СПОСОБ МАГНИТОТЕЛЛУРИЧЕСКОГО ЗОНДИРОВАНИЯ ГЕОЛОГИЧЕСКИХ СТРУКТУР
METHOD FOR MAGNETOTELLURIC SOUNDING OF GEOLOGICAL STRUCTURES

Изобретение относится к геоэлектроразведке методом магнитотеллурического зондирования и может быть использовано для изучения сложного строения земной коры.
Известен способ электроразведки (SU №1062531 Способ геоэлектроразведки/ Могилатов B.C.; опубл. 23.12.83, Бюл. №47), при котором в Земле возбуждают электрическое поле путем осесимметричного введения электрического тока в Землю и измеряют параметры электрического поля по профилям, радиально расходящимся от точки введения осесимметричного электрического тока в Землю. При этом осесимметричное введение тока в Землю обеспечивается равномерным расположением наружных питающих электродов (заземлений) по окружности и присоединением их посредством радиальных линий к одному полюсу источника тока. Величина радиуса окружности определяется требуемой глубиной исследования. При этом внутренний питающий электрод заземляют в центре окружности, образованной наружными питающими электродами, и присоединяют к другому полюсу источника тока. Такой источник со времени опубликования способа называют круговым электрическим диполем (КЭД). На основе известного способа развит и применяется метод зондирований вертикальными токами (ЗВТ), показанный на фиг. 1, и который принадлежит к методам электроразведки с контролируемыми источниками.
Роль такого специфического источника состоит в том, что в Земле создается особая поляризация электромагнитного поля - поперечно-магнитная (ТМ), главной особенностью которой является наличие вертикальной электрической компоненты. В силу этого, поле такого источника весьма чувствительно к объектам повышенного сопротивления, а также вообще к горизонтальным неоднородностям в разрезе.
При этом следует заметить, что верно и обратное: - если использовать КЭД как приемник, то можно из произвольного электромагнитного поля выделить вклад ТМ-поля или, иными словами, определить вертикальную компоненту электрического поля, которую весьма желательно измерять в МТЗ.
х
у
х
у
z
z
x,y,z
x,y,z
Известен способ магнитотеллурического зондирования (Савин М.Г., авт.свидетельство SU 1323993, опуб. 15.07.1987, Бюл. №26), принятый далее за прототип, в котором у поверхности Земли измеряют четыре горизонтальных и две вертикальных компоненты поля, обозначаемые соответственно через Е, Е, Н, Н и Е, H, где E электрические, a H магнитные компоненты магнитотеллурического поля; по этим измерениям находят комплексные спектральные амплитуды пространственных компонент магнитотеллурического поля на частоте ω; по указанным шести комплексным спектральным амплитудам пространственных компонент поля определяют горизонтальную неоднородность поля источников, характеризуемую скоростью горизонтального распространения геомагнитных пульсаций вдоль поверхности Земли, и соответствующие этой скорости импедансы, по которым затем судят об электрическом строении земной коры.
z
z
z
К недостаткам этого способа-прототипа следует отнести трудность измерения компоненты E (вертикальной электрической компоненты). Дело в том, что для обеспечения помехоустойчивости измерений E в рабочей области периодов геомагнитных пульсаций (десятков-сотен секунд) по отношению к случайным зарядам гидрометеоров приходится проводить измерения E в скважинах, что осложняет проведение измерений, например, при выполнении скважин в скальном грунте.
Другим недостатком способа-прототипа является то, что в нем скорость горизонтального распространения поля пульсаций, характеризующая горизонтальную неоднородность поля источников, определяют в предположении горизонтально-однородного разреза. В связи с этим этот способ ориентирован на весьма низкую горизонтальную неоднородность разреза, значительно более низкую, чем неоднородность поля источников, поскольку неоднородность разреза в горизонтальном направлении смещает начало отсчета горизонтальной фазовой скорости поля пульсаций, входящей в оценки импеданса разреза. Поэтому такой способ оказывается неприемлемым в условиях значительной горизонтальной неоднородности разреза, когда горизонтальная неоднородность разреза становится сопоставимой с горизонтальной неоднородностью поля источников, так как резко падает точность и достоверность измерений.
z
Заявленное изобретение относится к геоэлектроразведке методом магнитотеллурических зондирований. В настоящее время измерения вертикальной электрической компоненты при магнитотеллурических зондированиях практически не проводятся. Для стабильного и надежного измерения такой составляющей необходимо заглубляться в скважины, которые доступны в необсаженном виде в исключительных случаях. Между тем, отсутствие в измеряемых данных E резко снижает возможности МТЗ при исследовании латеральных неоднородностей в мантии и в верхних слоях земной коры. Это наглядно демонстрируется на фиг. 4, где аномальный эффект от присутствия неоднородности весьма слаб в измеряемой горизонтальной электрической компоненте на дневной поверхности, а вертикальная компонента вся целиком определяется неоднородностью.
