СПОСОБ ПОИСКА ТРЕХМЕРНЫХ ОБЪЕКТОВ МЕТОДАМИ ГЕОЭЛЕКТРИКИ ТМ-ПОЛЯРИЗАЦИИ
METHOD OF THREE-DIMENSIONAL OBJECTS SEARCHING BY TM-POLARIZATION GEOELECTRICS METHODS

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к геоэлектроразведке методами становления электромагнитного поля и может быть использовано для выявления границ трехмерных объектов в среде. Выявление трехмерных объектов в среде на больших глубинах или слабоконтрастных по удельному сопротивлению, до сих пор является неразрешимой или трудноразрешимой задачей.
Уровень техники
Известен способ электроразведки (Патент РФ №2454683 Устройство для прямого поиска геологических объектов/ Балашов Б.П., Могилатов В.С., Паули А.И.), 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).
Измерения электромагнитного отклика изучаемой среды поля проводят по площади вокруг источника на удалении до 7 радиусов КЭД. При этом, в зависимости от требуемой глубинности и размеров источника, исследуемая площадь может составлять до 400 кв. км. На основе известного способа развит и применяется метод зондирований вертикальными токами (ЗВТ).
Известен способ возбуждения электромагнитного поля в среде, описанный в авторском свидетельстве СССР №150184 (SU №150184. Устройство для морской электроразведки. Автор Назаренко О.В.), при котором в Земле или в море возбуждают электромагнитное поле, используя вертикальную электрическую линию.
Также известен способ возбуждения электромагнитного поля в среде описанный в патенте Российской Федерации №2453872 электроразведки (№№2453872. Способ геоэлектроразведки и устройство для его осуществления. Авторы: Балашов Б.П., Могилатов В.С,), при котором в среде возбуждается электромагнитное поле с помощью встречной электрической линии. Встречная электрическая линия представляет из себя расположенные на одной линии и включенные навстречу друг другу горизонтальные электрические линии.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является устройство, описанное в патенте РФ №2454683 (Устройство для прямого поиска геологических объектов/ Балашов Б.П., Могилатов В.С., Паули А.И.). В патенте описывается способ возбуждения поля ТМ-поляризации в среде. В патенте не описывается, какие компоненты электромагнитного поля необходимо измерять и как интерпретировать полученные сигналы. В геоэлектрике проводимой с дневной поверхности, модели среды учитывают только изменение изотропного удельного сопротивления и, как правило, в одномерном варианте. Стандартным подходом является измерение одной компоненты электромагнитного поля и интерпретация полученных сигналов в рамках одномерной модели на основе изотропного удельного сопротивления.
Стандартный подход к интерпретации материалов позволяет получить информацию о вмещающей среде, о крупных горизонтально залегающих формациях. Такой традиционный подход не позволяет получить информацию об относительно малых трехмерных объектах в среде. Для удовлетворения задач, которые стоят перед современными геофизиками, нужно вычленять трехмерные объекты, находящиеся на гораздо большей глубине. Для вычленения таких объектов нужно собирать больше информации и интерпретировать ее в рамках трехмерного подхода.
Методика, описываемая в данном изобретении, позволяет повысить разрешающую способность электроразведки и глубинность проводимых работ. В заявляемом изобретении описывается способ измерения сигналов, которые невозможно проинтерпретировать в рамках горизонтально-слоистой среды. В патенте описывается способ трехмерной интерпретации сигналов, который увеличивает чувствительность к трехмерным включениям, по сравнению с классическими методиками электроразведки, основанным на одномерной интерпретации. На основании измеренной вертикальной компоненты магнитного поля, определяем центр трехмерной неоднородности, над центром неоднородности происходит смена знака сигнала. На основании измеренной угловой компоненты магнитного поля определяем точку между ближней к источнику поля границей объекта и его центром. Согласно расчетам над объектом между ближней границей искомого объекта и его центром сигналы горизонтальной угловой магнитной компоненты электромагнитного поля имеют наибольшее значение, а при подходе к границам объекта сигнал меняет знак.
Здесь и далее применяется цилиндрическая система координат. В цилиндрической системе координат точка определяется радиальной координатой, обозначается литерой r, угловой координатой, обозначается литерой ϕ, и координатой z. В цилиндрической системе координат, если за центр координат принять центр источника, то угловая и радиальная компоненты, это горизонтальные поля. Угловая компонента направлена по окружностям (центром координат является центр источника). Радиальная компонента направлена по радиусам (центром координат является центр источника).
