СПОСОБ ГЕОЭЛЕКТРОРАЗВЕДКИ Российский патент 2001 года по МПК G01V3/08 

Изобретение относится к способам электроразведки с помощью естественного электромагнитного поля Земли. Область преимущественного применения предлагаемого изобретения - поиск и разведка месторождений полезных ископаемых (нефти, газа, меди и др.).

Известен способ геоэлектроразведки, заключающийся в определении удельного кажущегося электросопротивления от периода (частоты) колебаний [1]. В известном способе геоэлектроразведки определяют спектральный состав пяти компонентов электромагнитного поля с дальнейшим определением основного и дополнительного импедансов. Недостатками этого способа являются низкая точность ввиду того, что анализ поля производят путем быстрого преобразования Фурье за произвольный интервал времени, задаваемый оператором, а также низкая производительность из-за необходимости просмотра входной информации оператором. Известен также способ геоэлектроразведки [2], в котором осуществляют спектральный анализ компонентов на задаваемом оператором интервале, превышающем по длительности в 2-8 раз период колебаний. Произвольное задание интервала оператором приводит к увеличению погрешности.

Наиболее близким техническим решением является способ геоэлектроразведки [3] , принятый нами в качестве способа-прототипа. В способе-прототипе спектральные плотности компонентов естественного электромагнитного поля определяют на фиксированном интервале времени, задаваемом оператором. По значениям спектральных плотностей находят кажущееся удельное сопротивление горных пород в ограниченном частотном диапазоне. Способ-прототип также имеет низкую точность определения удельного кажущегося сопротивления из-за значительного влияния на выбор анализируемого интервала субъективности оценки оператором качества входной информации и низкую производительность из-за необходимости просмотра всей входной информации оператором.

Цель предлагаемого изобретения - повышение точности и производительности измерений частотной зависимости удельного кажущегося электросопративления горных пород.

Поставленная цель достигается тем, что в способе геоэлектроразведки, заключающемся в определении частотной зависимости удельного кажущегося электросопративления горных пород путем измерения узкополосных текущих спектральных составляющих естественного электромагнитного поля, текущие спектральные составляющие определяют для многих заданных длин последовательных перекрывающихся интервалов времени, а кажущееся электросопротивление находят для такой заданной длины последовательных перекрывающихся интервалов, для которой горизонтальный импеданс, равный квадратному корню из отношения суммы квадратов горизонтальных электрических и магнитных составляющих, дает наименьший разброс значений.

На фиг. 1-12 показаны зависимости кажущегося электросопротивления от корня из периода колебаний для электросопротивления в направлении на север (ρ_ху, фиг. 1, 5, 9), в направлении на восток (ρ_ух, фиг. 2,6,10), максимального электросопротивления (ρ_max, фиг. 3,7,11) и минимального электросопротивления (ρ_min, фиг. 4,8,12) для трех различных точек местности (фиг. 1-4 для 1-й точки, фиг. 5-8 для 2-й точки, фиг. 9-12 для 3-й точки). При определении электросопротивления использовались одни и те же записи магнитотеллурического поля, которые обрабатывались по способу-прототипу с использованием перекрывающихся фиксированных интервалов времени, равных 1,2,4,8, 16 и 32 периодам колебаний. На фиг. 1-12 эти кривые обозначены соответственно цифрами 1, 2, 4, 8, 16 и 32. Те же записи обрабатывались по предлагаемому способу. Результаты обработки показаны на фиг. 1-12 более жирной кривой, обозначенной буквами нд (настраиваемая длина). Точки, резко отличающиеся по своим значениям в большую сторону, отложены с нарушением (уменьшением) масштаба по вертикали, в этом случае рядом с точкой цифрами обозначена ее фактическая величина.

Способ функционирует следующим образом. На каждом k-м интервале времени для каждой заданной длины t этого интервала определяют реальные и мнимые составляющие пяти компонент электромагнитного поля для каждой исследуемой частоты. В дальнейшем для упрощения записи обозначим полученные значения реальных составляющих полей E_x, E_y, H_x, H_y, H_z как a'(k,t); b'(k,t); x'(k, t); y'(k, t), z'(k, t), а мнимых составляющих соответственно как а''(k,t); b''(k, t); x''(k,t); y''(k,t); z'' (k,t), где k - номер интервала, t - длина этого интервала.

