Способ геоэлектроразведки
GEO-ELECTRIC PROSPECTING METHOD

Область техники
Изобретение относится к использованию методов электрометрии для исследования земных недр на основе низкочастотного электромагнитного просвечивания. Этот способ положен в основу метода зондирующего просвечивания (МЗП), который в отличие от лучевого принципа, применяемого в методе радиоволнового просвечивания, использует принцип частотного зондирования, позволяющий получать информацию о пространственном изменении электрического сопротивления пород между приемником и источником генерируемого поля.
Метод зондирующего просвечивания может применяться при решении геологоразведочных, поисковых, инженерно-геологических и экологических задач, связанных с выделением и картированием искомых объектов. Наиболее актуально его применение в целях прогноза возможных негативных техно-геологических процессов при шахтной отработке месторождений, а также в случае труднодоступных для исследования наземных условий (гористая местность, плотная застроенность территории и др.).
Уровень техники
Известен широкий набор методов электроразведки по обнаружению геологических неоднородностей среды, основанных на использовании гальванических и индуктивных способов зондирования. К ним относятся различные виды наземного электрического и электромагнитного зондирования (ВЭЗ, ЧЗ, ЗСБ, МТЗ и др.) [10], ряд из которых (ВЭЗ, ЭП и др.) применяется и при внутриземных исследованиях в условиях шахтных выработок. Однако практическая реализация этих методов сопряжена с наличием ряда проблем, связанных с влиянием различного рода геологических и техногенных помех, широким набором электромагнитных полей, генерируемых различного рода существующими природными, техногенными и искусственно создаваемыми источниками, порождая многообразие помех, существенно затрудняющих (либо делающих невозможным) процесс измерений, снижением разрешающей способности используемых полей с глубиной, существующей некорректностью решения обратных задач и др., снижающих информативность и достоверность получаемых результатов.
Одним из направлений повышения эффективности применения методов электроразведки в данных условиях является разработка и использование методов наземно-подземного либо межскважинного просвечивания земных недр. К настоящему времени известно несколько таких методов, в частности, методы радиоволнового (РВП) и георадарного просвечивания [4, 12], основанные на использовании высокочастотных волновых полей, обеспечивающих возможность использования лучевого принципа проникновения электромагнитного поля.
К недостаткам этих методов относятся ограниченные их информационные возможности, обусловленные тем, что кинематические характеристики и оптические проявления, в виде отражения и преломления высокочастотного электромагнитного излучения, основаны на использовании волновой модели электромагнитного поля, включающей из электромагнитных параметров лишь диэлектрическую проницаемость среды. При этом проводящие породы вызывают затухание этих полей ввиду значительной потери их энергии, вследствие перехода ее в кинетическую энергию заряженных частиц проводящей зоны, значительно ограничивая исследуемую область пространства и не обеспечивая нужный контроль удаления этой зоны от источника [2, 4].
Известен способ электромагнитного индукционного просвечивания, представляющий одноуровенное межпрофильное подземное просвечивание с использованием аппаратуры МЧЗ-12 и комплекса интерпретационных программ [9]. Просвечивание выполняется на одной частоте (f=635 Гц) по двум соседним субпараллельным подземным профилям с измерением трех компонент магнитного поля, на основе которых определяется параметр геэлектрической неоднородности и кажущееся сопротивление, характеризующие степень неоднородности просвечиваемого пространства с выделением аномальных зон.
К недостаткам данного (одночастотного) метода можно отнести: 1) отсутствие использования принципа частотного зондирования, что не позволяет осуществлять оценку удаления искомого объекта от каждого из используемых профилей наблюдений; 2) отсутствие обоснованной технологии для выполнения наземно-подземного и межскважинного просвечивания.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому методу зондирующего просвечивания толщи пород, с позиции использования интегрального электромагнитного поля, несущего информацию о физических свойствах пород на разных эффективных глубинах его проникновения, является наземный метод, основанный на использовании промышленных магнитных полей (ПМП) (патент РФ №2568986, Колесников В.П. 2014 г.).
