Способ электроразведки
METHOD OF ELECTRICAL EXPLORATION

Предлагаемое изобретение относится к области геологоразведки, археологии, технической геофизики и криминалистики, а именно к электромагнитным методам исследования и разведки, в частности к способам индукционного профилирования и обнаружения, и может быть использовано, преимущественно, в рудной и структурной электроразведке в сухопутном и подводном вариантах, для изучения геологического строения участков земли, в том числе в пределах мелководной акватории, поиска подземных коммуникаций, поиска и разведки месторождений руд цветных и благородных металлов, углеводородов, кимберлитовых трубок, источников пресных и термальных вод и других полезных ископаемых, экологических, инженерно-строительных и инженерно-геологических изысканиях, а также для обнаружения и идентификации скрытых объектов из электропроводных и/или ферромагнитных материалов, расположенных под поверхностью грунта в наземных или подводных условиях, проведения мониторинга сейсмоопасных районов и решения других прикладных инженерных задач.
В последнее время в связи с расширением круга задач, актуальных для российской экономики в сфере инженерных изысканий, геологоразведки, технической геофизики и криминалистики, повышением требований к результативности и надежности изысканий и исследований, а также в связи с современным развитием технических средств проблема возможности проведения высокоэффективной электроразведки в сухопутном и подводном вариантах на больших пространстве и глубине в едином измерительном процессе встала достаточно остро. Связано это с необходимостью разработки более эффективных методов обнаружения и идентификации скрытых объектов из электропроводных и/или ферромагнитных материалов и решения других прикладных инженерных задач, так как существующие методы обнаружения и идентификации скрытых объектов не позволяют в одном процессе исследования (разведки) охватывать значительные в несколько сотен метров в поперечных размерах участки в земле и мелководных водоемах, и требуют значительного времени для их реализации.
Известен способ дипольного индуктивного профилирования, применяемый для поисков рудных месторождений и геоэлектрического картирования горных пород, в котором измерения проводят, последовательно перемещая по профилю источник электромагнитного поля (вертикальный магнитный диполь) и приемный магнитный датчик с постоянным расстоянием между источником электромагнитного поля и приемным магнитным датчиком. При измерениях широко применяют аппаратуру дипольного электромагнитного профилирования (ДЭМП-СЧ), позволяющую регистрировать амплитуды вертикальной и радиальной составляющих электромагнитного поля [2]. По значениям амплитуд составляющих электромагнитного поля либо по их отношению вычисляют эффективное сопротивление среды и по распределению значений вдоль профиля измерений судят о наличии геоэлектрической неоднородности в изучаемом разрезе.
Недостатком известного технического решения являются низкая эффективность поисковых работ вследствие возможности проведения в исследуемой среде разведки на малую глубину, невозможности осуществлять электроразведку на мелководных акваториях и малого количества определяемых параметров изучаемой среды.
Наиболее близким техническим решением (прототипом) является способ электроразведки, в котором используют отнесенные друг от друга источник электромагнитного поля и приемный магнитный датчик, заключающийся в регистрации магнитного поля, возбуждаемого в среде источником электромагнитного поля, отличающийся тем, что в нем источник электромагнитного поля и приемный магнитный датчик размещают на фиксированном расстоянии в положении, исключающем как прямое воздействие источника электромагнитного поля на приемный магнитный датчик, так и влияние на него вторичного магнитного поля, возбуждаемого во вмещающей геологической среде, а электромагнитное профилирование для изучения верхней части разреза осуществляют путем горизонтального смещения относительно границы раздела «земля - воздух» одновременно источника электромагнитного поля и приемного магнитного датчика с непрерывной или дискретной регистрацией аномальной составляющей магнитного поля, по распределению которой на заданной системе профилей судят о наличии геоэлектрической неоднородности верхней части разреза [3].
Недостатком известного технического решения являются низкая эффективность поисковых работ вследствие возможности проведения в исследуемой среде разведки на малую глубину, малого количества определяемых параметров изучаемой среды и невозможности осуществлять электроразведку на мелководных акваториях.
Новым достигаемым техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение эффективности поисковых работ при увеличении количества определяемых параметров изучаемой среды.
