Способ геоэлектроразведки (варианты)
GEOELECTROPROSPECTING METHOD (VERSIONS)

Изобретение относится к области геофизики, в частности к геоэлектроразведке, и может быть использовано при определении свойств подземных формаций на основе разделения и интерпретации регистрируемых электромагнитных полей, обусловленных суммарным влиянием различных эффектов.
Известно, что при пропускании электрического тока в среде проявляются эффекты, которые обусловлены различными физическими явлениями. При этом выделяется электромагнитная индукция, которая характеризуется индукционными полями, определяемыми теорией Максвелла, и эффекты, обусловленные дисперсией электрических свойств среды (вызванная поляризация (ВП) и суперпарамагнетизм (СПМ)) Явления дисперсии не описываются стандартной системой уравнений Максвелла и моделируются с помощью электрохимических процессов в среде (ВП) или релаксацией намагниченности ультрадисперсных частиц ферромагнитных минералов (СПМ).
Преимущественно задача разделения, например, индукционных и поляризационных эффектов решалась путем увеличения времени регистрации переходных процессов от импульса возбуждения в среде, вызывающего электромагнитную индукцию и поляризацию. Действительно, с увеличением времени измерения поле электромагнитной индукции уменьшается до пренебрежительно малых величин. Однако, на малых временах эффект поляризации не является пренебрежимо малым. Кроме того, при измерении проводимости геологических платформ, имеющих большую мощность осадочного чехла, электромагнитные колебания затухают медленно, вследствие большой (сотни и тысячи Сименс) проводимости осадочного чехла. Поэтому такой подход к разделению полей требовал совершенствования.
0
0
Известен способ количественного разделения эффектов электромагнитной индукции и вызванной поляризации (патент РФ №2399931, G01V3/38). Согласно данному способу измеряют процесс становления поля над поляризующейся средой дипольно-осевой установкой при пропускании импульсов тока. Формируют несколько функций таким образом, что они по-разному зависят от полей электромагнитной индукции и вызванной поляризации. Одну из этих функций формируют так, чтобы повысить соотношение электромагнитной индукции и вызванной поляризации по сравнению с DU(t)=ΔU(t)/ΔU, где ΔU - разность потенциалов ΔU, измеренная во время пропускания тока. Вторую функцию формируют так, чтобы понизить указанное соотношение по сравнению с DU(t). Третью из указанных функций формируют как комбинацию временных и пространственных производных поля становления. Осуществляют инверсию в рамках горизонтально-слоистой поляризующейся среды одновременно для всех функций, включая DU(t), полученных в одной точке записи. Получают геоэлектрическую модель разреза среды. В полученной модели для всех слоев полагают поляризуемость равной нулю и путем решения прямой задачи рассчитывают поле электромагнитной индукции. В той же модели обнуляют волновые числа и путем решения прямой задачи рассчитывают поле гальванической составляющей вызванной поляризации IP. Оценивают изменение гальванической составляющей по площади и осуществляют ее геологическую интерпретацию. Способ обеспечивает количественное раздельное изучение полей электромагнитной индукции и вызванной поляризации.
Однако, как ясно из описания, данный способ ориентирован только на гальваническое возбуждение и прием поля над одномерной горизонтально-слоистой средой.
В технических решениях, согласно авторскому свидетельству СССР №1505219 и патенту РФ №2045083, предложено в ходе проведения наземных геофизических исследований проводить измерения электромагнитного поля с использованием двух измерительных петель, соосной и выносной петли. При этом в каждой заданной точке профиля измеряют ЭДС переходного процесса измерительной петлей, расположенной в центре генераторной петли. Затем осуществляют сдвиг центра измерительной петли относительно центра генераторной на расстояние, не менее длины стороны генераторной петли (патент РФ №2045083) или равное ей (авт. свидетельство СССР №1505219). По результатам каждого из измерений строят графики кажущегося сопротивления. Обобщенную кривую проводят так, чтобы ее левая ветвь соответствовала левой ветви кривой, построенной по результатам измерений соосной установкой, а правая ветвь соответствовала правой ветви кривой, построенной по результатам измерений разнесенной установкой. По полученной кривой определяют параметры геологического разреза.
