СПОСОБ ГЕОЭЛЕКТРОРАЗВЕДКИ Российский патент 2012 года по МПК G01V3/08 

Изобретение относится к электромагнитным методам исследования вертикального геоэлектрического сопротивления горных пород Земли. Область преимущественного использования предлагаемого технического решения - геологические, геоэкологические и другие изыскания.

Известен индукционный способ [1] определения электропроводности массива горных пород с применением разнесенных на дневной поверхности излучающего вертикального магнитного диполя и магнитоприемного устройства. В известном способе измеряют радиальную B_r и вертикальную B_z, составляющие магнитной индукции с дальнейшим определением отношения B_z/B_r. На заданной частоте со переменного магнитного поля, с расстоянием r между диполями и определенным отношением B_z/B_r определяют электрическое сопротивление на частоте ω₁. Аналогичные измерения осуществляют на частотах ω₂<ω₃<…<ω_n, больших частоты ω₁. Определяют электросопротивление горных пород на ряде частот ω₁, ω₂, ω₃,…, ω_n и относят к эффективным глубинам h₁>h₂>h₃>…>h_n проникновения электромагнитного поля. Известный способ имеет существенный недостаток, заключающийся в низкой точности определения удельного сопротивления, особенно при следующих условиях: 0.01B_z≤B_r≤0.1B_z, т.е. при изучении высокоомных горных пород (например, скальных пород).

Известен также способ [2] низкочастотных индукционных зондирований при малых параметрах электромагнитного поля. В известном способе измеряют малую B_b и большую ось B_a эллипса поляризации электромагнитной индукции. Определяют отношение B_b/B_a<<1 и по величине этого отношения находят электрическое сопротивление горных пород на заданной частоте. Известный способ имеет существенный недостаток в низкой точности измерения B_b из-за неточности определения малой оси B_b в пространстве. Значительная погрешность при измерении B_b вносится первичным магнитным полем при повороте системы ортогональных датчиков в пространстве.

Известен также способ дистанционных зондирований с возбуждением вертикальным магнитным диполем, в котором датчик поля B_r устанавливают по малой оси эллипса поляризации магнитного поля на измеряемой частоте [3], взятый нами в качестве способа - прототипа. Этот способ применим только при отношении B_z/B_r, не превосходящим 10-30; при B_z/B_r≥30 малый поворот датчиков вокруг горизонтальной оси приводит к значительной погрешности определения электросопротивления массива горных пород.

Цель изобретения - повышение точности определения электросопротивления путем создания модифицированной геометрии измерительной установки и методики измерений. Поставленная цель достигается тем, что в способе геоэлектроразведки, наряду с излучателем в виде вертикального магнитного диполя, возбуждается переменное электрическое поле с помощью заземленной линии АВ. Измерения проводятся фазочувствительным магнитоиндукционным датчиком B_z последовательно для магнитного и электрического типа возбуждающего поля, переключаемого с помощью коммутатора. Новизна предлагаемого способа усматривается в том, что измерения осуществляют только одной, а именно вертикальной составляющей магнитной индукции. В различных точках изучаемой компоненты вертикальность магнитоиндукционного датчика обеспечивается с высокой точностью.

Сравнение заявленного технического решения с прототипом позволило установить соответствие его критерию "новизна", так как оно не известно из уровня техники. Предложенный способ промышленно применим существующими средствами и соответствует критерию "изобретательский уровень", т.к. он явным образом не следует из уровня техники, при этом из последнего не выявлено каких-либо преобразований, характеризуемых отличительными от прототипа существенными признаками, направленных на достижение указанного технического результата. Таким образом, предложенное техническое решение соответствует установленным условиям патентоспособности изобретения.

На фиг.1 изображена структурная схема устройства, с помощью которого реализуют предлагаемый способ. Устройство (фиг.1) содержит генератор 1, коммутатор 2, незаземленную петлю 3, питающую линию 4, блок управления 5, вертикальный магнитоиндукционный датчик 6, фазочувствительный вольтметр 7 и накопитель 8, по каналу синхронизации 9 с блока управления 5 на фазочувствительный вольтметр 7 передаются опорный сигнал и сигнал направления тока J в питающей линии 4. Незаземленная петля 3 и питающая линия 4 соцентричны. Предлагаемый способ реализуют следующим образом. Вначале на вход управления коммутатора 2, в течение интервала времени Δt, поступает управляющий сигнал логического "0" с блока управления 5. Ток в питающей линии протекает в Земле от электрода B к электроду A. В результате величина вертикальной составляющей магнитной индукции в точке наблюдения определяется выражением:

где B_zb, B_ze - амплитуда магнитной индукции, соответственно обусловленная магнитным диполем и питающей линией.