Новый технический результат достигается тем, что в способе электроразведки, включающем возбуждение генератором переменного тока в петле переменного тока, и возбуждение переменным током, протекающим в петле, переменного вертикального магнитного поля, прием магнитного поля, индуцированного в исследуемой среде, создаваемым в петле переменным магнитным полем, приемным устройством, регистрацию характеристик магнитного поля регистрирующим устройством, горизонтальном перемещении приемного и регистрирующего устройств вдоль заданной системы профилей наблюдений на исследуемом участке с непрерывной или дискретной регистрацией характеристик магнитного поля и определении на основе зарегистрированных характеристик магнитного поля наличия на плане заданной системы профилей наблюдений предполагаемой неоднородности, присутствующей в исследуемой среде, в отличие от прототипа, в качестве приемного устройства используют, по крайней мере, один индукционный магнитоэлектрический преобразователь, в качестве регистрирующего устройства используют измерительное устройство, измеряющее и регистрирующее амплитудные и фазовые характеристики суммарного первичного и вторичного магнитного поля посредством формирования опорного сигнала на генераторе переменного тока и передачи его в измерительное устройство по каналу связи, петлю размещают стационарно в течение всего процесса измерения, переменный ток от генератора и переменное магнитное поле возбуждают в звуковом диапазоне частоты, индукционные магнитоэлектрические преобразователи перемещают совместно с измерительным устройством на исследуемом участке внутри и вне петли на расстояниях, не превышающих среднее расстояние от центра петли более чем в два раза линейных размеров петли, затем на основе полученных результатов измерений амплитудных и фазовых характеристик магнитного поля строят графики и карты относительных амплитудных и фазовых характеристик магнитного поля вдоль профилей наблюдений, определяют на основе относительных амплитудных и фазовых характеристик магнитного поля вдоль профилей наблюдений и первичных характеристик переменного тока, возбуждаемого генератором, значения эффективного удельного электрического сопротивления грунтов на исследуемом участке и на их основе строят графики и карты значений эффективного удельного электрического сопротивления грунтов на исследуемом участке, локализуют на плане заданной системы профилей наблюдений предполагаемую неоднородность, обладающую электропроводящими и/или ферромагнитными свойствами и присутствующую в исследуемой среде, на основе обработки и интерпретации графиков и/или карт относительных амплитудных и фазовых характеристик магнитного поля вдоль соответствующих профилей наблюдений и графиков и/или карт значений эффективного удельного электрического сопротивления грунтов на исследуемом участке.
Петлю могут размещать на поверхности исследуемого участка.
Переменный ток от генератора и переменное магнитное поле могут возбуждать в диапазоне частот от десятков герц до десятков килогерц.
Индукционные магнитоэлектрические преобразователи и измерительное устройство могут выполнить в виде единой приемно-измерительной установки.
Положение индукционных магнитоэлектрических преобразователей совместно с измерительным устройством или приемно-измерительной установки могут определить с помощью спутниковых систем навигации типа GPS или ГЛОНАСС.
Канал связи могут выполнить в виде проводного или беспроводного канала связи.
Петлю могут выполнить с максимальным габаритным размером, не превышающим среднее расстояние от центра питающей (генераторной) петли более чем на 800 метров.
Количество индукционных магнитоэлектрических преобразователей могут определять в зависимости от измерения характеристик напряженности магнитного поля и/или вертикального и/или горизонтального градиентов напряженности магнитного поля.
Систему профилей наблюдений предполагаемой неоднородности, присутствующей в грунте на исследуемом участке, могут задавать, а локализацию данной предполагаемой неоднородности определяют на суше и в пределах акватории глубиной до 50 метров.
Предложенный способ электроразведки реализуется следующим образом.
2
2
На исследуемом участке (1) (фиг. 1), например на поверхности земли или на поверхности грунта в подводных условиях на мелководной акватории или частично на поверхности земли и на поверхности грунта в подводных условиях одновременно, размещают стационарно в течение всего процесса измерения незаземленную петлю (2), имеющую поперечные размеры, например 200 х 200 м, например, из покупного медного изолированного геофизического провода ГПМП с сечением меди 6 мм, сопротивлением 2,4 Ом и индуктивностью 1,6 мГ или, например 800 х 800 м, например, из покупного медного изолированного геофизического провода ГПМП с сечением меди 6 мм, сопротивлением 9,6 Ом и индуктивностью 8 мГ. Петлю (2) при необходимости могут разместить на некоторой высоте над поверхностью исследуемого участка (1), например, на опорных держателях.
Форма петли (2) может быть в виде прямоугольника, квадрата, круга с максимальным габаритным размером не более чем 800 м.
Глубина водной акватории, на которой возможно проведение процесса наблюдений, измерений, поисковых работ, исследований и разведки предполагаемой неоднородности, обладающей электропроводящими и/или ферромагнитными свойствами и присутствующей в исследуемом грунте, не должна превышать 50 метров.
Возбуждают генератором переменного тока (3) в течение всего процесса измерения в петле переменный ток звукового диапазона частоты, преимущественно в диапазоне частот от десятков герц до десятков килогерц.
В качестве генератора переменного тока (3) может быть использован, например, покупной генератор АСТРА-100 фирмы ООО «Северо-запад» с характеристиками: амплитуда выходного тока - 1-1000 мА, рабочие частоты - 0,019-2500 Гц.
