Способ геоэлектроразведки и устройство для его осуществления

Группа изобретений относится к области геоэлектроразведки с использованием электромагнитного поля изменяющейся частоты и предназначена для применения при осуществлении различного рода поисковых и инженерно-геологических исследований. Согласно предложенному способу в одной из точек поверхности исследуемого участка геологической среды генератором с рамкой, располагаемой поочередно вертикально и горизонтально, излучают электромагнитное поле. В отстоящих друг от друга и от генератора точках поверхности приемником с рамкой, располагаемой поочередно вертикально и горизонтально, принимают поле и измеряют амплитуды сигнала. По измеренным амплитудам выявляют характер изменения кажущегося сопротивления вдоль профиля и по глубине частотных разрезов и строят соответствующие кривые профилирования и зондирования. Путем анализа полученных кривых производят качественную интерпретацию данных. Путем автоматической инверсии полученных кривых производят количественную интерпретацию данных. Предложенное устройство содержит генератор и приемник электромагнитного поля. В состав генератора входят последовательно включенные синхронизатор, микроконтроллер, управляемый синтезатор частот, усилитель и излучающая рамка. В состав приемника входят последовательно включенные приемная рамка, усилитель, смеситель, аналого-цифровой преобразователь, микроконтроллер и синхронизатор. В устройстве предусмотрен также радиоканал синхронизации генератора и приемника. Группа изобретений обеспечивает быстрое и с повышенной достоверностью получение информации об изменении кажущегося сопротивления исследуемого участка геологической среды как в горизонтальном, так и в вертикальном направлениях. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 2 табл., 3 ил.

 

Группа изобретений относится к области геоэлектроразведки с использованием электромагнитного поля изменяющейся частоты и предназначена для применения при осуществлении различного рода поисковых и инженерно-геологических исследований.

Известные технические решения по реализации геоэлектроразведки базируются в основном на частотном просвечивании геологической среды путем профилирования или зондирования. Первые характеризуются высокой производительностью, но обеспечивают выделение лишь горизонтальных неоднородностей разреза, причем без их надежной привязки по глубине (DE 19915016 А1, G 01 V 3/12, 04.05.2000; DE 4000018 A1, G 01 V 3/12, 08.11.1990).

Вторые же позволяют изучать изменение сопротивления исследуемого слоя с глубиной, однако являются низко производительными (SU 868681 А, G 01 V 3/12, 30.09.1981; SU 1611101 A1, G 01 V 3/12, 10.01.2000).

Современные тенденции развития обусловлены попытками соединения этих технологий, что дает возможность получать приемлемую производительность, характерную для профилирования, и достаточную информативность, свойственную зондированию.

Так при исследованиях на постоянном токе все шире используются многоэлектродные установки (FR 2402217 A1, G 01 V 3/02, 23.03.1982). Однако производительность работ остается низкой из-за необходимости создания большого количества заземлений, особенно в условиях скальных или мерзлых грунтов. Проблема отчасти решается с переходом к бесконтактным работам, при которых коса с емкостными электродами может буксироваться по профилю. Однако это технически возможно лишь при небольших размерах косы, поэтому глубинность таких исследований в большинстве случаев составляет 10-15 метров.

В последние годы для исследования геологической среды получила также распространение георадиолокация, использующая самые высокие частоты (RU 2105330 С1, G 01 V 3/12, 20.02.1998; RU 2158015 С2, G 01 V 3/12, 20.10.2000; RU 2248585 С2, G 01 S 13/89, 20.03.2005). Георадиолокация позволяет быстро и с высокой детальностью выделять границы сред с различной диэлектрической проницаемостью. Вместе с тем глубинность в этом случае опять же существенно ограничена и обычно не превышает 5 м.

Особенно перспективным направлением представляется развитие технологии высокочастотных электромагнитных исследований с использованием гармонических меняющихся по частоте полей (US 5185578 A, G 01 V 3/12, 09.02.1993; RU 2213982 С1, G 01 V 3/12, 09.02.1993; RU 2112997 C1, G 01 V 3/12, 10.06.1998; SU 1699273 A1, G 01 V 3/12, 30.07.1994).