Данная технология применяется только для корректировки индукционного сигнала становления поля, при котором эффект вызванной поляризации (авт.св. СССР №1505219) или суперпарамагнетизма (патент РФ №2045083) рассматриваются как помеха и не изучаются, что снижает эффективность и не обеспечивает возможную информативность проводимых геофизических исследований.
Между тем как вызванная поляризация (широко используемая при интерпретации для изучения структурных характеристик среды), так и суперпарамагнетизм являются и могут быть использованы как источник нетривиальной геологической информации. Изучение этих эффектов позволяет проводить геологическое картирование комплексов пород, содержащих однодоменные частицы, изучать процесс эрозии по ореолам рассеяния этих частиц, а также генетические особенности рудных месторождений (напр., магнетитовых) и др.
Как указано выше стандартный способ учета влияния суперпарамагнетизма заключается в применении разнесенных измерительных петель, расположенных на различном расстоянии от генераторного контура.
Однако в работе П.О. Барсукова и Э.Б. Файнберга [Barsukov P.O. and Fainberg E.B. 2001. Superparamagnetic effect over gold and nickel deposits// Environmental and Engineering Geophysics. 6. 61-72.] для изучения аномалий СПМ для этих же целей рассмотрен вариант установки с различными размерами генераторных контуров. Схема выделения сигнала при этом основана на использовании асимптотики однородного суперпарамагнитного полупространства, что вносит искажение в выделяемый сигнал.
Более общая модель рассмотрена в работе [Вас. В. Стогний, Н.О. Кожевников, Е.Ю. Антонов Исследование магнитной вязкости горных пород в условиях их естественного залегания с помощью импульсной индуктивной электроразведки // Геология и геофизика. - 2010. - Т. 51, N 11. - С. 1565-1575], где свойства горизонтально-слоистой среды, обладающей суперпарамагнитными свойствами восстанавливаются на основе измерений с разнесенными датчиками. Кроме того, в работе рассмотрены и измерения с генераторными контурами различного размера. Но данные этих измерений интерпретировались отдельно и использовались лишь для получения более объективной информации о разрезе.
Отметим, что как в той, так и в другой указанных выше работах сигналы СП и СПМ фактически не разделялись и для интерпретации данных СПМ использовалась лишь поздняя стадия временного процесса, где влияние индукционных токов на измеряемый сигнал существенно ослаблено. Длительности этой стадии в определенных моделях среды может оказаться недостаточно для полноценной интерпретации.
Задача изобретения - повышение эффективности поисковых (геофизических исследований) работ в сложно построенных геологических средах за счет комплексного учета эффектов становления электромагнитного поля, вызванной поляризации и суперпарамагнетизма, с выделением на этой основе дополнительных аномальных зон, обусловленных указанными эффектами и их взаимодействием.
Технический результат, получаемый при реализации предлагаемого способа, заключается в создании технологии электроразведочных работ, базирующихся преимущественно на использовании площадных многоразносных зондирований методом становлением поля, с выделением и комплексной интерпретацией составляющих, связанных с эффектами поляризуемости и суперпарамагнетизма, и построением с учетом указанных эффектов 3D аномальных зон в целевом горизонте на основе 3D-инверсии электроразведочных данных.
1
2
2
Указанный технический результат достигается тем, что в способе геоэлектроразведки, включающем возбуждение электромагнитного поля в геологической среде, регистрацию компонент электромагнитного поля приемными датчиками на базовой системе наблюдений (площадной или профильной), согласно изобретению, для каждого расположения генераторной петли проводят регистрацию двух значений компонент электромагнитного поля (V, V), используя два генераторных контура разного размера и осуществляя электромагнитные измерения в общей точке раздельно от каждого из указанных генераторных контуров, при этом регистрацию сигнала осуществляют до времен, превышающих значение Rσμ, где R - характерный размер контура большего размера, σ - типичная для района работ наибольшая удельная проводимость, μ - магнитная проницаемость среды объектов,
по результатам проведенных измерений выделяют составляющие измеренного электромагнитного поля, обусловленные становлением поля (СП), суперпарамагнетизмом (СПМ) и эффектом вызванной поляризацией (ВП), далее проводят раздельную интерпретацию всех указанных составляющих с целью выделения аномальных зон в исследуемом целевом горизонте.
