Зонд и устройство для оценки электрического поля в земной коре

 

Изобретение относится к области геофизики и может быть использовано для определения разности потенциалов между произвольно удаленными друг от друга участками земной коры, в частности между континентами. Сущность изобретения: зонд включает металлический электрод и раствор электролита, расположенные в сосуде, объем которого отделен от грунта пористым элементом. Пористый элемент разделен на секции, между которыми расположены одна или несколько буферных емкостей, заполненных раствором электролита. Пористый элемент составлен из двух частей, разделенных проницаемой для раствора областью. При этом пористый элемент включает шлиф в форме круглой втулки с шероховатой боковой поверхностью, а буферные емкости имеют вид кольцевых пазов, выполненных во втулке. Втулка имеет вид цилиндра либо конуса. Сосуд расположен с зазором в открытом сверху контейнере, а в зазоре находится пористый наполнитель. Контейнер выполнен круглым, имеет овальное дно и снабжен наружными фланцами с отверстиями. Устройство для оценки электрического поля в земной коре включает два зонда, приведенные в контакт с грунтом, и магистральные провода, соединяющие электроды зондов с измерителем напряжения. Магистральный провод каждого зонда дополнен изолированным от него параллельным проводом и вместе с ним подключен к отдельному для каждого зонда дифференциальному усилителю. Противоположный конец параллельного провода соединен через сопротивление с заземленной шиной, общей для обоих зондов. Выходы отдельных дифференциальных усилителей подключены ко входу дополнительного дифференциального усилителя, который является общим для обоих зондов. Изобретение направлено на снижение дрейфа результата измерения и увеличение размера зондируемой области земной коры. 2 с. и 6 з.п. ф-лы, 10 ил.

Изобретение относится к области геофизики и может быть использовано для определения разности потенциалов между произвольно удаленными друг от друга участками земной коры, в частности, между континентами. При этом может быть получена дополнительная информация о внутреннем строении Земли и подготовке землетрясений.

Известны зонды и устройства для оценки электрического поля в земной коре путем измерения разности потенциалов в грунте, что используется для прогнозирования землетрясений (Патент США 5387869, м.кл. G 01 V 3/08, 1995 г.), для определения удельной проводимости почвы (Патент США 5450012, м.кл. G 01 V 3/02, 1995 г.), для диагностики трубопроводов (Патент США 4414511, м.кл. G 01 V 3/15, 1983 г.).

Измеренная таким путем разность потенциалов включает: 1) искомый перепад потенциала в грунте, 2) поверхностные скачки потенциала на границе металла зонда со средой, 3) электродвижущую силу, наведенную внешними полями в проводах, соединяющих зонды с регистратором напряжения.

Поверхностные скачки чувствительны к составу среды и создают, дрейф результата измерения. Наводки ограничивают допустимое расстояние между зондами.

Целью предлагаемого изобретения является снижение дрейфа результата и увеличение размера зондируемой области земной коры.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению являются зонд и устройство, описанные в патенте США 4414511. Известный зонд включает металлический электрод и раствор электролита, расположенные в сосуде с пористым дном, приведенным в контакт с поверхностью почвы. Известное устройство включает последовательно соединенные магистральными проводами измеритель напряжения и два зонда, замкнутые через исследуемый участок грунта.

Новым в предлагаемом зонде является то, что пористый элемент сосуда разделен на секции, между которыми расположены буферные емкости, заполненные раствором электролита. Пористый элемент составлен из двух деталей, разделенных проницаемой для раствора областью, и включает шлиф в форме втулки с шероховатой боковой поверхностью, а буферные емкости имеют вид кольцевых пазов, расчленяющих эту поверхность. Втулка выполнена в виде цилиндра либо конуса. Сосуд расположен в обойме и отделен от ее внутренних стенок зазором, заполненным пористой средой, например песком.

Новым в предлагаемом устройстве является то, что магистральный провод каждого зонда дополнен изолированным от него параллельным проводом и вместе с ним подключен к отдельному дифференциальному усилителю, а противоположный конец параллельного провода соединен через сопротивление с заземленной шиной, общей для обоих зондов.

Выходы двух отдельных дифференциальных усилителей подключены ко входу третьего дифференциального усилителя, который является общим для обоих зондов.

При одном и том же полном омическом сопротивлении пористого элемента разделение его на секции, чередующиеся с промежуточными буферными емкостями, замедляет диффузию примесей извне внутрь сосуда и повышает этим стабильность скачка потенциала на границе металла зонда с раствором.

