Методи електророзвідки на постійному струмі

Основними методами постійного струму є методи опорів, які діляться на електропрофілювання (ЕП) і електричне зондування (вертикальне – ВЕЗ і дипольне ДЗ). Окрім цього до даної групи відносяться також підземні, об’ємні чи шахтно-свердловинні методи – зарядженого тіла (заряду), занурених електродів, електричної кореляції та ін. В даній групі штучних методів електророзвідки використовуються не тільки постійні поля, але і змінні низькочастотні (f<20 Гц), для яких при малих розмірах установок справедлива теорія постійних полів.

Позірний опір.Сутність методів опорів (ЕП, ВЕЗ, ДЗ) зводиться до визначення позірних опорів шляхом виміру різниці потенціалів на приймальних електродах і сили струму в живильній лінії. Із розв’язку прямих задач для стаціонарних електричних полів різних джерел над однорідним провідним напівпростором випливають формули для визначення його питомого опору r. В методах опору за цими ж формулами розраховується позірний опір r_П, що характеризує аномальне поле, зумовлене неоднорідною будовою напівпростору.

Позірний опір r_П неоднорідного середовища – це дійсний питомий опір такого фіктивного однорідного ізотропного середовища, в якому при заданій геометрії розташування живильних (А і В) і приймальних (M і N) електродів і силі струму I на приймальних електродах створюється різниця потенціалів DU, рівна виміряній в неоднорідному середовищі. Позірний опір r_П має розмірність омметр (Ом×м) і визначається за формулою

,

де I – величина струму, що пропускається в землю через живильні електроди А і В, DU – різниця потенціалів, яка зареєстрована між вимірювальними електродами M і N в момент перебігу струму; K– коефіцієнт установки (геометричний коефіцієнт, який має розмірність у метрах). У випадку довільного розташування живильних і приймальних електродів коефіцієнт установки визначається:

,

де AM, AN, BM, BN – відстані між відповідними електродами.

Позірний опір підпорядковується принципу взаємності, який формулюється наступним чином: величина позірного опору, виміряного любою чотириелектродною установкою, залишається без зміни, якщо приймальні і живильні електроди змінити місцями.

В методах електричного зондування вивчається залежність позірного опору від розносу установки, яким регулюється глибинність дослідження. Таким чином, маючи дистанційну залежність позірного опору (криву зондування), можна отримати інформацію про зміну електричних властивостей геоелектричного розрізу з глибиною. Отже основною задачею електричних зондувань є вивчення залежності питомого опору порід з глибиною, і, на цій основі, розчленування геоелектричного розрізу на окремі горизонти, що різняться за питомими опорами. Для методів електричних зондувань найбільш сприятливим геоелектричним розрізом є горизонтально-шаровий, або близький до нього.

Основною задачею електричного профілювання є дослідження зміни електричних властивостей геоелектричного розрізу в горизонтальному напрямку (по латералі), причому на приблизно одному і тому ж глибинному рівні. Вирішення цієї задачі досягається вимірами позірного опору установками, які переміщуються по профілю без зміни їх геометрії, тобто розносу. Зрозуміло, що для електричного профілювання найбільш сприятливою моделлю розрізу є вертикально-шарова.

Вертикальне електричне зондування (ВЕЗ). Вертикальне електричне зондування виконується симетричною чотириелектродною установкою AMNB, в якій MN£1/3АВ. Ця модифікація методу опорів була запропонована французьким вченим К. Шлюмберже на початку 20-х років XX-го сторіччя. Вона і тепер залишається однією із найпоширеніших в електрометричній практиці при вирішенні геолого-зйомочних, геолого-пошукових, інженерно-геологічних, гідрогеологічних та екологічних задач.

Методика робіт. Техніка виконання зондувань досить проста. На поверхні землі збирається установка, яка складається із двох живильних електродів А і В та двох вимірювальних (приймальних) електродів M і N, що розташовані симетрично відносно центра (рис. 3.11). Через електроди А і В від батарей чи генератора пропускають в землю електричний струм, який спричинює появу різниці потенціалів на приймальних електродах MN. Виконавши за допомогою вимірювального приладу виміри струму I і різниці потенціалів DU, розраховують позірний опір r_П за раніше наведеною формулою, в якій коефіцієнт K симетричної установки визначається :

.

Виконавши розрахунок позірного опору, збільшують розмір живильної лінії АВ і повторюють виміри. Так на одній стоянці центра установки О виконують 20-25 подібних вимірів.

Рисунок 3.11 Схема установки ВЕЗ з автокомпенсатором

Б – батарея; П – автокомпенсатор; М_Т – мітки; К – котушки з проводом

Конструктивно установка ВЕЗ складається із двох ідентичних ліній АО і ВО (рис. 3.11) із проводу марки ГПСМО, намотаних на дві котушки. На проводах мітками позначені відповідні розноси АВ/2. Кожний наступний рознос більший попереднього приблизно в 1,2 рази. Внутрішні кінці проводів, намотаних на котушку, за допомогою штепсельних розйомів чи ковзаючих контактів під’єднані до контуру, що з’єднує ці проводи з приладом і батареєю. Приймальна лінія MN безпосередньо під’єднується до гнізд MN панелі приладу. Живильні електроди представляють собою стальні, а приймальні, як правило, латунні чи мідні стрижні. Для зменшення перехідного опору заземлень А і В при їх облаштуванні використовують декілька електродів, з’єднаних одним проводом.

Зі збільшенням розносу АВ сигнал слабшає. Ця обставина вимагає переходу на більшу за розміром лінію MN. При виконанні ВЕЗ, як правило, використовують декілька приймальних ліній різних розмірів. Таким чином приймальна лінія фактично являє собою косу, що складається із декількох ліній MN. Під час переходу з меншої за розміром лінії MN на більшу роблять перекриття на двох розносах АВ/2, на яких виміри виконують обома лініями MN. Перекриття вважається якісним, коли розходження вимірів позірного опору не перевершують 5 %. Наявність значного розходження свідчить про присутність горизонтальних неоднорідностей в даній точці ВЕЗ. Інколи це вимагає зміни положення центра установки (точки ВЕЗ) на профілі.

