Способ геоэлектроразведки

Изобретение относится к электроразведке на переменном токе, возбуждаемом в земле индуктивным способом, и может быть использовано при поисках и разведке проводящих объектов в непроводящей и проводящей среде. Технический результат – повышение точности измерений и повышение производительности при площадных исследованиях. Сущность: возбуждают низкочастотное электромагнитное поле током, протекающим в незаземленной петле на дневной поверхности Земли. Измеряют фазовые сдвиги составляющих магнитной индукции на заданной высоте по параллельным профилям относительно вертикальной составляющей магнитной индукции по профилю, проходящему через эпицентр петли и перпендикулярному параллельным профилям. Определяют по структуре фазовых сдвигов на площади наличие в Земле аномальных проводящих объектов. 5 ил.

 

Предлагаемое изобретение относится к геоэлектроразведке на переменном токе, возбуждаемом в земле индуктивным способом, и может быть использовано при поисках и разведке проводящих объектов в непроводящей и проводящей среде, например в морской воде. Область преимущественного применения: поиски рудных месторождений, залегающих на глубинах до 500 м и более.

Известен способ [1] радиокомпарирования и пеленгации (радиокип), в котором осуществляются измерения пространственных составляющих электромагнитных полей удаленных радиостанций сверхдлинноволнового диапазона. Однако этот способ имеет существенные недостатки, заключающиеся в том, что он имеет малую глубинность исследований и низкую точность измерений из-за применения относительно высоких частот (более 10 кГц) и наличия вариаций (от короткопериодных до длиннопериодных) уровня сигнала во времени.

Известен также способ геоэлектроразведки [2], в котором низкочастотное электромагнитное поле возбуждают при помощи вертикального кабеля, заземленного обоими концами в скважине, и измеряют декартовые составляющие магнитной индукции на заданных высотах по параллельным профилям, что позволяет осуществить разбраковку аномалий магнитного поля, вызванных глубинными и приповерхностными объектами.

Однако способу присущи существенные недостатки: 1) требуется наличие вертикальной необсаженной скважины; 2) при измерении реальной и мнимой компонент магнитного поля требуются посадки летательного аппарата вблизи питающего кабеля с целью компенсации начальных фазовых сдвигов в измерительном аппаратурном комплексе; 3) необходимость передачи опорного сигнала по радиоканалу; 4) при измерении реальной и мнимой компонент требуются высокая стабильность тока в незаземленной петле.

Наиболее близким техническим решением является способ геоэлектроразведки [3], взятый нами в качестве способа-прототипа. В способе-прототипе электромагнитное поле создают при помощи вертикального кабеля, заземленного обоими концами в скважине и измеряют декартовые составляющие магнитной индукции по параллельным профилям на заданных высотах. Основное достоинство известного способа заключается в том, что путем размещения глубинного электрода над и под глубинным аномальным объектом, по результатам измерений более четко отмечается аномальный объект, залегающий на глубине до 2.8 км.

Однако способу-прототипу, как и способу [2], так же присущи существенные недостатки: 1) для проведения измерений требуется наличие вертикальной или малонаклонной необсаженной скважины определенной глубины; 2) необходимость посадки летательного аппарата вблизи вертикального кабеля (питающей линии АВ) для компенсации начальных фазовых сдвигов в измерительной аппаратуре при изучении реальной и мнимой компонент декартовых составляющих магнитной индукции, при этом в качестве реальной оси временной системы координат берется фаза тока в заземленном кабеле; 3) необходимость в радиоканале для передачи опорного сигнала от наземной установки на борт вертолета; 4) при измерении реальной и мнимой компонент требуется высокая стабильность тока в незаземленной петле.

Цель предлагаемого технического решения - повышение точности измерений и производительности при площадных исследованиях.

Поставленная цель достигается тем, что в способе геоэлектроразведки, заключающимся в возбуждении низкочастотного электромагнитного поля током, протекающим в незаземленной петле на дневной поверхности Земли, измеряют фазовые сдвиги составляющих магнитной индукции на заданной высоте по параллельным профилям относительно вертикальной составляющей магнитной индукции по профилю, проходящему через эпицентр петли и перпендикулярному параллельным профилям, определяют по структуре фазовых сдвигов на площади, наличие в Земле аномальных проводящих объектов.