Этот метод основан на использовании интегрального магнитного поля, формируемого в результате суммарного воздействия существующего набора промышленных электроэнергетических источников в диапазоне частот, включающем основную частоту 50 Гц и набор ее гармоник, достигающих 1-2 кГц. Максимальная глубина проникновения таких полей при изучении осадочных пород может достигать нескольких сотен метров, а минимальная глубина начинается с первых десятков метров (40-50 м). Этот метод выбран в качестве прототипа, ввиду весьма ограниченного набора существующих подходов к реализации предлагаемого метода (МЗП).
К недостаткам прототипа, применительно к его использованию для наземно-подземного зондирующего просвечивания относятся: 1) наличие промышленных полей, порождаемых подземными источниками, используемыми при производстве шахтных работ, близкими по частотным характеристикам к просвечивающему электромагнитному полю, порождаемому наземными источниками, способны вносить значительные искажения (помехи) в результаты шахтных наблюдений; 2) отсутствие возможности расширения диапазона обследуемых глубин, ввиду фиксированной основной промышленной частоты (50 либо 60 Гц); 3) возможное наличие наземных волн-помех.
Задачей предлагаемого изобретения является создание метода электромагнитного просвечивания исследуемой толщи пород (наземно-подземного, межскважинного и т.п.) с устранением недостатков прототипа и расширение функциональных его возможностей.
Поставленная задача решается с помощью существенных признаков, указанных в формуле изобретения таких как способ геоэлектроразведки основанный на зондирующем просвечивании толщи пород, который характеризуется, тем что
* используют низкочастотное электромагнитное поле, содержащее одну либо три заданные основные частоты и совокупность их гармоник, генерируемых источником,
* при этом одновременно регистрируют электромагнитное поле по трем ортогональным направлениям с последующим спектральным его анализом, пересчетом амплитудно-частотных характеристик в значения кажущегося сопротивления и физико-геологической интерпретацией, обеспечивая возможность получения информации о физических свойствах пород в интервалах глубин эффективного проникновения электромагнитного поля, соответствующих каждой из использованного набора генерируемых частот,
* затем осуществляют контроль проникающей способности электромагнитного поля от источника до точки наблюдения,
* путем сопоставления значений частот наблюденного поля, определяемых в результате спектрального его анализа, с набором частот генерируемых источником этого поля.
Преимущества предлагаемого метода в сравнении с прототипом:
1) использование интегрального поля, формируемого из совокупности полей для заданного набора частот, обеспечивая возможность устранения ряда шахтных и наземных промышленных помех с возможностью в несколько раз увеличивать размер толщи просвечиваемого пространства (до 1000 и более метров) по сравнению с прототипом, нижний предел частоты которого ограничен величиной 50 Гц;
2) обеспечение контроля проникающей способности электромагнитного поля от источника до точки наблюдений;
3) повышенная контрастность расчленения исследуемой толщи пород в силу приближения измерительной установки (приемной линии) к неоднородности;
4) возможность производства работ при труднодоступных для съемки наземных условиях (гористая местность, заболоченность, высокая плотность застроенности территории и т.п.);
5) упрощение процесса и экономичность выполнения работ.
Кроме того,
1) использование интегрального электромагнитного поля, включающего заданный набор основных частот (от долей до первых тысяч герц), позволяя (исходя из принципа частотного зондирования - формула (2)) в несколько раз увеличить эффективную глубину проникновения электромагнитного поля;
2) одновременная регистрация в каждой точке наблюдений магнитного поля для заданного набора генерируемых основных частот и их гармоник, обеспечивает получение информации о физических свойствах пород для соответствующего им интервала глубин; (определяемых набором использованных частот);
3) локализация исследуемого пространства и контроль наличия в точках наблюдений просвечивающего электромагнитного поля, генерируемого его источником;
4) известное задаваемое пространственное расположение источника интегрального просвечивающего поля;
5) физическое обоснование истолкования результатов предлагаемого способа электромагнитного просвечивания, направленного на оценку величины и характера пространственного изменения электрического сопротивления просвечиваемой среды.
6) в отличие от радиоволнового просвечивания вместо лучевого принципа использован частотный принцип зондирования, позволяющий получать информацию об изменении электрического сопротивления в пространстве между приемником и источником генерируемого квазистационарного электромагнитного поля.
