Способ геоэлектроразведки

 

Использование: в геофизике, в частности при проведении поисковых изыскательских и инженерно-геологических работ с использованием постоянного и переменного тока в районах, осложненных вертикальными и крутопадающими неоднородностями. Сущность изобретения: на профиле наблюдения располагают пары питающих АВ и приемных MN электродов. Электрод N фиксируют посередине питающей линии. Второй приемный электрод М перемещают по профилю наблюдений между питающими электродами. О структуре исследуемого участка судят по приращению разности потенциалов между парами точек, равноудаленных от электрода N, а также точек, расположенных на равных расстояниях одна от другой. 6 ил, 1 табл.

Изобретение относится к геофизике и может быть использовано при проведении поисковых, изыскательских и картировочных геологических и инженерно-геологических работ на поверхности земли в районах с горизонтальными или наклонными границами, в том числе осложненными вертикальными и крутоподающими неоднородностями типа жил, даек, контрактов, сбросов или надвигов, с использованием постоянного и переменного тока.

Известен способ геоэлектроразведки, позволяющий получать информацию о геологическом строении участка, основанный на изменении положения питающих электродов А и В относительно неподвижной приемной линии [1].

Известный способ позволяет получать информацию o горизонтально-слоистой структуре разреза, однако профильные неоднородности, например, субвертикальные структуры, осложняющие геологическое строение исследуемого разреза, в силу значительного осредняющего действия установки (результаты исследований являются осредненными по большому объему), практически не выявляются. Далее их выявления приходится проводить дополнительные исследования методами электропрофилирования.

Известен способ геоэлектроразведки [2], также предусматривающий проведение измерений при изменении положения электродов внутренней линии по отношению к внешней, но соотношение l_AB/l_MN может стремиться к единице.

Данный способ зондирования не требует устройства "перекрытий", а потому обладает большей производительностью. Однако и этот способ ввиду большого осреднения не предназначен для выявления электрических неоднородностей, относящихся к горизонтально-слоистой структуре изучаемого разреза.

Целью изобретения является получение более подробной информации о геологическом строении участка исследо- ваний.

Это достигается тем, что один из электродов приемной линии фиксируют ориентировочно посередине питающей линии; другой - подвижный электрод приемной линии перемещают между электродами питающей линии, рассчитывают величины кажущихся удельных электрических сопротивлений, используя приращения разности потенциалов между точками, равноудаленными от питающих электродов, и точками, расположенными друг от друга на расстоянии заранее выбранного шага.

На фиг. 1 изображена схема измерительной установки, при этом А и В - электроды питающей линии, N - неподвижный электрод приемной линии, М₁, М₂, М_1' и М_2' - частные положения электрода М приемной линии, Г - генератор тока, П - измерительный прибор; на фиг.2 показана кривая зондирования ρ_к=f(r_g) по предлагаемому способу (сплошная линия) и по способу прототипу (пунктирная линия); на фиг.3-5 - графики ρ способа срединных градиентов, при этом сплошная линия - рассчитанные по данным измерений по заявляемому способу, пунктирные линии - рассчитанные по заданным измерений способом СГ, буквы а, б, в соответствуют кривым со значениями МN=20,70 и 100 м; на фиг. 6 - геоэлектрический разрез, построенный по данным измерений заявляемым способом.

Суммарный потенциал в точке 1 на профиле (с учетом разнополярности электродов А и В) составит: Ψ₁=-, где - потенциал, создаваемый электродом А в точке 1; - потенциал, создаваемый электродом В в точке 1.

Суммарный потенциал в точке, где расположен электрод составляет: Ψ_N= - , где - потенциал, создаваемый электродом А в точке N; - то же, но создаваемый электродом В в точке N.

Измеренная разность потенциалов при нахождении электрода в точке 1 составит: ΔU₁= (-)- (- ) = Ψ₁-Ψ_N (1) Аналогично, измеренную в точке 2 разность потенциалов можно выразить следующим образом: ΔU₂= (-)- (- ) = Ψ₂-Ψ_N (2)
Рассуждая подобным образом, можно аналогично представить измеренную разность потенциалов в любой точке профиля.

