СПОСОБ ГЕОЭЛЕКТРОРАЗВЕДКИ Российский патент 1998 года по МПК G01V3/08 

Изобретение относится к геофизике, а более конкретно к способам электроразведки, основанным на изучении электромагнитных полей индустриального происхождения, и может быть использовано при поисках линейных проводящих зон в земной коре.

Известны несколько сходных между собой способов геоэлектроразведки районов с крутоподающими границами раздела пород [1]. Способы основаны на изучении низкочастотного переменного естественного магнитного поля (ПЕМП), порожденного дальними грозами. Измерения ПЕМП производят двумя или тремя скрещенными рамками. В результате измерений определяют углы наклона вектора магнитного поля, по изменениям этих углов вдоль профиля судят об электрических неоднородностях среды в горизонтальном направлении.

Наиболее близок к изобретению один из способов измерения ПЕМП - AFMAG, в котором предполагается, что вблизи вытянутого геоэлектрического проводника магнитное поле имеет направление, перпендикулярное к его простиранию. Для наземных измерений используют две перпендикулярные приемные рамки, сигнал одной из которых служит опорным напряжением, а сигнал другой - измеряемый напряжением фазочувствительного детектора. Сначала, располагая оси рамок в горизонтальной плоскости, находят азимут поляризации магнитного поля, которому соответствует направление оси приемной рамки опорного напряжения при отсутствии сигнала на выходе детектора. Затем оси приемных рамок располагают в вертикальной плоскости, по азимуту поляризации магнитного поля и аналогично находят угол наклона магнитного поля к горизонту. Азимут поляризации и угол наклона служат характеристиками аномального поля. Положение проекции оси источника аномалии на дневную поверхность определяют на плане местности, по точкам перехода через нуль графиков измеренных азимутов поляризации или углов наклона.

Одним из наиболее существенных ограничивающих факторов способа AFMAG является нестабильность первичного поля, причем не только по интенсивности, но и по характеру его поляризации [2]. Наблюдения показали, что азимут главной оси эллипса поляризации, в некоторых случаях, может меняться до 70 - 90^o за несколько часов. Такие вариации являются несущественными для измерений над однородными горизонтальными средами, так как в этом случае изменение азимута главной оси эллипса поляризации не сопровождается изменением угла наклона плоскости поляризации. Но для измерений вблизи аномальных зон, присутствие которых проявляется возникновением дополнительной комплексной вертикальной компоненты магнитного поля, изменение ориентировки главной оси эллипса поляризации непосредственно отразится и на угле наклона плоскости поляризации, т. е. приведет к искажению основных измеряемых параметров поля. В результате осложняется интерпретация измерений, поскольку смещаются точки перехода через нуль графиков азимута поляризации и угла наклона.

Другим существенным недостатком метода AFMAG является низкая интенсивность естественного переменного магнитного поля, что препятствует его применению при наличии промышленных помех.

Известен также способ поиска хороших проводников по магнитному полю обслуживающих токов частотой 50 Гц [3], при котором по системе параллельных профилей измеряют комплекты магнитного поля в ортогональной системе координат, у которой одна ось (X) направлена вдоль профиля, другая (Y) - поперек профиля, а третья (Z) - по вертикали, дополнительно измеряют угол наклона вектора напряженности к горизонтальной плоскости; вычисляют отношения компонент, строя графики измеренных и вычисленных величин, сравнивают их с известными особенностями геологического строения изученной ранее территории, выбирают наиболее информативные компоненты и отношения и по ним судят о местоположении проводящих зон, при изучении новых территорий.

Существенным достоинством этого способа является использование техногенного поля, но при эллиптической поляризации поля модельные измерения в системе координат с заранее заданными направлениями, а не с ориентацией осей в пространстве приводят к тому, что компоненты поля определяются практически только проекциями вектора главной оси. Напряжения в датчиках, связанные с проекциями малых осей эллипсоида поляризации магнитного поля, при таких измерениях теряются совсем или гораздо меньшей точностью, хотя они также содержат информацию об особенностях распределения проводимости в земной коре. В частности, наименьшая из осей по направлению совпадает с направлением распространения блуждающих токов, что может быть использовано для определения элементов залегания линейных проводящих зон, являющихся зонами концентрации блуждающих токов.

Цель изобретения - определения местоположения линейных проводящих структур в недрах земли.

Поставленная цель достигается измерением азимутов и углов наклона как большой, так и малой осей эллипсоида поляризации магнитного поля блуждающих токов промышленной частоты, определением направленного в нижнее полупространство радиус-вектора, перпендикулярного к плоскости, построенной на измеренных векторах, и последующим выделением участков земной коры, в которых происходит пересечение или сближение радиусов-векторов, проведенных из соседних пунктов измерений. Измерения проводят по сети параллельных профилей.

Выделенные участки считают принадлежащими линейным проводящим зонам, направление простирания которых считают соответствующим среднему из измеренных направлений малой оси в тех пунктах, радиусы-векторы из которых указали на присутствие этого линейного проводника.

Сущность этого способа заключается в том, что плотность блуждающих токов в земной коре распределена не равномерно, а пропорциональна проводимости образующих кору горных пород. Наилучшими являются электронные проводники, например сульфидные руды, но существенное повышение проводимости происходит и в зонах тектонических разломов, за счет резкого увеличения объемного содержания влаги в этих зонах. Следует отметить, что и рудные проявления, как правило, приурочены к разломам. Таким образом, разломы являются важными структурными элементами земной коры. На их картирование нацелено изобретение. Для этого изучают особенности распространения блуждающих токов промышленной частоты.