В заявленном техническом решении для фиксации вертикальной электрической компоненты измерительное устройство выполняется по схеме кругового электрического диполя (см фиг. 2).
Задачей, решаемой заявленным изобретением, является повышение эффективности и расширение использования магнитотеллурических зондирований при выявлении слабых латеральных неоднородностей.
Технический результат заявленного изобретения заключается в существенном повышении зависимости принимаемых сигналов от горизонтальной неоднородности разреза и связанной с этим эффективности электромагнитных зондирований Земли при выявлении слабых латеральных неоднородностей.
Заявленный технический результат достигается за счет использования в заявленном способе электроразведки для изучения трехмерных геологических структур измерительного устройства для выделения вертикальной электрической компоненты в естественном магнитотеллурическом поле, выполненного по схеме кругового электрического диполя, для чего располагают горизонтальные радиальные заземленные линии, сходящиеся к центру через равные угловые интервалы, с радиусом, соответствующим глубине исследований, и заземленные на внешних концах и общим центральным электродом.
В частном случае реализации заявленного способа упомянутое измерительное устройство располагается на поверхности моря. Техническая реализация следует из известного способа прямого поиска локальных объектов на шельфе Мирового океана согласно патенту РФ №2116658, в котором круговой электрический диполь располагают на поверхности моря с помощью плавающих буев, снабженных электродвигателями и гребными винтами. Геометрия всей установки поддерживается с помощь тросов, соединяющих буи с судном и между собой. При этом центральный электрод опускают в воду с судна, а внешние электроды, соединенные электрически с центром изолированными проводами вдоль радиальных тросов, опускают в морскую воду с буев.
В частном случае реализации заявленного способа упомянутое измерительное устройство располагается на дрейфующей льдине. Техническая реализация следует из известного способа морской электроразведки и устройства для его осуществления согласно патенту РФ №2434251, в котором в одном из вариантов предлагается располагать круговой электрический диполь на дрейфующей льдине, заземляя электроды в морской воде через отверстия во льду. При этом внешние электроды и, соответственно, через отверстия во льду располагаются равномерно по окружности (радиус КЭД), а в центре окружности через отверстие во льду заземляется в морскую воду центральный электрод. Внешние электроды соединены изолированными проводами, располагаемыми на льду строго радиально, в центральной части установки, где производится измерение эдс между центральным электродом и общим концом радиальных линий от внешних электродов.
Детали, признаки, а также преимущества настоящего изобретения следуют из нижеследующего описания вариантов реализации заявленного технического решения с использованием чертежей, на которых показано:
Фиг. 1 - метод зондирований вертикальными токами.
Фиг. 2 - измерительное устройство по схеме кругового электрического диполя.
Фиг. 3 - вертикальная электрическая компонента и сигнал с измерительного устройства по схеме КЭД.
Фиг. 4 - Сравнение обычных измерений на поверхности и сигнала с вертикальной линии.
Изобретение характеризует геоэлектроразведку методом магнитотеллурических зондирований с использованием в геоэлектроразведке отклика ТМ-поляризованного электромагнитного поля, приемником которого являются измерительная конфигурация по схеме кругового электрического диполя.
Круговой электрический диполь (КЭД), как известно - это совокупность горизонтальных радиальных заземленных по концам линий, один конец которых расположен в центре круга, а второй конец находится на окружности, при этом соблюдается условие, что все линии находятся на одинаковом угловом расстоянии друг от друга, и в известном техническом решении электрический ток, подаваемый в линии, одинаков в любой момент времени.
z
В пределах участка работ располагают небольшую установку КЭД в виде, обычно, восьми, горизонтальных заземленных линий, сходящихся к центру под углом 45 градусов, с радиусом (длиной линий), соответствующим глубине исследований. В пределах участка измеряют магнитотеллурическое поле в разных, магнитных и электрических компонентах. В том числе, для реализации преимуществ использования ТМ-поляризованного поля установку КЭД используют как измерительную. Измеряют разность потенциалов между центральным электродом и внешними. Эту разность потенциалов пересчитывают в значение E на эффективной глубине под КЭД.
В заявленном техническом решении измерительное устройство в виде КЭД позволяет оценить вертикальную компоненту электрического поля в любом месте, без использования скважин.
