Способ измерений при дистанционно-частотном зондировании с возбуждающим вертикальным магнитным диполем

 

Изобретение относится к электромагнитным методам зондирования Земли с использованием индуктивно возбуждаемых гармонических полей. Область преимущественного применения - изучение геоэлектрического строения верхней части разреза. Сущность: определяют отношения напряженности магнитного поля по двум взаимно-ортогональным направлениям. Измеряют при всех рабочих разносах напряженности поля по фиксированным взаимно-ортогональным направлениям , определяемым по углу наклона эллипса поляризации магнитного поля при минимальном рабочем разносе и частоте, соответствующих условию , а максимальный разнос выбирают из условия 4 ил.

Изобретение относится к электромагнитным методам геофизической разведки и может быть использовано в геологоразведочном деле, при инженерно-строительных изысканиях, в геоэкологии, в инженерной геофизике и при других исследованиях геоэлектрического строения геологической среды. Область преимущественного применения изобретения электромагнитное зондирование верхней части геоэлектрического разреза при негоризонтальной дневной поверхности.

Известен способ дистанционно-частотных зондирований с возбуждающим вертикальным магнитным диполем, основанный на измерении вертикальной H_z и горизонтальной /радиальной/ H_r составляющих магнитного поля при одной или нескольких частотах. В этом способе по величине отношения H_z/H_r определяют эффективный электромагнитный параметр поля P_эф и эффективное электросопротивление геологической среды на переменном токе и по зависимости от разноса зондирующей установки судят о строении исследуемой геологической среды по вертикали [1] Этот известный способ прост в исполнении, позволяет осуществлять зондирование при малых и средних параметрах электромагнитного поля, но имеет недостаток, заключающийся в том, что при измерениях на негоризонтальной поверхности Земли регистрируемое поле H_r состоит из двух слагаемых: H_r = H_r(σ)+H^o из которых первое H_r(σ) является полем индуцированных в земле токов и содержит информацию об электропроводности σ геологической среды; второе же слагаемое H^o_r есть горизонтальная составляющая первичного поля источника и полезной информации не содержит. При идеально горизонтальной поверхности поле H^o_r ≡ 0 На негоризонтальной поверхности земли из-за слагаемого H^o_r получаемые кривые зондирования могут быть сильно искажены, особенно при малых разносах и низких частотах.

Указанный недостаток известного способа преодолевается с переходом к изменению инвариантных характеристик поля [2] В способе, принятом за прототип [3] в качестве инвариантов измеряют напряженности поля по направлению большой (H_A) и малой (H_B) осей магнитного эллипса поляризации путем установки приемной рамки по минимуму и максимуму регистрируемого сигнала.

Способ-прототип имеет недостаток, заключающийся в том, что при зондировании он применим на частотах f и разносах r, соответствующих только малым электромагнитным параметрам поля где r = 1/σ - удельное электросопротивление среды. Это связано с тем, что зависимость H_A/H_B(P) имеет параболическую форму с минимумом при P=2-6, из-за чего при этих средних параметрах поля теряется чувствительность отношения H_A/H_B к изменению ρ При зондировании же с соблюдением условия (1) малого параметра поле H_B, содержащее всю информацию об излучаемой среде, мало по абсолютной величине и для поддержания сигнала на измеряемом уровне требуется применять либо более мощные источники тока (что не выгодно из экономических соображений), либо ограничиваться малыми разносами (и, следовательно, малой глубинностью).

Цель изобретения повышение точности определения электросопротивления при дистанционно-частотном зондировании с возбуждающим вертикальным магнитным диполем на негоризонтальной поверхности земли.

Поставленная цель достигается тем, что при всех разносах зондирующей установки измеряют напряженность магнитного поля по двум взаимно-ортогональным направлениям, определяемым по углу наклона малой и большой оси эллипса поляризации при минимальном разносе и на частоте, соответствующих малому параметру электромагнитного поля, причем максимальный разнос ограничивают при достижении электромагнитного параметра P=8.

На фиг. 1 показаны диаграммы напряженности эллиптически поляризованного магнитного поля вертикального магнитного диполя на наклонной поверхности однородного полупространства, поясняющие выбор направлений , по которым следует устанавливать приемные датчики в вертикальной плоскости, проходящей через центры измерительной системы и источника поля. Для определенности при построении диаграмм принят угол наклона земной поверхности Θ = 5°. Диаграммы в левой части фиг.1 соответствуют малым значениям электромагнитного параметра P+0,092 (диаграмма с индексом 1) и P=0,4 (индекс 2); для диаграммы в правой части фиг.1 параметр поля P=6,28. Буквами A и B на диаграммах обозначены соответственно большая и малая оси эллипса поляризации, стрелками показаны взаимно-ортогональные составляющие поля, измеряемые в способе-аналоге в способе-прототипе (H_A и H_B) и в предлагаемом способе На фиг. 2 для полупространства с наклонной поверхностью (Θ5^o) дается сравнение теоретической зависимости от параметра поля P отношений составляющих поля H_z/H_r, H_A/H_B и (H_i/H_j)α_o Индексом 1 (пунктирная линия) обозначен график H_z/H_r(P), индексом 2 (точечная линия) график H_A/H_B(P), индексом 3 (пунктир с крестиком) график (H_i/H_j)α_o. Цифрой 4 на фиг. 2 отмечен график H_z/H_r(P) для полупространства с горизонтальной поверхностью.

