Способ геоэлектроразведки
METHOD OF GEOELECTRICAL PROSPECTING

Изобретение относится к многоканальным геофизическим исследованиям и предназначено для решения инженерно-геологических, шахтных, геотехнических, экологических задач, поиска полезных ископаемых и подземных вод.
Одним из базовых методов геоэлектроразведки является метод вертикального электрического зондирования (ВЭЗ). Метод основан на использовании геометрического принципа зондирования, заключающегося в повышении эффективной глубины проникновения электрического тока при увеличении расстояния между приемными и питающими электродами измерительной установки, называемого разносом установки r [1]. Метод ВЭЗ включает несколько видов измерительных установок. Основной из них является симметричная четырехэлектродная установка Шлюмберже, представляющая собой два питающих электрода А и В, с помощью которых подается в землю ток силы J, и два приемных электрода М и N, между которыми измеряется разность потенциалов ΔU (Фиг. 2а). Разносом установки является величина r=АВ/2. Одной из модификаций установки Шлюмберже является трехэлектродная установка, получаемая путем удаления одного из питающих либо приемных электродов ортогонально ее направлению на расстояние, примерно в 10 раз превышающее эффективную глубину зондирования Zэф (Zэф=2r) [1, 6 (п. 3.3.3)], или в 5 раз разнос установки r, при котором можно пренебречь влиянием удаленного электрода на результат измерений. Разносом установки r в случае трехэлектродной установки является расстояние между центром спаренных электродов и вторым (рабочим) электродом. В целом метод ВЭЗ обладает строгим физико-математическим обеспечением, позволяющим получать информацию об изменении электрических свойств геологических пород для заданного интервала глубин [2].
Одним из основных недостатков метода ВЭЗ является большая трудоемкость, связанная с многократной (до 15-20 раз) ручной перестановкой электродов при выполнении зондирования на каждом из пикетов наблюдений, осуществляемой при выполнении зондирования в целях увеличения глубины проникновения тока.
В связи с этим в последние годы большое внимание уделяется созданию модификаций, позволяющих значительно повысить производительность выполнения таких работ. Одной из первоначальных модификаций, являющейся аналогом предлагаемого способа, явился способ сплошных зондирований (СЭЗ) [3], переименованный позднее в способ 2D-электротомогафии. Вслед за этим был создан способ групповых зондирований (ГЗ) [4], сочетающих ряд достоинств метода СЭЗ и классического метода ВЭЗ.
j+1
j
Прототипом предлагаемого технического решения является способ геоэлектроразведки для выполнения групповых зондирований геологической среды, основанный на использовании многоэлектродной установки в виде косы [4], в которой используют систему парных электродов, расположенных с постоянным шагом вдоль профиля наблюдений, выполняющих в процессе зондирования последовательно функцию как приемных, так и питающих линий в варианте трехэлектродной установки, обеспечивая, в отличие от способа СЭЗ, независимость задания длины приемной линии MN от шага между пикетами, снижение, при необходимости, переходного заземления питающей линии посредством подачи тока в землю спаренными электродами и повышение плотности наблюдений за счет получаемого дополнительного зондирования, при этом для обеспечения одинаковой максимальной глубины зондирования на всех пикетах группового электрического зондирования используют методику встречных трехэлектродных установок. Электрическое зондирование в каждой точке выполняется путем последовательного подключения питающего электрода А с заданным шагом приращения разносов Δr=r-r.
Одним из недостатков данного метода является повышенная сложность и длительность процесса измерений, связанная с необходимостью многократного (n-кратного, n - число разносов установки) подключения источника питающей линии, требующего затрат времени на стабилизацию генерируемого тока, что ограничивает возможность применения аппаратурных комплексов, позволяющих осуществлять единовременную регистрацию генерируемого электрического поля на всех разносах установки при зондировании на каждом пикете. Можно отметить и ограниченность его практического применения ввиду использования одной фиксированной длины приемной линии, равной расстоянию между спаренными электродами, которая по мере увеличения разносов установки может снизить измеряемую разность потенциалов до величины ниже допустимой (0.1-0.5 мВ) [1, кн. 1 (с. 97)].
Задачей создания изобретения является устранение недостатков прототипа.
