СПОСОБ ГЕОЭЛЕКТРОРАЗВЕДКИ
GEOELECTRIC SURVEY METHOD

Предлагаемое изобретение относится к наземной электроразведке методом индукционного профилирования и может быть использовано при изучении строения верхней части геологического разреза. Область преимущественного применения - обнаружение и локализация в плане геоэлектрических неоднородностей, контрастных по электропроводности в сравнении с вмещающей средой с целью поиска рудоносных объектов и рудопроявлений, для выявления погруженных проводящих образований и зон сочленения горных пород при крупномасштабных картировочных исследованиях, при решении инженерно-геологических задач по обнаружению и трассированию подземных коммуникаций (трубопроводов).
Технический результат: повышение информативности и помехоустойчивости измерений, снижение трудоемкости поисковых электроразведочных работ.
Рассматриваемые ниже электроразведочные способы восходят к методу индукции (разработанному под руководством В.Р.Бурсиана в НИФИ при ЛГУ в 30-е годы прошлого века) - методу электроразведки переменным током, основанному на изучении магнитного поля индукционных токов, возбуждаемых в горных породах источником высокочастотного гармонического электромагнитного поля [1]. Поскольку индуцированные токи распределяются в земле с неодинаковой плотностью и концентрируются преимущественно в хорошо проводящих геологических образованиях, то это неизбежно будет отражаться на морфологии вторичного магнитного поля, накладывающегося на первичное поле источника электромагнитного поля.
Известный способ электромагнитного (индукционного) профилирования методом индукции хорошо зарекомендовал себя при проведении малоглубинных поисково-разведочных работ и крупномасштабных картировочных исследований с использованием аппаратуры «Земля-2», который имеет две разновидности [2]: 1) способ последовательных перемещений, когда генераторная и приемная установки перемещаются по одному профилю; 2) способ параллельных перемещений, когда приемник и генератор располагаются на одноименных пикетах соседних профилей.
В обоих случаях излучающая рамка источника электромагнитного поля закреплена в вертикальной плоскости, а приемную антенну ориентируют так, чтобы горизонтальная ось вращения была точно направлена на рамку источника.
эф
эф
Измеряют амплитуды горизонтальной и вертикальной составляющей магнитного поля, а также угол наклона полного вектора магнитного поля к горизонту. По значениям соответствующих амплитуд поля вычисляют эффективное сопротивление среды ρ и составляют план графиков ρ, анализ которых позволяет получить представление о расположении искомых геоэлектрических неоднородностей среды. В ряде случаев по измеренным значениям элементов поля оказывается достаточным ограничиться построением в плане «электрических осей», которые приурочены к проводящим геологическим образованиям, что дает качественную информацию об их расположении.
Несмотря на высокую результативность метода индукции на стадии поисково-разведочных работ в масштабе 1:10000 и крупнее, следует отметить высокую трудоемкость вышеприведенных способов его реализации, что препятствовало их широкому распространению. Во-первых, необходимо в каждом пункте наблюдений очень точно сориентировать наклон приемной антенны по отношению к горизонту в процессе проведения измерений, а также ее ориентацию на вертикально расположенную генераторную рамку во избежание помехи в регистрируемом сигнале, вызванной индукцией первичного поля. Во-вторых, точность измерения аномальных составляющих поля, влияющая на результативность поисково-разведочных работ, сильно снижается в условиях пересеченной местности, когда наличие рельефа и растительного покрова препятствует «взаимному визированию» генераторной и приемной антенн, поскольку они разнесены между собой на конечное расстояние. Кроме того, при электромагнитном профилировании с большими разносами может возникать также дополнительная помеха в измеряемом сигнале из-за высокочастотных вариаций естественного магнитного поля Земли.
эф
эф
Известен способ дипольного индуктивного профилирования, применяемый для поисков рудных месторождений и геоэлектрического картирования горных пород [3], в котором измерения проводят при последовательном перемещении (вдоль профиля) или параллельном перемещении (по соседним профилям) генераторной и приемной установок с постоянным расстоянием между источником электромагнитного поля и приемным магнитным датчиком. При измерениях применяют аппаратуру дипольного электромагнитного профилирования (например, ДЭМП-СЧ разработки «ЦКБ Геофизика», г.Красноярск), позволяющую регистрировать амплитуды вертикальной (Hz) и радиальной (Hr) составляющих электромагнитного поля [4]. По измеренным значениям амплитуд либо по их отношению вычисляют эффективное сопротивление ρ среды и по распределению значений ρ вдоль профиля измерений судят о наличии геоэлектрической неоднородности в изучаемом разрезе. Для выявления хорошо проводящих рудных объектов анализируют графики абсолютных значений измеренных величин, либо соответствующих им магнитных чисел. Недостатком данного способа является техническая сложность получения и обработки данных измерений при разновысотном (из-за неровностей рельефа) положении генераторной и приемной установок при учете поправок от первичного поля источника. Кроме того, на результаты интерпретации оказывают помехообразующее влияние покровные отложения при их повышенной проводимости, что снижает эффективность применения данного способа.
