Geum.ru

Краткое пособие по электроразведке на первой учебной геофизической практике в Крыму

Вид материалаЛитература
4. Изучение анизотропных сред с помощью азимутальных наблюдений
4.1. Выбор установок
4.2. Результаты изучения анизотропии на плато патиль.
Примерные вопросы к зачету по электроразведочной практике для студентов геофизиков 2 курса.
Подобный материал:
1   2   3

4. ИЗУЧЕНИЕ АНИЗОТРОПНЫХ СРЕД С ПОМОЩЬЮ АЗИМУТАЛЬНЫХ НАБЛЮДЕНИЙ





Рис.4.1. Анизотропия от слоистости



Рис.4.2. Анизотропия от ориентировки удлиненных или сплющенных зерен породы.



Рис.4.3. Анизотропия от трещиноватости в 1, 2 или 3 направлениях.
Электрическая анизотропия горных пород проявляется в зависимости УЭС породы от различных направлений пропускания тока. Истинное УЭС вкрест слоистости превышает УЭС вдоль нее. Причины, вызывающие анизотропию свойств горных пород (различные значения свойств в разных направлениях): слоистость, особенности текстуры и структуры, существование преобладающего направления трещиноватости, наличие напряженного состояния и др. Многие осадочные породы с явно выраженной слоистостью (микрослоистостью) являются анизотропными по удельному электрическому сопротивлению. В породах с определенной ориентировкой удлиненных или сплюснутых зерен анизотропия может быть следствием зернистости. Будем различать случаи анизотропии электрических свойств для горизонтально-слоистых сред и негоризонтальных напластований. На практике мы изучаем только второй случай. Когда анизотропная толща залегает наклонно или вертикально, то анизотропия обнаруживается явно, например с помощью азимутального (кругового) профилирования и проявляется в зависимости значений кажущегося сопротивления от ориентации установки. При этом кажущееся сопротивление вкрест слоистости нередко оказывается меньше rК вдоль слоистости. Этот известный факт получил название парадокса анизотропии.

Термин "парадокс" хорошо подходит для описания явления анизотропии, при изучении которой довольно часто приходится встречаться с неожиданными и противоречивыми эффектами. Примеры таких эффектов можно начать с УЭС анизотропных сред.

Рассмотрим анизотропию слоистости, вызванную чередованием двух тонких слоев равной мощности, но различного сопротивления. Из школьных представлений о последовательно и параллельно соединенных линейных проводниках можно предположить, что УЭС такой среды вкрест простирания будет больше большего, и по простиранию - меньше меньшего из двух УЭС. Однако, рассчитывая УЭС системы чередования слоев нужно помнить, что для расчета средних продольных и поперечных сопротивлений объемных проводников используются не r слоев непосредственно, а связанные с ними S и T слоев.






откуда || или L = hS/SS,

а  или  = TS/hS

Полагая, что h1=h2, получим



Задав, например  = 1 Ом.м, а  = 10 Ом.м, получим L = 1.9 Ом.м и  = 5.5 Ом.м, что отличается от интуитивно ожидаемых значений  и L. Коэффициент анизотропии такой модели  что также кажется подозрительно мало при десятикратном различии УЭС исходных слоев. Неравные мощности слоев еще более усложняют эту картину.

Перечислим основные параметры анизотропии. Обозначим истинное УЭС по простиранию анизотропной толщи через rL, а вкрест простирания через rN. Квадратный корень из отношения rN к rL - это коэффициент анизотропии l, а корень из их произведения - среднее квадратичное сопротивление rМ. Расположим начало системы координат на поверхности земли в точке А, где находится источник тока с силой I. Ось Z направлена вертикально вниз, ось Х - по простиранию, а ось Y - вкрест простирания анизотропной среды. Угол падения анизотропной толщи - a, а угол между линией простирания и линией разноса R от электрода А к точке измерения М - b.


4.1. Выбор установок


Для изучения анизотропных комплексов горных пород применяются азимутальные наблюдения (обычно азимутальное ЭП - АЭП), реже азимутальные зондирования - АЭЗ).