Данные становления поля интерпретируют по схеме 3D моделирования на базовой системе наблюдений,
данные ВП и СПМ интерпретируют на сети, обусловленной расположением генераторных контуров,
если выявленные аномалии ВП и СПМ лежат в зоне влияния аномальных объектов, полученных в результате интерпретации данных становления поля (СП), то соответствующие аномальные объекты наделяют дополнительными поляризационными или СПМ - свойствами,
после чего проводят дополнительные итерации подбора параметров геоэлектрической модели исследуемой среды, с уточнением конфигурации и свойств 3D аномальных зон, выделенных в целевом горизонте на основе 3D-инверсии совокупности электроразведочных данных.
При этом, если аномалии ВП или СПМ не соответствуют аномальным зонам проводимости, полученных по результатам измерений СП, проводят дополнительные измерения, по более густой сети по профилям, проходящим через эпицентры выделенных аномалий ВП и СПМ для уточнения характера и размеров аномальных зон,
по результатам этих измерений строят уточненную геоэлектрическую 3D модель среды, наделенную свойствами дисперсии электрических и магнитных свойств, на основании которой определяют геометрические и электрические параметры, а также местоположение геоэлектрических аномалий в целевом горизонте.
0
1
2
3
4
Заявленный технический результат достигается также тем, что в способе геоэлектроразведки, включающем возбуждение электромагнитного поля в геологической среде, регистрацию компонент электромагнитного поля приемными датчиками на базовой системе наблюдений (площадной или профильной), согласно изобретению, для каждого расположения генераторной петли дополнительно к измерениям компонент электромагнитного поля V в центре генераторной петли осуществляют регистрацию четырех различных значений компонент электромагнитного поля (V, V, V, V), используя четыре выносных измерительных датчика, каждый из которых расположен в пределах ближней зоны (, где t - время измерений, σ - характерная для района работ наибольшая удельная проводимость, μ - магнитная проницаемость среды), при их различных удалениях от центра генераторной петли.
По результатам проведенных измерений выделяют составляющие измеренного электромагнитного поля, обусловленные становлением поля (СП), суперпарамагнетизмом (СПМ) или эффектом вызванной поляризацией (ВП), далее проводят раздельную интерпретацию всех указанных составляющих
Данные становления поля интерпретируют по схеме 3D моделирования на базовой системе наблюдений,
данные ВП (СПМ) интерпретируют на сети, обусловленной расположением генераторных контуров.
Если выявленные аномалии ВП лежат в зоне влияния аномальных объектов, полученных в результате интерпретации данных становления поля (СП), то соответствующие аномальные объекты наделяют дополнительными поляризационными свойствами, после чего проводят дополнительные итерации подбора параметров геоэлектрической модели исследуемой среды с уточнением конфигурации и свойств аномальных зон, выделенных в целевом горизонте.
При этом, если аномалии ВП не соответствуют аномальным зонам проводимости, полученным по результатам измерений СП, проводят дополнительные измерения, по более густой сети по профилям, проходящим через эпицентры выделенных аномалий ВП для уточнения характера и размеров аномальных зон,.
По результатам этих измерений строят уточненную геоэлектрическую 3D модель среды, наделенную свойствами дисперсии электрических на основании которой определяют геометрические и электрические параметры, а также местоположение геоэлектрических аномалий в целевом горизонте.
Изобретение иллюстрируется чертежами, показанными на фиг. 1-18
На фиг. 1. показаны графики, иллюстрирующие проявление поляризуемости среды в сигнале становления поля.
На фиг. 2 показано поле, измеренное на разных разносах в случае горизонтально-неоднородной среды.
На фиг. 3 показаны схемы проведения многоразносных зондирований, а - по площади, б - по профилю с рассечками, где 1 - генераторная петля, 2 - датчики электромагнитного поля.
На фиг. 4 - фиг. 5 показано расположение положение генераторных петель 1, 4 и измерительных датчиков 2, 3.
На фиг. 6 показано восстановление сигнала становления поля (СП) в случае наличия эффектов СПМ.
На фиг. 7 показано восстановление сигнала становления поля, обусловленного влиянием СПМ.
На фиг. 8 показан пример расстановки датчиков в окрестности генераторной петли на разных расстояниях от центра генераторной петли.
На фиг. 9 показаны исходные сигналы и восстановление сигнала ВП для модели с наличием эффектов ВП.
На фиг. 10 показано восстановление индукционного сигнала от генераторной петли 100×100 м, для модели с наличием эффектов ВП.
