Лекция 10.Электроразведка
3.6 Методы переменных электромагнитных полей
Теоретические основы. В электроразведке на переменном токе изучают
гармонические и нестационарные электромагнитные поля.
Переменный ток - это ток, который меняется по величине и направлению в течение
какого-то промежутка времени. Он так же, как и постоянный ток, создает электрическое
поле, характеризующееся переменными параметрами (напряженность Е, плотность j,
разность потенциалов ΔU и др.), и магнитное поле (магнитная индукция В, напряженность
магнитного поля H). Под гармоническим понимают такое поле, все параметры которого
изменяются во времени по закону косинуса или синуса:
E=E0cos(φt+φE)
(3.25)
где Е0 - амплитудное значение напряженности поля; φ - угловая частота или число
периодов в 2π с; φE - начальная фаза в момент времени t=0; t - текущая координата времени.
Аналогичные выражения можно записать для j, Н, В.
Переменные электромагнитные поля в электроразведке создаются гальваническими и
индуктивным способами, как и в методах на постоянном токе. Однако по сравнению с
методами на постоянном токе при гальваническом способе возбуждения имеются
существенные отличия. В этом случае переменное магнитное поле тока в линии АВ
индуцирует в земле вторичный ток, и в толще пород возникает сложное поле, являющееся
результатом наложения токов, созданных в земле и гальваническим, и индуктивным
способами.
При индуктивном способе в качестве питающей линии применяют одновитковую или
многовитковую рамку либо раскладывают большой контур-петлю на земле. Пропускаемый
через них ток своим переменным магнитным полем индуцирует в толще пород вторичный
электрический ток. В радиоволновых методах замкнутую рамку заменяют открытым
контуром - излучающей антенной.
Характерной особенностью переменного тока является то, что он создает переменное
магнитное поле, которое в свою очередь создает вторичное (индуцированное) электрическое
поле. Таким образом, возникает сложное электромагнитное поле. Вторичное и первичное
поля существуют одновременно, и при измерениях изучается геометрическая сумма этих
полей. Переменное вторичное магнитное поле и вторичное электрическое поле отстают по
фазе от первичных.
В поле переменного тока сопротивление проводников возрастает при увеличении
частоты тока, так как проводники, кроме омического, обладают еще индуктивным
сопротивлением. С увеличением частоты тока, индуцированные токи распространяются по
поверхности проводника, а это равносильно уменьшению сечения проводника или
увеличению его омического сопротивления.
Еще одна особенность поля переменного тока заключается в его быстром убывании
по мере удаления от источника тока. Это объясняется способностью проводящей среды
поглощать часть энергии электромагнитного поля, причем эта энергия превращается в
тепловую. Коэффициент поглощения увеличивается с увеличением электропроводности
среды и частоты тока.
Таким образом, глубина проникновения переменных токов зависит не только от
длины линии АВ, но и от частоты тока и электропроводности горных пород. Чем выше
частота тока и электропроводность пород, тем меньше глубина проникновения.
Электромагнитное поле в каждой точке характеризуется напряженностью
электрического поля Е и магнитного поля Н.
Для измерения напряженности электрического поля Е применяют, как и в методах
постоянного поля, приемную линию МN, состоящую из электродов, вбитых в землю, и
измерительного устройства (например, микровольтметра). Измеренная разность
потенциалов, отнесенная к разносу МN, дает приближенное значение напряженности поля Е
в центре отрезка МN.
Величину напряженности магнитного поля Н измеряют индуктивным способом с
помощью приемных рамок. Чем больше размер тела и выше его электропроводность, тем
значительнее напряженность магнитного поля Н по сравнению с нормальным полем.
Индуктивные способы создания и измерения электромагнитных полей в электроразведке
имеют принципиальные преимущества, позволяющие не только расширять область приме
нения методов, но и обходиться без заземлений, что очень важно при работе зимой, а также в
горных районах на каменных осыпях и обнажениях.
3.6.1 Магнитотеллурические методы
Мощные потоки заряженных частиц, направляющиеся от Солнца к Земле, вызывают
разрушение атомов и молекул газов ионосферы Земли, и за счет этого возникают токовые
вихри, под воздействием которых в земной коре и мантии наводится естественное
электромагнитное поле, называемое магнитотеллурическим. Оно состоит из суммы полей
магнитной составляющей Н и электрической составляющей Е. Последнее получило название
теллурического поля. В результате изучения особенностей его изменения во времени возник
метод теллурических токов (МТТ).
Одновременное изучение электрической и магнитной составляющих поля привело к
созданию методов магнитотеллурического зондирования (МТЗ) и профилирования (МТП), а
также комбинированного магнитотеллурического профилирования, объединяющего методы
МТП и МТТ.
Магнитотеллурическое поле, имея очень низкую частоту, проникает в глубь Земли на
десятки и сотни километров, поэтому методы ТТ являются самыми глубинными.
Существование теллурических токов в земле можно обнаружить с помощью
двухэлектродной установки МN, подключенной к измерительному прибору. Величина
отклонения стрелки будет соответствовать составляющей напряженности поля ТТ в данный
момент времени по направлению приемной линии. Векторы Е и Н меняются со временем в
данном пункте не только по величине, но и по направлению. Зависимость
магнитотеллурического поля от времени имеет очень сложный характер. Изменение
теллурических токов во времени называется вариациями поля теллурических токов.
Вариации можно разделить на периодические и непериодические.