На фиг.1 изображена структурная схема устройства, с помощью которого реализуется предлагаемый способ, на фиг.2 дан план полетов летательного аппарата, на котором незаземленная петля изображена квадратом со стороной а. На фиг.3 изображен план изолиний фазового сдвига, рассчитанного для однородного полупространства. На фиг.4 изображен план изолиний фазового угла вертикальной составляющей магнитной индукции, измеренного на одном из поисковых участков Среднего Урала. На фиг.5 приведен расчетный план изолиний фазового угла, подобранный с наибольшим подобием плану измеренного фазового угла на поисковом участке.

Устройство (фиг.1) содержит бортовой пульт 1, включающий блок опорного сигнала 2, трехканальный фазометр 3, блок накопления и обработки информации 4, устройство навигации 5, блок датчиков 6, генераторное устройство 7, незаземленную петлю 8.

Предлагаемый способ реализуется следующим образом. На поверхности Земли раскладывают незаземленную петлю 8 (фиг.1) квадратной формы со стороной а. В этой петле пропускают ток прямоугольной формы без постоянной составляющей с частотой ω . В качестве источника используется генераторное устройство 7. В петле 8 протекает ток J=J_mSignCos ω t, где J_m - амплитуда прямоугольного тока. Sign Cosω t - знаковая функция аргумента Cos ω t.

Ток, протекающий в петле, возбуждает электромагнитное поле, параметры (амплитуда и фаза), декартовых составляющих которого на дневной поверхности и в воздухе зависят от электропроводности горных пород. Измерения в воздухе на высоте h осуществляют по параллельным профилям со скоростью V (фиг.1) и по перпендикулярному к ним профилю.

Измеряемые составляющие первой гармоники магнитного поля В_x, B_y, B_z осуществляются выражениями:

где B_xm, В_ут, B_zm - соответственно амплитуды составляющих В_х, B_y, B_z; ϕ

p

x

(x; y); ϕ

p

y

(x; y), ϕ

p

z

(x; y) - соответственно фазовые сдвиги измеряемых составляющих В_x, B_y, B_z относительно тока первой гармоники в незаземленной петле 8 (фиг.1). Выходные напряжения с датчиков х, у, z блока датчиков 6 (фиг.1), пропорциональные В_х, B_y и B_z поступают на трехканальный фазометр 3, в котором определяют фазовый сдвиг между напряжениями датчиков и опорным напряжением

U_оn=U_m Cos(ω t+ω _i),

вырабатываемым формирователем опорного сигнала 2, где ϕ _i - неизвестный, но постоянный во времени в пределах профиля i, фазовый угол между током в петле и опорным напряжением, i=0, 1, 2, 3, ... , n, где n - количество профилей. Поскольку время пролета профиля невелико, то уход фазы опорного напряжения блока 2 относительно тока в петле за это время очень мал и им можно пренебречь. Однако уход фазы постепенно накапливается при переходе от профиля к профилю, а также во время возможных перерывов в работе. Поэтому сдвиг фазы между опорным напряжением блока 2 и током в петле налагается своим, равным ϕ _i для каждого профиля, где i - номер профиля.

Измерения начинают с нулевого профиля (ПР₀, фиг.2), перпендикулярного параллельным профилям (ПР_1,2,3,... _,n, фиг.2). Нулевой профиль проходит через эпицентр петли со стороной а (фиг.2). В результате в трехканальном фазометре фазовые сдвиги относительно опорного напряжения U_on преобразуются в цифровые коды

где k - коэффициент преобразования фазометра, который обычно равен 1 или кратен 10. Поэтому для простоты будем полагать k=1, тогда цифровые коды определяются следующими выражениями:

После измерения N_x0, N_y0, N_z0 проводят измерения фазовых сдвигов оставляющих магнитной индукции по параллельным профилям 1,... ,i,... ,n относительно опорного напряжения U_on, формируемого формирователем опорного напряжения 2 (фиг.1). Тогда цифровые коды фазовых сдвигов определяются следующими выражениями:

где i=1,2,3,... ,n, ϕ _i - неизвестный фазовый сдвиг между опорным сигналом и током в петле для профиля i, постоянный в пределах этого профиля.