Результати вимірів та розрахунків записують у журнал і зображують графічно на подвійному логарифмічному бланку модуля 6,25 см у вигляді залежності позірного опору r_П від напіврозносу установки АВ/2 (рис.3. 12). Ця залежність називається кривою ВЕЗ.

Крива позірного опору якісно відображає зміну питомого опору розрізу по вертикалі. Горизонти підвищеного і зниженого опору на кривій ВЕЗ теж відмічаються підвищеними і зниженими значеннями позірного опору. Крива ВЕЗ, зображена на рис. 3.12, свідчить про те, що геоелектричний розріз складається із чотирьох горизонтів з наступним співвідношенням їх питомих опорів: r₁<r₂>r₃<r₄.

Рисунок 3.12 Крива позірного опору

Криві електричного зондування є основною вихідною інформацією, яка підлягає кількісній інтерпретації по визначенню питомих опорів і потужностей горизонтів.

Теоретичні криві ВЕЗ.В любому геофізичному методі для розробки системи кількісної інтерпретації експериментальних даних необхідно мати рішення прямої задачі в рамках якоїсь формалізованої моделі. Для методу ВЕЗ пряма задача полягає в отриманні алгоритму розрахунку кривих ВЕЗ для горизонтально-шарової моделі геоелектричного розрізу з довільною кількістю горизонтів. Розв’язок цієї задачі ґрунтується на визначенні електричного поля точкового джерела на поверхні довільного горизонтально-шарового розрізу, що складається із n горизонтів з потужностями h₁, h₂ ,…, h_n-1, h_n=¥ і питомими опорами r₁, r₂,…, r_n-1, r_n.

Рисунок 3.13 Палетка двошарових кривих ВЕЗ

r₂/r₁=1/9 – шифр кривих

Розраховані теоретичні криві ВЕЗ будують на логарифмічних бланках у відносному зображенні: .

Такі побудови теоретичних кривих ВЕЗ називаються палетками. Приклад дво- і тришарових палеток приведений на рисунках 3. 13, 3. 14.

Криві ВЕЗ мають асимптоти на малих (r®0) і великих (r®¥) розносах:

,

де r – рознос установки (r=AB/2), r₁ і r_n – питомі опори першого і останнього горизонтів; - сумарна поздовжня провідність провідної частини розрізу.Розраховані теоретичні криві ВЕЗ будують на логарифмічних бланках у відносному зображенні: . Такі побудови теоретичних кривих ВЕЗ називаються палетками. Приклад дво- і тришарових палеток приведений на рисунках 3.13, 3.14.

Криві ВЕЗ мають асимптоти на малих (r®0) і великих (r®¥) розносах:

,

де r₁ і r_n – питомі опори першого і останнього горизонтів; - сумарна поздовжня провідність провідної частини розрізу.

Рисунок 3.14 Палетка тришарових кривих ВЕЗ

r₂/r₁=1/9, r₃=r₁, цифри в колах - n₂=h₂/h₁ ( шифр кривих)

Асимптота кривої ВЕЗ на великих розносах для випадку, коли основою розрізу є ізолятор (r_n®¥), залежить від S розрізу. В логарифмічному зображенні вона має вигляд прямої висхідної лінії, нахиленої під кутом 45° (рис. 3.13). При виконанні електричних зондувань над такими розрізами ознакою закінчення зондування є вихід трьох значень r_П на асимптоту S. По асимптоті S досить просто визначити надзвичайно важливу узагальнену характеристику розрізу, якою є його сумарна поздовжня провідність. Для цього проводиться лінія S (пряма під кутом 45°), визначаються координати AB/2 і довільної точки на цій лінії і обчислюється їх відношення, тобто _.

Криві ВЕЗ, як і геоелектричні розрізи, відрізняються за типами. Принцип типізації кривих ВЕЗ такий же, як і для геоелектричних розрізів. Тришарові криві ВЕЗ мають типи Н, А, K і Q (рис. 3.15). Тип багатошарових кривих ВЕЗ визначається аналогічно типам багатошарових розрізів. Так, зображена на рис. 3.12 чотиришарова крива має тип KН, оскільки вона відображає співвідношення питомих опорів, характерне для цього типу розрізу.

Аналіз розрахунків кривих ВЕЗ для різних геоелектричних розрізів свідчить, що їм властива еквівалентність, яка полягає у наявності практичної відповідності однієї кривої ВЕЗ певній множині геоелектричних розрізів з різними параметрами проміжних горизонтів.

Для тришарових розрізів вирізняють еквівалентність за поздовжньою провідністю S₂=h₂/r₂ і за поперечним опором T₂=h₂r₂ проміжного горизонту. Еквівалентність по S₂ характерна для розрізів типу Н і А, а по T₂ – для розрізів типу К і Q. Два розрізи типу Н чи А вважаються еквівалентними, якщо у них однакові поздовжні провідності проміжного горизонту, тобто h₂/r₂= h^’₂/r^’₂ (при умові, що h₁,r₁ і r₃ однакові для обох розрізів). Відповідно, два розрізи типу К чи Q еквівалентні, якщо h₂r₂= h^‘₂r^‘₂.

Рисунок 3.15 Типи тришарових кривих ВЕЗ

Оскільки принцип еквівалентності є практичною категорією (різниця між кривими ВЕЗ для еквівалентних розрізів завжди має місце, але вона незначна, наприклад до 5 %), то існують межі дії цього принципу. Зокрема, при значній потужності проміжного горизонту принцип еквівалентності практично не діє, а при малопотужному проміжному горизонті він має досить широкі межі своєї дії. Наявність еквівалентності призводить до неоднозначності в інтерпретаційному процесі. А тому для регуляризації процесу кількісної інтерпретації кривих ВЕЗ вельми бажано заздалегідь знати один із параметрів проміжних горизонтів – потужність чи питомий опір. Частіш за все закріплюють питомий опір.

Інтерпретація результатів електричних зондувань. Розрізняють якісну і кількісну інтерпретацію даних електричних зондувань.

