Электромагнитные зондирования

Общая характеристика. К электромагнитным зондированиям относят группу методов электроразведки, в которых аппаратура, методика и система наблюдений на- правлены на то, чтобы в каждой точке зондирования получить информацию об измене- нии электромагнитных свойств среды с глубиной. Для этого на изучаемом участке па- раметры используемого поля и установок изменяют таким образом, чтобы поле посте- пенно проникало на все большие глубины. Для увеличения глубинности электрораз- ведки используют следующие приемы: дистанционный (геометрический), когда посте- пенно увеличивают расстояния г между питающими и приемными линиями, и частот- но-временной, основанный на уменьшении скин-эффекта при увеличении периода гар- монических (квазигармонических) колебаний или времени становления поля (переход- ных процессов).

Для зондировании применяют одно- и многоканальные приборы и электроразве- дочные станции постоянного или переменного тока разной частоты. Получаемые в ре- зультате зондировании те или иные наблюденные или расчетные параметры (чаще все- го это кажущиеся сопротивления) для разных параметров глубинности характеризуют изменение геоэлектрического разреза с глубиной. В результате строят кривые зондиро- вании, т.е. графики зависимостей кажущихся сопротивлений от параметров глубинно- сти.

Современная теория и практика электромагнитных зондировании базируются на математическом моделировании прямых и обратных задач в основном для горизон- тально-слоистых моделей, поэтому зондирования применяют при изучении горизон- тально и полого залегающих (углы падения меньше 10—15°) сред. В результате коли- чественной интерпретации кривых электромагнитных зондировании получают послой- ные, или обобщенные, геометрические и электрические свойства пород (см. п. 4.4). При этом послойные, или обобщенные, параметры можно определить достаточно точно, только если мощности слоев или толщ превышают их глубины залегания. По совокуп- ности профильных или площадных зондировании строят геоэлектрические разрезы (по вертикали откладывают мощности слоев и проставляют значения электрических пара- метров) или карты тех или иных параметров этих разрезов.

Электромагнитные зондирования применяют для решения широкого круга задач, связанных с расчленением пологослоистых геологических разрезов с изменяющимися по глубине и от точки к точке электромагнитными свойствами. Основными из них яв- ляются: а) определение мощности и состава покровных и коренных отложений, глуби- ны залегания фундамента, расчленение осадочных толщ, что очень важно для струк- турно-геологического объемного картирования; б) оценка геометрических параметров и физического состояния массива горных пород, представляющая большой интерес для инженерно-геологического, мерзлотно-гляциологического и гидрогеологического кар- тирования; в) поиски пластовых, как правило, нерудных полезных ископаемых; г) изу- чение геосфер Земли и глубинной электропроводности.

Электрическое зондирование — это модификация метода сопротивлений на по- стоянном или низкочастотном (до 20 Гц) токе, в которой в процессе работы расстояние между питающими электродами или между питающими и приемными линиями (раз- нос) постепенно увеличивают, т.е. используют дистанционный (геометрический) прин- цип изменения глубинности. Чем больше разнос, тем больше глубина проникновения тока, а график зависимости кажущегося сопротивления от разноса или кривая зондиро- вании характеризует изменение удельных электрических сопротивлений с глубиной. Поэтому в результате их интерпретации разрез расчленяют по вертикали.

Различают две модификации зондировании: вертикальные электрические зонди- рования (ВЭЗ), применяемые для разведки на небольших глубинах (до 300—500 м), и дипольные электрические зондирования (ДЭЗ), применяемые для разведки на глубинах

0,5—5 км.

(рис.4.4). Работы проводят сле- дующим образом. В избранной для зондирования точке (центре зонди- рования) устанавливают электро- разведочный прибор (АЭ-72), бата- рею, две катушки с проводом для разноса питающих электродов и на небольшом расстоянии (1—2 м) друг от друга заземляют два при-

емных электрода MN. Направле-

Рис.4.4 Схема установки вертикального электриче-

ского зондирования.

