СПОСОБ ГЕОЭЛЕКТРОРАЗВЕДКИ
METHOD OF GEOLOGICAL MONITORING

Изобретение относится к области геофизики, а именно к способу геоэлектроразведки, основанному на использовании промышленных магнитных полей (ПМП).
Метод ПМП может применяться при решении поисковых геологических, гидрогеологических и экологических задач, связанных с выделением и картированием объектов, обладающих повышенной электрической проводимостью, в условиях урбанизированных территорий. Наиболее актуально его применение в целях прогноза возможных негативных техно-геологических процессов при шахтной отработке месторождений.
Известен ряд методов электроразведки по обнаружению геологических неоднородностей среды, основанных на использовании гальванических и индуктивных способов возбуждения и регистрации электромагнитных полей. К ним относятся различные виды электрического и электромагнитного профилирования и зондирования (ВЭЗ, ЭП, 43, ЗСБ, МТЗ и др.). Однако в условиях промышленно развитых регионов их применение становится малоэффективным. Это связано с наличием различного рода промышленных сооружений и техногенных помех, существенно затрудняющих процесс измерений и снижающих информативность получаемых результатов.
Одним из направлений повышения эффективности применения методов электроразведки в данных условиях является использование в качестве источника электромагнитных полей, порождаемых промышленными электроэнергетическими источниками. К настоящему времени известно несколько способов использования промышленных электромагнитных полей при решении геолого-поисковых задач [2, 6-10].
Одним из близких к предлагаемому изобретению является способ поиска хороших проводников по магнитному полю промышленных токов частотой 50 Гц [2] с выполнением регистрации трех ортогональных компонент поля по системе параллельных профилей с измерением угла наклона вектора напряженности к горизонтальной плоскости. Выбор информативных компонент и интерпретация осуществляются на основе сравнительного анализа с известными особенностями геологического строения ранее изученной территории. Другой разновидностью этого способа является изобретение (патент RU №2107932 С1, МПК G01V 3/08, опубликовано 27.03.1998), в котором рассматривается возможность определения положения линейных проводящих зон в недрах земли путем измерения азимутов и углов наклона малой и большой осей элипсоида поляризации магнитного поля на частоте промышленного тока (патент RU №2107932 С1, МПК G01V 3/08, опубликовано 27.03.1998). Как и в первом случае измерения проводят по сети параллельных профилей. В каждой точке по результатам азимутальных наблюдений определяют направление в нижнее пространство радиуса-вектора, перпендикулярного к плоскости, построенной на измеренных векторах, и по выделенным участкам сближения или пересечения радиусов-векторов, отражающих повышение плотности тока, выявляют наличие проводящих линейных объектов, связанных с возможным наличием разломов, либо сульфидных руд.
К недостаткам этих способов можно отнести: 1) необходимость выполнения съемки по системе параллельных профилей, что не всегда возможно в силу недоступности отдельных участков исследуемой территории, к примеру, при возможной ее обводненности, заболоченности, застроенности и т.п.; 2) ограниченность по информативности, связанную с возможностью выделения лишь линейно вытянутых проводящих объектов, неопределенность характера изменения глубины их залегания, неучет возможного влияния иных промышленных источников электромагнитного поля.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому изобретению относится способ, рассмотренный в работе В.С. Титлинова [10], в которой впервые, помимо основной частоты (50 Гц), использованы отдельные ее гармоники. Полевые наблюдения предложено выполнять с помощью стандартной аппаратуры импедансных частотных зондирований АЧЗ-78 с номинальным диапазоном частот 30-2500 Гц, в измерительный блок которой были дополнительно введен набор частот промышленного поля 50, 150, 250, 500, 1000 Гц. Эта аппаратура имеет полосу пропускания частот 0.3 Гц и уровень собственных шумов примерно 0.1 мкВ (на f=50 Гц) и 0.02 мкВ - на f=1000 Гц). В качестве источника промышленного поля использована магистральная ЛЭП мощностью 110 кВ. Способ реализован с использованием теории бесконечного длинного кабеля. Регистрация осуществлялась с использованием трех промышленных частот - 50, 150 и 250 Гц в комплексе с частотным зондированием. Сопоставление полученных результатов с данными частотного зондирования позволило выделить ряд важных особенностей использованного поля ЛЭП: а) магнитное поле заметно стабильнее электрического поля; б) при удалении от ЛЭП на расстояние, превышающее половину длины волны, кривая кажущегося сопротивления, вычисленная по данным поля ЛЭП, практически не зависит от системы расположения (вертикальное либо горизонтальное) проводов ЛЭП и хорошо согласуется с кривой частотного зондирования; в) наблюденное поле превышает пороговый уровень чувствительности прибора на удалении от источника (мощностью 110 кВ) до 2.5 км.
