CC BY
45
УДК 550.837.6
ПРИМЕНЕНИЕ ЭЛЕКТРОРАЗВЕДОЧНЫХ МЕТОДОВ, ИСПОЛЬЗУЮЩИХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ПОЛЯ ТЕ И ТМ-ПОЛЯРИЗАЦИИ, ПРИ ИЗУЧЕНИИ СЛАБОКОНТРАСТНЫХ ОБЪЕКТОВ
Аркадий Владимирович Злобинский
«Научно-техническая компания ЗаВеТ-ГЕО», 630102, Россия, г. Новосибирск, ул. Восход, 26/1, оф. 56, кандидат технических наук, генеральный директор, тел. (903)935-22-87, e-mail: zlobin-skyav@newmail .ru
Владимир Сергеевич Могилатов
Институт нефтегазовой геологии и геофизики им. А. А. Трофимука СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 3, доктор технических наук, главный научный сотрудник лаборатории геоэлектрики, тел. (913)912-43-36, e-mail: [email protected]; Новосибирский государственный университет, 630090, Россия, г. Новосибирск, ул. Пирогова, 2, профессор кафедры геофизики НГУ
Электроразведку широко применяют для исследований хорошо проводящих объектов в непроводящей среде. При исследовании слабоконтрастных объектов электроразведочные методы испытывают трудности. Для устранения трудностей предлагается использовать ТМ-поляризацию электромагнитного поля. Наземный метод геоэлектрики, использующий ТМ-поляризацию, называется зондирование вертикальными токами - ЗВТ. В докладе обсуждаются новые возможности выделения слабоконтрастных объектов при использовании ЗВТ.
Ключевые слова: переходные процессы, электроразведка, поиски слабоконтрастных объектов, ЗВТ, ТМ-поляризация.
USING ELECTRICAL PROSPECTING TE&TM - POLARIZATION FOR TESTING WEAK CONTRAST OBJECTS
Arkadiy V. Zlobinskiy
«STC ZaVeT-GEO», 630102, Russia, Novosibirsk, 26/1 Voskhod St., of. 56, Ph. D., General Manager, tel. (903)935-22-87, e-mail: [email protected]
Vladimir S. Mogilatov
Trofimuk Institute of Petroleum Geology and Geophysics SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 3 Koptyug Prospect, Ph. D., Principal Scientist Officer of the Laboratory of geoelectrics, tel. (913)912-43-36, e-mail: [email protected]; Novosibirsk State University, 630090, Russia, Novosibirsk, 2 Pirogova St., Professor of geophysics
Electrical prospecting is used for testing of good conductive objects in non conductive medium. If difference of conductivity of objects and medium are little then electrical prospecting have problems. For removing problems we propose to use TM-polarization of electromagnetic field. Ground electrical method using TM-polarization of electromagnetic field is named vertical electric current sounding - VECS. We discuss new properties for testing weakly contrasting objects by VECS.
Key words: electrical prospecting, VECS, TEM, kimberlite pipe surveys, ore surveys, TM-polariazation.
Физические предпосылки
Традиционно при работах методами импульсной индуктивной электроразведки в качестве источника электромагнитного поля используют незаземлен-ную петлю. Незаземленная петля и круговой электрический диполь возбуждают совершенно разные системы электрических токов в изучаемой среде. Знаменитое «токовое кольцо» [10], возбуждаемое петлей, образуется только горизонтальными токами и характеризуется широким латеральным распространением. При использовании петли сигналы на дневной поверхности определяются всей вмещающей толщей.
Возможность регистрировать отклик только от локального трехмерного объекта предоставляет электромагнитное поле, возбуждаемое круговым электрическим диполем - КЭД [4, 6, 8]. Правильная тороидальная система токов, образующаяся в горизонтально-слоистой среде, не имеет магнитного поля вне себя (т.е. на дневной поверхности и выше). Магнитный отклик появляется только в связи с латеральными нарушениями геоэлектрических параметров среды (не только удельного сопротивления, но и любых других). Именно такова идея метода зондирований вертикальными токами (ЗВТ).