Периодические вариации характеризуются более или менее устойчивыми периодами
и подразделяются на длиннопериодные, короткопериодные и среднепериодные.
Длиннопериодные вариации (бухта) имеют период до нескольких часов и представляют
собой одиночные импульсы. Их изучают при глубинных исследованиях. Короткопериодные
вариации, или высокочастотные, характеризуются периодом от десятых до тысячных долей
секунды. Среднепериодные вариации имеют период от нескольких секунд до нескольких
десятков секунд.
По степени устойчивости их делят на две группы: устойчивые и неустойчивые (цуги).
Устойчивые вариации продолжаются без перерыва в течение нескольких часов (5-8ч) и
характеризуются плавными незакономерными изменениями видимых амплитуд и периодов.
Чаще всего наблюдаются устойчивые вариации с периодом 15-60с в утренние и дневные
часы. Интенсивность их летом в 2 раза выше, чем зимой, и возрастает с повышением
солнечной активности и изменением широты пунктов наблюдения.
Неустойчивые вариации (цуги) - это отдельные серии импульсов, разделенные
длительными перерывами (40-80с), наблюдаются в основном в вечерние и ночные часы.
Наиболее интересной с практической точки зрения является зависимость
среднепериодной вариации от электрических свойств верхних слоев земной коры.
Амплитуда среднепериодных вариаций колеблется от 3-10мВ/км в районах с неглубоким
залеганием фундамента и до 0,5-1мВ/км в районах с мощной проводящей толщей,
перекрывающей породы фундамента.
Если в пределах небольшого участка горные породы залегают горизонтально и
сопротивление их одинаковое, то поле ТТ на этом участке в данный момент времени
сохраняет одинаковую величину и направление. Если же в районе меняется электрический
разрез, то в одно и то же время в различных пунктах поле ТТ различно. Эти изменения
называются аномалиями ТТ, так как они связаны с геологическим строением исследуемого
района. Изучение поля ТТ позволяет устанавливать основные черты геологического
строения района.
Аппаратура для измерения поля ТТ представлена магнитотеллурическими
лабораториями с аналоговой (МТЛ-71) и цифровой (ЦЭС-2) записью. В комплект
лаборатории МТЛ-71 входят осциллограф (с барабанной приставкой), два магнитометра,
пульт управления, два усилителя, радиостанция с блоком питания, телевключатель для
синхронного нанесения марок времени на работающих станциях, контрольные кольца
Гельмгольца, пульт эталонирования и вспомогательное оборудование. Аппаратура
монтируется на автомашине.
Установка для измерения поля ТТ представлена двумя приемными линиями МN,
каждая из которых состоит из проводов марки ПСМО, катушек и двух неполяризующихся
меднокупоросных электродов.
В зависимости от условий размотки и расположения приемных линий относительно
друг друга различают крестообразную (рис.3.34), Г-образную, Т-образную и косоугольную
установки (угол между линиями M1N1, M2N2 α≥70º).
Рисунок 3.34 – Измерительные установки метода теллурических токов: а – Гобразная, б – крестообразная, в – Т-образная, г - косослоистая
Схема измерительной установки МТЗ показана на рисунке 3.35.
Рисунок 3.35 – Схема измерительной установки методом МТЗ: M1, N1, M2, N2 –
приемные линии Ex и Ey; Hx, Hy – магнитометры МЭ-71; О – точка наблюдения; 1 – ЦЭС; 2 –
бензоэлектрический агрегат АБ-0,5/115-400; 3-7 – соединительные кондукторы; I-V – каналы
станции
При использовании цифропечатных электроразведочных станций ЦУС, ЦЭС-1
компоненты электромагнитного поля Ex, Ey, Hx, Hy, Hz регистрируются в цифровой форме на
магнитной ленте.
Электроразведочная партия, ведущая работы методом ТТ, состоит из нескольких
самостоятельно действующих отрядов, оснащенных идентичной аппаратурой. Один отряд
обслуживает базисную станцию, которая помещается в неподвижном (базисном) пункте.
Остальные отряды выполняют наблюдения на рядовых пунктах. В состав каждого отряда
входит оператор и два-три рабочих. Наиболее благоприятное время наблюдения - первая
половина дня, когда происходят устойчивые вариации поля ТТ.
Расстояние от базисного до полевого пункта выбирают таким образом, чтобы
сохранялось линейное изменение поля ТТ. В центральных зонах крупных равнин оно может
достигать 30-80км, в предгорных областях – 25-30км.
При крупномасштабной съемке следует располагать базисную станцию в центре, а
полевые - вокруг нее.
Размеры приемных линий МN составляют 400-600м. Работу на пунктах начинают с
подготовки приемных линий. Провода приемных линий растягивают по простиранию (М1N1)
для измерения Ех и падению (М2N2) для изучения Еу опорного горизонта, параллельно и
перпендикулярно к осям вытянутых структур, линиям разломов и т.д. Приемные линии МN
чаще всего располагают в виде буквы Г (см.рис.3.34,а), но можно применять и другие
установки.
Приемные линии подключают к осциллографу. В районах с высоким переходным
сопротивлением пород между пультом управления и осциллографом включают усилители.