На фиг. 11 показано восстановления сигналов ВП и СПМ для модели, осложненной суммарным влиянием ВП и СПМ.
На фиг. 12 приведено восстановление индукционного сигнала при наличии эффектов ВП и СПМ.
На фиг. 13 показан сигнал от трехслойной среды, содержащей магнитовязкий слой, при различных расстояниях измерителя от центра генераторной петли.
Фиг. 14 показано разделение сигналов и восстановление поля ВП для установки с двумя датчиками.
На фиг.15 демонстрируется реальный электромагнитный сигнал с характерной сменой знака, отражающий наличие эффекта ВП.
2
2
На фиг.16 показана общая схема расположения генераторных петель 100×100 м и 500×500 м и всех точек измерений на участке проведения экспериментальных работ согласно изобретению.
2
2
На фиг. 17 отображен аномальный сигнал от генераторной петли 500×500 м в сравнении зоной ВП (пунктирный контур), полученной по данным с генераторной петлей 100×100 м.
2
2
На фиг. 18 показано аномальное поле петли 500×500 м, полученное после вычитания поля ВП, рассчитанного по модели, сформированной на основе интерпретации данных с генераторной петлей 100×100 м.
Способ, согласно изобретению, основан на следующих физических явлениях.
Известно, что наличие в среде явлений поляризуемости и суперпарамагнетизма приводит к существенному искажению кривых становления электромагнитного поля.
Явление суперпарамагнетизма приводит к резкому замедлению спада электромагнитного поля, кривые становления поля выходят на промежуточную асимптоту, соответствующую величине стационарной магнитной восприимчивости СПМ среды.
Влияние поляризуемости приводит к смене знака процесса становления поля (фиг. 1), что существенно осложняет анализ многоразносных измерений, при которых также имеет место смена знака (фиг. 2).
Известно, что при зондированиях в ближней зоне источника поля индукционного типа и поля, обусловленные дисперсией электрических или магнитных свойств исследуемой среды, аддитивны и различным образом зависят от конфигурации и размеров генераторно-измерительной установки. Это позволяет осуществить не только диагностирование влияния вызванной поляризации или СПМ, но и их раздельное определение и последующую раздельную интерпретацию полей, обусловленных этими эффектами. Такая схема изложена в работе авторов Ф.М. Каменецкий, Г.М. Тригубович, А.В. Чернышев «Три лекции о вызванной поляризации геологической среды», Сибирский НИИ геологии, геофизики и минерального сырья, Мюнхенский университет Людвига - Максимилиана, 2014 и в определенном смысле обобщает опыт, накопленный в этом направлении. В указанной работе рассмотрены теоретические основы разделения эффектов становления поля и вызванной поляризации, приведены варианты установок, позволяющих осуществить разделение полей СП и ВП, а также показаны методы решения соответствующих обратных задач. Но вопросы, связанные с выделением эффектов СПМ, фактически не затронуты, хотя возможность такого выделения отмечена в связи с аддитивностью влияния полей СПМ.
Также за рамками данной публикации остались практические аспекты возможностей разделения полей на основе использования установок с изменяемой геометрией генераторного контура. Вместе с тем, несмотря на определенные технологические сложности, связанные с реализацией таких установок, в случае наличия влияния СПМ или совместного влияния СПМ и ВП в решении задачи разделения полей эти установки наиболее эффективны.
Главной особенностью предлагаемого способа является технология проведения геофизических работ и обработка полученных результатов, позволяющие в совокупности при площадных (профильных) электроразведочных работах разделить и восстановить составляющие суммарного электромагнитного поля, обусловленные эффектами становления, вызванной поляризации и суперпарамагнетизма, раздельная интерпретация этих составляющих и построение 3D геоэлектрической модели, учитывающей в наиболее полной мере электромагнитные свойства исследуемой среды..
Способ согласно изобретению осуществляется следующим образом.
На исследуемой площади по площадной или профильной системе наблюдений (фиг. 3) в заданных точках осуществляют возбуждение электромагнитного поля с помощью генераторной петли 1.
При этом для выделения составляющих электромагнитного поля, связанных с эффектами ВП и СПМ, предлагается два варианта проведения измерений.