На фиг. 3 приведены теоретические кривые эффективного удельного сопротивления на разнонаклонной поверхности полупространства с ρ = ρ_o, иллюстрирующие снижение погрешности определения ρ_o с применением предлагаемого способа.

На фиг.4 дан пример практической реализации предлагаемого способа.

Сущность предлагаемого способа заключается в следующем. На негоризонтальной поверхности Земли большая ось магнитного эллипса поляризации (A) при малых значениях электромагнитного параметра P отклонена от горизонтали на постоянный угол α = α_o зависящий лишь от угла Θ наклона поверхности, малая же ось (B) отклонена соответственно на угол α_o ± 90° (фиг.1). С возрастанием параметра поля P эллипс поляризации поворачивается в вертикальной плоскости так, что α ≠ α_o Постоянные взаимно-ортогональные направления, по которым в предлагаемом способе следует располагать измерительные датчики (например, антенны стержневого типа), обозначены на фиг. 1 а измеряемые по ним напряженности поля соответственно . Если поверхность Земли горизонтальна, то очевидно, что при малых и оси эллипса поляризации A и B совпадают соответственно с вертикальной осью и горизонтальной осью цилиндрической системы координат с центром в источнике и выполняются векторные равенства . Если же поверхность не горизонтальна, то, как видно из фиг.1, векторные равенства выполняются только при малых P; при любом другом P и но при этом отношение модулей или (что то же самое) напряженностей полей (H_i/H_j)α_o, как видно из фиг. 2, в большом диапазоне изменения параметров поля P (вплоть до P=8) совпадает с отношением H_z/H_r для полупространства с горизонтальной поверхностью (при P<8 графики 3 и 4 сливаются в одну кривую), и заметно отличается от отношения H_z/H_r для наклонной поверхности (графика с индексом 1). Отсюда следует, что при измерении ошибка определения эффективного сопротивления за счет наклона земной поверхности будет меньше, чем при измерении H_z и H_r.

В подтверждение на фиг. 3 приведены палетки теоретических кривых в однородном полупространстве при различных углах наклона поверхности. Кривые фиг. 3 (а) рассчитаны через отношение (H_i/H_j)α_o; на фиг.3 (б) для сравнения представлены кривые , рассчитанные через отношение H_z/H_r. На палетках угол наклона принят равным Θ±7^o05';±3^o35', 1^o45' и 0^o50', что соответствует tgΘ ±1/8, ±1/16, ±1/32 и ±1/64 (значения tgΘ указаны в индексах кривых на фиг.3). Положительный угол (пунктирные кривые) означает, что приемник находится выше генератора по склону поверхности, для сплошных кривых выше по склону находится генератор.

Из сравнения палеток а) и б) на фиг.3 видно, что на величине получаемой по предлагаемому способу, и на ее изменении с изменением P, наклон поверхности сказывается значительно меньше. Так, в области P<1 значения практически равны ρ_o тогда как по кривым электросопротивление беспредельно уменьшается при уменьшении P. Числовые расчетные данные, по которым построены палетки, показывают, что во всем диапазоне разносов и частот, удовлетворяющих P<8, ошибка в определении ρ_o по кривым меньше 7% при углах Θ, изменяющихся от -7^o05 до +5^o ( tgΘ-1/8. +1/12); при углах ±0^o50' ошибка меньше 1,5% Кривые же определяемые по H_z/H_r, приближаются к линии только при углах наклона Θ ±0^o50' (tgΘ ≅1/64), причем, если q0^o50', то отклонение от r_o составляет еще ±10% Таким образом погрешность определения электросопротивления Земли при зондировании с использованием предлагаемого способа значительно меньше, чем при зондировании по известному способу.

Исключением является интервал параметров поля P>8, при котором на графиках фиг.3 наблюдается интерференционный максимум и величина значительно отличается от r_o. Чтобы исключить этот неблагоприятный для дистанционных зондирований интервал, ограничивают разнос зондирующей установки. Определить величину P можно, используя однозначную зависимость от P отношения (H_i/H_j)α_o. Согласно графику 3 фиг.2 параметру поля P=8 соответствует отношение (H_i/H_j)α_o = 0,5 - 0,7. (2) Выполненные нами расчеты показывают, что при этом отношении (H_i/H_j)α_o глубинность дистанционных зондирований в слабоконтрастной геологической среде близка к предельно возможной (меньше ее только на 10%).