Предлагаемый способ иллюстрируется графиками на Фиг. 1 - Фиг. 5.
Физическое обоснование предлагаемого способа.
Рассмотрим суть, физическое обоснование и технологию предлагаемого способа исходя из теоретических основ электродинамики на примере наземно-подземного зондирования.
В предлагаемом способе использована технология, основанная на возбуждении электромагнитного поля на земной поверхности с помощью гальванического источника в виде заземленной линии АВ, и регистрации компонент магнитного поля с использованием трехкомпонентного индукционного датчика в области шахтных выработок.
При выполнении наземно-подземного зондирования взаимное расположение питающей и приемной установок, а следовательно, и характер поведения регистрируемого электромагнитного поля, значительно отличается от традиционных наземных (либо шахтных) методов зондирования, что требует использования особых способов истолкования регистрируемого поля, наиболее учитывающих специфику изучаемого электромагнитного поля.
Рассмотрим предлагаемый подход к истолкованию результатов наблюдений.
Информативность способа наземно-подземного зондирования, по сути, определяется такими факторами как: 1) необходимость учета особенностей формирования электромагнитного поля; 2) определение связи компонент измеряемого в шахтных условиях электромагнитного поля с электрическим сопротивлением перекрывающей толщи пород; 3) оценка эффективной глубины проникновения электромагнитного поля.
Рассмотрим характер формирования магнитного поля при наличии в среде проводящего объекта (Фиг. 1).
Переменное магнитное поле источника, при наличии в среде проводящего объекта, определяется соотношением
0
инд
где  - первичное поле источника в точке измерений, удаленной от него на расстояние r;  - поле, индуцированное проводящим телом (током индукции, образующимся в этом теле) расположенном на расстоянии r от точки наблюдения.
Очевидно, что чем выше проводимость тела, тем больше величина индуцированного в нем тока и, согласно закону Био-Савара-Лапласа, тем больше величина возбуждаемого им магнитного поля
Исходя из этого при наземной съемке величина регистрируемого поля  будет снижаться над проводящим телом в силу появления в нем индукционного тока.
инд,2
0,2
Иная картина получается при наблюдении в подземных (шахтных) условиях, где величина наблюденного магнитного поля , может увеличиваться, поскольку расстояние от проводящего тела (источника индуцированного тока) до точки наблюдения (r) становится значительно меньшим расстояния от наземного источника до этой точки (r) и соответственно возможна ситуация, когда .
Таким образом, существует вполне определенная физическая связь величины магнитного поля с проводимостью σ=1/ρ (и электрическим сопротивлением ρ) среды.
Оценка эффективной глубины
эф
В теории переменных полей за эффективную глубину проникновения поля Z принимают глубину, при которой величина поля уменьшается в е раз (е - основание натурального логарифма, е=2.7) [10].
То есть эффективная глубина проникновения электромагнитного поля в однородной среде определяется ее удельным сопротивлением и частотой поля: чем больше сопротивление среды и меньше частота поля, тем больше глубина проникновения поля в недра Земли.
x,отн
Соответствующие графики относительной величины E для разных значений частот  и заданной величины сопротивления (ρ=10 Ом⋅м и ρ=100 Ом⋅м), приведены на Фиг. 2.
х,отн
Для оценки скорости изменения полученных графиков Е(z) с глубиной трансформируем их в графики производной , наиболее контрастно отображающие чувствительность относительной напряженности поля к изменению зондирующего параметра  .
Найдем выражение для этой производной. Исходя из [2], запишем
Выполнив замену ; ;
и учитывая
получим
эф
эф
эф
эф
Результаты расчета относительной величины  для разных значений электрического сопротивления однородной среды (Фиг. 3) показывают возможность оценки помимо Z диапазона эффективного проявления слоя ΔZ(ΔZ=Z±DZ), оказывающего наиболее значительное влияние на результат измерений (в данном примере этот диапазон отмечен для величины , отличающейся от ее максимального значения на 10%).
эф
Однако в случае неоднородной, к примеру, горизонтально-слоистой модели среды, задача оценки Z усложняется.
