Способ геоэлектроразведки Советский патент 1993 года по МПК G01V3/08 

Изобретение относится к способам гео- злектрозондировзния и может быть использовано при поисках и разведке магнитных и проводящих руд, для определения мощности, а также глубины залегания сло-эв при структурно-геологическом картировании.

Целью изобретения является повышение производительности и точности зондирования геологической среды.

Указанная цель достигается путем последовательного перераспределения напряженности магнитного поля по глубине за счет изменения контролируемого электрического параметра - отношения (l2/h) или разности фаз (р) в системе двух возбуждающих рамок и оценки геологического строения по характеру изменений вторичного поля.

Возбуждение первичного магнитного поля проводят с помощью системы двух расположенных одна внутри другой рамок заданного размера, одинаковой формы и имеющих общий центр. Изменение электрического параметра 2/Н ил & вг.ьчет перераспределение напряженности магнитного поля по глубине.

Проведение зондирования геслогмче-- ской среды путем измерения вторичных полей одновременно изменяя от измерения к измерению отношение величин v- ,; сдвиг фаз токов & рзмках неизменных размеров, является отличием от прототипа, что обуславливает новизну предлагаемого решения.

Сущность любого способа зондирования заключается в изучении изменения вторичного поля при перераспределении первичного. Зондирования злектроразве- дойными способами делятся ма два вида: геометрические и индукционные. Геометрические зондирования заключаются в том, что перераспределение первичного поля осуществляют путем увеличения размеров установки (рамки, заземленной ли ими, расстояние между диполей). В индукционных зондированиях распределение поля зави ИЯЬВ

ю

VO

о

Ю О

сит от глубины проникновения (скин-слоя) и контролируется частотой электромагнитного поля.

Заявляемый способ является новым видом зондирований, в котором перераспределение первичного поля осуществляется за счет частичной компенсации поля большой рамки полем малой рамки. Степень компенсации поля большой рамки задается выбором величины отношения или разностью фаз токов в рамках. Пространственное перераспределение напряженности первичного поля приводит к изменению вторичного, причем характер изменения вторичного поля зависит от строения геологической среды. Магнитное поле на оси квадратной рамки определяется выражением, в основе которого лежит закон Био-Са- вара для линейного проводника с током:

Ј°J 4тг

2а

S i П (О t ,

(a2+Z2} 2a2+Z

О)

где Z - расстояние от центра рамки до точки вычисления поля; 2а - сторона квадратной рамки; I - ток в рамке; /л0 - магнитная проницаемость, равная 4я 10 Гн/м; со - 2Trf - круговая частота поля; f- частота электромагнитного поля; t - время.

Магнитное поле двух соосных квадратных рамок, по которым пропускают ток частотой f, определяется следующим выражением:

г + - °И a2 sin

(01

+

(aHz2)2a2+z2

Up Z3& Sin (uJt )

2n

()V2ag+Z2

(2)

где ai, И; а., 2 - размеры рамок и токи соответственно первой и второй рамок; р- разность фаз токов в первой и второй рамках; или вг (тч {ai sin 0)i

2л

(aUz2)V2a2+z2

(D

2 a% sin (O)t )

( & + Z2 ) V2 ai + Z2 /

Выражение (2jпоказывает, что зондирование можно осуществлять двумя способа0

5

0

5

г-

5

0

5

0

5

ми: изменением геометрических параметров системы (ai, 32) или путем изменения электрических параметров (, р. Изменение и тех, и других параметров влечет изменение пространственного распределения поля.

Из выражения (3) очевидным образом вытекает, что изменение значения 2/Н, или (р будет приводить к изменению пространственной структуры поля, поскольку характер изменения первого и второго члена а выражении при увеличении Z различен. Проведение серии измерений при различных значениях h/l2 или tp позволяет изучать вертикальное строение разреза.

В общем случае диапазон изменения I2/H и р выбирается из физико-геологических условий. Изменение параметра 12/И наиболее целесообразно осуществлять от нуля до значения, равного отношению линейных размеров рамок - 32/ai. В некоторых случаях способ эффективен и за пределами указанного диапазона. Изменение заданного значения отношения токов может осуществляться различными способами: H-const, la изменяют; И - изменяют. la-const; И и 12 - изменяют одновременно. Характер изменения (регулировки) силы тока может быть как ступенчатым, так и плавным и не играет принципиальной роли. Выбор способа изменения тока зависит от используемой аппаратуры - возможностей генератора тока, способа и разрешающей способности регистрации. Например, как в 43 изменение частоты первичного поля может проводится либо дискретно, либо непрерывно. Измерения вторичных полей, также как в методах нестационарных зондирований (ЗС, ЗМПП) могут проводиться либо дискретно, либо непрерывно весь переходный процесс, например с помощью осциллографирования. В случае дискретного изменения отношения токов, шаг измене- ния выбирают исходя из требуемой детальности исследований (подобно тому, как выбирают разносы в ВИЗ или ВЭЗ; временах задержек в ЗМПП; частоты в 43).