Рассмотрим случай, когда подвижный электрод М располагается в точках 1 и 1', равноудаленных от электродов А и В. Величина разности потенциалов, измеренная при нахождении электрода М в точке 1', составит:
ΔU_1ʹ= (-)- (- ) = Ψ_1ʹ-Ψ_N (3)
Рассмотрим величину приращения разности потенциалов при перестановке электрода из точки 1 в точку 1'. Она равна разности величины Δ U₁ и Δ U_1':
Δ Δ U_1-1'= Δ U₁- Δ U_1'=Ψ₁-Ψ_1', (4) т.е. величина Δ Δ U_1-1' равна разности суммарных потенциалов в точках 1 и 1'. Эту величину можно было бы измерить, если поместить один приемный электрод в точку 1, а другой - в точку 1'.

При размещении электрода М в точках 2 и 2', также удаленных на одинаковые расстояния от электродов А и В, произведя измерения и последующие расчеты, аналогичные приведенным выше, получим:
Δ Δ U_2-2'= Ψ₂-Ψ_2', т.е. рассчитанное приращение измеренных разностей потенциалов равно разности суммарных потенциалов в точках 2 и 2'.

Выполняя далее расчеты для серии точек, равноудаленных от электродов А и В, по мере приближения этих точек к центру установки, можно получить набор значений Δ Δ U_i-i'.

Предлагаемый способ позволяет кроме информации электрического зондирования получать более подробную информацию о геологическом строении участка поскольку, если рассчитать величины Δ Δ U между точками, расположенными на профиле на расстоянии заранее выбранного шага, по величинам Δ Δ U с учетом геометрического коэффициента К и величины тока I в питающей линии рассчитать величину кажущегося удельного электрического сопротивления по формуле:
ρ_к= K· (5) (здесь К - коэффициент установки, которая была бы, если бы электроды приемной линии помещались в те точки профиля, для которых рассчитывались величины Δ Δ U), то на половине длины линии АВ в ее центральной части будем получать информацию, аналогичную информации, получаемой при съемке способом срединных градиентов.

В самом деле, величина Δ Δ U_1-2 в соответствии с приведенными выше обозначениями составит: Δ Δ U_1-2= Ψ₁-Ψ₂, а Δ Δ U_2-3= Ψ₂-Ψ₃ и т.д.

Но Δ Δ U_1-2, Δ Δ U_2-3, Δ Δ U_3-4,... - это величины, аналогичные тем, что можно было бы получить прямыми измерениями, если электроды приемной линии поместить соответственно в точках 1 и 2, 2 и 3, 3-4 и т.д. Очевидно, что рассчитанные по формуле (5) величины ρ_к аналогичны тем же, что можно было бы рассчитать по данным съемки срединных градиентов.

Таким образом, реализация предлагаемого способа обеспечивает получение информации, аналогичной известному ранее способу, позволяющему изучать горизонтально-слоистую структуру геологического разреза участка исследований, а также получать информацию о наличии в разрезе электрических неоднородностей, не связанных с горизонтально-слоистой структурой, т.е. способ обеспечивает по сравнению с известными способами более подробную информацию о геологии участка.

Предлагаемый способ отличается тем, что один из электродов приемной линии стационарно устанавливается приблизительно посередине неподвижной питающей линии АВ, а другой перемещают по профилю наблюдений между питающими электродами, а величины кажущихся сопротивлений рассчитывают, используя приращения разности потенциалов между точками, расположенными друг от друга на расстоянии заранее выбранного шага.

Способ осуществляют следующим образом.

На участке, подлежащем исследованию, разбивают профили наблюдений, как правило, вкрест предполагаемым электрическим неоднородностям субвертикального заложения. На профиле наблюдений устанавливают питающую линию АВ. Расстояние между электродами А и В выбирают с учетом обеспечения необходимой глубинности исследований h. Как правило, величина l_AB должна удовлетворять условию:
l_AB ≥ 3h.

Приблизительно в центре расстановки АВ стационарно устанавливается электрод приемной линии N. Электрод М этой линии помещается на профиле наблюдений в точке, удаленной от электрода А на расстояние выбранного шага съемки. Измеряется разность потенциалов (Δ U) между электродами М и N по мере перемещения электрода М по профилю в направлении электрода В.