Известен способ, относящийся к электроразведке методом индукционного зондирования [5], предназначенный для изучения геоэлектрического строения верхней части разреза, трассирования зон тектонически нарушенных пород и обследования площадок под строительство при инженерных изысканиях. Устройство для осуществления способа представляет собой перемещаемую по вертикали раму-ферму с жестко фиксированным расположением на одном конце источника электромагнитного поля, а на другом - приемного магнитного датчика, исключающего на него прямое воздействие первичного поля. При этом генераторная петля источника расположена в вертикальной плоскости, а приемный магнитный датчик нацелен на регистрацию вертикальной составляющей напряженности вторичного поля от исследуемого геологического разреза. Несмотря на хорошую информативность способа при проведении зондирования среды в отдельных пунктах, он не предназначен для выполнения профилирования, поскольку несущая штанга устройства должна быть закреплена неподвижно относительно поверхности Земли, а перемещение рамы-фермы проводится исключительно по вертикали.
Между тем, в наземной электроразведке, осуществляемой с помощью контролируемого источника поля, есть способы, основанные на принципах получения и методике изучения так называемой «чистой аномалии» [6], не связанной с первичным полем установки, а обусловленной только различием электрофизических параметров вмещающей среды и искомого аномалиеобразующего объекта. Эти способы первоначально появились в индуктивной электроразведке на переменном токе (в частности, электромагнитном профилировании методом индукции) при поисково-картировочных исследованиях и несколько позднее стали развиваться применительно к решению инженерно-геологических задач.
Так, например, известно устройство для малоглубинного индукционного профилирования, предназначенное для обнаружения и трассирования заглубленных трубопроводов и других инженерных коммуникаций [7], в котором источник электромагнитного поля (вертикально расположенная излучающая рамка) и его приемник (две ортогональные рамки в горизонтальной и вертикальной плоскостях) разнесены между собой на расстояние, которое может регулироваться. К достоинству способа следует отнести возможность проведения фазочувствительных измерений вторичного магнитного поля благодаря двум приемным магнитным датчикам (один из которых служит для передачи опорного сигнала первичного поля), но одновременно это и усложняет процесс измерения полезного сигнала, особенно на высоких частотах, поскольку требуется точная настройка раздвижной конструкции устройства.
Устройство содержит жесткую несущую раму, состоящую из двух частей (подвижной и неподвижной), на одном конце которой размещен источник электромагнитного поля, на другом размещены два ортогональных датчика магнитного поля, предназначенных для осуществления фазочувствительных измерений вторичного магнитного поля, обусловленного наличием высокопроводящих заглубленных объектов типа подземных трубопроводов. Однако, поскольку излучающая рамка источника расположена в вертикальной плоскости, то на вторичное электромагнитное поле токов, индуцируемых в проводящих трубопроводах, будет накладываться также «нормальное» электромагнитное поле от разреза среды, играющее роль помехи в измеряемом сигнале. Поэтому, при обнаружении рудных объектов, не отличающихся большой контрастностью по электропроводности от вмещающей среды, помехоустойчивость способа оставляет желать лучшего. Кроме того, при выполнении измерений необходимо регулировать расстояние между источником электромагнитного поля и приемным магнитным датчиком в зависимости от глубины залегания выявляемой геоэлектрической неоднородности, что увеличивает трудоемкость поисковых электроразведочных работ.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению и свободным от отмеченных выше недостатков является способ геоэлектроразведки [8], принятый за прототип и предназначенный для изучения строения верхней части геологического разреза на основе регистрации азимутальной (относительно источника) составляющей магнитного поля в процессе перемещения устройства вдоль профиля измерений.
В связи с тем, что азимутальная составляющая Нφ отсутствует в нормальном поле при возбуждении горизонтально-слоистого полупространства вертикальным магнитным диполем, то наличие в разрезе локальной геоэлектрической неоднородности неизбежно отразится на появлении чистой аномалии в измеряемой составляющей Нφ, пространственно приуроченной к аномалиеобразующему объекту.
Однако при достаточно больших размерах плеча установки возникают дополнительные технические трудности по сохранению жесткости конструкции при проведении профилирования, чтобы обеспечить требуемую взаимную ориентацию источника электромагнитного поля и приемного магнитного датчика во избежание помехи в измеряемом сигнале, наведенной первичным полем.
