Способ техногенного электрического заряда

 

Использование: при изучении геоэлектрических неоднородностей в земной коре. Сущность изобретения: для прослеживания проводящих зон, подсеченных буровой скважиной, измеряют разности электрических потенциалов на промышленной частоте. 1 з.п.ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится и геофизике, а конкретнее - к способам электроразведки, основанным на использовании блуждающих токов промышленной частоты, и может быть применено при поисках проводящих зон в земной коре.

Известен способ геоэлектроразведки (метод электрического заряда [1]). при котором используют скважину, пересекшую зону электропроводящих горных пород, генераторное устройство, соединенное с генераторными электродами, приемное устройство, соединенное с измерительным электродами, и систему параллельных профилей измерений на поверхности земли, причем один из генераторных электродов помещают в скважине - в месте пересечения с зоной проводящих горных пород, а другой относят в бесконечность, один из приемных электродов также относят в бесконечность, а другой перемещают по профилям, измеряя величину электрического потенциала, возникающего при включении тока в цепи генераторных электродов.

Способ позволяет устанавливать местоположение проводящих зон даже при существенно неоднородной верхней части разреза, но использование генераторного устройства и длинных линий к электродам, находящимся в бесконечности, существенно осложняет организацию работ. Кроме того, длинные измерительные линии подвержены влиянию электрических помех, способных снизить точность измерений, или вообще сделать невозможным применение этого метода.

Известен другой способ геоэлектроразведки [2], при котором применяют специальный комплект аппаратуры в составе селективного микровольтметра, двухэлектродного датчика напряженности электрического поля и датчика магнитного поля. Аппаратура предназначена для изучения геологического строения территории путем использования электромагнитного поля частотой 50 Гц, создаваемого линиями электропередач. Исследования проводят измеряя в каждом пункте напряженности электрической и магнитной компонент поля как на основной частоте, так и на ее гармониках. Определяют импеданс поля на каждой из частот и рассчитывают величины эффективного сопротивления среды. Анализируя изменения этих сопротивлений в зависимости от местоположения пункта измерений и частоты поля, судят об особенностях геологического строения территории.

Известен еще один способ, при котором используют электрическое поле блуждающих токов частотой 50 Гц [3], измеряя разности потенциалов на электродах двух электрических диполей заданной длины. Диполи располагают на поверхности изучаемого участка, первый диполь в одном пункте, который называют базисным, а второй диполь перемещают по профилям сети измерений. На базисном пункте изучают временные вариации электрического поля блуждающих токов, а вторым диполем выявляют пространственные аномалии электрического поля. Измеренные на передвижном пункте величины корректируют в зависимости от вариаций на базисном пункте, если эти вариации превышают заданную величину. Строят графики зависимости значений поля от местоположения пунктов измерений. Анализируя эти графики судят об особенностях геологического строения территории.

Достоинство этого способа состоит в использовании блуждающих токов промышленной частоты, что обеспечивает возможность картирования горных пород без применения специальных генераторных устройств. Однако, этот способ не позволяет однозначно проследить одну из аномальных зон, представляющую наибольший интерес для исследований, например рудную зону, подсеченную буровой скважиной. Это объясняется тем, что разность потенциалов при неизменной величине измерительного диполя характеризует напряженность электрического поля в пункте измерения, а величина напряженности поля зависит от проводимости пород в этом пункте, и, следовательно, может иметь одинаковые значения в нескольких точках или даже частях площади изучаемой территории.

Целью предлагаемого изобретения является прослеживание (картирование) отдельной проводящей зоны, обнаруженной на одном из профилей или подсеченной буровой скважиной.

Поставленная цель достигается на основе измерения разности электрических потенциалов, создаваемых блуждающими токами промышленной частоты, между двумя электродами, один из которых устанавливают в изучаемую зону, а другой перемещают по профилям наблюдений.

Сущность предлагаемого способа можно пояснить проведя аналогию с методом заряда [1], для этого используем схемы измерительных установок, изображенные на фиг. 1. В методе заряда один из генераторных электродов 1 установлен в скважине, подсекшей изучаемую зону. Этот электрод соединен с одной из выходных клемм генератора тока 2, к другой клемме генератора подключен электрод 3, находящийся в бесконечности. Создаваемый в земле потенциал измеряют электродом 4, перемещая его по профилям. Этот электрод подключают к прибору 5, который соединен еще и с электродом 6, находящимся в бесконечности, величина измеряемого потенциала определяется выражением U₄= U₁-ΔU_1,4 (1) где U₄ - потенциал на измерительном электроде; U₁ - потенциал генераторного электрода; ΔU_1,4 - разность потенциалов между пунктами расположения электродов 1 и 4.

В этом выражении U₁ является константой и, следовательно, вся информация об особенностях строения среды заключается в величине ΔU_1,4.

Если аномальная зона, подсеченная скважиной имеет какой-то свой собственный небольшой потенциал U_i, не опасный для прибора и исполняющих работы людей, то может быть реализована другая схема измерений, приведенная в нижней части рисунка, где измерительный прибор 8 непосредственно измеряет разность потенциалов между электродом, расположенным в скважине 7 и электродом 9, перемещаемым по профилям измерений. Измеряемая величина может быть описана уравнением, аналогичным (1), которое после преобразования можно записать в виде ΔU_7,9= U₉-U_i (2) Поскольку величина U_i не известна, условно ее можно принять равной нулю, что и делается установкой одного из электродов в изучаемой зоне. При этом ΔU_7,9= K·ΔU_1,4 (3) где K - некоторый неизвестный масштабный коэффициент.