Затем оператор полевой станции докладывает оператору базисной станции о готовности
аппаратуры к работе. После этого оператор базисной станции включает осциллограф и
визуально наблюдает за полем ТТ до появления вариаций с амплитудой не менее 15мм. При
появлении таких вариаций он подает команду на все полевые станции о начале записи. По
этой команде все операторы включают моторы лентопротяжных механизмов. На базисной
станции телевключатель устанавливают в положение передачи марок, а на полевой - в
положение приема. Длительность регистрации в среднем 10-15мин, чтобы записать не менее
10-20 периодов вариаций. После окончания работы на пункте операторы договариваются об
изменении стоянок полевых станций и о времени начала работы на других пунктах после
переезда.
Методами МТП и МТЗ кроме измерения теллурических вариаций Ех и Еу определяют
и вариации магнитного поля Нх и Ну. Для регистрации вариаций магнитного поля на пункте
устанавливают два магнитометра (Нх и Ну) и подключают их к пульту управления.
В методе МТП продолжительность записи составляет 1,5ч и обычно содержит 8-10
квазисинусоидальных импульсов Ех, Еу, Нх, Ну (рис.3.36,а) с различной поляризацией поля и
периодом 10-80с. Методом МТП изучают составляющую электромагнитного поля какойлибо одной частоты.
Рисунок 3.36 - а-группа квазисинусоидальных импульсов, б–геологогеофизический разрез по данным
магнитотеллурических методов: 1 –
проводящие терригенные отложения; 2 –
карбонатные
отложения
высокого
сопротивления; 3 – точки МТЗ
При работах методом МТЗ запись
многократно повторяют в течение
длительного времени (5-50ч) с целью получения колебаний с равномерным распределением
периодов в интервале 0,1-1000с. Каждому периоду соответствует не менее двух-четырех
групп квазисинусоидальных импульсов, характеризующихся различной поляризацией поля.
В результате обработки записей поля ТТ чаще всего рассчитывают теллуропараметр
К путем деления средней напряженности электрического поля в полевой точке ЕП на
среднюю напряженность поля в базисной точке Еб:
К=ЕП1Еб
(3.26)
По параметру К строят графики и карты изолиний. Максимальным значениям К
соответствуют поднятия, минимальным - прогибы опорного горизонта (рис.3.32, б).
Методы МТП и МТЗ основаны на выделении группы квазисинусоидальных
импульсов, соответствующих друг другу во времени, периоды, которых различаются не
более чем на 10-15%, а фазы сдвинуты не более чем на 1/15 периода (см.рис.3.36, б).
Амплитуда импульсов должна составлять не менее 10см. Средний период для каждой
группы импульсов определяют по формуле:
Т=1/4(ТЕх+ТЕy+ТHх+ТHy)
(3.27)
Для каждой группы выделенных импульсов определяют величину входного
импеданса Z=Ех/Ну и вычисляют кажущееся сопротивление:
Т 0,2Т Z 2
(3.28)
где Т - период составляющих Е и Н, по которым вычислена величина Z.
Методом МТП определяют эффективную продольную проводимость над опорной
толщи Sэф. Способы ее определения описаны в специальной литературе. По значениям Sэф
строят графики и карты, которые дают представление о структуре исследуемого района
(см.рис.3.36, б).
При работах методом МТЗ вычисляют значение ρТ для различных частот и на
билогарифмическом бланке строят кривые МТЗ (как в методе ВЭЗ).
По горизонтали откладывают ρТ, а по вертикали - Т . Кривая МТЗ показывает
изменение сопротивления с изменением частоты или глубины залегания. В результате
интерпретации кривых МТЗ методом сравнения их с теоретическими кривыми определяют
сопротивление и мощность каждого слоя в разрезе. По полученным значениям ρ и h строят
геоэлектрический разрез и определяют формулу структуры.
Преимущество метода МТЗ заключается в возможности изучения опорных
электрических разрезов при наличии в надопорной толще пластов (горизонтов), обладающих
высоким удельным сопротивлением. Такие горизонты-экраны препятствуют проникновению
постоянного тока на глубину и, таким образом, не позволяют применять практически метод
ВЭЗ в этих районах. Для электромагнитной волны эти экраны не являются препятствиями.
Кроме того, при использовании метода МТЗ не нужны питающие линии и
генераторные установки, что повышает производительность труда.
Метод ТТ широко используется при изучении строения нефтегазоносных провинций
и поисков локальных поднятий в осадочной толще палеозоя. Так при изучении солянокупольных структур и бортовых частей Прикаспийской впадины был установлено что
изменение средней напряженности поля ТТ связано с рельефом поверхности соленосных
отложений нижней перми (рис.3.37).
При магнитотеллурическом профилировании (МТТ) регистрируются вариации 10-80 с
электрического поля Ex, Ey и горизонтальной составляющей магнитного поля Hx, Hy земных
токов. По результатам этих измерений вычисляется суммарная проводимость S отложений
над опорным горизонтом высокого удельного сопротивления. На рисунке 3.38 показаны
особенности строения Тимано-Печерской нефтегазоносной провинции по схеме
распределения S.
