Способ геоэлектроразведки и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к электроразведке методом индукционного зондирования верхней части геологического разреза. Область преимущественного применения - обнаружение и трассирование зон тектонически нарушенных пород, обследование площадок под строительство, контроль состояния насыпных гидротехнических сооружений выявления геоэлектрических неоднородностей в изучаемом разрезе. Технический результат: снижение неоднозначности интерпретации полученных результатов при неоднородном строении верхней части разреза. Сущность изобретения: используют отнесенные друг от друга источник электромагнитного поля и приемный магнитный датчик. Регистрируют напряженности магнитного поля при одновременном подъеме источника и измерителя поля, расположенных так, что ось приемного датчика ориентирована перпендикулярно напряженности магнитного поля, что исключает прямое влияние излучателя на измеритель. Выполняют измерения при нескольких заданных высотах и по распределению напряженности электромагнитного поля в зависимости от высоты подъема определяют геоэлектрические характеристики изучаемого разреза. 2 с. п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к электроразведке методом индуктивного зондирования и может быть использовано при изучении геоэлектрической неоднородности верхней части разреза, представленного аллювиальными и делювиально-пролювиальными отложениями переменной мощности и неоднородностями в основании разреза, выходящими под маломощные рыхлые отложения. Область преимущественного применения: инженерно-геологические изыскания, обнаружение и трассирование зон тектонически раздробленных, водопроницаемых пород, обследование площадок под инженерное и гражданское строительство, контроль состояния насыпных гидротехнических сооружений и др.

Известен способ дистанционных индуктивных зондирований, в котором используется источник электромагнитного поля (вертикальный магнитный диполь), приемный магнитный датчик и регистратор амплитудных составляющих магнитного поля [1] . В процессе измерений изменяют расстояние (разнос) между источником электромагнитного поля и приемным магнитным датчиком вдоль поверхности изучаемого разреза и по зависимости экспериментальных данных от разноса судят о распределении электрических свойств среды по глубине. Недостатком известного способа является существенное искажающее влияние на результаты измерений геоэлектрических неоднородностей в верхней части разреза, расположенных либо вблизи источника электромагнитного поля, либо вблизи приемного магнитного датчика. Это затрудняет истолкование полученных результатов, так как теория метода разработана для случая, когда изучаемая геологическая структура моделируется горизонтально-слоистой средой.

Известен также метод радиолокационного зондирования (георадара), в котором зондирование геологической структуры производится путем посылки в среду мощного электромагнитного высокочастотного импульса и измерения сигнала, отраженного от внутренних границ раздела [2] . По времени запаздывания отраженного сигнала судят о глубине залегания отражающего объекта или границы раздела сред. Ограничением в применении известного способа является наличие в верхней части разреза высокоэлектропроводных (глинистых, обводненных) образований, так как скорость распространения электромагнитных волн резко зависит от проводимости пород разреза. Из-за искажающего влияния проводящих отложений глубина залегания отражающих границ определяется с низкой точностью. Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ [3] , который принят за прототип, использующий разнесенные по вертикали источник электромагнитного поля и приемный магнитный датчик. В нем источник электромагнитного поля перемещают по вертикали, а приемный магнитный датчик остается в закрепленном положении у земной поверхности (либо наоборот). Регистрируют амплитуду магнитного поля и по зависимости ее от расстояния между источником электромагнитного поля и приемным магнитным датчиком судят об изменении электрических свойств среды с глубиной. Недостатком известного способа является сложность практической реализации зондирования, так как необходимо разносить по вертикали источник электромагнитного поля и приемный магнитный датчик на расстояние, существенно превышающее необходимую глубину исследований. Эта высота слишком мала для применения авиации и трудно достижима для переносных источника электромагнитного поля и приемного магнитного датчика. Кроме того, применение наземных подъемных устройств, состоящих из металлических элементов, недопустимо, так как такие элементы искажают распределение поля между источником электромагнитного поля и приемным магнитным датчиком.

