ЭЛЕКТРОРАЗВЕДКА Электроразведка — физические методы исследования геосфер

ЭЛЕКТРОРАЗВЕДКА

Электроразведка — физические методы исследования геосфер Земли, поисков и разведки полезных ископаемых, основанные на изучении электрических и электромагнитных полей, существующих в Земле либо в силу естественных причин, либо созданных искусственно.

Основные электромагнитные свойства пород Удельное электрическое сопротивление ( ) — способность пород оказывать электрическое сопротивление прохождению тока. Электрохимическая активность ( ) — свойство пород создавать естественные постоянные электрические поля. Поляризуемость ( ) — способность пород накапливать заряд при пропускании тока, а затем разряжаться после отключения этого тока (поляризоваться). Диэлектрическая проницаемость ( ) показывает, во сколько раз увеличивается емкость конденсатора, если вместо воздуха в него поместить данную породу. Электропроводность ( ) – величина обратная удельному электрическому сопротивлению.

Электромагнитные свойства пород служат основой для построения геоэлектрических разрезов. Геоэлектрический разрез: над однородным пространством — нормальный , над неоднородным — аномальный. На выделении аномалий и основана электроразведка.

По технологии и месту проведения работ различают методы электроразведки : • аэрокосмические ; • полевые (наземные) ; • акваториальные (или аквальные, водные, морские, речные) ; • подземные (шахтно-рудничные) ; • скважинные (межскважинные).

Различают поля • естественные (переменные и постоянные); • искусственные (переменные и постоянные, установившиеся и неустановившиеся); • сверхвысокочастотные; • биогеофизические

Естественные переменные электромагнитные поля

Происхождение магнитотеллурических полей объясняется воздействием на ионосферу Земли потока заряженных частиц, посылаемых космосом (в основном, корпускулярным излучением Солнца). Магнитотеллурические поля проникают в Землю до глубин в десятки и первые сотни километров. Поля космической природы

Поля атмосферной природы Происхождение естественных переменных полей атмосферной природы связано с грозовой активностью. В целом под воздействием гроз в верхних частях Земли повсеместно и всегда существует слабое грозовое поле, которое называют шумовым. Средний уровень поля «атмосфериков» подвержен заметным суточным и сезонным вариациям.

Естественные постоянные электрические поля

Электрохимические постоянные естественные поля обусловлены : 1) окислительно-восстановительными реакциями , протекающими на границах проводников: • электронного (рудные минералы — например, сульфиды, окислы) и • ионного (окружающие породы подземные воды), 2) разностью окислительно-восстановительного потенциала подземных вод вдоль проводящего слоя (например, графита, антрацита).

Электрокинетические постоянные естественные поля обусловлены 1) диффузионно-адсорбционными и 2) фильтрационными процессами в горных породах, насыщенных подземными водами. Естественные потенциалы наблюдаются также при движении (фильтрации) подземных вод через пористые породы.

Измеряемыми параметрами полей являются их потенциалы ( U ) и градиенты потенциала (Δ U ). Измерение ЕП Используют устройство, представляющее собой провод, к концам которого прикреплены неполяризующиеся электроды (не создающие собственные электрические поля). Один из электродов соединен с проводом через потенциометр (микровольтметр).

Искусственные постоянные электрические поля • Искусственные постоянные электрические поля создаются с помощью батарей, аккумуляторов или генераторов постоянного тока, подключаемых с помощью изолированных проводов к стержневым электродам – заземлителям. • Простейшая система состоит из двух заземлителей – электродов А и В , подключенных с помощью проводов к плюсу и минусу источника • Через электрод А ток поступает в землю, а через электрод В уходит из нее.

Прямой задачей электроразведки является определение параметров электромагнитного поля над заданным геоэлектрическим разрезом. Методы электроразведки, использующие искусственные постоянные электрические поля, называются методами сопротивлений.