Поскольку блуждающие токи порождаются дальними неизвестными источниками, мы можем предположить, что градиент потенциала этих источников в пределах участка достаточно мал, и имеет постоянную величину Δ U . Тога при наличии нескольких проводящих зон токи, возникшие в них, будут связаны с градиентом потенциала соотношениями
ΔU = I₁/G₁= I₂/G₂= ... = I_i/G_i, (1)
где
G_i= S_i/ρ_i - интегральная проводимость зоны;
S_i и ρ_i - ее площадь поперечного сечения и удельное сопротивление соответственно.

Удельное сопротивление пород в зоне разлома обычно более чем на порядок понижается по сравнению с сопротивлением вмещающих пород. Наличие рудной минерализации увеличивает это различие на несколько порядков. При таких различиях возможна идеализация - представление проводящих зон как изолированных проводников с током. Магнитное поле такого проводника определяется уравнением
,(2)
где
r - расстояние от центра провода до точки измерения.

Вектор H направлен по касательной к окружности радиуса r, с центром на оси провода, таким образом он перпендикулярен к проводнику. Но измерения одного этого вектора недостаточно, чтобы указать направление на источник аномалии, поскольку нормалью к одному вектору является плоскость.

На фиг. 1 изображен линейный проводник, находящийся в нижнем проводящем полупространстве. На поверхности земли - в точке M построен вектор напряженности магнитного поля. На (2), который в присутствии проводящего полупространства становится вектором большой оси эллипса поляризации, поскольку за счет индукционного взаимодействия поля со средой появляется еще одна составляющая магнитного поля H_r. В однородной среде, для изображенной модели, отсутствует только одна компонента магнитного поля - направления параллельно линейному проводнику (H_o на фиг. 1).

На практике H_o имеет некоторую измеряемую величину, объясняемую влиянием как локальных неоднородностей участка, так и удаленных источников.

В результате магнитное поле становится трехмерным и характеризуется трехслойным эллипсоидом. Измерение пространственного положения двух осей этого эллипсоида H_a и H_o позволяет построить плоскость, нормалью к которой, проведенная в нижнее полупространство, указывает направление на источник поля (вектор - r - на фиг. 1).

На фиг. 2 приведены примеры математического моделирования реализации способа. Моделью служила бесконечная горизонтальная проводящая полоса с равномерной плотностью тока в ней. Полоса помещена наклонно в нижнее полупространство. Для полосы рассчитывали магнитное поле на поверхности полупространства, а затем определяли направление на источник аномалии в соответствии с предлагаемыми способом. На фиг. 2 показаны результаты таких построений для нескольких углов наклона полосы.

На фиг. 3 помещены результаты полевых работ на сульфидном месторождении. Руды залегают в среднем слое трехслойного разреза. Верхний слой переменной мощности (200 - 400 м) образован серпентинитами (Sp) имеющими кажущееся сопротивление ρ_к≈ 50 Ом•м. Нижний слой представлен углефицированными известняками C, имеющими сопротивление ≈ 200 Ом•м. В этой сложной геоэлектрической обстановке оказались не эффективными такие глубинные методы как ВЭ3, ВЭ3, МПП.

Измерения по предлагаемому способу были выполнены по нескольким профилям. На фиг. 3, a приведен план профиля с направлениями радиусов-векторов и положением аномальных зон в плане. На фиг. 3, б приведены эти же материалы в разрезе. На фиг. 3, в показаны результаты проверочного бурения на этом профиле в разрезе. Рудные подсечения отмечены закраской черного цвета.

В заключении по результатам геофизических работ было отмечено, что верхний слой серпентинитов создает помеху за счет блуждающих токов, которые распространяются по этому слою. Влияние этой помехи учесть трудно, поскольку неизвестна плотность тока в слое, но характер искажения поля известен - положение источников аномалии занижение по сравнению с реальным, из-за добавочного горизонтального вектора H_п помехи.

Все результаты прогноза подтвердились для той части профиля, которая была разбурена.

Использование: изобретение относится к геофизике и позволяет при наземных измерениях определить положение линейных проводящих зон в недрах земли. Сущность изобретения заключается в том, что с целью определения местоположения линейных проводящих структур производят измерения азимутов и углов наклона малой и большой осей эллипсоида поляризации магнитного поля на частоте промышленного тока, определяют направление радиус-вектора, указывающего на положение аномального объекта, и в последующем выделяют те участки земной коры, где происходит сгущение радиусов-векторов, проведенных из различных пунктов сети измерений. По результатам исследований судят о местоположении линейных проводящих структур в земной коре. 3 ил.

Способ геоэлектроразведки с использованием электромагнитного поля, созданного блуждающими токами промышленной частоты, при котором по системе параллельных профилей измеряют компоненты магнитного поля и углы наклона векторов напряженности магнитного поля, отличающийся тем, что измеряют азимут и угол наклона вектора большой оси, а также азимут и угол наклона малой оси эллипсойда поляризации магнитного поля, по измеренным значениям для каждого пункта измерений вычисляют положение в нижнем полупространстве радиуса-вектора, исходящего из пункта измерений и направленного по перпендикуляру к плоскости, построенной на измеренных векторах, выделяют области земной коры, в которых происходит сближение или пересечение радиусов-векторов, проведенных из соседних пунктов измерений, и считают эти области принадлежащими линейным проводящим зонам, направление простирания каждой из зон определяют как среднее арифметическое из азимутов направлений малой оси эллипсойда поляризации, измеренных в тех пунктах, радиусы-векторы из которых указали на присутствие этой линейной проводящей зоны земной коры.