Недостатками способа-прототипа являются:
1) используется поле отдельного ЛЭП без учета возможного влияния совокупности различного вида источников промышленного поля в условиях высокоурбанизированных территорий, что снижает точность и достоверность измерений; 2) отсутствуют методы количественной оценки информативности применения способа в конкретных геоэлектрических и электроэнергетических условиях при произвольной системе расположения точек наблюдений; 3) при использовании аппаратуры АЧЗ-78 задание частот промышленного поля выполняется субъективно, без учета и предварительной оценки их информативности.
Задачей создания предлагаемого изобретения является  устранение недостатков прототипа, повышение точности, информативности и технологичности метода магнитного зондирования, основанного на использовании промышленных полей при решении геологических, гидрогеологических и экологических задач.
Поставленная задача решается с помощью признаков, указанных в формуле изобретения, общих с прототипом, таких как способ геоэлектроразведки, основанный на использовании магнитного зондирования геологической среды, и отличительных существенных признаков, таких как в качестве источника используют интегральное магнитное поле, формируемое в результате суммарного воздействия существующего набора промышленных электроэнергетических источников в диапазоне частот от 50 Гц до 1-2 кГц, и на основе оценки влияния дальней и ближней зон электромагнитного поля осуществляют районирование территории по величине электрического сопротивления пород, отвечающих информативной зоне, затем выполняют регистрацию компонент напряженности магнитного поля в каждой точке наблюдений по трем ортогональным направлениям при нескольких значениях азимута расположения радиальных составляющих датчика измерительной установки, затем проводят спектральный анализ измеренного магнитного поля, определяют амплитудно-частотные характеристики каждого из его компонентов и пересчитывают амплитудно-частотные характеристики в значения кажущегося сопротивления, по результатам интерпретации которых получают информацию о пространственном изменении электрического сопротивления и анизотропных свойств среды в интервале эффективных глубин распространения магнитного поля.
Вышеперечисленная совокупность существенных признаков позволяет получить следующий технический результат - повышение точности, информативности и технологичности метода магнитного зондирования, основанного на использовании промышленных полей.
Ниже раскрывается причинно-следственная связь отличительных признаков изобретения с достигаемым техническим результатом.
Изобретение относится к наземным способам электроразведки, основанным на использовании явления электромагнитной индукции, и может применяться при изучении физического состояния геологической среды, с выделении любых электронно- и ионопроводящих объектов (рудных образований, водонасыщенных пород, соляных растворов) при решении поисковых, инженерно-геологических и экологических задач в условиях урбанизированных территорий.
Сущность изобретения заключается в создании способа изучения строения и физического состояния геологической среды, основанного на использовании магнитной составляющей переменного электромагнитного поля, формируемого в результате суммарного воздействия широкого набора достаточно мощных электросетевых объектов - линий электропередач, трансформаторных подстанций, регуляторов мощности, индукционных печей, выпрямителей и др. с учетом выявленных характерных его особенностей, в частности, а) кратности гармоник интегрального поля основной частоте (50 Гц); б) синфазности полей различных источников, вследствие существующей синхронизации электрической сети в пределах промышленного региона; в) повышенной стабильности характера поведения поля во времени, обусловленной как стационарностью расположения источников, так и слабой зависимостью интегрального поля от изменения режима работы отдельных источников средней мощности; г) преобладанием вертикальной составляющей магнитного поля над его радиальной составляющей в силу соответствия поля большинства промышленных источников полю вертикального магнитного диполя. Способ обладает возможностью прогнозной оценки эффективности его применения в конкретных геоэлектрических и электроэнергетических условиях.
При использовании существующих аппаратурно-измерительных средств, позволяющих осуществлять регистрацию гармоник основной частоты (50 Гц) до 10-12 порядков, 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). Физическая суть этого объясняется исходя из основ электродинамики.