Сущность изобретения
Сущность изобретения в способе поиска трехмерных объектов методами геоэлектрики, включающем формирование переменного электромагнитного поля поперечно-магнитной (ТМ) поляризации, измерение электромагнитного переходного сигнала-отклика исследуемой среды и интерпретацию измерений, предлагается производить измерения магнитных и электрических компонент электромагнитного поля и интерпретацию проводить по сигналам, полученным с помощью трехмерной модели, для чего на основании измеренных значений производной по времени вертикальной компоненты магнитного поля определяют первоначальное приближение центра трехмерной неоднородности, над которым происходит смена знака сигнала, а первоначальное приближение границ объекта определяют по сигналу производной по времени горизонтальной угловой магнитной компоненты, который при подходе к границам объекта меняет знак, при этом над объектом между ближней к источнику границей и его центром сигналы производной по времени горизонтальной угловой магнитной компоненты электромагнитного поля имеют наибольшее значение.
Ближнюю к источнику переменного электромагнитного поля поперечно-магнитной (ТМ) поляризации границу месторождений искомых объектов могут определять по электрической компоненте электромагнитного поля, характер сигнала которой резко изменяется при переходе границы объекта.
У обоих источников - кругового электрического диполя, вертикальной электрической линии, общим является возбуждение в среде поля только ТМ-поляризации. На всей площади вокруг кругового электрического диполя и вертикальной электрической линии возбуждается электромагнитное поле только ТМ-поляризации. Возбуждением электромагнитного поля только ТМ-поляризации в среде оба источника отличаются от других источников широко применяемых в электроразведке с искусственными источниками. Смотри фиг. 1.
Известно, что любое возбуждаемое в земле электромагнитное поле искусственными или природными источниками можно представить суперпозицией полей ТМ-поляризации и ТЕ-поляризации. Если в исследуемой среде возбуждать чистое электромагнитное поле ТМ-поляризации путем введения в землю электрического тока импульсной или гармонической формы, то над горизонтально-слоистой средой все три магнитных компоненты электромагнитного поля будут нулевые. С другой стороны, если поле над средой, в которой электромагнитное поле возбуждается только ТМ-поляризации, не нулевое, то это является свидетельством наличия в среде трехмерных неоднородностей по какому-то электродинамическому параметру. Смотри фиг. 1.
z
ϕ
Если магнитное поле измеряется, значит есть трехмерные неоднородности по одному из электродинамических параметров. Зададим модель объекта, выделяющегося по удельному сопротивлению, и проведем расчеты сигналов магнитных компонент. Согласно расчетам, над центром такого объекта сигналы магнитной компоненты электромагнитного поля ∂B/∂t меняют знак, т.е. над центром искомого объекта сигнал имеет наименьшее значение. Согласно расчетам, над объектом между ближней границей искомого объекта и его центром сигналы магнитной компоненты электромагнитного поля ∂B/∂t имеют наибольшее значение, а при подходе к границам объекта сигнал меняет знак. Смотри фиг. 2.
r
Экспериментально показано, при проведении работ с использованием источника, который возбуждает электромагнитное поле только ТМ-поляризации, при поисках месторождений полиметаллических руд и кимберлитов при переходе ближней к источнику границы объекта характер измеряемых электрических сигналов E резко меняют форму, возникают переходы через ноль в сигнале.
В данном изобретении описывается способ выявления трехмерных объектов при проведении электроразведочных работ. Электроразведочные работы проводятся с возбуждением в среде электромагнитного поля ТМ-поляризации. По измеренным магнитным компонентам на поверхности среды определяют начальное приближение для размещения объекта в среде, далее решая обратную трехмерную задачу, определяют точное местоположение объекта. Дополнительной информацией служат сигналы электрических компонент, по которым выявляют на месторождениях полиметаллов и кимберлитов ближнюю к источнику границу объекта. В изобретении описывается как при возбуждении в среде электромагнитного поля ТМ-поляризации по измерениям магнитных и электрических компонент электромагнитного поля определить наличие трехмерных объектов в среде.