КА., KВ — катушки с проводом; Б-72— батарея;

АЭ-72 — автокомпенсатор электроразведочный

ние, по которому должны разно- ситься питающие и приемные ли- нии, выбирают исходя из геологи- ческих и топографических сооб-

ражений. Вдоль линии MN заземляют питающие электроды АВ на расстоянии 1,5—3 м от центра и измеряют ток в питающей линии и напряжения на приемных электродах.

Далее рассчитывают ρк = k·∆U/I [см. формулу (4.5)], где k =0,1π·AM·AN / MN - коэф- фициент установки (множитель 0,1 взят потому, что ∆U с прибором АЭ-72 измеряют в милливольтах, а I — в сантиамперах).

Рис. 4.5 Двухслойные кривые ВЭЗ с ρ1 < ρ2 (а) и с ρ1 > ρ2 (б)

Далее разносы питающих электродов последовательно увеличивают (в геометри- ческой прогрессии) и для каждого разноса рассчитывают ρк. Длина АВ/2=r может быть, например, принята 1,5; 2,2; 3; 4,5; 5; 8; 10; 15; 22; 30; 45; 60; 80; 100 м и т. д. При этом, когда AB/2 изменяется от 1,5 до 10 м, MN = 1 м; при АВ/2 от 15 до 100 м MN = 10 м; при АВ/2 от 150 до 1000 м MN = 100 м. По результатам измерения ρк на специаль- ном бланке с логарифмическим масштабом по осям координат (бланк ВЭЗ с модулем

6,25 см) строят кривую ВЭЗ: по вертикали откладывают ρк, а по горизонтали — вели-

чину полуразноса (АВ/2) (рис. 4.5).

После окончания зондирования и построения кривой ВЭЗ аппаратуру и оборудо- вание переносят на новую точку. Обычно точки зондирований располагают вдоль раз- ведочных линий. Расстояния между соседними точками ВЭЗ изменяются от нескольких десятков до нескольких сотен метров и должны быть сравнимы с- проектируемыми глубинами разведки. Максимальный разнос АВ/2 выбирают в 3—10 раз больше этих глубин.

Физико-геологическое обоснование ВЭЗ. Рассмотрим несколько типичных раз- резов и получаемых над ними кривых ВЭЗ, поясняющих физико-геологический смысл зондировании. Пусть имеется двухслойный разрез: сверху — наносы, внизу — граниты (рис.4.5, а). При малых радиусах (AB < h1) ρк ≈ ρ1 . С увеличением разносов ток будет отжиматься плохо проводящими подстилающими породами к поверхности, поэтому возрастут его плотность и ρк [см. формулу (4.7)]. Очевидно, что на больших разносах (АВ >10 h1) ρк → ρ2. В результате зондирования получают двухслойную кривую ВЭЗ для случая ρ1 < ρ2. Кроме такой восходящей, могут наблюдаться и нисходящие кривые ВЭЗ, если ρ1 > ρ2 (рис.4.5, б).

Рис.4.6 Многослойные кривые ВЭЗ: трехслойные типа Н (а) и типа К (б),

пятислойная типа HKQ (в).

Рассмотрим трехслойный разрез, в котором сверху залегают пески, ниже — хо- рошо проводящие ток глины, а еще ниже— изверженные породы с высоким сопротив- лением (рис.4.6, а). При малых разносах АВ ρк → ρ1, с увеличением разносов ток стре- мится войти во второй проводящий слой. Значит, вблизи MN уменьшаются плотность тока и ρк. При очень больших разносах ток будет проходить в основном в третьем слое, а при АВ/2 → ∞ ρк → ρ3. Трехслойные кривые, у которых ρ1 > ρ2 < ρ3, называют кри- выми типа Н.

Представим, что под наносами залегает мощная толща карбонатных пород — су- хих в верхней части, обводненных в нижней (ниже уровня подземных вод). Очевидно, на полученной над таким разрезом кривой ρк будет максимум (рис.4.6, б). Подобные кривые называют кривыми типа К. Как видим, двухслойный геологический разрез по

данным электроразведки выявляется как трехслойный. Этот пример показывает, что далеко не всегда литологические слои соответствуют электрическим горизонтам. Если ρ1 < ρ2 < ρ3, то кривую называют кривой типа А, если ρ1 > ρ2 > ρ3 — кривой типа Q.