Рисунок 3.37 – Карта средней напряженности поля ТТ Комиссаровского поднятия (по
Ю.П. Попову): 1- изогипсы опорного сейсмического горизонта, 2 – изолинии средней
напряженности поля ТТ
Рисунок 3.38 – Схема распределения суммарной продольной проводимости
осадочных отложений по результатам МТП (МТЗ) на Седуяхинском валу Тимано-Печорской
нефтегазоносной провинции (по К.С. Морозову): 1 – точки МТП и МТЗ, 2 – изолинии S в см,
3,4 – зоны наибольших и наименьших значений силы тяжести, I – Северо-восточный склон
Тимана, II – Печорская впадина, III – Седуяхинский вал, IV – предполагаемое СевероОксинское погружение фундамента, V – Малоземельское сводовое поднятие фукндамента,
VI – Печорская гряда
3.6.2 Электромагнитные зондирования
Метод зондирования становлением поля (ЗСП) основан на изучении переходных
(нестационарных) процессов, возникающих в земле в моменты включения и выключения
прямоугольных импульсов тока в заземленную питающую линию или незаземленный
контур.
Если на поверхности земли расположен диполь, питаемый постоянным током, то в его
поле оказываются проводящие горные породы, слагающие геоэлектрический разрез. При
ступенчатом выключении тока в питающем диполе его магнитное поле также ступенчато
изменяется от какого-то конечного значения до нуля. Изменение первичного поля приводит
к индуктивному возбуждению вторичных токов в горных породах. В начальные моменты
времени они распространяются в приповерхностной части разреза, затем проникают вглубь.
Соответственно характер зависимости электрического и магнитного вторичных полей от
времени на ранних стадиях переходного процесса определяется строением верхних
горизонтов геоэлектрического разреза, а на поздних стадиях - строением глубинной части
разреза. Таким образом, изучение зависимости нестационарного поля от времени позволяет
составить представление об изменении геоэлектрического разреза в вертикальном
направлении.
Техника и методика полевых работ в настоящее время позволяют применять
зондирование становлением в ближней (ЗСБЗ) и дальней (ЗСДЗ) зонах - в зависимости от
расстояния между источником поля и пунктом его измерения.
При зондировании становлением поля нестационарное поле изучают в приемном
диполе в промежутки выключения тока в питающем диполе, т.е. при отсутствии первичного
поля. При зондировании в ближней зоне расстояние между питающим диполем и пунктом
измерения не должно превышать двух-трехкратной глубины до опорного электрического
горизонта. Иногда применяют установки, в которых питающие и измерительные диполи
пространственно совмещены. При зондировании в дальней зоне разнос должен в 3-10 раз
превышать глубину до опорного горизонта.
Питающим электрическим диполем служит линия АВ, рассчитанная на токи до 100А.
Питающий диполь заземляют с помощью стальных стержней (50-100шт.), соединенных
параллельно. Магнитным питающим диполем служит горизонтальная незаземленная петля
квадратной формы со стороной около 1км. В качестве источника тока используют
генераторную группу электроразведочных станций. Нестационарное поле регистрируют с
помощью цифровых электроразведочных станций (ЦЭС). Схема измерительной установки
по методу ЗС приведена на рисунке 3.37.
Рисунок 3.37 – Схема измерительной установки по методу ЗС: 1 – генераторная
группа ЭРС-67; 2 – лаборатория ЦЭС-1; 3 – бензоэлектрический агрегат АВ-0,5; 4 – петля
для измерения Вz; 5-7 – соединительные шланги; АВ – питающий диполь; MN –
неполяризующиеся электроды для измерения Ex; Р/С – радиостанции для связи
Сигналы становления поля в ближней зоне записывают в периодически-импульсном
разнополярном режиме включения тока в питающем диполе. Сигналы регистрируют в паузах
между импульсами. Сигналы становления в дальней зоне также регистрируют в режиме
разнополярных импульсов, но без пауз между импульсами.
По результатам регистрации определяют величину сигнала на выходе датчиков поля
для различных моментов времени ΔU=(t) по всем пригодным для обработки импульсам. По
усредненной величине ΔU=(t) подсчитывают кажущееся сопротивление ρТ.
При зондировании в ближней зоне:
ρТ=K(I0/ΔU(t))2/3t-5/3
(3.29)
где К-коэффициент установки; t-время, прошедшее с момента выключения тока в
питающем диполе; I0-ток в питающем диполе.
При зондировании в дальней зоне:
ρτ=KΔU(t)/I0
(3.30)
Далее строят кривые ЗСП на стандартных бланках: по оси ординат откладывают ρτ по
оси абсцисс 2t .
Количественную интерпретацию полученных кривых ЗСП выполняют путем
сравнения их с теоретическими палеточными кривыми, в результате которого вычисляют
глубину залегания до опорного горизонта высокого сопротивления. Отложив полученные
глубины на каждом пункте по вертикали, строят разрез и определяют форму структуры в
районе.
Зондирование становлением поля в настоящее время проводят главным образом при
глубинных структурных исследованиях, сопровождающих поиски месторождений нефти и
газа.
При зондировании становлением поля можно применять переменный ток низкой
частоты. При изменении частоты переменного тока от 1 до 20000Гц глубина его
проникновения при постоянной величине разноса АВ будет различна: чем больше частота,
тем меньше глубина проникновения тока. Таким образом, возможно проведение
вертикального зондирования при постоянном АВ - так называемого частотного
электромагнитного зондирования (ЧЭМЗ). Такие зондирования имеют преимущество перед
ВЭЗ, если в разрезе есть горизонты высокого электрического сопротивления. Схема
установки для ЧЭМЗ показана на рисунке 3.38.