Для каждого интервала определяют значение горизонтального импеданса

Для каждой заданной длины t определяют оценку горизонтального импеданса z(t), например, через медианное значение. Далее для каждой заданной длины интервала t определяют разброс значений горизонтального импеданса z(kt) относительно его оценки z(t), например, через среднее квадратичное отклонение

где M(t) - число перекрывающихся интервалов длительности t, укладывающихся во времени T, в течение которого производят измерение, иначе говоря, M(t)= 2T/t, если интервалы перекрываются на половину. Определяют длину интервала t, для которого разброс значений z(kt) минимален, иначе говоря, минимально σ(t). Дальнейшее определение электросопротивления для данной частоты колебаний производят с использованием спектральных составляющих, определенных ранее для полученного оптимального интервала времени t₀. При этом определение кажущегося электросопротивления по определенным ранее реальным и мнимым составляющим электромагнитного поля производят одним из известных способов. Например, определяют, используя определенные ранее реальные и мнимые составляющие электромагнитного поля для перекрывающихся интервалов времени оптимальной длины to, спектры компонент и их взаимные спектры (кросс спектры):




Определяют по известным формулам так называемые чистые спектральные плотности [см. 1, стр. 83, 84]:
S'_ay/x=S'_ay-(S'_xyS'_ax- S''_xyS''_xx)/S_xx;
S''_ay/x=S''_ay-(S'_xxS''_xy+ S'_xyS''_ax)/S_xx;
S_yy/x=S_yy-[(S'_xy)²+ (S''_xy)²]/S_xx.

Определяют по известным формулам модуль и аргумент импеданса Z_xy [1, стр.85]


Определяют по известным формулам [1, стр. 9] кажущееся электросопротивление
ρ_xy= 0,2T(Z_xy)².
Если исходные поля E_x, E_y, H_x, H_y, H_z по общеизвестным правилам преобразовать в значения полей для вращающейся системы координат, как
E_x(α) = E_xcosα+E_ysinα;
E_y(α) = -E_xsinα+E_ycosα;
H_x(α) = H_xcosα+H_ysinα;
H_y(α) = -H_xsinα+H_ycosα,
где α - угол поворота системы координат по часовой стрелке, и повторять определение ρ_xy для многих углов поворота, то можно получить импедансные полярные диаграммы, полярные диаграммы кажущегося электросопротивления и определить значение кажущегося электросопротивления по любому направлению, в т.ч. по направлению на восток ρ_yx, максимальное ρ_max и минимальное ρ_min значения кажущегося электросопротивления.

Повторяют процедуру определения кажущегося электросопротивления для различных частот и определяют зависимость кажущегося электросопротивления от частоты (от корня из периода колебаний).

Опробывание предлагаемого способа производилось путем обработки записей магнитотеллурических колебаний, сделанных аппаратурой "Гроза" в трех различных точках местности. Точки N 1 и 2 разнесены примерно на 30 км, а точка N 3 отстоит от них примерно на 500 км. На точке 1 было сделано в разное время суток в течение двух суток по 6 записей на 15 различных частотах от 10 Гц до 1953 Гц. На точках 2 и 3 было сделано в разное время по 3 записи на этих же частотах. При обработке настройка обработки на нужную длину анализируемого интервала производилась независимо по каждой частоте и по каждой записи. Затем для каждой частоты совместной обработкой всех 6 записей для точки 1 или 3 записей для точек 2 и 3 было определено кажущееся электросопротивление в направлении на север ρ_xy и на восток ρ_yx. Кроме того, был добавлен блок преобразования исходных полей во вращающиеся системы координат с поворотом осей через каждые 10^o. Это позволило получить полярные импедансные диаграммы, полярные диаграммы кажущегося электросопротивления, максимальное ρ_max и минимальное ρ_min/ значения кажущегося электросопротивления. Те же записи обрабатывались по способу-прототипу с фиксированными длинами, равными 1, 2, 4, 8, 16 и 32 периодам колебаний. Результаты обработки представлены на фиг. 1-12 в виде зависимостей кажущегося электросопротивления от корня из периода колебаний. Фиг. 1, 2, 3, 4 относятся к точке 1, фиг. 5, 6, 7, 8 - к точке 2, фиг. 9, 10, 11, 12 - к точке 3. На фиг. 1,5,9 изображена зависимость ρ_xy; на фиг. 2, 6, 10 - ρ_yx; на фиг. 3, 7, 11 - ρ_max; на фиг. 4, 8, 12 - ρ_min от корня из периода колебаний. Цифрами 1, 2, 4, 8, 16, 32 обозначены кривые, полученные по способу-прототипу с фиксированной длиной анализируемого интервала записи, составляющей соответственно 1, 2, 4, 8, 16 и 32 периодов колебаний. Буквами нд (настраиваемая длина) и более жирной линией обозначены кривые, полученные по предлагаемому способу обработки. Значки на всех 12 рисунках, относящиеся к упомянутым кривым, одни и те же. Точки, резко отличающиеся по своим значениям, на графиках откладывались с нарушением (уменьшением) масштаба по вертикали, в этом случае рядом с точкой цифрами обозначена ее фактическая величина. Видно, что кривые, полученные предлагаемым способом обработки, идут значительно более плавно, чем по способу-прототипу. Выбросы на кривых, возникающие по способу-прототипу на отдельных частотах, в предлагаемом способе либо вообще подавляются, либо сильно уменьшаются.