На практике обычно получают многослойные кривые ВЭЗ. Они имеют буквенное обозначение, состоящее из типов тех трехслойных кривых, из которых состоит данная многослойная. Например, кривая, приведенная на рис.4.6, в,—пятислойная типа HKQ.

Дипольные электрические зондирования. Если надо изучить разрез на больших глубинах (несколько сотен метров), то разносы АВ приходится увеличивать до 10 км. При таких разносах проводить ВЭЗ сложно. В этом случае предпочитают использовать дипольные установки (азимутальные, радиальные и др.). При дипольных электрических зондированиях (ДЭЗ) измеряют кажущееся сопротивление при разных расстояниях или разносах r между питающим и приемным диполями (см. рис.4.3). Электроды относят либо в одну сторону от неподвижного питающего диполя (одностороннее ДЭЗ), либо вначале в одну, а затем в противоположную сторону (двустороннее ДЭЗ).

Дипольное зондирование выполняют с помощью электроразведочных станций. Сначала проводят топографическую подготовку работ. В зависимости от условий пере- движения электроразведочных станций ДЗ можно выполнять по криволинейным мар- шрутам, приуроченным к дорогам, рекам и участкам, к которым может быть доставле- на полевая лаборатория. На рис.4.7 приведена схема увеличения разносов дипольного азимутального зондирования (ДАЗ). Величина R должна увеличиваться примерно в геометрической прогрессии (например, R = 0,5; 1; 1,5; 2,5; 4;6; 10; 15; 20; 30 км).

Рис.4.7 Схема проведения дипольного азиму-

тального зондирования.

ГГ — генераторная группа; ПЛ—полевая лаборатория; I — дорога

между станциями, снова измеряют

∆U , I и рассчитывают ρк .

В результате на бланках с двойным логарифмическим масшта- бом строят кривую ДЭЗ: по горизон- тали откладывают r (в азимутальном

и экваториальном зондированиях) или r/2 (в радиальном или осевом зондировании), а по вертикали — ρк . Форма кривых ДЭЗ, их названия такие же, как и у кривых ВЭЗ.

При морских электрических зондированиях используют дипольные осевые уста- новки, а сами зондирования проводят непрерывно (НДОЗ). В процессе выполнения НДОЗ приемная линия и регистрирующая аппаратура, установленные на приемном судне, остаются неподвижными. Питающая линия непрерывно перемещается на гене- раторном судне сначала в одну, а затем в другую сторону от приемной линии. После обработки автоматических записей токов и разностей потенциалов рассчитывают ка- жущиеся сопротивления для разных расстояний между питающей и приемной линиями и строят кривые ДЭЗ.

Зондирование методом вызванной поляризации. Вертикальное электрическое зондирование методом вызванной поляризации (ВЭЗ-ВП) по методике работ и глубин- ности разведки мало чем отличается от рассмотренных выше ВЭЗ. Оно предназначено для расчленения разреза с разной поляризуемостью слоев. С помощью специальной одно- или многоканальной аппаратуры для метода ВП кроме параметров ∆U и I, изме-

ряемых, как и в методе ВЭЗ, определяют ∆UВП через 0,5 с после отключения тока в АВ. В результате кроме ρк = k ∆U/I рассчитывают ηк = (∆UВП / ∆U)·100 % - кажущуюся поляризуемость. Далее на бланках с логарифмическим масштабом по осям координат (бланках ВЭЗ) наряду с кривыми ВЭЗ строят кривые ВЭЗ-ВП: по горизонтали откла- дывают АВ/2, по вертикали — ηк . При количественной интерпретации ВЭЗ-ВП рас- членяют разрез, т.е. определяют мощности и поляризуемости слоев горизонтально- слоистого разреза.

