Способ определения фазы геоэлектрического импеданса

 

Использование: при исследованиях Земли электромагнитным методом с помощью гармонических полей, в том числе при геоэлектроразведке слоистых структур и обнаружении в них неоднородностей, отличающихся по электросопротивлению. Сущность изобретения: измеряют электрический сигнал в вертикальной приемной рамке. Дополнительно вводят компенсирующую, соосную с приемной рамку. Через рамку пропускают ток, пропорциональный напряжению на приемном электрическом диполе. Измеряют минимальную величину электрического сигнала E (суммарную), пропорциональную модулю векторной разности исследуемых электрического и магнитного полей. Измеряют также величину сигнала E_н пропорциональную только исследуемому магнитному полю (при разомкнутой компенсирующей обмотке), и по соотношению E (суммарная) и E_н определяют фазу импеданса. 3 ил.

Изобретение относится к геоэлектрическим методам исследования Земли, использующим гармонические электромагнитные поля. Оно может быть применено при наземных амплитудно-фазовых измерениях электросопротивления геологической среды в полях, создаваемых как специализированными геофизическими источниками, так и в техногенных полях, возбуждаемых в земле линиями промышленных электропередач 50-периодного тока и других промышленных установок переменного тока, а также устойчивых во времени полях естественного происхождения. Область применения предлагаемого изобретения геоэлектроразведка на частотах звукового диапазона.

Известен способ непосредственного определения фазы геоэлектрического импеданса (т. е. сдвига по фазе между переменными электрическим и магнитным полями), основанный на измерении времени запаздывания синхронно записанных на движущийся носитель информации (например, на фотобумагу) электрического сигнала, снимаемого с приемных электродов, и магнитного поля, измеренного магнитометром. Недостаток этого способа его большая трудоемкость, малая производительность и низкая точность. Кроме того этот способ из-за инерции магнитометра практически неприменим на частотах выше 100-200 Гц.

В геоэлектрике, при работе на более высоких частотах широко применяются высокочувствительные индукционные датчики магнитного поля и компенсационные способы измерения разности фаз, обеспечивающие наибольшую точность измерений.

Известны компенсационные способы измерения разности фаз двух электрических сигналов, основанные на уравновешивании мостовой схемы при помощи амплитудных делителей и фазовращателей. В способе-аналоге [2] уравновешивается напряжение на выходе горизонтальной петли (приемный датчик) и напряжение, снимаемое с трансформатора тока, включенного в провод горизонтальной генераторной петли, соцентричной с приемной. Таким способом высокоточно определяют сдвиг по фазе электрического поля E по отношению к возбуждающему магнитному полю.

Недостатки способа-аналога его большая трудоемкость и сложность, связанная с высокими требованиями к фазовращателю, из-за чего этот способ неприменим при массовых геоэлектрических исследованиях. Кроме того возникают большие сложности при применении этого способа для измерения фазы горизонтального магнитного поля из-за того, что для повышения чувствительности индукционные датчики горизонтального магнитного поля обычно выполняются в виде соленоидов (многовитковых рамок) или одновитковых рамок, но с трансформаторным выходом. Такие датчики при работе на повышенных частотах звукового диапазона имеют собственный нелинейный фазовый сдвиг, не учитываемый при измерениях известным способом.

Первый из недостатков способа аналога устраняется в компенсационных способах измерения разности фаз двух гармонических сигналов, основанных на применении операции векторного сложения-вычитания двух электрических напряжений в специальном устройстве сумматоре. В способе, принятом за прототип [3] одно из напряжений снимается с соленоидальной рамки с магнитным сердечником, другое поступает по опорному каналу от электроразведочного генератора. После уравнивания амплитуд сигналов на выходе сумматора измеряют отношение модуля векторной разности сигналов к модулю (амплитуде) опорного напряжения, по величине этого отношения определяют фазовый сдвиг исследуемого магнитного поля.

