См/м.
Устройство содержит размещаемый на летательном аппарате силовой блок и измерительный блок, расположенный в фиксированной точке измерений на поверхности Земли. Силовой блок 1 состоит из генераторного устройства 3, устройства навигации GPS 4 и излучателя - незаземленного контура 5. Измерительный блок 2 состоит из блока датчиков 6, измерительного пульта 7, накопителя информации 8 и устройства навигации GPS 9.
о
o
X
Y
Z
X
Y
Предлагаемый способ реализуется следующим образом. На дневной поверхности Земли в фиксированной точке с координатами (х, y), устанавливают датчики 6 для измерений ортогональных составляющих векторов магнитной индукции B, B, B и напряженности электрического поля E, E. Электромагнитное поле в окружающем пространстве создают током силой J фиксированной частоты ω в контуре 5 с помощью генераторного устройства 3, размещаемого на летательном аппарате и перемещаемом в окрестности точки измерений на высоте h по параллельным профилям со скоростью V. Регистрацию времени и дискретных координат точек положения летательного аппарата выполняют с помощью устройства навигации GPS 4.
X
Y
Z
X
Y
Выходные напряжения с блока датчиков электрического и магнитного поля 6, пропорциональные B, B, B, E, E, поступают через пятикомпонентный аналого-цифровой преобразователь, в котором осуществляется определение компонент этих напряжений, в измерительный пульт 7 и накопитель информации 8. Координаты фиксированной точки и время измерений определяют с помощью устройства навигации GPS 9.
o
o
По времени регистрации устройствами навигации GPS 4 и 9 соотносят величины измеряемого поля и положения излучателя (контура 5), определяют дискретные координаты положения излучателя (х, y) относительно неподвижной точки измерения (x, y). Измеренные значения поля относят к текущим точкам положения излучателя.
Ток, протекающий в петле, возбуждает электромагнитное поле. Параметры составляющих электромагнитного поля (амплитуда и фаза) на дневной поверхности и в воздухе зависят от электропроводности горных пород. По величине отклонения полученных значений электромагнитного поля от нормальных для однородной среды выделяют участки среды с повышенной и пониженной электропроводностью.
На фиг.3 приведены результаты математического моделирования вертикальной составляющей магнитной индукции Bz для однородного полупространства (слева) и для полупространства, содержащего локальный проводящий объект (справа). Различия в планах реальной и мнимой (Re и Jm) квадратур вертикальной составляющей магнитной индукции, особенно Jm Bz, обусловлены наличием объекта с повышенной электропроводностью, по сравнению с однородным полупространством.
Проводящий объект отмечается и в планах горизонтальных составляющих электромагнитного поля, однако их вид зависит от взаимного положения объекта относительно точки измерений и от выбора направлений датчиков горизонтальных составляющих поля.
X
Y
X
Y
r
φ
r
φ
Чтобы устранить последнюю зависимость, измеренные горизонтальные составляющие векторов электромагнитного поля B, B, E, E, пересчитывают в составляющие векторов в цилиндрической системе B, B, E, Е относительно координат точки измерения по формулам
где
r
φ
φ
r
Использование цилиндрических координат обладает существенным преимуществом перед прямоугольными координатами. Поскольку излучатель в виде вертикального магнитного диполя создает на поверхности однородного полупространства только составляющие электромагнитного поля Bи Е, то составляющие B и E являются чисто аномальными, непосредственно связанными с наличием в среде проводящих объектов.
r
φ
r
φ
φ
r
Результаты расчетов радиальных B и азимутальных B составляющих магнитного поля для однородного полупространства (слева) и полупространства, содержащего локальный проводящий объект (справа), приведены на фиг.4. На фиг.5 приведены результаты расчетов радиальных E и азимутальных Е составляющих электрического поля для однородного полупространства (слева) и полупространства, содержащего локальный проводящий объект (справа), с прежними параметрами расчетов фиг.3. Как видно из приведенных данных, локальный проводящий объект особенно четко отмечается в планах аномальных составляющих B и E как в реальной Re, так и мнимой Jm квадратурах поля.
Измерения электромагнитного поля на дневной поверхности Земли в фиксированной точке исключают влияние помех за счет механической вибрации и пространственных колебаний выносной системы датчиков, а удаленность от источника поля существенно уменьшает электромагнитные помехи летательного аппарата. Предлагаемый способ позволяет осуществлять поиски рудных месторождений на больших неосвоенных, труднодоступных (заболоченных, покрытых лесом) районах, где нет поисковых необсаженных скважин и невозможна посадка вертолета вблизи петли с током.
Анализ современного уровня техники показал, что предлагаемое техническое решение соответствует критериям "новизна" и "изобретательский уровень" и может быть промышленно реализовано при использовании существующих технических средств.
Источники информации
1. Человечков А.И., Байдиков С.В., Иванов Н.С., Ратушняк А.Н., Уткин В.И. Способ геоэлектроразведки. Патент РФ 2250479, 2005. БИ №11.
2. Человечков А.И., Уткин В.И., Ратушняк А.Н., Иванов Н.С., Байдиков С.В., Астафьев П.Ф. Способ геоэлектроразведки. Патент РФ 2248016, 2005. БИ №18.
3. Электроразведка. Справочник геофизика (книга первая). М.: Недра, 1989, с.416-418.