эф
эф
Как следует из (2), Z определяется отношением . В этом одна из причин неоднозначности определения глубины зондирования (Z), и комплексирования гальванического и индуктивного методов зондирования.
эф
эф
Для повышения однозначности оценки Z (либо ΔZ) нужна дополнительная априорная информация (анализ параметрических зондирований с использованием данных бурения, электрического каротажа, комплексного анализа с результатами наземного зондирования и др. с целью выделения основных пачек пород, оказывающих заметное проявление в результатах наблюденного поля).
Рассмотрим один из подходов к реализации этого.
Будем исходить из следующего:
в случае однородной среды
а если среда неоднородная, к примеру, горизонтально-слоистая, то
Где  - относительное сопротивление i-го и (i+1)-го слоев.
i
Из последнего соотношения получаем выражение для определения K(μ):
эф,i
которую можно оценить, сопоставив глубину залегания кровли маркирующего слоя Z (определенного по результатам анализа параметрического зондирования, выполненного вблизи скважины) с величиной  (по проявлению соответствующего градиента изменения поля (эффективного сопротивления, отмечаемого в относительно ненарушенной части разреза), обеспечивая этим глубинную привязку наблюденных значений кажущегося сопротивления по формуле (6).
Технология работ
Технология выполнения просвечивающего электромагнитного зондирования геологической среды предлагаемым способом (МЗП) включает: а) возбуждение интегрального многочастотного поля на земной поверхности (либо в скважине); б) регистрацию компонент напряженности интегрального магнитного (либо электрического) поля в каждой точке наблюдений (в шахте, либо скважине) по трем ортогональным направлениям; в) определение амплитудно-частотных характеристик каждой из компонент наблюденного магнитного поля с помощью спектрального анализа; г) пересчет амплитудно-частотных характеристик в значения кажущегося сопротивления , (Т=1/ƒ); д) интерпретацию графиков зондирования с целью получения информации о пространственном изменении электрического сопротивления пород в интервале эффективных глубин распространения магнитного поля.
Использование аппаратурно-измерительных средств.
max
Реализация данной технологии выполнена с помощью аппаратурно-программного комплекса, включающего: 1) модернизованный генератор АНЧ-3М, позволяющий генерировать поле заданных частот (f=4.88, 9.76, 19.52, 39, 78, 156 и 312 Гц) и интегральное поле, включающее определенный набор этих частот, при максимальном токе до I=2 А; 2) измеритель ПМП-2, основанный на использовании трехкомпонентного индукционного датчика (Колесников, Дягилев и др. патент РФ №148256) [1] и программы для регистрации поля заданных частот и их гармоник (Колесников, Дягилев, свидетельство №2014611489) [5]; 3) ноутбук; 4) программа спектрального анализа переменных электромагнитных полей AnalyzerH3D (Дягилев Р.А., Колесников В.П. и др., свидетельство №2015617490) [6]; 5) интерпретационная система программ ЗОНД (Колесников и др. свидетельство №2005610058) [7].
При необходимости могут быть использованы и другие варианты генератора при их модернизации в целях формирования интегрального поля, к примеру, генератор аппаратуры АМС-1, обеспечивающий возможность генерирования частот от 0.15 до 2500 Гц (кратных минимальной из них - 0.15 Гц).
Пример апробации предлагаемого способа.
Предлагаемый способ опробован на одном из рудников Верхнекамского месторождения солей при изучении толщи пород в интервале от рабочего штрека до земной поверхности. Мощность просвечиваемой толщи составляла 220 м.
Основная методика полевой съемки методом наземно-подземного просвечивания включала: 1) возбуждение электромагнитного поля на земной поверхности с помощью генератора АНЧ-3М и заземленной питающей линии АВ (АВ=1000 м); 2) регистрацию трех компонент магнитного поля индуктивным способом с помощью аппаратурно-программного комплекса ПМП-2 (Колесников, Дягилев и др. патент РФ №148256) [1] по профилю с шагом 30 м.
