Зондирование методом становления поля

Зондирование методом становления поля (ЗС или ЗСП) основано на изучении становления (установления) электрической (ЗСЕ) и магнитной (ЗСМ) составляющих электромагнитного поля в геологических толщах при подаче прямоугольных импульсов постоянного тока в заземленную линию или незаземленную петлю. Длительность и характер становления поля связаны с распределением удельного электрического сопротивления пород на разных глубинах.

Ближняя и дальняя зоны. Рассмотрим особенности расспростронение не установившегося электромагнитного поля. Для этого введем понятие ближней и дальней (ДЗ) зон в методе ЗС разделени на ближнюю и дальнюю (ДЗ) зоны пройзводится оп величине параметра ,

называемого приведенным расстоянием. Здесь r ─ расстояние от приемника до источника. ─ параметр становления:

Рис.28- Расспростронение не установившего ся электромагнитного поля.

Где ─удельное сопротивление земли, t─ время становления. Параметр является аналогом длины волны в гармоническом случае:

=─

T─период. Таким образом во временной области аналогом периода колебаний поля является произведение : T↔

Условие дальной зоны вводится в виде: >>1; для ближней зоны <<1

Изменение глубинности разведки в методе ЗС объясняют следующим образом [см. Рис.25]. При включении импульса тока в питающую линию или петлю электромагнитное поле распространяется сначала в приповерхностных частях разреза, а в дальнейшем проникает все глубже и глубже.

При этом в среде происходят сложные переходные процессы.

В результате форма регистрируемого импульса будет отличаться от формы импульса, поданного в питающую установку. Малым временам становления поля соответствует малая глубина разведки, большим временам — большая. Максимальная глубинность ЗС около 5 км. Зондирование становлением поля выполняют с помощью обычных электроразведочных станций при неизменном расстоянии между питающим и измерительным диполями. Электрическую и магнитную составляющие записывают одновременно автоматически.

Различают два варианта зондирования становлением поля: зондирование в дальней от питающего диполя зоне (ЗСД) и зондирование в ближней зоне (ЗСБ), называемое иногда точечным (ЗСТ). При выполнении ЗСД используют дипольные установки. Расстояние r между генераторной группой и полевой лабораторией выбирают постоянным, в 3—6 раз большим предполагаемой глубины залегания изучаемого опорного горизонта (как правило, кристаллического фундамента). В результате обработки записей становления поля рассчитывают кажущиеся сопротивления по электрической ρ_τ→ E и магнитной ρ_τ→ H составляющим для разных времен становления поля t, т.е. для разных времен после включения тока в линию АВ или петлю. При этом

ρ_τ_E =k ΔU_Et/ I ρ_τН = kΔU_н (_t)/ I(25)

где k_E, k_H — геометрические коэффициенты установок; ΔU_E(t), ΔU_H(t) — напряжения, определяемые по осциллограмме для разных времен t; I — ток в питающем диполе. Имея примерно семь — десять значений ρτ E, ρτ H для разных времен, можно построить кривые становления поля, т.е. графики зависимости ρτ от параметра τ = 2π t, пропорционального глубинности разведки. Кривые ЗСД строят на логарифмических бланках.

В методе ЗСБ разнос r постоянен и меньше проектируемых глубин разведки. В результате обработки записей ЗСБ получают значения разностей потенциалов в приемной петле ΔU_Z. Зная ток в питающей линии I и коэффициент установки k, рассчитывают кажущееся сопротивление:

ρ_τ = k (I Δ U)^2/3 t^-5/3 (26)

Далее, как и при ЗСД, строят кривые ЗСБ. Кривые ЗС похожи на кривые ВЭЗ. Существуют и другие приемы обработки ЗС. ЗСП Зондирования становлением поля выполняют по отдельным профилям или равномерно по площади. Расстояние между точками изменяют от 0,5 до 2 км. В результате интерпретации ЗС получают глубины залегания опорных (особенно с высоким сопротивлением) горизонтов.

Параметры эквивалентности S и T

Как и в других методах геофизики, в электрических зондированиях существует понятие эквивалентных моделей. Кривые ρ_к для таких моделей различаются в пределах точности.

Кажущееся сопротивление зависит от интегральных характеристик геоэлектрического разреза, поэтому моделям со схожими интегральными характеристиками будут соответствовать близкие кривые ρ_к. Такими характеристиками являются продольная проводимость (S) и поперечное сопротивление (T), которые для каждого i-ого слоя рассчитываются по следующим формулам: понятие эквивалентных моделей. Кривые ρ_к для таких моделей различаются в пределах точности измерений.