1
2
1. Проводят возбуждение поля дополнительной генераторной петлей 4 меньшего размера, соосной с петлей 1, регистрируя значение поля измерительным датчиком 2, расположенным в центре петли (фиг. 4). Таким образом, с помощью датчика 2 осуществляют регистрацию двух значений компонент электромагнитного поля (V и V) от каждой из указанных генераторных петель 1 и 4. На основе этих измерений разделяют поля СП, ВП, СПМ, в том числе в случае, когда на становление поля накладывается комплексное влияние эффектов ВП и СПМ.
1
2
3
4
2. При стандартной методике проведения площадных или профильных работ в непосредственной близости от генераторной петли 1 располагают четыре измерительных датчика 2 (фиг. 3). Измерения датчиками, соосными с генераторной петлей и вынесенными за ее пределы (как это, например, показано на фиг. 5), позволяют, в соответствии с упомянутой работой Ф.М. Каменецкого, Г.М. Тригубовича, А.В. Чернышева, разделить поля СП и ВП. Для более эффективной работы заявляемым способом в условиях наличия эффектов суперпарамагнетизма предлагается указанные выносные датчики 3 располагать в пределах ближней зоны () на разных расстояниях L от центра генераторной петли 1 (L<L<L<L, как это условно показано на фиг. 8).
В этом случае регистрацию ответного электромагнитного сигнала осуществляют одновременно измерительными петлями (датчиками) 2 и 3, пространственно разнесенными друг относительно друга.
При этом выносные измерительные петли 3, являющиеся измерительными датчиками малых размеров, расположены вне генераторной петли 1 (фиг. 8).
В зависимости от предварительно известных свойств исследуемой среды, в ряде случаев в качестве таких датчиков могут быть использованы датчики из базовой сети, расположенные на разных расстояниях от генераторной петли.
Наличие таких измерений позволяет не только разделить (с учетом влияния разноса на переходные характеристики, измеренные в присутствии пород с магнитной вязкостью), но и проводить интерпретацию данных СПМ в рамках многослойной среды, что, несомненно, более адекватно отображает реальную модель среды.
Известно, что по отношению к процессам СПМ принцип обычного электромагнитного зондирования не работает. Альтернативным способом электромагнитного зондирования среды являются так называемые "геометрические" зондирования [см. Ваньян Л.Л. Электромагнитные зондирования. М., 1997. 218 с]. Для изучения вертикального распределения магнитной вязкости этот способ использовался в работе [Вас. В. Стогний, Н.О. Кожевников*, Е.Ю. Антонов Исследование магнитной вязкости горных пород в условиях их естественного залегания с помощью импульсной индуктивной электроразведки //Геология и геофизика, 2010, т. 51, №11, с. 1565-1575], где описаны последовательные измерения поля с датчиком, перемещающимся по прямой, проходящей через центр генераторной петли и середину одной из его сторон.
Предлагаемый согласно изобретению вариант измерений пятью датчиками, один из которых находится в центре генераторной петли, а четыре вынесены на разные расстояния от центра петли, позволяет практически в рамках стандартной методики площадных работ становлением поля получить информацию о распределении магнитной вязкости и поляризуемости в разрезе. Синхронность измерений повышает помехоустойчивость и производительность работ.
Данные становления поля, преимущественно, интерпретируют по схеме 3D моделирования, изложенной, например, в работе Тригубович Г.М., Персова М.Г., Соловейчик Ю.Г. «3D-электроразведка становлением поля», Новосибирск: Наука, 2009.
Данные ВП и СПМ интерпретируют на более редкой сети, обусловленной расположением генераторных контуров 1.
Если выявленные аномалии ВП и СПМ лежат в зоне влияния аномальных объектов, полученных в результате интерпретации данных становления поля, то соответствующие объекты наделяются дополнительными поляризационными или СПМ-свойствами и проводятся дополнительные итерации подбора уже в рамках среды с дисперсией электрических и магнитных свойств. В частности, это может выражаться в изменении базовой горизонтально-слоистой модели среды, что влечет за собой изменение конфигурации и свойств аномальных зон, выделяемых в целевом горизонте.
В случае, когда аномалии ВП или СПМ не соответствуют аномальными зонам становления поля, проводят дополнительные измерения по более густой сети по профилям, проходящим через эпицентры выделенных аномалий ВП и СПМ, для уточнения характера и размеров аномальных зон (густота сети определяется конкретной задачей).