Вообще говоря, для изучения анизотропии с помощью азимутального профилирования можно использовать любые установки метода сопротивлений. Однако хотелось бы добиться сочетания высокой производительности и помехоустойчивости, информативности и устойчивости к воздействию помех. Эти требования в значительной степени являются взаимоисключающими. Наиболее широко при изучении анизотропии с помощью азимутального ЭП применяется 4-электродная установка Шлюмберже, реже - трехэлектродная AMN. Природные среды отличаются малыми коэффициентами анизотропии (чаще 1.05-1.2, реже 1.5-2), поэтому эффективность АЭП с такими установками невелика. Определяемыми параметрами являются азимут простирания анизотропной толщи и отношение осей эллипса. При вертикальном залегании это отношение равно истинному коэффициенту анизотропии, при наклонном залегании имеет смысл кажущегося - lК.

В своих работах профессор ЛГУ А.С.Семенов отметил, что необходимо отдавать предпочтение такой установке которая наименее чувствительной к влиянию неоднородностей разреза. Вместе с тем он обнаружил высокую чувствительность к анизотропии дипольной экваториальной установки и изучил особенности ее поля.




Рис.4.4. Зависимости радиальной и азимутальной компонент над анизотропной средой от азимута Параметры модели: L=1, N=3
А.С.Семенов обратил внимание геофизиков на следующие особенности в изучении анизотропных сред методом сопротивлений. 1. Все установки с ориентацией электродов по одной прямой на поверхности земли (AM, AMN, AMNB, радиальная AB_MN - линейные установки) дают равнозначную информацию, т.е. идентичные эллипсы кругового профилирования. 2. При заземлении питающих и приемных электродов на поверхности земли нельзя определить направление и угол падения, а только азимут простирания анизотропной толщи. 3. Заземление на глубине дает возможность определить все параметры анизотропии. 4. Дипольная экваториальная установка (ДЭП) обладает существенно большей чувствительностью к анизотропии с отношением осей эллипса для вертикального залегания толщи l5, вместо l для линейных установок.

Из работ А.С.Семенова можно сделать вывод, что поиск новых методик изучения анизотропии не следует вести на основе линейных установок; наоборот, нужно обратить внимание на установки, у которых электроды расположены не на одной линии, и на установки с погруженными на глубину питающими электродами.




Рис.4.6. D, T и Y-установки



Рис.4.5. Линии плотности тока, напряженности поля и эллипс к в анизотропной среде.
В однородной изотропной среде электрическое поле точечного источника имеет только радиальную компоненту, для которой и вводится понятие кажущегося сопротивления. В анизотропной среде к ней добавляется азимутальная компонента (рис.4.4). По одной азимутальной компоненте нельзя определить кажущееся сопротивление, так как в однородном изотропном полупространстве эта компонента равна нулю. Радиальная и азимутальная компоненты поля точечного источника в анизотропной среде по разному зависят от азимута установки (рис.4.4). В анизотропной среде направления векторов напряженности электрического поля не совпадают с направлениями векторов плотности тока (рис.4.5). Значит в дифференциальной записи закона Ома сопротивление анизотропной среды оказывается тензором.

Линейная установка регистрирует только радиальную составляющую электрического поля и все линейные установки по чувствительности к анизотропии равнозначны.




Рис.4.7. Эллипсы анизотропии для линейных (1) и нелинейных (2) установок
К нелинейным установкам, которые регистрируют сумму компонент электрического поля - радиальной и азимутальной, кроме дипольной экваториальной (D) можно отнести Т и Y-установки (рис.4.6). Благодаря радиальной составляющей такая нелинейная установка позволяет рассчитать к, а благодаря азимутальной составляющей она приобретает высокую чувствительность к анизотропии (рис.4.7). Секрет высокой чувствительности D, T и Y установок к анизотропии заключен в сочетании измерения радиальной составляющей и двух антипараллельных измерений азимутальной составляющей, выполняемых одновременно или последовательно, но со смещением на малое расстояние (на длину AB или MN). В D-установке измеряется одно значение DU (но оно формируется под влиянием двух одновременно действующих точечных источников разного знака A и B), а в T-установке последовательно измеряются два DU от одного источника, но двумя противоположно направленными линиями MN. В обоих случаях D и T установки являются сочетанием двух Г-образных установок, поэтому D и Т-установки полностью эквивалентны, а Y-установка отличается от них лишь большей величиной радиальной компоненты.

