Электромагнитные профилирования

Общая характеристика. Электромагнитное профилирование включает большую группу методов электроразведки, в которых методика и техника наблюдений направле- ны на то, чтобы в каждой точке профиля получить информацию об электромагнитных свойствах среды примерно с одинаковой глубины. При профилировании в отличие от зондировании во всех точках наблюдения сохраняется постоянной глубинность развед- ки. Для этого выбирают постоянные или мало изменяющиеся разносы между питаю- щими или приемными линиями r изучаемые частоты f или времена t переходного про- цесса. Выбор глубинности, точнее интервала глубин изучения геологического разреза, а значит r, f, t, зависит от решаемых задач и геоэлектрических условий. Глубину изуче- ния обычно выбирают опытным путем, и она должна обеспечивать получение макси- мальных аномалий наблюденных или расчетных (например, кажущихся сопротивле- ний) параметров вдоль профилей или на площадях исследований. Таким образом, если зондирования предназначены для изучения горизонтально или полого залегающих сло- ев, то профилирования служат для исследования горизонтально-неоднородных гео- электрических разрезов, представленных крутослоистыми средами или включениями объектов с разными электромагнитными свойствами.

Теория электромагнитных профилировании построена на математическом и фи- зическом моделировании над физико-геологическими моделями, представленными од- ним или несколькими крутозалегающими пластами, а также включениями объектов правильной геометрической формы (шар, пласт, цилиндр, уступ. горст, грабен и т. д.). Интерпретация получаемых в результате профилировании графиков, карт графиков (корреляционных схем) и карт наблюденных параметров или кажущихся сопротивле- ний, как правило, качественная, реже—количественная.

Электромагнитные профилирования применяют для решения большого числа геологических задач, связанных с картированием крутозалегающих (углы падения больше 10—20°) осадочных, изверженных, метаморфических толщ, рудных и неруд- ных полезных ископаемых на глубинах до 500 м. Их используют при инженерно- геологических, мерзлотно-гляциологических, гидрогеологических и почвенно- мелиоративных исследованиях с целью выявления неоднородностей разреза по литоло- гии и глинистости, увлажненности и обводненности, разрушенности и закарстованно- сти, талому и мерзлотному состоянию, степени общей минерализации подземных вод и засоленности почв.

Метод естественного электрического поля. Метод естественного электриче- ского поля (ЕП, МЕП) или метод самопроизвольных потенциалов (ПС) основан на изу- чении локальных электрических постоянных полей, возникающих в горных породах в силу окислительно-восстановительных, диффузионно-адсорбционных и фильтрацион- ных явлений. Небольшие самопроизвольные потенциалы существуют практически по-

всеместно. Интенсивные поля наблюдаются, как правило, только над сульфидными и графитовыми залежами. Естественные электрические поля могут возникать также при коррозии трубопроводов и других подземных металлических конструкций. Интенсив- ность токов коррозии увеличивается с ухудшением гидроизоляции этих конструкций, уменьшением удельного электрического сопротивления пород и увеличением их влаж- ности. Для измерения ЕП применяют милливольтметры постоянного тока, например АЭ-72, и неполяризующиеся электроды.

Съемку естественных электрических потенциалов выполняют либо по отдельным линиям (профильная съемка), либо по системам обычно параллельных профилей, рав- номерно покрывающих изучаемый участок (площадная съемка). Направления профи- лей выбирают вкрест предполагаемого простирания прослеживаемых объектов, а рас- стояния между ними могут изменяться от 10 до 100 м и должны быть в несколько раз меньше ожидаемой длины рудных тел или иных разведываемых геологических объек- тов.

На каждом профиле равномерно размечают пункты измерения потенциалов. Рас- стояние между точками наблюдений (шаг съемки) изменяется от 5 до 50 м в зависимо- сти от масштаба съемки, характера и интенсивности электрического поля. Оптималь- ным шагом можно считать шаг, несколько меньший предполагаемой глубины залега- ния верхней кромки разведываемых объектов и сравнимый с их поперечными размера- ми. Съемку естественных потенциалов можно выполнять двумя способами: а) потен- циала, при котором измеряют разности потенциалов между одной неподвижной точкой и пунктами наблюдений изучаемого профиля или площади; б) градиента потенциала, при котором измеряют разность потенциалов между двумя электродами, расположен- ными на постоянном расстоянии друг от друга и перемещаемыми одновременно по профилям. В зависимости от масштаба съемки и категории местности отряд из двух- трех человек отрабатывает за смену от 50 до 300 точек наблюдений. Особенно высокую производительность получают при непрерывной съемке способом градиента потенциа- ла с движущейся лодки или плота.