Простейшей прямой задачей электроразведки методами сопротивлений является расчет разности потенциалов (Δ U ) в двух точках ( М и N ) над однородным изотропным полупространством с постоянным УЭС ( ), в которое через точечный источник ( А ) вводится ток силой J. Поле точечного источника постоянного тока ( А) над однородным изотропным полупространством: 1 — токовые линии, 2 — эквипотенциальные линии

Вследствие шаровой симметрии решаемой задачи токовые линии радиально направлены от точечного источника (А), а эквипотенциальные поверхности имеют вид полусфер. Используя закон Ома Δ U = RJ , где R = l / s – сопротивление проводника между двумя полусферами со средним радиусом r и площадью s = 2 r 2 , удаленными на расстояниe l = MN , можно записать Δ U ≈ J MN /2 r 2 Для градиент-установок, когда MN r , в последней формуле можно заменить r 2 ≈ AM ∙ AN , поэтому выражениe для расчета УЭС однородного полупространства с помощью трехэлектродной установки АМN получит вид: . 2 J U K J U MN ANAM

Под установкой в электроразведке понимают комбинацию питающих и приемных электродов. Коэффициент K , зависящий от расстояний между ними, называется коэффициентом установки. Над неоднородной средой рассчитанное по этой формуле удельное электрическое сопротивление называется кажущимся сопротивлением (КС): . /JUKк Четырехэлектродная симметричная установка А, В – питающие, M, N – приемные электроды

Каков же физический смысл ρ К ? Известно, что напряженность электрического поля равна где j М N – плотность тока, ρ MN – удельное сопротивление вблизи приемных электродов. Обозначив j 0 = J /2 r 2 и учитывая, что на постоянных разносах и при однородном верхнем слое ρ MN / j 0 = const , получим: MNUj. EMNMN/. 2 02 MNMN MNк j j j J U MN r

Таким образом, кажущееся сопротивление над неоднородным полупространством пропорционально плотности тока у приемных электродов. Над однородным полупространством j М N = j 0 и к = . Физический смысл аномалий в методах сопротивлений в том, что тoковые линии изгибаются в среде с разными (втягиваются в проводящие, огибают непроводящие включения). В результате на земной поверхности меняется j MN , а значит к. Поэтому к – это сложная функция геоэлектрического разреза и типа установки. Ее рассчитывают в теории электроразведки. Численно к равно истинному сопротивлению ( ) такого полупространства, в котором для одинаковой установки ( K = const ) отношение Δ U / J остается одинаковым. . 2 02 MNMN MNк j j j J U MN r

Искусственные импульсные (неустановившиеся) электромагнитные поля Для неустановившихся полей с помощью заземленных линий или незаземленных контуров изучается процесс установления и спада разностей потенциалов U на разных временах после окончания питающего постоянного или переменного импульса.

• Различают неустановившиеся поля вызванной поляризации ( ВП) и переходных процессов (ПП) — становления поля. ВП — измеряется разность потенциалов через 0, 5 -1 с после отключения постоянного тока , т. е. измеряется спад напряженности электрического поля, обусловленный разной вызванной поляризуемостью горных пород. ПП — изучается разность потенциалов на разных временах после окончания питающего постоянного сигнала , т. е. получают форму искаженного средой сигнала (зависящую от формы импульса и сопротивления среды).

Искусственные переменные гармонические электромагнитные поля f t глубинность разведки. Частотный принцип увеличения глубинности основан на скин-эффекте. Скин-эффект выражается в прижимании поля к поверхности Земли, тем большем, чем выше частота гармонического поля ( f ) или меньше время ( t ) после создания импульсного поля. f t глубинность разведки f — частота поля, t – время диффузии (становления поля, или переходного процесса). 1 t f

Искусственные переменные гармонические электромагнитные поля Создаются с помощью генераторов синусоидального напряжения звуковой и радиоволновой частоты. Измеряются соответственно электрические ( E ) или магнитные ( H ) составляющие напряженности поля. Они определяются прежде всего удельным электрическим сопротивлением вмещающей среды. Чем выше сопротивление, тем меньше скин-эффект и больше глубина проникновения поля. Чем ниже сопротивление, тем больше интенсивность вторичных вихревых электромагнитных полей, индуцированных в среде.