Известно устройство для геоэлектроразведки по методу дипольного индуктивного профилирования с жестким креплением источника электромагнитного поля и приемного магнитного датчика на корпусе или крыльях самолета [4] . Устройство может применяться при аэроэлектроразведочных геокартировочных работах. К недостаткам устройства относится сложность компенсации электромагнитного поля вихревых токов, индуцируемых в корпусе самолета, и неустойчивое взаимное положение источника электромагнитного поля и приемного магнитного датчика из-за вибрации корпуса либо крыльев самолета.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является устройство для трассирования заглубленных трубопроводов [5] , принятое за прототип, в котором источник электромагнитного поля и приемный магнитный датчик жестко закреплены на разных концах неэлектропроводной рамы-фермы. Устройство предназначено для малоглубинного индуктивного профилирования. Конструкцией его не предусмотрено выполнение электромагнитных зондирований.

Цель предлагаемого изобретения - повышение эффективности выявления геоэлектрических неоднородностей в изучаемом разрезе и снижение неоднозначности интерпретации полученных результатов при неоднородном строении верхней части разреза.

Поставленная цель достигается тем, что в предлагаемом способе геоэлектроразведки и устройстве для его осуществления, в котором используют отнесенные друг от друга источник электромагнитного поля и приемный магнитный датчик, заключающемся в регистрации магнитного поля, возбуждаемого в среде источником электромагнитного поля, и определении геоэлектрических характеристик разреза, индуктивное зондирование осуществляют путем одновременного подъема источника электромагнитного поля и приемного магнитного датчика, жестко закрепленных на концах рамы-фермы так, что ось приемного магнитного датчика ориентирована перпендикулярно напряженности поля источника электромагнитного поля, что исключает прямое влияние первичного поля на приемный магнитный датчик, выполняют измерения на нескольких заданных высотах и по распределению напряженности магнитного поля в зависимости от высоты подъема рамы-фермы определяют геоэлектрические характеристики изучаемого разреза.

Теория способа и алгоритм интерпретации экспериментальных данных базируются на известном решении задачи о распределении электромагнитного моля магнитного диполя в присутствии электропроводного горизонтально-слоистого полупространства. В частности, для диполя, приподнятого на высоту h над полупространством, имеем на его поверхности следующее выражение для векторного потенциала П: где Jo(mr) - функция Бесселя, зависящая от горизонтального разноса; f(m) - функция, зависящая от мощностей и проводимостей слоев разреза.

Если точка измерений находится не на поверхности разреза, а на высоте z, то под интегралом появится множитель е^-mz. Объединяя этот множитель с тем, который содержит величину h, получим исходное значение интеграла, заменив в нем величину h на сумму h+z.

Выполненные расчеты показывают, что для достижения одной и той же глубины исследования изучаемого разреза требуется в несколько раз меньшая высота подъема рамы-фермы с закрепленными на ней источником электромагнитного поля и приемным магнитным датчиком, чем в случае подъема только источника электромагнитного поля или только приемного магнитного датчика.

Для практической реализации предлагаемого способа используют известное устройство [5] , состоящее из жесткой неэлектропроводной рамы-фермы, на одном конце которой закреплен источник электромагнитного поля с собственным блоком питания, а на другом конце - магнитный приемный датчик, соединенный с регистратором, расположенным в средней части рамы-фермы, дополнительно содержащее подъемное устройство в виде вертикальной несущей штанги, инфракрасный отметчик высоты подъема рамы, трос, один конец которого закреплен в середине рамы-фермы, а второй через систему блоков соединен с поворотным механизмом.

На фиг. 1 приведена условная схема устройства для реализации предлагаемого способа, где 1 - источник электромагнитного поля; 2 - приемный магнитный датчик; 3 - рама-ферма; 4 - несущая штанга; 5 - трос; 6 - генератор и блок питания источника электромагнитного поля; 7 - мерный блок; 8 - инфракрасный излучатель импульсов отметки высоты; 9 - приемник инфракрасных импульсов; 10 - регистратор; 11 - поворотный механизм.