Рисунок 3.38 – Схема установки ЧЭМЗ; а – измерительная установка, б –
генераторная установка
В начале 70-х годов прошлого века А.Э. Вешниковым (по ОКБ Министерства
геологии СССР) было разработано два варианта аппаратуры УНА-1 и ЧЗ-1, обеспечивающие
измерения в диапазоне соответственно 20-20 000Гц и 1,6-1250Гц. Аппаратура благодаря
своей портативности позволяла проводить наблюдения по схеме профилирования с
одновременным измерением на каждой точке наблюдений по схеме частотного
зондирования.
По теоретическим оценкам (В.И. Пятницкий, В.Д. Борцов) измерения с этой
аппаратурой по схеме частотного зондирования обеспечивали глубинность при измерениях с
аппаратурой УНА-1 100-200м с аппаратурой ЧЗ-1 до 4,5-5км.
На рисунке 3.39,а изображены результаты частотного профилирования с аппаратурой
УНА-1 в пределах Акжал-Боконского золоторудного поля. Как видно из анализа структуры
электрического поля и геологического разреза этим методом четко фиксируются зона смятия
вмещающего золото-сульфидное оруденение. На рисунке 3.39,б приведены результаты
элетромагнитного профилирования с аппаратурой ЧЗ-1 по Ново-Таубинскому профилю на
продолжении рудоконтролирующих золото-сульфидное оруденение структур Западной
Калбы. На данным интерпретации выделяются невскрытые эрозионным срезом интрузии и
зоны смятия на глубинах от эрозионного среза до 4км. В пределах выхода зоны смятия на
дневную поверхность в пределах профиля наблюдения была вскрыта горными выработками
зона смятия в черно-сланцевых образованиях, несущие обильную вкрапленность
арсенопиритов, антимонитов. Однако на золото она не опробовалась, так как в этом районе
проводились поисковые работы на ртутное оруденение и силикатный никель.
Позднее в конце 70-х в начале 80-х годов во Франции была выпущена аппаратура
МИОС, являющейся полной аналогией комплекту аппаратуры УНА- и ЧЗ-1. К сожалению в
связи с реорганизациями в период перестройки аппаратура ЧЗ-1 и УНА-1 промышленностью
не выпускались. Разработки были прекращены на уровне авторских экземпляров.
Рисунок 3.39а - Результаты работ с
аппаратурой УНА (рабочие частоты 20÷20 000Гц)
по профилю 77: 1 - почвенный слой, 2 - глины, 3 конгломераты, 4 - песчаники, 5 - переслаивание
песчаников и углистых алевролитов, 6 кремнистые алеролиты, 7 - углистые алевролиты, 8
-зоны смятия, 9 - изолинии ρω
Рисунок 3.39б - Результаты работ с
аппаратурой ЧЗ-1 (рабочие частоты 1,6-1250Гц) по
Ново-Таубинскому профилю: 1 - глины, 2 песчано-сланцевые отложения, 3 - граниты, 4 гранодиориты, 5 - зоны смятия, 6 - диабазы, 7 графики ΔZ, 8 - изолинии ρω
На рисунке 3.40 показан разрез кажущегося сопротивления на месторождении
структурно-литологического типа, на котором видно, что в пределах газоносной залежи
наблюдается характерная область повышенного сопротивления.
Рисунок 3.40 – Результаты параметрических электроразведочных наблюдений ЗС
на газовом меторождении Западного Узбекистана (по М.Д. Басову): а – разрез кажущихся
сопротивлений, б – разрез нормированных кажущихся сопротивлений, в – геологический
разрез, 1 – изолинии ρк в Омм, 2 – изолинии нормированных ρкн в Омм, 3 – рифтогенные
известняки, 4 – газоконденсатная залежь, 5 – осадочные породы, 6 – поверхность
палеозойских отложений, 7 – разлом, 8 – скважины разведочного бурения
3.6.3 Метод переходных процессов
Метод переходных процессов (МПП) применяют для поисков рудных проводящих
объектов, для чего изучают переходный процесс после пропускания через питающую
линию П-образных импульсов длительностью в несколько миллисекунд. Питающая линия
имеет вид незаземленной петли, по которой пропускается ток. Если вблизи питающего
устройства находится проводящий объект, то после выключения тока в петле в
проводнике индуцируются вихревые токи, которые в первоначальный момент возникают
на его поверхности, а затем распространяются к центру, постепенно затухая. Затухание
происходит за счет тепловых потерь, которые увеличиваются с ростом удельного
сопротивления объекта. Таким образом, чем больше его проводимость, тем медленнее
происходит затухание. Интенсивность индуцированных токов растет с увеличением
проводимости и размеров рудных объектов. Расчеты и моделирование показывают, что
вихревые токи в рыхлых отложениях и окружающих породах низкого сопротивления
исчезают значительно быстрее (1-10мс), чем в рудных телах высокой электропроводности
(через 10-20мс).
После подачи импульса тока в питающую линию включается приемная линия, где с
помощью измерительного прибора исследуют характер изменения переходного процесса
на нескольких временах в интервале от первых единиц до первых десятков миллисекунд.
Работы методом ПП ведутся в наземном, скважинном и воздушном вариантах.
Наземные работы выполняются рамочно-петлевой и однопетлевой установками
(рис.3.41). Для работы методом переходных процессов используются аппаратура МППО-
1, МППУ, МПП-3 и «Цикл». Аппаратура МПП-2,3 позволяет работать с любой
установкой. В комплект аппаратуры входят измерительно-генераторный блок, два
усилителя мощности 90 и 1200Вт, приемная рамка, катушка с проводом для раскладки
небольших петель, катушка с кабелем для монтирования петель больших размеров,
комплект кабелей, бензоэлектрический агрегат, аккумуляторы.