Сверхвысокочастотные поля используются для пассивной и активной радиолокации земной поверхности. При пассивной радиолокации изучаются естественно-техногенные радиотепловые (РТ) или инфракрасные (ИК) излучения земной поверхности. При активной радиолокации земная поверхность облучается искусственными короткими радиолокационными импульсами, изучаются времена прихода и форма отражений от границ слоев с разными свойствами. Биогеофизические поля — это поля, создающие биолокационный эффект (БЛЭ), т. е. вращение или отклонение рамок тех или иных конструкций в руках операторов над природными или техногенными объектами. Сверхвысокочастотные и биогеофизические поля

Аппаратура 1. Генераторы, батареи, аккумуляторы постоянного тока. 2. Измерители или регистраторы тока в питающих линиях. 3. Измерители или регистраторы разностей потенциалов (Δ U ). 4. Электроды-заземлители. 5. Незаземленные контуры. 6. Вспомогательное оборудование (провода, катушки, кувалды и др. )

Методика работ По геометрии и строению изучаемых геологических разрезов методы электроразведки условно делятся на: • зондирования , для расчленения горизонтально (или полого) слоистых разрезов в вертикальном направлении; • профилирования , для изучения крутослоистых разрезов или выявления объектов в горизонтальном направлении; • подземно-скважинные (объемные), для выявления неоднородностей между скважинами, горными выработками и земной поверхностью.

Зондирования Применяют постоянные, переменные, неустановившиеся искусственные и очень редко, естественные поля. Различают зондирования • геометрические (дистанционные) с постоянным током и • индукционные с переменным током. В случае геометрического зондирования глубина проникновения тока регулируется расстоянием между источником и приемником (разносом). Чем больше разнос АВ, тем глубинность исследований.

Методика ВЭЗ Вертикальное электрическое зондирование выполняется симметричной четырехэлектродной или трехэлектродной градиент-установками. Производится измерение Δ U и J и рассчитывается I U K I U MN ANAM Схема установки ВЭЗ: K A , K B – катушки с изолированными проводами, Б – батарея, ИП – измерительный прибор

При больших АВ приходится переходить на увеличенную длину MN , чтобы Δ U превышали уровень помех. На каждом разносе определяется ρ к . С увеличением разноса увеличивается глубина исследований. Часто измеряют кажущуюся поляризуемость (ВЭЗ-ВП) %100 вп UUк Измеряют U вп на МN через 0, 5 с после отключения тока в АВ.

План расположения питающих (А и В) и приемных ( М и N) электродов в разных установках метода сопротивлений: а — четырехэлектродной, б — срединного градиента, в — симметричной четырехэлектродной, г — трехэлектродной, д — двухэлектродной, е — дипольной радиальной, ж — дипольной азимутальной

При работах строятся кривые кажущихся сопротивлений в логарифмическом масштабе

Кривые КС классифицируются по числу слоев и соотношению их УЭС. Трехслойные кривые ВЭЗ по соотношению УЭС (сверху вниз) делятся на следующие типы: 1) H — с минимумом в середине ( 1 > 2 < 3 ); 2) K — с максимумом в середине ( 1 3 ); 3) A — с возрастающими УЭС ( 1 < 2 2 > 3 ); 1) 2) 3) 4)

Индукционные зондирования основаны на скин-эффекте (изучают переменные поля). В результате изменения частоты поля от высоких значений до низких добиваются изменения концентрации поля от приповерхностных частей разреза до глубинных В основном применяется ПП (ЗС) на постоянном токе. Используются различные дипольные установки при постоянном расстоянии между питающими и измерительными диполями. Регистрируются разности потенциалов, пропорциональные электрической составляющей, измеряемой на МN, и магнитной, измеряемой в петле, а также сила тока в питающем диполе.