По результатам измерений естественных потенциалов строят графики потенциа-

лов. При этом по горизонтальной оси откладывают точки наблюдения, по вертикальной

— потенциалы самопроизвольной поляризации (вверх — положительные, вниз — от- рицательные). По данным съемок строят также карты графиков и карты равных значе- ний потенциалов. На них выделяют аномалии, соответствующие объектам с повышен- ной электрохимической активностью.

Электропрофилирование методом сопротивлений. Электрическое профилиро- вание или электропрофилирование (ЭП)—это модификация метода сопротивлений, при которой вдоль заданных направлений (профилей) измеряют кажущееся сопротивление с помощью установок постоянного размера (разноса питающей линии АВ), а значит, и примерно постоянной глубинности. Под глубинностью метода сопротивлений пони- мают глубину, на которую проникает основная часть электрического тока. Эта глубина тем больше, чем больше выбранное расстояние между питающими электродами. В тео- рии электроразведки доказано, что в однородной среде свыше 70% всего тока, подво- димого к двум электродам А и В, проходит не глубже, чем расстояние между А и В (разнос питающих электродов). Глубина проникновения тока будет больше, если рас- положенные под верхним слоем породы лучше проводят электрический ток, и, наобо- рот, меньше, если подстилающие породы характеризуются высоким сопротивлением. В среднем глубинность электроразведки методом сопротивлений составляет от 1/3 до

1/10 разноса АВ. Оптимальный (рабочий) разнос электропрофилирования зависит от решаемых задач и строения геоэлектрического разреза. Его выбирают по данным ВЭЗ и опытных работ ЭП с разными разносами.

При электропрофилировании используют переносную электроразведочную аппаратуру (АЭ-72, АНЧ-3 и др.) и различные установки. Простейшей установкой для ЭП является симметричная AMNB, когда все электроды AMNB с соединяющими их проводами по- следовательно перемещают вдоль линии наблюдений и через постоянные расстояния

Рис.4.10 График кажущегося сопротивления по данным симметричного профилирования AMNB; а—график ρк; б—геологический разрез.

1 — изверженные породы; 2 — сланцы; 3 — известняки, 4 — наносы;

5 — удельное электрическое сопротивление, Ом-м; 6 — токовые линии

измеряют кажущиеся сопротивления (взаимные расстояния между электродами во всех пунктах измерения остаются постоянными). Рассмотрим пример (рис.4.10). В точке I неглубоко под наносами залегают непроводящие изверженные породы, которые отжи- мают ток к поверхности. Поэтому вблизи приемных электродов MN увеличивается плотность тока и ρк будет больше сопротивления наносов [см. формулу (4.7)]. В точке II, где глубина залегания изверженных пород большая, ρк будет близко к сопротивле- нию наносов. В точке III под наносами залегают хорошо проводящие ток глинистые сланцы, которые втягивают токовые линии. Поэтому вблизи MN уменьшается плот- ность тока и ρк становится значительно меньше, чем сопротивление верхнего слоя.

По графику ρк (по горизонтали откладывают точки наблюдений, а по вертикали

— полученные ρк) можно судить о геоэлектрическом разрезе, местоположении контак-

тов пород с разными удельными сопротивлениями. Больше информации по сравнению

с установкой AMNB дает электропрофилирование установкой с двумя питающими ли- ниями: AA'MNB'B. Обычно АВ/А'В' = 2—4, MN ≤ A'B'/2. В результате строят два гра- фика ρк. В сложных геологических условиях выполняют электропрофилирование с не- сколькими питающими линиями. Для выявления пластовых залежей используют трех- электродные и дипольные установки. Применяют и другие установки, электропрофи- лирования.

При электропрофилировании любой установкой профили прокладывают вкрест предполагаемого простирания структур или искомых объектов. Шаг установки, т.е.

