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. Область преимущественного применения - поиски рудных месторождений на глубинах до 500 м и более. Технический результат: повышение точности измерений и производительности при площадных исследованиях. Сущность изобретения: возбуждают низкочастотное электромагнитное поле при помощи незаземленной петли на дневной поверхности Земли. Измеряют декартовые составляющие магнитной индукции по параллельным профилям на заданных высотах. Измеряют реальную и мнимую компоненты декартовых составляющих магнитной индукции относительно фазы вертикальной составляющей магнитной индукции в эпицентре незаземленной петли. Определяют отклонения измеряемых компонент от нормального для однородной среды значения. По их величине и знаку выделяют участки повышенной электропроводности. 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] радиокомпорирования и пеленгации (радиокип), в котором осуществляются измерения пространственных составляющих электромагнитных полей удаленных радиостанций сверхдлинноволнового (СДВР) 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.

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], также 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.

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

Поставленная цель достигается тем, что в способе геоэлектроразведки, в котором возбуждают низкочастотное электромагнитное поле при помощи незаземленной петли на дневной поверхности Земли, измеряют декартовые составляющие магнитной индукции по параллельным профилям на заданных высотах, измеряют реальную и мнимую компоненты ортогональных составляющих магнитной индукции относительно фазы вертикальной составляющей магнитной индукции в эпицентре незаземленной петли, определяют отклонения измеренных компонент от нормального для однородной среды значения и по их величине и знаку выделяют участки повышенной электропроводности.

На фиг.1 изображена структурная схема устройства, с помощью которого реализуется предлагаемый способ, на фиг.2 даны графики реальных и мнимых компонент вертикальной составляющей магнитной индукции В_z, а также фазовых углов по профилю, проходящему через центр квадратной петли 400*400 м при частоте 78 Гц на высоте 100 м при электропроводности среды (См/м): кривая 1-10^-3, 2-2*10^-3, 3-10^-2 (положение петли отмечено жирной чертой 4). На фиг.3, 4, 5 даны кривые мнимой компоненты вертикальной составляющей B_z за пределами незаземленной петли по трем профилям: 1 - измеренные, 2 - расчетные, для однородного полупространства, 3 - аномальные значения, равные разности расчетных и измеренных мнимых компонент.

Устройство содержит приемную антенну 1, бортовой пульт 2, включающий приемник опорной фазы 3, трехканальный фазочувствительный аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 4, накопитель информации 5 и устройство навигации 6, блок датчиков 7, генераторное устройство 8, радиопередатчик 9, шунт 10, незаземленную петлю 11 и передающую антенну 12.

Предлагаемый способ реализуется следующим образом. На поверхности Земли раскладывают незаземленную петлю 11 (фиг.1) квадратной формы со стороной α . В этой петле пропускают ток прямоугольной формы без постоянной составляющей с частотой ω . В качестве источника используется генераторное устройство 8. Последовательно с петлей 11 включается шунт 10 с сопротивлением R_ш. По шунту 10 и в петле 11 протекает ток J=J_m Sign Cos ω t, где J_m - амплитуда прямоугольного тока, Sign Cos ω t - знаковая функция аргумента Cos ω t. Напряжение с шунта 10

U_ш=R_ш*J_m Sign Cos ω t

поступает на вход модуляции радиопередатчика 9, нагрузкой которого служит передающая антенна 12. С приемника опорной фазы 3 сигнал прямоугольной формы, пропорциональный U_ш, используется в качестве опорного для формирования квадратуры напряжений, одно из которых, без учета фазовых сдвигов в радиоканале, синфазно току в незаземленной петле 11, а другое сдвинуто на 90° .

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).

Полагаем, измеряемые составляющие первой гармоники магнитного поля B_х, B_у, B_z осуществляются выражениями

В_х=В_хmCos(ω t-ϕ _х),

B_у=B_уmCos(ω t+ϕ _у),

B_z=B_zmCos(ω t+ϕ _z),

где B_хm, B_уm, B_zm - соответственно амплитуды составляющих B_х, B_у, B_z; ϕ _х, ϕ _у, ϕ _z - соответственно фазовые сдвиги измеряемых составляющих B_х, B_у, B_z относительно тока первой гармоники в незаземленной петле 11 (фиг.1). Выходные напряжения с датчиков х, у, z блока датчиков 7 (фиг.1), пропорциональные В_х, B_у и В_z, поступают на трехкомпонентный фазочувствительный аналого-цифровой преобразователь 4 (фиг.1), в котором осуществляется определение реальной и мнимой компонент этих напряжений за интервал времени, кратный периоду полезного сигнала Т=2π /ω . Выходные коды преобразователя 4 определяются следующими выражениями:

где n - целое число, ϕ _х0, ϕ _у0, ϕ _z0 - соответственно фазовые сдвиги в каналах х, у и z, ϕ _р - фазовый сдвиг, вносимый при передаче опорного сигнала в радиоканале, i - целое число (текущее значение точки измерения). Обозначим K_x=k_х*nT/π , K_у=k_у*nT/π , K_z=k_z*nT/π - модули коэффициентов преобразования измерительных каналов х, у, z; тогда

