Способ обнаружения неоднородностей в приповерхностном слое земли

 

СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ НЕОДНОРОДНОСТЕЙ Б ПРИПОВЕРХНОСТНОМ СЛОЕ ЗЕМЛИ, основанный на непрерывном измерении естественного переменного магнитного поля при помощи двух ор-тогональных рамок, отличающийся тем, что, с целью снижения трудоемкости и повышения эффективности обнаружения неоднорог:,ностей нерудной природы, например тектонических нарушений, карстов, скоплений подземных вод, измеряют постоянную часть естественного магнитного поля по профилям на высоте не более 0,5 м от поверхности Земли и по аномальным значениям регистрируе№К сигналов судят о наличии и местоположении неоднородностей. (Л со -а 1C ч гк,м

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУВЛИН

„.SU(„) 3(Ю 6 01 Ч 3 08

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н ABTOPCH0MV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

2Л) ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И OTHPblTHA (2i) 3494327/18-25 (22) 28.09 ° 82 (46) 15 ° 02.84. Бюл. Р 6 (72) В.С,Ямщиков, С.М.Ильенко и Е.Г.Соболев (71) донецкий ордена Трудового Красного Знамени политехнический институт и Донецкий научно-исследовательский гориорудный институт (53) 550.83(088.8) (56) 1. Авторское свидетельство СССР

9 189102, кл. 0 01 Ч 3/00 1966.

2. Якубовский Ю.В., Ляхов Л.Л.

Электроразведка. М., Недра, 1982, с. 371 (прототип). (54) (57) СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ НЕОДНОРОДНОСТЕИ В ПРИПОВЕРХНОСТНОМ СЛОЕ

ЗЕМЛИ, основанный на непрерывном измерении естественного переменного магнитного поля при помощи двух ортогональных рамок, о т л и ч а ю— шийся тем, что, с целью снижения трудоемкости и повышения эффективности обнаружения неодноро ностей нерудной природы, например тек- . тонических нарушений, карстон, скоплений подземных вод, измеряют постоянную часть естественного магнитного поля по профилям на высоте не более 0,5 м от поверхности Земли и по аномальным значениям регистрируемис сигналов судят о наличии и местоположении неоднородностей.

1073727

Изобретение относится к наземным способам геомагниторазведки, основанным на излучении естественного электромагнитного поля Земли, и может быть использовано на стадиях поиска и разведки месторождений не- 5 руднorо сырья.

Однако способ непригоден для исследований месторождений нерудного сырья, так как аномалии на неоднородностях достигают десятков гамм.

Известен способ геоэлектроразведки по обнаружению геологических неоднородностей методами естественных переменных магнитных полей, основанный на измерении функции взаимной корреляции с использованием ортогональных приемных элементов. Согласно укаэанному способу сигналы от горизонтального и вертикального приемных элементов складываются, преобразовываются, вычисляются отношения сумм сигналов к функции автокорреляции сигнала от горизонтального приемного элемента и по названным отношениям судят о наличии и местоположении аномалии проводимости масси- 25 вов горных пород. Способ применим для разведки рудных и нефтегазоносных месторождений (1).

Известный способ характеризуется низкой точностью результатов измере- 30 ний из-за высокой изменчивости переменной части естественного магнитного поля, причем отсутствие по способу базисной точки для сравнения измерений на профильных точках с 35 измерениями на базисной точке при сложных геологических условиях также приводит к ошибочным результатам при определении местоположения неоднородностей.

Кроме того, способ не применим

40 в любое время года, не осуществим в процессе движения установки, и обладает низкой эффективностью при использовании его на нерудных месторождениях из-за слабых магнитных ано-45 малий.

Наиболее близким к изобретению является способ обнаружения неоднородностей в приповерхностном слое

Земли, основанный на непрерывном из- 50 мерении естественного переменного магнитного поля при помощи двух ортогональных рамок (2).

Данный способ неэффективен для обнаружения неоднородностей нерудной природы, так как именно в беэрудных областях регистрируют нулевые фоновые отсчеты.

