Вертикальные электрические зондирования

Анализ нормальных полей точечных источников показывает, что в нормальном поле таких источников относительная плотность тока на некоторой фиксированной глубине возрастает с увеличением расстояния между источником и точкой наблюдения. Соответственно должно увеличиваться влияние на характер поля тех геологических объектов, которые находятся на данной глубине. Иными словами, глубинность исследований должна возрастать с увеличением расстояния между источником поля и точкой наблюдения. Очевидно, что по мере удаления от питающих заземлений относительная роль зарядов, индуцированных за счет неоднородности среды и соответственно глубинность исследования должны возрастать.

Эта зависимость глубинности исследований от расстояния между источником поля и точкой его измерения используется в группе модификаций метода сопротивлений, объединяемых под общим названием вертикальные электрические зондирования (ВЭЗ).

Сущность электрических зондирований заключается в исследовании зависимости между кажущимся сопротивлением и расстоя­нием от точки наблюдения поля до источника. Для выполнения электрических зондирований можно применять любую из уста­новок, описанных выше, однако технически наиболее просто вы­полнять зондирование симметричной установкой AMNB и различными модификациями дипольных установок (см. рис. 4.8).

Если расстояние r_MN между измерительными заземлениями настолько мало, что отношение U/r_MN практически равно напряженности поля Е между измерительными заземлениями, установку для измерения ρ_к называют предельной.

Четырехточечная установка AMNB в самом общем виде была рассмотрена выше. Обычно в этих установках измерительные заземления размещают в пределах средней трети отрезка АВ. В этой области нормальное поле близко к однородному, т.е. отношение U/r_MN практически совпадает с напряженностью поля и установка оказывается предельной.

Частным случаем прямолинейной четырехточечной установки является симметричная четырехточечная установка, или установка Шлюмберже. В этой установке приемные заземления размещают симметрично центру отрезка АВ, причем MN ≤ AB/3, при этом коэффициент установки определяется по простой формуле:

, (4.18)

где АМ, AN и MN – расстояния между соответствующими электродами.

Частной разновидностью установки Шлюмберже является уста­новка Веннера, в которой AM = MN = NB = а. Для этой установки K = 2πa.

При зондировании симметричной установкой AMNB изучают зависимость кажущегося сопротивления от расстояния между питающими заземлениями, а при зондировании дипольными установками - зависимость кажущегося сопротивления от расстояния между центрами питающего и измерительного диполей. Методика полевых работ и применяемая аппаратура при зондировании любой установкой существенно зависят от требуемой глубины исследования и, следовательно, от максимального расстояния между питающими и приемными заземлениями.

На рис. 4.15, а пояснена методика измерений при выполнении ВЭЗ. При одном центре установки выполняется серия измерений тока в питающей цепи J и разности потенциалов ΔU в приемной линии для последовательно увеличивающихся разносов АВ и вычисляется значение ρ_к для каждого разноса. В процессе измерений на билогарифмическом бланке (с модулем 6,25 см) строится график зависимости кажущегося удельного электрического сопротивления от полуразноса питающих электродов АВ/2. Общий вид графиков для двухслойного разреза показан на рис 4.15 б, в.

Рис. 4.15. Методика работ при вертикальных электрических зондированиях (а) и вид кривых зондирования для двухслойного разреза при высокоомной (ρ₂ >ρ₁) подстилающей толще (б) и низкоомной (ρ₂ <ρ₁, в). Обозначения: К – катушки с проводом, ГНЧ – генератор низкой частоты, И – измерительный прибор.

При увеличении разносов АВ (и постоянной длине линии MN) сигнал ΔU в приемной цепи уменьшается и при большом АВ по сравнению с MN становится слишком слабым. Поэтому после измерения на нескольких разносах АВ увеличивают и MN, повторяя измерения с одинаковым разносом АВ и двумя разными разносами MN. На реальных графиках получаются перекрытия линий графиков, сделанных для разных размеров линий MN (рис. 4.16).

Рис.4.16. Полевая кривая вертикального электрического зондирования для трехслойного разреза

Вертикальные зондирования с разносами питающих заземлений, не превышающими 0,5—1 км, обычно выполняют переносными комплектами аппаратуры. До начала 90-х годов измерения в основном вели на постоянном токе, В последнее время ,чтобы уменьшить различные помехи, измерения в основном ведут на переменном токе низкой частоты (обычно это 4,88 Гц).

Характер низкочастотного электрического поля существенно зависит от безразмерного параметра

, (4.19)

где r — сопротивление среды, Ом-м; f — частота поля, Гц; r - расстояние между источником поля и точкой его измерения, км.

При Р® 0 переменное электромагнитное поле, созданное в земле с помощью заземлений A и B, не отличается от постоянного поля. При Р< 0,3 различия между переменными и постоянными полями практически не существенны, поэтому при работе методами сопротивлений, в частности, при зондированиях, могут использоваться низкочастотные поля.

После поведения полевых работ вначале проводится качественная интерпретация данных ВЭЗ. При этом строятся разрезы изоом, на которые выносят значения ρ_к в координатах: № ВЭЗ (по горизонтальной оси в соответствующем масштабе) и АВ/2 (по вертикальной оси в логарифмическом масштабе). Разрезы представляют в виде изолиний. Пример построения разреза изоом приведен на рис. 4.17.

Иногда по виду кривых зондирования можно в качественном виде отстроить геологический разрез. Пример такого построения разреза приведен на рис. 4.18.

Количественная интерпретация данных ВЭЗ ведется либо с помощью палеток, либо с помощью компъютерных программ, реализующих метод подбора теоретических кривых. Чаще всего эти методы применяются в комплексе, последовательно. Вначале, в первом приближении, ведется интерпретация палеточным способом, реализующим метод сравнения полученных кривых с теоретическими. Вид палетки для количественной интерпретации двухслойных кривых приведен на рис. 4.19. Здесь приведен вид теоретических кривых зондирования для различных соотношений удельных электрических сопротивлений слоев.

Рис. 4.17. Интерпретация данных ВЭЗ: а – разрез изоом, б – вид палетки для количественной интерпретации трехслойных кривых ВЭЗ типа Н.

Рис.4.18. Кривые ВЭЗ и схематический геологический разрез по профилю. Обозначения: 1 – пески, 2 – глины, 3 – известняки, 4 – кривая ВЭЗ

и значения ρ_к на начальном и конечном разносах (по Ю. В. Якубовскому и Л. Л. Ляхову).

Рис. 4.19. Вид палетки ρ₂ для количественной интерпретации двухслойных кривых ВЭЗ.

Рис. 4.20. Геоэлектрический разрез, построенный по результатам количественной интерпретации данных ВЭЗ.

Цифрами на кривых (в кружках) обозначен модуль μ для каждой кривой – отношение сопротивления нижнего слоя (ρ₂) к сопротивлению верхнего (ρ₁). По кресту палетки (в верхней ее части) определяются мощность верхнего слоя и его удельное сопротивление.

На втором этапе проводится уточнение разреза с помощью компьютерного моделирования. В результатае количественной интерпретации определяются мощности каждого геоэлектрического горизонта и его сопротивления. Затем строится геоэлектрический разрез по профилю (рис. 4.20).

Метод ВЭЗ обычно применяется для изучения горизонтально слоистых разрезов с углами наклона слоев, не превышающими 10 – 15 градусов. Наиболее достоверные результаты получаются, когда в разрезе не более 3 – 4 слоев и в середине присутствует низкоомный или высокоомный маркирующий горизонт.