При изучении анизотропии среды влияние неоднородностей может быть соизмеримо с эффектом анизотропии или даже намного превышать его. Но так как чувствительность разных установок к неоднородности среды примерно одинакова, а к анизотропии сильно различается (от  до 5), то применение нелинейной установки дает шанс на более успешное выявление влияния анизотропии на фоне неоднородностей.

Проявления анизотропии электрических свойств, которые наиболее ярко представлены в районе плато Патиль в породах таврической серии, частично перекрытых горизонтальными напластованиями резанских песчаников, делают район Крымской учебной практики уникальным. Свойство электрической анизотропии, вызванное тонким переслаиванием слоев разной литологии и, следовательно, с разным сопротивлением довольно широко распространено в природе и вызывает немало затруднений при интерпретации данных электроразведки. Но в районе практики анизотропные породы встречаются как бы в чистом виде: они выходят на поверхность, залегают с крутым падением, тонкослоисты относительно размеров электроразведочных установок, что делает этот район исключительно удачным для изучения анизотропии с помощью азимутальных электрических профилирований и зондирований.


4.2. РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗУЧЕНИЯ АНИЗОТРОПИИ НА ПЛАТО ПАТИЛЬ.

Свойство анизотропии на Крымской практике много лет изучалось традиционно: отдельными азимутальными наблюдениями с помощью установки Шлюмберже в местах выхода пород таврической серии на поверхность. Попытки зафиксировать анизотропию под перекрывающими отложениями песчаников на плато Патиль не давали положительного результата. Ситуация изменилась, когда стали известны работы профессора ЛГУ А.С.Семенова по изучению анизотропии тех же пород и в этом же районе с помощью дипольной экваториальной установки, обладающей более высокой чувствительностью к анизотропии. На основе работ А.С.Семенова и уральских геофизиков Ю.М.Гуревича, С.С.Сыскова и др. мы проработали теорию азимутальных зондирований над анизотропным основанием перекрытых толщей изотропных пород и провели расчеты полей. Эти расчеты показали бесперспективность применения установки Шлюмберже для азимутальных исследований и дали практические рекомендации для применения дипольной экваториальной установки.




Рис.4.8. Геоэлектрический разрез через Патиль по данным ВЭЗ и с учетом влияния анизотропии
Согласно представлениям о геологическом строении плато Патиль, основание разреза сложено крутопадающими породами таврической серии, обладающими заметной анизотропией. Среднее сопротивление этой толщи около 50 Ом.м. На породах таврической серии субгоризонтально лежат известковистые песчаники резанской свиты (K1 h) с удельным электрическим сопротивлением (УЭС) 400 Ом.м, мощностью от 0 до 25 м (рис.4.8).




Рис.4.9. Диаграммы АЭП в разных точках плато Патиль.
На рис.4.9. представлены круговые диаграммы для нескольких десятков точек дипольного электропрофилирования (ДЭП) на плато Патиль. Цифры по осям X и Y на карте идут через 100 м и соответствуют узлам гравиметрической сети, закрепленным на местности Точки ДЭП Т0 и S1 измерены на выходах пород таврической серии, а остальные точки - на перекрывающих их песчаниках. Выбор разносов установки ДЭП (20, 40 и 120 м) в зависимости от предполагаемой мощности перекрывающих песчаников обоснован с помощью теоретических расчетов. Различия в форме диаграмм АЭП S2, 8, 7, 6, 5, 10, 4 вызваны постепенным увеличением мощности перекрывающих отложений, а различия в форме диаграмм 2 и 25 - сменой разносов установки (40 и 120 м). Различия в простирании пород таврической серии, выявленные по диаграммам АЭП, позволяют предположить наличие в правой части исследуемого участка (рис.4.9) складчатой структуры, форма которой обозначена линиями с буквой F. Кроме того, на рис.4.9 показаны еще положение границы распространения резанских песчаников - B, к северу от которой их нет, след дороги, проходящей через Патиль (R), линия профиля ВЭЗ (A-A) и обрывистый край плато на юге и востоке (E).