Рисунок 3.41 - Рамочно-петлевая (а) и
однопетлевая (б) установки метода переходных
процессов: П - приемник, Г-генератор, ПР - приемная
рамка
Генератор мощностью 3Вт, имеющийся в
измерительно-генераторном блоке, служит для питания
петель небольших размеров (со стороной квадрата в несколько десятков метров). Для
питания петель со стороной до 1000м используют усилитель мощностью 90Вт, а для
питания петель, сторона которых достигает нескольких километров, - усилитель
мощностью 1200Вт.
Ток в питающую линию подается П-образными импульсами длительностью 20 и
40мс. После прохождения каждого импульса петля (или измерительная рамка)
автоматически подключается к усилителю измерительного прибора, импульсы
переходного процесса усиливаются и поступают на блок задержки. Измеритель вырезает
из усиленного импульса ординату кривой переходного процесса в заданный момент
времени tx. Импульсные вырезанные значения напряжения поступают на накопительную
емкость.
Поскольку поступление сигнала продолжается несколько сотен периодов,
накопительная емкость заряжается до амплитудного значения Е(tx). К емкости подключен
милливольтметр, измеряющий постоянное значение напряжения, равное Е(tx). Его делят
на ток питающих импульсов. В результате получают отношение Е(tx)/I которое называют
собственным импедансом петли. Аппаратура МПП-3 позволяет измерять его в следующие
моменты времени после прохождения питающего импульса: 1, 1,5; 2; 3; 4; 6; 8; 12; 16; 24;
32 и 40мс.
Схема установки для работы с совмещенными петлями при работе с аппаратурой
МППУ-2 показана на рисунке 3.42.
Рисунок 3.42 – Схема установки для работы в МППУ-2 (с совмещенными петлями)
На поисковом этапе наблюдение методом переходных процессов ведут с
однопетлевой установкой (см.рис.3.41,6), размер петли которой в 2-3 раза превышает
глубину залегания рудных тел (от нескольких десятков до первых сотен метров). Поле
переходного процесса измеряют с помощью той же петли, которая автоматически в
необходимый момент времени с выхода генератора переключается на вход
измерительного прибора. Однопетлевая установка позволяет в результате одного
измерения получить информацию о геологическом разрезе в пределах оконтуренной
петли, что определяет ее высокую производительность на поисковом этапе. Исследуемую
площадь сплошь покрывают системой петель. Импеданс измеряют при двух-трех
величинах tx.
Детальную съемку выполняют на участках аномалий с рамочно-петлевой
установкой (см.рис.3.41, а) в масштабах 1:5000-1:10000. Питающую петлю раскладывают
таким образом, чтобы аномалия соответствовала середине петли. Петля имеет
прямоугольную форму со сторонами, изменяющимися от нескольких сотен метров до 12км. Поле переходного процесса измеряют с помощью приемной рамки, перемещаемой по
пунктам наблюдения вдоль профилей, располагающихся в центральной части петли.
Приемную рамку в момент замера устанавливают горизонтально. На отдельных
интерпретационных профилях во всех пунктах измеряют поле переходного процесса на
нескольких временах с целью построения переходной характеристики.
Результаты работ представляют в виде графиков, карт графиков импедансов для
разных времен tx и кривых изменения импеданса (переходные характеристики) в
зависимости от величины tx на аномалиях (рис.3.43).
Рисунок 3.43 - Результаты работ методом переходных процессов над медноколчеданным рудопроявлением (а) и определение глубины залегания объекта (б): 1наносы; 2-вулканиты; 3-руда
На графиках ранних времен отражается суммарное влияние объектов различной
проводимости. На графиках поздних времен tx (10-15мс и более) сказывается в основном
влияние наиболее проводящих объектов (предположительно рудных тел). Более точную
оценку природы аномалий выполняют по кривым E(tx)/I=f(tx).
Глубина залегания объектов, близких по форме к сферической или
цилиндрической, примерно равна ширине аномалии на половине ее максимальной
интенсивности (рис.3.34, б). Если в районе аномалии выполнены измерения с петлями
различных размеров, то глубина до центра объекта примерно равна 1/3 стороны петли, с
которой получено максимальное значение E(tx)/I.
Аппаратура МППУ позволяет выполнять работу с однопетлевой установкой в
наземном варианте и рамочно-петлевой установкой - в наземном и скважинном вариантах.
Приемная рамка для наземных исследований представляет собой ферритовый
стержень с обмоткой, помещенный на кардановом подвесе в защитный корпус, который
устанавливается на поворотном столике треноги. Сигналы, возникающие в рамке,
предварительно усиливаются, затем измеряются индикаторным блоком. Скважинная
рамка (ферритовый стержень с обмоткой) с предварительным усилителем размещены в
герметизированной трубе из стеклопласта диаметром 50мм, которая с помощью
трехжильного кабеля соединяется с индикаторным блоком.
На рис.3.44 показан пример разделения аномалий, выявленных методом
переходных процессов над хорошопроводящими объектами по их удельным
сопротивлениям. Пирит-пирротиновая линза мощностью до 10м с удельным
сопротивлением руд 0,1 ом·м залегает среди метаморфизованных осадочно-эффузивных
образований с удельным сопротивлением около 100 ом·м. Среди осадочных пород
основное место занимают графитизированные сланцы с удельным сопротивлением 1-10
ом·м. На участке развиты моренные отложения мощностью 10-15м с удельным
сопротивлением 100-300 ом·м.
