Високочастотні методи електророзвідки

До високочастотних (радіохвильових) методів відносяться методи, в яких використовуються змінні електромагнітні поля частот 10 кГц – 200 мГц. Ці поля вивчають у хвильовій (дальній) чи проміжній зонах джерела, тобто на відстанях, що набагато перевершують довжину хвилі або співставних з нею.

На характер електромагнітних полів радіохвильових частот суттєвий вплив здійснюють струми зміщення, і відповідно, діелектрична проникність середовища. В області радіохвильових частот суттєво збільшується поглинання електромагнітного поля провідним середовищем. У випадку, коли довжина хвилі суттєво менша за відстань до точки виміру і лінійних розмірів досліджуваних геологічних об’єктів, то, з певним наближенням, можна застосувати закони геометричної оптики до електромагнітних полів та використовувати такі явища як відбиття, заломлення, поляризація електромагнітних хвиль на границях поділу порід з різними електромагнітними властивостями, виникнення тіньових ефектів за рахунок поглинання полів об’єктами тощо.

Відомо багато модифікацій радіохвильових методів. Зупинимося на розгляді деяких із них.

Радіокомпараційний метод (метод радіокіп).Метод заснований на вивченні електромагнітних полів в дальній зоні мовних довгохвильових (ДХ-РК) при довжині хвилі у повітрі l₀=1–10 км, або спеціальних наддовгохвильових (НДХ-РК) при l₀=10–100 км радіостанцій.

Довгі і наддовгі радіохвилі розповсюджуються у вигляді земних хвиль, тобто хвиль, що проходять уздовж поверхні землі, огинаючи її завдяки дифракції. Ці хвилі проникають в землю на певну глибину, яка зростає зі збільшенням довжини хвилі і опору порід. Так при довжинах хвиль від 1 до 100 км глибина проникнення радіохвилі в породи з опором 100–1000 Ом×м змінюється приблизно від десяти до ста метрів.

Напруженість поля в дальній зоні (r/l³10) мало змінюється з відстанню і визначається, в основному, електромагнітними властивостями порід поблизу точки виміру. Заломлена хвиля збуджує в неоднорідному середовищі вторинне поле, яке зумовлює появу локальних аномальних ефектів, особливо, коли зустрічаються контакти середовищ з різними електромагнітними властивостями. Це дозволяє, вимірюючи радіополя, виконувати радіохвильове картування, тобто виявляти в плані геоелектричні неоднорідності.

Польова зйомка методом радіокіп частіше за все буває площовою. Вона ведеться польовими вимірювачами напруженостей поля (ПВНП). Датчиком магнітного поля є обертальна навколо вертикальної і горизонтальної осей рамка, а електричного – ізольовані чи заземлені на кінцях лінії довжиною до 20 м. Зйомка ведеться по профілям, зорієнтованим поперек простяганню порід (напрямок х), з відстанню між ними 10–100 м і кроком 5–50 м (на аномальних ділянках до 2 м). При пошуках провідних об’єктів досить виміряти повну горизонтальну H_j (обертанням рамки навколо вертикальної осі домагаються максимального сигналу) і вертикальну Н_z (рамка горизонтальна) складові магнітного поля. При вирішенні картувальних задач і пошуках непровідних тіл доцільно вимірювати Н_у і Е_х (вертикальна площина рамки і приймальна лінія зорієнтовані уздовж профілю), або H_j і . За результатами вимірів можна визначити імпеданс поля Z=E_x/H_y=E_r/H_j і ефективний питомий опір середовища r_еф.). Метод радіокіп застосовується також в підземному, аеро- та автомобільному варіантах (зйомка в русі).

Інтерпретація даних у методі радіокіп в основному якісна. Будуються карти графіків і кореляційні плани виміряних параметрів чи ефективного опору r_еф. За аномаліями виділяють контакти порід, пласти, зони тектонічних порушень, рудні і нерудні об’єкти. Аномалії, типові для різних геологічних розрізів, зображені на рис. 3.40.

Рисунок 3.40 Аномалії полів дальніх радіостанцій над різними геоелектричними розрізами:

а – круто нахилений провідний поклад; б-контакт порід; в-ізометричний локальний провідник

Метод радіокіп використовують для вирішення задач крупномасштабного геологічного картування, пошуків і розвідки рудних і нерудних корисних копалин, виявлення обводнених і картування мерзлих порід. Глибинність методу не перевищує 10–100 м і залежить від електропровідності геоелектричного розрізу.

