Способ геоэлектроразведки

 

СПОСОБ ГЕОЭЛЕКТРОРАЗВЕДКИ, заключающийся в определении мощности и сопротивлений слоев нормального геоэлектрического разреза, суммарных значений нормальной и аномальной частей сопротивления в каждой точке вмещающей среды, сравнении этих сопротивлений, определении путем нахождения разности между ними аномальных значений, по которым выделяют геологическую неоднородность, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности вьщеления геологических неоднородностей , предварительно путем воздействия искусственным переменном электромагнитным полем на вмещакщую среду определяют направление оси однородности среды в каждой точке вмещающей среды, задают направление поляризации электромагнитного поля совпадающим с осью однородности среды , и определяют мощности и сопротивления слоев нормального геоэлектрического разреза в каждой точке, (Л задают направление поляризации поля под углом к оси однородности среды и определяют суммарные значения нормальной и аномальной частей со противления, а о направлении границ геологической неоднородности судят по направлению осей однород4 4 ности среды. О о: 00

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК

4(si) б 01 Ч 3/06

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н ABTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 3657513/24-25 (22) 01. 11.83 (46) 07.03.85. Бюл. Р 9 (72) В.М. Скопа, М.С. Пушкарь и В.Л. Невечеря (71) Днепропетровский ордена Трудового Красного Знамени горный институт им.Артема (53) 550.84(088.8) (56) 1. Вешев А.В., Ивочкин В.Г., Игнатьев Г.Ф. Электромагнитное профилирование. Л., "Недра", 1971, с. 24-48.

2. Авторское свидетельство СССР

Р 428327, кл. С 01 Ч 3/06, 1971 (прототип). (54)(57) СПОСОБ ГЕОЭЛЕКТРОРАЗВЕДКИ, заключающийся в определении мощности и сопротивлений слоев нормального геоэлектрического разреза, суммарных значений нормальной и аномальной частей сопротивления в каждой точке вмещающей среды, сравнении этих сопротивлений, определении пу„„SU„„ ll 4444ßß A тем нахождения разности между ними . аномальных значений, по которым выделяют геологическую неоднородность, отличающийся тем, что, с целью повышения эдЖективности выделения геологических неоднородностей, предварительно путем воздействия искусственным переменным электромагнитным полем на вмещающую среду определяют направление оси однородности среды в каждой точке вмещающей среды, задают направление поля. ризации электромагнитного поля совпадающим с осью однородности среды, и определяют мощности и сопротивления слоев нормального геоэлектрического разреза в каждой точке, задают направление поляризации поля под углом к оси однородности среды и определяют суммарные значения нормальной и аномальной частей сопротивления, а о направлении гра ниц геологической неоднородности судят по направлению осей однородности среды.

1 1144068 3

Изобретение относится к геофизической разведке с применением ис;кусственных переменных электромагнитных полей и может быть использовано при поисках и разведке полезных ископаемых, при инженерно-геологических изысканиях под строительство, при гидрогеологических и мелиоративных изысканиях.

Известны способы геоэлектрораз- 10 ведки, основанные на измерении элек;трических и магнитных составляющих поля магнитного диполя, определении по этим составляющим мощности и сопротивления слоев геоэлектрического раз-15 реза и выделении по полученным данным геологических неоднороднос. — . тей (1) .

Недостатком этих способов является низкая точность определения 20 параметров реальных геоэлектрическнх разрезов, обусловленная тем, . что известны функциональные зависимости между составляющими поля и электрическими свойствами среды 25 только для простого строения последней (однородная изотропная или горизонтально-слоистая изотропная), а электрические свойства реальной среды неоднородны во всех направ- 50 лениях. Строение среды, содержащей неоднородности, определяют по этим способам с использованием результатов моделирования, что также не обеспечивает точности так как невозУ 35 можно добиться полного соответствия модели реальной среде.

Наиболее близким к предлагаемому является способ поиска и разведки по. лезных ископаемых, заключающийся в определении мощности и сопротивлений слоев нормального геоэлектрического разреза, суммарных значений нормальной и аномальной частей сопротивления в каждой точке вмещающей среды, сравнении этих сопротивлений, определении путем нахождения разности между ними, аномальных значений, по которым выделяют геологическую неоднородность (2) .