Якісна інтерпретація кривих ВЕЗ спрямована на визначення загальних закономірностей геологічної будови досліджуваного району та оцінки імовірних зон знаходження тих чи інших геологічних структур. Методи якісної інтерпретації засновані на зв’язку між особливостями будови геоелектричного розрізу і параметрами кривих електричних зондувань. Зазвичай на етапі якісної інтерпретації виконують побудову різних карт і графіків, а саме: а) карти типів кривих зондувань; б) карти ізоом; в) вертикальні розрізи ізоом; г) карти ізоліній сумарної поздовжньої провідності та ін.

Карти типів кривих зондувань представляють собою схематичні карти, що показують розподіл областей розповсюдження однотипових кривих ВЕЗ. Ці карти несуть інформацію про особливості загальної геологічної будови району досліджень.

Карти ізоом позірних опорів – карти ізоліній позірного опору, побудовані в горизонтальній площині за значеннями r_п для фіксованого розносу установки. Така карта (чи набір карт для різних розносів) якісно відображає зміну електричних властивостей розрізу в горизонтальному напрямку на приблизно однаковому глибинному рівні.

Вертикальний розріз ізоом – це карта ізоом, яка будується у вертикальній площині, що проходить вздовж профілю дослідження. Для її побудови на вертикальних осях кожної точки ВЕЗ, розташованої на профілі, виписують значення позірних опорів, що відповідають фіксованим глибинам, кількісно рівним АВ/2 (як правило ці глибини відкладають в логарифмічному масштабі). Потім проводять ізолінії рівних значень r_п. Отриманий вертикальний розріз якісно відображає особливості реального геоелектричного розрізу. Для більшої виразності він може бути розфарбованим з різною кольоровою тональністю у відповідності зі значеннями r_п. По такому розрізу встановлюються зони розповсюдження високоомних і провідних горизонтів, напрямок падіння верств розрізу, за наявністю вузьких високоградієнтних областей визначається присутність розломів і т. ін.

Карти ізоліній сумарної поздовжньої провідності S. Ці карти будуються при площових дослідженнях методом ВЕЗ за результатами визначення сумарної поздовжньої провідності по асимптотичним гілкам кривих зондувань (методика визначення розглянута вище). Карти S відображають зміну сумарної потужності Н надопорної провідної частини геоелектричного розрізу, тобто глибини до поверхні непровідної (r_n®¥) основи. При постійному (чи малозмінному) значенні середнього поздовжнього опору r_l на площі досліджень карти S можуть бути трансформовані в карти глибин по алгоритму H=Sr_l. Значення r_l визначають за результатами параметричних ВЕЗ на свердловинах: r_l=H₀/S₀, де H₀ – потужність надопорної частини розрізу, яка відома за даними буріння; S₀ – сумарна поздовжня провідність розрізу, визначена по параметричній кривій ВЕЗ.

На етапі якісної інтерпретації можуть виконуватися і інші побудови, наприклад карти ізоліній ординат і абсцис екстремальних точок кривих ВЕЗ ( _, , (AB/2)_min, (AB/2)_max), які дають якісну уяву про зміну потужності проміжного горизонту.

Кількісна інтерпретація кривих ВЕЗ. Задачею кількісної інтерпретації кривих ВЕЗ є визначення потужностей і питомих опорів геоелектричних горизонтів. Варті уваги два основних способи кількісної інтерпретації – палетковий та автоматизованого підбору (або машинний чи комп’ютерний).

Палетковий спосіб інтерпретації кривих ВЕЗ. Палетка – це логарифмічний бланк, на якому побудована низка розрахованих теоретичних кривих ВЕЗ у відносному функціональному зображенні , де r=AB/2 (приклади палеток наведені на рис. 3.13, 3.14). Для палеткової інтерпретації використовується двошарова та, як правило, набір (альбом) тришарових палеток. Кожна палеткова крива електричного зондування має свій шифр. Для двошарової палетки – це значення модуля m₂=r₂/r₁ (відносного опору другого горизонту), а для тришарової – значення трьох модулів: m₂=r₂/r₁ і m₃=r₃/r₁ та n₂=h₂/h₁ (відносної потужності проміжного горизонту). Модулі m₂ і m₃ тришарової палетки можна вважати шифром самої палетки, оскільки їх значення однакові для всіх кривих, зображених на ній.

Процес інтерпретації полягає у графічному співставленні польової кривої ВЕЗ з палетковими і підборі, на цій основі, такої теоретичної кривої, яка найкраще співпадає з експериментальною. Параметри геоелектричного розрізу, що відповідають підібраній теоретичній кривій, являються результатом формальної кількісної інтерпретації.

Практична реалізація палеткової інтерпретації дво- та тришарових польових кривих ВЕЗ полягає у наступному. Попередньо експериментальна крива будується на прозорому логарифмічному бланку модуля 6,25 см. Потім цей бланк розташовують поверх відповідної палетки і шляхом його переміщення по палетці (зберігаючи паралельність осей бланка і палетки) добиваються найкращого графічного суміщення експериментальної кривої з однією із теоретичних кривих палетки. Після виконання цієї дії на прозорому бланку відмічають початок координат палетки, яким є точка перетину її одиничних осей r/h₁=1 і r_П/r₁=1, і фіксують значення модулів шифру палеткової кривої, суміщеної з експериментальною (для двошарової кривої – це значення m₂, а для тришарової – значення трьох модулів: m₂, m₃ і n₂). В подальшому параметри першого горизонту h₁ і r₁ визначають як значення, відповідно, абсциси і ординати перенесеної на прозорий бланк точки початку координат палетки, а параметри наступних горизонтів розрізу розраховують: r₂=m₂r₁, h₂=n₂h₁, r₃=m₃r₁. Для двошарової кривої обмежуються розрахунком лише r₂.

При неможливості суміщення експериментальної і теоретичної кривих добиваються найкращого розташування польової кривої між двома сусідніми палетковими. В цьому випадку значення модуля n₂ підібраної теоретичної кривої визначають шляхом інтерполяції в межах значень модулів палеткових кривих, між якими розташувалася експериментальна.

Досить часто при інтерпретації тришарових кривих приходиться виконувати графічне суміщення не повних кривих, а лише їх початкових і середніх частин. Ця обставина пов’язана з обмеженістю спектра значень модуля m₃=r₃/r₁ в альбомах тришарових палеток.