Различают два варианта зондирования становлением поля: зондирование в дальней зоне от питающего диполя (ЗСД) и зондирование в ближней зоне (ЗСБ), называемое также точечным (ЗСТ). При ЗСБ разнос выбирается постоянным, меньше проектируемых глубин разведки (ЗСД — в 3 — 6 раз большим).

• Метод частотного электромагнитного зондирования (ЧЗ) основан на изучении электрической или магнитной составляющих поля, созданного в Земле электрическим диполем АВ или петлей, питаемыми переменным током с постепенно меняющейся частотой. • Магнитотеллурическое зондирование МТЗ — длительные (сутки) регистрации взаимно перпендикулярных электромагнитных компонент поля различных периодов, выделение сигналов с периодами, отличающимися менее, чем в два раза в интервале от 1 до 100 с, расчет амплитуд сигналов, а по ним — кажущихся сопротивлений.

Профилирования В основном применяются профилирование на переменном и постоянном токах, вызванной поляризации, естественного электрического поля, радиокомпарация. Данные профилирования несут в себе информацию о геоэлектрических неоднородностях вдоль профилей или по площади в определенном интервале глубин. Установка ЭП искусственного поля состоит из питающих А и В и приемных М и N электродов с постоянными расстояниями между ними, перемещаемых вдоль профиля с определенным шагом или транспортируемых непрерывно. При этом разносы установки не меняются, а если измерения выполняют на переменном токе, то фиксируют частоту или время задержки переходного процесса. В сущности ЭП — модификация зондирования в узком диапазоне действующих расстояний: разносов, частот или времени становления поля.

Шаг профилирования выбирают обычно равным длине приемной линии М N , то есть 10, 20 и 50 м. Наиболее распространенные установки ЭП: • симметричная (СЭП), • дипольная (ДЭП), • комбинированная(КЭП) и • срединного градиента (СГ). Трехэлектродная комбинированная установка – КЭП(Гуммеля)

Подземно-скважинные методы Применяется большинство электромагнитных зондирований и профилирований, но есть и специфические. Метод заряженного тела (МЗТ) — для оценки либо формы и положения рудных тел (рудный вариант МЗТ), либо направления и скорости движения подземных вод (гидрогеологический вариант МЗТ).

Рудный вариант МЗТ сводится к «заряду» с помощью электрода А рудной залежи через скважину или горную выработку постоянным или низкочастотным переменным током (второй электрод В отнесен «бесконечно далеко», в 5 — 10 раз дальше, чем глубина электрода А). По земной поверхности с помощью приемной линии МN и милливольтметров изучается распределение потенциалов или градиентов потенциалов

В нем образуется «проводящее» тело из зоны минерализованных вод, которое движется вместе с потоком. Периодически изучая на земной поверхности изолинии потенциала, можно определить, как оно смещается. В гидрогеологическом варианте МЗТ пресный водный поток периодически подсаливается поваренной солью.

Для изучения целиков пород между выработками и скважинами и выявления рудных залежей используется также метод радиоволнового просвечивания (РВП). В одной выработке (скважине) устанавливается радиопередатчик, излучающий электромагнитные волны частотой 0, 1 — 10 м. Гц, а в других соседних выработках (скважинах) с помощью радиоприемника измеряется напряженность поля. Меняя местоположения генератора и приемника, можно «просветить» породы между горными выработками и скважинами. В результате определяют «коэффициент поглощения» пород вдоль лучей передатчик-приемник, который связан с электромагнитными свойствами среды.

Естественных переменные поля солнечно-космического происхождения — разведка земных недр на глубинах до 500 км, изучение таких геосфер, как осадочная толща, кристаллические породы, земная кора, верхняя мантия. Электромагнитные зондирования используются при глубинных и структурных исследованиях, поисках нефти и газа. Электромагнитные профилирования применяются при картировочно-поисковых съемках, поисках рудных и нерудных полезных ископаемых. Малоглубинные электромагнитные зондирования и профилирования используются при инженерных и экологических исследованиях. Применение методов