Эти параметры слоев определяются по кривым ρ_к более устойчиво, чем удельные электрические сопротивления и мощности. Для каждого промежуточного слоя устойчиво определяется только один из параметров (S или T). слоя устой

чиво определяется только один из параметров (S или T). высокоомном подстилающем опорном горизонте ток у поверхности этого горизонта и в пределах вышележащего пласта малой мощности (второй слой в моделях типа ”H” и ”A”) будет протекать по направлению, близкому к горизонтальному. Вследствие этого характер поля в среде, а значит. и на земной поверхности не нарушится, если продольная проводимость второго слоя S₂=h₂/ ρ₂

S_i=h_i/ρ_i, T_i=h_iρ_i. (27)

останется постоянной при изменении в некоторых пределах параметров h₂ и ρ₂.

При хорошо проводящем основании (в моделях типа ”K” и ”Q”) ток будеремиться войти в него, распространяясь поперек второго слоя. Поэтому на характер распределения токовых линий в разрезе, а значит, и на поверхности

земли основное влияние будет оказывать поперечное сопротивление второго слоя T₂=h₂×ρ₂. Таким образом, для кривых ВЭЗ и ДЗ типа ”K” и ”Q” действует T₂ - эквивалентность. Это означает, что при T₂=const и меняющихся в некоторых пределах h₂ и T₂ кривая остается неизменной Рис. 26. Пределы области эквивалентности ограничены, т.к. не весь ток течет в одном направлении

Они зависят от мощности и контрастности слоя. Но в целом узкие области эквивалентности характерны для кривых типа ”H” и ”Q”, а широкие для ”K” и ”A”.Геологическая интерпретация Основной задачей любых геофизических исследований является получение геологических данных, поэтому необходимо геологическое истолкование полученного геоэлектрического разреза. Для этого сопоставляют объекты, выделенные по удельному сопротивлению, с различными горными породами и геологическими структурами. Часто возникает необходимость повторной геофизической интерпретации, чтобы удовлетворить априорным геолого-геофизическим данным.

При формальной геофизической интерпретации редко удается получить хорошие геологические результаты, поэтому наиболее эффективным способом интерпретации является проверка возможных геологических концепций строения изучаемого района. На основе геофизических данных выбирается наиболее вероятная концепция.

Качественная интерпретация. Как известно, в результате электромагнитных зондирований (ЭМЗ) получают кривые зависимости кажущихся сопротивлений (ρ_к, ρ_т, ρ_ω, ρ_r ) или (поляризуемостей η_к) от параметров глубинности (АВ/2 = r,T, 2π t). При качественной интерпретации в результате визуального анализа кривых определяют число слоев в разрезе (рис.4.6), типы кривых. Выявленные электрические горизонты сопоставляют с геологическими слоями. По данным площадных ЭМЗ строят карты типов кривых ВЭЗ, иногда абсцисс и ординат экстремумов на кривых. По профильным наблюдениям строят разрезы кажущихся сопротивлений, а по данным ВЭЗ кроме них разрезы кажущихся продольных проводимостей (Sк = r/ρк) для выявления хорошо проводящих слоев или кажущихся поперечных сопротивлений (Tк = r/ρк) для выделения плохо проводящих слоев. При построении этих разрезов по вертикали откладывают параметр глубинности, проставляют ρк, Sкили Tки проводят изолинии. Анализ этих материалов позволяет дать общую характеристику и степень изменчивости геоэлектрических разрезов в плане и по глубине. Кривые ЭМЗ на участках, где изолинии на разрезе почти параллельны, не искажены горизонтальными неоднородностями, их используют для количественной интерпретации.

Количественная интерпретация. При количественной интерпретации ЭМЗ получают послойные мощности h_i, сопротивления,ρ_iполяризуемости η_i), и (или) суммарные обобщенные мощности Н, продольные проводимости S = H/ρ_lи среднее удельное сопротивление ρ_l, поперечное сопротивление Т = Нρ_nи среднее удельное сопротивление ρ_n_. Существуют графоаналитические, палеточные и машинные способы интерпретации ЭМЗ.