Цель изобретения — снижение трудоемкости и повышение эффективнос- 60 ти обнаружения неоднородностей в приповерхностном слое Земли нерудной природы, например тектонических нарушений, карстов, скоплений подземных вод. 65

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу обнаружения неоднородностей в приповерхностном слое Земли, основанному на непрерывном измерении естественного переменного магнитного поля при помощи двух ортогональных рамок, измеряют постоянную часть естественного магнитного поля по профилям на высоте не более

0,5 м от поверхности Земли и по аномальным значениям регистрируемых сигналов судят о наличии и местоположении неоднородностей.

На фнг. 1 показана схема образования магнитной аномалии главного магнитного поля Земли на поверхностном обводненном карсте (графики ЭДС); на фиг. 2 — то же, физическая картина преломления магнитных силовых линий на физической неоднородности поверхностном обводненном карсте; на фиг.. 3 — то же, что на фиг. 1, на обводненном заполненном рыхлым материалом тектоническом нарушении (график ЭДС); на фиг. 4 — физическая картина преломления магнитных силовых линий на физико-геометрической неоднородности — обводненном текстоническом нарушении °

Форма кривой 1 (фоновая) при профилировании над участком без однородностей; экстремальная часть кривой 2 ЭДС над карстом ; положение 3 магнитных силовых линий над участком без неоднородностей; положение

4 магнитных силовых линий над поверхностным карстом; граница 5 Земля — воздух граница 6 Скальные — рыхлые породы, массив 7 скальных пород поверхностный обводненный карст 8; форма кривой 9 ЭДС (фоновая) при профилировании над участком без неоднородностей; экстремальная часть кривой 10 ЭДС над обводненном тектоническом нарушений; обводненное заполненное рыхлым материалом тектоническое нарушение 11.

Предлагаемый способ бснован на следующем.

Современные исследования позволяют разделить геомагнитное поле на три основные части: главное магнитное поле и его вековые вариации с источником внутри ядра Земли; аномальное поле, обусловленное совокупностью источников в тонком верхнем слое Земли, называемом магнитоактивной оболочкой Земли; внешнее поле, связанное с внешними источниками — токовйми системами в околоземном пространстве.

Вклад главного магнитного поля в магнитное поле, наблюдаемое на поверхности Земли, составляет в среднем более 95%, аномальное поле вносит около 4% и доля внешнего поля (переменного электромагнитного) составляет около 1В.

1073727

Исходя из вышеизложенного и с учетом того, что на нерудных месторождениях в приповерхностном слое

Земли глубиной до 300-400 м (от поверхности Земли) чаще всего присутствуют слабомагнитные породы, понятна важность разработки способа исследований изменений главного магнитного поля в приповерхностном слое Земли и над поверхностью Земли.

В настоящее время не представляет затруднений в устройстве для осуществления способа установить фильтры и экран для ограничения влияний переменной части геомагнитного поля на результаты измерений главного магнитного поля Земли. При перемещении установки над исследуемой поверхностью влияние длиннопериодных изменений переменной части геомагнитного поля на результаты записи значений ЭДС резко уменьшается.

В предлагаемом способе обнаружения неоднородностей, таким образом, исследуется главное магнитное поле Земли, вкладывающее более 95% информации в наблюдаемое на поверхности Земли геомагнитное поле °

Электромагнитное поле Земли претерпевает на геометрических и физических неоднородностях отражение и преломление. Электрические и магнитные компоненты поля преломляются обратно пропорционально соответственно C u Vy .,, тT.е. коэффициент преломления при наличии геометрических или физических границ раздела двух сред равен М, и= —, E„ „„ где Е и ń— диэлектрические проницаемости второй и первой сред; и р„— магнитные проницаемости.

Диэлектрические проницаемости пород изменяются в пределах от первых единиц до десятков единиц, а E.ii о*ы

81. Магнитная проницаемость осадочных пород почти всегда равна или больше единицы и меньше двух,но изменяется в относительно больших пределах.