Магнитотеллурические методы. К магнитотеллурическим методам (МТМ) от- носят ряд методов электроразведки, основанных на изучении естественных (магнито- теллурических) полей космического происхождения. Эти методы предназначены для изучения горизонтально и полого залегающих структур. По сравнению с другими ме- тодами электроразведки глубинность у них наибольшая (до 500 км). Наряду с собст- венно магнитотеллурическими зондированиями (МТЗ) к ним условно можно отнести метод теллурических токов (МТТ), магнитотеллурические и магнитовариационное профилирования (МТП и МВП). Эти методы служат для картирования опорных гори- зонтов с высоким сопротивлением, например, карбонатных толщ или кристаллического фундамента.

1. Магнитотеллурическое зондирование. Магнитотеллурическое зондирование (МТЗ) и его глубинный вариант (ГМТЗ) основаны на изучении магнитотеллурических полей в широком, изменяющемся на два порядка и более, интервале периодов колеба- ний. Вследствие скин-эффекта глубина проникновения электромагнитного поля в зем- лю тем больше, чем меньше частота f или больше период колебаний T = 1/f. Иными словами, длиннопериодные «теллурики» проникают на большую глубину, т.е. несут в себе информацию о глубинном строении, а короткопериодные вариации проходят на небольшую глубину и характеризуют только верхние части геологического разреза.

Рис.4.8 Общий вид магнитотеллурограмм

— восьми значений Е и Н, разли-

чающихся по периоду примерно в

1,5 раза) с помощью электроразве-

дочных станций. Общий вид магнитотеллурограмм приведен на рис.4.8. В результате их обработки рассчитывают так называемые кажущиеся сопротивления

2

2

(4.10)

которые для однородного полупространства одинаковы и равны его истинному удель- ному сопротивлению [см. формулу (4.1)]. Для неоднородной среды ρT —сложная функция геоэлектрического разреза, определяемая в результате решения прямых задач МТЗ с помощью ЭВМ и зависящая от мощностей и сопротивлений слоев разреза.

В результате на бланках ВЭЗ с логарифмическим масштабом по осям координат строят кривые МТЗ. По горизонтальной оси откладывают T — величину, пропорцио- нальную глубинности исследования (чем больше Т, тем больше глубина разведки), а по

вертикальной оси — кажущиеся сопротивления ρT xy , ρT yx и среднее

rТ =

rТ x y

rT x e

(рис.4.9). Кривые МТЗ похожи на кривые ВЭЗ. При наземных и морских работах точки МТЗ располагают либо по системам профилей, либо равномерно по площади. Расстоя- ния между точками изменяют от 1 до 10 км.

вариации электрических состав-

ляющих поля Ех и Еу на одном ба- зисном (опорном) и на одном из ря- довых пунктов изучаемой площади. Для синхронизации работ двух или нескольких станций, расположен- ных на расстоянии до 30—50 км от базисного пункта, используют радио- станции и специальные приборы, на- зываемые телевключателями. В ре- зультате обработки записей поля тел- лурических токов рассчитывают раз-

Рис. 4.9 Амплитудные кривые МТЗ

ρT xy (1), ρT yx (2), ρT (3)

ные теллуропараметры. Например, ча- ще всего определяют теллуропараметр m = d ( Ei ) / d (E0 ), где δ(Ei), δ(Ео) —

синхронные вариации поля на любой рядовой и базисной точках. Этот параметр харак- теризует относительные значения плотностей естественных токов и кажущихся сопро- тивлений в этих точках.

В отличие от МТТ при магнитовариационном профилировании (МВП) на поле-

вых и базисных пунктах регистрируют вариации магнитного поля.

При магнитотеллурическом профилировании (МТП) на полевых пунктах одно- временно регистрируют и электрические Ех, Еу, и магнитные Нх, Ну, Нz составляющие поля. Если при обработке магнитотеллурограмм выделять на всех пунктах вариации примерно одного небольшого интервала периодов колебаний, то получаемые парамет- ры поля будут характеризовать разрез примерно одной глубины. В результате обработ- ки магнитотеллурограмм для каждой точки рассчитывают так называемый импеданс (Zxy= Ex/Hy или Zyx= Ey/Hx), который характеризует обобщенный геоэлектрический разрез.