Из вышеотмеченных технических решений наиболее близким к предложенному способу является способ геоэлектроразведки, предусматривающий исследование участка геологической среды с совместным применением профилирования и зондирования и включающий в себя, в частности, излучение и прием электромагнитного поля с изменяющейся частотой, а также измерение амплитуд сигнала, характеризующего принятое электромагнитное поле (SU 1699273 A1).

Из вышеотмеченных технических решений наиболее близким к предложенному устройству является устройство для геоэлектроразведки, включающее в себя генератор электромагнитного поля с модулятором частоты и синхронизатором, приемник электромагнитного поля с гетеродином, смесителем, амплитудным детектором и синхронизатором, а также включенный между генератором и приемником радиоканал синхронизации (SU 1699273 A1).

Недостатки указанных способа и устройства определяются узкой областью распространения, охватывающей лишь межскважинное радиоволновое просвечивание, низкой достоверностью получаемой информации, обусловленной, в частности, антенным эффектом применяемого каротажного кабеля, и не высокой производительностью.

Задачей группы изобретений является расширение области практического использования подобных комбинированных способа и устройства и повышение их точности и эффективности. Технический результат заключается в обеспечении возможности быстрого и с повышенной достоверностью получения информации об изменении кажущегося сопротивления исследуемого участка геологической среды как в горизонтальном (при профилировании), так и в вертикальном (при зондировании) направлениях.

Поставленная задача решается предложенным способом, согласно которому в одной из точек поверхности исследуемого участка геологической среды генератором с рамкой, располагаемой поочередно вертикально и горизонтально, излучают электромагнитное поле, периодически изменяют частоту излучения от минимального до максимального значений, в отстоящих друг от друга и от генератора точках поверхности приемником с рамкой, располагаемой поочередно вертикально и горизонтально, принимают электромагнитное поле, измеряют амплитуды сигнала, характеризующего принятое электромагнитное поле, для всего спектра используемых частот, по измеренным амплитудам выявляют характер изменения кажущегося сопротивления вдоль профиля и по глубине частотных разрезов и строят соответствующие кривые профилирования и зондирования, путем анализа полученных кривых производят качественную интерпретацию данных с определением тел и слоев, обладающих экстремальным значением кажущегося сопротивления, а путем автоматической инверсии полученных кривых производят количественную интерпретацию данных с переходом к объемной геоэлектрической модели строения исследуемого участка геологической среды.

При излучении электромагнитного поля горизонтально и вертикально расположенной рамкой периодически изменяют частоту излучения от 100 Гц до 1 МГц по линейному закону.

В отстоящих друг от друга и от генератора точках поверхности электромагнитное поле принимают поочередно одним и тем же приемником или одновременно несколькими идентичными приемниками.

При приеме электромагнитного поля измеряют амплитуды ЭДС, возникающей в приемной рамке.

Для решения поставленной задачи предложено также устройство, содержащее генератор электромагнитного поля, в состав которого входят последовательно включенные синхронизатор, микроконтроллер, управляемый синтезатор частот, усилитель и излучающая рамка, установленная с возможностью поочередного вертикального и горизонтального расположения, клавиатура и дисплей, подключенные к входу/выходу микроконтроллера, преобразователь напряжения аккумулятора, соединенный с питающим входом усилителя, приемник электромагнитного поля, в состав которого входят последовательно включенные приемная рамка, установленная с возможностью поочередного вертикального и горизонтального расположения, усилитель, смеситель, аналого-цифровой преобразователь, микроконтроллер и синхронизатор, гетеродин, соединенный с одним из входов смесителя, клавиатура и дисплей, подключенные к входу/выходу микроконтроллера, а также радиоканал синхронизации, включающий в себя передающий блок с передающей антенной, соединенный с выходом синхронизатора приемника, и приемный блок с приемной антенной, соединенный со входом синхронизатора генератора.

