Индуктивный способ определения вариаций электросопротивления геологической среды

 

Использование: при электромагнитных методах исследования земли, для изучения вариаций электросопротивления земли при неэлектропроводном поверхностном слое (мерзлота, скальный грунт и т.п.). Сущность изобретения: после установки приемной рамки в положение, соответствующее регистрации малой оси эллипса поляризации, дополнительно используют соосную с приемной компенсирующую рамку, ток с которой формируют пропорциональным вертикальной составляющей магнитного поля, изменяют силу компенсирующего тока до величины, при которой достигается максимальная компенсация малой оси эллипса поляризации, и по величине изменения компенсирующего тока определяют вариацию электросопротивления геологической среды. 2 ил.

Предполагаемое изобретение относится к наземным электромагнитным методам исследования вещества и структур верхней части земной коры в диапазоне частот 30-1000 Гц. Оно может быть использовано при изучении процессов современной геодинамики, при которых изменяется во времени электросопротивление горных массивов. Область преимущественного применения предлагаемого технического решения наблюдение и изучение изменений электросопротивления геологической среды с периодом 1-15 суток в особенности на территориях, закрытых ледниками, многолетнемерзлыми, скальными и сыпучими грунтами.

Известен электромагнитный способ определения изменения во времени электрического сопротивления горных массивов, основанный на пропускании электрического тока между двумя заземлениями и измерении разности потенциалов между двумя заземлениями приемными электродами [1] Этот способ имеет существенный недостаток, заключающий в сложности создания хороших заземлений в условиях скальных, мерзлых и сыпучих грунтов. Поэтому при изучении вариации электросопротивления геологической среды электрометрический способ применяют лишь в условиях стационарных геофизических обсерваторий. Указанный недостаток преодолевается с применением индуктивного способа возбуждения и приема геосигнала.

Известен индуктивный способ определения электросопротивления ρ_к геологической среды с возбуждающим вертикальным магнитным диполем и определением при малых параметрах поля малой оси эллипса поляризации магнитного поля, в котором измеряют при звуковых частотах напряжение на выходе приемной рамки при установке ее в вертикальной плоскости по минимуму выходного сигнала [2] Достоинство этого способа возможность выполнять измерения без перемещения возбуждающего диполя в любом азимуте от него, в том числе по двум взаимно перпендикулярным радиусам-лучам, что дает возможность характеризовать анизотропию геологической среды в горизонтальной плоскости.

Недостаток этого способа низкая точность определения ρ_к вследствие его малой чувствительности к изменению электросопротивления исследуемой среды. Известно, что напряженность магнитного поля, соответствующего малой оси эллипса поляризации, в лучшем случае пропорциональна 1/ρ_к. Так как погрешность измерения малой оси эллипса в способе [2] обычно превосходит 3-5% то с такой же погрешностью определяется и ρ_к. Указанная точность приемлема в решении задач, обычных для геоэлектроразведки, где данный способ и применяется. Но такая точность (3-5%) совершенно недостаточна для наблюдений вариаций ρ_к во времени, поскольку такие изменения могут быть значительно меньше 1% Более высокая чувствительность и точность определения ρ_к достигаются с применением компенсационных способов измерений, в которых большая часть исследуемого поля, пропорционального 1/ ρ_к, компенсируется полем, пропорциональным первичному полю источника, и измеряется лишь нескомпенсированный остаток поля.

Известен компенсационный индуктивный способ определения электросопротивления геологической среды, в котором выходной сигнал приемной рамки компенсируется опорным напряжением до величины, меньшей порога чувствительности применяемого измерителя напряжений, выполняющего функции индикатора нуля. В компенсационном способе, принятом нами за прототип [3] опорное напряжение снимается с вторичной обмотки трансформатора, первичная обмотка которого включена последовательно в цепь генераторной рамки, и вместе с измеряемым напряжением подается на компенсационный мост, содержащий переменный аттенюатор и фазовращатель; по показанию этих устройств в момент полной компенсации, определяемой по нуль-индикатору, находится электросопротивление ρ_к изучаемой среды.

Недостаток этого компенсационного способа связан с тем, что для передачи опорного напряжения от трансформатора к компенсационному мосту используется проводная линия связи. Ее распределенная электроемкость, емкость относительно земли и потери на излучение могут создавать трудно контролируемые помехи, снижающие точность измерений. Поэтому способ-прототип применяется лишь в варианте с соцентричными, свободно лежащими на земной поверхности генераторной и приемной рамками либо при аэроэлектроразведке в односамолетном варианте, т.к. в обоих вариантах можно обойтись линией связи наименьшей длины (несколько метров) и помехами от нее можно пренебречь.

