Физические и геологические основы электроразведки 2008 2 16 2018 Полевая

Физические и геологические основы электроразведки 2008 2/16/2018 Полевая геофизика 1

Содержание 1. 2. 3. 2/16/2018 Поле постоянного электрического тока Переменные электромагнитные поля Электромагнитные свойства горных пород, геоэлектрический разрез Полевая геофизика 2

Поля, используемые в э/р Электрические, электромагнитные По зависимости полей от времени постоянные переменные По способу возбуждения Естественные 2/16/2018 Искусственные Полевая геофизика 3

Естественные поля Преимущества: - большая глубина исследований - легко сравниваемые материалы на обширных территориях Виды исследований: - региональные исследования - поиски и разведка МПИ 2/16/2018 Полевая геофизика 4

Искусственные поля Преимущества: - большая разрешающая способность Недостатки: - высокая стоимость - низкая производительность Виды исследований: - региональные исследования - поиски и разведка МПИ, в том числе прямые 2/16/2018 Полевая геофизика 5

Поле постоянного электрического тока Стационарное поле – не зависит от времени (t) Потенциал [ U(x, y, z) ] – характеристика поля r – расстояние от источника до точки измерения Напряженность поля U 2 U 1 I S Закон Ома ℓ Сопротивление участка проводника Плотность тока – универс. уравнение 2/16/2018 Полевая геофизика 6

Нормальное электрическое поле постоянного тока Н. электр. поле – это поле постоянного электрического тока в однородном проводящем полупространстве (ρ=const) Эквипотенциальная поверхность +I dr r A M -I ∞ 2/16/2018 ρ=const r Полевая геофизика 7

Потенциал поля точечного источника Эквипотенциальная поверхность +I dr A r Для произвольной точки М M -I ∞ 2/16/2018 ρ=const Полевая геофизика 8

Измерения 4 -электродной установкой I A M ΔU N Измеряют: ΔU и I B Вычисляют: ρ 2/16/2018 Полевая геофизика 9

Электрическое поле в 2 -х слойной среде с плоской границей раздела Способ зеркальных изображений ρ ρ1 h 1 ρ2 h 2=∞ Z Замена неоднородной среды на однородную с фиктивными источниками тока с интенсивностью равной коэффициентам отражения К 11 и прохождения К 12 2/16/2018 Полевая геофизика 10

Кажущееся удельное электрическое сопротивление горных пород Для 4 -х электродной установки для реальной среды Для реальной среды ρК зависит от геометрии слоев (мощности) и их удельного сопротивления 2/16/2018 Полевая геофизика 11

Переменные электромагнитные поля Переменное Э/М поле – сумма двух полей, меняющихся во времени: Э. и М. Компоненты Э/М поля: - напряженность Э. поля [Е] - напряженность M. поля [H] Характеристики гармонического поля амплитуда скорость частота фаза 2/16/2018 Полевая геофизика 12

Параметры, влияющие на характеристики Э/М волн • • диэлектрическая проницаемость [ε] магнитная проницаемость [μ] удельное электрическое сопротивление [ρ] - УЭС частота источника Э/М поля [ν] 2/16/2018 Полевая геофизика 13

Базовая теория решение волновых уравнений Для однородного полупространства, при распространении волн по оси z V – скорость распростр. ЭМ волн z – глубина t – время распространения f – любая из компонент Э/М поля 2/16/2018 Полевая геофизика Решение в виде z=const, F(t) t=const, F(z) t-z/V=const, F=const 14

Характер распространения Э/М волн • Скорость распространения волн постоянна • Векторы Е и Н перпендикулярны направлению движения волны • Э/М волны - поперечные • Амплитуда волн затухает по экспоненте 2/16/2018 Полевая геофизика V=const Ex z Hy 15

Глубина проникновения Э/М волн Zmax зависит от ρ / w ) ρ→∞, изолятор Zmax →∞ волна не затухает ρ→ 0, проводник Zmax → 0 экранирование Э/М поля w →∞, ВЧ Zmax → 0 высокая частота быстрое затухание поля w → 0, НЧ, почти Zmax →∞ постоянный ток медленное затухание поля 2/16/2018 Полевая геофизика 16

Идея частотного зондирования Управляя частотой источника Э/М поля, изменяем глубину проникновения поля в среду Отношение амплитуд Э. и М. полей не зависит от времени, а только от Э/М свойств среды Волновое сопротивление (или импеданс) зависит от свойств среды 2/16/2018 Полевая геофизика 17

Измерение УЭС в Э/Р переменным Э/М полем Модель: проводящий слой на полупространстве изоляторе В природе: осадочный проводящий чехол на непроводящем кристаллическом фундаменте μ=const для г. п. , поэтому необходимо измерить Е, 2/16/2018 Полевая геофизика Н, w 18

Идея частотного зондирования Периоды, Т Малые Большие Глубина залегания объекта Значительная Малая Для неоднородного разреза определяется кажущееся сопротивление ρТ 2/16/2018 Полевая геофизика 19