В генераторе электромагнитного поля синтезатор частот имеет спектр частот от 100 Гц до 1 МГц, а микроконтроллер выполнен с возможностью изменения частоты синтезатора по линейному закону.

В приемнике электромагнитного поля микроконтроллер выполнен с возможностью оценки амплитуды ЭДС, возникающей в приемной рамке.

В устройстве могут иметься несколько идентичных приемников электромагнитного поля.

На фиг.1 представлена общая структура излучения и приема электромагнитного поля, характерная для данной группы изобретений. На фиг.2 приведена функциональная схема предложенного устройства для геоэлектроразведки, реализующая предложенный способ. На фиг.3 показан используемый для излучения электромагнитного поля разночастотный сигнал.

Комплект аппаратуры включает в себя цифровой портативный генератор 1 электромагнитного поля и один или несколько цифровых портативных приемников (измерителей) 2 электромагнитного поля (фиг.1).

В состав генератора 1 электромагнитного поля входят синхронизатор 3 (фиг.2), микроконтроллер 4, управляемый синтезатор 5 частот, усилитель 6, излучающая рамка (петля) 7, клавиатура и дисплей (текстовый), условно объединенные в блоке 8, преобразователь 9 напряжения и аккумулятор 10. Синхронизатор 3, микроконтроллер 4, управляемый синтезатор 5 частот, усилитель 6 и излучающая рамка 7 включены последовательно. Клавиатура и дисплей блока 8 подключены к входу/выходу микроконтроллера 4. Преобразователь 9 напряжения аккумулятора 10 соединен с питающим входом усилителя 6. Излучающая рамка 7 установлена с возможностью поочередного вертикального и горизонтального расположения.

В состав приемника (измерителя) 2 электромагнитного поля входят приемная рамка (петля) 11, усилитель 12, смеситель 13, аналого-цифровой преобразователь 14, микроконтроллер 15, синхронизатор 16, гетеродин 17, клавиатура и дисплей (графический), условно объединенные в блоке 18. Приемная рамка 11, усилитель 12, смеситель 13, аналого-цифровой преобразователь 14, микроконтроллер 15 и синхронизатор 16 включены последовательно. Гетеродин 17 соединен с одним из входов смесителя 13. Клавиатура и дисплей блока 18 подключены к входу/выходу микроконтроллера 15. Приемная рамка 11 установлена с возможностью поочередного вертикального и горизонтального расположения.

Радиоканал синхронизации включает в себя передающий блок 19 с передающей антенной и приемный блок 20 с приемной антенной. Передающий блок 19 соединен с выходом синхронизатора 16 приемника 2. Приемный блок 20 соединен со входом синхронизатора 3 генератора 1.

Технология высокочастотных электромагнитных исследований в данной группе изобретений основана на использовании искусственного электромагнитного поля в диапазоне частот от 100 Гц до 1000000 Гц (1 МГц). Поле с напряженностями H₁, H₂, Н₃ (фиг.1) возбуждается генератором 1. При этом исходное задание необходимого спектра частот f₁, f₂, f₃ (фиг.3) осуществляется микроконтроллером 4 (фиг.2) и синтезатором частот 5 при соответствующем воздействии клавиатуры и отображении задания на дисплее в блоке 8. Усиление частотных сигналов производится усилителем 6, требуемое питающее напряжение для которого вырабатывается с помощью преобразователя 9, включенного на выходе аккумулятора 10. Изменяющееся по частоте электромагнитное поле излучается рамкой 7, располагаемой поочередно вертикально (для профилирования) и горизонтально (для зондирования). Периодическое переключение частот в заданном спектре от минимального до максимального значений осуществляется автоматически.

Измерения проводятся приемником 2. Электромагнитное поле воспринимается рамкой 11, усиливается усилителем 12 и вместе с сигналом от гетеродина 17 направляется в смеситель 13. Далее в аналого-цифровом преобразователе 14 осуществляется преобразование аналогового сигнала с выхода смесителя 13 в цифровой сигнал, который направляется для оценки в микроконтроллер 15. Результаты оценки отображаются на дисплее в блоке 18. Копирование данных от приемника 2 на внешний стандартный компьютер осуществляется через ИК-порт.