По результатам всех измерений строят уточненную геоэлектрическую 3D модель среды, наделенную свойствами дисперсии электрических и магнитных свойств, на основании которой определяют геометрические и электрические параметры, а также местоположение геоэлектрических аномалий в целевом горизонте.
Рассмотрим некоторые варианты применения этой методики на примерах разделения различных эффектов и восстановления соответствующих сигналов.
Пример 1. Трехслойная модель среды, осложненная эффектами СПМ во втором слое.
0
-7
Эффекты магнитной вязкости учитываются путем использования комплексной частотно-зависимой магнитной проницаемости , где μ=4π⋅10Гн/м - магнитная проницаемость вакуума,  - магнитная восприимчивость, определяемая формулой:
,
1
2
1
2
0
-6
6
где  - статическая магнитная восприимчивость, τ, τ - минимальное и максимальное времена релаксации ансамбля наночастиц, определяющих наличие СПМ. В дальнейших расчетах полагается: τ=10 с, τ=10c.κ=0.01
Установка имеет следующие параметры:
2
Генераторная петля (ГП): 100×100 м, ток 10А.
2
Приемник: 1×1 м, момент =1000. Уровень измеримости сигнала: 1 мкВ.
Затягивание процесса становления за счет влияния СПМ зачастую выявить очень сложно. Но интерпретация сигналов, измеренных в центре петли без учета СПМ дает разрез, параметры которого сильно отличаются от реальных
Поэтому для определения наличия СПМ и последующего выделения сигнала СПМ необходимо произвести измерения приемным датчиком с двумя разными генераторными контурами с разными размерами и привести их к общему моменту. Если на поздних временах сигнал увеличивается при уменьшении генератора, то это говорит о наличии СПМ.
Разделение сигналов основывается на том, что в поздней стадии индукционный сигнал затухает быстрее, чем сигнал СПМ, который убывает как 1/t.
peг
2
Для достижения поздней стадии регистрацию сигнала осуществляют до времен t превышающих величину, равную Rσμ, где R - характерный размер контура большего размера, σ - типичная для района работ наибольшая удельная проводимость, μ - магнитная проницаемость среды
2
2
2
2
1
2
100
1
max
100
Для примера рассмотрим случай двух соосно расположенных генераторных контуров с размерами 100×100 м и 50×50 м. В данном случае в качестве значения напряженности электромагнитного поля V рассматривается сигнал, измеренный от генераторного контура 50×50 м, а в качестве значения напряженности электромагнитного поля V сигнал V(t), измеренный от генераторного контура 100×100 м. Обозначим  значение сигнала V, приведенного к эффективной площади генератора 100×100 м., -, t - максимальное время измеримого сигнала V(t), тогда восстановленный сигнал СПМ:
SPM
100
max
где k - вычисляется из условий равенства V(t) и V(t) в момент времени t.
Восстановленный сигнал становления поля:
На фиг. 6 - фиг. 7 показаны результаты восстановления сигналов СП и СПМ по указанным формулам для рассматриваемой модели.
Пример 2. Двухслойная модель среды, осложненная наличием ВП в первом слое:
0
Здесь τ - постоянная времени поляризации, 0≤m≤1 - стационарная (установившаяся) поляризуемость, 0<с≤1 - степенной фактор, определяющий форму процесса ВП во временной области. Величина τ измеряется в секундах, ρ- в Омм, величины m и c являются безразмерными.
Ind
IP
Для восстановления поля становления (V) и ВП (V) в этом случае может быть использована схема, обоснованная авторами (Ф.М. Каменецкий, Г.М. Тригубович, А.В. Чернышев «Три лекции о вызванной поляризации геологической среды», Сибирский НИИ геологии, геофизики и минерального сырья, Мюнхенский университет Людвига-Максимилиана, 2014).) На основании применения принципа взаимности несложно показать, что в данном случае (при изменении геометрии генераторных контуров) можно применить следующие формулы для восстановления сигналов
где коэффициент k определяется с учетом конкретной геометрии установки. Принцип расчета коэффициента k показан указанной выше работе. Для данной модели k=1/2
На фиг. 9-10 показаны результаты восстановления сигналов становления поля и сигналов ВП для данной модели.
Пример 3. Трехслойная модель среды, осложненная эффектами СПМ и ВП
На фиг. 11 показаны результаты восстановления сигналов ВП и СПМ для данной модели.