Шаг перемещения определяется предполагаемыми размерами в плане электрических неоднородностей субвертикального заложения. При выборе шага руководствуются общепринятым в геофизике и, в частности, в электроразведке подходом, базирующемся на теории разведочных сетей: в пределах неоднородности должно быть не менее трех точек измерений. По окончании измерений производятся расчеты приращений измеренных значений Δ U при размещении электрода М как в точках, равноудаленных от электродов А и В, так и в точках в пределах средней половины расстановки питающей линии АВ, расстояние между которыми равно заранее выбранному шагу.

По вычисленным значения Δ Δ U рассчитывают значения ρ_к по формуле: ρ_к= K· , где К - значение геометрического коэффициента: в первом случае - установки симметричного четырехэлектродного зондирования, а в другом случае - установки способа срединных градиентов;
I - величина силы тока в питающей линии.

Зависимость ρ_к=f(r_g) (здесь r_g - действующий разнос четырехэлектродной установки электрического зондирования, с помощью которой величины, равные Δ Δ U, могли бы быть измерены), используется для количественной интерпретации электрического зондирования, конечным выходом которого являются представления о горизонтально слоистой структуре геологического разреза в пределах исследуемого участка, а кривые ρ_к вдоль профиля наблюдений в пределах средней половины расстановки АВ, рассчитанные с заданным шагом, интерпретируются способами, аналогичными способам интерпретации данных съемки срединных градиентов с получением информации об электрических неоднородностях вертикального и субвертикального заложения.

П р и м е р. Исследование по предлагаемому способу проводились в г.Стебнике Львовской области.

На участке шахтного поля Стебниковского калийного завода (СтКЗ) проложен геофизический профиль длиной 440 м в направлении запад-восток. При этом пикет 0 размещен на расстоянии 50 м к западу от скважины N 217 т, пикет 440 - на 66 м к востоку от скважины N 136 с. Геофизический профиль проложен таким образом, чтобы пересечь зону размыва солей в подземных горных выработках, ширина которой равна приближенно 30 м.

Схема измерительной установки показана на фиг.1. На пикете 0 установлен электрод А, электрод В - на ПК 440. Центральный измерительный электрод N размещен на ПК 220. Электрод М перемещали вдоль профиля с шагом 10 м от ПК 20 до ПК 420. Линию АВ запитывали током постоянной величины равным 400 мА от генератора АНЧ-3 (стационарного). Измерения приведены с использованием микровольтметра АН4-3, а также продублированы измерителем более высокого класса (Щ-4300). По завершении работ по заявляемому способу были выполнены измерения симметричной установкой АМNB, а также общепринятыми установками срединного градиента, при разных длинах линии MN, которые в данном случае составили 20, 70 и 100 м. Область, в которой произведены измерения общепринятой установкой срединного градиента, ограничена пикетами NN 110-330, так как это линия в пределах 1/2 длины АВ.

Установив электрод А на ПК 0, и В - на ПК 440, электрод N на ПК 220, а М - на ПК 20, включили генератор, произвели запись величины тока и величины разности потенциалов на паре измерительных электродов М и N.

Затем электрод М переносили последовательно на новые точки с шагом 10 м, и операции возбуждения поля и измерения разности потенциалов повторяли.

В таблице приведены полученные результаты. Сила тока во всех точках измерения равна 400 мА. Эта таблица является основным документом при производстве расчетов кажущегося удельного электрического сопротивления (ρ_к) для установок симметричного электрозондирования, а также для расчета установок срединного градиента, аналогичных общепринятым для размеров измерительных линий длиной 20, 70 и 100 м. Выбор размера измерительной линии метода СГ не имеет принципиального значения, он связан лишь с поставленной задачей по расчленению геоэлектрического разреза в плане; этот размер может колебаться от минимального, равного шагу измерений, т.е. 10 м, и достигать разумного максимума, который целесообразно выбирать как половину размера области измерений, т.е. где-то 440/2/2=110 м. Таким образом, выбранные для последующих расчетов размеры MN=20, 70 и 100 м почти охватывают весь возможный диапазон от 10 до 110 м.

