СПОСОБ ГЕОЭЛЕКТРОРАЗВЕДКИ Российский патент 2003 года по МПК G01V3/02 

Изобретение относится к области геофизических методов поиска и разведки полезных ископаемых и может быть использовано для определения параметров геологического разреза и выявления в нем локальных неоднородностей.

Известны способы и устройства электроразведки (см., например, а.с. СССР 324601, МПК G 01 V 3/02, БИ 2, 1972 г.), согласно которого прием э/м отклика осуществляют одним приемным зондом.

Недостатком этого способа является то, что он не может дать информацию о направлении поступающего отклика.

Пример многозондовой системы изложен в способе георазведки и устройстве, его осуществляющем по а.с. СССР 1233068, G 01 V 3/02 от 23.05.86 г., БИ 19). Согласно этому способу с помощью системы нескольких электродов, центрального и боковых питающих электродов проводят сканирование исследуемого массива силовыми линиями электрического поля центрального питающего электрода при изменении пространственной ориентации силовых линий путем изменения соотношений токов боковых питающих электродов. В процессе сканирования измеряют фазу и величину тока в цепях всех электродов.

Недостатком этого способа георазведки является недостаточная разрешающая способность метода измерения особенно для глубоко расположенных неоднородностей геологического разреза, не позволяющая получить информацию о положении неоднородности на глубине зондируемой области. Или требует размещения электродов на глубине в специальных скважинах, что само по себе является очень трудоемким процессом. При размещении зондов на поверхности обеспечивается зондирование только верхнего слоя на площади, оконтуренной размещением электродов.

Прототипом изобретения является способ зондирования становлением поля в ближней зоне (ЗСБ), изложенный в книге Матвеева Б.К. Электроразведка: учебник для вузов - 2-е издание, переработанное и дополненное. - М.: Недра, 1990 г., 368 ст., стр. 119, рис. 47. Согласно этому способу с помощью излучающего зонда импульсом тока возбуждают геологический разрез. В результате в геологическом разрезе формируется э/м отклик неустановившегося поля, обусловленный возбуждением второго рода. Прием и регистрацию электромагнитного отклика осуществляют одним приемным датчиком электромагнитного поля после выключения тока в цепи излучающего зонда.

Недостатком данного способа зондирования становлением поля в ближней зоне является недостаточная разрешающая способность приема электромагнитного отклика на поверхности земли одиночным приемным датчиком электромагнитного поля ввиду невозможности обеспечения селекции принимаемого сигнала по направлению.

Решаемой технической задачей предлагаемого изобретения является увеличение разрешающей способности приема электромагнитного отклика на поверхности земли приемными датчиками электромагнитного поля при э/м зондировании геологического разреза.

Решаемая техническая задача в способе геоэлектроразведки, заключающемся в возбуждении геологического разреза зондирующим сигналом U_зс(t) и регистрации сигнала электромагнитного отклика U_c(t) на зондирующий сигнал системой М приемных дипольных датчиков электромагнитного поля, расположенных на поверхности зондируемого участка геологического разреза с координатной привязкой по отношению к излучателю зондирующего сигнала, достигается тем, что М приемных дипольных датчиков ориентируют параллельно направлению горизонтальной составляющей электромагнитною поля в исследуемой зоне геологического разреза с центром в точке и размещают на поверхности зондируемого участка в круге диаметром D не менее глубины зондирования z_f(D≥z_f) в виде двумерной решетки с шагом h≤z_f вдоль и поперек направления ориентации одной из горизонтальных составляющих электрического поля в исследуемой зоне зондирования, а прием электромагнитного отклика U_c(t) на зондирующий сигнал U_зc(t) производят системой М приемных дипольных датчиков электромагнитного поля синхронно друг к другу и принятые сигналы с этих датчиков разлагают в частотные спектры, спектральные составляющие которых U_m(ω) умножают на весовые коэффициенты J_m(ω), полученные из выражения

а умноженные значения отдельных спектральных составляющих со всех М приемных дипольных датчиков складывают алгебраически и получают результирующий спектр всей системы приемных дипольных датчиков электромагнитного поля U_c(ω), затем осуществляют обратное преобразование Фурье этого спектра, что является результирующим сигналом электромагнитного отклика U_c(t) всей системы приемных дипольных датчиков электромагнитного поля из зоны фокуса с центром в точке , и по этому сигналу судят о структуре геологического разреза, где:
М - целое число больше или равно единице,
Ω - пространственная граничная частота, связанная с шагом решетки соотношением Ω = π/h,
ось x - ориентирована вдоль горизонтальной составляющей электрического поля в точке фокуса
x_f, y_f - координаты точки фокуса на плоскости z=z_f,
x_m, y_m - координаты расположения m-го дипольного датчика в плоскости z= 0,
E_f - множитель, характеризующий амплитуду поля в точке фокуса,
- волновое число i-го слоя разреза,
ε_i - комплексная диэлектрическая проницаемость i-го слоя разреза,
μ_i - магнитная проницаемость i-го слоя разреза,
- волновое сопротивление i-го слоя разреза,
- волновое сопротивление воздуха,
ω_x, ω_y - пространственные частоты вдоль координат x и y,
- вектор пространственных частот,
- модуль вектора пространственных частот,