При проведении работ методом ЗВТ применяются хорошие возможности восстановления параметров среды по измеренным магнитным данным. Эта методика используется на рудных месторождениях и при экологических работах [1, 2, 3].
Рис. 1. Общая схема работ зондированиями вертикальными токами. Описание методики полевых работ
В пределах участка работ устраивается источник электромагнитного поля - круговой электрический диполь с радиусом, соответствующим глубине и площади исследований. Круговой электрический диполь состоит из 8 заземлен-
ных электрических линий, сходящихся к центру под углом 45 градусов. Радиус (или длина каждой из 8 радиальных линий) был от 200 до 1750 м. Идея такого источника подразумевает, что геометрия его правильная, а токи в лучах выровнены.
Измерительный комплекс включает один или несколько компактных индукционных датчиков и измерителей, а также одну или несколько приемных линий и измерителей. Операторы с измерительным комплексом свободно перемещается по площади исследований. Синхронизация между генераторной установкой и измерителями выполняется с использованием спутниковой синхронизации. Удаление пикетов от центра установки может составлять до 5 радиусов источника. Таким образом, при одном закрепленном источнике радиусом 1000 м оперативно исследуется площадь до 75 км .
Сравнение применимости классической электроразведки и ЗВТ на основе численного трехмерного моделирования
При изучении возможностей разных методов по исследованию слабоконтрастных объектов нас прежде всего интересует влияние на измеряемый сигнал небольшого изменения удельного сопротивления среды и локализация этого изменения. Одним из примеров такого рода задач по выявлению трехмерных слабоконтрастных объектов является выделение кимберлитовых трубок на территории республики Саха ( кутия), Россия.
Рассмотрим задачу по локализации кимберлитовой трубки с использованием классической электроразведки. Обычной задачей при поиске кимберлито-вых трубок на территории республики Саха ( кутия) является выделение на фоне вмещающей среды с сопротивлением 70 Ом*м кимберлитовой трубки с удельным сопротивлением 40 Ом*м. Кимберлитовую трубку зададим в виде параллелепипеда с удельным сопротивлением 40 Ом*м, помещенную в полупространство с удельным сопротивлением 70 Ом*м. Размер объекта в плане -200 на 200 м, глубина залегания кровли - 60 м, мощность объекта - 440 м.
Углы объекта имеют координаты Х1=-930, У1=-750; Х2=-730, У2=-750; Х3=-730, У3=-950; Х4=-930, У4=-950. Работы ведутся по прямоугольной сетке с шагом 50 м. Используется соосная установка МПП со стороной петли 50 м.
Л
Ток в петле - 10 А, эффективная площадь датчика - 2500 м , измерения - до 1 мкВ. Результаты расчетов для такой модели приведены на рис. 2, расчеты приведены на временах а) 216 мкс б) 508 мкс в) 1058 мкс. Мы использовали систему Подбор [7], в которой процедура трехмерного моделирования основана на Борновском приближении [5].
На рис. 2 приведены 3 цветовых шкалы для каждого времени - на 1-ой шкале значения ЭДС, на 2-ой шкале значения отклонения сигналов от референтного сигнала на данном времени, на 3-ей шкале значения кажущегося сопротивления.
Рис. 2. Площадное распределение сигналов МПП времена: а - 0.216 мс, б - 0.508 мс, в - 1.058 мс
Сигнал МПП превышает уровень в 1 мкВ до времени 5 мс. Наибольшее отклонение в сигнале от референтного сигнала зафиксировано над центром аномалии на времени 216 мкс, изменения отклонение в сигнале - 22 %, а наименьшее удельное сопротивление - 63 Ом*м. С увеличением времени количество точек, в которых фиксируется аномалия, растет, а величина аномального сигнала уменьшается. На времени 1058 мкс аномалия составляет менее 10 %, минимальное кажущееся сопротивление - 65 Ом*м. Все это хорошо объясняется тем фактом, что при увеличении времени в измеряемом сигнале содержится осредненная информация по все большей площади.