Графики фиг. 3 можно использовать и для экспериментального определения границы зоны малых параметров при выборе минимальных разносов и частот зондирующей установки. Практически принято считать, что условие малых параметров (1) выполняется, если отношение H_z/H_r отличается от H_A/H_B на 2-3% Из сравнения графиков 2 и 4 фиг.2 и расчетов, по которым они построены следует, что указанное отличие соответствует параметру поля P=0,6-0,7 и отношению (H_i/H_j)α_o = 10 - 20. (3) Таким образом, равенства (2) и (3) определяют оптимальный, контролируемый в процессе работ диапазон изменения отношения (H_i/H_j)α_o при дистанционном зондировании по предлагаемому способу.

Для работы по предлагаемому способу применяется аппаратура, работающая на одной или нескольких частотах. Зондирование осуществляется посредством отнесения генератора от неподвижного приемника, закрепляемого на все время измерений в избранной точке профиля (площади). Процесс зондирования включает выполнение следующих операций.

1/ С аппаратурой, работающей на одной частоте, наблюдения начинаются с выбора минимального разноса r_мин. Для этого
1.1. При произвольном разносе r_n (или выбранном по опыту зондирований на аналогичных по геоэлектрическому строению участках) отыскивают положение осей магнитного эллипса поляризации путем установки измерительного датчика по минимуму регистрируемого сигнала и в ортогональное положение;
1.2. Измеряют напряженности поля H_A и H_B, причем, если отношение H_A/H_B≥10-20, то разнос r_n принимают за минимальный, замеряют угол наклона большой оси α = α_o и полагают, что
1.3. Если отношение H_A/H_B<10-20, то приближая генератор к приемнику находят такой разнос r= r_мин, при котором H_A/H_B=10-20, и снова выполняют операции по п. 1.2.

2/ С аппаратурой, работающей на нескольких частотах, наблюдения начинают с выбора рабочей частоты при заданном минимальном разносе. Для этого на разносе r_мин и при произвольной (или выбранной по опыту работ) частоте выполняют операции, изложенные в пп. 1.1 и 1.2. Если отношение H_A/H_B<10-20, то понижая частоту, выбирают такую f=f_мин, при которой H_A/H_B=10-20, и снова повторяют операцию 1.2.

3/ При всех последующих разносах r>r_мин датчики поля устанавливают под постоянным углом и измеряют напряженности α = α_o и α = α_o ± 90°.

4/ Зондирование прекращают на максимальном разносе, при котором на минимальной рабочей частоте отношение будет равно 0,5-0,7.

5/ По найденным значениям (H_i/H_j)α_o и теоретической зависимости от параметра поля P отношения (H_i/H_j)α_o, принимаемого равным H_z/H_r в однородном полупространстве с горизонтальной поверхностью, определяют для каждого разноса эффективный электромагнитный параметр поля, по формуле (1) находят эффективное удельное сопротивление (H_i/H_j)α_o и по зависимости от r определяют строение исследуемой геологической среды по вертикали.

Предлагаемый способ был экспериментально проверен при зондировании методом ДИЗ с аппаратурой ДЭМП-СЧ, работающей на частотах от 40 до 1280 кГц. На фиг. 4 приведены результаты проверки на одном из участков, где в зимних условиях методом ДИЗ определяли глубину залегания массива известняков и мощность перекрывающих более электропроводных глин. Поверхность рабочего участка имеет хорошо заметный наклон в сторону центрального оврага. На фиг.4 показаны
геологическая колонка по скв. 2, у устья которой выполняли параметрическое зондирование; 1 снеговой покров и мерзлый грунт, 2 глины, 3 известняк.

полученные графики зондирования на частоте 40 кГц в интервале разносов 5-50 м. Цифрой 1 обозначен график зондирования, когда угол определяли на разносе 3 и 5 м. По этому графику возрастанием α_o при r=7-8 м отмечается снеговой покров и промерзший грунт (общая мощность этого слоя 1,2 м); уменьшением в интервале разносов 7-14 м фиксируется слой глин (их r Ом·м); возрастание на больших разносах указывает на высокое сопротивление подстилающего массива известняков. Глубина до поверхности известняков по интерпретации графика 1 составляет 7-7,5 м, по скв. 2 глубина равна 6 м. Полученное расхождение глубин вполне допустимо при решении подобной геолого-разведочной задачи.

Цифрой 11 на фиг.4 обозначен график полученный при установке приемного датчика вертикально и горизонтально (по уровню). По этому графику электросопротивление все время возрастает с увеличением разноса; на нем не отмечается ни мерзлый слой, ни электропроводные глины. Количественная интерпретация графика 11 невозможна или приводит к неправильным геологическим результатам.

Формула изобретения

Способ измерений при дистанционно-частотном зондировании с возбуждающим вертикальным магнитным диполем, основанный на определении отношения напряженности переменного магнитного поля по двум взаимно ортогональным направлениям, отличающийся тем, что при всех разносах зондирующей установки измеряют напряженности поля по направлениям определяемым по углу наклона α₀ большой и малой (α_o ± 90°) осей эллипса поляризации магнитного поля при минимальном разносе и на частоте, соответствующей условию а максимальный разнос зондирующей установки определяют из условия н

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4