Недостатками этого способа являются большая трудоемкость, обусловленная применением двух геофизических методов, и низкая точность оп ределения нормальной части сопротивления, вызванная тем, что в каждой точке этот параметр рассчитывается. При расчете распространяют определенные на периферийной части участка параметры нормального геоэлектрического разреза на весь участок, предполагая горизонтальную однородность среды периферийной части участка, но не подтверждая ее никакими исследованиями. Рассматриваемый способ не обеспечивает точности оконтуривания аномальных зон сложной конфигурации ввиду отсутствия сведений о направлении границ этих зон и требует обеспечения гальванического контакта с исследуемой средой.

Цель изобретения — повышение точности определения границ неоднородности, сокращение затрат времени на проведение геофизических работ и снижение их стоимости.

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу поиска и разведки полезных ископаемых, содержащему операции определения мощности и сопротивлений слоев нормального геоэлектрического разреза, суммарных значений нормальной и аномальной частей сопротивления в каждой точке вмещающей среды, сравнения этих сопротивлений, .определения путем нахождения разности между ними аномальных значений, по которым выделяют геологическую неоднородность, предварительно определяют направление оси однородности среды в каждой точке вмещающей среды, для чего на нее воздействуют искусственным переменным электромагнитным полем частотой в пределах 5 Гц—

5 МГц без гальванического контакта со средой и определяют мощности и сопротивления слоев нормального геоэлектрического разреза в каждой точке, для чего задают направление поляризации поля совпадающим с направлением оси однородности среды, суммарные значения нормальной и аномальной частей сопротивления определяют, задав направление поляризации поля под углом к оси однородности, а о направлении границ геологической неоднородности судят по направлению осей однородности среды.

Сущность способа заключается в следующем.

Для магнитных составляющих поля гармонического магнитного диполя, расположенного на поверхности среды, с произвольным распределением элек1144068 трических сопротивлений имеет место равенство вида и 0

Н =Н„+ Н i г=кцz, где H — наблюдаемое значение магнитной составляющей 5 поля, нормальная часть магнитной составляющей поля, зависящая только от распределения сопротивления 10 а по вертикальной оси, "л — аномальная часть магнитной составляющей, зависящая от неоднородности горизонтального распре- 15 деления сопротивления; и — индекс, указывающий составляющую вектора электромагнитного поля в прямоугольной системе коорди- 0 нат.

При рассмотрении конкретной составляющей ь заменяют Hà x, ) или Е л соответственно осям координат.

Вертикальная магнитная состав- 25 ляющая поля горизонтального магнитного диполя на линии, перпендикулярной его оси, над однородной или горизонтально-слоистой изотропной средой равна О. Для среды, сопротивление которой изменяется по верти1 кальной и одной из горизонтальной осей, указанная составляющая равна,нулю только при параллельности оси диполя и оси однородности средь 35 (линии, вдоль которой сопротивление не изменяется) и отличается от нуля при других ориентациях оси диполя относительно оси однородности. Из этого следует, что рассмотренная сос- 40 тавляющая содержит только аномальную часть, т.е. является аномальной составляющей. Полярная диаграмма аномальной составляющей имеет вид симметричной двухлепестковой кривой.

Такой же вид имеют полярные диаграммы других аномальных частей составляющих, кроме горизонтальной составляющей., которая перпендикулярна оси диполя. Полярная диаграмма ее аномальной части имеет вид четырехлепестковой симметричной кривой.

Электрическое сопротивление реаль" ной среды в большинстве случаев изменяется по обеим горизонтальным 55 осям. Но для среды, содержащей неоднородность, имеет место преобладание изменения сопротивления в направлении, перпендикулярном границе неоднородности. Рассматривая ограниченную область среды в окрестностях точки исследования, можно выдЕлить направление, в котором сопротивление изменяется незначительно, и считать его направлением оси однородности среды.

Рассмотренный характер зависимости аномальной магнитной составляющей и аномальных частей магнитных составляющих поля горизонтального магнитного диполя от взаимной ориентации поляризации поля, совпадающей с осью генераторного горизонтального диполя, и направления оси однородности среды, позволяет определить ее направление и, зная его, раздельно измерить нормальные части и суммарные значения нормальных и аномальных частей составляющих поля посредством установки дипольных частотных электромагнитных зондирований.