Над поверхностью Земли на высоте до 0,5м в связи с изложенным и подтвержденным на практике образуются аномалии главного магнитного поля

Земли за счет преломления магнитных силовых линий на неоднородностях . .нерудной природы (практически немагнитных или слабо магнитных осадочных пород), на границах раздела разнотипных пород и, наконец, на границе Земля — воздух . Особенно эфФект преломления значителен на об- водненных неоднородностях (карсты, тектонические нарушения, линзы подземных вод и т.п.).

В предлагаемом способе под приповерхностным слоем земли принимается слоЯ пород мощностью 300-400м от поверхности Земли. На таких максимальных глубинах обнаруживают не5 однородности, характерные для месторождений нерудного сырья — известняки и доломиты, огнеупорные глины и каолины, гипсы, соли.

Существенное влияние на график

ЭДС, а значит, на эффективность обнаружения неоднородностей и нерудной природы оказывает высота перемещения рамок над поверхностью Земли.

Эффективной оказалась высота 0,5 м (ниже мешает неровность поверхности и растительность) . Проведенные эксперименты по перемещению катушек на высоте 1, 1,5 и 2,0м показали, что часто неоднородности — карсты, мелкие тектонические разрывы — не обна®О руживаются.

Считается закономерным, что геологические неоднородности всегда имеют вокруг себя локальные электрические поля, которые всегда сопровождаются магнитными полями за счет кон-тактов неоднородностей со слоями различного типа пород, фильтрации жидкостей и т.п. Причем над неоднородностями с заниженным электросо30 противлением (карсты, обводненные тектонические нарушения) напряженность магнитного поля всегда больше по сравнению с фоновым. Эти явления всегда вносят вклад в наблюдаемое

35 главное магнитное поле Земли, в частности в аномалии главного магнитного поля Земли даже на нерудных месторождениях при измерениях напряженности над поверхностью Земли.

40 Считается закономерным также то, что вертикальная компонента Hz главного магнитного поля убывает с увеличением высоты над поверхностью

Земли обратно пропорционально кубу расстояния, а компоненты Ну, Н >— обратно пропорционально четвертой степени этого расстояния.

Поэтому в предлагаемом способе используют спаренные ортогональные рамки, позволяющие при их перемещении регистрировать возникающие в них ЭДС от взаимодействия Н и Н (Ну) °

Из законов электродинамики известно, что во всяком замкнутом проводя55 щем контуре при изменении потока магнитной индукции через площадь, ограниченную з тим кон туром, воз никает электрический индукционный ток. Величина ЭДС индукции (Я; ) пропорциональ6О иа скорости изменения потока индукции со временем и определяется по формуле

ЗФ

Е = — — =шф з пЧ

< 0 где оз — частота пересечения контуром аномалии плотности магнитных силовых линий у понерхности Земли;

Фо — нормальный поток магнитной индукции через площадь кон- 5 тура;

Ч вЂ” угол между нормалью рамки и магнитными силовыми линиями главного магнитного поля Земли; 10

dt. — время, принятое для определения изменений потока магнитной индукции.

В предлагаемом способе ортогонально спаренные рамки непрерывно нереме1цаются над поверхностью на высоте до 0,5 м, пересекая магнитные силовые линии главного магнитного поля

Земли, которые над аномалиями представлены зонами различной плотности и углами наклона к поверхности.

Возникающая н рамках (катушках индуктинности) ЭДС представляет собой сумму ЭДС от вертикальной и горизонтальной компонент главного магнитного поля Земли. Способ не исключает записи ЭДС только от взаимодей-. ствия с вертикальной или горизонтальной компонентой, или полным нектором магнитной индукции главного магнитного поля Земли. 30

Предлагаемый способ реализуется следующим образом.

На исследуемом участке месторождения нерудного сырья разбивают профили для проведения съемок. 35

В качестве устройств для осуществления способа могут быть взяты рамки-катушки индуктинности длиной

30 см и шириной 10 см и состоящие иэ 800 витков медного изолированно- 4О го провода 0,15 мм. Катушки соединяются (спаринаются) между собой под прямым углом, а при перемещении над поверхностью Земли они ориентируются под одинаковым углом к вертикали, 45 т.е. нод углом 45 .