Цифровая информация об измеренных фазовых сдвигах составляющих магнитной индукции относительно опорного напряжения U_on поступает в блок накопления и обработки информации 4. Синхронно с поступлением информации с трехканального фазометра 3 на вход блока 4 поступают данные о координатах положения летательного аппарата в пространстве. В блоке 4 происходит определение фазовых углов ϕ

p

x

(х;у), ϕ

p

y

(х;у), ϕ

p

z

путем совместного решения систем уравнений (1), (2) для фазовых углов, принимая во внимание, что фазовый угол вертикальной составляющей в эпицентре петли ϕ

p

z

(0;0)≈ 2,0° , а так же равенство фазового угла вертикальной составляющей относительно тока в петле, определенного на нулевом профиле и на соответствующем i-м профиле для каждой точки пересечения. Таким образом определяют значения фазовых углов ϕ

p

x

(х;у), ϕ

p

y

(х;у), ϕ

p

z

(х;у) на площади.

Предлагаемый способ прошел экспериментальную проверку на одном из поисковых участков Среднего Урала (фиг.4). На фиг.4 приведен план изолиний фазового угла одной четвертой части исследуемого участка. В северо-восточной и в восточной частях планшета отмечаются две локальные аномалии А1 и А2 фазового угла. Для однородного полупространства изолинии фазового угла вертикальной составляющей магнитной индукции представляют собой концентрические окружности (фиг.3). На фиг.5 приведен план изолиний фазового угла над двумя 3D проводящими телами (VI и V2, изображены черными прямоугольниками) по результатам математического моделирования со структурой поля, подобной структуре поля изолиний фазового угла вертикальной составляющей магнитной индукции на фиг.4. В результате подбора расчетных изолиний с наибольшим подобием выделено два аномальных тела с размерами V1=125× 225× 50 м и V2=50× 200× 100 м (фиг.4, 5).

Полевые эксперименты показали высокую эффективность и производительность геофизической съемки. В предлагаемом способе не требуется передача опорного сигнала по радиоканалу, чем обеспечивается высокая автономность измерительного комплекса, расположенного на борту летательного аппарата (вертолета).

Предлагаемый способ позволяет осуществлять поиски крупных рудных месторождений на больших, неосвоенных, труднодоступных районах (заболоченных, покрытых лесом), где нет глубинных поисковых необсаженных скважин и невозможна посадка вертолета вблизи петли с током.

Таким образом предлагаемый способ имеет существенные преимущества по сравнению с известными способами.

Источники информации

1. Электроразведка. Справочник геофизика и двух книгах. Под редакцией В.К.Хмелевского и В.М.Бондаренко. Книга 2. М., Недра, 1989, с.46-52.

2. Астафьев П.Ф., Пыжьянов Ю.Б., Алфутов Б.А. Отчет о выполненных опытно-методических работах по разработке методики аэроразведочных работ при поисках медно-колчеданных руд в пределах Верхне-Уральского рудного района. - Свердловск, 1987, с.7-60, № госрегистрации 40-35-30/19а.

3. Патент RU №2076344 С1 (Россия). Способ геоэлектроразведки, G 01 V 3/30, 27.03.97 (прототип).

Способ геоэлектроразведки, заключающийся в возбуждении низкочастотного электромагнитного поля током, протекающим в незаземленной петле на дневной поверхности Земли, отличающийся тем, что в нем измеряют фазовые сдвиги составляющих магнитной индукции на заданной высоте по параллельным профилям относительно вертикальной составляющей магнитной индукции по профилю, проходящему через эпицентр петли и перпендикулярному параллельным профилям, определяют по структуре фазовых сдвигов на площади наличие в Земле аномальных проводящих объектов.