Для определения направления оси

-однородности ориентируют генераторный диполь установки горизонтально, а приемный — вертикально, размещают его на линии, перпендикулярной оси генераторного диполя на одинаковой с ним высоте над средой,и, вращая установку в горизонтальной плоскости, находят положение, в котором принимаемый сигнал минимален. В таком положении установки поляризация поля совпадает с осью однородности среды и при этой поляризации измеряют нормальные части магнитных составляющих поля горизонтального диполя..

Если используют установку с вертикальным генераторным диполем, то для измерения нормальных частей составляющих с направлением оси однородности среды должна совпадать ось установки — линия, соединяющая генераторный и приемный диполи. Это обусловлено тем, что поле установки с вертикальным магнитным диполем в горизонтальной плоскости поляризовано в направлении оси установки, так как поле вертикального диполя имеет две магнитные, составляющие: вертикальную и радиальную, а последняя совпадает с осью установки.

Суммарные значения нормальной и аномальной частей составляющих поля магнитного диполя измеряют, задав поляризацию поля, при которой аномальные части магнитных состав11440бВ ляющих достигают максимального значения. Для этого ось горизонтального генераторного диполя ориентируют перпендикулярно оси бднородности, а если используют установку 5 с вертикальным генераторнкм диполем, то перпендикулярно оси однородности ориентируют ось установки.

При измерении суммарного значения горизонтальной составляющей горизонтального диполя, которая перпендикулярна его оси, генераторный диполь необходимо повернуть на угол 45 о относительно его положения при измерении нормальных частей. Перечисленные операции повторяют на. каждой рабочей частоте установки.

Ло измеренным нормальным частям и суммарным значениям .нормальной и аномальной частей составляющих век- о тора электромагнитного поля определяют величины нормальных частей и суммарных значений сопротивления среды. Используя величины нормальных а частей сопротивления, строят зависимости электрического сопротивления от частоты поля, определяют мощности, число и сопротивление слоев нормального электрического разреза.

Находят разницу между суммарными 30 значениями нормальной и аномальной частей и аномальной частью сопротивления, являющуюся аномальной частью, и по ней определяют неоднородность.

При определении положения границ д неоднородности учитывают то, что они совпадают с направлением осей однородности среды.

На фиг.1 приведены полярные диаграммы аномальной составляющей поля; на фиг. 2 — карта участка, на котором проводились испытания предлагаемо.го способа. На карте показаны профили (ПР1-ПРЯ), штрихпунктирной линией показаны границы переуглубления, штриховой — границы неоднородности, найденные разведкой по известному способу, сплошной линией — границы неоднородности, найденные по предлагаемому способу. Отрезками прямой со стрелками на концах показаны направления осей однородности. С обеих сторон линии профиля против точек съемки нанесены числа. Числа с левой стороны линии профиля равны значениям нормальных частей сопротивления, а числа с правой стороны линии — значениям аномальных частей сопротивления; на фиг. 3 приведены теоретические и эксперименталь» ные графики зависимости кажущегося сопротивления двухслойной среды от частоты поля.

Участок, где проводились испытания, содержит преуглубления в слое глин. За пределами переуглубления верхний слой участка мощностью 1,5

2 м сложен песками, ниже находится слой глин мощностью 12 — 15 м, еще. ниже — трещиноватые известняки.

Электрические сопротивления песков

80-150 Ом м, глин 10 — 20 Ом м, трещиноватых известняков 300-400 Ом м.

Переуглубление заполнено песками, мощность слоя песков достигает 10 м.

В пределах переуглубления имеется зона маловлажных песков..Существование этой зоны обусловлено повышенной водопроницаемостью глин, подстилающих пески>и оттоком грунтовых вод в залегающие ниже трещиноватые известняки.

Разведка по предлагаемому способу проводилась с помощью электроразведочной станции НЧЗ-б4. В комплект станции НЧЗ-64 в качестве магнитных диполей входили незаземленные петли большого диаметра, с помощью которых возможно возбуждение и измерение только вертикально поляризованного магнитного поля. Для возбуждения и измерения магнитного поля другой поляризации были изготовлены и согласованы с генераторным и измерительным блоками станции рамочные антенны.