- двумерный радиус-вектор точки фокуса,
двумерный радиус-вектор точки размещения m-го датчика,
- скалярные произведения векторов,
- функции, характеризующие прохождение составляющих пространственного спектра, поляризованных параллельно и перпендикулярно плоскости падения, в i-й слой геологического разреза, содержащий плоскость фокуса (z_i-1 < z_f < z_i), где
- коэффициенты передачи составляющих пространственного спектра,
- коэффициенты отражения, определяемые с помощью рекуррентной процедуры, начиная j = N и





На фиг. 1 показана геометрия для решения задачи нахождения весовых коэффициентов {J_m(ω)} способа геоэлектроразведки.

На фиг. 2 приведены результаты расчетов распределения поля в фокальной плоскости вдоль оси Y для плоской решетки 3х3 электрических диполей для геометрии по фиг.1.

На фиг. 3 приведены результаты расчета распределения поля в фокальной плоскости вдоль оси X.

На фиг. 4 представлена функциональная схема устройства, реализующего предлагаемый способ геоэлектроразведки.

Геометрия для решения задачи способа геоэлектроразведки по фиг. 1 включает систему координат XYZ с началом в точке Х=0, Y=0, Z=0, расположенной на дневной поверхности S зондируемой области геологического разреза V_i. Ось Z ориентирована вглубь зондируемой области V_i по нормали к поверхности S. Материальная среда зондируемой области V_i характеризуется электрическими параметрами μ_i, ε_i, σ_i. На дневной поверхности S зондируемой области V_i в плоскости Z=0 расположены М электрических диполей, характеризующихся амплитудами электрических токов J_m, где Эти электрические диполи в соответствии с принципом взаимности (см., например, Семенов Н.А. Техническая электродинамика. - М.: "Связь", 1973 г., стр.151) соответствуют в устройстве, реализующем способ геоэлектроразведки, приемным дипольным датчикам электромагнитного поля с наведенными на них сигналом электромагнитного отклика с амплитудами токов J_m. Эти диполи расположены на поверхности S с шагом h по оси Х и по оси Y с вектором поляризации, ориентированным по оси X. Амплитуды токов J_m, полученные из решения выражения (1), являются в предлагаемом способе весовыми коэффициентами при выделении сигнала отклика из зоны фокуса.

На глубине Z_f в зондируемой области V_i располагается фокальная плоскость Z=Z_f, - радиус-вектор из начала координат в точку фокуса f с координатами x_f, y_f, z_f, - радиус-вектор m-го электрического диполя, r_⊥f - двумерный радиус-вектор в точку фокуса в фокальной плоскости Z_f. Распределение поля в плоскости фокуса при решении задачи задается в виде δ-функции в точке фокуса.

На графике (фиг. 2) приведены результаты расчета примера фокусировки вдоль оси у на глубине Z_f=1000 м по фиг. 1 для решетки из девяти электрических диполей (решетка 3•3), расположенных с шагом n=100 м, частота сигнала 1 мГц - кривая 11 - и результат расчета поля в той же плоскости для одиночного электрического диполя в соответствии с прототипом - кривая 12. Среда в зондируемой области характеризуется параметрами: относительная диэлектрическая проницаемость ε′ = 10, проводимость σ = 10^-5 Сим/м, магнитная проницаемость μ=1. Эти графики характеризуют распределение касательной компоненты электрического поля Е_x в фокальной плоскости Z_f вдоль оси Y.

На графике (фиг. 3) приведены результаты расчета того же поля, что и по фиг. 2, но вдоль оси X.

Устройство, реализующее предлагаемый способ геоэлектроразведки по фиг. 4, состоит из генератора зондирующего сигнала 1, соединенного с излучающим зондом 2, М приемных дипольных датчиков электромагнитного поля 3, каждый из которых подключен к соответствующему приемнику 4, М регистрирующих блоков 5, каждый из которых подключен к выходу соответствующего приемника 4. Все регистрирующие блоки 5 и генератор зондирующего сигнала 1 соединены с блоком синхронизации 6. Выходы регистрирующих блоков 5 по проводной или модемной линии связи 7 соединены со входом блока сопряжения 8 с ЭВМ 9, геологический разрез 10, где М ≥ 1, натуральный ряд чисел.

