Краткое пособие по электроразведке на первой учебной геофизической практике в Крыму

Вид материала

Литература

Содержание 4. Изучение анизотропных сред 1. Основы метода сопротивлений Минерализация влаги 1.3. Геоэлектрические модели ГСС - горизонтально-слоистая среда; Н 1.4. Установки метода сопротивлений 1.5. Аппаратура для электроразведки методом сопротивлений 3. Электрические зондирования 3.1. Искажения кривых электрических зондирований 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:

• Учебное пособие для студентов среднего профессионального образования специальности, 2227.42kb.
• Учебное пособие для студентов среднего профессионального образования специальности, 2287.59kb.
• Учебное пособие для студентов среднего профессионального образования специальности, 1314.08kb.
• Настройка сетевой карты, краткое пособие для начинающих Материал из alt linux Wiki, 65.29kb.
• Краткое пособие по практическим умениям Под редакцией проф. Д. Ф. Костючек, 1594.51kb.
• Учебно-методическое пособие Йошкар-Ола, 2009 ббк п 6 удк 636, 3772.57kb.
• Краткое обзорно-справочное пособие. Книга является первым в своём роде обзорно-справочным, 5528.85kb.
•     Глава Пришествие Господа Кришны Введение Ниже приводится краткое, 6654.85kb.
• Учебно-методическое пособие по оказанию первой помощи пострадавшим ставрополь 2009, 2187.34kb.
• История возникновения геофизической специальности и кафедры геофизических методов разведки, 436.1kb.

Краткое пособие по электроразведке

на первой учебной геофизической практике

в Крыму


Содержание

Введение 1

1. Основы метода сопротивлений 1

1.1. Удельное электрическое сопротивление горных пород 1

1.2. Таблица электрических свойств горных пород района практики в Крыму 2

1.3.Геоэлектрические модели 2

1.4. Установки метода сопротивлений 5

1.5. Аппаратура для электроразведки методом сопротивлений 7

2. Электропрофилирование 8

3. Электрические зондирования 9

3.1. Искажения кривых электрических зондирований, вызванные

приповерхностными неоднородностями 12

4. Изучение анизотропных сред с помощью азимутальных наблюдений 15

4.1. Выбор установок 17

4.2. Результаты изучения анизотропии на плато Патиль. 19

Литература 20

Приложения 21


ВВЕДЕНИЕ


За несколько десятилетий на Крымской геофизической практике применялось много разных методов электроразведки (ВЭЗ, ЭП, ЕП, ВП, ДЭМП, СДВР, ЧЗ, МТЗ), но наиболее удачное место в учебном процессе нашел метод сопротивлений: электрические зондирования (ВЭЗ), профилирование (ЭП) и азимутальные (круговые) наблюдения (АЭП).

Применение любого метода геофизики возможно там и тогда, где и когда в разрезе находятся геологические тела, обладающими разными физическими свойствами. Контраст свойств - первое необходимое условие применимости геофизических методов. Второе условие - размеры объекта должны быть достаточно большими относительно глубины его залегания. Третье условие - сигнал от объекта должен превышать уровень помех. После того, как развитие аппаратуры помогло в значительной степени преодолеть влияние электромагнитных помех, главным фактором, ограничивающим возможности электроразведки стало влияние геологических помех. Подавление геологических помех позволяет резко повысить эффективность электроразведки.


1. Основы метода сопротивлений

1.1. Удельное электрическое сопротивление горных пород


Удельное электрическое сопротивление (УЭС) определяется как сопротивление (отношение падения напряжения к силе протекающего тока) единицы объема (1 м³) при пропускании тока через этот объем от одной грани к противоположной. В отличие от сопротивления линейных проводников, обозначаемого в физике буквой R, электроразведка имеет дело с удельным сопротивлением объемных проводников, обозначаемым буквой . УЭС горных пород зависит от внутренних (минеральный состав и размеры минеральных зерен, глинистость) и внешних (водонасыщенность, температура, пористость и трещиноватость, минерализация влаги) факторов. При изучении верхней части геологического разреза в процессе инженерно-геологических исследований приходится иметь дело с горными породами преимущественно осадочного происхождения, не содержащих больших включений электронопроводящих минералов. В этом случае преобладает влияние на УЭС горных пород внешних факторов.