Поставленная задача решается с помощью признаков, указанных в 1-м пункте формулы изобретения, общих с прототипом, таких как способ геоэлектроразведки для выполнения групповых зондирований геологической среды, основанный на использовании многоэлектродной установки в виде косы, и отличительных существенных признаков, таких как для измерений используют инверсионную многоэлектродную установку, осуществляют единовременную регистрацию разности потенциалов на всех разносах каждого измеряемого зондирования при фиксированном положении для него питающей линии АВ, причем для выполнения каждого зондирования ведут измерения при двух фиксированных линиях АВ, последовательно подключаемых в процессе измерений: для первой из них используют спаренные электроды АВ, а в качестве второго размера АВ, подключаемого при снижении уровня сигнала ниже допустимого, примыкающие к спаренным электродам два ближайших соседних электрода, при этом для крайних пикетов используют два дополнительных электрода на концах измерительной косы.
Согласно пункту 2 формулы изобретения процесс съемки ведут в автоматическом режиме с помощью коммутатора переключения каналов.
Перечисленная выше совокупность признаков позволяет получить следующий технический результат- сокращение времени проведения измерений, оперативность исследования массива горных пород, расширение интервала обследуемых глубин, возможность создания аппаратурных комплексов для выполнения единовременных многоканальных измерений для способа группового зондирования.
1
Предлагаемый способ иллюстрируется графическими материалами, где на Фиг. 1 проиллюстрирована суть принципа взаимности. На Фиг. 2 показано использование этого принципа для преобразования традиционной (а), в инверсионную (б) измерительную установку. На Фиг. 3 показаны особенности проявления приповерхностных неоднородностей при использовании традиционной (а) и инверсионной (б) установок. На Фиг. 4 приведена схема выполнения групповых зондирований с помощью инверсионной многоэлектродной измерительной установки при числе разносов для каждого зондирования n=5; С – область, соответствующая одинарным измерениям 3-электродной измерительной установкой; D - область перекрытия измерений прямой и встречной трехэлектродными установками (АВ-М и М-АВ), суммарное значение измеряемых значений потенциала в этой области адекватно результатам применения 4-электродной установки [2 (с. 39)]. На Фиг. 5 приведены результаты заверочных экспериментальных работ: разрезы кажущегося сопротивления, полученные методом группового зондирования традиционной (а) и инверсионной (б) измерительными установками. На Фиг. 6 дана схема процесса измерений методом сплошного зондирования традиционной (а) и инверсионной (б) установками. На Фиг. 7 приведены результаты интерпретации материалов, полученных методом сплошных зондирований: разрезы кажущегося сопротивления для традиционной (а) и инверсионной (б) измерительных установок.
МА
АМ
Предлагаемый в данной заявке новый метод основан на использовании принципа взаимности [5]. Согласно принципу взаимности источник, помещенный в точку А, вызывает в точке М значение потенциала электрического поля U, такое же, как и значение потенциала U в точке А, образующегося при помещении источника в точку М независимо от характера пространственного изменения физических свойств среды (Фиг. 1). То есть при взаимной замене питающего и приемного электродов (Фиг. 1) выполняется соотношение
При выполнении измерений с традиционной установкой (Фиг. 2а) измеряемое значение разности потенциала между точками М и N определяется по формуле
При этом точка записи соответствует положению приемных электродов MN [2].
Используя принцип взаимности (1), соотношение (2) можно переписать в виде:
Полученное соотношение (3) соответствует измерительной установке, приведенной на Фиг. 2б.
1
2
Сопоставление соотношений (2) и (3) показывает, что принцип взаимности (1) обеспечивает выполнение соотношения ΔU=ΔU. То есть вместо измерительной установки (Фиг. 1) можно использовать ее инверсионный аналог (Фиг. 2).
Из этого вытекает два важных вывода:
1. Ввиду независимости выполнения принципа взаимности от строения и физического состояния геологической среды проявление неоднородности, расположенной в точке записи, должно быть идентичным при измерениях с обычной и инверсионной установками. В частности, проявление Р-эффекта, который обычно связывается с наличием локальной неоднородности вблизи приемной линии MN (Фиг. 3а) [2], в случае инверсионной установки отождествляется с положением этой неоднородности вблизи питающей линии АВ (Фиг. 3б). То есть природа Р-эффекта связана не с функциональным назначением электрода (приемный-питающий), а с соотношением размеров спаренных электродов и их расположением относительно локальной неоднородности. Аналогичный вывод может быть получен и для известного С-эффекта [2], отображающего наличие неоднородности вблизи отдельного питающего электрода.