Разнос между генераторным и измерительным блоками приняли равным

50 м исходя из того, что наибольшая глубина исследований требовалась около 15 м, так как нижняя

Ф граница неоднородности в виде зоны маловлажных песков находилась на глубине не более 10 м, а величину разноса установки частотных зондирований обычно принимают равной 3-5 глубинам исследований. Диапазон частот для частотных зондирований был принят 0,1-10 кГц.

Измерения проводили в точках, расположенных через 20 м на профилях разбитых параллельно один дру1 гому на расстоянии 50 м вкрест простирания переуглубления. В каждой точке переуглубления измерений определяли направление оси однородности

1144068

25 массива и измеряли нормальные части и суммарные значения составляющих вектора магнитного поля. Направления осей однородности были определены следующим образом. ось установки 5 располагали вдоль азимутов О, 45, 90, О

135 и 180 таким образом, что середина разноса совпадала с точкой съемки на профиле. Плоскость витков генераторной рамки ориентировали верти- tg кально и таким образом, что ее ось была перпендикулярна оси установки, а плоскость витков приемной антенны ориентировали горизонтально. Снимали показания стрелочного прибора 15 измерительного блока при расположении установки вдоль каждого из азимутов и по этим результатам строили полярную диаграмму. Полярные диаграммы (фиг. 1) строили на осях проходящих через одну точку (центр диаграммы) под углами 45 одна к другой. На осях откладывали в обе стороны от центра диаграммы показания стрелочного прибора измерительного блока, причем на оси диао граммы, соответствующей азимуту 0 откладывали показания прибора, о снятые при азимуте 90 ; на оси, соответствующей азимуту 45, откла- Зр дывали показания, снятые при азиму:те 135О, и так далее. Найденные точ ки на осях соединяли прямыми линиями и получали полярную диаграмму.

Ось однородности массива совпадает с осью диаграммы, проходящей через ее минимумы. Приведенные на фиг. 1 полярные диаграммы сняли в разных точках исследуемого участка. Диаграммы 1с<, 15 сняты в границе не- 4р однородности (зоны маловлажных песков) в точках Н и б соответственно (фиг. 2), а диаграммы фиг. 1ь, 1 сняты за пределами неоднородности в точках B и Г (*иг. 2). Линиями 45

0-0 на приведенных диаграммах обоi

I значены профили, а линиями N- N оси однородности.

Определив направление оси однородности, установку ориентировали, 5р таким образом, что ее ось была параллельной оси однородности массива.

Плоскость витков генераторной рамки располагали горизонтально и измеряли вертикальную Н и Радиальную П„ составляющие вектора магнитного поля. При измерении H плоскость витков приемной рамки Располагалась горизонтально, а при измерении Нг, вертикально и перпендикулярно оси установки.

Н и Нг, измеряли в заданном диапазоне частот, изменяя частоту генератора ступенчато, соседние частоты отличались в <2 раз. По отношению 2/ 1, измеренному на кажН дой частоте, определяли кажущиеся сопротивления массива, являющиеся нормальной частью сопротивления.

Лля определения суммарных значений величины электрического сопротивления установку поворачивали в горизонтальной плоскости на 90 и на частоте генератора 10 кГц проводили аналогичные измерения и расчеты.

Найдя разницу между суммарными значениями и нормальными частями сопротивлений, которые были определены по результатам измерений на частоте 10 кГц, получили аномальные значения сопротивлений. Определение аномальных частей электрического сопротивления по резуЛьтатам измерений на частоте 10 кГц производилось потому, что на этой частоте и при сопротивлениях песков

80-150 Ом м глубинность установки составила 10 — 15 м. Эта глубинность обеспечивала уверенное обнаружение неоднородности, находящейся в верхнем слое мощностью до 10 м.

Используя величины нормальных частей сопротивления, строили графики зависимости кажущегося электрического сопротивления от аргумента1 -Л

) где — частота поля.

Интерпретация результатов зондирований осуществлялась с исполь- зованием палеток где г<г< — кажущееся сопротивление

Я на переменном токе; 1» — сопротивление первого слоя <<< — длина волны в первом слое;

"< — мощность первого слоя.