Минерализация влаги в районе практики изменяется слабо, главным образом под влиянием сильных осадков и продолжительных сухих периодов. Поверхностные воды имеют сопротивление около 30 Ом.м. Температура горных пород в верхней части разреза в период практики также стабильна. Водонасыщенность (или влажность) может меняться в довольно больших пределах. Так известковистые песчаники на плато Патиль не насыщены водой и имеют сопротивление около 400 Ом.м, а те же песчаники на плато Обсерватория более водонасыщены и их сопротивление - 90 Ом.м.

Пористость пород меняется в значительных пределах. Так, например, пористые нуммулитовые известняки имеют сопротивление 160 Ом.м, а менее пористые датские известняки - 800 Ом.м. К наиболее сильно влияющим внутренним факторам следует отнести глинистость. Минералы глин обладают наиболее высокой пористостью (60 - 70%), тогда как у песков 20-25%, а у скальных пород еще меньше. Вода в порах глин находится в прочносвязанной форме, сопротивление ее в этом случае меньше, чем у свободной воды в больших порах. Чистые глины имеют наиболее низкое сопротивление в районе практики. Примесь глины в других породах, песчаниках или известняках, заметно уменьшает их УЭС. Мергель, как смесь известковистых и глинистых составляющих обладает более низким сопротивлением, чем чистый известняк. Выветривание также понижает сопротивление пород, Так верхний слой выходящих на поверхность пород таврической серии обладает на 30-40% более низким сопротивлением, чем те же породы на глубине в несколько метров.


1.2. Таблица электрических свойств горных пород

района практики в Крыму


Четвертичные отложения (Q) r=15 - 80 Ом.м

Нуммулитовые известняки (Симферопольская свита, палеоген, лютетский ярус) r=100 - 160 Ом.м

Глины (Бахчисарайская свита, палеоген, ипрский ярус) r=10-30 Ом.м

Мергели (Качинская свита, палеоген, танетский ярус) r=20-50 Ом.м

Известняки (Белокаменская (Инкерманская) свита, мел, датский ярус) r=800 Ом.м

Мергели (Кудринская свита, мел, сантон, кампан, маастрихт) r=80-150 Ом.м

Известняки (Прохладненская свита, мел, верхний турон) r=100-300

Мергели (Белогорская свита, мел, сеноман) r=30-100

Песчаники (Высокобугорская свита, мел, верхний альб) r=100-180

Мангушские отложения (Мангушская свита, мел, альбский ярус) r=4-200 (в среднем 30)

Глины (Биасалинская свита, мел, аптский ярус) r=5-15 Ом.м

Известковистые песчаники (Резанская свита, мел, валанжин - готерив - баррем) r=90-1000 Ом.м (в среднем 400)

Таврический флиш (Таврическая серия, триас - юра, песчаники, алевролиты, аргиллиты) r = 30 - 150 Ом.м (в среднем 50), порода обладает сильной анизотропией l до 1.6.


1.3. Геоэлектрические модели


Геоэлектрическая модель среды является фундаментальным понятием электроразведки, так как лежит в основе решения прямых и обратных задач. Самая простая модель в электроразведке - это однородное безграничное проводящее пространство. Решение задачи о точечном источнике постоянного тока для такой модели показывает распределение потенциала и составляющих плотности тока и напряженности поля. Тип модели определяет выбор системы координат, в которой удобнее решать задачу. В данном случае - выбор сферической системы координат с центром в источнике является физически наиболее удобным. Но практическая применимость такой модели среды очень ограничена.

Следующим приближением к реальным условиям электроразведки является модель двух полупространств, или модель "земля -воздух". Подразумевается, что полупространство заполненное воздухом обладает бесконечно высоким сопротивлением, а земля - конечным - r₁. Точечный (или иной) источник тока располагается на плоской поверхности земли или внутри нее. Для описания такой модели удобно использовать прямоугольную или цилиндрическую систему координат с осью Z, направленной вниз. Модель позволяет ввести понятие нормального поля, кажущегося сопротивления. При изучении неоднородных сред модель однородного проводящего полупространства служит базой для разделения поля на нормальную и аномальную составляющие.

