Способ геоэлектроразведки Советский патент 1985 года по МПК G01V3/06 

Изобретение относится к геофизи ческой разведке с применением ис: кусственных переменных электромагнитных полей и может быть испол зовано при поисках и разведке поле ных ископаемых, при инженерно-геологических изысканиях под строительство, при гидрогеологических и мелиоративных изысканиях. Известны способы геоэлектроразведки, основанные на измерении эле |Трических и магнитных составляющих поля магнитного диполя, определени по этим составляющим мощности и со тивления слоев геоэлектрического р реза и выделении по полученным данным геологических неоднороднос-тей 1 . Недостатком этих способов является низкая точность определения параметров реальных геоэлектрических разрезов, обусловленная тем, что известны функциональные зависимости между составляющими поля и электрическими свойствами среды только для простого строения послед ней (однородная изотропная или горизонтально-слоистая изотропная), а электрические свойства реальной среды неоднородны во всех направлениях. Строение среды, содержащей неоднородности, определяют по этим способам с использованием результа. тов моделирования, что также не обеспечивает точности, так как нево можно добиться полного соответствия модели реальной среде. Наиболее близким к предлагаемому является способ поиска и разведки п лезных ископаемых, заключающийся в определении мощности и сопротивлений слоев нормального геоэлектричес кого разреза, суммарных значений нормальной и аномальной частей сопротивления в каждой точке вмещающей среды, сравнении этих сопротивлений, определений путем нахождения разности между ними, аномальных значений, по которым выделяют геологическую неоднородность 2. Недостатками этого способа являются большая трудоемкость, обусловленная применением двух геофизических методов, и низкая точность определения нормальной части сопротивления, вызванная тем, что в каждой точке этот параметр рассчитывае ся. При расчете распространяют опре деленные на периферийной части участка параметры нормального геоэлектрического разреза на весь участок, предполагая горизонтальную однородность среды периферийной части участка, но не подтверждая ее никакими исследованиями. Рассматриваемый способ не обеспечивает точности оконтуривания аномальных зон сложной конфигурации ввиду отсутствия сведений о направлении границ этих зон и требует обеспечения гальванического контакта с исследуемой средой. Цель изобретения - повьппение точности определения границ неоднородности, сокращение затрат времени на проведение геофизических работ и снижение их стоимости. Поставленная цель достигается тем, что согласно способу поиска и разведки полезных ископаемых, содержащему операции определения мощности и сопротивлений слоев нормального геоэлектрического разреза, суммарных значений нормальной и аномальной частей сопротивления в каждой точке вмещающей среды, сравнения этих сопротивлений, -определения путем нахождения разности между ними аномальных значений, по которым выделяют геологическую неоднородность, предварительно определяют направление оси однородности среды в каждой точке вмещающей среды. чего на нее воздействуют искусственным переменным электромагнитньт полем частотой в пределах 5 Гц 5 МГц без гальванического контакта со средой и определяют мощности и сопротивления слоев нормального геоэлектрического разреза в каждой точке, для чего задают направление поляризации поля совпадающим с направлением оси однородности среды, суммарные значения нормальной и аномальной частей сопротивления определяют, задав направление поляризации поля под углом к оси однородности, а о направлении границ геологической неоднородности судят по направлению осей однородности среды. Сущность способа заключается в следующем. Для магнитных составляющих поля гармонического магнитного диполя, расположенного на поверхности среды, с произвольньм распределением электрических сопротивлений имеет место равенство вида , .y.z где Н - наблюдаемое значение магнитной составляющей поля; . 2 - нормальная часть магнит ной составляющей поля, зависящая только от рас пределения сопротивлени по вертикальной оси , аномальная часть магнит ной составляющей, зависящая от неоднородности горизонтального распределения сопротивления; индекс, указывающий сос тавляющую вектора элект магнитного поля в прямо угольной системе коорди нат. При рассмотрении конкретной составляющей С заменяют на х, у или соответственно осям координат. Вертикальная магнитная составляющая поля горизонтального магнитного диполя на линии, перпендикулярной его оси, над однородной или горизонтально-слоистой изотропной средой равна 0. Для среды, сопротиа ление которой изменяется по вертикальной и одной из горизонтальной осей, указанная составляющая равна .нулю только при параллельности оси диполя и оси однородности среды (линии, вдоль которой сопротивление не изменяется) и отличается от нуля при других ориентациях оси диполя относительно оси однородности. Из зтого следует, что рассмотренная сое тавляющая содержит только аномальную часть, т.