При інтерпретації тришарових кривих ВЕЗ доводиться із альбому палеток вибирати одну, яку використовують для графічних співставлень з експериментальною кривою. Виконання такого вибору вимагає знання модулів m₂=r₂/r₁ і m₃=r₃/r₁ необхідної палетки. Значення цих модулів оцінюють шляхом попередньої інтерпретації двошаровою палеткою початкової малорозносної гілки експериментальної кривої ВЕЗ та візуальної оцінки r₃ за асимптотичною гілкою даної кривої на великих напіврозносах АВ/2.

Отримані результати інтерпретації тришарових кривих ВЕЗ носять формальний характер, оскільки вони можуть знаходитися в межах дії принципу еквівалентності. А тому при апріорі відомому (закріпленому) значенні питомого опору проміжного горизонту r¢₂ необхідно уточнити отриману в результаті інтерпретації потужність h₂ згідно принципу еквівалентності: - для кривих Н і А; - для кривих K і Q.

Палеткова інтерпретація багатошарових кривих зондувань ґрунтується на апроксимації цих кривих рядом тришарових (чи їх елементів). Спочатку на експериментальній кривій виділяють її ліву тришарову гілку, що відповідає відносно невеликим розносам, і інтерпретують її за методикою інтерпретації тришарових кривих, визначаючи h₁, r₁, h₂ і r₂. В подальшому перші два горизонти замінюють одним еквівалентним шаром, параметри якого h_е і r_е визначаються в залежності від типу початкового розрізу:

для типу Н: ;

для типу Q:

для типу А: ,

;

для типу K: .

Наведені формули дозволяють розраховувати координати так званих характерних еквівалентних точок. Ці точки потім наносяться на прозорий логарифмічний бланк з експериментальною кривою. Коефіцієнти h і e у формулах є емпірично-функціональними, перший залежить від модулів m₂=r₂/r₁ і n₂=h₂/h₁ розрізу, а другий – від коефіцієнта макроанізотропії двох горизонтів . Для визначення коефіцієнтів h і e існують спеціальні номограми, побудовані на основі емпіричних досліджень. В більшості альбомів тришарових палеток є допоміжні палетки, за допомогою яких можна спочатку встановлювати положення характерних еквівалентних точок на прозорому логарифмічному бланку, а потім визначати їх координати h_e і r_e. В деяких альбомах характерні еквівалентні точки кожної кривої нанесені безпосередньо на бланк палетки, що дозволяє в процесі інтерпретації досить просто виконувати еквівалентні заміни шляхом перенесення цих точок на прозорий логарифмічний бланк з експериментальною кривою.

Отже, виконавши еквівалентну заміну перших двох горизонтів, наносять характерну еквівалентну точку (h_e,1, r_e,1) на прозорий бланк і, виділивши на експериментальній кривій ВЕЗ тришаровий фрагмент, що відповідає розрізу з параметрами h_e,1, r_e,1, h₃, r₃, r₄ інтерпретують його, визначаючи h₃ і r₃. В подальшому знову виконавши заміну горизонтів h_e,1, r_e,1, h₃, r₃ на еквівалентний горизонт h_e,2, r_{e,2 ,} інтерпретують наступний тришаровий фрагмент експериментальної кривої зондування, визначаючи h₄, r₄ і т. д. Таким чином, вдається послідовно визначити усі параметри h₁, r₁, h₂, r₂,…, h_n-1, r_n-1, r_n розрізу. На рис. 3.16 наведена схема такої інтерпретації.

Рисунок 3.16 Схема інтерпретації багатошарової кривої ВЕЗ типу НКН тришаровими палетками

1–експериментальна крива; 2–палеткова крива;3–характерна еквівалентна точка

Інтерпретація даних ВЕЗ методом автоматизованого підбору. На сучасному етапі, в зв’язку з широким впровадженням комп’ютерної техніки (перш за все ПЕОМ) у практику геофізичних досліджень, методи інтерпретації електророзвідувальних даних із застосуванням ЕОМ практично повсюдно витісняють палеткову (ручну) інтерпретацію, В основі автоматизованих методів інтерпретації покладена та ж сама ідея методу підбору, яка використовується і в палеткових способах інтерпретації, тобто електронно-обчислювальна машина (комп’ютер) за спеціальними розробленими програмами виконує в автоматизованому режимі підбір такої теоретичної кривої електричного зондування, яка найкраще співпала б з експериментальною.

Основним результатом робіт методом ВЕЗ є, як правило, геоелектричні розрізи, побудовані на основі кількісної інтерпретації кривих зондувань. Для побудови таких розрізів в кожній точці ВЕЗ, розташованій на профілі, вздовж глибинної вісі відкладають глибини до поверхонь горизонтів, виділених у процесі інтерпретації, із зазначенням питомих опорів цих горизонтів. Потім плавно з’єднують глибинні відмітки ідентифікованих горизонтів і отримують вертикальний геоелектричний розріз (приклад наведений на рис. 3.17,а). При площових дослідженнях можлива побудова структурних карт поверхонь опорних горизонтів (рис.3. 17,б).

Рисунок 3.17 Геоелектричний розріз (а) і структурна карта (б), побудовані за результатами інтерпретації ВЕЗ

1 – рельєф і точки спостережень; 2 – геоелектричні границі з питомим опором (Ом×м); 3 – свердловина; 4 – ізогіпси покрівлі опорного горизонту

Дипольні електричні зондування (ДЗ).В дипольних електричних зондуваннях, як і у методі ВЕЗ, використовується також геометричний принцип. При виконанні дипольних зондувань застосовують два диполі (заземлені лінії) – живильний АВ і приймальний MN. При цьому приймальний диполь винесений за межі живильного. Глибинність дослідження регулюється розносом r дипольних установок – відстанню між центрами живильного і приймального диполів. Криві дипольних зондувань отримують шляхом багаторозносних вимірів позірного опору. Для цього на кожному розносі r пропускають струм I в диполь АВ, вимірюють різницю потенціалів DU у диполі MN і розраховують позірний опір.

В залежності від взаємної орієнтації живильного АВ і приймального MN диполів розрізняють наступні типи дипольних установок: перпендикулярні (ортогональні), паралельні, радіальні, азимутальні, екваторіальні і осьові (рис. 3.18). У практиці дипольних електричних зондувань зазвичай використовують азимутальну, екваторіальну і осьову установки.