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>H</mi><mo>¯</mo></mover><mn>0</mn></msub><mrow><mo>(</mo><mi>f</mi><mo>)</mo></mrow></mrow>
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>H</mi><mo>¯</mo></mover><mrow><mi>и</mi><mi>н</mi><mi>д</mi></mrow></msub><mrow><mo>(</mo><mi>f</mi><mo>)</mo></mrow></mrow>
Согласно принципу электромагнитной индукции наблюдаемое на земной поверхности магнитное поле можно представить в виде суммы двух основных полей: первичного
и противоположно направленного индуцированного вторичного поля
<mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mover accent="true"><mi>H</mi><mo>¯</mo></mover><mrow><mo>(</mo><mi>f</mi><mo>)</mo></mrow></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
Очевидно, что чем больше величина индуцированного магнитного поля, тем больше величина понижения амплитуды наблюденного поля
при данной частоте поля f, соответствующей эффективной глубине зондирования [1, 5]
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>H</mi><mo>¯</mo></mover><mrow><mi>и</mi><mi>н</mi><mi>д</mi></mrow></msub><mrow><mo>(</mo><mi>f</mi><mo>)</mo></mrow></mrow>
,
Основными факторами, влияющими на величину индуцированного магнитного поля  являются:
1) наличие электропроводящего тела;
2) скорость изменения первичного поля в проводящей среде.
<mover accent="true"><mi>H</mi><mo>¯</mo></mover>
Чем выше проводимость тела, либо скорость изменения поля, тем контрастнее проявление проводящего объекта, которым могут служить любые электронно- и ионопроводящие тела: рудные образования, водонасыщенные породы, соляные растворы. Чем выше их проводимость, тем больше величина возбуждаемого ими индукционного магнитного поля и, соответственно, тем больше понижение наблюденного поля
.
Величина скорости изменения первичного поля в проводящей среде определяется соотношением расстояния от точки наблюдения r до источника с длиной волны λ, что связано с понятием ближней и дальней зон [1]. При малых удалениях точки наблюдения от источника по сравнению с длиной волны (r<λ/2π) поле отвечает ближней зоне, при r>λ/2π - дальней зоне. При непосредственной близости точки наблюдения к источнику (r<<λ) магнитное поле становится практически неинформативным  -  теряется его зависимость от частоты и электрического сопротивления среды [1]. Наибольшие проявления индукции происходят в дальней зоне.
Учитывая выражение для длины волны
дз
в реальных условиях при наличии в пределах региона множества источников с разной удаленностью от точки наблюдения, насчитывающих сотни, а иногда и тысячи единиц, при известном их расположении, может быть спрогнозирована область распространения дальней зоны. Для этого может быть использован предлагаемый параметр К(f), характеризующий степень проявления информативной (дальней) зоны в наблюденном интегральном электромагнитном поле, обусловленном совокупностью N основных промышленных источников:
i
i
ан
где r - расстояние от точки наблюдения до i-го источника поля; f - основная (минимальная) частота (f=50/60 Гц), определяющая условие выполнения дальней зоны для всего используемого диапазона частот f промышленного поля; ρ - величина продольного сопротивления, соответствующая верхней границе диапазона аномально пониженных сопротивлений, характерных для искомого объекта.
ан
ан
На основе формулы (6) может быть выполнено районирование обследуемой территории по значениям ρ, отвечающих условию дальней зоны. Для расчета ρ используется формула, получаемая из (6):
дз
дз
В пределах рабочей зоны, отвечающей условию К(f)>>1, к примеру К(f)=10, возможно получение информации о геологическом разрезе в определенном интервале глубин на основе принципа частотного зондирования.
Предлагаемый способ в ряде случаев может применяться при изучении геологической среды и при отсутствии информации о каждом из источников, вносящих вклад в результирующее поле. Это основывается на использовании информации о вышеотмеченных особенностях промышленных полей. Одними из критериев информативности являются оценки наличия и степень проявления амплитуд компонент магнитного поля для каждой из используемого набора промышленных частот (в интервале примерно от 50 до 1000 Гц). Наличие частот промышленного поля и достаточно высокий уровень значений амплитуд компонент магнитного поля, превышающий фоновый уровень, могут служить косвенным признаком наличия дальней зоны.