Детали, признаки, а также преимущества настоящего изобретения объясняются с использованием чертежей, на которых показано:
Фиг. 1 - Токовые линии, возбуждаемые в среде классическим источником электромагнитного поля ТЕ-поляризации на рисунке 1а. Токовые линии, возбуждаемые в среде источником электромагнитного поля ТМ-поляризации - вертикальной электрической линией на рисунке 1б. Токовые линии, возбуждаемые в среде источником электромагнитного поля ТМ-поляризации - круговым электрическим диполем на рисунке 1в.
ϕ
z
Фиг. 2 - Сигналы магнитной угловой компоненты электромагнитного поля ∂B/∂t рисунок а, ∂B/∂t рисунок б при возбуждении среды круговым электрическим диполем, рассчитанные для модели месторождения полиметаллов.
Фиг. 3 - Схема возбуждения и измерения электромагнитного поля при возбуждении электромагнитного поля в среде круговым электрическим диполем.
Фиг. 4 - Схема возбуждения и измерения электромагнитного поля при возбуждении электромагнитного поля в среде вертикальной электрической линией.
r
Фиг. 5 - Изменения характера сигнала измеренной электрической радиальной компоненты E на одном из полиметаллических месторождений. До перехода границы (верхняя кривая). После перехода через границу (нижняя кривая), отрицательные значения выведены штриховкой.
z
z
Фиг. 6а - Площадные (нормированные) распределения сигналов ЗВТ на одном из полиметаллических месторождений. Компонента ∂B/∂t времени 0,78 мс. Фиг. 6б - Площадные (нормированные) распределения сигналов ЗВТ рассчитанные для модели 24 "Северной" аномалии. Компонента ∂B/∂t время 0,75 мс.
Раскрытие изобретения
Проведение работ разбивается на 3 этапа: подготовка источника (источников), проведение измерений магнитных и электрических полей, обработка (интерпретация) результатов измерений.
Первый этап - подготовка источников. Для возбуждения в среде поля ТМ-поляризации применяется один из двух способов:
1) На дневной поверхности устанавливается круговой электрический диполь, смотри фиг. 3. Исходя из площади исследований, глубинности объектов, уровня помех, параметров заземления, определяют размеры и количество лучевых отрезков 4 кругового электрического диполя и амплитуду импульсов тока генераторов 1. Размеры источника и сила тока влияет только на расстояние, на котором полезный сигнал превышает уровень помех. В соответствии с фиг. 3 производят расстановку кругового электрического диполя на местности. При этом заземляют питающий электрод 2 в центре окружности, образованной равномерно заземленными питающими электродами 3. Питающие электроды 3, количество которых должно быть не менее 6, подключают к одним концам лучевых отрезков 4 питающих линий, которые располагают по радиусам окружности через одинаковый угол. В каждый лучевой отрезок 4 включают генератор 1 тока. Вторые концы лучевых отрезков 4 соединяют между собой и подключают к одному из полюсов источника питания U. Другой полюс источника питания U соединяют с питающим электродом 2. На фиг. 3 изображено 6 лучевых отрезков 4 сплошной линией, это минимально необходимое количество линий. Количество линий может быть увеличено исходя из необходимости проведения тех или других работ. На фиг. 3 изображено 6 лучевых отрезков 4 пунктирной линией, т.е. если организовать еще 6 лучевых отрезков 4, то в круговом электрическом диполе будет 12 лучей.
2) На дневной поверхности или на некотором заглублении устанавливается одно заземление вертикальной линии 3 и строго вертикально под вышележащим заземлением устанавливается второе заземление 3 вертикальной линии, смотри фиг. 4. Второе заземление устанавливается либо в водоеме, либо в скважине, строго вертикально под первым заземлением. Размеры вертикальной линии определяются исходя из конкретной решаемой геофизической задачи, площади исследований, глубины зондирований, а также глубины водоема или глубины скважины. Размеры и сила тока в источнике влияет только на расстояние, на котором полезный сигнал превышает уровень помех. В вертикальную линию 4 включают генератор тока 1. Один конец вертикальной линии 4 подключают к одному из полюсов источника питания U. Другой полюс источника питания U соединяют с питающим электродом 3.