Снабжение каждого зонда отдельным дифференциальным усилителем и параллельным проводом, замкнутым через сопротивление на заземленную шину, позволяет снизить влияние наводок вследствие их совпадения в двух проводах - магистральном и параллельном - и взаимного вычитания, обеспечиваемого введением отдельного усилителя. В данных условиях из результата дифференциального усиления оказываются исключенными также наводки на заземленную шину.

Сущность изобретения пояснена следующими чертежами: фиг.1 - зонд для оценки электрического поля в земной коре, общий вид в разрезе; фиг.2 - вид А-А на фиг.1; фиг.3 - вид Б-Б на фиг.1; фиг.4 - шлиф с секционированной шероховатой поверхностью; фиг.3 - буферная емкость в разрезе; фиг.6 - вариант зонда; фиг. 7 - вертикальная система зондов; фиг.8 - горизонтальная система зондов; фиг. 9 - регистрирующий блок устройства для оценки электрического поля в земной коре; фиг.10 - электрическая схема устройства.

Зонд для оценки электрического поля в земной коре (фиг.1-3) содержит твердый металлический электрод 1 и потенциалопределяющий раствор электролита 2, находящийся в сосуде 3, который имеет вид эластичной трубки с закрытыми верхним концом 4 и нижним концом 5. В верхний конец трубки вставлена крышка 6 с проходящим внутри нее кабелем 7, в котором центральный проводник 8 окружен изолирующим шлангом 9, предотвращающим утечку тока при залегании кабеля в грунте. Контакт электрода 1 с проводником 8 кабеля обеспечен спаем 10, который углублен в канал крышки сосуда и залит отверждаемым изолирующим наполнителем 11.

Нижний конец 5 сосуда перекрыт стеклянным шлифом 12 с кольцевыми пазами 13 и наружным шероховатым слоем 14. Сосуд 3 заключен в тефлоновый корпус 15 с овальным дном 16 и открытым сверху отверстием 17. В зазор между сосудом 3 и корпусом 15 засыпан песок 18, поры которого заполнены раствором электролита, заливаемым перед размещением зонда в грунте.

Корпус имеет фланцы 19 и 20 с отверстиями 21 и 22 для подвески зонда. В заполненном песком зазоре между сосудом и корпусом находится термопара с двумя выводами 23 и 24. Электрический контакт зонда с грунтом осуществляется через свободную поверхность 25 песка в корпусе.

Шлиф 26 (фиг.4), являющийся вариантом шлифа 12, имеет цилиндрическую боковую поверхность 27 с кольцевыми пазами 28, 29, 30, 31. Образуемые пазами кольцевые выступы 32, 33, 34 шлифа выполнены с шероховатостью, рельеф которой заключен в поверхностном слое 35. Верхний торец 36 шлифа окружен фаской 37. Нижний торец 38 шлифа имеет выпуклость. Наряду с таким выполнением возможен вариант шлифа, в котором он имеет форму конуса, расширяющегося от верхнего торца, обращенного внутрь сосуда, к нижнему.

В рабочем состоянии зонда каждый из кольцевых пазов 28-30 закрыт внутренней стенкой 39 сосуда и образует буферную емкость 40 (фиг.5), целиком заполненную раствором электролита 41, который в исходном состоянии совпадает по составу с раствором 2 внутри сосуда. Шероховатые выступы 32, 33 шлифа и примыкающая к ним стенка 39 сосуда формируют секции пористого элемента.

В другом варианте зонда (фиг.6) применен жидкий ртутный электрод 42. Раствор 43 находится в цилиндрическом сосуде 44 с верхним отверстием 45, закрытым крышкой 46, и нижним отверстием 47, куда плотно вставлена чашка 48 с овальным дном 49. Через крышку проходит герметично закрепленный в ней кабель 50. Из изолирующей трубки 51 кабеля снизу выступает железный стержень 52, погруженный в ртуть 53 на дне чашки. Мениск 54 ртути покрыт слоем 55 каломели.

В стенках сосуда выполнены окна 56, 57 и наружный кольцевой паз 58, создающий буферную емкость. Боковая поверхность 59 сосуда покрыта пористым слоем 60 из стеклоткани. На пористый слой плотно надета обойма 61. В рабочем состоянии зонда пористый слой 60 пропитан раствором, который заполняет также паз 58 и обеспечивает контакт раствора 43 с грунтом.