Рисунок 3.44 – Аномалии, определенные методом переходных процессов над
сплошными сульфидными рудами графитизированными сланцами, Карелия: 1 – морена, 2
– сплошная пирит-пирротиновая руда, 3 – кварцевый порфироид, 4 – метагаббро-диабазы,
5 – ультраосновные породы, 6 – графито-серицито-кварцевые и графитистые сланцы
Отличительной особенностью МПП по сравнению с другими методами является
высокая избирательная способность по отношению к высокопроводящим объектам
рудного характера. Это позволяет использовать метод МПП для отбраковки
многочисленных аномалий ВП, связанных с рассеянной сульфидной минерализацией и
черносланцевыми образованиями, содержащими минералы шунгитовой группы
(антраксолит, шунгит, графит). На рисунке 3.45 показан пример различия переходных
процессов на ранних временах (1-2мск), характеризующимися высокими значениями
n·103мкв, связанных с развитием низкоомных (3-6 Омм) наносов. При измерениях на
временах от 3-10 мск постепенно локализуется только одна зона, которая, как показало
бурение обусловлена крутопадающим телом, сложенным сплошными сульфидными
рудами.
В случае отсутствия или ограниченной мощности рыхлых образований (10-20м)
глубинность метода может составлять 150-200м, что установлено результатами работ
этим методом на месторождении 50 лет Октября (рис. 2).
Рисунок 3.45 - Результаты работ МПП на месторождении, перекрытом
низкоомными образованиями переменной мощности: 1 - изолинии напряженности
вторичного поля в мкв/а, 2 - контуры выходов окисленных руд, 3 - вмещающие
вулканогенные породы, 4 - кора выветривания, 5 - сплошные сульфидные руды (в разрезе)
3.6.4 Метод дипольного индуктивного профилирования
Метод дипольного индуктивного профилирования (ДИП) применяют для поисков
руд с высокой электропроводностью. Установка для проведения полевых работ методом
ДИП состоит из двух диполей (питающего и приемного), представляющих собой
многовитковые рамки небольшого диаметра. К питающему диполю подключается
генератор, с помощью которого создается электромагнитное поле. Приемный диполь
подсоединен к измерительному прибору и позволяет измерять суммарное магнитное поле
Нс. Диполи можно располагать в разных плоскостях. Чаще других используют
вертикальную установку (оба диполя в горизонтальной плоскости), с помощью которой
измеряют вертикальную составляющую напряженности магнитного поля Нz. Реже
применяют горизонтальную составляющую Ну. Расстояние между диполями должно быть
в 2 раза больше ожидаемой глубины залегания объекта поисков. В процессе работ это
расстояние остается постоянным, а всю установку перемещают по профилю.
Вертикальной установкой измеряют амплитуду Нcz. и ее фазу ψcz, а горизонтальной – Нcy
и ψcy. Работы проводят с комплектом аппаратуры ДЭМП и ПЭМК-1.
Площадные поисковые съемки методом ДИП выполняют в масштабах 1:250001:5000 на одной оптимальной частоте. При проведении работ с целью поисков рудных тел
и геологического картирования наблюдения осуществляют на двух частотах.
Площадные детальные съемки проводят в масштабах 1:5000-1:2000 и крупнее с
целью уточнения контуров аномалий, обнаружения более мелких по размерам рудных
объектов, прослеживания рудных тел. В этом случае выполняют работы на шести - восьми
частотах.
Результаты наблюдений представляют в виде графиков Hcz/H0z и ψaz=ψcz-ψ0z по
профилям съёмки (где ψaz - аномальное значение фазы) или карт графиков и изолиний тех
же параметров. Нормальные (фоновые) значения Н0z и ψ0z устанавливают по измерениям
на участках, где отсутствуют объекты с высокой проводимостью.
Интерпретацию результатов метода ДИП начинают с предварительной
геологической оценки обнаруженных аномалий, при этом используют форму, величину,
характер изменения графиков вдоль профиля, зависимость их от частоты тока,
коррелируемость на соседних профилях и др. Кроме того, учитывают результаты,
полученные на соседних участках. Аномальными значениями отмечаются рудные тела,
зоны тектонических нарушений, графитизированные сланцы, контакты между горными
породами. Используя график Hcz/H0z, можно по формулам определить глубину залегания
верхней кромки вертикального пласта. По отношению амплитуд максимумов можно
установить угол падения пласта. Дипольное индуктивное профилирование применяют в
скважинах. Его используют в аэроэлектроразведке.
3.7 Методы аэроэлектроразведки
В настоящее время в СНГ и за рубежом применяется более 20 различных
аэроэлектроразведочных систем и соответствующих образцов аппаратуры. Это в
основном аэроварианты наземных методов электроразведки, в которых имеется
возможность разместить аппаратуру (или часть ее) на самолетах или вертолетах и
проводить съемку в процессе движения. Методы аэроэлектроразведки делят на пассивные
и активные.
В пассивных методах используются переменные электромагнитные поля,
источники которых расположены вне летательного аппарата и действуют независимо от
измерительного устройства, в активных - переменные электромагнитные поля, источники
которых входят в комплект аэроэлектроразведочной аппаратуры.