Второй этап - измерения сигналов. В одном из двух приведенных выше источников электромагнитного поля пропускают электрический ток. Ток в источнике должен изменяться, при изменении тока в источнике в среде начинаются переходные процессы, в это время на дневной поверхности измеряются изменения магнитного поля и изменения электрического поля. В сигналах зависимости магнитного и электрического полей от времени, содержится информация об электродинамических параметрах среды. Импульсы тока в перечисленных выше источниках возбуждаются переменной формы - прямоугольные, треугольные, синусоидальные и т.д.
После начала изменения тока в генераторном комплексе начинаются измерения компонент электромагнитного поля. Проводятся измерения магнитных и электрических компонент. Измерения проводятся по произвольной сетке вокруг источников при использовании в качестве источников кругового электрического диполя или вертикальной электрической линии. Измерения сигнала в каждой точке проводятся на всех временах, на которых сигнал превышает шумовые помехи. Места наблюдений определяются исходя из решаемой геофизической задачи, доступности точек наблюдения, уровня помех, удаления от источника поля. При использовании в качестве источника встречной электрической линии, измерения проводятся на той же прямой линии, где находится встречная электрическая линия.
Места наблюдений определяются исходя из решаемой геофизической задачи, доступности точек наблюдения, уровня помех, удаления от источника поля. Расстояние между точками наблюдений влияет на точность определения границ объекта и является компромиссом между желанием как можно точнее определить границы объекта и экономической целесообразностью.
Измерения магнитных компонент проводят с помощью измерителя 8, подключенного к датчику 9 или с помощью измерителя 6, подключенного к магнитометру 7. Измерения электрических компонент проводят с помощью измерителя 10, подключенного к измерительной линии 5, см. фиг 3, 4.
3-ий этап - обработка (интерпретация) результатов измерений, восстановление электродинамических параметров среды. Сначала строят карты наблюденного магнитного сигнала по результатам измерений. Строят карты магнитных компонент на всех временах, на которых были проведены качественные измерения. При построении карт учитывается удаление точки наблюдения от центра источника. Для учета удаленности точек наблюдений сигналы умножаются на отношение расстояния между точкой наблюдения и центром источника к радиусу источника. Как вариант используется степень этого отношения, например квадрат отношения, см. формулу 1.
Для визуализации площадных карт магнитных компонент ЗВТ мы используем следующую нормировку:
i
где ε - значение ЭДС, измеренное на i пикете,
r - расстояние между центром КЭД и точкой измерения,
d - диаметр КЭД,
n - нормировочная степень, изменяемая со временем (обычно от 1 до 3), но постоянная на данном времени для всей площади.
z
z
ϕ
ϕ
На втором этапе интерпретации задают первоначальные приближения для поиска трехмерных объектов по данным измерений. В зависимости от того, какие магнитные компоненты были измерены, задают границы объекта, опираясь на данные измерений. Например, при наличии измерений магнитной компоненты ∂B/∂t, центр объекта задают так, чтобы через него проходила линия смены знака измеренного сигнала магнитной компоненты ∂B/∂t. Например, при наличии измерений магнитной компоненты ∂B/∂t, ближний к источнику электромагнитного поля край объекта задают так, чтобы объект находился под максимальными сигналами магнитной компоненты ∂B/∂t.
На третьем этапе по измеренным магнитным компонентам электромагнитного поля восстанавливают форму и электродинамические параметры трехмерного объекта. Решается так называемая обратная задача, целью которой является определение трехмерной модели искомого объекта. Для каждой трехмерной модели проводят расчеты сигналов магнитных и электрических компонент, используя алгоритмы с учетом ряда электродинамических параметров - вертикальной проводимости, горизонтальной проводимости, поляризуемости объектов, а также параметров проводимости и поляризуемости среды. Последовательными приближениями в автоматическом или ручном режиме изменяют форму и электродинамические параметры модели объекта таким образом, чтобы сигнал при расчете электромагнитного поля все лучше соответствовал наблюденному сигналу - уменьшались различия между наблюденным сигналом и сигналом, рассчитанным для модели. Для формализации различия между полевым и модельным сигналами используется формула невязки. По невязке вычисляют расхождение в сигналах, улучшение соответствия подобранного объекта и реального объекта. Чем меньше значение невязки, тем лучше параметры подобранного объекта соответствуют реальному объекту. Одна из возможных формул нахождения невязки приведена в формуле 2.