В комбинированном магнитотеллурическом профилировании (КМТП) перечис- ленные параметры изучают синхронно и на полевом, и на базисном пунктах. В целом полевые работы при магнитотеллурическом профилировании выполняют на больших площадях. Точки наблюдения располагают на расстоянии около 1 км друг от друга.

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 рас- пределением удельного электрического сопротивления пород на разных глубинах. Из- менение глубинности разведки в методе ЗС объясняют следующим образом [см. фор- мулу (4.9)]. При включении импульса тока в питающую линию или петлю электромаг- нитное ноле распространяется сначала в приповерхностных частях разреза, а в даль- нейшем проникает все глубже и глубже. При этом в среде происходят сложные пере- ходные 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. Макси- мальная 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 даль- ней от питающего диполя зоне (ЗСД) и зондирование в ближней зоне (ЗСБ), называе- мое иногда точечным (ЗСТ). При выполнении ЗСД используют дипольные установки. Расстояние r между генераторной группой и полевой лабораторией выбирают постоян- ным, в 3—6 раз большим предполагаемой глубины залегания изучаемого опорного го- ризонта (как правило, кристаллического фундамента). В результате обработки записей становления поля рассчитывают кажущиеся сопротивления по электрической ρτ E и магнитной ρτ H составляющим для разных времен становления поля t, т.е. для разных времен после включения тока в линию АВ или петлю. При этом

rtE =kE DUE (t)/ I ,

rtH

=kH DUH (t)/ I , (4.11)

где kE , kH — геометрические коэффициенты установок; ΔUE(t), ΔUH(t) — на- пряжения, 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

t= 2pt , пропорционального глубинности разведки. Кривые ЗСД строят на лога-

рифмических бланках.

В методе ЗСБ разнос r постоянен и меньше проектируемых глубин разведки. В результате обработки записей ЗСБ получают значения разностей потенциалов в прием- ной петле ΔUZ . Зная ток в питающей линии I и коэффициент установки k, рассчитыва- ют кажущееся сопротивление:

(4.12)

Далее, как и при ЗСД, строят кривые ЗСБ. Кривые ЗС похожи на кривые ВЭЗ. Существуют и другие приемы обработки ЗС. Зондирования становлением поля выпол- няют 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. Из-за небольших размеров установок ЗСБ отличается от ЗСД большей детальностью и разрешающей способно- стью.

Частотное электромагнитное зондирование. Метод частотного электромаг- нитного зондирования (ЧЗ) основан на изучении электрической или магнитной состав- ляющих электромагнитного поля, созданного в земле или электрическим диполем АВ, или петлей, которые питаются переменным током с постепенно изменяющейся часто- той. Метод ЧЗ напоминает, с одной стороны, метод ДЗ на постоянном токе, а с другой

— магнито-теллурическое зондирование и предназначен для решения тех же задач — изучения горизонтально-слоистых сред с глубинностью до 5—7 км. Как и при выпол- нении ДЗ, в методе частотных зондировании используют дипольные установки (чаще

всего экваториальные). Однако в методе ЧЗ расстояние r между питающим АВ и при-

емным MN диполями может оставаться постоянным. Принцип частотных электромаг- нитных зондировании (как и МТЗ) основан на скин-эффекте, т.е. на увеличении глуби- ны разведки с уменьшением частоты питающего тока.

Методика проведения ЧЗ сводится к измерению тока I в линии АВ и напряжения на приемном электрическом диполе Ех и магнитном диполе Hz. По этим параметрам рассчитывают кажущееся сопротивление на переменном токе

rw E

= kE

EX ,

I

rw H

= kH

EZ ,

I

(4.13)

где kE, kH — коэффициенты установок, зависящие от расстояния между диполя- ми, размеров диполей, частоты поля и числа витков в генераторной и приемной петлях. Расстояние r должно быть в 5—10 раз больше намечаемых глубин исследования, т.е. приемные установки располагают в дальней от источников поля зоне.