При использовании предлагаемого способа возможна регистрация компонент напряженности магнитного поля в каждой точке наблюдений по трем ортогональным направлениям при нескольких значениях азимута расположения радиальных составляющих датчика измерительной установки.
Пример 1
Технология зондирования геологической среды предлагаемым способом включает выполнение следующей совокупности операций:
Xi
yi
z
1) регистрацию компонент напряженности магнитного поля H(t), H(t), H(t) в каждой точке наблюдений по трем ортогональным направлениям в заданный интервал времени (порядка 20-40 с ) при нескольких значениях азимута измерительной установки;
2) спектральный анализ измеренного поля с целью определения амплитудно-частотных характеристик каждой из компонент наблюденного магнитного поля;
<mrow><msub><mi>ρ</mi><mi>k</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><msqrt><mrow><mn>1</mn><mo>/</mo><mi>f</mi></mrow></msqrt></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><msub><mi>ρ</mi><mi>k</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><msqrt><mi>T</mi></msqrt></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
3) пересчет амплитудно-частотных характеристик в значения кажущегося сопротивления
;
<mrow><msub><mi>ρ</mi><mi>k</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><msqrt><mi>T</mi></msqrt></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
4) интерпретацию графиков зондирования
- получение информации о пространственном изменении электрических свойств среды в интервале эффективных глубин распространения магнитного поля.
Реализация данной технологии выполнена с помощью аппаратурного комплекса, включающего: регистрационные датчики (типа ЭРА-МА), аналого-цифровой преобразователь (типа L-Card Е440), GPS-навигатор, мобильный ноутбук, блок питания и систему цифрового управления, с использованием специально созданных программ для регистрации и спектрального анализа наблюденного поля [4], а также интерпретационной системы программ ЗОНД (свидетельство №2005610058).
В отличие от прототипа:
1) используется поле не отдельного ЛЭП, а интегральное поле, обусловленное совокупностью различных источников, с учетом общих физических представлений и результатов экспериментальных работ;
2) разработан способ количественной оценки информативности применения промышленного магнитного поля в конкретных геоэлектрических и электроэнергетических условиях на основе вычислении интегральной характеристики дальней (информативной) зоны, а также способ районирования территории по величине электрического сопротивления пород, отвечающих информативной зоне;
3) выбор рабочих частот выполняется с предварительной их оценкой в процессе спектрального анализа наблюденного поля;
4) возможность регистрации компонент напряженности магнитного поля в каждой точке наблюдений по трем ортогональным направлениям при нескольких значениях азимута расположения радиальных составляющих датчика измерительной установки, обеспечивая возможность изучения анизотропных свойств среды.
К преимуществам предлагаемого способа относятся: 1) использование широкого набора частот, включающего, помимо основной частоты (50 Гц), совокупность гармоник до 10-12 порядка, порождаемых различного рода электроэнергетическими нагрузками, позволяющих получать информацию о физических свойствах пород, залегающих на различных глубинах (от первых десятков до первых сотен метров); 2) принципиальная возможность получения информации о физическом состоянии толщи пород в условиях промышленно развитых регионов, обеспечивая преимущества относительно традиционных методов электрометрии, подверженных влиянию различного рода промышленных сооружений и техногенных помех, существенно затрудняющих процесс измерений и информативность получаемых результатов; 3) возможность оценки информативности применения способа в конкретных геоэлектрических и электроэнергетических условиях при произвольной системе расположение точек наблюдений, не требующей профильных наблюдений по субпараллельным профилям; 4) независимость результатов истолкования наблюденных данных от формы искомого проводящего тела; 5) простота технического исполнения и методики выполнения работ, обеспечивающих оперативность прогноза возможных негативных событий в условиях высокоразвитых промышленных регионов с возможностью проведения съемки в любое время года в сложных техногенных условиях.