Влияние анизотропии электрических свойств пород, слагающих плато Патиль, привело к тому, что результаты интерпретации ВЭЗ, полученные по линии A-A (с рис.4.9) без учета анизотропии плохо согласовывались с геологическими оценками. По данным ВЭЗ максимальная мощность резанских песчаников, залегающих на породах таврической серии, достигала 40 м, а по геологическим наблюдениям не превышала 25 м. С помощью детального профилирования резанских песчаников в их разрезе выявлено 15 прослоев, различающихся по удельному сопротивлению, и оценен коэффициент анизотропии резанских песчаников - 1,5. Факт такой высокой анизотропии резанских песчаников ранее не был известен. Итак, оба комплекса сильно анизотропны, с той лишь разницей, что породы резанской свиты залегают почти горизонтально, а таврической серии - почти вертикально. Анизотропию крутопадающей толщи можно изучать с помощью азимутальных (круговых) наблюдений, а анизотропию горизонтальных напластований оценить по наблюдениям с поверхности нельзя. Анизотропией перекрывающей толщи объясняется завышение по ВЭЗ (на 50%) оценок мощности песчаников. Анизотропное основание, при ориентации установки ВЭЗ вкрест простирания пород таврической серии, также приводит к завышению оценок мощности верхнего слоя (на 6%). С учетом обоих этих факторов, получим:




Это значение мощности песчаников лучше согласуется с геологическими данными. В направлении с юга на север (справа налево на рис.4.8) дневная поверхность плато срезает слоистую толщу песчаников и уменьшает число слоев в этой толще и ее коэффициент анизотропии. Предположив линейное изменение коэффициента анизотропии песчаников слева направо по профилю от 1,5 до 1 и учтя влияние анизотропии нижней толщи (K=1,06), можно пересчитать мощность и положение подошвы резанских песчаников. Этот вариант разреза и показан на рис.4.8. Мощность песчаников не превышает 25 м, кроме того появилось заметное падение границы на север под углом 2,5°, что соответствует геологическим данным.


Литература


1. Березина С.А., Бобачев А.А., Модин И.Н и др. Интерпретация электрических зондирований в неоднородных средах // Вестн. Моск. ун та. Сер.4. Геология. 1994. N 2. C.24 32.

2. Бобачев А.А., Марченко М.Н., Модин И.Н и др. Новые подходы к электрическим зондированиям горизонтально неоднородных сред// Физика Земли, 1995. N12. С.79 90.

3. Большаков Д.К., Модин И.Н., Перваго Е.В и др. Изучение особенностей электрических зондирований над погребенной анизотропной средой// Вестн. Моск. ун-та, сер. 4. Геология. 1996. N 2. С.60 70.

4. Д.К.Большаков, И.Н.Модин, В.А.Шевнин. Электроразведка на учебной геофизической практике в Крыму / Вестн. Моск. ун-та. Сер.4. Геология. 1997. N 3, с.68-72.

5. Бреднев И.И., Сысков С.С. Поле точечного источника тока в присутствии анизотропной вертикально-слоистой среды, перекрытой слоем изотропных образований // Геофизические методы поисков и разведки. Свердловск, 1976. Вып.3. С.26-34.

6. Многоэлектродные электрические зондирования в условиях горизонтально-неоднородных сред. Авторы: Бобачев А.А., Модин И.Н., Перваго Е.В., Шевнин В.А. М., 1996, 50 с. // Разведочная геофизика. Обзор. АОЗТ "Геоинформмарк". Выпуск 2.

7. Семенов А.С. Анизотропия горных пород и особенности электрических полей в анизотропных средах // Вестн. ЛГУ. Сер. геол., география. 1975. N 24. С.40 47.

8. Электроразведка методом сопротивлений/ Под ред. В.К.Хмелевского и В.А.Шевнина. М., 1994, 160 с.

9, Геофизические исследования. Руководство по Крымской геологической практике. М., изд. МГУ, 1986 г.

10. Руководство по учебной геофизической практике. Электроразведка. Магниторазведка. – М., Недра, 1980 г.

ПРИЛОЖЕНИЯ.