На основании данных разностей потенциалов, представленных в таблице, произведены вычисления разностей разности потенциалов (Δ Δ U_i-i') для переменных значений длины MN, составивших в этом случае величины 400, 380, 360, 340, 320, 300 и т.д. до 20 м включительно. По полученным значениям Δ Δ U произведен расчет значений кажущегося удельного электрического сопротивления по формуле
= , где АМ_i - разнос, определяемый взаимным расположением измерительного электрода M_i относительно питающего электрода А, м;
BM_i' - разнос, определяемый взаимным расположением измерительного электрода М' относительно питающего электрода В;
Δ Δ U_i - разность разностей потенциалов, зафиксированных на паре электродов М и N при симметричных положениях электрода М относительно электродов А и В, мB;
I - величина стабилизированного тока, мA, при этом i изменяется от 1 до максимального числа разносов переменной измерительной линии.

Результаты расчета значений ρ_к по приведенной выше формуле представлены на фиг.2, где кривая ρ_к в функции от действующего разноса (rдейств.) показана сплошной линией. На фиг.2 пунктиром показана кривая ρ_к симметричного электрозондирования.

На фиг.2 видно, что расхождения значений ρ_к, вычисленных по данным измерений по известному способу не превышают ± 5%, т.е. удовлетворяют точности полевых наблюдений.

Расчет значений кажущегося удельного электрического сопротивления (ρ_к) для установок срединного градиента с использованием измерительных линий MN разной длины по заявляемому способу также произведен на основании данных измерений, представленных в таблице. Расчет i-ых значений ρ_к произведен по формуле:
= · .

Расстояние между точками M_i и M_i+1 равно расстоянию выбранного разноса (М_i M_i+1=MN); AM_i и BM_i - расстояния между i-ым измерительным электродом и питающими электродами А и B соответственно, м;
AM_i+1, BM_i+1 - расстояния между i+1 измерительным электродом и питающими электродами А и В соответственно, м;
Δ Δ U_i - разность разности потенциалов зарегистрированных установкой в точках i и i+1, соответственно, мВ;
I - стабилизированный ток, мA.

Графическое изображение графиков ρ_к способом срединного градиента по результатам измерений по заявляемому способу представлено на фиг.3-5 (сплошные кривые).

На фиг.3-5 пунктиром показаны графики ρ_к способа срединного градиента, выполненного по известной методике, при размерах АВ=440 м и MB=20 м (фиг. 3), MN=70 м (фиг.4) и MN=100 м (фиг.5).

Расхождение графиков СГ, выполненных по общепринятой методике и с использованием данных, полученных при применении заявляемого способа, не превышают ± 15% , в аномальных точках ± 5% в точках нормального поля, что соответствует требованиям полевой точности.

На основании серии измерений по заявляемому способу, произведенной при перемещениях установки вдоль геофизического профиля, построен геоэлектрический разрез, изображенный на фиг.6, на котором послойные определения электрических параметров (мощностей слоев и их удельных электросопротивлений) выполнены на основании расчетов ρ_к для симметричных зондирований с использованием величины Δ Δ U, а профильные неоднородности крутопадающего заложения (≥ 80^о) выделены по расчетам ρ_кпо аналогии со способом СГ с использованием также показателя Δ Δ U.

Произведя измерения по заявляемому способу, можно получить информацию, аналогичную совокупности нескольких способов электроразведки. Это означает, что заявляемый способ по сравнению с известным позволяет получать более подробную информацию о геологическом строении участка.

Итоги опробования заявляемого способа позволяют заключить, что с его помощью возможно повышение производительности электроразведочных работ не менее чем в 2 раза.

Формула изобретения

СПОСОБ ГЕОЭЛЕКТРОРАЗВЕДКИ, заключающийся в размещении пар приемных электродов между парами питающих электродов на профиле наблюдений, измерении разности потенциалов в приемной линии при изменении расстояния между ее электродами и расчете кажущихся удельных электрических сопротивлений слоев, отличающийся тем, что один из электродов приемной линии фиксируют посередине питающей линии, а второй перемещают в пределах всего расстояния между электродами питающей линии с шагом, заданным детальностью исследований, определяют приращения разности потенциалов между парами точек, равноудаленных от зафиксированного питающего электрода, а также парами точек, расположенных на равных расстояниях одна от другой, при этом по разности потенциалов между последними дополнительно судят о наличии субвертикальных неоднородностей.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7