Теперь обсудим геоэлектрические модели неоднородных сред. Наиболее сильные изменения свойств геологической среды происходят по вертикали, как в планетарном масштабе (осадочный чехол, земная кора, мантия), так и при более детальных исследованиях (слоистые осадочные толщи, смена электрических свойств пород с глубиной под влиянием изменений влажности, выветривания, температуры в районах развития мерзлоты и т.д.). Поэтому следующей по сложности после модели однородного полупространства можно считать модель среды с изменением удельного сопротивления только по вертикали. Ее называют одномерной моделью (1D) или моделью r(Z). В этой модели различают два случая: когда r(Z) меняется непрерывно (градиентная одномерная модель) и когда r(Z) - кусочно-постоянная функция (горизонтально-слоистая модель - наиболее часто используемая). Модель горизонтально-слоистой среды (ГСС) является традиционной для методов зондирований, таких как ВЭЗ, ДЭЗ и др.

Следующей по сложности геоэлектрической моделью неоднородной земли является двумерно-неоднородная модель r(X, Z), или 2D. Внутри этой модели можно выделить несколько частных случаев. Простейшими из них являются вертикальный контакт и горизонтальный цилиндр, более сложными - вертикальный пласт (жила) и вертикально-слоистая среда. Эти модели являются базовыми для различных модификаций электропрофилирования. Общим случаем двумерной модели является разрез с произвольным распределением r, в котором r может являться как кусочно-постоянной функцией (x, z), так и непрерывной (градиентной).

Наиболее сложная фундаментальная геоэлектрическая модель - трехмерная, когда r = f (X, Y, Z), или 3D. Простейшие частные случаи такой модели - локальные трехмерные тела (шар, эллипсоид, параллелепипед), помещенные в однородное полупространство. Более сложными случаями являются сочетания локальной трехмерной неоднородности, находящейся в одномерном или двумерном геоэлектрическом разрезе. Наиболее общий случай - модель произвольного трехмерного распределения УЭС.

Роль фундаментальных геоэлектрических моделей можно пояснить с помощью понятий прямой и обратной задачи геофизики. Под прямыми задачами понимают определение (расчет) полей по известному распределению свойств среды и источников поля. Под обратными - нахождение распределения свойств среды по известному полю. Основное назначение геофизики при исследовании практических геологических ситуаций - это решение обратной задачи. Но решение обратной задачи может быть получено только для тех ситуаций, для которых решены соответствующие прямые задачи и как правило в рамках определенной прямой задачи. Тем самым потенциальные возможности геофизических методов определяются набором решенных на сегодняшний день прямых задач.

Реальная геологическая среда всегда трехмерна, так как трехмерно окружающее нас физическое пространство. Но вести интерпретацию в рамках трехмерных моделей очень трудно и для конкретных ситуаций не всегда возможно. Во многих случаях в этом и нет необходимости. Чаще геоэлектрическая ситуация в масштабе решаемой задачи удовлетворительно описывается (аппроксимируется) более простыми моделями, обладающими меньшей размерностью (двумерными или одномерными). Понижение размерности обратной задачи существенно упрощает ее: уменьшает число определяемых параметров и соответственно вычислительные затраты; снижает требования к количеству экспериментальных данных; уменьшает неоднозначность решения обратной задачи (в рамках модели).

При исследовании сложно построенных сред широко используются понятия нормальной и аномальной составляющих наблюденного поля. Нормальное поле является решением прямой задачи для некоторой упрощенной модели среды, называемой нормальной моделью или нормальным разрезом. Под аномальной частью поля понимают составляющие поля, связанные с отклонением среды от нормального разреза. В электроразведке в качестве нормального разреза наиболее широко используются модели однородного полупространства и горизонтально-слоистого разреза. Но в принципе, в качестве нормального разреза можно использовать и другие модели. Например, для двумерной среды с локальной трехмерной неоднородностью в качестве нормальной модели удобно использовать двумерную среду.

Последовательность все усложняющихся нормальных моделей можно считать нормальным рядом моделей. В таком ряду прямая задача для каждой следующей модели может быть решена на основе решения предыдущей, более простой задачи. Примерами таких нормальных рядов моделей можно считать: полупространство - вертикальный контакт - вертикально-слоистую среду; или полупространство - двухслойную модель - слоистую модель с произвольным числом слоев, слоистую модель с включенными в нее локальными неоднородностями. В общем случае ряд 1D - 2D - 3D можно также рассматривать как нормальный ряд моделей.