Нормальные поля для переменных Э/М полей Н. поле - Э/М поле того или иного источника в однородном изотропном полупространстве (с неизменными Э/М свойствами) • Однородное гармонически меняющееся поле • Поле плоской электромагнитной волны 2/16/2018 Полевая геофизика 20

Естественные переменные Э/М поля Виды полей Источники Электрохимические Окислительновосстановительные реакции Электрокинетические Диффузноадсорбционные, фильтрационные процессы Магнитотеллурические Солнечная, грозовая активность 2/16/2018 Полевая геофизика 21

Характеристика магнитотеллурических полей (tellure, лат. – Земля) Активность Солнечная Грозовая Частоты 10 -5 - 10 Гц – 10 КГц Глубина 10 – 200 км 10 – 10000 м Параметры поля Еx Ey Hx Hy Hz Ecp Hcp 2/16/2018 Полевая геофизика 22

Основные Э/М свойства г. п. • • • удельное электрическое сопротивление электрохимическая активность поляризуемость диэлектрическая проницаемость магнитная проницаемость коэффициент поглощения поля средой 2/16/2018 Полевая геофизика 23

Электромагнитные свойства г. п. • У. Э. С. Диапазон УЭС в г. п. – 10 -3 - 1015 Ом м Проводники 10 -3 - 10 Ом м Полупроводники n 102 - 107 Ом м Диэлектрики > 108 Ом м 1 кубометра г. п. при пропускании постоянного тока 1 А 2/16/2018 Полевая геофизика 24

Зависимость У. Э. С. от минерального состава Внутрикристаллические связи: Ковалентные очень высокое сопротивление 1012 - 1015 Омм диэлектрики Кварц, слюда полевой шпат Ионные высокое сопротивление 104 - 108 Омм Полупроводники Ионноковалентные Электронная проводимость сопротивление Полуменьше 104 Омм проводники сопротивление Проводники меньше 1 Омм 2/16/2018 Полевая геофизика Карбонаты, сульфаты, галоиды Глинистые минералы Самородные Ме, рудные м 25

У. Э. С. – зависимость от минерального скелета Тип скелета Жесткий Пластичный Состав скелета Диэлектрики, полупроводники Полупроводники (глины) Проводимость Свободные растворы (ионная) Адсорбированная связанная вода Сопротивление г. п. практически не зависит от минерального скелета, а определяется следующими параметрами: Водонасыщенность, пористость, трещиноватость 2/16/2018 Полевая геофизика 26

У. Э. С. – зависимость от t 0 Увеличение t 0 На 40 град Уменьшение ρ В 2 раза При замерзании ρ увеличивается скачком У. Э. С. и метаморфизм Эффект анизотропии: разное сопротивление г. п. вдоль и вкрест сланцеватости λ=1 -1. 5 в среднем λ=2 -3 у сланцеватых пород 2/16/2018 Полевая геофизика 27

У. Э. С. горных пород, Омм Магматические Метаморфические Осадочные (сухие) гранит 108 гранитогнейс 2* 108 диорит 106 сланец 6. 4*104 -106 песчаник 7*105 габбро 107 - 109 Биотитовый гнейс 4 3. 1 *10 108 - 109 104 - 106 диабаз 2/16/2018 глина известняк 2*103 – 105 Нефте 4*102 – насыщ. песок 2. 2*104 Полевая геофизика 28

У. Э. С. Осадочных г. п. , Омм Глины 0. 1 Суглинки 1 Супеси Пески 10 100 Уменьшение ρ Увеличение глинистости, пористости, водонасыщенности, трещиноватости Увеличение размера зерен, нефтегазонасыщения Малая пористость и влагонасыщенность Соль, гипс, 10000 -100000 и ангидрит, доломит, более Омм известняк 2/16/2018 Полевая геофизика 29

Диэлектрическая проницаемость г. п. • Показывает уменьшение силы взаимодействия зарядов в среде по сравнению с вакуумом Актуально для переменного Э/М поля Для рабочих частот < 1000 Гц изменение ε не влияет на результаты наблюдений Воздух ε=1 Горные породы ε=1 -100 2/16/2018 Полевая геофизика 30

Геоэлектрический разрез • Совокупность отдельных слоев конечной мощности с постоянными внутри слоя Э/М параметрами Типы моделей Однородное изотропное полупространство Одномерные неоднородные среды (геоэлектрические разрезы) Двумерные неоднородные среды (цилиндр, пласт) Трехмерные неоднородные среды (шар) 2/16/2018 Полевая геофизика 31

Геоэлектрический разрез • Для осадочных бассейнов наиболее значимая модель – горизонтально слоистая • Суммарная проводимость • Суммарное поперечное сопротивление пачки 2/16/2018 Полевая геофизика 32

Опорный геоэлектрический горизонт • Достаточно мощный слой с аномально высоким или аномально низким ρ по отношению к окружающим породам Примеры высокоомных опорных горизонтов: кристаллический фундамент, мощная соленосная толща, мощный слой плотного известняка Изучение опорных горизонтов – важнейшая задача структурной электроразведки 2/16/2018 Полевая геофизика 33