Метод радіохвильового просвічування (МРХП або РП).Метод РП є провідним методом підземної електророзвідки, призначеним для вивчення цілості порід між свердловинами чи гірськими виробками з метою пошуків рудних тіл, виявлення обводнених та зруйнованих порід. В різних варіантах методу радіохвильового просвічування вивчаються явища поглинання, відбиття, і дифракції високочастотних електромагнітних хвиль (частота поля 100 Кгц–100 МГц) в гірських породах. По затуханню електромагнітних хвиль у просвічуваному масиві порід можна робити висновки про наявність рудних тіл, встановлювати їх форму, розміри, умови залягання, а також виявляти обводнені тектонічні порушення.

Найбільш розповсюджені модифікації радіопросвічування – радіопросвічування між свердловинами, радіопросвічування з-під землі на поверхню, шахтне радіопросвічування.

Рисунок 3.41 Свердловинне радіопросвічування (а – віяловий спосіб; б - спосіб паралельного переміщення)

1 – радіопередавач; 2 – приймач; 3– рудне тіло; 4 – зона “радіотіні”

При міжсвердловинному просвічуванні застосовують дві системи спостережень: кроковий (віяловий) спосіб, при якому поле на окремих інтервалах вимірювальної свердловини реєструється при нерухомому передатчику (рис. 3.41,а), і спосіб паралельного переміщення передатчика і приймача (рис. 3.41,б). При цьому, як правило, використовують електричні антени.

Найбільш простий спосіб інтерпретації даних МРХП є тіньовий, в якому за виміряними сигналами та коефіцієнтами екранування (відношеннями вимірюваного поля до нормального поля у вміщуючому середовищі) виділяються радіотіні, зумовлені поглинанням хвиль провідними включеннями. Положення провідного об’єкта визначають способом засічок по променям, що обмежують зону тіні (рис. 3.41,а).

Область застосування методу радіохвильового просвічування – розвідка рудних родовищ, зокрема: виділення безрудних просторів між виробками чи свердловинами; оконтурення розкритих виробками чи свердловинами рудних покладів; пошуки сліпих рудних тіл у міжсвердловинних та міжвиробкових просторах; виявлення об’єктів високого опору – пегматитових кварцових жил, карстових порожнин та ін.

Георадарне зондування (ГРЗ).Георадарне зондування, яке називається також радіолокаційним зондуванням або радіолокаційним методом підповерхневого зондування, засноване на посиланні в землю коротких (від 1нс до 1мкс) радіо чи відеоімпульсів і реєстрації відбитих від границь розділу з різними електромагнітними властивостями сигналів.

Радіолокатори (георадари) для зондування в землі працюють в діапазоні частот 10 МГц–3 ГГц, і, як свідчить практика, вони забезпечують глибинність дослідження до 10–30 м з визначенням основних характеристик досліджуваного середовища, пов’язаних зі змінами електромагнітних властивостей середовища e, m, g.

Рисунок 3.42 Часовий розріз за результатами георадарної зйомки

У зв’язку із високим частотним діапазоном теорія електромагнітних хвиль, яка використовується в методі ГРЗ, носить хвильовий характер і нагадує теорію розповсюдження пружних хвиль у сейсморозвідці. А тому результати зондувань георадарами більш схожі з даними, отриманими за результатами сейсмічних досліджень. Кінематична аналогія електромагнітних хвильових і сейсмічних полів дозволяє застосовувати до експериментальних даних георадарних зондувань відомі методи обробки сейсмічних сигналів, які включають обов’язкову побудову часових розрізів. Часові розрізи представляють собою радарограми, побудовані в кожній точці профілю з відкладенням часу t після посилання електромагнітного імпульсу вздовж вертикальної вісі. На часових розрізах виконують кореляцію хвиль, відбитих від границь з різними електромагнітними властивостями.

У верхній частині часового розрізу, наведеного на рис. 3.42, відмічається чітка кореляція електромагнітних хвиль, відбитих від поверхні ґрунтових вод. Час реєстрації відбиттів складає 230–250 нс. Розрахунки показують, що при e_r=10 глибина до поверхні рівня ґрунтових вод складає біля 10 м.