расстояние между соседними точками наблюдений, обычно берут равным MN и не- сколько меньшим ожидаемой ширины разведываемых геологических объектов. В зави- симости от типа установки, глубинности разведки (размера АВ), категории местности, масштаба съемки отряд из четырех — семи человек отрабатывает за смену от 20 до 200 точек электропрофилирования. В результате электропрофилирования кроме графиков ρк строят карты графиков ρк , а также карты сопротивлений для каждого разноса пи- тающих электродов. Их интерпретация дает возможность выявить объекты, различаю- щиеся по удельному электрическому сопротивлению.

Электропрофилирование методом вызванной поляризации. При электропро- филировании методом вызванной поляризации (ВП или ЭП-ВП) работы вдоль профи- лей наблюдений выполняют установками с постоянными разносами. При этом наряду с ρк рассчитывают ηк = (∆UВП/∆U)·100 %, где ∆UВП , ∆U — разности потенциалов на приемных электродах через 0,5 с и во время пропускания тока в питающую линию, а также скорость спада ∆UВП (рис.4.11).

циальных электроразведочных стан- ций или переносных одно- или мно- гоканальных приборов. Работы про- водят теми же установками, что и в методах сопротивлений (трех-, че- тырехэлектродные и др.).

При замерах над однородной средой получают истинную поляри-

Рис.4.11 График зависимости ∆UMN от време-

ни после выключения тока в АВ.

Ток в AB: I — включен; II — выключен

зуемость η, а при измерениях над неоднородной — кажущуюся поля-

ризуемость ηк. Величина ηк является сложной функцией поляризуемо-

стей, сопротивлений и геометрических параметров разведываемых объектов и вме-

щающей среды. В результате ВП строят графики, карты графиков и карты ηк , на кото- рых при интерпретации выявляют аномалии. К ним приурочены объекты с аномальной поляризуемостью.

Метод переменного естественного электромагнитного поля. К электропрофи- лированию, основанному на использовании естественных переменных электромагнит- ных полей атмосферного происхождения, относят методы переменного естественного электрического (ПЕЭП) и магнитного (ПЕМП) полей. В методе ПЕЭП с помощью мил- ливольтметров типа АНЧ-3 и двух заземленных на расстоянии 10—20 м друг от друга приемных электродов MN за период 20—30 с измеряют среднюю напряженность элек- трического поля Еср= ∆UMN /MN. Она пропорциональна некоторому кажущемуся со- противлению среды на глубине, соответствующей применяемой частоте. При наиболее часто используемой частоте 10—20 Гц глубинность подобного профилирования со- ставляет в разных геоэлектрических условиях несколько сотен метров.

Если проводить съемки ПЕЭП по профилям с шагом 10— 20 м или равномерно по площади (направления MN должны во всех точках быть одинаковыми), то по графикам и картам Еср можно выявлять горизонтальные неоднородности по электропроводности. Сходным образом с помощью рамочных антенн можно измерять различные состав- ляющие магнитного поля (ПЕМП), отличающиеся простотой наблюдений вследствие

отсутствия заземлений. Интерпретируя аномалии ПЕЭП или ПЕМП на графиках и кар- тах, можно получать информацию для средне- и крупномасштабного геологического картирования.

Низкочастотное гармоническое профилирование. Низкочастотные гармониче- ские методы (НЧМ) включают большую группу методов электромагнитного (индукци- онного) профилирования, в которых поле на одной из частот интервала 10 Гц — 10 кГц создают с помощью либо заземленного на концах длинного (до 30 км) кабеля (ДК), ли- бо большой (диаметром до 3 км) незаземленной петли (НП), либо рамочной антенны (диаметром до 1 м), как, например, в дипольном индукционном (ДИП) или дипольном электромагнитном (ДЭМП) профилировании.

В геологической среде первичное поле, с одной стороны, искажается неоднород- ностями, а с другой — создает вторичное индукционное вихревое поле. Суммарное электромагнитное поле, несущее в себе информацию о геоэлектрических неоднородно- стях, можно изучать различными приемами. Например, можно измерять амплитудные значения электрических и магнитных компонент с помощью разного рода микровольт- метров (МКВЭ), изучать отношения амплитуд и разности фаз посредством так назы- ваемых афиметров (АФИ), определять элементы эллипса поляризации поля (ЭПП) и т.д.