Переменный ток, протекающий в петле, в свою очередь, возбуждает на участке (1) внутри петли (1а) и вне петли (16) по нормали к поверхности, на которой размещена петля (2), вертикальное переменное первичное магнитное поле звукового диапазона частоты, преимущественно в диапазоне частот от десятков герц до десятков килогерц.
Вертикальное переменное первичное магнитное поле индуцирует в исследуемой среде вторичное магнитное поле в электропроводящих (в том числе металлических) частях объекта поиска, в том числе вторичное магнитное поле, возникающее вследствие эффекта подмагничивания частей объекта поиска, состоящих из материалов, обладающих ферромагнитными свойствами, или вторичное магнитное поле возникает как суммарный эффект обоих указанных факторов, если объект поиска (исследования или разведки) обладает и электропроводящими, и ферромагнитными свойствами одновременно.
После индуцирования в исследуемой среде вторичного магнитного поля осуществляют прием и регистрацию суммарного (первичного и вторичного) магнитного поля с помощью индукционных магнитоэлектрических преобразователей (4). Количество используемых в заявляемом способе электроразведки индукционных магнитоэлектрических преобразователей (4) составляет от 1 до 6 в зависимости от того, выполняются измерения только напряженности суммарного (первичного и вторичного) магнитного поля или еще и вертикального и/или горизонтального градиентов напряженности суммарного (первичного и вторичного) магнитного поля.
Определение значений напряженности суммарного (первичного и вторичного) магнитного поля необходимо для оценки значений эффективного удельного электрического сопротивления грунтов на исследуемом участке, а также характеристик и параметров намагниченности грунтов позволяет построить карты и/или графики значений эффективного удельного электрического сопротивления грунтов и/или параметров намагниченности грунтов на исследуемом участке.
Расчетное удельное электрическое сопротивление грунта (Ом⋅м) - это параметр, определяющий уровень «электропроводности» грунта (земли) как проводника. Это - измеряемая величина, зависящая от состава грунта, размеров и плотности прилегания друг к другу его частиц, влажности и температуры, концентрации в нем растворимых химических веществ (солей, кислотных и щелочных остатков) и других, в том числе вследствие вторичного магнитного поля, возникающего вследствие эффекта подмагничивания неоднородностей, обладающих электропроводящими и/или ферромагнитными свойствами, и присутствующих в исследуемой среде факторов.
Определение значений вертикального и/или горизонтального градиента напряженности суммарного (первичного и вторичного) магнитного поля необходимо для уверенного выявления участков с аномальными характеристиками магнитного поля и, как следствие, позволяет определить положение локальных объектов, обладающих аномальными (относительно вмещающей среды) электрическими и/или магнитными свойствами.
В качестве индукционных магнитоэлектрических преобразователей (4) могут быть использованы, например, покупные индукционные магнитоэлектрические преобразователи фирмы ООО «НПП ЭРА» с рабочими частотами 625 или 1250 Гц,
Осуществляют измерение амплитудных и фазовых характеристик суммарного (первичного и вторичного) магнитного поля с помощью измерительного устройства (5). При этом для измерения фазовых характеристик суммарного (первичного и вторичного) магнитного поля формируют опорный сигнал на генераторе переменного тока (3) и передают в измерительное устройство (5) по каналу (проводному или беспроводному) связи (7).
В качестве измерительного устройства (5) может быть использовано, например, покупное измерительное устройство Е14-440 фирмы ООО L-card с характеристиками: многоканальный аналогово-цифровой преобразователь с максимальным количеством каналов - 32, частотой преобразования - 400 кГц, диапазоном входных сигналов - ±10 В.
При необходимости индукционные магнитоэлектрические преобразователи (4) и измерительное устройство (5) выполняют в виде единой приемно-измерительной установки (6).
Горизонтально перемещают индукционные магнитоэлектрические преобразователи (4) совместно с измерительным устройством (5) или приемно-измерительную установку (при ее наличии) вдоль заранее заданной системы профилей наблюдений на исследуемом участке (1) внутри (1а) и вне петли (16) на расстояниях до 2 линейных размеров питающей (генераторной) петли от центра петли (2) с непрерывной или дискретной регистрацией и измерением амплитудных и фазовых характеристик суммарного (первичного и вторичного) магнитного поля. Определение положения индукционных магнитоэлектрических преобразователей (4) совместно с измерительным устройством (5) или приемно-измерительной установки (при ее наличии) выполняют с помощью спутниковых систем навигации типа GPS или ГЛОНАСС или другими известными способами.
В качестве спутниковой системы навигации может быть использована, например, покупная система навигации GPSMAP 421s фирмы Garmin, включающая навигатор, совмещенный с эхолотом; допустимые глубины - до 500 м.