Общие требования к отчету по результатам практики по электроразведке

Отчет должен содержать титульный лист, оглавление, основной текст, разделенный на четыре главы: Электрические свойства горных пород, Электропрофилирование, ВЭЗ, Азимутальные наблюдения. В отчете могут быть Введение и Заключение. При использовании литературы ее следует указать в списке в конце отчета и сослаться в тексте. На все рисунки должны быть ссылки.

На титульном листе должны быть указаны фамилии преподавателей и студентов.

Электрические свойства горных пород района практики. В этой главе следует определить понятие УЭС и кажущегося сопротивления, перечислить основные факторы, которыми они определяются. Главное содержание главы - это таблица электрических свойств пород, определенных бригадой в ходе практики.

Разделы по методам содержат краткое описание метода, методику, сведения об аппаратуре и детальное описание результатов полевых работ. Если в отчете использованы полевые данные других бригад, об этом должно быть сказано в тексте. Рисунки должны содержать название, масштаб, подписи и оцифровку осей, дату полевых работ и фамилию бригадира. Часто рисунок содержит главные результаты полевых измерений, иногда уникальные, и желательно, чтобы он мог сохранять в себе основные сведения и в отрыве от текста: район, метод, методику, аппаратуру, масштаб, дату, бригаду.

Во введении можно перечислить сроки практики, изученные методы и район их применения. Во введении или в оглавлении следует указать авторов каждого раздела. Если студент не писал тексты глав, нужно указать, как он участвовал в подготовке отчета.

Заключение может содержать впечатления студентов о прошедшей практике, рекомендации, пожелания, критические замечания.


ПРИМЕРНЫЕ ВОПРОСЫ К ЗАЧЕТУ ПО ЭЛЕКТРОРАЗВЕДОЧНОЙ ПРАКТИКЕ ДЛЯ СТУДЕНТОВ ГЕОФИЗИКОВ 2 КУРСА.

1. Понятие удельного электрического сопротивления (rк или УЭС). Единицы измерения r. Анизотропия УЭС.

2. Факторы, которые определяют r. Значения сопротивлений горных пород района практики: глин, известняков, песчаников, мергелей, таврической серии, рыхлых четвертичных образований.

3. Понятие кажущегося сопротивления. Отличие rист и rк. Формула для расчета rк. От каких факторов зависит rк?

4. Установки. Определение и их основные типы.

5. Основные модели среды и методики (3 х 3)

6. Геологические ситуации для применения ВЭЗ, ЭП, КЭП.

7. Коэффициент установки, его размерность, расчет, использование.

8. Сущность метода ВЭЗ. Глубинность. Типы кривых ВЭЗ: 2-слойные и 3-слойные. Левая и правая асимптота. Когда применяют 3-электродные ВЭЗ.

9. Методика ВЭЗ. Минимальные и максимальные разносы, шаг изменения разносов. Зачем используют несколько линий MN? Схема подключения проводов, приборов, катушек, электродов в ВЭЗ.

10. Стандартный ВЭЗ и методика СЭЗ.

11. Количественная интерпретация кривых ВЭЗ с помощью компьютера.

12. Геологическая задача на Придорожной, различие кривых AMN и MNB, пояснить.

13. Результаты работы бригады по методу ВЭЗ.

14. Сущность электропрофилирования. Методика ЭП: выбор разносов АВ и MN, шага по профилю. Что такое установки ЭП? Зачем применяют ЭП с двумя АВ?

15. Кривые ВЭЗ и графики ЭП над разными моделями разрезов, состоящих из горных пород района практики: песчаников, глин, известняков, мергелей и т.д.

16. Графики ЭП над погребенной положительной и отрицательной структурой при разных соотношениях r верхнего и нижнего слоя.

17. Результаты работы бригады по методу ЭП (Обсерватория - МГРИ).

18. Круговое ЭП. Для чего его применяют. Установки для азимутального ЭП. Парадокс анизотропии. Как интерпретируют азимутальные ЭП. Результаты работы бригады.

19. Геологическая ситуация на Патили. Что дало ЭП, ВЭЗ, АЭП?

20. Сравнение АЭП с AMNB и ДЭП

21. Объясните изменения rк при ЭП на Патили.

22. Взаимодействие ВЭЗ и ЭП на Патили.