Возможный диапазон изменения р- от О до 180°. Регулировка так же как и l2/h может быть плавной или ступенчатой (дискретной). Регистрация вторичного поля также может проводиться дискретно либо непрерывно. Шаг дискретизации выбирают исходя из требуемой детальности изучения. Параметры изучаемой среды определяют по полученным зависимостям вторичного электромагнитного поля от изменения 12/И или р.

Проведенный анализ показывает, что признаки, отличающие заявляемый способ от прототипа не выявлены в других технических решениях. Поэтому авторы считают, что заявляемое техническое решение соответствует критерию существенные отличия.

На фиг. 1 показаны графики распределения напряженности магнитного поля по глубине при различных размерах рамок при зондировании способом-прототипом. Как видно из фиг. 1, изменение структуры магнитного поля выполняется за счет изменения размера генераторных рамок. Глубина расположения максимума напряженности магнитного поля возрастает по мере увеличения размеров рамок (причем на фиг. 1 отношение размеров малой и большой рамок составляет 0,5). На фиг. 2 показаны гра- фики изменения магнитного поля с глубиной. Кривая 4 отображает магнитное поле большой рамки, а кривые 1,2,3 - поля малых рамок с различным значением тока, противоположно направленному току большой рамки. Кривая 1 соответствует току,

32

равному 12 И

31

Суммарное действие полей большой и малой рамок, показанных на фиг. 2, приводит к представленному на фиг. 3 распределению поля по глубине. Графики на фиг. 3 иллюстрируют распределение напряженности магнитного поля по глубине при различных значениях контролируемого параметра (h/l2 или р). Кривая 1 соответствует распре39

делению поля при l2/h -(способ-прото31

тип) или при (р 180°. Кривая 7 описывает поле, создаваемое одной большой рамкой. Графики 2-6 отображают структуру поля при различных значениях I2/H. Семейство графиков на фиг. 3 показывает, что изменение параметра I2/H или р приводит к тому, что структура поля изменяется, причем в ряде случаев максимум его напряженности контролируемым образом перемещается по вертикали. В отличие от способа, распределение полей которого представлено на фиг. 1 в заявляемом способе изменение структуры поля происходит не за счет увеличения размера рамок, а вследствие изменения электрического контролируемого параметра системы (при неизменных размерах рамок).

На фиг. 4 представлены графики изменения магнитного поля на некоторой глубине (эти глубины соответствуют отметкам Н1-Н5 на фиг, 3) в зависимости от величины (12/11 или р). Фиг. 4 показывает, что характер изменения намагничивающего поля на различной глубине при изменении контролируемого задаваемого параметра различен. Это свидетельствует о принципиальной

возможности осуществлять зондирование заявляемым способом, а также утверждать, что проводящие или магнитные объекты, расположенные на различной глубине будут иметь различную пространственную струк0 туру вторичного поля.

На фиг. 5 представлены результаты математического моделирования вторичных полей, создаваемых находящимся в немагнитной среде магнитным шаром. Глубины

5 до центра шара выбирались равными значениям Н1-Н5 (см. фиг. 3,4). Первичное магнитное поле создавалось системой двух рамок с противоположно направленными токами, причем вертикальная ось симмет0 рии рамок проходила через центр шара. Вертикальная составляющая вторичного магнитного поля Bz рассчитывалась в точке, расположенной в центре рамок. Расчеты проводились при различных значениях

5 I2/11. Для сравнения формы графиков величины Bzi нормировались на значения Bz , соответствующих тому случаю, когда ток протекает только в большой рамке. Для оценки характера изменения вторичного

0 поля построены графики зависимости отношения Bzi2/Bz7 от величины I2/H. Представленные на фиг. 5 результаты свидетельствуют о существенной зависимости формы графиков BzfYBz r от глубины

5 залегания шара: чем глубже шар, тем более пологим является график BZI .