Излучающий зонд 2 и приемные датчики э/м поля 3 располагают на поверхности S геологического разреза 10 с координатной привязкой друг к другу в круге диаметром D≥z_f, где глубина зондирования z_f соответствует глубине расположения фокальной плоскости, шаг расположения приемных дипольных датчиков h электромагнитного поля выбран из условия h≤z_f. Все приемные дипольные датчики установлены с одинаковой ориентацией вектора поляризации.

Распределение электрического поля Е_x в фокальной плоскости z_f по фиг.2, создаваемое решеткой из девяти электрических диполей с токами J_m, найденных из решения соотношения (1), имеет ярко выраженный глобальный максимум в точке фокуса с координатой x_f, y_f, z_f (см. фиг. 2, 3 - кривые 11). Ширина этого максимума по уровню 0,707 в каждой плоскости ZX и ZY в 2,5÷3 раза меньше чем у того же распределения поля для одиночного электрического диполя - кривые 12 на тех же фигурах, а в обоих плоскостях этот выигрыш по ширине зоны отклика составит соответственно 6,25÷9 раз.

Приведенные результаты расчетов позволяют утверждать, что сигнал, принятый решеткой с распределением токов J_m на приемных дипольных датчиках электромагнитного поля, будет характеризоваться по сравнению с прототипом большей пространственной селекцией по направлению в точку фокуса x_f, y_f, z_f, чем в случае одиночного датчика, как это имеет место в прототипе.

Реализация способа геоэлектроразведки с помощью устройства, собранного по схеме фиг. 4, осуществляется следующим образом.

Электромагнитный импульс U_зс(t), поступающий от генератора зондирующего сигнала 1 на излучающий зонд 2, возбуждает геологический разрез 10 (область V_i).

В геологическом разрезе 10 формируется электромагнитный отклик U_c(t) на зондирующий сигнал U_зс(t), который регистрируется М приемными дипольными датчиками электромагнитного поля 3 со своими амплитудами и фазами, определяемыми особенностями геологического разреза, а также шагом расположения приемных дипольных датчиков 3 h и усиливается приемником 4 до требуемой для регистрирующих блоков 5 величины U_m(t), где
Алгоритм обработки сигнала выполняется следующим образом. Принятые сигналы {U_m(t)} оцифровываются и записываются во всех М регистрирующих блоках 5 синхронно по моменту времени t_зап определяемым сигналом блока синхронизации 6. Затем сигналы {U_m(t)} передаются по линии связи 7 в блок сопряжения 8 с ЭВМ 9 и оттуда в ЭВМ 9. В ЭВМ 9 производится обработка сигналов {U_m(t)}. В процессе этой обработки сигналы { U_m(t)} разлагают в частотные спектры {U_m(ω)} (прямое преобразование Фурье), производят расчет амплитуд токов J_m(ω) по соотношению (1) для спектральных составляющих {U_m(ω)}, умножают спектральные составляющие {U_m(ω)} на весовые коэффициенты J_m(ω) и получают значение спектральной составляющей сигнала , принятого m-ным приемным датчиком 3
Затем умноженные значения отдельных спектральных составляющих {U'_m(ω)} соответственно со всех приемных дипольных датчиков 3 складывают алгебраически и получают результирующий спектр всей системы приемных дипольных датчиков электромагнитного поля {U'_m(ω)}. С этим спектром {U'_m(ω)} выполняют обратное преобразование Фурье и получают результирующий сигнал электромагнитного отклика всей системы приемных дипольных датчиков электромагнитного поля U'_c(t) из зоны фокуса. Этот результирующий сигнал U'_c(t) и его спектр { U_m(ω)} сопоставляют с банком данных расчетных моделей, полученных, например, по результатам анализа возбуждения локальным источником многослойной структуры (см., например, книгу О.Ш. Даутов. Моделирование полей при конструировании электронной аппаратуры. (Учебное пособие). Казань, издательство Казанского Государственного технического университета 1997 г., разд. 1.2, стр.11. Распространение поля локального источника через слоистую структуру). Таким образом, судят о структуре геологического разреза и, в частности, об электрической плотности пород, входящих в слои, составляющие этот разрез.

Приведенные результаты примера математического моделирования процесса фокусировки системой из девяти (3х3) приемных дипольных датчиков электромагнитного поля показывают, что предлагаемый способ геоэлектроразведки по сравнению с прототипом обеспечивает увеличение разрешающей способности приема электромагнитного отклика на поверхности земли системой приемных дипольных датчиков электромагнитного поля при электромагнитном зондировании геологического разреза примерно в шесть - девять раз.