2
100
Как видно из фиг. 11, идентифицировать наличие СПМ и ВП по одному только сигналу, измеренному от генераторной петли 100×100 м, затруднительно, однако, с учетом того, что обычно ВП проявляется на более ранних временах, чем СПМ, на разностном сигнале  можно уверенно идентифицировать часть сигнала, обусловленную эффектом ВП, и часть сигнала, обусловленную эффектом СПМ. Таким образом, разделяя разностный сигнал на две части, и вычитая из исходного сигнала V(t) каждую из них со своим коэффициентом, получим восстановленный индукционный сигнал. При этом коэффициент для СПМ находится по схеме для формул (1)-(2), а коэффициента для ВП по схеме для формул (3)-(4) (фиг. 11 - фиг. 12).
Как видно из приведенных выше результатов, использование схемы измерений с двумя генераторными петлями позволяет успешно решать задачи разделения и восстановления полей в диспергирующих среда.
1
2
3
4
Информация о различных свойствах среды может быть получена и с помощью установки с выносными датчиками 3 расположенными в пределах ближней зоны () на разных расстояниях от центра генераторной петли L<L<L<L (фиг. 8).
При этом сначала по поздней стадии процесса, где основную роль играют процессы, связанные с СПМ, определяют параметры магнитной вязкости. На фиг. 11 видно, что эту стадию можно достаточно успешно выделять. Но в этом случае разделить влияние СП и СПМ с помощью простых формул типа (1)-(2)-затруднительно. Такое разделение можно осуществить на основе решения обратной задачи в рамках горизонтально слоистой среды, наделенной дисперсией магнитных свойств, например, путем минимизации соответствующего функционала
j
j
j
i
где N - количество временных задержек на j-том датчике, V(t) результаты измерения на j-том датчике, U(t,g) - результат решения прямой задачи, g - вектор параметров, включающий мощности слоев и параметры магнитной вязкости каждого слоя.
Для полученных параметров рассчитывается возможное влияние процессов СПМ на более раннюю стадию процесса становления электромагнитного поля и полученное поле вычитается из наблюденного сигнала.
Затем в оставшемся поле производится разделение сигналов, обусловленных СП и ВП, на основе схемы, предложенной в работе (Ф.М. Каменецкий, Г.М. Тригубович, А.В. Чернышев «Три лекции о вызванной поляризации геологической среды», Сибирский НИИ геологии, геофизики и минерального сырья, Мюнхенский университет Людвига - Максимилиана, 2014). Для случая двух измерений, отличающихся геометрией приемно-генераторной установки, формулы для разделения сигналов имеют вид (3)-(4). Такие же формулы могут быть использованы и в случае наличия пяти измерений. При этом несколько изменяется способ расчета коэффициента к.
Известно, что характер спада кривой становления поля, обусловленный суперпарамагнетизмом, имеет характерный вид 1/t, что не позволяет проводить зондирование. Но различие в кривых становления поля, измеренных на различных разносах над средой, обладающей суперпарамагнитными свойствами, позволяет осуществлять такое зондирование, разделяя влияние различных слоев. Пример таких кривых, полученных над средой, параметры которой приведены в таблице 1, показано на фиг. 13.
Если влияние СПМ априорно отсутствует, измерения можно проводить по стандартной технологии, располагая выносные датчики на одинаковом расстоянии от центра генераторной петли. Расстояние L, на которое должен выноситься датчик 3, определяется известным критерием ближней зоны и выражается как  где t - время измерения, σ - удельная проводимость, μ - магнитная проницаемость среды.
После выделения составляющих измеренного электромагнитного поля, обусловленные становлением поля, ВП и СП, проводят их раздельную интерпретацию.
Как уже отмечалось, задача такого разделения особенно важна при площадных работах в горизонтально неоднородных средах, когда эффекты ВП и влияние неоднородностей имеют сходный характер (фиг. 1 - фиг. 2). Кроме того, раздельная интерпретация помогает существенно повысить достоверность информации о свойствах среды.
В качестве примера, иллюстрирующего повышение достоверности интерпретации, рассмотрим вариант предложенной схемы измерений с соосным датчиком 2 в центре генераторной петли (100×100 м.) 1 и датчиками 3, вынесенными на расстояния 60, 80, 100, 120 м.