Для практической реализации способа с изменением la/h можно использовать стандартную аппаратуру. Схема расположе0 ния установки в этом случае показана на фиг. 8. На фиг. 6 показаны основные блоки устройства возбуждающего, отличающиеся по фазе, электромагнитные по/,... С помощью этого устройства можно реализо5 вать заявляемый способ с изменением разности фаз. Устройство включает: генератор тактовых импульсов 1; устройство временного сдвига (таймер) 2; выходные усилительные каскады 5,6 малой и большой

0 8.7 рамок. Устройство работает следующим образом: генератор 1 вырабатывает тактовые импульсы, таймер 2 сдвигает импульс, управляющий током в малой рамке на заданный промежуток времени At. С помощью

5 триггеров 3,4 формируются импульсы напряжения, которые усиливаются выходными каскадами 5.6 и подаются нз зажимы большой 7 и малой 8 рамок. Таким образом, токи в рамках возбуждают переменные магнитные поля с заданным сдвигом фаз.

На фиг. 7 показаны схемы установок

зондирований по базовому способу - ВИЗ (а) и по заявляемому (б). При выполнении ВИЗ необходимо раскладывать на местности набор рамок различного размера 1-6 (см. фиг. 7а) и, последовательно подключая каждую из рамок к генератору тока 9, проводить изменения вторичных полей с помощью магнитоиндукционного датчика и измерителя 7.

Для реализации заявляемого способа путем изменения la/h необходимо располагать всего две генераторные рамки 10, 11, которые встречно-параллельно подключены к генератору тока 9. В цепь одной из рамок (лучше малой) дополнительно включают переменный резистор 12, регулируя который, изменяют его сопротивление и задают необходимое соотношение токов в рамках. Измерения вторичных полей проводят с помощью датчика и измерителя 7 для различных значений отношений токов.

На фиг. 8 показаны результаты расчета кривых зондирования, полученных как способом ВИЗ, так и заявляемым для двухслойной среды (фиг. 8а). Для осуществления зондирований по способу ВИЗ необходимо провести измерения с рамками как минимум девяти размеров: 5, 10, 20, 50, 80, 150, 300, 600, 1000 м. Для выполнения зондирований предлагаемым способом достаточно двух рамок размерами 100 и 50 м. На фиг. 86 показаны кривые зависимости Bz от стороны петли а для разрезов с магнитным основанием и мощностью первого слоя 20 м и 50 м. На фиг. 8в для тех же моделей представлены графики зависимости BZ от la/h. Как видно из результатов моделирования, разрешающая способность заявляемого способа не хуже, чем у ВИЗ (при значительно меньших трудозатратах).

На фиг. 9 представлены результаты полевых исследований на одном из магнетито- вых месторождений Ангарской железнорудной провинции Восточной Сибири. На фиг. 9а показан график Bz2, полученный при возбуждении первичного электромагнитного поля с помощью одной рамки (метод незаземленной петли НП). Выделена аномалия с двумя максимумами, которые соответствуют двум магнетитовым пластам, залегающим втолщах песчано-гли- нистых пород и перекрыты песчано-гравий- ными отложениями. По форме и амплитуде аномалии невозможно надежно оценить вертикальный размах оруденения. Проведение в точках 1 и 2 профиля зондирований по первому варианту заявляемого способа с показанной на фиг. 76 установкой (а м, м) позволило получить характерные

зависимости вторичного поля Bz от 12/Н (фиг. 96). Анализ этих зависимостей позволяет прийти к выводу о том, что глубина распространения пластз 1 (кривая 1) больше, чем пласта 2 (кривая 2), з также оценить эти глубины. Полученные оценки подтверждены последующими горнобуровыми работами.

На фиг. 10 приведены эпюры токов, а

0 также первичного и вторичного полей для зондирований, результаты которых представлены на фиг. 9. Ток в цепи малой рамки (график 2 на фиг. 10а) изменяли ступенчато путем соответствующих изменений сопро5 тивления (фиг, 76) и соответственно токов в большой (график 1 на фиг. 10а). График. 3 (фиг. 106) демонстрирует характер изменения отношения токов (размеры рамок при этом не менялись и их отношение равнялось

0 0,5). Напряженность первичного магнитного поля на поверхности земли изменялась пропорционально 12/И (график 4 на фиг. 10в). Изменение пространственной структуры первичного магнитного поля влекло за

5 собой изменение вторичных полей Bz2. Графики 5 и 6 (фиг. Юг) иллюстрируют изменение Bz в точках 1 и 2 соответственно (см, фиг, 9а). Измерения Bz2 проводились дискретно. Использовалась серийная аппарату0 ра АНЧ-3 и разработанный авторами магнитоиндуционный датчик.