Достоинство способа-прототипа его простота, высокая точность и большая производительность, недостатки необходимость иметь специальный канал передачи опорного напряжения и неоправданное усложнение процесса работ при его использовании для раздельного измерения фазы магнитного и электрического поля с последующим определением (вычислением) фазы импеданса. Кроме того этот способ также не учитывает фазового сдвига, вносимого датчиком магнитного поля, из-за чего фаза импеданса будет определяться с ошибкой.

Цель изобретения упрощение измерений при непосредственном определении фазы ϕ_z геоэлектрического импеданса Z на звуковых частотах и повышение надежности его определения за счет исключения влияния фазово-частотной характеристики индукционного датчика магнитного поля.

На фиг.1 изображена структурная схема устройства для осуществления предлагаемого способа; на фиг.2, 3 графики, иллюстрирующие предлагаемый способ.

В устройство входит заземленная на концах приемная линия (электрический диполь MN) 1, коммутатор 2, аттенюатор 3, преобразователь 4 напряжения в ток, первая шина 5 управления, вторая шина 6 управления, вольтметр 7, приемная рамка 8, компенсирующая рамка 9.

Представленное на фиг.1 устройство работает следующим образом. Вначале шиной 5 управления отключается электрический диполь 1 от входа аттенюатора 3, следовательно, ток в компенсирующей рамке равен нулю. В этом положении вольтметром 7 измеряют сигнал ε_н, пропорциональный исследуемому магнитному полю, например, H_y. Затем подключают электрический диполь MN через коммутатор 2 к входу аттенюатора 3 и далее через преобразователь напряжение-ток к компенсирующей рамке 9 в такой полярности, при которой сигнал на выходе приемной рамки уменьшится; изменяя коэффициент передачи напряжения аттенюатора 3, добиваются минимальной величины сигнала (ε )_мин и измеряют его. Фазу импеданса определяют из равенства arcsin ϕ_z.

Принцип действия устройства объясняется следующим образом.

При отключенной компенсирующей рамке напряжение на выходе приемной рамки в комплексной форме имеет вид ε_н(cosα+isinα) (1) с амплитудой ε_н=ω μ_о k_р H_y где H_y амплитуда исследуемого магнитного поля; α его фаза; К_р коэффициент преобразования магнитного поля в электрическое напряжение приемной рамкой; μ_о магнитная постоянная, ω круговая частота поля. При подключении компенсирующей рамки через преобразователь 4 и аттенюатор 3 к приемному электрическому диполю в приемной рамке индуцируется дополнительное напряжение = ε_E(cosΘ+isinΘ), (2) ε_E= l_MN˙ω˙k_п˙M˙E_x где Е_х амплитуда напряженности исследуемого электрического поля; Θ его фаза; М коэффициент взаимной индукции приемной и компенсирующей рамок; k_п коэффициент преобразования напряжение-ток блоков (3 и 4); l_MN длина приемного электрического диполя.

Разностное напряжение от воздействия поля H_y и поля, создаваемого компенсирующей рамкой, равняется ε_Σ= -ε²_н+ε²_E-2ε_нε_Ecos(Θ-α)}^1/2. (3)
Напряжение ε имеет минимум при условии
ε_E=ε_H cos(Θ-α) (4)
Подставляя (4) в (3), находят суммарное напряжение при минимуме сигнала (ε )_мин и получают, что
sin(Θ-α). (5) где Θ-α=ϕ_z искомая разность фаз электрического и магнитного полей фаза ϕ_z импеданса .

В выражение (5) не входит фазово-частотный параметр k_р приемной рамки и ее чувствительность, чем и достигается независимость предлагаемого способа определения фазы импеданса от фазовых сдвигов в канале измерения магнитного поля: приемная рамка вольтметр. Вместе с тем потенциально возможен фазовый сдвиг в канале: приемный электрический диполь-компенсирующая рамка. Для предотвращения этого нежелательного эффекта этот канал выполняется широкополосным так, чтобы он не давал фазовых сдвигов вплоть до частот несколько МГц (а тем более в звуковом диапазоне).

