Способ обнаружения неоднородностей в приповерхностном слое Земли Советский патент 1984 года по МПК G01V3/08 

Изобретение относится к наземным способам геомагниторазведки, основанным на излучении естественного электромагнитного поля Земли, и может быть использовано на стадиях поиска и разведки месторождений нерудного СЕЛрЬЯ. Однако способ непригоден для исследований месторождений нерудного сырья, так как аномалии на неоднородностях достигают десятков гамм. Известен способ геоэлектроразведки по обнаружению геологических неоднородностей методами естественных переменных магнитных полей, основанный на измерении функции взаим ной корреляции с использованием ортогональных приемных элементов. Сог ласно указанному спЪсобу сигналы от горизонтального и вертикального при емных элементов складываются, преоб разовываются, вычисляются отношения сумм сигналов к функции автокорреля ции сигнала от горизонтального приемного элемента и по названным отношениям судят о наличии и местоположении аномалии проводимости масси ВОВ горных пород. Способ применим для разведки рудных и нефтегазоносных месторождений 1. Известный способ характеризуется низкой точностью результатов измере НИИ из-за высокой изменчивости пере менной части естественного магнитного поля, причем отсутствие по спо собу базисной точки для сравнения измерений на профильных точках с измерениями на базисной точке при сложных геологических условиях также приводит к снаибочным результатам при определении местоположения неод нородностей. Кроме того, способ не применим в любое время года, не осуществим в процессе движения установки, и обла дает низкой эффективностью при использовании его на нерудных месторождениях из-за слабых магнитных ан малий. . Наиболее близким к изобретению является способ обнаружения неоднородностей в приповерхностном слое Земли, основанный на не прерывном из мерении естественного переменного магнитного поля при помсади двух ортогональньйс рамок 2, Данный способ неэффективен для обнаружения неоднородностей нерудно природы, так как именно в безрудных областях регистрируют нулевые фоновые отсчеты. Цель изобретения - снижение трудоемкости и повышение эффективноети обнаружения неоднородностей в пр поверхностном слое Земли нерудной природы, например тектонических нарушений, карстов, скоплений подземных вод., Поставленная цель достигается тем, что согласно способу обнаружения неоднородностей в приповерхностном слое Земли, основанному на непрерывном измерении естественного переменного магнитного поля при помсхци двух ортогональных рамок, измеряют постоянную часть естественного магнитного поля по профилям на высоте не более 0,5 м от поверхности Земли и по аномальным значениям регистрируемых сигналов судят о наличии и местоположении неоднородностей. На Фиг. 1 показана схема образования магнитной аномалии главного магнитного поля Земли на поверхностном обводненном карсте (графики ЭДС); на фиг„ 2 - то же, физическая картина преломления магнитных силовых линий на физической неоднородности поверхностном обводненном карсте; на фиг. 3 - то же, что на фиг. 1, на обводненном заполненном рыхлым материалом тектоническом наругиении {график ЭДС); на фиг. 4 - физическая картина преломления магнитных силовых линий на физико-геометрической неоднородности - обводненном текстоническом нарушении. Форма кривой 1 (фоновая) при профилировании над участком без однородностей; экстремальная часть кривой 2 ЭДС над карстом,- положение 3 магнитных силовых линий над участком без неоднородностей; положение 4 магнитных силовых линий над поверхностным карстом; Граница 5 Земля - воздух граница 6 Скальные - рыхлые породы, массив 7 скальных пород поверхностный обводненный карст 8; форма кривой 9 ЭДС (фоновая) при профилировании над участком без неоднородностей; экстремальная часть кривой 10 ЭДС над обводненном тектоническом нарушений; обводненное заполненное рыхльдм материалом тектоническое нарушение 11. Предлагаемый способ бснован на следующем. Современные исследования позволяют разделить геомагнитное поле на три основные части: главное магнитное поле и его вековые вариации с источником внутри ядра Земли; аномальное поле, обусловленное совокупностью источников в тонком верхнем слое Земли, называемом магнитоактивной оболочкой Земли; внешнее поле, связанное с внешними источниками - токовыми системами в околоземном пространстве. Вклад главного магнитного- поля в магнитное поле, наблюдаемое на поверхности Земли, составляет в среднем более 95%, аномальное поле вносит около 4% и доля внешнего поля (переменного электромагнитного) составляет около 1%.

Исходя из вышеизложенного и с учетом того, что на нерудных месторождениях в приповерхностном слое Земли глубиной до 300-400 м (от поверхности Земли) чаще всего присутствуют слабомагнитные породы, понятна важность разработки способа исследований изменений главного маг-, нитного поля в приповерхностном слое Земли и над поверхностью Земли .