Параметры модели (мощность слоя h(м), ρ - удельное сопротивление слоя (Омм), τ - постоянная времени поляризации, 0≤m≤1 - стационарная (установившаяся) поляризуемость, 0<с≤1 - степенной фактор) приведены в таблице 4.
Соответствующий коэффициент k при этом равняется 1.4. На фиг. 14 показан результат восстановления сигнала ВП по совокупности измерений.
Как видно из представленных графиков (кривые 3 и 4), восстановленные сигналы ВП достаточно близки к теоретически рассчитанным значениям.
Отметим, что даже для такого простого случая возникают существенные проблемы при попытках восстановления сразу всех параметров модели (толщин, сопротивлений и поляризационных параметров). Расчеты показывают, что результат, даже в отсутствии помех, может существенно (особенно по параметрам поляризуемости) отличаться от реальных значений в зависимости от начального приближения (см. таблицу 5).
Хорошее начальное приближение может быть получено с помощью раздельной интерпретации процессов, обусловленных эффектами СП, ВП и СПМ.
В приведенном ниже примере рассмотрен предлагаемый подход к восстановлению параметров среды, основанный на независимой интерпретации разделенных сигналов СП и ВП.
Вначале восстановим сигналы СП и ВП с помощью формул (3-4) и по восстановленному сигналу СП произведем подбор параметров h и ρ. Результаты представлены в таблице 6.
Зафиксировав геометрию и сопротивление среды, восстановленной на первом этапе, восстанавливают параметры ВП (поляризуемость, постоянная времени поляризации, степенной фактор) по сигналу ВП.
Результаты подбора представлены в таблице 7
Следует отметить, что данный результат был получен из различных начальных приближений.
После того как приближенно восстановлены параметры поляризующейся среды по разделенным сигналам, можно использовать эти параметры в качестве начальных при уточнении параметров среды по исходному (суммарному) сигналу.
Для вышеприведенного примера, таким образом, были восстановлены значения, близкие к истинным значениям параметров среды (таблица 8).
В качестве примера реального полевого эксперимента ниже представлены работы по методике зондирований с разделением полей индукционного и поляризационного происхождения на основе предложенного способа на участке расположения известной кимберлитовой трубки.
По предыдущим работам на этой площади было известно, что методом становления поля трубка не фиксировались.
2
Работы проводились с генераторной петлей 500×500 м. При этом вблизи трубки были зафиксированы сигналы, указывающие на наличие эффектов ВП (фиг. 15).
2
Для детализации зоны влияния ВП были дополнительно проведены работы с генераторными петлями 100×100 м, позволившие по предлагаемой методике выделить сигналы и оконтурить зону ВП. Расположение генераторных петель и измерительных датчиков показано на фиг. 16.
С помощью дополнительных измерений была оконтурена зона ВП и выявлено отсутствие проявления трубки по индукционным (СП) данным (фиг. 17).
2
2
2
На фиг. 18 показан аномальный сигнал (сигнал без учета базовой горизонтально -слоистой модели среды) от петли 500×500 м в сравнении с зоной ВП, полученной с петлями 100×100 м. Сигнал ВП, полученный с петлями 100×100 м, был выделен из суммарного сигнала, обработан и проинтерпретирован, что позволило выделить в разрезе объект, формирующий наблюдаемый эффект ВП.
2
Учет влияния этого объекта в поле петли 500×500 м привел к новому аномальному полю, показанному на фиг. 19. Как видно из рисунка после учета процессов ВП кимберлитовая трубка хорошо фиксируется в наблюденном поле.
Таким образом, проведенные расчеты и эксперименты показывают, что предлагаемый способ геоэлектроразведки позволяет существенно улучшить решение прогнозных задач за счет выделения не фиксируемых стандартными электроразведочными методами аномальных зон, привязанных к реальным целевым объектам.
Способ согласно изобретению целесообразно использовать в технологии электромагнитного сканирования при исследованиях малых и средних глубин. При этом для разделения процессов становления поля от процессов ВП при исследовании разреза до глубин 100 м в электроразведочном измерительном комплексе целесообразна организация двухканальной синхронной регистрации электромагнитных сигналов от разнесенных измерительных датчиков, что позволит на основе формул (3-4) построить аппаратурную схему для непосредственной регистрации разделенных процессов ВП, СП.