В азимутальній установці (зондування такою установкою позначають ДАЗ) приймальний диполь MN перпендикулярний радіусу r. Параметри азимутальної установки повинні задовольняти наступним умовам: АВ<0.6r, MN<0.2r, 70°<j<110°, де АВ і MN – розміри живильного і приймального диполів, j - кут між віссю диполя АВ і радіусом r. Коефіцієнт К азимутальної установки обчислюється за формулою

.

Частковим випадком азимутальної установки є екваторіальна (зондування такою установкою позначають ДЕЗ). У цій установці кут j=p/2, диполі АВ і MN паралельні, а центри їх лежать на лінії екватора живильного диполя. Коефіцієнт такої установки виражається

.

В радіальній установці (ДРЗ) приймальний диполь розташовується за напрямком радіуса r, а параметри установки повинні задовольняти наступним умовам: АВ<0,2r, MN<0.1r, -30°<j<30°. Коефіцієнт радіальної установки обчислюється за формулою:

.

Рисунок 3.18 Типи дипольних установок

1 – паралельна; 2 – перпендикулярна; 3 – радіальна; 4 – азимутальна;

5 – екваторіальна; 6 – осьова

Частковим випадком радіальної установки є дипольна осьова (ДОЗ), у якої АВ і MN розташовані на осі диполя (j=0°). Коефіцієнт такої установки виражається:

.

У формулах розрахунку коефіцієнтів a, b, c, d – додаткові коефіцієнти, що враховують недипольність установок. Вони близькі до 1 і визначаються за спеціальними номограмами.

При виконанні дипольних зондувань як правило живильний диполь АВ залишається на місці, а приймальний віддаляється від нього. Зазвичай передбачають 20–25 розносів. По мірі віддалення від живильного диполя вимірювана різниця потенціалів зменшується до рівня, що унеможливлює її впевнену реєстрацію. В цьому випадку збільшують розміри живильного диполя, вимірюючи позірний опір на двох розносах з перекриттям (при меншому і більшому розмірі АВ), як це робиться в методі ВЕЗ під час переходу на іншу приймальну лінію.

У зв’язку з невизначеністю точки запису кривих односторонніх ДЗ (центр розносу між диполями весь час зміщується) зондування виконують, частіш за все, за двосторонньою схемою. Живильний диполь залишається в центрі, а два приймальні диполі розносяться в різні сторони від нього. Кількісній інтерпретації підлягає усереднена крива позірного опору.

Асимптоти кривих дипольних зондувань такі ж самі, як і для кривих ВЕЗ. Однак, на відміну від кривих позірного опору ВЕЗ, ДЕЗ і ДАЗ, вихід кривих r_П осьових і радіальних дипольних зондувань на дійсне значення r₁ при r®0 відбувається з незначною осциляцією. Сумарна поздовжня провідність S розрізу визначається по правій висхідній асимптоті кривих ДЗ за аналогічними в методі ВЕЗ методикою і алгоритмом: , де r_д - діючий рознос дипольної установки. Глибинність досліджень азимутальної і екваторіальної дипольних установок така ж, як і симетричної чотириелектродної установки методу ВЕЗ, в той час як глибинність радіальних і осьових ДЗ приблизно у два рази менша.

Якісна і кількісна інтерпретація кривих ДЗ та результативні геоелектричні побудови практично нічим не відрізняються від способів інтерпретації і форм зображення інформації в методі ВЕЗ.

У порівнянні із методом ВЕЗ метод ДЗ відрізняється перевагами - використання порівняно коротких ліній MN<АВ<3км та можливість (при переміщенні приймальної лінії MN) працювати по криволінійним маршрутам, що полегшує вирішення проблеми під’їзду до точок розмотки приймальної лінії. Однак в методі ДЗ є і недоліки – більша чутливість до горизонтальних неоднорідностей і невизначеність положення точки запису односторонніх ДЗ при вивченні розрізів з нахиленими горизонтами.

Методи електричного профілювання.Електричне профілювання (ЕП) – це модифікація методу опорів, при якій уздовж заданих напрямків (профілів) переміщується установка з постійними розносами і на кожній точці визначається позірний опір. Напрямок профілів задається вхрест простягання досліджуваних об’єктів і геологічних структур. Відстань між профілями і пікетами на профілях залежить від масштабу зйомки та розмірів об’єктів, які необхідно виявити. Ці об’єкти повинні перетинатися не менше ніж 2-3 профілями та фіксуватися не менше ніж 3-4 точками на профілях. По зміні позірних опорів на однакових розносах можна робити висновок про зміну геоелектричного розрізу уздовж цих профілів і в цілому по площі на приблизно однакових глибинах. Електропрофілювання застосовується там, де є диференціація порід за питомим опором в горизонтальному напрямку. Є декілька модифікацій електричного профілювання. Зупинимося на їх розгляді.

Профілювання симетричною установкою AMNB (СЕП). Ця модифікація електропрофілювання застосовується при вивченні простих геоелектричних розрізів, в яких геологічні об’єкти, що вивчаються, знаходяться у порівняно однорідних вміщуючих породах і перекриті витриманими за потужністю і опорами покривними відкладами.

Сутність профілювання симетричною установкою розглянемо на результатах, зображених на рис. 3.19. Коли установка AMNB розташована далеко від вертикального пласта, вплив його на просторовий розподіл електричного поля незначний, а тому позірний опір, що вимірюється, буде прямувати до питомого опору вміщуючого середовища r₁. Коли установка знаходиться безпосередньо над слабкопровідним пластом, останній відтискує струм до денної поверхні, цим самим збільшуючи його щільність і напруженість поля в точці виміру (центрі установки). Це зумовить зростання вимірюваного позірного опору. Таким чином, над пластом підвищеного опору будемо мати аномалію підвищених значень позірного опору (максимум). Навпаки, над добре провідним пластом, завдяки спрямуванню струму в нього, на поверхні землі відбувається зниження щільності струму і, як наслідок, позірного опору. В цьому випадку пласт з підвищеною провідністю на графіку зафіксується мінімумом.