2. Ввиду полной тождественности традиционной и инверсионной установок сохраняется и положение точки записи, которая в случае инверсионной установки (Фиг. 3б) должна соответствовать положению спаренных питающих электродов АВ.
Все это обосновывает возможность создания новой модификации групповых зондирований.
1
∞
∞
На Фиг. 4 приведена схема выполнения групповых зондирований с помощью инверсионной многоэлектродной измерительной установки при числе разносов установки n=5, где А, В - питающие электроды; М, N - приемные электроды; С - область одинарных измерений 3-электродной измерительной установкой); D - область перекрытия измерений прямой и встречной трехэлектродными установками (суммарное значение потенциала на каждом разносе совместного измерения этими установками соответствует значениям потенциала 4-электродной установки [2 (с. 39)]). В качестве электрода N используется приемный электрод, удаленный от точки записи на расстояние, примерно в 5 раз превышающее расстояние до электрода М в перпендикулярном относительно оси установки направлении.
Общие условия проведения процесса
∞
i
1
∞
Общая схема предлагаемого способа группового зондирования с использованием многоканальной инверсионной измерительной установки (ГИЗ) показана на Фиг. 4. Она отображает систему спаренных электродов, расположенных равномерно вдоль линии измерений с шагом Δx (Фиг. 4а), которые используются в процессе измерений для формирования как питающих (АВ), так и приемных (MN) линий (Фиг. 4б). Зондирование на каждом пикете выполняется при фиксированном положении питающих электродов АВ, с измерением разности потенциалов между изменяемым по расстоянию приемным электродом М, в интервале заданного числа разносов r, (i=1, n), и фиксированным электродом N. Разносом r в данном случае является расстояние от центра питающей линии АВ до приемного электрода М. В качестве действующих разносов в зависимости от требуемой детальности съемки выбирается набор М, включающий либо один из спаренных электродов, либо каждый из них (это задается в управляющей программе коммутатора). В рассматриваемой иллюстрации, для упрощения раскрытия сути съемки, приведен вариант использования одного (первого по ходу) из спаренных электродов.
1
1
1
1
1
1
max
Длина измерительной косы при числе разносов зондирующей установки n и шаге между пикетами Δx (расстояние между центрами парных электродов) равна L=2n⋅Δx+2(Δx-AB) (при четном числе разносов), либо L=(2n-1)Δx+2(Δx-AB) (в случае нечетного числа разносов). Расстояние между парными электродами, соответствующее длине питающей линии АВ, выбирается в соответствии с условием АВ<2Δх. Максимальный разнос зондирующей установки, равный n⋅Δr, обеспечивает предельно возможную для данной установки эффективную глубину зондирования Z≈0.5 n⋅Δr, одинаковую на всех пикетах исследуемого разреза. Количество разносов установки n выбирается исходя из требуемой эффективной глубины зондирования геологической среды и шага между пикетами согласно соотношению  при выполнении двух условий: AB≤2Δx и L=4Z.
1
1
1
В итоге групповой съемки с использованием трехэлектродной установки получается 2n (при четном числе разносов n), либо 2n+1 (при нечетном числе разносов) зондирований.
В целях получения информации об изучаемом разрезе до предельно возможной и одинаковой для всей совокупности групповых зондирований исследуемой глубины, применяется методика измерений с использованием встречных установок. В соответствии с данной методикой при выполнении зондирований в пределах первой половины длины косы используется прямая трехэлектродная установка АВ-М, а после достижения последним питающим электродом М границы измерительной косы, - обратная трехэлектродная установка М'-АВ (Фиг. 4б).
Для поддержания величины изменяемого сигнала в допустимых пределах, определяемых точностью измерительной аппаратуры, используется, при необходимости, вариант повышения уровня сигнала за счет увеличения размера питающей линии АВ, являющейся в случае инверсионной установки функциональным аналогом приемной линии (Фиг. 2). Для этого предусмотрено использование двух фиксированных АВ, последовательно подключаемых в процессе измерений: на первом (начальном) этапе используются спаренные электроды АВ, а при снижении измеряемого сигнала ниже допустимого уровня - примыкающие к спаренным электродам АВ два соседних электрода. В связи с этим для крайних пикетов используются два дополнительных электрода на концах измерительной косы (электроды 0 и 21 (Фиг. 4а, б)).