Конкретная реализация способа включает в себя следующие операции: раскладку на местности проводов в виде двух располо5 женных одна внутри другой малой и большой квадратных рамок (фиг. 75); возбуждение первичного магнитного поля путем пропускания через рамки TOKOS противоположного направления (например, как

0 показано на фиг. 76); задание величины отношения l2/li (например, путем изменения сопротивления резистора) и изменение Bz2 в центре рамок; задание следующего значения I2/H и повторение измерений Bz2 к т.д.

5 до тех пор, пока не будут проведены измерения Bz для всего выбранного диапазона l2/h; построение графиков зависимости от l2/Ui и оценка распределения магнитных свойств разреза по глубине. Размеры рамок

0 и их соотношения, шаг изменения la/h выбирают исходя из требуемой глубины и детальности зондирований.

При реализации заявляемого способа повышается точность зондирований. Точ5 ность способа зависит от точности регистрации изменяемого параметра и измеряемого электромагнитного поля. В качестве параметра, изменяющего распределение электромагнитного поля, в прототипе служит размер рамки: в заявляемом способе отношение токов 12/И или разность фаз токов р. При равной, достаточно высокой точности измерения электромагнитного поля, точность изменяемого параметра в заявляемом способе значительно выше, чем в прототипе, поскольку электрические параметры системы 12, И, f, с помощью электронной аппаратуры определяются точнее, чем осуществляется топогеодезическая привязка рамок, размещаемых на местности, при выполнении зондирований, описанных в прототипе. Погрешность привязки расположения рамок на точность измерений в заявляемом способе практически не влияет, поскольку при выполнении повторных из- мерений при других значениях электрических параметров, размеры рамок не меняются,

И, наконец, контролируемое изменение пространственной структуры магнитного поля за счет изменения параметра I2/H или (р в системе позволяет зондировать разрез без изменения размеров рамок. Это значительно повышает технологичность способа, его производительность, а также снижает вредное воздействие на природную среду электроразведочных работ. Для иллюстрации можно сравнить общую длину просек и проводов, необходимых для выполнения работ методами ВИЗ и заявляемым способом (см. фиг. 8). Для проведения ВИЗ квадратными рамками необходимо подготовить трассы и разложить провода общей протяженностью 8,56 км (9 рамок размерами от 5 до 1000 м). Дня заявляемого способа необходимо всего 0,8 км трасс (2 рамки со сторонами 50 и 1000 м), что на порядок меньше чем при постановке ВИЗ. В случае проведения работ в заселенной местности это обеспечивает десятикратное снижение порубок деревьев и кустарников. Сокращение материальных затрат (провода), а также затрачиваемого на раскладку проводов труда способствует увеличению производительности электроразведочных работ. Формула изобретения Способ геоэлектроразведки, при котором возбуждают первичное электромагнитное поле, пропуская по двум расположенным одна вдругой рамкам переменных или постоянных токов противоположного направления, измеряют вторичное электромагнитное поле, по которому судят о параметрах изучаемой среды, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и производительности, пропускают по двум расположенным одна в другой рамкам токи противоположного направления, одновременно изменяя от измерения к измерению отношение силы тока в рамках или разность фаз токов в рамках, определяют зависимости вторичного электромагнитного поля от изменения указанных отношения или разности фаз и судят о параметрах изучаемой среды по найденным зависимостям.

Использование: в области геозлектро- разведки при поиске и разведке магнитных и проводящих руд. Сущность изобретения: проводят циклические измерения вторичных полей при изменении электрического параметра в системе возбуждающих рамок. Контрольными параметрами являются значения силы тока и сдвиг фаз токов большой и малой рамок, 10 ил.

Ви отн ЕД.)

Фнг.1

Фиг. 2

Hi Ц о S Способ

ВОЗ 5УЖДЕН а

Фиг.Н

i(OTH.EA.) j-#

с

сг. отк.ел

05

i ii

i 2. 3 Ч S 6 г Cuocos

Боь5у«сдениа

wr.5

9wr.6

f

TwTf

нь

HH

H5

-8

ся

k

оз го

iD

о

NJ О

k w

Г fl

00

2fN

К

«Л О JK

1

A

T

Ј

Oi

од

0

&

ЛИ&

M

n

Ъггз

Фиг. 10

t

-

...,