Профілювання дворозносною симетричною установкою АА¢МNВ¢В. Ця установка відрізняється від попередньої наявністю ще однієї пари живильних електродів А¢ і В¢, рознос яких менший розносу електродів А і В. При кожному розташуванні установки вимірюються два значення позірного опору і таким чином уздовж профілю будуються два графіки r_п. Оскільки розмір живильної лінії визначає глибинність дослідження, можна вважати, що ці графіки відображають геоелектричний розріз на двох глибинах. Такі дослідження підвищують інформативність електропрофілювання, дозволяючи робити висновки про характер зміни геологічного розрізу у вертикальному напрямку, а отже і про природу аномалій.

Рисунок 3.19 Профілювання симетричною установкою над слабкопровідним вертикальним пластом

На рис. 3.20 показані результати дворозносного електропрофілювання над різним типом геологічних структур з різними співвідношеннями опорів. Характерним є те, що графік r_п, отриманий установкою АМNВ (графік однорозносного СЕП) однаковий над усіма структурами. Таким чином при сумісному аналізі графіків r_п суттєво підвищується однозначність геологічної інтерпретації результатів профілювання. Суттєве значення має випадок, коли графік , отриманий установкою з меншою живильною лінією А¢В¢, чітко відображає зміну електричних властивостей покривних відкладів (третій фрагмент рис. 3.20). В зв’язку з цим дворозносне електропрофілювання рекомендується застосовувати в районах з неоднорідною за потужністю і опором покривною товщею.

Рисунок 3.20 Графіки профілювання установкою АА^’MNB^’B над різними геологічними структурами

Комбіноване електропрофілювання (КЕП). Комбіноване електропрофілювання застосовують головним чином для пошуків і картування круто нахилених добре провідних геологічних утворень – жильних рудних тіл, зон тектонічних порушень, пластів антрацитів, графіту і т. ін.

Установка комбінованого електропрофілювання (рис. 3.21) складається із двох триелектродних зустрічних асиметричних установок АМN і ВМN із загальним живильним електродом С, віднесеним у “нескінченність” (відстань електрода С до центра МN в 10 раз більша, ніж електродів А і В). Електроди А і В розташовані симетрично відносно центра приймальної лінії MN, яка є загальною для обох установок. При розрахунку позірного опору, вимірюваного триелектродною установкою AMN, її коефіцієнт у два рази більший коефіцієнта симетричної чотириелектродної установки AMNB, тобто K=2p AM×AN/MN.

Рисунок 3.21 Установка комбінованого електропрофілювання

При кожному положенні установки на профілі вимірюються два значення позірного опору – установкою AMN(C_¥) і установкою ВМN(C_¥). Для кожної установки точку запису відносять до центра МN. В результаті профілювання отримують два графіки r_п. Сумісний аналіз двох графіків дозволяє більш чітко виявити особливості будови геоелектричного розрізу. Розглянемо це на прикладі, наведеному на рис. 3.22, на якому зображений результат комбінованого електропрофілювання над рудним пластом.

Вплив високопровідного пласта на електричне поле обох живильних електродів виражається в тому, що струмові лінії, які є радіальними в однорідному середовищі, відхиляються в бік пласта. Це призводить до того, що біля приймальних електродів М і N аномально збільшується щільність струму, збігаючого з більш віддаленого від рудного об’єкта живильного електрода, і аномально зменшується щільність струму, збігаючого з менш віддаленого живильного електрода. В свою чергу аномальні відхилення щільностей струму позначаються відповідно на збільшенні і зменшенні вимірюваного триелектродними установками позірного опору відносно питомого опору вміщуючого середовища.

З огляду на наведені міркування графік r_п для установки АМN(C_¥) ліворуч від рудного об’єкта розташується вище, а праворуч – нижче графіка r_п установки ВМN(C_¥). Над пластом обидва графіки перетинаються, утворюючи “рудний перетин”. Для випадку, коли об’єкт погано провідний (наприклад кварцова жила), характер перетину був би протилежний. Такий перетин називається “нерудним”. Графіки позірного опору, побудовані за середніми значеннями , згідно принципу суперпозиції полів, відповідають графікам електропрофілювання симетричною установкою АМNВ.

Рисунок 3.22 Графік КЕП над провідним рудним пластом (заштрихований)

Профілювання за способом серединних градієнтів (ЕП-СГ). Цей спосіб електропрофілювання застосовують в районах зі складним геоелектричним розрізом (складнопобудовані рудні поля, райони розвитку карсту та ін.). В цій модифікації електропрофілювання живильні електроди А і В залишають фіксованими, а приймальні електроди переміщують уздовж профілів, паралельних лінії АВ. Сукупність цих профілів утворює “планшет” (рис. 3.23).

В однорідному середовищі напруженість поля двох точкових джерел мало змінюється в середній третині відстані АВ, а тому при спостереженнях над неоднорідними середовищами в цій області можна найбільш чітко виявити характер впливу геоелектричного розрізу на вимірюване поле. В зв’язку з цим довжина профілів при зйомці способом серединних градієнтів не повинна перевищувати одної третини відстані між живильними електродами. Відстань між крайніми профілями теж в більшості береться такою ж.

Відстань між живильними електродами вибирають, виходячи з геологічної ситуації і необхідної глибинності досліджень для вирішення конкретної задачі. Ця відстань повинна в декілька раз перевершувати необхідну глибинність досліджень. Її вибір бажано обґрунтовувати рекогносцирувальними зондуваннями. Взагалі розмір лінії АВ повинен бути таким, щоб геологічні об’єкти, які підлягають дослідженню, знаходилися у відносно однорідному електричному полі.

Рисунок 3.23 Установка профілювання з фіксованими живильними електродами

Рознос вимірювальних електродів М і N визначається розмірами досліджуваних об’єктів, необхідною детальністю досліджень та технічними можливостями генераторного і вимірювального пристроїв. Наприклад, при пошуках і прослідковуванні круто нахилених пластів рознос МN не повинен перевищувати їх дво- п’ятикратну потужність.

Величину позірного опору при зйомці серединних градієнтів відносять до середини лінії MN. При зміні положення приймальної лінії МN буде змінюватися і коефіцієнт установки. Його розраховують за загальною формулою, або ж використовують спеціальну номограму.