По этой же причине, в условиях значительных неровностей рельефа местности, может снизиться чувствительность установки к локальным неоднородностям среды и помехозащищенность измеряемого сигнала от влияния нормального поля при разновысотном положении генераторной рамки источника и приемного магнитного датчика, поскольку они разнесены по горизонтали на конечное расстояние между собой.
Целью предлагаемого технического решения является повышение помехоустойчивости и информативности способа на основе увеличения чувствительности установки к локальным геоэлектрическим неоднородностям при регистрации обусловленного ими аномального эффекта во вторичном поле и общем снижении трудоемкости поисковых электроразведочных работ.
Поставленная цель достигается тем, что в предлагаемом способе геоэлектроразведки, в котором используют источник электромагнитного поля и совмещенный с его осью приемный магнитный датчик, индукционное профилирование осуществляется исходя из принципа обнаружения «чистой аномалии», связанной с исследуемой неоднородностью среды. При этом взаимная ориентация источника электромагнитного поля и приемного магнитного датчика такова, что вклады первичного поля источника и нормального вторичного электромагнитного поля от геологического разреза (в отсутствии неоднородности) в измеряемой составляющей напряженности магнитного поля близки к нулю.
Теория способа базируется на известном решении задачи о возбуждении однородного (в присутствии локальных объектов) или горизонтально-слоистого полупространства контролируемым источником электромагнитного поля [3].
В основе предлагаемого технического решения с использованием источника электромагнитного поля и совмещенного с его осью приемного магнитного датчика лежит изучение морфологии первичного электромагнитного поля, возбуждаемого незаземленным контролируемым источником в ближней зоне [3]. В частности, для горизонтально расположенной круговой петли, питаемой от генератора переменного тока заданной частоты, силовые линии возбуждаемого магнитного поля (как первичного, так и наведенного вторичного нормального поля от горизонтально-слоистого разреза) лежат в меридиональных плоскостях, проходящих через ось симметрии источника. Следовательно, если разместить приемный магнитный датчик на оси петли так, чтобы исключить на него прямое воздействие источника электромагнитного поля, а также влияние на него вторичного нормального поля, то он будет регистрировать чисто аномальный эффект от локальных неоднородностей среды на фоне горизонтально-слоистого разреза. В качестве аналога приемного магнитного датчика может выступать замкнутый контур меньших размеров (по сравнению с генераторной петлей) и расположенный в вертикальной плоскости (проходящей через ось симметрии источника), в котором регистрируется наводимая ЭДС, обусловленная аномальным магнитным полем от системы токов, индуцируемых в проводящих геологических образованиях или в подземных объектах (коммуникациях) техногенного происхождения.
Предлагаемый способ менее трудоемок и более информативен по сравнению с прототипом, а также позволяет обоснованно решить вопрос о точке записи, отнеся последнюю к центру генераторной петли, поскольку он совпадает с проекцией приемного магнитного датчика на горизонтальную плоскость, в которой расположен источник электромагнитного поля.
При необходимости более детального изучения строения среды методом индукционного зондирования, выбор местоположения источника электромагнитного поля целесообразно осуществлять, исходя из морфологии аномальной составляющей поля, измеренной на заданной сети точек его регистрации описанным выше способом. Для снижения неоднозначности интерпретации результатов зондирования при неоднородном строении верхней части разреза, целесообразно применять оригинальный способ геоэлектроразведки [5], основанный на выполнении измерений при нескольких заданных высотах при одновременном подъеме источника электромагнитного поля и приемного магнитного датчика относительно горизонта.
Сущность изобретения: используют источник электромагнитного поля и совмещенный с его осью приемный магнитный датчик, установленные и закрепленные между собой таким образом, чтобы в измеряемом сигнале вклады первичного поля источника и нормального вторичного поля, возбуждаемого в изучаемом горизонтально-слоистом разрезе, были близки к нулю, а измеряемая составляющая магнитного поля характеризовала чисто аномальный эффект от исследуемой неоднородности.
Возбуждают изучаемую область геосреды переменным магнитным полем, создаваемым током, протекающим в горизонтально расположенной незаземленной петле, подключенной к генератору.
Профилирование осуществляют путем горизонтального смещения установки относительно поверхности Земли вдоль профиля, параллельного оси приемного магнитного датчика и проходящего вкрест простирания предполагаемых геоэлектрических неоднородностей среды. В отличие от прототипа [8], в предлагаемом способе источник электромагнитного поля и приемный магнитный датчик разнесены по вертикали, но по-прежнему ориентированы так, чтобы исключить прямое влияние индукции первичного магнитного поля на приемный контур магнитного датчика.