Пример 2
Нижеприведенные примеры относятся к задаче обследования водозащитной толщи для обеспечения безопасности ведения шахтных работ в районе Верхнекамского месторождения калийных солей, расположенного в одном из промышленно развитых регионов Пермского края. Проводящим объектом в данном случае служат области соляного карстообразования. В условиях естественного залегания удельное электрическое сопротивление солей достаточно велико и составляет от нескольких тысяч до первых десятков тысяч ом-метров. Всякое нарушение соляного массива открывает доступ в него подземных вод. Величина удельного электрического сопротивления, тесно связанная с минерализацией водных растворов, образующейся вследствие выщелачивания соляных пород, может снижаться до первых единиц, а в отдельных случаях и до долей единиц ом-метра. Такая степень понижения значений сопротивления (в сотни, тысячи раз) обеспечивает достаточно высокую контрастность проявлений в электромагнитном поле соляного карстообразования.
На Фиг. 1 отображен фрагмент результатов съемки на участке, захватывающем область целика и затопленной части отработанной части карналлитовой толщи, находящейся в интервале глубин 240-250 м. По контрасту изменения электрического сопротивления, изменяющегося в 8-10 раз, достаточно уверенно фиксируется переходная зона между отработанной и неотработанной частями разреза. Данные экспериментальные наблюдения над известным подземным объектом, подобно физическому моделированию, служат подтверждением глубины проникновения переменного магнитного поля.
дз
На Фиг. 3 приведен пример оценки информативности предлагаемого способа в конкретных геоэлектрических и электроэнергетических условиях, прогнозной оценки диапазона значений продольного электрического сопротивления среды, выполненной по совокупности основных электротехнических источников в районе обследуемой территории (от 200 кВт до 700 МВт) при выполнении условия дальней зоны (К(f)=10), а также характер распределения интегрального магнитного поля.
ан
Прогнозная оценка диапазона электрического сопротивления, соответствующего условию дальней зоны, показывает, что величина его находится в диапазоне значительно превышающем величину аномального сопротивления для данной территории ρ=10 Ом·м. Это свидетельствует о возможности получения информации о зоне аномально пониженных сопротивлений и толще вмещающих пород при достаточной для измерений величине магнитного поля. Из описания и практического применения настоящего изобретения специалистам будут очевидны и другие частные формы его выполнения. Данное описание и примеры, чертежи рассматриваются как материал, иллюстрирующий изобретение, сущность которого и объем патентных притязаний определены в нижеследующей формуле изобретения, совокупностью существенных признаков и их эквивалентами.
ЛИТЕРАТУРА
1. Ваньян Л.Л. Основы электромагнитных зондирований. М.: Недра, 1965. 109 с.
2. Карвелис Г.А. О возможности поисков хороших проводников по магнитному полю блуждающих токов частотой 50 Гц. В сб. Методы разведочной геофизики. Вопросы электроразведки рудных месторождений. Л.: НПО Геофизика, 1977, с 90-95.
3. Колесников В.П., Дягилев Р.А. Система программ регистрации промышленных электромагнитных полей для проведения электроразведочных изысканий, Rec H3D. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2014611489 от 04.02.2014 г.
5. Ландау Л.Д., Лифшиц ЕМ. Электродинамика сплошных сред. - 4-е изд., М.: ФИЗМАТЛИТ, 2005. - 656 с.
6. Бобровников Н.В. Результаты наблюдений вертикальной составляющей электрического поля промышленной частоты // Теория и практика электромагнитных методов геофизических исследований. Екатеринбург, Наука УрО РАН, 1992.
7. Вешев А.В., Яковлев А.В. Использование электромагнитных полей частотой 50 Гц для электроразведки // Геофизические методы поисков и разведки: Свердловск: СГИ, 1, 1975. С. 83-90.
8. Захаров В.X., Парфенов А.В., Тимохин М.Б. Амплитудно-фазовые измерения магнитного поля промышленных токов с целью геологических исследований // Геофизические методы поисков и разведки рудных и нерудных месторождений. Свердловск, 1980. 59.
9. Сараев А.К., Ивочкин В.Г., Пертель М.И., Никифоров А.Б. Возможности электромагнитного профилирования на промышленной частоте 50 Гц при изучении Вуоксинского апатитоностного массива // Вестник СПбГУ. Спб., 1998, 7. С. 63-68.
10. Титлинов B.C. О возможности использования полей гармоник 50-периодного тока промышленных ЛЭП в многочастотной электроразведке // Теория и практика электромагнитных методов геофизических исследований. Екатеринбург: Наука УрО РАН, 1992. С. 64-77. - прототип.