Для расчетов сигналов ЗВТ мы использовали программу «ОеоРгер», в которой используется метод конечных элементов [9]. Модель среды полностью соответствует модели, приведенной выше. В качестве источника электромагнитного поля используем КЭД с центром в начале координат, радиусом 450 м и полным током в 25 Ампер. В качестве приемников используем датчики с площадью в 10000 м*м. На рис. 3 приведено распределение компоненты дВ9 / дг на
временах а - 1.021 мс, б - 2.041 мс, в - 4.06 мс. Сигналы превышают 1 мкВ до времени 10 мс. Сигналы хорошо визуализируют искомый объект на всех временах, соответствующих различным глубинам.
Рис. 3. Площадное (нормированное) распределение компоненты дВр /дг сигналов ЗВТ. Времена а - 1.021 мс, б - 2.041 мс, в - 4.06 мс.
76
На рис. 4 приведены модель кимберлитовой трубки и изоповерхность нормированной на расстояние компоненты дБ / & сигналов ЗВТ.
Рис. 4. Модель кимберлитовой трубки и изоповерхность нормированной на расстояние компоненты дБ / д сигналов ЗВТ
Выводы
1) Слабоконтрастные объекты не выделяются при возбуждении в среде электромагнитного поля ТЕ-поляризации. На практике сигнал от трубки будет проинтерпретирован как небольшое по площади понижение сопротивления вмещающей среды до 67-65 Ом*м (при сопротивлении трубки 40 Ом*м) в узком диапазоне глубин. Изменения в сигнале хотя и превышают 1 %, но соответствуют локальной флуктуации сопротивления референтной среды. Это объясняется тем, что в сигналах, фиксируемых при возбуждении среды петлей, информация о среде усредняется по большой площади, причем чем больше времена исследований (глубины исследований), тем по большей площади усредняется информация, и влияние трехмерных объектов на сигнал уменьшается.
2) Несмотря на слабый контраст в удельном сопротивлении вмещающей среды и исследуемого объекта, при работе методом ЗВТ объект хорошо визуализируется. Кроме того, измерения разных компонент электромагнитного поля позволяют существенно уменьшить эквивалентность при полноценной трехмерной интерпретации.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Злобинский А.В., Квашнин К.А., Могилатов В.С. Электроразведка методом ЗВТ. Рудные работы в Финляндии // Геофизика - 2010. - №6. - С. 53-57.
2. Злобинский А.В., Могилатов В.С. Электроразведка методом ЗВТ в рудной геофизике. // Геофизика. - 2014. - № 1. - С. 26-35.
3. Злобинский А.В., Могилатов В.С., Шишмарев Р.А. Использование метода зондирования вертикальными токами при изучении кимберлитовых трубок и рудных объектов // ГЕ0-Сибирь-2014: тезисы докладов конф. - Новосибирск, 2014. - Т. 2 - С. 85-90.
4. Могилатов В.С. Круговой электрический диполь новый источник для электроразведки // Изв. РАН. Сер. Физика Земли. - 1992. - №6. - С. 97-105.
5. Могилатов В.С. Вторичные источники и линеаризация в задачах геоэлектрики // Геология и геофизика. - 1999. - №7. - С. 1102-1108.
6. Могилатов В.С., Балашов Б.П. Зондирования вертикальными токами. : монография -Новосибирск: Изд. СО РАН, 2005. - 207 с.
7. Могилатов В.С. Захаркин А.К. Злобинский А.В. Математическое обеспечение электроразведки ЗСБ. Система «Подбор». : монография. - Новосибирск, Изд. СО РАН, 2007 -157 с.
8. Могилатов В.С., Злобинский А.В. Свойства кругового электрического диполя как источника поля для электроразведки // Геология и Геофизика. - 2014. - Т. 55, N 11. - С. 16921700.
9. Соловейчик Ю. Г., Персова М. Г., Рояк М. Э., Тригубович Г. М., Конечноэлемент-ное моделирование электромагнитного поля для кругового электрического диполя в трехмерных средах // Сибирский журнал индустриальной математики. - 2004 - № 1. - С. 114-129.
10. Nabighian M.N., Quasi-static transient response of a conducting half-space - An approximate representation // Geophysics. - 1979. - N 44. - 1700-1705.
© А. В. Злобинский, В. С. Могилатов, 2015