Предлагаемый способ был проверен при экспериментальных работах методом частотного зондирования на двух участках Верхнекамского месторождения калийных солей. Мощный слой соли представляет для геоэлектроразведки опорный горизонт высокого электрического сопротивления; он перекрыт электропроводными терригенно-карбонатными осадками мощностью 200-300 м. Измерения проведены с аппаратурой АЧЗ-78, позволяющей измерять методом сравнения отношение амплитуд двух электрических сигналов, проходящих по одному и тому же приемно-усилительному тракту в диапазоне частот 30-1000 Гц. Источником поля была незаземленная петля, питаемая током от генераторной станции ЭРС-67.

На фиг.2 приведены полученные на первом участке фазовая кривая ϕ_zимпеданса и амплитудная кривая кажущегося сопротивления ρ_ω= при зондировании с разносом 1,35 км. Кривая ρ характерна для 4-слойного разрезa, у которого верхний слой, отмечаемый при частотах 500-1000 Гц, имеет электросопротивление ρ ≈ 50 Ом, а нижний практически изолятор. Согласно теории частотных зондирований для такой среды фаза импеданса должна иметь две асимптоты: высокочастотную, где ϕ_z__→ 45°, и низкочастотную, где ϕ_z__→ 0°. По нашим измерениям на верхней рабочей частоте 1000 Гц ϕ_z 28^о и с понижением частоты уменьшается, составляя на нижней рабочей частоте 31 Гц ϕ_z 6^о30'. Таким образом, диапазон изменения фазы импеданса укладывается в пределы, предсказываемые теорией. Оценить достоверность измеренной фазовой кривой каким-либо другим методом (например, сравнением с другим способом измерения) не представляется возможным, так как другие способы определения фазы импеданса на звуковых частотах не известны.

Предлагаемый способ имеет еще одно важное достоинство: он применим независимо от того, какой источник создает исследуемое электромагнитное поле. Таким источником могут быть как специализированные геофизические генераторные установки, так и не контролируемые геофизиками поля, например, техногенные, создаваемые промышленными линиями электропередач на переменном токе. На фиг.3 приведены полученные по профилю на втором экспериментальном участке графики , и соответствующие им фазы импедансов на частотах 62, 166 Гц и частотах 50 и 150 Гц. Измерения на частотах 62 и 166 Гц сделаны при возбуждении поля с генгруппой ЭРС-67, расположенной в 1,5 км севернее профиля наблюдений; источником поля с частотой 50 и 150 Гц, была ЛЭП напряжением 300 кВ, проходящая примерно параллельно нашему профилю в 1,5 км к югу от него. Как видно на фиг.3, графики ρ и фазы ϕ_z импедансов с обоими источниками очень похожи друг на друга: в обоих полях в районе пикетов (9-10) наблюдается возрастание ρ по сравнению с фоновыми значениями и соответствующее уменьшение фазы ϕ_z. По результатам буровой проверки полученная аномалия ρ и ϕ_z вызвана горстообразным увеличением мощности известняков в терригенно-карбонатной толще.

Предлагаемый способ может быть использован также для определения фазы геоэлектрического импеданса в звуковых полях естественного происхождения, если эти поля обладают достаточной стабильностью во времени. Продолжительность стабильного интервала должна быть в пределах 1-2 мин. Такой интервал времени затрачивается на измерение на одной частоте по предлагаемому способу с аппаратурой АЧЗ-78.

Формула изобретения

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ФАЗЫ ГЕОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ИМПЕДАНСА, включающий измерение переменного электрического сигнала вертикальной приемной рамки, отличающийся тем, что пропускают в компенсирующей приемной рамке, соосной с приемной, ток, пропорциональный напряжению на приемном заземленном на концах электрическом диполе, устанавливают в компенсирующей рамке ток, при котором выходной сигнал вертикальной приемной рамки, пропорциональный модулю векторной разности электрического и магнитного полей, минимален, измеряют величину минимального сигнала, а фазу импеденса определяют по отношению величин минимального сигнала и электрического сигнала на выходе приемной рамки, пропорционального только исследуемому магнитному полю.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3