Обработка и спектральный анализ интегрального электромагнитного поля, измеренного в штреке с использованием способа низкочастотного электромагнитного просвечивания показали уверенное проявление каждой из частот и их основных гармоник, генерируемых наземным источником (Фиг. 4). В совокупности было выделено 47 частот, в диапазоне от 4.88 до 1562 Гц, что является весьма обширной исходной информацией для анализа исследуемой толщи пород. Вместе с тем, выполненный анализ показал, что интегральное поле, включающее три рабочие частоты: f=19.52, 39.04 и 156 Гц, совместно с их гармониками позволило выделить 18 частот в диапазоне от 19.52 до 1404 Гц (соответствующие им значения  от 0.227 до 0.026), обеспечивая этим возможность контроля основной части исследуемой толщи пород со значительным (примерно в 6-7 раз) уменьшением времени выполнения полевой съемки.
Зарегистрированное при выключенном наземном генераторе фоновое электромагнитное поле, показало наличие основной частоты промышленного поля с f=50 Гц и ее гармоник. Эти частоты, отличающиеся от использованных для наземно-подземного просвечивания, в данном случае не могут оказывать существенного влияния на результаты выполненной съемки.
По результатам интерпретации наблюденных данных выявлено закономерное проявление разной проникающей способности квазистационарного поля через обследуемую толщу пород, указывая на изменение ее электрической проводимости, связанной со степенью разуплотненности и влагонасыщенности порового пространства. Характер изменения электрического сопротивления позволил выделить наличие в исследуемом разрезе относительно проводящей зоны в южной части профиля (Фиг. 5), заверенной позднее комплексом экспериментальных работ. Данное описание, графики и примеры рассматриваются как материал, иллюстрирующий изобретение, сущность которого и объем патентных притязаний определены в нижеследующей формуле изобретения, совокупностью существенных признаков и их эквивалентами.
Литература
1. Аппаратурно-программный комплекс для геоэлектроразведки: пат. РФ 148256 Рос. Федерация: МПК7: G01V 3/02 / авторы Колесников В.П., Дягилев Р.А., Колесников С.В.; 28.10.2014.
2. Колесников В.П. Электрометрия. Основы теории переменных электромагнитных полей. Пермь: Изд-во ПГНИУ, 2013. 185 с.
3. Колесников В.П., Ласкина Т.А. Электроразведка в условиях урбанизированных территорий // Геофизика. 2014. №5. С. 33-40.
4. Петровский А.Д. Радиоволновые методы в подземной геофизике. 2-е изд. доп.М.: ЦНИТРИ, 2001. 290 с.
5. Программа для регистрации промышленных электромагнитных полей для проведения геофизических изысканий: свидетельство об официальной регистрации программ для ЭВМ №2014611489 Рос. Федерация / авторы Колесников В.П., Дягилев Р.А.; 04.02.2014.
6. Программа спектрального анализа промышленных электромагнитных полей для проведения геофизических изысканий: свидетельство об официальной регистрации программ для ЭВМ №2015617490 Рос. Федерация / авторы Дягилев Р.А., Колесников В.П., Ласкина Т.А., Артемьев Д.А.; 13.07.2015.
7. Программа обработки и интерпретации результатов вертикального электрического зондирования ЗОНД: свидетельство об официальной регистрации программ для ЭВМ №2004611865 Рос. Федерация / авторы Колесников В.П., Кутин В.А., Мокроносов С.В., правообладатель Колесников В.П.; 11.01.2005.
8. Способ геоэлектроразведки: патент на изобретение №2568986 Рос. Федерация / автор Колесников В.П.; опуб. 20.11.15 г.
9. Хачай О.А., ХачайО.Ю., Кононов А.В. 3-D методика электромагнитного индукционного просвечивания и система обработки и интерпретации для изучения состояния водозащитной толщи кимберлитовых трубок // Горный Информационно-аналитический бюллетень. М.: МГГУ, 2009. №12. С. 230-236.
10. Электроразведка: Справочник геофизика: в 2 кн. / под ред. В.К. Хмелевского и В.М. Бондаренко. М.: Недра, 1989. 438 с.
11. Яворский Б.М., Детлаф А.А. Справочник по физике. М.: Наука, 1981. 512 с.
12. Патент №2084930 (радиоволновой метод) Рос. Федерация / автор Борисов Б.В. и др.; 22,07, 1993 г.