Устройство для оценки электрического поля включает два зонда, расположенных друг относительно друга по вертикали (фиг.7) либо по горизонтали (фиг. 8-10) относительно поверхности грунта. При вертикальном расположении зонды 62 и 63 подвешены под измерительным блоком 64 с помощью боковых кабелей 65, 66, а для контактов с зондами использованы отводы 67, 68. Система 62-64 находится в скважине 69, пробуренной в грунте 70, и в рабочем состоянии засыпана песком (показан вид системы до засыпки) либо залита жидкостью, например водой. При этом достаточно частичное заполнение скважины, обеспечивающее электрический контакт стенок скважины с зондами. Глубина скважины и расстояние между зондами, расположенными по вертикали, произвольны (на практике - от нескольких метров до километра).

При расположении зондов по горизонтали диапазон расстояний шире. При малых расстояниях (до 100 м) возможно применение простой схемы (рис.8), в которой зонды 71 и 72 подключены с помощью экранированных кабелей 73 и 74 ко входу одного дифференциального усилителя в регистрирующем блоке 75.

Для измерений разности потенциалов и оценки поля на любых расстояниях, в том числе более 1000 км, предназначено устройство с раздельным дифференциальным усилением сигналов, поступающих от зондов (фиг.9, 10).

Блок регистрации 76 данного устройства содержит два одинаковых дифференциальных усилителя 77 и 78, каждый из которых предназначен для подключения к одному зонду и является в этом смысле отдельным. Выходы данных усилителей подключены ко входам дополнительного дифференциального усилителя 79, который является общим для обоих зондов и передает измеренную на них разность потенциалов регистрирующему вольтметру 80. Емкости 81 (С₀,), используемые для снижения высокочастотных помех, и сопротивления 82, 83 (R₀) соединяют входы и выходы усилителей 77 и 78 с заземляемой клеммой 84 блока регистрации. Входы этих усилителей непосредственно подключены к клеммам 85, 87 и 86, 88 данного блока.

Зонды 89 и 90, погруженные в грунт на удаленных друг от друга участках 91, 92 земной коры, соединены магистральными проводами 93 и 94 с клеммами 85 и 86 усилителей 77 и 78. Каждый магистральный провод заключен в общий экран 95 либо 96 с соответствующим параллельным проводом 97 либо 98. Одним концом параллельный провод 97 (98) подключен к клемме 87 (88) усилителя 77 (78), а другим концом - через сопротивление 99 (100) - к концу 101 (102) шины 103, заземленной с помощью электрода 104, имеющего достаточно большую площадь и углубленного в грунт вблизи от блока регистрации (в радиусе 100 м).

Зонды могут находиться на неодинаковых расстояниях L_a и L_b от блока регистрации, например L_a=6000 км (расстояние от Москвы до Якутска вдоль континента, либо от Нью-Йорка до Лондона через Атлантический океан), L_b=100 м. Для измерений могут быть, в частности, использованы существующие линии связи, проложенные по суше или морскому дну. Представляют интерес измерения разности потенциалов между точками земной коры, расположенными вдоль и поперек меридиана.

База измерений - расстояние между зондами - определяется размерами исследуемого объекта. Для изучения процессов в ядре и мантии это расстояние должно быть соизмеримо с радиусом Земли. При исследовании механизма деформации литосферы зонды должны находится друг от друга на расстоянии, превосходящем толщину земной коры, составляющую от 20 до 70 км в континентальной области. Сведения, необходимые для прогнозирования землетрясений, могут быть получены таким путем при расстоянии между зондами порядка 100 км.

Целесообразны следующие параметры: сопротивление пористого элемента, пропитанного раствором - от 100 Ом до 10 кОм, сопротивление основного и параллельного проводов - не более 1 кОм, сопротивление изоляции между ними - не менее 1 МОм. Например, при длине медного провода 6000 км, его сопротивление 1 кОм по постоянному току обеспечивается сечением 1 см².

В качестве электродов и окружающих их растворов электролита могут быть применены: 1) свинец в водном растворе серной кислоты (30-40%-ный раствор с температурой замерзания от -50 до -70^oС) с добавкой сульфата бария для разрыхления пассивирующего слоя сульфата свинца; 2) медь в водном растворе медного купороса с добавкой сегнетовой соли для растворения пассивирующей пленки окисла меди; 3) платина в водном растворе смеси ферри- и ферроцианида калия (по 0.1- 0.2 М); 4) покрытая каломелью ртуть в насыщенном водном растворе хлористого калия.