Кроме указанных в обозначении палеток использованы термины: Pg сопротивление второго слоя", p — разнос между генераторным и измерительным блоками.

Палетки были построены для кажущегося сопротивления,1,,г, опреде<й . ленного по отношению

На фиг. Зд приведены палеткп для /h< = 8 -(Т,p,/P»= 1/8 и >» n<=

1144068

P>/P,= 1/8. На фиг. 38 приведены экспериментальные кривые 1 и Л, снятые соответственно в точках Д и Е профиля 1 (фиг. 2). По левой асимптоте кривой I нашли сопротивление пер-. 5 ваго слоя = 100 Ом м, а по отношению "I> нашли мощность первого слоя h> =- 4,4 м.

По Отношению P2 / P нашли

25 Ом м. В точке Е h = 8,8 м, 150 Ом м, () = 19 Ом м. Аналогично были определены сопротивления слоев и мощность первого слоя в остальных точках.

По этим результатам на карту уча- 15 стка нанесли границы переуглубления, которые на фиг.2 обозначены штрихпунктирной линией, считая, что в пределах переуглубления мощность первого слоя превышает 2 и. 20

Границы неоднородности, представляющей собой зону маловлажных пее ков, были нанесены по повышенным знаниям аномальных и нормальных частей сопротивлений. При интерпретации, результатов электроразведочных работ принято считать реальной аномалию, интенсивность которой не менее трехкратной величины средней погрешности съемки. В пределах пере- 3р углубления значения нормальных частей сопротивления составляет 130150 Ом м, аномальных частей сопротивления — 10-15 Ом м. Средняя погрешность определения нормальных и аномальных частей сопротивления составили около 10 Ом й. С учетом всего этого границы неоднородности были проведены через точки, в которых величины нормальных частей сопротивлений составили 180 Ом м а аномальных частей — 50 Ом м.

Использование дополнительных сведений о положении границы неоднородности — направления оси однород- 45 ности> полученного при разведке по предлагаемому способу, позволило уточнить границы неоднородности без увеличения объема полевых работ.

Северная граница неоднородности, найденная по известному способу, показана штриховой линией.

Направление осей однородностей горного массива, найденное по пред" лагаемому способу, в точках а, 4, С, 3, е профилей 4 и 6 совпало с направлением профилей. На основании этого был сделан вывод, что северная граница неоднородности вблизи указанных точек проАилей 4 и 6 проходит параллельно им, но точки q, Ь, С, 3, 8 находятся за пределами неоднородности, так как нормальные части сопротивлений в этих точках ниже, чем внутри зоны. На основании приведенных фактов на карту участка была нанесена граница неоднородности, показанная на Аиг. 2 сплошной линией.

После обработки результатов разведки по предлагаемому способу были пробурены скважины 1 и 2 (фиг. 2) которыми были вскрыты маловлажные . пески, т.е. была подтверждена правильность изложенных выше выводов относительно северной границы неоднородности.

Затраты времени на разведку описанного участка, который содержал

120 точек съемки, по предлагаемому способу составили 76 ч, по известному способу — 160 ч.

Сокращение затрат времени получено за счет использования в предлагаемом способе одного метода геофизической разведки — частотных электромагнитных зондирований,а снижение стоимости геоАизических работ — за счет меньших капитальных вложений по предлагаемому способу.

Применение предлагаемого способа позволит в два раза сократить затраты времени на проведение геофизических работ и более чем в два раза снизить их стоимость. Предлагаемый способ обеспечивает большую, по сравнению с известным точность опреде) ления границ геологической неоднородности благодаря получению дополнительной информации о распределении электрических свойств горного массива — направлений осей однородности, а также, благодаря тому, что направление осей однородности и аномальные части сопротивлений определяют во всем заданном диапазоне частот, т.е. на разных глубинах.

1144068

1144068

1144068

ГО 4

Составитель и. абрамова

Техред Т.Маточка

КоРректор О. Луговая

Радактор Е. Папп

Подписное

Заказ 900/38 . Тираж 748

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Филиал ППП "Патент", r Ужгород, ул. Проектная, 4

10 ,s

Об

ИО !

О

И7

80 бд

ОО/ Оа ОЮ От О/ uZ

Ю

ФагУ