Рис.1.1. Взаимосвязь основных составляющих геоэлектрической модели разреза.
До сих пор модели о которых шла речь считались изотропными (то есть предполагалось, что электрические свойства каждого слоя (тела) модели не зависят от направления). Реальные среды часто обладают электрической анизотропией, когда их свойства зависят от направления протекания тока. Добавление анизотропии является усложнением модели и последовательность изотропная - анизотропная модели можно рассматривать как пример нормального ряда моделей. В тех случаях, когда свойства среды меняются под влиянием анизотропии в плоскости (X, Y), исследования анизотропии можно вести с помощью азимутального (кругового) электропрофилирования, когда электроразведочная установка без изменения точки записи меняет свою ориентацию в плоскости наблюдений. Когда кроме анизотропии в плоскости (X, Y) происходят еще изменения свойств с глубиной - применяют азимутальное (круговое) зондирование. Наиболее простой (нормальной) моделью анизотропной среды является анизотропное полупространство (с вертикальным или наклонным положением плоскости анизотропии). Более сложными моделями - вертикальный контакт двух анизотропных полупространств, горизонтально-слоистая модель со своей ориентацией анизотропии в каждом слое и т.д.

Модели в которых преобладают изменения свойств среды с глубиной обычно изучаются методами электрических зондирований. Модели с преобладающим изменением свойств по горизонтали - методами электрического профилирования. Модели с анизотропией свойств в горизонтальной плоскости - азимутальными (круговыми) наблюдениями (профилиро-ванием или зондированием). Эта классификация моделей и применяемых для их изучения модификаций электроразведки и положена в основу данного пособия. Интерпретация наблюдений ведется в предположении той или иной модели среды, как говорят - в рамках определенной модели. Реальные среды могут иметь строение, точнее описываемое комбинациями простых моделей.

На рис.1.1 представлена схема из диссертации Д.К.Большакова, где изображены составляющие геоэлектрической модели разреза: ГСС - горизонтально-слоистая среда; Н - 2D и 3D неоднородности (ГН - глубинные, ППН - приповерхностные); А - анизотропное полупространство; и их комбинации: ГСС+Н - горизонтально-слоистая среда с неоднородностями; ГСС+А - слоисто-анизотропная среда; А+ППН - анизотропное полупространство с приповерхностными неоднородностями; А+ГН - анизотропное полупространство с глубинными неоднородностями.

На учебной практике студенты встречаются с моделями Н (+ГСС), изучаемой электропрофилированием, ГСС+Н (и методикой СЭЗ - сплошных электрических зондирований, разработанной для их изучения) и ГСС+А (при изучении анизотропии таврической серии под перекрывающим слоем резанских песчаников на плато Патиль).


1.4. Установки метода сопротивлений


Термин "установка" в электроразведке методом сопротивлений используется для обозначения взаимного расположения питающих (A, B) и приемных (M, N) электродов. Выбор установки является важнейшим элементом методики электроразведки и зависит от геологических задач, технологических условий, используемой аппаратуры, глубинности исследований, уровня помех. Хотя за время существования метода было предложено большое количество различных установок, новые варианты продолжают появляться и эта тема кажется неисчерпаемой. Рассмотрим основные типы установок и некоторые соображения их выбора (см. рис.2.1).

По числу движущихся или "рабочих" электродов различают установки двухэлектродные (AM), трехэлектродные (AMN), четырехэлектродные (AMNB, ABMN и др.) и многоэлектродные. В двухэлектродной установке всего 4 электрода, но два из них отнесены в "бесконечность" и поэтому их влиянием пренебрегают.

1) симметричная четырехэлектродная градиентная установка Шлюмберже (MN<
Метод сопротивлений используется для трех основных видов исследований: зондирования, профилирования и изучения анизотропии негоризонтальных напластований азимутальными (круговыми) наблюдениями (зондированиями или ЭП). В каждом из них свои критерии выбора установок.