За результатами зйомки СГ будується карта графіків позірного опору або ж карта ізоом. Перша форма зображення даних доречна при розповсюдженні в районах досліджень витягнутих (двовимірних) об’єктів. На картах графіків r_п рудні провідні об’єкти картуються у вигляді лінійних зон знижених значень r_п, що чітко корелюються на профільних графіках, а нерудні (слабкопровідні) – у вигляді лінійно витягнутих зон підвищених значень r_п. При картуванні поверхні опорного високоомного горизонту негативні форми його рельєфу відмічаються на карті позірного опору областями знижених значень r_п, а позитивні – підвищених значень r_п.

Дипольне профілювання (ДП). Електропрофілювання цим способом виконують зазвичай двосторонньою осьовою установкою АВМNА¢В¢ (рис. 3.24), хоча може застосовуватися і одностороння установка АВМN. Точкою запису при роботі з такими установками вважається центр приймального диполя МN.

Двостороння дипольна осьова установка характеризується тим, що в ній присутні два живильні диполі – АВ і А¢В¢, розташовані симетрично по обидва боки від вимірювального диполя МN. При кожному положенні такої установки на профілі величину позірного опору вимірюють двічі – установками АВМN і А¢В¢МN. Результати вимірів, як уже відмічалося, відносять до центра лінії МN. Дипольна двостороння осьова установка в певній мірі схожа на установку комбінованого електропрофілювання. Схожі і графіки r_п, отримані цими установками. Разом з тим ця установка вигідно відрізняється від установки КЕП відсутністю заземлення в нескінченності, що дозволяє суттєво підвищити продуктивність робіт.

Рисунок 3.24 Схема установки дипольного двостороннього електричного профілювання

Г – генератор; П – приймач

Більш повну інформацію про характер геоелектричного розрізу можна отримати шляхом профілювання з дипольно-осьовою дворозносною установкою, що дає можливість оцінити характер зміни геоелектричного розрізу з глибиною (дипольний аналог дворозносного симетричного електропрофілювання).

За результатами виміру позірних опорів будують графіки r_п і та графік їх середніх значень (у площовому варіанті карти ), на яких чітко відображаються локальні неоднорідності геоелектричного розрізу.

Перевага дипольного профілювання в порівнянні з профілюванням у полі точкових джерел полягає в більшій диференційованості графіків r_п і більшій амплітуді аномалій над локальними об’єктами. Суттєвий недолік ДП полягає у наявності великого рівня завад, зумовлених впливом поверхневих неоднорідностей, та нестабільністю електричного опору вміщуючих порід. Ці обставини обмежують область застосування дипольного профілювання районами з порівняно однорідними покривними і вміщуючими породами.

Кругове профілювання. Під круговим профілюванням розуміють вивчення залежності позірного опору від азимута лінії розмотки установки при незмінному положенні центра приймальної лінії МN. Кругове профілювання симетричною установкою застосовують для вивчення анізотропних в електричному відношенні порід – тріщинуватих вапняків, сланців, при виявленні тріщинуватих обводнених зон у кристалічних породах та ін.

Вимірюваний позірний опір анізотропного середовища суттєво залежить від напрямку перебігу струму, а отже від орієнтації установки відносно простягання анізотропних порід. При круговому профілюванні симетричною установкою АМNВ живильні і вимірювальні електроди переміщують навкруг центра приймальної лінії МN і при кожному положенні установки на профілі визначають значення r_П. Результати зображують у вигляді полярної (кругової) діаграми r_П (рис. 3.25). При наявності анізотропного середовища полярна діаграма має форму еліпса (чи близьку до еліпса). При цьому напрямок його великої вісі співпадає з напрямком простягання анізотропної пачки порід. Відношення великої напіввісі полярної діаграми до малої при крутому падінні анізотропного середовища дає можливість оцінити його коефіцієнт анізотропії l.

Рисунок 3.25 Полярна діаграма r_П, отримана симетричною установкою АMNB

Інколи кругове профілювання виконують на декількох розносах з метою вивчення поширення анізотропії на глибину. З цією ж метою можуть виконуватися і вертикальні електричні зондування при орієнтації установки в різних азимутах. За результатами багатоазимутальних ВЕЗ будується серія полярних діаграм для різних фіксованих розносів. Такий вид робіт називається круговим вертикальним зондуванням (КВЗ). Частковим випадком КВЗ є хрестові зондування, коли на одній точці виконують два вертикальні електричні зондування з орієнтацією установки вздовж двох взаємно-перпендикулярних азимутів.

Для визначення напрямку і оцінки кута падіння закартованих пластів над ними ставлять кругові профілювання несиметричною установкою АМN. Полярна діаграма r_п в цьому випадку асиметрична. Зокрема, для погано провідного пласта в напрямку його падіння r_п більший, ніж в напрямку його підйому. Ступінь відмінності позірного опору в різних напрямках характеризує величину кута падіння.

Принципи інтерпретації результатів електропрофілювання.В процесі інтерпретації результатів електричного профілювання на основі даних польових робіт роблять висновок про геоелектричну і відповідно геологічну будову досліджуваної площі. Основними матеріалами, що використовуються для інтерпретації, є графіки позірного опору, карти ізоом і карти графіків r_п, які будуються за результатами електропрофілювання, та дані про електричні властивості порід і руд, а також геологічні дані, що є по ділянці робіт та суміжних ділянках.

Початковим етапом процесу інтерпретації є виділення на графіках і картах r_п особливостей, пов’язаних з об’єктами, що являють геологічний інтерес – пластами, рудними тілами, розломами, областями розповсюдження масивів геологічних утворень і т. ін. Цей процес утруднюється впливом на графіки r_п аномалій-завад як геологічного характеру – неоднорідностей покривних відкладів (якщо вони не є об’єктом дослідження), вміщуючих порід, рельєфу денної поверхні, так і похибок спостережень. Якщо амплітуда корисних аномалій значно більша завад, то аномалії виділяють і корелюють візуально з урахуванням характерних особливостей графіківr_п. При високому рівні аномалій-завад застосовують статистичні методи виділення корисних аномалій та методи їх міжпрофільної кореляції.