В магнитоиндукционном датчике 6 (Фиг.1) наводится ЭДС:

где S - эффективная площадь датчика.

В течение следующего интервала времени Δt, на коммутатор 2 поступает сигнал логической "1" с блока управления 5. Ток в питающей линии теперь протекает от электрода A к электроду B. В результате в точке измерения величина вертикальной компоненты магнитной индукции и наводимой в датчике ЭДС составят соответственно:

Из-за фазового сдвига в измерительных цепях сигналы U_z1 и U_z2 сдвигаются по фазе на неопределенный угол φ₀, по постоянной величине.

В результате выражение для U_z1 и U_z2 приобретает вид:

где коэффициент K=S·ω

Напряжения U_z1 и U_z2 поступают на вход фазочувствительного вольтметра 7 (фиг.1), где подвергаются аналого-цифровому преобразованию. В результате на его выходе возникают цифровые коды, пропорциональные реальной и мнимой составляющей напряжений U_z1 и U_z2, определяющиеся следующими выражениями:

где N₁ и N₃ - измеряют в течении первого интервала времени Δt,

а N₂ и N₄ - измеряют в течение второго интервала времени Δt.

Выходные коды блока 7 поступают на вход накопителя информации 8 (фиг.1). Из выражений для N₁, N₂, N₃ и N₄ определяют фазовый сдвиг φ_e+φ_b, обусловленный проводимостью горных пород, а неопределенный фазовый угол φ₀ исключается из результатов:

где ,

Величины B_zb и B_ze определяют из выражений:

где m=1/2K - постоянный коэффициент, характеризующий электронные параметры блоков 6 и 7 (фиг.1).

Аналогичные операции проводят на других точках измерений на исследуемой площади. По отношению модулей B_zb, B_ze и фазовому сдвигу φ_e+φ_b определяют глубинное геоэлектрическое строение участка работ и наличие в нем аномальных проводящих объектов. Отношение модулей B_ze и B_zb определяют следующим выражением [4]:

где y - проекция расстояния от центра петли и питающей линии до точки измерения на ось y, а - длина стороны незаземленной петли.

,

где r - расстояние от центра петли до точки измерения,

ω - частота,

µ₀=4π·10⁷ Гн/м.

Функцию B_ze/B_zb=f(ξ) используют (фиг.2) для определения величины ξ. Из выражения для ξ находят модуль и фазовый угол кажущегося удельного сопротивления однородного полупространства Земли.

Таким образом, измерения только вертикальной составляющей магнитной индукции позволяют обеспечить стабильность геометрии измерительной установки. Как следствие, удается повысить точность определения электрического сопротивления горных пород путем создания модифицированной установки и методики измерений.

Изобретение относится к области геофизических исследований и может быть использовано при изучении геоэлектрического разреза и нахождения аномальных проводящих объектов. Технический результат: повышение точности определения электросопротивления путем создания модифицированной геометрии измерительной установки и методики измерений. Сущность: возбуждают переменное электромагнитное поле на дневной поверхности током, протекающим в соцентричных незаземленной петле и питающей линии, соединенных последовательно. На каждой точке профилей измеряют реальные и мнимые компоненты вертикальных составляющих магнитной индукции для двух полярностей подключения питающей линии. Определяют модули и фазы вертикальных составляющих магнитной индукции, возбуждаемых отдельно током в незаземленной петле и питающей линии. По отношению модулей находят значение кажущегося сопротивления. По изменению его модуля и фазового угла на площади определяют глубинное геоэлектрическое строение участка и наличие в нем аномальных проводящих объектов. 2 ил.

Способ геоэлектроразведки, в котором возбуждают переменное электромагнитное поле на дневной поверхности током, протекающим в соцентричных незаземленной петле и питающей линии, и измеряют по параллельным профилям вертикальную составляющую магнитной индукции, отличающийся тем, что в нем соединяют последовательно незаземленную петлю и питающую линию, на каждой точке профилей измеряют реальные и мнимые компоненты вертикальных составляющих магнитной индукции для двух полярностей подключения питающей линии, определяют модули и фазы вертикальных составляющих магнитной индукции, возбуждаемых отдельно током в незаземленной петле и питающей линии, и по отношению модулей находят значение кажущегося сопротивления, а по изменению его модуля и фазового угла на площади определяют глубинное геоэлектрическое строение участка и наличие в нем аномальных проводящих объектов.