Сокращенные названия методов индуктивного профилирования складываются из сокращенных названий способов возбуждения и измерения поля. Основные методы, используемые в индуктивной электроразведке: ДК-АФИ, ДК-ЭПП, НП-АФИ, ДИП- АФИ, ДИП-ЭПП и др. Глубинность НЧМ тем больше, чем ниже частота используемого поля, выше сопротивление вмещающих пород, больше размеры ДК или НП и расстоя- ния между питающими и приемными рамками в ДИП. В зависимости от решаемых за- дач и геоэлектрических условий выбирают частоту поля, метод, размеры установки, масштаб и систему наблюдений.

Съемку в НЧМ проводят по системам профилей, отстоящих друг от друга на рас- стояниях 50—500 м и направленных перпендикулярно к простиранию геологических структур и кабелю или стороне петли (внутри и вне петли). Точки наблюдения на про- филях, длина которых обычно меньше длины кабеля и стороны петли, разбивают не ближе 50—100 м от токонесущих проводов и располагают через 20—200 м друг от дру- га. Если в методах ДК и НП по мере удаления от кабеля или стороны петли глубин- ность несколько увеличивается, то в методе ДИП при постоянном разносе (обычно он изменяется в пределах от 20 до 200 м) между генераторной рамкой и точкой наблюде- ния она постоянна.

В результате НЧМ строят графики, карты графиков и карты наблюденных пара- метров поля, интерпретация которых позволяет выделить аномалии над неоднородны- ми по сопротивлению геологическими объектами.

Метод переходных процессов. Метод переходных процессов (МПП) по физиче- ской природе является индуктивным, т.е. близок к НЧМ, но отличается применением не гармонических, а импульсных полей. В качестве генераторных линий используют незаземленные петли (НП-МПП) или рамочные антенны (ДИП-МПП), через которые пропускают кратковременные (длительностью до 50 мс) импульсы постоянного тока. В той же или другой петле (или рамке) измеряют переходные процессы, т.е. величины электродвижущей силы U(t) на временах t в пределах от 10 до 50 мс.

Методика НП-МПП и ДИП-МПП такая же, как в НП и ДИП в рассмотренных выше методах НЧМ. В результате работ МПП строят графики и карты U(t)/I, где I — амплитуда тока в петле при постоянном t, что и обеспечивает постоянство глубинности во всех точках.

Аэроэлектроразведка. Разновидностью индуктивных методов электроразведки является воздушная электроразведка. Существует несколько вариантов аэроэлектро- разведки. Все они основаны на измерении магнитной компоненты поля.

1. Одним из распространенных методов аэроэлектроразведки является метод бес- конечно длинного кабеля (БДК-А), в котором первичное поле создают переменным то- ком частотой до 1000 Гц, протекающим по заземленному на концах длинному кабелю (до 40 км). Кабель укладывают вдоль предполагаемого простирания пород. Измери- тельную станцию (например, станцию АЭРО-58) помещают на самолете или вертолете, который летает на небольшой высоте (50—500 м) по профилям длиной до 25 км, пер- пендикулярным к кабелю и расположенным на расстояниях 150—500 м друг от друга. Горизонтальные (перпендикулярные к кабелю) амплитудные и фазовые компоненты магнитного поля измеряют автоматически. Материалы обрабатывают с помощью ЭВМ, что сводится к построению карт графиков наблюденных компонент или рассчитанных по ним кажущихся (эффективных) сопротивлений и выявлению на них зон повышен- ных и пониженных сопротивлений.

2. В аэроварианте дипольного индукционного профилирования (ДИП-А) генера- торную рамочную антенну располагают на самолете или вертолете, а измерительные рамки находятся либо на втором самолете или вертолете, летящем на расстоянии 100—

500 м, либо в выносной гондоле на кабель-тросе- длиной до 150 м. Высота полетов

50—250 м, расстояния между профилями 100—500 м, рабочие частоты выбирают в ин- тервале от 0,2 до 3 кГц. В результате обработки получаемых при автоматической запи- си графиков и карт графиков наблюденных параметров ведут крупномасштабное гео- логическое картирование и поиск проводящих руд.

3. В аэроварианте метода переходных процессов (АМПП) генераторную рамку располагают на вертолете, а в выносной гондоле на кабель-тросе длиной до 50 м поме- щают приемную рамку для измерения E(t). Высота полетов 50—100 м, расстояния ме- жду профилями около 100 м. По результатам обработки получаемых при автоматиче- ской записи сигналов ведут поиск массивных проводящих руд.