где i- соответствующая компонента магнитного поля,
j - пикет в котором проводят измерения,
l - время на котором проводят измерения,
l  - значение вычисленной компоненты магнитного поля для i-вой компоненты, j-го пикета, -го значения по времени,
- значение измеренной компоненты магнитного поля для i-вой компоненты, j-го пикета, -го значения по времени.
r
При выявлении трехмерных объектов, кроме магнитных компонент электромагнитного поля, проводятся измерения электрических компонент. Эти измерения дают дополнительные данные для выявления трехмерных объектов. Измеренные на практике электрические сигналы пока не описываются существующими теориями. Экспериментально показано, что на многих месторождениях полиметаллических руд, а также на кимберлитовых и туфовых трубках, при переходе границы объекта, ближней к источнику электромагнитного поля, происходит резкое изменение характера сигнала. Пример изменения характера сигнала измеренной электрической компоненты E на одном из полиметаллических месторождений, приведен на фиг. 5. На фиг. 5 видно, что до перехода границы (верхняя кривая) сигнал плавно спадает. После перехода через границу (нижняя кривая) сигнал резко спадает и переходит через 0 (отрицательные значения выведены штриховкой). Таким образом, измерения электрических компонент на многих участках используются для выявления ближней к источнику электромагнитного поля границы объекта.
Пример реализации заявленного способа.
Примером практического применения предлагаемого способа могут служить работы, проведенные с участием и по методике авторов в Восточном Казахстане.
Целью работ было выявление месторождений полиметаллических руд на глубинах от 300 до 1000 метров.
2
Данные работы проводились на участке площадью чуть больше 5 км, сетка измерений близка к квадратной сетке 200*200 м. Работы проводились двумя методами:
2
z
1) Методом переходных процессов - МПП. МПП - это классический, широко распространенный метод, использующий только поле ТЕ-поляризации. В данных работах в качестве источника использовалась квадратная петля со стороной 200 м, ток в петле - 10 А. Применялась соосная установка, приемником был датчик с эффективной площадью 10000 м. Измерялась магнитная компонента электромагнитного поля ∂B/∂t в центре источника.
z
ϕ
r
z
ϕ
r
2
2) ЗВТ. Источником поля являлся круговой электрический диполь с радиусом 750 м, суммарный ток в источнике - 80 А. В источнике пропускались периодические токовые прямоугольные импульсы. Измерялись следующие компоненты электромагнитного поля - ∂B/∂t, ∂B/∂t, E. Компоненты электромагнитного поля ∂B/∂t, ∂B/∂t измерялись датчиками с эффективной площадью 30000 м. Компонента E измерялась приемной линией длиной 50 м, предусилитель с коэффициентом 10, точность измерений 10 мкВ.
z
Рассмотрим результаты измерений компоненты ∂B/∂t. Рабочий диапазон времен, на которых проявляется информация о "Северной" аномалии, нами определен от 0.5 мс до 1.5 мс.
z
r
z
r
На рисунке 6а выведены результаты полевых измерений на времени 0.78 мс. На рисунке также представлены контуры аномалии по результатам МПП - серый штриховой контур, аномалии по результатам ∂B/∂t для ЗВТ - черный сплошной контур, и аномалии по поляризации по компоненте E - пунктирный черный контур. На рисунке 6б выведены результаты расчетов для модели "Северной" аномалии на времени 0.75 мс. На рисунке также представлены контуры аномалии по результатам МПП - серый штриховой контур, аномалии по результатам ∂B/∂t для ЗВТ - черный сплошной контур, и аномалии по поляризации по компоненте E - пунктирный черный контур. Нужно отметить, что в плане центры аномалий определены с хорошей точностью.
r
z
z
Если предположить, что контур по результатам ЗВТ ближе к контуру реальной аномалии, то можно понять, почему аномалия по МПП смещена относительно аномалии по ЗВТ. Петля в 200 м достаточно большая при изучении аномалий с характерной шириной в 400 метров. Наибольшее изменение проводимости на глубинах больше 100 м будет в точках, которые ближе всего к обеим ветвям аномалии и южной и северной, а не над самими ветвями аномалии. Аномалия по поляризации также гораздо лучше соотносится с контуром по ЗВТ. На основании этих соображений мы считаем, что аномалия проявилась и в МПП, и в сигнале компоненты E для ЗВТ, и в сигнале ∂B/∂t для ЗВТ, но ближе всего к реальному контуру именно аномалия по результатам ∂B/∂t для ЗВТ.