Аэроэлектроразведочная система из-за навигационных ошибок неприменима для высокоточных наблюдений за изменением ρ_к земли во времени; наземная же компенсационная система с совмещенными (соцентричными) приемно-генераторными рамками, обладая целым рядом достоинств, имеет и существенный недостаток. Реальные изменения электросопротивления могут происходить, например, по горизонтальным осям тензора электропроводности. Для наблюдения таких изменений ρ_к необходима система с разнесенными по земной поверхности источником и приемником поля.

Цель предполагаемого изобретения повышение чувствительности и точности измерений временных вариаций электросопротивления геологической среды с использованием разнесенных по поверхности земли горизонтальной генераторной и вертикальной приемных рамок.

Поставленная цель достигается тем, что в способе определения электросопротивления геологической среды, основанном на возбуждении в земле электрических токов вертикальным гармоническим магнитным диполем и измерении малой оси эллипса поляризации магнитного поля, дополнительно используется соосная с приемной рамкой компенсационная рамка, ток в которой формируют пропорциональным вертикальной составляющей магнитного поля, изменяют силу компенсирующего тока до полной компенсации малой оси эллипса поляризации и по величине приращения компенсирующего тока во времени определяют вариацию электросопротивления геологической среды.

На фиг. 1 приведена схема измерительной установки, реализующей предлагаемый способ. Установка (фиг. 1) содержит горизонтальную генераторную рамку вертикальный магнитный диполь М; приемную рамку 1, находящуюся в положении, близком к вертикальному; компенсационную рамку, имеющую горизонтальное звено 2, соцентричное с приемной рамкой, и звено 3, соосное с приемной рамкой (звено 3 практически выполнено из привода, намотанного по периметру приемной рамки, что обеспечивает сильное и жесткое потокосцепление между ними); калиброванный резистор 4; выключатель 5, разрывающий цепь компенсационной рамки отключением звена 2 от звена 3; переключатель 6 полярности соединения звеньев 2 и 3 (переключает направление компенсирующего тока в звене 3); нуль-индикатор 7 с регулируемой чувствительностью. Приемная рамка снабжена также штативом (на фиг. 1 не показан), удерживающим ее в положении, близком к вертикальному, и снабженным поворотным устройством для плавного изменения угла наклона в вертикальной плоскости.

Сущность реализуемого схемой фиг.1 компенсационного способа состоит в следующем. В горизонтальном звене 2 компенсационной рамки под действием вертикального магнитного поля H_z возникает электроток, который, протекая по звену 3, создает в центре приемной рамки добавочное магнитное поле H_к, направленное противоположно исследуемому полю . Изменяя резистором 4 величину компенсирующего тока, можно по минимуму выходного сигнала приемной рамки добиться равенства синфазных составляющих полей H_в и H_к. Оставшуюся часть поля H_в, находящуюся в квадратуре с H_к, компенсируют частью поля H_z, непосредственно воздействующей на приемную рамку и численно равной ΔH_z = H_zsinα где α угол между вертикальной осью Z и плоскостью приемной рамки.

Работа по предлагаемому способу выполняется в следующей последовательности.

1. Вначале переключателем 5 разрывают цепь компенсационной рамки и на выбранной рабочей частоте, изменяя наклон приемной рамки, устанавливают ее в положение минимума выходного сигнала (U_вых).

2. Действуя переключателями 5 и 6, подключают звено 2 к звену 3 компенсационной рамки в такой последовательности, чтобы U_вых уменьшилось.

3. Изменяя величину резистора 4 и увеличивая чувствительность индикатора 7, добиваются нового, более глубокого, минимума U_вых.

4. Остаточный сигнал компенсируют изменением наклона приемной рамки.

5. Операции 3 и 4 повторяют до тех пор, пока при нулевых показаниях индикатора 7 не будет исчерпан весь запас его чувствительности.

При достижении полной компенсации снимают показания калиброванного резистора 4 и их считают мерой электросопротивления исследуемой геологической среды. Объясняется это следующим образом. При достижении максимальной компенсации напряжение на выходе приемной рамки представимо в виде , где напряжение в приемной рамке, возникающее под действием поля H_в; напряжение в приемной рамке, возникающее под действием вертикальной составляющей поля генераторного диполя; напряжение в приемной рамке, возникающее за счет взаимоиндукции приемной рамки и звена 3 компенсационной рамки.

Перечисленные напряжения, как и поля H_в и H_z, в общем случае являются комплексными величинами, но в области малых параметров поля (при низких частотах) они выражаются в виде где μ_o = 4π·10^-7 Гн/м магнитная постоянная; ω = 2πf круговая частота поля;
r расстояние между центрами генераторной и приемной рамок;
S_n произведение площади на число витков приемной рамки;
S₃ площадь горизонтального звена 2 компенсационной рамки;
M_(1-2) коэффициент взаимной индукции приемной рамки и звена компенсационной рамки;
R числовое значение сопротивления резистора 4;
L_к полная индуктивность компенсирующей рамки;
M_и магнитный момент генераторной рамки.