На основе полученных результатов измерений амплитудных и фазовых характеристик суммарного (первичного и вторичного) магнитного поля строят графики и карты относительных амплитудных и фазовых характеристик суммарного (первичного и вторичного) магнитного поля вдоль профилей наблюдений. Пример графика относительной амплитуды (в процентах), полученной на основе измерений, представлен на фиг. 2а. Пример графика сдвига фазы (в градусах), полученной на основе измерений, представлен на фиг. 2б. Оба графика построены по профилю наблюдений. По оси абсцисс отложены номера пунктов наблюдений. На пикетах 35-45 наблюдается аномальная зона, обусловленная влиянием металлического объекта, расположенного под профилем наблюдений.
Определение значений амплитудных и фазовых характеристик суммарного (первичного и вторичного) магнитного поля необходимо для оценки значений эффективного (кажущегося) удельного электрического сопротивления грунтов на исследуемом участке, а также характеристик и параметров намагниченности грунтов и позволяет построить карты и/или графики значений эффективного (кажущегося) удельного электрического сопротивления грунтов и/или параметров намагниченности грунтов на исследуемом участке.
Эффективное (кажущееся) удельное сопротивление предполагает наличие неоднородной среды, наличие однородной изотропной среды предполагает истинное удельное сопротивление. Пример расчета эффективного (кажущегося) удельного сопротивления приведен, например, в работе [4].
Определяют на основе полученных результатов измерений относительных амплитудных и фазовых характеристик суммарного (первичного и вторичного) магнитного поля вдоль профилей наблюдений и первичных характеристик переменного тока, возбуждаемого генератором (3), значения эффективного (кажущегося) удельного электрического сопротивления грунтов на исследуемом участке (1), и на их основе строят графики и карты значений эффективного (кажущегося) удельного электрического сопротивления грунтов на исследуемом участке (1).
Определение значений эффективного (кажущегося) удельного электрического сопротивления грунтов на исследуемом участке (1) необходимо для оценки литологического и минерального состава горных пород и грунтов, слагающих изучаемый участок, выявления зон повышенной и пониженной увлажненности грунтов, оценки степени промерзания и льдистости грунтов и других параметров и позволяет получить материалы, характеризующие геологическое, гидрогеологическое, геокриологическое и иное строение изучаемого участка в интересах геологоразведки, проектирования строительства зданий и сооружений, геоэкологии и т.д.
Определяют наличие и локализацию на плане заданной системы профилей наблюдений предполагаемой неоднородности, обладающей электропроводящими и/или ферромагнитными свойствами и присутствующей в исследуемой среде, на основе обработки и интерпретации графиков и карт относительных амплитудных и фазовых характеристик суммарного (первичного и вторичного) магнитного поля вдоль соответствующих профилей наблюдений и графиков и карт значений эффективного (кажущегося) удельного электрического сопротивления грунтов на исследуемом участке (1).
На основании вышеизложенного новый достигаемый технический результат предлагаемого изобретения обеспечивает следующие технические преимущества (по сравнению с прототипом).
1. Повышение эффективности поисковых работ не менее чем на 10% за счет увеличения глубины исследований и разведки и количества определяемых характеристик и параметров изучаемой среды.
2. Увеличение глубины исследований и разведки до десятков метров в зависимости от размера генераторной петли.
3. Увеличение количества определяемых характеристик и параметров изучаемой среды (оценка литологического и минерального состава горных пород и грунтов, слагающих изучаемый участок, выявление зон повышенной и пониженной увлажненности грунтов, оценки степени промерзания и льдистости грунтов и других параметров), в том числе за счет определения значений эффективного (кажущегося) удельного электрического сопротивления грунтов на исследуемом участке (1), определения характеристик и параметров намагниченности грунтов.
4. Возможность выполнения наблюдений, измерений, поисковых работ, исследований и разведки на мелководных акваториях.
В настоящее время в организациях ООО «Научно-производственный центр Геоскан» и в ООО ЭМКО электромеханическая компания проведены испытания и выпущена на их основе технологическая и конструкторская документация на заявляемый способ электроразведки.
Источники информации
1. Электроразведка: справочник геофизика. - Кн. первая. - М.: Недра, 1989. - 438 с.
2. Вешев А.В. Электропрофилирование на постоянном и переменном токе. - Л.: Недра, 1980. - 391 с.
3. Патент Российской Федерации №2276389, 2006, МКИ G01V 3/08.
4. Низкочастотная индуктивная электроразведка при поиске и разведке магнитных руд / Ю.И. Блох, Е.М. Гаранский, И.А. Доброхотова и др. – М.: Недра, 1986. - 192 с.