В настоящее.время не представляет затруднений в устройстве для осуществления способа установить фильтры и экран для ограничения влияний переменной части геомагнитного поля на результаты измерений главного магнитного поля Земли. При перемещении установки над исследуемой поверхностью влияние длиннопериодных изменений переменной части геомагнитного поля на результаты записи значений ЭДС резко уменьшается.

В предлагаемом способе обнаружения неоднородноетей, таким образом, исследуется главное магнитное поле Земли, вкладывающее более 95% информации в наблюдаемое на поверхности Земли геомагнитное поле.

Электромагнитное поле Земли претерпевает на геометрических и физических неоднородностях отражение и преломление. Электрические и магнитные компоненты поля преломляются обратно пропорционально соответственно У и Ti , т.е. коэффициент преломления при наличии геометрических или физических границ раздела двух сред равен

.1 2.

иг,

1

где 2.2 диэлектрические проницаемости второй и первой сред;

/U2 и ;U - магнитные проницаемости .

Диэлектрические проницаемости пород изменяются в пределах от первых единиц до десятков единиц, а -еоАы 81. Магнитная проницаемость осадочных пород почти всегда равна или больше единицы и меньше двух,но изменяетсяв относительно больших пределах.

Над поверхностью ЗеМли на высоте до 0,5м в связи с изложенным и подтвержденным на практике образуются аномалии главного магнитного поля Земли за счет преломления магнитных силовых линий на неоднородностях . -нерудной природы (практически немагнитных или слабо магнитных осадочных пород), на границах раздела разнотипных пород и, наконец, на границе Земля - воздух. Особенно эффект преломления значителен на обводненных неоднородностях (карсты, тектонические нарушения, линзы подземных вод и т.п.).

в предлагаемом способе под приповерхностным слоем земли принимается слой пород мощностью 300-400М от поверхности Земли. На таких максимальных глубинах обнаруживают неоднородности, характерные для месторождений нерудного сырья - известняки и доломиты, огнеупорные глины и каолины, гипсы, соли.

Существенное влияние на график ЭДС, а значит, на эффективность обнаружения неоднородностей и нерудной природы оказывает высота перемещения рамок над поверхностью Земли. Эффективной оказалась высота 0,5 м (ниже мешает неровность поверхности и растительность). Проведенные эксперименты по перемещению катушек на высоте 1, 1,5 и 2,0м показали, что часто неоднородности - карсты, мелкие тектонические разрывы - не обнаруживаются .

Считается закономерным, что геологические неоднородности всегда имеют вокруг себя локальные электрические поля, которые всегда сопровождаются магнитными полями за счет контактов неоднородностей со слоями различного типа пород, фильтрации жидкостей и т.п. Причем над неоднородностями с заниженным электросопротивлением (карсты, обводненные тектонические нарушения) напряженность магнитного поля всегда больше по сравнению с фоновым. Эти явления всегда вносят вклад в наблюдаемое главное магнитное поле Земли, в частности в аномалии главного магнитного поля Земли даже на нерудных месторождениях при измерениях напряженности над поверхностью Земли.

Считается закономерным также то, что вертикальная компонента Н главного магнитного поля убывает с увеличением высоты над поверхностью Земли обратно пропорционально кубу расстояния, а компоненты Н, Н , обратно пропорционально четвертой степени этого расстояния.

Поэтому в предлагаемом способе используют спаренные ортогональные рамки, позволяющие при их перемещении регистрировать возникающие в них ЭДС от взаимодействия Н и Н

:/)

Из законов электродинамики известно, что во всяком замкнутом проводящем контуре при изменении потока магнитной индукции через площадь, ограниченную этим контуром, возникает электрический индукционный ток. Величина ЭДС индукции (i- ) пропорциональна скорости изменения потока индукции со временем и определяется по формуле