В результате выполнения ЧЗ на логарифмических бланках строят кривые ЧЗ для электрической и магнитной составляющих. По вертикали откладывают кажущееся со- противление, а по горизонтали — параметр, пропорциональный глубинности, — Т1/2. Кривые ЧЗ, хотя и похожи на рассмотренные выше кривые ВЭЗ, но содержат дополни-

тельные экстремумы, обусловленные структурой поля, а не влиянием слоев. Кроме ам- плитудных значений напряженности можно изучать разности фаз между EX, НZ и опорной фазой тока (φE и φH). Измерение двух компонент поля и двух сдвигов фаз де- лает интерпретацию кривых ЧЗ более точной, чем при ДЗ. В результате интерпретации определяют сопротивления и мощности отдельных горизонтов в разрезе.

Высокочастотные зондирования. Особенностью высокочастотных методов зон- дирования является применение радиоволн частотой от 10 кГц до 500 МГц. На таких частотах наблюдается сильное затухание радиоволн и высокий скин-эффект. Поэтому эти методы можно применять лишь в условиях перекрывающих пород высокого сопро- тивления (ρ > 1000 Ом·м), когда глубины разведки превышают несколько десятков метров и когда эти методы могут иметь практическое значение. Рассмотрим сущность основных высокочастотных методов зондирований.

1. Метод вертикального индукционного зондирования (ВИЗ) основан на дистан- ционном зондировании на одной из частот диапазона 10—100 кГц. Разнос между пере- датчиком и приемником, например, аппаратуры типа ДЭМП, изменяется от единиц до нескольких десятков метров. Кривые ВИЗ, которые строят так же, как кривые ВЭЗ, по- зволяют изучать горизонтально-слоистые разрезы на глубинах до 20—50 м.

2. В методе радиоволнового зондирования (РВЗ) радиополе частотой от 0,5 до 20

МГц создается передатчиком и линейной антенной, расположенной на поверхности Земли. С помощью приемника с рамочной антенной измеряют напряженность магнит- ного поля. Прямая волна, распространяясь в верхнем слое, доходит до кровли второго слоя, отличающегося по электромагнитным свойствам, и отражается от него. В резуль- тате в первом слое наблюдается интерференция (сложение) волн. Изменяя частоту по- ля, можно получать в приемнике минимумы сигнала, когда прямая и отраженная волны приходят в противофазе, и максимумы, когда волны приходят в фазе. Если в результате наблюдений построить интерференционную кривую (график зависимости напряженно- сти поля от частоты), то, анализируя минимумы и максимумы на ней, с помощью спе- циальных формул можно определить глубины залегания отражающих контактов не глубже 100 м. Метод РВЗ применяют в условиях перекрывающих пород с высоким со- противлением (лед, мерзлые породы, сухие пески и т. п.).

3. Радиолокационный метод (РЛМ), или импульсный метод радиолокации (ИМР), основан на принципе обычной радиолокации. Аппаратура для работ состоит из пере- датчика, приемника и приемно-передающих антенн. Передатчик излучает короткие (меньше 1 мкс) импульсы, которые проникают в Землю, отражаются от слоев с разны- ми электромагнитными свойствами и улавливаются приемником.

По времени запаздывания между зондирующим и отраженным импульсами t и скорости распространения радиоволн v можно определить эхо-глубину (глубину по нормали к границе) залегания отражающего контакта h = v·t / 2. Скорость распростра- нения радиоволн в воздухе примерно 300 м/мкс, а в породах с высоким сопротивлени-

отн

раз меньше (εотн — относительная диэлектрическая проницае-

Работы ИМР можно проводить с помощью как неподвижных, так и движущихся (например, на машине или самолете) дислокационных установок. Из-за сильного зату- хания высокочастотных радиоволн в перекрывающем слое ИМР можно применять в условиях очень высоких сопротивлений верхних слоев. Практически этот метод нашел применение лишь для ледовой разведки и, в частности, для определения мощности по- кровных и горных ледников. Установлено, что скорость распространения радиоволн в чистых льдах составляет 168 м/мкс, поэтому мощность льда легко определить по фор- муле h = 84t.