Весь процесс съемки рассмотренной инверсионной измерительной установкой выполняется в автоматическом режиме с помощью коммутатора переключения каналов, обеспечивая возможность единовременной регистрации совокупности значений регистрируемого сигнала ΔU на заданных разносах электрического зондирования.
Получаемые в результате съемки значения электрического поля (разности потенциалов ) содержат информацию, соответствующую как области одинарных измерений 3-электродной измерительной установкой (область С), так и области двойных измерений, полученных прямой и встречной трехэлектродными установками (область D). Суммарное значение измеренных значений поля, во втором случае, соответствует результатам измерений 4-электродной установкой. Совокупность этих параметров и их сравнительный анализ дают возможность заверки качества получаемых материалов и расширения информационных возможностей метода за счет оценки степени латеральной неоднородности изучаемой среды и выделения локальных неоднородностей [1 (с. 101)].
К преимуществам предлагаемого способа по сравнению с прототипом относятся:
1
1
1) повышение оперативности съемки за счет возможности одновременной регистрации измеряемого сигнала с помощью многоканальной аппаратуры на всех разносах выполняемого зондирования при фиксированном положении питающей линии АВ, по сравнению с прототипом, требующим последовательного подключения питающих электродов на каждом из разносов, и связанных с этим повышенных (в n-1 раз, где n- число разносов установки) затрат времени на стабилизацию подаваемого в землю тока;
2) возможность поддержания величины регистрируемого сигнала в допустимых пределах за счет увеличения размера АВ инверсионной установки, обеспечивая повышение глубины зондирования;
3) возможность выполнения зондирования с использованием спаренных электродов в качестве питающих АВ и приемных MN линий применяемой в методе зондирования дипольной измерительной установкой [1, кн. 1 (с. 96-97)].
Следует отметить, что использование предложенного варианта инверсионной измерительной установки расширяет функциональные и экономические возможности зондирования, сохраняя основные ранее обоснованные достоинства ее прототипа [4].
Кроме того, предлагаемый способ позволяет повысить эффективность применения и ряда аналогов данного метода, за счет следующих факторов: а) возможности получения и пошагового контроля (визуального, либо численного) в процессе съемки методом СЭЗ каждого из получаемых графиков зондирования, позволяя осуществлять оперативное выявление и устранение причин возможного сбоя измеряемых значений (Фиг. 6а, б); в) отсутствия необходимости создания и использования специальных программ конвертации наблюдаемых данных, получаемых по методике сплошных зондирований в графики кривых зондирования (ВЭЗ); г) возможности проведения интерпретации материалов, получаемых методом СЭЗ непосредственно с помощью системы программ ЗОНД [2].
Предлагаемый метод группового зондирования многоэлектродной инверсионной установкой позволяет оперативно и с наименьшими трудозатратами выполнять следующие виды исследований: а) изучение массива горных пород, залегающих в интервале глубин от земной поверхности до первых сотен метров; б) осуществление зондирования геологической среды в условиях ограниченного пространства (шахтные работы); в) выполнение опережающей разведки впереди забойного пространства, г) проведение высокоточных мониторинговых наблюдений в пределах участка профиля, соответствующего длине косы измерительной установки и др.
Для обработки и интерпретации результатов исследований может использоваться система программ «ЗОНД» (свидетельство РФ №2005610058).
Способ апробирован при решении гидрогеологических задач на одном из участков Пермского края.
ЛИТЕРАТУРА
1. Электроразведка: Справочник геофизика. В 2-х кн. /Под ред. В.К. Хмелевского и В.М. Бондаренко. Кн. I, М.: Недра, 1989, с. 95-110, 174-177.
2. Колесников В.П. Основы интерпретации электрических зондирований. – М.: Научный мир, 2007. - 248 с.
3. Бобачев А.А., Модин И.Н., Перваго Е.В., Шевнин В.А. Многоэлектродные электрические зондирования в условиях горизонтально-неоднородных сред. Разведочная геофизика. - М., 1996. 50 с.
4. Способ геоэлектроразведки. Патент на изобретение №2545309, 24.02.2015 г. (прототип).
5. Тихонов А.Н., Самарский А.А. Уравнения математической физики. - М.: Наука, 1977. - 736 с.
6. РСН 64-87. Электроразведка в строительстве.