d

--dГ- o где (xi - частота пересечения контуром аномалии плотности маг нитных силовых линий у поверхности Земли; Фр - нормальный поток магнитной индукции через плсяцадь кон тура ; Ч - угол между нормалью рамки и магнитными силовыми линиями главного магнитного поля Земли; dt - время, принятое для опреде ления изменений потока маг нитной индукции. В предлагаемом способе ортогонал но спаренные рамки непрерывно перем аются над поверхностью на высоте до 0,5 м, пересекая магнитные силовые линии главного магнитного поля Земли, которые над аномалиями представлены зонами различной плотности и углами наклона к поверхности. Возникающая в рамках (катушках индуктивности) ЭДС представляет собой сумму ЭДС от вертикальной и горизонтальной компонент главного маг нитного поля Земли. Способ не исклю чает записи ЭДС только от взаимодей ствия с вертикальной или горизонтал ной компонентой, или полным векторо магнитной индукции главного магнитного поля Земли. Предлагаемый способ реализуется следующим образом. На исследуемом участке месторождения нерудного сырья разбивают про фили для проведения съемок, В качестве устройств для осущест ления способа могут быть взяты рамки-катушки индуктивности длиной 30 см и шириной 10 см и состоящие из 800 витков медного изолированного провода 0,15 мм. Катушки соединя ются (спариваются) между собой под прямым углом, а при перемещении над поверхностью Земли они ориентируются под одинаковым углом к вертикали т.е. под углом 45°. Для удобства проведения исследований рамки можно установить на кронштейне-держателе, который переносит впереди себя оператор. Рамки защищены сверху экраном, который заземлен с прибором регистратором. Дополнительно устанавливается частотный фильтр для защиты от воздействия переменной части геомагнитного поля. В качестве первичного регистратора ЭДС в рамках выбирается магнитофон переносного типа (батарейное питание) с встроенным в него мультйвибратором. Записанная на магнитофонную пленку ЭДС в стационарных условиях графопостроителем соответствующего типа записывается на бума ге в виде графика ЭДС. Физическая картина образования магнитной аномалии главного магнитного поля Земпи следующая. Магнитные силовые линии главного магнитного поля исходят из глубоких недр Земли ориентировочно под пряNBJM углом к поверхности Земли (по радиусу Земли). В однородном скальном массиве 7 магнитные силовые линии занимают первоначальное положение (фиг.1 -4). На границе 6 Скальные-рыхлые породы по законам преломления в виду различия е и ft пород магнитные силовые линии изменяют свой угол и проходят сквозь рыхлые породы, а при подходе к границе 5 Земля-воздух по этим же законам они опять изменяют свой угол и занимают положение 3 (фиг. 2 и 4). При встрече с физической неоднородностью, например с поверхностным обводненным карстом 8 (фиг. 2), магнитные силовые линии главного магнитного поля Земли претерпевают большее преломление (еаоды (полнителя 40 (воды .полнителй 1002) . В результате над поверхностью 8 магнитные силовые линии занимают положение 4 (фиг. 2). В зтом случае аномалия вертикальной составляющей была равна ВО-ЮОу. При профилировании спаренными рамками в них-возникают ЭДС, форма графиков которых Нс1Д участками без неоднородностей имеет вид 1 (фоновый, фиг. 2). Над обводненным поверхностным карстом график ЭДС принимает экстремальное значение 2 (фиг. 1). При дальнейшем перемицении устройства форма кривой ЭДС имеет прежний вид,. При профилировании участков, на которых имеются обводненные тектонические нарушения 11 (фиг. 4), форма кривой ЭДС изменяется. При подходе к тектоническим нарушениям форма кривой ЭДС имеет вид 9 (фиг. 3). Над тектоническим нарушением изменяется форма и размеры экстремальных значений кривой 10 ЭДС (фиг. 3) . Изменение экстремальных параметров ЭДС над тектоническими нарушениями вызвано двумя факторами: относительное смещение преломляющих границ (геометрическая неоднородность); наличие обводненных рыхталх пород заполнителя (физическая нейднородность). Аномсшии главного магнитного поля Земли в приводимом примере над обводненным тектоническим нарушением составляют 250-300 (по вертикальной составляющей). Способ предусматривает классификацию неоднородностей не только по форме кривой ЭДС, но и по величине самой ЭДС. Так, над обводненным -поверхностным карстом

экстремальное значение ЭДС составляет 5 мВ, а над обводненным тектоническим нарушением - больше 10 мВ (фиг. 1 и 3,).

Форма кривой ЭДС на фиг. 2 по сравнению с фиг. 1 отличается изрезанностью. Это объясняется сложным рельефом скальных пород, примыкающих к тектоническому нарушению.

Для распознания вида неоднородности на кривой ЭДС очевидно, что необходимо накопление опыта записи ЭДС на известных геологических разрезах. Необходима систематизация экстремальных значений ЭДС, характерных для определенного типа месторождений. После приобретения опыта расшифровки кривых ЭДС и их экстремсшьных значений осуществление способа не представляет затруднений.

Отличительными особенностями прелагаемого способа являются: резкое уменьшение трудозатрат, дешевизна, оперативность и надежность, возможность ocsaцecтвлeния практически круглый год и в сложных рельефных условиях местности.

СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ НЕОДНОРОДНОСТЕЙ Б ПРИПОВЕРХНОСТНОМ СЛОЕ ЗЕМЛИ, основанный на непрерывном измерении естественного переменного магнитного поля при помощи двух ор-тогональных рамок, отличающийся тем, что, с целью снижения трудоемкости и повышения эффективности обнаружения неоднорог:,ностей нерудной природы, например тектонических нарушений, карстов, скоплений подземных вод, измеряют постоянную часть естественного магнитного поля по профилям на высоте не более 0,5 м от поверхности Земли и по аномальным значениям регистрируе№К сигналов судят о наличии и местоположении неоднородностей. (Л со -а 1C ч гк,м