1. С помощью графоаналитических способов по асимптотическим и экстремальным значениям кажущихся сопротивлений находят некоторые обобщенные параметры. Например, если к правой ветви кривых ЭМЗ, полученных над опорным горизонтом высокого сопротивления, например кристаллическим фундаментом, провести асимптоты, то по точкам их пересечения (xS1, xS10, xS100) с горизонтальными линиями, ординаты которых у 1; 10; 100 (рис.), можно определить суммарную продольную проводимость толщи по следующим формулам:

S =1/3(x + x /10 + x _s100) = r_s/ ρ_ks(для ВЭЗ, ДЭЗ, ДАЗ)

S= (356 x _s₁114,5 x s₁₀/10 + 35,6 x _s₁₀₀/100) = (для МТЗ)

S = 1/3 (503 x _s1 + 159,5 x s₁₀+50,3 x _s100) 503ñдля ЗСД и ЧЗ)

S = 1/3 (189 x _s1+ 59,5 s₁₀+ 18,9 x _s100) 189ñ (для ЗСП)

где rS, ρ_к_S, ρ S, TS, ρωS, tS, ρTS координаты любых точек асимптот

Рис.29. Схема интерпретации кривых ВЭЗ (1), Рис.30. Схема интерпретации полевой

МТЗ, (2) ЗСМ (3) методом S (линии 4) кривой ВЭЗ (а, 6, с, d) с помощью

номограммы (I) палетки (II) типа НА

Существует и ряд других графоаналитических приемов определения различных параметров разреза.

2. Применяют также палеточные методы интерпретации ЭМЗ. Палетки это набор теоретических кривых. Для разных методов ЭМЗ их рассчитывают с помощью ЭВМ. Процесс количественной интерпретации сводится к совмещению экспериментальной (полевой) кривой, вычерченной на прозрачном бланке, с одной или несколькими теоретическими кривыми из альбома палеток. Разумеется, полевые и теоретические кривые должны быть построены в одинаковых масштабах. Рассмотрим принципы применения палеток на примере интерпретации кривых ВЭЗ. Проще всего интерпретировать двухслойные кривые ВЭЗ. Для этого, соблюдая параллельность осей координат двухслойной палетки и бланка с полевой кривой, совмещают ее с одной из теоретических кривых.

Иногда полевая кривая не совпадает ни с одной из теоретических, а располагается между двумя соседними. В этом случае параметры получают путем интерполяции. Индексы сопротивлений и глубин на палетке (крест палетки) отсекают на осях координат полевого бланка сопротивление верхнего слоя ρ1 и его мощность h1. По модулю совпавшей теоретической кривой μ=ρ2/ρ1, зная ρ1, получаем ρ2 = μ ρ1. При интерпретации трехслойных полевых кривых их совмещают с теоретическими кривыми соответствующих типов и одинаковой формы. Добившись наиболее точного совмещения полевой кривой с теоретической, по индексам на палетке определяют ρ1, h1, а по параметрам совпавшей теоретической кривой – модули v = h2пр /h1, μ=ρ2пр/ρ1, ρ3 Отсюда легко получить приближенные значения мощности h2пр = v h1, и примерное сопротивление ρ2пр = μ ρ1 второго слоя. При v > 5—10 приближенные значения мало отличаются от истинных, а при v < 3 различия могут быть значительными. Многослойные кривые также могут быть проинтерпретированы трехслойными палетками. Правда, чем больше слоев, тем точность интерпретации меньше. В этом случае целесообразно проводить интерпретацию с помощью ЭВМ. Ускоренную интерпретацию кривых ЭМЗ проводят с помощью одной-двух для каждого метода номограмм-палеток, подготовленных В. К. Хмелевским.

Они представляют собой комбинацию двухслойной палетки соответствующего ЭМЗ и вспомогательной палетки, которая заменяет вышезалегающие породы слоем с такими эквивалентными мощностью hЭ и сопротивлением ρЭ, чтобы электромагнитное поле на земной поверхности оставалось одним и тем же по интенсивности и структуре. При интерпретации трехслойной кривой с помощью номограммы-палетки сначала с двухслойной палеткой совмещают левую ветвь (а, b) полевой кривой, оценивают параметр μ, а на бланке проставляют крест палетки O1 с коодинатами h1, ρ1 (рис.5.2). Затем с двухслойной палеткой совмещают правую ветвь (с, d), а положение точек h1, ρ1 на номограмме дает возможность определить следующие параметры: v, μ, σ = v/μ (для кривых типа H и A), τ = vμ, для кривых типа К и Q, которые и являются искомыми параметрами интерпретируемой полевой кривой. После совмещения правой ветви с двухслойной палеткой на полевой бланк можно перенести второй крест с координатами ρЭ, hЭ. Эта эквивалентная точка служит для дальнейшей интерпретации кривой ВЭЗ, если число слоев на ней больше трех. Рис.4.13 Схема интерпретации кривых ВЭЗ (1), МТЗ (2), ЗСМ (3) методом S (линии 4)