е. является аномальной составляющей. Полярная диаграмма аномальной составляющей имеет вид симметричной двухлепестковой кривой. Такой же вид имеют полярные диаграммы других аномальных частей составляющих, кроме горизонтальной составляющей, которая перпендикулярна оси диполя. Полярная диаграмма ее аномальной части имеет вид четырехлепестковой симметричной кривой. Электрическое сопротивление реаль ной среды в большинстве случаев изменяется по обеим горизонтальным осям. Но для среды, содержащей неоднородность, имеет место преобладание изменения сопротивления в направлении, перпендикулярном границе неоднородности. Рассматривая ограниченную область среды в окрестностях точки исследования, можно выделить направление, в котором сопротивление изменяется незначительно, и считать его направлением оси однородности среды. Рассмотренный характер зависимости аномальной магнитной составляющей и аномальных частей магнитных составляющих поля горизонтального магнитного диполя от взаимной ориентации поляризации поля, совпадающей с осью генераторного горизонтального диполя, и направления оси однородности среды, позволяет определить её направление и, зная его, раздельно измерить нормальные части и суммарные значения нормальных и аномальных частей составляющих поля посредством установки дипольных частотных электромагнитных зондирований. Для определения направления оси однородности ориентируют генераторный диполь установки горизонтально, а приемный - вертикально, размещают его на линии, перпендикулярной оси генераторного диполя на одинаковой с ним высоте над средой,и, вращая установку в горизонтальной плоскости, находят положение, в котором принимаемый сигнал минимален. В таком положении установки поляризация поля совпадает с осью однородности среды и при этой поляризации измеряют нормальные части магнитных составляю1ЦИХ поля горизонтального диполя.. Если используют установку с вертикальным генераторным диполем, то для измерения нормальных частей составляющих с направлением оси однородности среды должна совпадать ось установки - линия, соединяющая генераторный и приемньш диполи. Это обусловлено тем, что поле установки с вертикальным магнитным диполем в горизонтальной плоскости поляризовано в направлении оси установки, так как поле вертикального диполя. имеет две магнитные .составляющие: вертикальную и радиальную, а последняя совпадает с осью установки. Суммарные значения нормальной и аномальной частей составляющих поля магнитного диполя измеряют, задав поляризацию поля, при которой аномальные части магнитных составляющих достигают максимального значения. Для этого ось горизонтального генераторного диполя ориентируют перпендикулярно оси однородности, а если используют установку с вертикальным генераторнмм диполем, то перпендикулярно оси однородности ориентируют ось установки При измерении суммарного значения горизонтальной составляющей горизон тального диполя, которая перпендику лярна его оси, генераторный диполь необходимо повернуть на угол 45° относительно его положения при изме нии нормальных частей. Перечисленные операции повторяют на каждой ра бочей частоте установки. По измеренным нормальным частям и суммарным значениям .нормальной и аномальной частей составляющих вектора электромагнитного поля определяют величины нормальных частей и суммарных значений сопротивления среды. Используя величины нормальны частей сопротивления, строят зависимости электрическогосопротивлени от частоты поля, определяют мощности, число и сопротивление слоев нор мальнаго электрического разреза. Находят разницу между суммарными значениями нормальной и аномальной частей и аномальной частью сопротив ления, являющуюся аномальной частью и по ней определяют неоднородность. При определении положения границ неоднородности учитывают то, что он совпадают с направлением осей однородности среды. На фиг.1 приведены полярные диаграммы аномальной составляющей поля на фиг. 2 - карта участка, на котором проводились испытания предлагае го способа. На карте показаны профи ли (ПР1-ПР8); штрихпунктирной линие показаны границы переуглубления, штриховой - границы неоднородности, найденные разведкой по известному способу, сплошной линией - границы неоднородности, найденные по предла гаемому способу. Отрезками прямой со стрелками на концах показаны :направления осей однородности. С обеих сторон линии профиля против точек съемки нанесены числа. Числа с левой стороны линии профиля оарны значениям нормальных частей сопротивления, а числа с правой стороны линии - значениям аномальных частей сопротивления; на фиг. 3 приведены теоретические и эксперименталь ные графики зависимости кажущегося сопротивления двухслойной среды от частоты поля. Участок, где проводились испытания, содержит преуглубления в слое глин. За пределами переуглубления верхний слой участка мощностью 1,5 2 м сложен песками, ниже находится слой глин мощностью 12 - 15 м, еще. ниже - трещиноватые известняки. Электрические сопротивления песков 80-150 OMVM, глин 10 - 20 Ом-м, трещиноватых известняков 300-400 Ом-м. Переуглубление заполнено песками, мощность слоя песков достигает 10 м. В пределах переуглубления имеется зона маловлажных песков..Существование этой зоны обусловлено повьшенной водопроницаемостью глин, подстилающих пески,и оттоком грунтовых вод в залегающие ниже трещиноватые известняки. Разведка по предлагаемому способу проводилась с помощью электроразведочной станции НЧЗ-64. В комплект станции НЧЗ-64 в качестве магнитных диполей входили незазенпенные петли большого диаметра, с помощью которых возможно возбуждение и измерение только вертикально поляризованного магнитного поля. Для возбуждения и измерения магнитного поля другой поляризации были изготовлены и согласованы с генераторным и измерительным блоками станции рамочные антенны. Разнос между генераторным и измерительным блоками приняли равным 50 м исходя из того, что наибольшая глубина исследований требовалась около 15 м, так как нижняя граница неоднородности в виде зоны малов.пажных песков находилась на глубине не более 10 м, а величину разноса установки частотных зондирований обычно принимают равной 3-5 глубинам исследований. Диапазон частот для частотных зондирований был принят 0,1-10 кГц. Измерения проводили в точках, расположенных через 20 м на профилях разбитых параллельно один другому на расстоянии 50 м вкрест простирания переуглублсния. В каждой точке переуглубления измерений определяли направление оси однородности