Радиоволновое профилирование. К радиоволновому профилированию (РВП) от- носят радиокомпарационную съемку на сверхдлинных волнах (СДВР) или радиоэлек- тромагнитное профилирование (РЭМП). При радиокомпарационной съемке на каждой точке измеряют вертикальную Hz и максимальную горизонтальную Нp составляющие радиополя. Профили разбивают вкрест предполагаемого простирания слоев. Расстоя- ние между точками измерений изменяется от 20 до 50 м, а при детализации может быть и меньшим. Замеры на каждой точке проводят быстро (около 1 мин), поэтому произво- дительность радиокомпарационного метода велика (100—300 точек в смену). Съемку можно вести и с движущегося транспорта (машины, самолета).

В результате строят графики Hz, Hp вдоль профилей наблюдений. Над однород- ной по электромагнитным свойствам (ρ, ε, μ) средой Ну остается постоянной, a Hz=0. Наличие границ раздела слоев с разными электромагнитными свойствами или прово- дящих ток рудных жил приведет к искажению поля.

Радиоэлектромагнитное профилирование (РЭМП) отличается от СДВР измерени-

ем и электрических, и магнитных составляющих радиополя.

Сверхвысокочастотное профилирование. Сверхвысокочастотные методы элек-

троразведки включают: радарную съемку (длины изучаемых радиоволн изменяются от

1 мм до 1 м), при которой изучают либо естественное излучение земной поверхности [пассивная радиолокация, радиотепловая (РТС) или инфракрасная (ИКС) съемки], либо отраженные от нее радиоволны [активная радиолокация или радиолокационная (РЛС) съемка]. Работы ведут в основном с летательных аппаратов (спутники, самолеты, вер-

толеты) с помощью специальной автоматической (телеметрической или регистрирую-

щей) аппаратуры.

Пьезоэлектрические методы. К пьезоэлектрическим относят геофизические ме- тоды, находящиеся на стыке между электроразведкой и сейсморазведкой (см. гл.1). Сущность этих методов сводится к возбуждению упругих волн с помощью взрывных или невзрывных источников и изучению упругих волн, как при сейсморазведке, и элек- тромагнитных сигналов, как в импульсных методах электроразведки. Пьезоэлектриче- ские методы основаны на пьезо- и сейсмоэлектрических эффектах (ПЭЭФ и СЭЭФ), существующих в породах с повышенными пьезоэлектрическими модулями. На разли- чии названных эффектов основаны два ведущих пьезоэлектрических метода: собствен- но пьезоэлектрический метод (ПЭМ), применяющийся при изучении кристаллических пород, и метод сейсмоэлектрических потенциалов (МСЭП), использующийся при изу- чении осадочных пород.

Методика и техника наземных работ в пьезоэлектрическом методе сходны с тако- выми при наземной сейсморазведке. Возбуждение упругих волн осуществляют с по- мощью небольших взрывов (подрыв электродетонаторов, детонирующего шнура и т.п.) или ударов. При прохождении упругих волн в породах с повышенным пьезоэлектриче- ским эффектом генерируются электромагнитные колебания звуковых частот. Наряду с упругими колебаниями, улавливаемыми сейсмоприемниками, в методе ПЭМ изучают электрические Е составляющие поля с помощью заземленных линий MN, реже магнит- ные — посредством рамочных антенн. Для работ используют шести- и восьмиканаль- ные станции, мало отличающиеся от обычных сейсмических станций. Сейсмоприемни- ки и датчики Е или Н располагают рядом. Расстояния между соседними пунктами воз- буждения и измерения изменяются от 2 до 20 м.

В наземном варианте ПЭМ используют продольное, непродольное и круговое профилирование. Для детализации аномалий наблюдения проводят по профилям, про- ходящим вкрест и вдоль аномалий. Расстояние между профилями должно быть в 2—4 раза меньше предполагаемой длины разведываемого объекта.

При обработке пьезоэлектросейсмограмм, т.е. записей упругих и электромагнит- ных волн в ПЭМ, определяют времена первых вступлений и максимальные амплитуды упругих и электромагнитных импульсов. Далее строят графики амплитуд и графики отношений амплитуд электромагнитной и упругой волн. Методика и техника работ при изучении сейсмоэлектрических потенциалов такая же, как и в пьезоэлектрическом ме- тоде. Различие лишь в природе возбуждаемых электромагнитных полей. Интерпрети- руя материалы ПЭМ и МСЭП, выявляют геологические объекты с повышенными пье- зоэлектрическими модулями.