Изобретение относится к области геофизических методов поиска и разведки полезных ископаемых и может быть использовано для определения параметров геологического разреза и выявления в нем локальных неоднородностей. Технический результат: увеличение разрешающей способности приема электромагнитного отклика на поверхности земли приемными дипольными датчиками электромагнитного поля при электромагнитном зондировании геологического разреза. Сущность: возбуждают геологический разрез зондирующим сигналом и регистрируют электромагнитный отклик на зондирующий сигнал системой приемных дипольных датчиков электромагнитного поля. Датчики расположены на поверхности зондируемого участка геологического разреза с координатной привязкой по отношению к излучателю зондирующего сигнала в круге диаметром не менее глубины зондирования z_f, в виде двумерной решетки с шагом h≤z_f вдоль и поперек направления ориентации одной из горизонтальных составляющих электрического поля в исследуемой зоне зондирования. Датчики ориентируют параллельно направлению горизонтальной составляющей электромагнитного поля. Прием электромагнитного отклика на зондирующий сигнал производят синхронно всеми датчиками. Принятые сигналы разлагают в частотные спектры, спектральные составляющие которых умножают на весовые коэффициенты, полученные из соответствующего выражения. Умноженные значения отдельных спектральных составляющих со всех приемных дипольных датчиков складывают алгебраически и получают результирующий спектр всей системы. Затем осуществляют обратное преобразование Фурье этого спектра, что является результирующим сигналом электромагнитного отклика всей системы приемных дипольных датчиков электромагнитного поля. По этому сигналу судят о структуре геологического разреза. 4 ил.

Способ геоэлектроразведки, заключающийся в возбуждении геологического разреза зондирующим сигналом U_зс(t) и регистрации сигнала электромагнитного отклика U_с(t) на зондирующий сигнал системой М приемных дипольных датчиков электромагнитного поля, расположенных на поверхности зондируемого участка геологического разреза с координатной привязкой по отношению к излучателю зондирующего сигнала, отличающийся тем, что М приемных дипольных датчиков ориентируют параллельно направлению горизонтальной составляющей электромагнитного поля в исследуемой зоне геологического разреза с центром в точке и размещают на поверхности зондируемого участка в круге диаметром D не менее глубины зондирования z_f (D≥z_f) в виде двумерной решетки с шагом h≤z_f вдоль и поперек направления ориентации одной из горизонтальных составляющих электрического поля в исследуемой зоне зондирования, а прием электромагнитного отклика U_с(t) на зондирующий сигнал U_зс(t) производят системой М приемных дипольных датчиков электромагнитного поля синхронно друг к другу и принятые сигналы с этих датчиков разлагают в частотные спектры, спектральные составляющие которых U_m(ω) умножают на весовые коэффициенты J_m(ω), полученные из выражения

а умноженные значения отдельных спектральных составляющих со всех М приемных дипольных датчиков складывают алгебраически и получают результирующий спектр всей системы приемных дипольных датчиков электромагнитного поля U_c(ω), затем осуществляют обратное преобразование Фурье этого спектра, что является результирующим сигналом электромагнитного отклика U_с(t) всей системы приемных дипольных датчиков электромагнитного поля из зоны фокуса с центром в точке и по этому сигналу судят о структуре геологического разреза,
где М - малое число больше или равно единице;
Ω - пространственная граничная частота, связанная с шагом решетки соотношением Ω = π/h;
ось х - ориентирована вдоль горизонтальной составляющей электрического поля в точке фокуса
х_f, у_f - координаты точки фокуса на плоскости z = z_f;
х_m, у_m - координаты расположения m-го датчика в плоскости z = 0;
Е_f - множитель, характеризующий амплитуду поля в точке фокуса;
- волновое число i-го слоя разреза;
ε_i - комплексная диэлектрическая проницаемость i-го слоя разреза;
μ_i - магнитная проницаемость i-го слоя разреза;
волновое сопротивление i-го слоя разреза;
- волновое сопротивление воздуха;
ω_x, ω_y - пространственные частоты вдоль координат х и у;
- вектор пространственных частот;
- модуль вектора пространственных частот;


- двумерный радиус-вектор точки фокуса;
- двумерный радиус-вектор точки размещения m-го датчика;
- скалярные произведения векторов;
- функции, характеризующие прохождение составляющих пространственного спектра, поляризованных параллельно и перпендикулярно плоскости падения, в i-й слой, содержащий плоскость фокуса (z_i-1 < z_f < z_i),
где
- коэффициенты передачи составляющих пространственного спектра;
R_j,l ^11,1 - коэффициенты отражения вблизи верхней границы i-го слоя, определяемые с помощью рекуррентной процедуры начиная с j = N и R11,lN+1,l