Re_x,i=К_х*В_хmCos(ϕ _х+ϕ _х0+ϕ _р);

Re_y,i=К_х*В_ymCos(ϕ _y+ϕ _y0+ϕ _р);

Jm_у,i=К_у*В_уmSin(ϕ _x+ϕ _x0+ϕ _р);

Re_z,i=K_z*B_zmCos(ϕ _z+ϕ _z0+ϕ _р);

Jm_z,i=K_z*B_zmSin(ϕ _z+ϕ _z0+ϕ _р);

Над эпицентром петли на высоте h выходные коды реальной и мнимой компонент вертикальной составляющей магнитной индукции определяются следующими выражениями:

Re_z,c=K_z*B_zmCos(ϕ _z,c+ϕ _z0+ϕ _p)=

K_z*B_zmCosΔ ϕ _z0;

Jm_z,c=K_z*B_zmSin(ϕ _z,c+ϕ _z0+ϕ _p)=

K_z*B_zmSinΔ ϕ _z0;

где ϕ _z,c - фазовый сдвиг вертикальной составляющей B_z над центром петли. Учитывая, что | ϕ _z,c|мал и не превышает 2-2.5° (фиг.2), то этот фазовый сдвиг принимают за условный нуль, а фазовый угол Δ ϕ _z0 определяют из выражения

Δ ϕ _z0=arctg(Jm_z,c/Re_z,c).

Учитывая, в силу примерной идентичности измерительных каналов примерное равенство фазовых сдвигов ϕ _х,с ϕ _у,с и ϕ _z,c, истинные реальные и мнимые компоненты пространственных составляющих определяются выражениями

Re_Bx,i=Re_x,i*CosΔ ϕ _z0+Jm_x,i*SinΔ ϕ _z0;

Jm_Bx,i=-Re_x,i*SinΔ ϕ _z0+Jm_x,i*CosΔ ϕ _z0;

Re_Bу,i=Re_y,i*CosΔ ϕ _z0+Jm_y,i*SinΔ ϕ _z0;

Jm_Bу,i=-Re_y,i*SinΔ ϕ _z0+Jm_y,i*CosΔ ϕ _z0;

Re_Bz,i=Re_z,i*CosΔ ϕ _z0+Jm_z,i*SinΔ ϕ _z0;

Jm_Bz,i=-Re_z,i*SinΔ ϕ _z0+Jm_z,i*CosΔ ϕ _z0.

Конечно, при определении реальной и мнимой компонент горизонтальных составляющих х и у содержится погрешность, обусловленная неабсолютной идентичностью характеристик каналов х и у относительно измерительного канала z. Однако эта погрешность второго порядка малости по сравнению с фазовыми сдвигами ϕ _х0+ϕ _p и ϕ _y0+ϕ _p.

Выходные цифровые коды преобразователя 4 подаются в накопитель информации 5, в который также синхронно с поступающими кодами подается информация с устройства навигации 6, например, типа GPS о положении блока датчиков 7 в пространстве (высота, широтные и меридианные координаты).

На фиг.3, 4, 5 в качестве примера приведены результаты измерений мнимой компоненты вертикальной составляющей Jm_Bz,i, (кривые 1) и расчетные Jm_z0 по координатам точек наблюдения для однородного полупространства (кривые 2). Разность измеренных и расчетных значений Jm_Bza=Jm_Bz,i-Jm_z0) (кривые 3) обусловлена наличием пород с различной электропроводностью. Места перехода через нуль Jm_Bza (нa фиг.3, 4, 5 обозначены жирной чертой 4) соответствуют проводящему объекту в Земле.

Предлагаемый способ был опробован в полевых условиях при изучении перспективных площадей Среднего Урала. В общей сложности было изучено 14 участков общей площадью более 400 км². Полевые эксперименты показали высокую эффективность и производительность геофизической съемки. В предлагаемом способе не требуется посадка вертолета вблизи провода незаземленной петли для определения и компенсации фазовых сдвигов в измерительных каналах и в тракте передачи опорного сигнала по радиоканалу.

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 в 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 C1 (Россия). Способ геоэлектроразведки, G 01 V 3/30, 27.03.97 (Прототип).

Способ геоэлектроразведки, в котором возбуждают низкочастотное электромагнитное поле при помощи незаземленной петли на дневной поверхности Земли, измеряют декартовые составляющие магнитной индукции, отличающийся тем, что в нем по параллельным профилям на заданных высотах измеряют реальную и мнимую компоненты декартовых составляющих магнитной индукции относительно фазы вертикальной составляющей магнитной индукции в эпицентре незаземленной петли, определяют отклонения измеренных компонент от нормального для однородной среды значения и по их величине и знаку выделяют участки повышенной электропроводности.