массива и измеряли нормальные части и суммарные значения составляю цих вектора магнитного поля. Направления осей однородности были определены следующим образом: ось установки s располагали вдоль азимутов О, 45, 90, 135 и 180 таким образом что середина разноса совпадала с точкой съемки на профиле. Плоскость витков генераторной рамки ориентировали верти- 1р кально и таким образом, что ее ось была перпендикулярна оси установки, а плоскость витков приемной антенны ориентировали горизонтально. Снимали показания стрелочного прибора 15 измерительного блока при расположении установки вдоль каждого из азимутов и по этим результатам строили полярную диаграмму. Полярные диаграммы (фиг. 1) строили на осях 20 проходящих через одну точку (центр диаграммы) под углами 45° одна к другой. На осях откладывали в обе стороны от центра диаграммы показания стрелочного прибора измери- 25 тельного блока, причем на оси диаграммы, соответствующей азимуту О , откладывали показания прибора, снятые при азимуте 90 ; на оси, соответствующей азимуту 45°, откла- зо дывали показания, снятые при азимуте 135°, и так далее. Найденные точ ки на осях соединяли прямыми линиями и получали полярную диаграмму. Ось однородности массива совпадает ,. с осью диаграммы, проходящей через ее минимумы. Приведенные на фиг. 1 полярные диаграммы сняли в разных . точках исследуемого участка. Диаграммы 1 а, 15 сняты в границе не- Q однородности (зоны маловлажных песков) в точках А и 6 соответственно (фиг. 2), а диагра -1мы фиг. 12 сняты за пределами неоднородности в точках В и Г (Лиг. 2). Линиями j О-о на приведенных диаграммах обозначены профили, а линиями N- N оси однородности. .

Определив направление оси однородности, установку ориентировали , 50 таким образом, что ее ось была параллельной оси однородности массива. Плоскость витков генераторной рамки располагали горизонтально и измеряли вертикальную Я2 и радиальную Нр 55 составляющие вектора магнитного поля. При измерении Н плоскость витков приемной рамки 11асполагалась

горизонтально, а при измерении Hf, вертикально и перпендикулярно оси установки.

Н j и HP измеряли в заданном Диапазоне частот, изменяя частоту генератора ступенчато, соседние частоты отличались в 42 раз. По отношению Z/U , измеренному на каждой частоте, определяли кажущиеся сопротивления массива, являющиеся нормальной частью сопротивления.

Для определения суммарных значений величины электрического сопротиления установку поворачивали в горизонтальной плоскости на 90 и на частоте генератора 10 кГц проводили аналогичные измерения и расчеты.

Найдя разницу между суммарными значениями и. нормальными частями сопротивлений, которые были определены по результатам измерений на частоте 10 кГц, получили аномальные значения сопротивлений. Определение аномальных частей электрического сопротивления по результата измерений на частоте 10 кГц производилось потому, что на этой частоте и при сопротивлениях песков 80-150 ОмМ глубинность установки составила 10-15 м. Эта глубинность обеспечивала уверенное обнаружение неоднородности, находящейся в верхнем слое мощностью до 10м.

Используя величины нормальных чатей сопротивления, строили графики зависимости кажущегося электрического сопротивления от аргумента 1/-JTгде i - частота поля.

Интерпретация результатов зондирований осуществлялась с использованием палеток

pw/p.--F(,/hO,

где P(J - кажущееся сопротивление

на переменном токе , Р( - сопротивление первого слоя I - длина волны в первом слое , Ь| - мощность первого слоя. Кроме указанных в обозначении палеток использованы термины: р сопротивление второго слоя; г разнос между генераторным и измерительным блоками.