В выражениях (2) (4) учтено, что при малых параметрах напряженность поля малой оси численно равна горизонтальной составляющей поля H_r, а вертикальная составляющая H_z равна первичному полю генераторного диполя, т.е.

.

По условию компенсации (1), приравнивая реальные части выражения (2) и (4), получаем окончательно

Из выражения (5) видно, что величина сопротивления R переменного резистора 4 действительно является мерой электросопротивления исследуемой среды. Из формулы (5) следует также, что, подбирая площадь S₃ горизонтальной секции 2 компенсационной рамки и меняя коэффициент M_(1-2) взаимной индукции подбором числа витков компенсирующей секции 3, можно добиться, чтобы на избранной рабочей частоте числовое значение R (в омах) было равно числу ρ_к (в омметрах), определенному в том же самом пункте по измерениям малой оси эллипса поляризации обычным способом или другим аналогичным методом. Тогда изменение R во времени будет и численно равно изменению ρ_к.

Повышение чувствительности к изменению ρ в предлагаемом способе достигается за счет того, при выполнении условия (1) приращение сигнала раскомпенсации De_o, вызываемое приращением Δρ, значительно больше, чем приращение поля H_r, вызванное тем же самым приращением Dr. Так, при экспериментальной проверке способа изменение r_к(R) на 1% создавало изменение ε_o более чем на 10% и более. При непосредственном же измерении малой оси приращения Δ H_r примерно равно 1/Δρ.

Достоинством предлагаемого способа является также и то, что при сохранении неизменной во времени геометрии приемно-генераторной установки точность определения Dr зависит только от точности калибровки сопротивления R, регулирующего величину компенсирующего тока. Повышенная точность достигается при применении прецизионных магазинов сопротивлений.

Проверка предлагаемого способа выполнена в районе г. Красноуральска Свердловской области при режимных наблюдениях r_к в июле-августе 1983 г. Источником поля была проволочная петля размером 250х250 м, питаемая переменным током в диапазоне частот 30-1000 Гц от генгруппы электроразведочной станции ЭРС-67. Пункт измерения находился на расстоянии 500 м от центра генераторной петли в специальном шурфе, защищенном от действия ветра, солнца и осадков. Использовали приемную рамку H_r и измеритель сигналов аппаратуры частотного зондирования АЧЗ-78. Горизонтальное звено компенсационной рамки имело размеры 50х50 м; в качестве резистора R использовался магазин сопротивлений типа Р-33.

Наблюдения выполняли в интервале 21-22 ч местного времени ежедневно с 7 июля по 12 августа. Результаты наблюдений приведены на фиг. 2. На ней индексами 1 3 обозначены:
1 средние значения [R] [ρ_к] в течение ежедневного наблюдательного часа;
2 осредненный график изменения ρ_к за весь период наблюдения с 7 июля по 12 августа;
3 график изменения силы тяжести Δg на меридиане нашего эксперимента в 21 ч местного времени по данным обсерватории "Обнинск".

Из фиг.2 видно, что по большинству измерений ежесуточная величина ρ_к меняется в пределах 1420-1470 Ом. В трех случаях 20, 28 июля и 10 августа - прошли сильные грозовые дожди, чем, вероятно, и объясняются резкие глубокие минимумы ρ_к в эти дни. Если исключить эти аномальные точки, то, как видно по графику 2, хорошо выделяется гармоническая составляющая вариации ρ_к с периодом, равным 14-15 сут. Максимальная относительная амплитуда этой вариации составляет
.

Из сравнения графиков 2 и 3 на фиг. 2 видно, что гармоническая составляющая вариации ρ_к коррелирует с аналогичным изменением силы тяжести в том же интервале и с тем же периодом Т 15 сут. Это является косвенным подтверждением правильности определения ρ_к по предлагаемому способу, а с другой стороны, позволяет объяснить гармоническую составляющую вариации ρ_к периодическими деформациями земной коры под действием приливных сил Луны и Солнца.

Отметим, что параллельно с опробованием предлагаемого способа в том же самом пункте и с той же самой аппаратурой АЧЗ-78 выполнялись определения ρ_к путем измерения модуля вертикального импеданса. В пределах достигнутой точности измерения импеданса, равной 1-1,5% гармонических вариаций не зарегистрировано. Таким образом, предлагаемый компенсационный способ определения вариации ρ_к является чувствительным по сравнению с импедансным.

Формула изобретения

Индуктивный способ определения вариаций электросопротивления геологической среды, основанный на возбуждении в земле электрических токов вертикальным гармоническим магнитным диполем и измерении малой оси эллипса поляризации магнитного поля, отличающийся тем, что в нем дополнительно используется соосная с приемной рамкой компенсационная рамка, ток в которой формируют пропорциональным вертикальной составляющей магнитного поля, изменяют силу компенсирующего тока до полной компенсации малой оси эллипса поляризации и по величине приращения компенсирующего тока во времени определяют вариацию электросопротивления геологической среды.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2