Після того, як аномальні зони виділені на графіках і картах r_п і дано їм геологічне тлумачення, бажано за характером аномалій уточнити положення цих об’єктів і оцінити, по можливості, елементи їх залягання, розміри і т. д., тобто виконати кількісну інтерпретацію. Цей етап інтерпретації є досить складним і далеко не завжди можна його реалізувати. Все ж таки для простих геологічних моделей, використовуючи палеткові методи співставлення та методи мінімізації, удається уточнити положення контактів, пластів, жил, рудних об’єктів ізометричної і витягнутої форм, визначити напрямок падіння пластів і оцінити їх кут падіння.

Метод зарядженого тіла (МЗТ). Метод зарядженого тіла (метод заряду (МЗ)), застосовується для прослідковування і оконтурювання геологічних утворень, розкритих гірськими виробками або свердловинами в одній чи декількох точках, якщо ці утворення складені гірськими породами чи рудами, що мають підвищену у порівнянні із вміщуючими породами електропровідність. Відомі електрична (МЗ) і магнітна (МЗМ) модифікації методу заряду та його гідрогеологічний і міжсвердловинний варіанти.

Електрична модифікація (МЗ). В рудному тілі, перетнутому свердловиною, розміщують один із електродів живильної лінії. Інший електрод розташовують на поверхні землі, відносячи на достатньо велику відстань (в 10–15 раз більшу за лінійні розміри площі досліджень), щоб його полем можна було знехтувати. Після вмикання в живильну лінію джерела струму “заряджене” рудне тіло саме становиться джерелом електричного поля, просторова структура якого залежить від форми рудного об’єкта (рис. 3.26,а). Це поле вивчають на поверхні землі і у сусідніх свердловинах шляхом зйомки його потенціалу чи градієнта потенціалу.

Існують два способи вимірів електричного поля: слідкування еквіпотенціальних ліній над зарядженим тілом та виміри потенціалу чи градієнта потенціалу вздовж системи профілів, розташованих над зарядженим тілом. Перший спосіб використовують головним чином для вивчення тіл ізометричної форми, а другий – для дослідження лінійно витягнутих крутоспадних тіл жильного і пластового типів.

Ізолінії слідкують наступним чином. Спочатку на профілі, що перетинає гирло свердловини (проекцію точки зарядки), вибирають початкові точки ізоліній (частіш за все рівновіддалені) і при пропусканні струму вимірюють їх потенціали відносно вибраної базисної точки. Слідкування кожної ізолінії починають з її початкової точки і виконують це за допомогою щупів М і N, між якими фіксують вимірювачем мінімальну різницю потенціалів. При цьому задній щуп N залишається нерухомим, а положення переднього щупа змінюють, відшукуючи точку мінімальної різниці потенціалів, яку закріплюють пікетом. Потім задній щуп переносять у знайдену точку і продовжують аналогічно пошук мінімального сигналу і т. д. Результати зйомки зображують у вигляді карти еквіпотенціальних ліній (рис. 3.26,б).

Рисунок 3.26 Електричне поле зарядженого рудного тіла

а – струмові і еквіпотенціальні лінії навколо зарядженого тіла; б – еквіпотенціальні лінії на денній поверхні; в – графік градієнта потенціалу: 1- заряджене тіло; 2- струмові лінії; 3- еквіпотенціальні лінії; 4- точка зарядки

Виміри другим способом починаються із топографічної підготовки ділянки робіт. Над зарядженим тілом вздовж припустимого його простягання розбивають базисний профіль і перпендикулярно йому систему рядових профілів, віддалених один від одного на 20–40 м. Сама методика зйомки потенціалу чи градієнта потенціалу аналогічна методиці, що застосовується в методі природного поля (див. “Поляризаційні методи”). В обох випадках у процесі вимірів обов’язково фіксують у польовому журналі знак вимірюваної різниці потенціалів (при роботі на постійному струмі).

Окрім різниць потенціалів вимірюють і силу струму зарядки І. Значення потенціалу U і градієнта потенціалу (DU/МN) нормують по силі струму І (при стабілізованій силі струму це не обов’язково). Результати польових робіт зазвичай зображають у вигляді карт потенціалу чи карт графіків потенціалу U/I і градієнта потенціалу DU/(МN×I). Карти графіків зручні при кореляції результатів спостережень на сусідніх профілях і виділенні ознак поля, що характеризують положення зарядженого тіла. Зокрема жильні тіла чітко фіксуються точками переходу через нуль графіків градієнта потенціалу (рис. 3.26,в).

Гідрогеологічний варіант методу заряду.Цей варіант методу МЗ застосовують для визначення напрямку і швидкості фільтрації підземних вод з використанням одної свердловини.

З цією метою у свердловину, що виявила підземний потік, опускають на кабелі один електрод А живильної лінії і мішок з кухонною сіллю. Інший електрод відносять у “нескінченність”. Після опускання електрода пропускають струм і відслідкують ізолінію. Ця ізолінія буде мати форму близьку до кола. Початковий радіус ізолінії береться рівним 1,5–2-кратній глибині до водоносного горизонту.

Рисунок 3.27 Визначення швидкості фільтрації підземних вод методом заряду

а – положення сольового ореолу у пласті; б – схема зміщення ізоліній; в – графік залежності V від t

Під дією потоку розчин солі буде вимиватися із свердловини і біля неї утвориться заряджена зона електроліту, витягнута в сторону міграції підземних вод. Передня границя цієї зони буде рухатися зі швидкістю, приблизно рівною швидкості руху підземного потоку. Динаміку і напрямок руху цієї зони вивчають на поверхні землі шляхом зйомки замкнутих еквіпотенціальних ліній в різні проміжки часу (від одиниць до десятків годин).

Еквіпотенціальні лінії витягуються в напрямку руху підземного потоку зі швидкістю V=Dr/Dt, де Dr - зміщення ізоліній уздовж напрямку потоку, Dt - проміжок часу між зйомками еквіпотенціальних ліній (рис. 3.27,б). Будуючи графік залежності швидкості руху фронту ізолінії, можна визначити її стале значення, яке і відповідає швидкості фільтрації підземного потоку (рис. 3.27,в).