Для объективной оценки сглаживания выбросов предлагаемым способом обработки по сравнению со способом-прототипом для каждой фиг. 1-12 проводились сглаженные кривые зависимости электросопротивления от корня из периода колебаний. Для каждой изображенной на фиг. 1-12 кривой, для каждой ее i-й точки определялось относительное отклонение от сглаженной кривой. Затем для каждой кривой определялось среднее относительное арифметическое отклонение, выраженное в процентах, как

где N - число частот, на которых определялось кажущееся электросопротивление (число точек на каждой кривой), ρ_i - значение электросопротивления на данной частоте в анализируемой экспериментальной кривой, - значение электросопротивления на этой же частоте, полученное для сглаженной кривой.

Определялось также для каждой кривой среднее относительное квадратичное отклонение, выраженное в процентах, как

Полученные значения x представлены в таблице 1, a S - в таблице 2. В первом столбце таблиц 1 и 2 указана для способа-прототипа длина анализируемого интервала, выраженная в периодах колебаний, соответственно 1,2,4,8,16 и 32 периода. Для предлагаемого способа в этой же колонке написано настраиваемая. Затем в столбцах 2-м, 3-м, 4-м и 5-м указаны для таблицы N 1 значения x, а для таблицы N 2 значения S, полученные для кривых, отображающих значения соответственно ρ_xy, ρ_yx, ρ_max и ρ_min отдельно для 1-й, 2-й и 3-й точки наблюдения. Видно, что относительная погрешность предлагаемого способа значительно меньше, чем в способе-прототипе.

Источники информации
1. Семенов В.Ю. Обработка данных магнитотеллурического зондирования. М.: Недра, 1985 г., с. 33-36, 101-109.

2. Иванов Н.С., Вишнев B.C. и др. Усовершенствованная система цифровой обработки аналоговых записей магнитотеллурического поля, Екатеринбург, 1998. Деп. ВИНИТИ N 2541-В98. 10 с.

3. Аширова Н. Г., Дубровский В.Г. Автоматизированная система обработки аналоговых магнитотеллурических данных методом мгновенных спектров. В сборнике "Методы обработки вариаций естественного электромагнитного поля Земли", Междуведомственный геофизический комитет по геофизике АН СССР. Материалы мирового центра данных Б. Москва, 1983, стр. 3-22 (прототип).

Изобретение относится к способам электроразведки с помощью естественного электромагнитного поля Земли. Технический результат: повышение точности и производительности измерения частотной зависимости удельного кажущегося электросопротивления горных пород. Сущность изобретения: в способе геоэлектроразведки, заключающемся в определении частотной зависимости удельного кажущегося электросопротивления горных пород путем измерения узкополосных текущих спектральных составляющих естественного электромагнитного поля, текущие спектральные составляющие определяют для многих перекрывающихся интервалов времени. Кажущееся электросопротивление находят для такой заданной длины последовательных перекрывающихся интервалов, для которой горизонтальный импеданс, равный квадратному корню из отношения суммы квадратов горизонтальных электрических и магнитных составляющих, дает наименьший разброс значений. 12 ил., 2 табл.

Способ геоэлектроразведки, заключающийся в определении частотной зависимости кажущегося удельного сопротивления горных пород путем измерения узкополосных текущих спектральных составляющих естественного электромагнитного поля, отличающийся тем, что текущие спектральные составляющие определяют для многих заданных длин последовательных перекрывающихся интервалов времени, а кажущееся электросопротивление находят для такой заданной длины последовательных перекрывающихся интервалов, для которой горизонтальный импеданс, равный квадратному корню из отношения суммы квадратов горизонтальных электрических и магнитных состоящих, дает наименьший разброс значений.