Для удобства проведения исследований рамки можно установить на кронштейне-держателе, который переносит впереди себя оператор. Рамки защищены сверху экраном, который заземлен с прибором регистратором.

Дополнительно устананлинается частотный фильтр для защиты от воздействия переменной части геомагнитного поля.

В качестве первичного регистратора ЭДС н рамках выбирается магнитофон переносного типа (батарейное питание) с встроенным в него муль- 6О тивибратором. Записанная на магнитбфонную пленку ЭДС в стационарных условиях графопостроителем соответствующего типа записывается на бума-. ге в виде графика ЭДС. 65

Физическая картина образования магнитной аномалии главного магнитного поля Земли следующая.

Магнитные силовые линии главного магнитного поля исходят из глубоких недр Земли ориентировочно под прямым углом к поверхности Земли (по радиусу Земли) .

В однородном скальном массиве 7 магнитные силовые линии занимают первоначальное положение (фиг.l — 4) .

На границе б Скальные-рыхлые породы по законам преломления н виду различия Е и пород магнитные силовые линии изменяют свой угол и проходят сквозь рыхлые породы, а при подходе к границе 5 Земля-воздух по этим же законам они опять изменяют свой угол и занимают положение 3 (фиг. 2 и 4) .

При встрече с физической неоднородностью, например с поверхностным обнодненным карстом 8 (фиг. 2), магнитные силовые линии главного магнитного поля Земли претерпевают большее (8Во* 81 зс1волнитвля=40 ю

p воды 1 Р- заполнител зультате над поверхностью 8 магнитные силовые линии занимают положение 4 (фиг. 2) . В этом случае аноМалия вертикальной составляющей была равна 80-100т.

При профилировании спаренными рамками в них- возникают ЭДС, форма графиков которых над участками без неоднородностей имеет ннд 1 (фоновый, фиг. 2) .

Над обнодненным поверхностным карстом график ЭДС принимает экстремальное значение 2 (фиг. 1). При дальнейшем перемещении устройства форма кривой ЭдС имеет прежний вид,l.

При проФилировании участков, на которых имеются обводненные тектонические нарушения 11 (фиг. 4), форма кривой ЭДС изменяется.

При подходе к тектоническим нарушениям форма кривой ЭДС имеет нид 9 (фиг. 3) . Над тектоническим нарушением изменяется форма и размеры экстремальных значений кривой 10 ЭДС (фиг. 3) .

Изменение экстремальных параметров ЭДС над тектоническими нарушениями ныэ нано двумя факторами: относительное смещение преломляющих границ (геометрическая неоднородность); наличие обводненных рыхлых пород заполнителя (физическая небднородность).

Аномалии главного магнитного поля

Земли н приводимом примере над обвод- ненным тектоническим нарушением составляют 250-300 g (по вертикальной составляющей) . Способ предусматривает классификацию неоднородностей .не только по форме кривой ЭДС, но и по величине самой ЭДС. Так, над обводненным .поверхностным карстом

1073727 экстремальное значение ЭДС составляет 5 мВ, а над обводненным тектоническим нарушением — больше 10 мВ (фиг. 1 н 3,}.

Форма кривой ЭДС на фиг. 2 по сравнению с фиг. 1 отличается изрезанностью. Это объясняется сложным рельефом скальных пород, примыкающих к тектоническому нарушению.

Для распознания вида неоднородности на крииой ЭДС очевидно, что необходимо накопление опыта записи ЭДС на известных геологических разрезах.

Необходима систематизация экстремальных значений ЭДС, характерных для определенного типа месторождений.

После приобретения опыта расшифровки кривых ЭДС и их экстремальных значений осуществление способа не представляет затруднений.

Отличительными особенностями предлагаемого способа являются: резкое уменьшение трудозатрат, дешевизна, оперативность и надежность, возможность осуществления практически круглый год и в сложных рельефных условиях местности.

1073727, с

Составитель Е.Поляков

Редактор М.Келемеш Техред И.Хетелева Корректор А, Тяскс

Закаэ 325/46 Тираж 711 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам иэобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., ф. 4/5

Филиал ППП Патент, r.ужгород, ул.Проектная, 4