Заявленный способ магнитотеллурических зондирований для изучения геологических структур включает этапы, на которых:
в пределах участка работ располагают приемную установку в виде кругового электрического диполя,
обеспечивают измерение радиальной разности потенциала, что существенно увеличивает информативность работ по сравнению с существующими методиками, предусматривающими измерения только горизонтальных электрических компонент,
по результатам судят о величине вертикальной электрической компоненте, которая прямо указывают на глубинные неоднородности геологической среды.
Преимущества заявленного способа в использовании КЭД в качестве приемника:
1) при такой работе нет необходимости в скважинах;
2) полученные результаты, в зависимости от радиуса КЭД, относятся к различным глубинам и являются дополнительным зондированием;
3) измерения, полученные таким образом, в отличие от традиционных методик МТЗ, позволяют прямо и непосредственно судить о латеральных неоднородностях в разрезе, не требуя широких площадных наблюдений.
В варианте реализации заявленного способа измерительное устройство в виде КЭД располагают на поверхности моря.
В варианте реализации заявленного способа измерительное устройство в виде КЭД располагают на поверхности дрейфующего льда.
Эффективность предлагаемого способа связана с доказанной эффективностью применения ТМ-поляризованного поля в виде нового метода электроразведки - зондирований вертикальными токами (ЗВТ), условно представленного на фиг. 1.
На фиг. 2 показана схема устройства измерительного устройства в виде КЭД.
На фиг. 3 показано сравнение вертикальной электрической компоненты и сигнала с измерительного устройства по схеме КЭД.
На фиг. 4 показано сравнение обычных измерений на поверхности и сигнала от вертикальной линии.
Покажем, как реализуется наше предложение с помощью трехмерного математического моделирования. Во-первых, на фиг. 3 представлено сравнение кривых сигналов от вертикальной линии и приемной установки на дневной поверхности по схеме КЭД. Среда - однородное полупространство с удельным электрическим сопротивлением 100 Ом*м. На глубине 12.5 км находится проводящая неоднородность с сопротивлением 10 Ом*м. Измерения проводятся в точке, обозначенной крестиком. Кривые представлены в зависимости от частоты магнитотеллурического поля. С точностью до некоторого технического коэффициента, кривые близки и совпадают на низких частотах. Приемная установка КЭД, установленная на поверхности, действительно позволяет оценить вертикальную компоненту электрического поля на глубине.
Покажем теперь, что вертикальная компонента электрического поля, если она измерена, действительно повышает эффективность магнитотеллурических зондирований. На фиг. 4 показано сравнение обычных измерений на поверхности и сигнала от вертикальной линии вдоль профиля. Видно, что аномальный эффект от присутствия неоднородности весьма слаб в измеряемой горизонтальной электрической компоненте на дневной поверхности, а вертикальная компонента меняется радикально на несколько порядков.
Заявленный технический результат достигается за счет использования в заявленном способе электроразведки для изучения трехмерных геологических структур измерительного устройства для выделения вертикальной электрической компоненты в естественном магнитотеллурическом поле выполненного по схеме кругового электрического диполя для чего располагают горизонтальные радиальные заземленные линии, сходящиеся к центру через равные угловые интервалы, с радиусом, соответствующим глубине исследований, и заземленные на внешних концах и общим центральным электродом.
В частном случае реализации заявленного способа упомянутое измерительное устройство располагается на поверхности моря. Техническая реализация следует из известного способа прямого поиска локальных объектов на шельфе Мирового океана согласно патенту РФ №2116658, в котором круговой электрический диполь располагают на поверхности моря с помощью плавающих буев, снабженных электродвигателями и гребными винтами. Геометрия всей установки поддерживается с помощь тросов, соединяющих буи с судном и между собой. При этом центральный электрод опускают в воду с судна, а внешние электроды, соединенные электрически с центром изолированными проводами вдоль радиальных тросов, опускают в морскую воду с буев.
В частном случае реализации заявленного способа упомянутое измерительное устройство располагается на дрейфующей льдине. Техническая реализация следует из известного способа морской электроразведки и устройства для его осуществления согласно патенту РФ №2434251, в котором в одном из вариантов предлагается располагать круговой электрический диполь на дрейфующей льдине, заземляя электроды в морской воде через отверстия во льду. При этом внешние электроды и, соответственно, через отверстия во льду располагаются равномерно по окружности (радиус КЭД), а в центре окружности через отверстие во льду заземляется в морскую воду центральный электрод. Внешние электроды соединены изолированными проводами, располагаемыми на льду строго радиально, в центральной части установки, где производится измерение эдс между центральным электродом и общим концом радиальных линий от внешних электродов.