Твердый электрод 1 имеет диаметр от 1 до 5 мм при произвольной длине (например, 100 мм), что позволяет увеличить его площадь. Диаметр шлифа 12 составляет от 10 до 30 мм, а диаметр контейнера 15 - от 30 до 100 мм. Основной вклад во внутреннее сопротивление зонда дает сопротивление пористого элемента, которое в данной конструкции определяется суммарной длиной слоев 35 шероховатости вдоль шлифа. Наряду с сокращением этой длины существует возможность снизить внутреннее сопротивление путем параллельного соединения нескольких одинаковых зондов в батарею, которая функционирует аналогично одному зонду. Для погружения батареи в одну скважину составляющие ее зонды могут быть расположены в виде вертикальной цепи (подобно изображенной на фиг.7). Число параллельно соединяемых зондов не ограничено.

При работе зонда на границе электрода 1 с раствором 2 поддерживается равновесный скачок потенциала, стабильность которого обеспечена постоянством состава раствора внутри сосуда 3. В среде, окружающей сосуд 3, присутствуют примеси. Они диффундируют вдоль смоченной раствором шероховатой поверхности шлифа 12. Разбавление примеси в буферной емкости многократно снижает градиент концентрации и соответственно поток вещества на следующем участке диффузии.

Кратность снижения градиента возводится в степень, равную числу последовательных буферных емкостей. При одной и той же длине пути диффузии в порах шероховатой поверхности шлифа разбиение этого пути на участки, чередующиеся с буферными емкостями, дает возможность значительно увеличить срок службы зонда (практически до года и более).

При работе устройства для оценки электрического поля в земной коре проблема устранения помех имеет особенность, связанную со значительным расстоянием между зондами, что делает неэффективной обычную экранировку магистральных проводов. В проводах, пролегающих в удаленных друг от друга местностях, индуцируются извне сильно различающиеся по величине сигналы. В этих условиях обычное подключение двух зондов ко входу одного дифференциального усилителя оставляет значительной разность наводимых помех.

Предлагаемое устройство обеспечивает дополнительные возможности для снижения уровня посторонних сигналов. Шум, наводимый в магистральном проводе, дублируется в параллельном проводе, который расположен рядом с магистральным и воспринимает те же внешние поля. Это создает условие для полной компенсации указанного шума на выходе отдельного для каждого зонда дифференциального усилителя 77 (78), ко входам которого подключены магистральный и параллельный провода. Дальнейшее вычитание сигналов в общем дифференциальном усилителе 79 позволяет получить искомую разность потенциалов между удаленными зондами, свободную от наводок.

Заземление концов параллельных проводов через сопротивления 99 и 100 делает их эквивалентными по переменному току магистральным проводам, концы которых заземлены через зонды 89 и 90. Указанные сопротивления (R_a и R_b) целесообразно выбрать равными фактическому сопротивлению соответствующих зондов переменному току (на частоте порядка 1 кГц), которое может быть измерено после установки зондов в грунт. Для этой цели могут быть использованы вспомогательные электроды достаточно большой площади, размещенные в окрестности зондов. Фактическое сопротивление зонда имеет величину, близкую к его внутреннему сопротивлению, измеренному на переменном токе до установки в грунт.

Формула изобретения

1. Зонд для оценки электрического поля в земной коре, включающий металлический электрод и раствор электролита, расположенные в сосуде, объем которого отделен от грунта пористым элементом, отличающийся тем, что пористый элемент разделен на секции, между которыми расположены одна или несколько буферных емкостей, заполненных раствором электролита.

2. Зонд по п. 1, отличающийся тем, что пористый элемент составлен из двух частей, разделенных проницаемой для раствора областью.

3. Зонд по п. 2, отличающийся тем, что пористый элемент включает шлиф в форме круглой втулки с шероховатой боковой поверхностью, а буферные емкости имеют вид кольцевых пазов, выполненных во втулке.

4. Зонд по п. 3, отличающийся тем, что втулка имеет вид цилиндра либо конуса.

5. Зонд по п. 1, отличающийся тем, что сосуд расположен с зазором в открытом сверху контейнере, а в зазоре находится пористый наполнитель.

6. Зонд по п. 5, отличающийся тем, что контейнер выполнен круглым, имеет овальное дно и снабжен наружными фланцами с отверстиями.

7. Устройство для оценки электрического поля в земной коре, включающее два зонда, приведенные в контакт с грунтом, и магистральные провода, соединяющие электроды зондов с измерителем напряжения, отличающееся тем, что магистральный провод каждого зонда дополнен изолированным от него параллельным проводом и вместе с ним подключен к отдельному для каждого зонда дифференциальному усилителю, а противоположный конец параллельного провода соединен через сопротивление с заземленной шиной, общей для обоих зондов.

8. Устройство по п. 7, отличающееся тем, что выходы отдельных дифференциальных усилителей подключены ко входу дополнительного дифференциального усилителя, который является общим для обоих зондов.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10