При выполнении индуктивных зондирований предлагаемым способом с использованием устройства для его осуществления производят следующие операции. Несущую штангу 4 подъемного устройства устанавливают вертикально в пункте зондирований и сохраняют это положение штанги в течение всего цикла измерений. С помощью троса 5 закрепляют раму-ферму 3 на минимальной заданной высоте от земной поверхности. Затем с помощью поворотного устройства 11, сматывающего трос, раму-ферму поднимают над изучаемым разрезом с непрерывной или дискретной регистрацией напряженности электромагнитного поля. Высота подъема фиксируется по сигналам инфракрасного излучателя импульсов отметки высоты 8, принимаемым приемником инфракрасных импульсов 9, встроенным в регистратор 10. Все результаты измерений заносятся в запоминающее устройство, а после окончания операции зондирования передаются в ЭВМ, обрабатываются, интерпретируются и определяются геоэлектрические характеристики среды в пункте зондирования.

Повышение эффективности выявления неоднородностей в верхней части разреза в различных геоэлектрических условиях предлагаемым способом и устройством для его осуществления достигается за счет того, что в процессе измерений поднимается рама-ферма с жестко фиксированным расположением на ней источника электромагнитного поля и приемного магнитного датчика, причем ось приемного магнитного датчика ориентирована перпендикулярно направлению напряженности поля источника электромагнитного поля. Это исключает их прямое взаимодействие, что позволяет повысить чувствительность регистратора и реализовать более высокую точность измерений.

Достоинством предлагаемого способа и устройства для его осуществления является также и то, что для достижения заданной глубины изучения разреза требуется существенно меньшая высота подъема рамы-фермы по сравнению с разнесением по высоте источника электромагнитного поля при размещении на земной поверхности приемного магнитного датчика, либо при подъеме приемного магнитного датчика и закреплении на земной поверхности источника электромагнитного поля.

Источники, использованные при составлении заявки 1. Титлинов В. С. , Журавлева Р. Б. Технология дистанционных индуктивных зондирований. Екатеринбург: УИФ "Наука", 1995. С. 28-31.

2. Darracot B. M. , Lake M. J. An initial appraisal of ground probin radar for site investigations. - Britan Ground Engineering, 1981, April, p. 14-18.

3. Журавлева Р. Б. , Титлинов В. С. Частотное и геометрическое индукционное зондирование слоистых сред установкой с разнесенными по вертикали датчиками. Прикладная геофизика, вып. 84. - М. : Недра, 1976. С. 124-133 (прототип) 4. Электроразведка. Справочник геофизика. Кн. первая. - М. : Недра, 1989. С. 418.

5. Патент РФ 1746227, класс G 01 V 3/08. Бюл. 25, 1992 (прототип).

Формула изобретения

1. Способ геоэлектроразведки, в котором используют отнесенные друг от друга источник электромагнитного поля и приемный магнитный датчик, заключающийся в регистрации магнитного поля, возбуждаемого в среде источником электромагнитного поля, и определении геоэлектрических характеристик, отличающийся тем, что в нем источник электрического поля и приемный магнитный датчик размещают на фиксированном расстоянии в положении, исключающем прямое воздействие источника электромагнитного поля на приемный магнитный датчик, а электромагнитное зондирование среды осуществляют путем подъема над изучаемым разрезом одновременно источника электромагнитного поля и приемного магнитного датчика с непрерывной или дискретной регистрацией магнитного поля, по распределению которого в зависимости от высоты размещения источника электромагнитного поля и приемного магнитного датчика судят о геоэлектрическом строении изучаемого разреза.

2. Устройство для геоэлектроразведки, содержащее жесткую неэлектропроводную раму-ферму, на одном конце которой размещен источник электромагнитного поля, а на другом - приемный магнитный датчик, соединенный с регистратором, расположенном в средней части рамы-фермы, отличающееся тем, что в нем приемный магнитный датчик установлен так, что его ось ориентирована перпендикулярно направлению напряженности поля источника электромагнитного поля, а для изменения положения рамы-фермы над земной поверхностью введены вертикальная штанга, инфракрасный отметчик высоты подъема рамы-фермы, трос, один конец которого закреплен в середине рамы-фермы, а второй через систему блоков соединен с поворотным механизмом.

РИСУНКИ

Рисунок 1