3.7.1 Пассивные методы аэроэлектроразведки
Аэровариант метода радиокип. Этот метод основан на исследовании
электромагнитных полей, созданных радиовещательными станциями. В качестве
аппаратуры применяется станция СКАТ-77, в которую включен электроразведочный
канал, позволяющий измерять горизонтальную составляющую магнитного поля СДВрадиостанций Нψ, в диапазоне 15-30кГц.
Аэровариант метода естественного электромагнитного поля (АФМАГ). В
магнитотеллурическом поле присутствует спектральные составляющие с частотой 1-103
Гц, возникшие за счет электрических зарядов, сопровождающих грозы. Установлено, что
общее количество гроз, одновременно действующих на земном шаре, может создать
переменное электромагнитное поле. Оно уверенно измеряется современной
электроразведочной аппаратурой, помещенной на самолете. В качестве датчика
магнитного поля в аэроэлектроразведочной станции применены две взаимно
перпендикулярные рамки, наклоненные под углом 45° к горизонту. Над однородным
полупространством вектор Н магнитотеллурического поля поляризован в горизонтальной
плоскости и сигналы в рамках равны, а их разность равна нулю. Над неоднородной средой
разность сигналов в рамках не равна нулю. Таким образом, разностный сигнал несет
информацию о неоднородности среды. Метод АФМАГ характеризуется большой
глубинностью, так как используются сравнительно низкие частоты.
3.7.2 Активные методы аэроэлектроразведки
Метод с неподвижным наземным источником поля. При работах чаще используют
метод бесконечного длинного кабеля (БДК). Метод заключается в изучении с воздуха
электромагнитного поля, возбуждаемого в земле переменными токами, протекающими в
прямолинейном кабеле, заземленном на концах. Работу выполняют с помощью
аэроэлектроразведочной аппаратуры, которая состоит из генераторной установки,
смонтированной на автомашине, и измерительного устройства, установленного на
вертолете МИ-4. Питающий кабель АВ длиной 20-30км раскладывают на поверхности
земли по простиранию горных пород. Измерительная установка состоит из приемной
рамки (катушка с ферритовым сердечником), измерительного блока и радиостанции для
связи и приема опорного сигнала от передатчика генераторной установки. Приемная
рамка с передвижным усилителем буксируется в гондоле на тросе-кабеле или крепится на
его хвостовой балке. Принятый рамкой сигнал направляется по кабелю в избирательный
усилитель и записывается регистратором на ленте.
Съемку проводят в масштабах 1:100000-1:10000 на высоте полета 50-100м при
скорости движения самолета 70-100км/ч по маршрутам длиной 40-60км, прокладываемым
вкрест простирания горных пород. Для контроля стабильности работы аппаратуры перед
началом и после рабочего дня выполняют наблюдения на контрольном маршруте (КМ)
длиной до 10км. Кроме того, по замерам на КМ определяют величину помех,
принимаемую рамкой, обусловленную вибрацией вертолета, раскачкой гондолы, грозой,
ветром, осадками и т.п.
Для увязки наблюдений рядовых маршрутов прокладывают секущие маршруты
параллельно кабелю (три-четыре маршрута). Для оценки точности измерений проводят
повторные наблюдения на отдельных рядовых маршрутах в объеме 5% от общего
количества.
В результате съемки получают диаграммные ленты с записью горизонтальной
составляющей напряженности магнитного поля Ну и график амплитуд фазы ψy.
Обработку проводят вручную или с помощью счетно-решающих устройств и строят
графики амплитуд Ну и фазы ψy. Положительные аномалии Ну соответствуют хорошо
проводящим объектам.
Вторым методом аэроэлектроразведки с наземным источником является
аэровариант метода незаземленной петли. Питающая линия представлена прямоугольной
петлей со сторонами, равными 3-4км. Поле, наведенное в земле этой петлей, измеряют с
помощью двух горизонтальных или вертикальных рамок, буксируемых вертолетом.
Аэроэлектроразведка методом дипольного индуктивного профилирования. В
методах дипольного индуктивного профилирования (ДИП) и магнитного вращающегося
поля аппаратуру размещают на двух самолетах: в одном - генераторную установку с
выносной генераторной рамкой, в другом - измерительную аппаратуру с приемной
рамкой. Существуют и другие модификации аэроэлектроразведки методом дипольного
профилирования, когда питающая и измерительная аппаратура находятся на одном
носителе (вертолете или самолете).
В аэровариантах ДИП в одном случае используется жесткое крепление
генераторной и приемной рамок на крыльях самолета (ДИП-ЖК), в другом приемные
рамки располагают в выпускной гондоле (ДИП-А, ДИП-АД) на расстоянии 30-120м от
самолета.
С помощью регистратора станции записывается амплитуда напряженности
магнитного поля и сдвиг фаз. Для каждого профиля строят графики этих величин и
проводят качественную интерпретацию.
Аэроэлектроразведка методом переходных процессов (АМПП). В этом методе
используют
нестандартное
импульсно-периодическое
электромагнитное
поле,
возбуждаемое с помощью генераторного контура, жестко укрепленного на вертолете.
Поле переходных процессов измеряют с помощью измерительной рамки, которая
буксируется на тросе в специальной гондоле на некотором удалении от вертолета.
Методы аэроэлектроразведки наиболее эффективны при поисках вертикальных
проводников и имеют слабую чувствительность к горизонтально залегающим объектам.