Рис.1.2. Графики ЭП над вертикальным контактом для установок AM (U) и AMN (E)
Например для зондирования горизонтально-слоистых сред установки Шлюмберже и дипольная экваториальная теоретически эквивалентны, а для изучения анизотропии негоризонтальных напластований резко различны: первая дает эллипс анизотропии с отношением осей l, а вторая - пропорциональный l⁵. При профилировании наибольшие отличия имеют градиентные (E) и потенциальные (U) установки: первые на контактах сред с разными сопротивлениями дают резкие аномалии, так как напряженность поля на контакте терпит разрыв, а вторые - более плавные аномалии, так как потенциал на тех же границах непрерывен (рис.1.2). При ЭП по разному ведут себя дипольная осевая и симметричная градиентная установка Шлюмберже (рис.1.3). Для симметричной установки токовые линии вблизи точки измерения (под MN) преимущественно горизонтальны, а для дипольной осевой - почти вертикальны. Если объектом поиска является тонкий пласт высокого сопротивления, то максимальная аномалия над ним получится, когда токовые линии будут перпендикулярны пласту. Над проводящим пластом максимальная аномалия получится при ориентации токовых линий вдоль пласта. Поэтому вертикальный пласт высокого сопротивления сильнее проявится в установке СЭП, а проводящий пласт - в ДОП (за счет концентрации в пласте токовых линий). Тонкий горизонтально лежащий проводящий пласт сильнее отразится в установке СЭП, а плохо проводящий - в ДОП.




Рис.1.3. Структура поля для установок Шлюмберже и ДОП
Установка ДОП нашла широкое применение для ЭП, а ДЭП - для зондирования и азимутальных исследований анизотропных сред. Дипольные установки используются при глубинных электрических зондированиях, т.к. требуют меньшей длины проводов, но нуждаются в мощных источниках тока.

Установка срединного градиента обеспечивает максимальную производительность, возможность работы с несколькими измерителями одновременно, но требует довольно мощных источников тока.

Выбор установок определяется характером решаемых задач, а более узко - моделью среды. Большое разнообразие моделей способствует появлению новых установок. Заранее точная модель среды обычно не известна, поэтому выбор установки должен опираться на обобщенную (базовую) модель среды и соображения технологического характера.




Потенциал и электрическое поле точечного источника постоянного тока над однородным полупространством определяются формулами:

Из этих формул легко определить истинное сопротивление однородного полупространства -r. Эта величина в случае неоднородных сред получила название кажущегося сопротивления -r_к.




Кажущееся сопротивление в методе сопротивлений рассчитывается по сходным для разных установок формулам:

в которых K, - есть величина обратная к величине потенциала или плотности тока в однородном полупространстве (нормального поля). Эту формулу для анализа аномалий r_к удобно преобразовать к виду:




где j₀ - плотность тока в однородном полупространстве, j_MN - плотность тока вблизи измерительных электродов в реальной среде, а r_MN - сопротивление среды в секторе между эквипотенциальными линиями, проходящими через электроды M и N и ограниченном снизу токовой линией для условно максимальной глубины исследования.

Локальные объекты высокого и низкого сопротивления, попадая в сектор между эквипотенциальными линиями M и N, изменяют r_MN, а заставляя ток обтекать высокоомные объекты и концентрироваться в низкоомных объектах, изменяют j_MN.




Рис.1.4. Изменение глубинности для линий MN разной длины.
При этом величина MN, является фактором относительного управления глубинностью (рис.1.4). При уменьшении MN сектор между эквипотенциальными линиями M и N становится уже и сравнивая этот сектор с лучом фонарика можно сказать, что становясь более концентрированным он осредняет меньший объем среды и увеличивает относительный вклад удаленных объектов, т.е. светит дальше. Однако удобнее управлять глубиной с помощью разноса питающих электродов AB в установке Шлюмберже или расстояния между диполями r=OO' в дипольных установках (смотри далее рис.3.3 и текст к нему).




Рис.1.5. Идея поочередных наблюдений с установками AMN и MNB.
В МГУ широко используют в практике зондирований трехэлектродную двухстороннюю (или комбинированную) установку, предложенную проф. А.С.Семеновым. Конечно необходимость организации заземления в "бесконечности" создает некоторые затруднения, но преимущества при выполнении зондирований неоднородных сред весьма заметны. Используя аналогию точечного источника и источника света ("фонарика"), можно утверждать что поочередная подсветка объекта то с одной, то с другой стороны, позволяет более наглядно почувствовать его форму (рис.1.5).

Большой и до конца не осознанной проблемой электрических зондирований и метода сопротивлений в целом является искажение наблюдений мелкими приповерхностными неоднородностями (или влияние геологических помех).