Физическое моделирование профилирования с макетом описываемой установки над локальными проводящими объектами показало, что при такой реализации способа и проведении измерений на ряде профилей наблюдается непосредственно над модельным объектом ярко выраженный экстремум в значениях аномального сигнала, а его форма и морфологические особенности несут информацию о расположении и некоторых характеристиках проводящего объекта, что существенно повышает информативность измерений при поисковых электроразведочных работах.
На практике этот вариант реализуется, если в качестве источника электромагнитного поля использовать незаземленную, горизонтально установленную круговую петлю, питаемую переменным током заданной частоты, а расположенный на ее оси приемный магнитный датчик установлен так, что его ось ориентирована перпендикулярно направлению вектора напряженности магнитного поля источника электромагнитного поля, то есть датчик чувствителен только к горизонтальной составляющей аномального магнитного поля. Проводя измерения при смещении установки параллельно оси приемного датчика вдоль профиля (или по заданной сети точек регистрации поля) и выполняя последующую интерпретацию данных измерений, можно получить экспресс-информацию о наличии (и локализации в плане) предполагаемой геоэлектрической неоднородности.
Взаимное повысотное расположение источника электромагнитного поля и приемного магнитного датчика определяется характером решаемой инженерно-геологической задачи и спецификой поискового объекта неоднородности среды.
На фиг. 1а приведена условная схема установки для реализации предлагаемого способа в варианте размещения приемного магнитного датчика над генераторной петлей, где 1 - источник электромагнитного поля (генераторная петля, питаемая переменным током); 2 - приемный магнитный датчик; 3 - ось симметрии источника электромагнитного поля; стрелкой обозначено направление оси магнитного датчика. Такой вариант размещения рекомендуется для поисков локальных сильнопроводящих объектов, расположенных вблизи поверхности Земли. При проведении геоэлектрического картирования или поиске заглубленных объектов (особенно в условиях профилирования по пересеченной местности), а также для увеличения чувствительности установки к объектам неоднородности среды целесообразно располагать приемный магнитный датчик под генераторной петлей как можно ближе к поверхности Земли для обеспечения большей амплитуды полезного сигнала (фиг. 1б, где обозначения те же, что и на фиг. 1а).
Предлагаемый способ реализуется следующим образом. Переменный ток заданной частоты от генератора подается на источник электромагнитного поля 1. В среде возбуждается электромагнитное поле, являющееся суперпозицией нормального поля изучаемого однородного или горизонтально-слоистого разреза и аномального, обусловленного локальной геоэлектрической неоднородностью среды. Приемный магнитный датчик 2 чувствителен только к горизонтальной составляющей аномального магнитного поля. Сигнал с приемного магнитного датчика относится непосредственно к пункту наблюдений (точка записи) и характеризует меру интенсивности аномального эффекта во вторичном поле от исследуемой геоэлектрической неоднородности среды. После выполнения измерений на одном пункте наблюдений, установку перемещают на заданное расстояние в другой пункт (сохраняя направленность приемного датчика в неподвижной системе координат), где проводится очередное измерение аномальной составляющей магнитного поля.
При фиксированном расположении приемного магнитного датчика на оси генераторной петли не требуется регулировка его ориентации при переходе к очередному пункту наблюдений, чтобы обеспечить требуемую ортогональность оси датчика к вектору напряженности первичного магнитного поля в точке измерения, что упрощает проведение профилирования по сравнению с теми способами, когда источник и приемник поля перемещаются по отдельности.
Источники информации
1. Заборовский А.И. Электроразведка. - М.: Гостоптехиздат, 1963. - 424 с.
2. Вешев А.В., Ивочкин В.Г., Игнатьев Г.Ф. Электромагнитное профилирование. - Л.: Недра, 1971. - 216 с.
3. Электроразведка. Справочник геофизика. Кн. первая. - М.: Недра, 1989. - 438 с.
4. Вешев А.В. Электропрофилирование на постоянном и переменном токе. - Л.: Недра, 1980. - 391 с.
5. Патент RU №2179325, класс G01V 3/08. Бюл. №4, 10.02.2002.
6. Тархов А.Г. Об электроразведочных методах чистой аномалии // Известия АН СССР. Сер. Геофизическая. 1957. №8. С.979-989.
7. Патент SU №1746227, класс G01V 3/11. Бюл. №25, 07.07.1992.
8. Патент RU №2276389, класс G01V 3/08. Бюл. №13, 10.05.2006 (прототип).