Измерения потенциала в методе заряда [1] используются для построения плана изолиний, который подвергается качественной интерпретации. Изолинии сгущаются в местах больших градиентов сопротивления горных пород и испытывают расширение в направлении простирания проводящей зоны. Аналогичным образом ведут себя и изолинии разности потенциалов ΔU_7,9. Отличие состоит в том, что U₄ (1) стремится к U₁ при приближении к заряженному телу и стремится к 0 при удалении в бесконечность, а величина ΔU_7,9 стремится к 0 при приближении к заряженному телу, но возрастает при удалении имея предел .

Таким образом, если в известном методе заряда [1] заряженному телу будут соответствовать высокие значения потенциала, то в предлагаемом способе - низкие значения разности потенциалов.

Одной из причин возникновения собственного потенциала у проводящей зоны может быть концентрация в ней блуждающих токов. Если зона представляет собой вытянутую структуру, например разлом земной коры, то ее можно сравнить с электрическим проводом. Рассмотрим механизм переноса потенциала в таком приближении. Если проводящая зона (провод) где-то в удалении имеет контакт, с другой зоной находящийся под некоторым потенциалом (U), то потенциал передается первой зоне. Это означает, что зоне сообщается некоторый заряд (!), поскольку создать электрический потенциал можно только одним способом - внеся электрический заряд (U = q/C) (4).

Заряды располагаются на поверхности проводника (на контакте проводящей зоны с вмещающими горными породами). Эти заряды создают во вмещающих зону породах электрическое поле (C в (4) - внешняя емкость проводника). Стационарная плотность зарядов поддерживается током, протекающим по зоне. Установление такого процесса для провода описывается телеграфным уравнением (4).

где X - текущая координата по оси, совпадающей с центром провода; C, R, L - приведенные к единице длины емкость, активное сопротивление и индуктивность провода, соответственно; q - плотность электрических зарядов.

Благодаря присутствию зарядов на контакте проводящей зоны с вмещающими породами становится возможной реализация предлагаемого способа, и получения материалов, аналогичных постановке методами заряда.

Использование техногенного поля позволяет, кроме качественной, получить еще и количественную характеристику разных частей объекта аномалии. Это становится возможным, если в дополнение к измерениям разности электрических потенциалов, измерить еще и напряженность магнитного поля, которая является функцией плотности блуждающих токов.

По измеренным значениям разностей потенциалов строят план изолиний. Изолинии испытывают сгущение, в направлениях увеличения сопротивления пород и разрежение - в направлении простирания проводящей зоны, отмечая наименьшими градиентами центральную часть аномалии. Можно по центру аномальной зоны провести линию, определить величину градиента потенциала вдоль этой линии на любом ее отрезке. Зная градиенты электрического поля и напряженность магнитного поля, можно рассчитать электрическую проводимость на каждом из отрезков оси.

Пример реализации способа приведен на фиг.2, где в части 1 помещены результаты измерений импеданса по известному способу 2 на трех профилях A, B и C. Цифры на кривых - значения импеданса в О_мах. В части 2 помещен план изолиний измеренных по предлагаемому способу разностей потенциалов ΔU (в милливольтах). Местоположение скважины, в которой располагался нулевой электрод (7 на фиг.1 и 2), указано стрелкой. В части 3 фиг. 2 приведены аналогичные измерения с использованием другой скважины, а под цифрой 4 помещен план профилей этого участка с указанием местоположений аномальных осей, выявленных при измерениях 2 и 3. Здесь же указаны рассчитанные значения проводимости на соответствующих отрезках осей.

Проводимости рассчитывали в приближении S плоскости

где S - интегральная проводимость;
Z - импеданс;
H_⊥ - амплитуда горизонтальной компоненты напряженности магнитного поля, измеренная по перпендикуляру к оси аномалии;
- модуль градиента потенциала на отрезке оси аномалии.

Участок измерений располагался на берегу промышленного отстойника, изучали возможные пути утечки токсичных вод.

Как показывают результаты двух измерений оси аномалий при расположении опорных электродов в близких скважинах не совпадают, это дает основание предположить, что выявлены две разные зоны. Такое предположение согласуется с величинами эффективных проводимостей, которые имеют близкие значения в интервале между профилями A и B, но существенно различаются в интервале между профилями B и C.

По результатам анализа было сделано предположение, что первой скважиной (фиг. 2.2) подсечена карстовая зона, а другой скважиной (фиг. 2.3) - разлом. Понижение проводимости в направлении от профиля A к C может указывать на наличие утечек канцерогенных вод из отстойников (пр. A - расположен на берегу пруда), которые постепенно разубоживаются грунтовыми водами и в результате суммарная проводимость вод снижается.

Формула изобретения

1. Способ техногенного электрического заряда с использованием скважины или профиля, пересекшего локальную зону аномальной проводимости горных пород, при котором по системе параллельных профилей измеряют компоненты электромагнитного поля промышленной частоты с использованием измерительного прибора, соединенного с двумя электродами, отличающийся тем, что один из электродов помещают в скважине или на профиле в месте пересечения с зоной аномальной проводимости горных пород, а другой электрод перемещают по системе параллельных профилей, измеряя разность потенциалов между вторым и первым электродами, строят карту распределения разностей потенциалов и по ней судят о местоположении зоны аномальной проводимости горных пород.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что на карте проводят линии вдоль направлений наименьших градиентов разности электрических потенциалов, считают эти линии осями аномалий, определяют численные величины градиентов электрического потенциала на интервалах оси аномалии, а на профилях в местах их пересечения с осями аномалий дополнительно измеряют горизонтальную компоненту напряженности магнитного поля промышленной частоты в направлении, перпендикулярном к простиранию оси аномалии, по известным величинам градиента электрического потенциала и напряженности магнитного поля определяют эффективные величины аномальной проводимости на интервалах осей аномалии и по этим величинам судят об особенностях строения зоны аномальной проводимости горных пород.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2