Палетки бьши построены для кажущегося сопротивления ..о , опредеI 1 / ленного по отношению ,НрПа ф1тг. За привелен 1 палетки для r/h, Р. -.,f)-,j, 1/8 u -i 47, 9 pj/p, 1/8. На фиг, 3S приведены экспериментальные кривые 1 и fl, снятые соответственно в точках Д и профиля 1 (фиг. 2). По левой асимп те кривой I нашли сопрртивлёние пе вого слоя PI 100 Ом-м, а по отно j , -, шению /Ь( нашли мощность первого слоя hi - 4,А м. По отношению рз//5 нашли р 25 Ом-м. В точке Е h 8,8 м 150 ОмМ, 19 ОмМ. Аналогично бьти определены сопротивления слоев и мощность первого слоя в остальных точках. По этим результатам на карту уч стка нанесли границы переуглублени которые на фиг.2 обозначены штр-ихпунктирной линией, считая, что в п делах переуглубления мощность перв слоя превышает 2м. Границы неоднородности, представ ляющей собой зону маловлажных; песков, были нанесены по повьшенным з ниям аномальных и нормальных часте сопротивлений. При интерпретации , результатов электроразведочных работ принято считать реальной анома лию, интенсивность которой не мене трехкратной величины средней погрешности съемки. В пределах переуглубления значения нормальных частей сопротивления составляет 130150 Омм, аномальных частей сопротивления - 10-15 ОмМ. Средняя погрешность определения нормальных и аномальных частей сопротивления составили около 10 . С учетом всего этого границынеоднородности были проведены через точки, в которых величины нормальных частей сопротивлений составили 180 Ом-м. а аномальных частей - 50 Ом-м. Использование дополнительных све дений о положении границы неоднородности - направления оси однородности. полученного при разведке по предлагаемому способу, позволило уточнить границы неоднородности без увеличения объема полевых работ. Северная граница неоднородности, найденная по известному способу, показана штриховой линией. Направление осей однородностей горного массива, найденное по пред68лагаемому способу, в точках а , Ь , С,а , е профилей 4 и 6 совпало с направлением профилей. На основании этого был сделан вывод, что северная граница неоднородности вблизи указанных точек профилей 4 и 6 проходит параллельно им, но точки 0|, Ь , С, сЗ,е находятся за пределами неоднородности, так как нормальные части сопротивлений в этих точках ниже, чем внутри зоны. На основании приведенных факт.ов на карту участка бьта нанесена граница неоднородности, показанная на фиг. 2 сплошной линией. После обработки результатов разведки по предлагаемому способу были пробурены скважины 1 и 2 (фиг. 2) которыми были вскрыты маловлажные . пески, т.е. была подтверждена правильность изложенных вьш1е выводов относительно северной границы неоднородности. Затраты времени на разведку описанного участка, который содержал 120 точек съемки, по предлагаемому способу составили 76 ч, по известному способу - 160 ч. Сокращение затрат времени получено за счет использования в предлагаемом способе одного метода геофизической разведки - частотных электромагнитных зондирований,а снижение стоимости геофизических работ - за счет меньших капитальных вложений по предлагаемому способу. Применение предлагаемого способа позволит в два раза сократить затраты времени на проведение геофизических работ и более чем з два раза снизить их стоимость. Предлагаемьй способ обеспечивает большую, по сравнению с известным.точность определения границ геологической неоднородности благодаря получению дополнительной информации о распределении электрических свойств горного массива - направлений осей однородности, а также.благодаря тому, что направление осей однородности и аномальные части сопротивлений определяют во всем заданном диапазоне частот, т.е. на разных глубинах.

а

О

о

О

со ,1 t,l «Oil т J 5.l T i T S V у у . f . sT Ч -V «5) / /i 1 // Vc. / f /c:i

«NJ

tvi c.i y y 1 Icbi 55, bt .-Ъ 4 § § t f y V t , c:. Sjf yW ЙГ §7 s 1 t f 1 t 1 1 &f Ы у у Pis 1 lej Ж 5 g j j j /i 1 i i 1 Т i l§ i& &; &

i -f/e

СПОСОБ ГЕОЭЛЕКТРОРАЗВЕДКИ, заключающийся в определении мощности и сопротивлений слоев нормального геоэлектрического разреза, суммарных значений нормальной и аномальной частей сопротивления в каждой точке вмещающей среды, сравнении этих сопротивлений, определении путем нахождения разности между ними аномальных значений, по которым выделяют геологическую неоднородность, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности вьщеления геологических неоднородностей, предварительно путем воздействия искусственным переменном электромагнитным полем на вмещакщую среду определяют направление оси однородности среды в каждой точке вмещающей среды, задают направление поляризации электромагнитного поля совпадающим с осью однородности среды, и определяют мощности и сопротивления слоев нормального геоэлектрического разреза в каждой точке, (Л задают направление поляризации поля под углом к оси однородности среды и определяют суммарные значения нормальной и аномальной частей со противления, а о направлении гра- ниц геологической неоднородности судят по направлению осей однород4 4 ности среды. О о: 00

1,0 Ifl 4.0 6,08.010,0 Wfl Ofl Xf/hf

a