Основные параметры генератора 1 и приемника 2, в частности рамок 7 и 11, подбираются таким образом, чтобы обеспечивалась уверенная регистрация на расстояниях до 100 м от генератора 1.

Максимальная глубина исследований не превышает расстояние от генератора 1 до приемника 2. Изменение электрических свойств пород от поверхности до этой глубины прослеживается за счет периодического изменения частоты электромагнитного поля, например, по линейному закону (на фиг.3 условно показаны лишь три частоты - f₁, f₂ и f₃). Амплитуда возникающей в рамке 11 ЭДС Е увеличивается, если поле проходит через проводящую породу. При этом верхняя часть разреза (до глубины около метра в проводящих и нескольких метров в высокоомных средах) является «слепой зоной». Интерпретация в режиме зондирования применима при расстояниях от генератора 1 до приемника 2, составляющих 20-100 м. Если оно меньше 20 м, то возможна локализация лишь неглубоких высокопроводящих объектов.

Для проведения исследований обычно необходимы два человека. Оператор работает с приемником 2 и входящей в него приемной рамкой 11 и последовательно перемещается из одной точки поверхности исследуемого участка в другую. Помощник имеет дело с генератором 1 и входящей в него излучающей рамкой 7. Возможна также одновременная регистрация электромагнитного поля несколькими приемниками 2 при участии нескольких операторов.

При автоматическом переключении частот время регистрации на каждой точке составляет несколько секунд. Производительность работ может достигать сотен точек в день и зависит главным образом от условий местности. Полученные данные переписываются на стандартный компьютер для интерпретации с помощью специального программного обеспечения.

Синхронизация генератора 1 и приемника 2 выполняется с помощью высокочастотных кварцевых генераторов. При этом используется радиоканал синхронизации. При возможных сбоях в работе предложенного устройства, т.е. при рассинхронизации генератора 1 и приемника 2, воздействием на микроконтроллер 15 клавиатурой блока 18 производится соответствующая подстройка тактовой частоты приемника 2. Синхронизирующий сигнал передается на генератор 1 с помощью синхронизатора 16, передающего блока 19, приемного блока 20 и синхронизатора 3.

В процессе исследования участка геологической среды по измеренным амплитудам возникающих в рамке 11 ЭДС выявляют характер изменения кажущегося сопротивления (импеданса) вдоль профиля и по глубине частотных разрезов и строят соответствующие кривые профилирования и зондирования.

Качественная интерпретация данных (может проводиться в полевых условиях) сводится к анализу полученных кривых. При этом определяются тела и слои, обладающие экстремальным значением кажущегося сопротивления.

Количественная интерпретация данных подразумевает автоматическую инверсию полученных кривых с переходом к объемной геоэлектрической модели строения исследуемого участка геологической среды. Возможны учет априорной информации и увязка с результатами, полученными на соседних точках.

Следует заметить, что структура электромагнитного поля существенно изменяется при увеличении частоты. На низких частотах (≪1 МГц) преобладают токи проводимости, и поле в основном зависит от электрического сопротивления среды (ρ). На высоких частотах (≫1 МГц) более интенсивны токи смещения, и основной вклад вносит диэлектрическая проницаемость среды (ε).

На частотах порядка 1 МГц интенсивность токов проводимости и токов смещения сопоставима. Ее можно оценить, рассматривая отношение величин плотностей токов проводимости (j_ПР) и смещения (j_СМ):j_ПР/j_СМ=1/(ω·ρ·ε), где ω=2π·f - круговая частота. В таблице 1 приведены значения, соответствующие средам с различными электрическими свойствами и разным частотам.

Таблица 1
f, Гц	Соотношение величин плотностей токов проводимости и смещения при ε=5 и ε=25
	ρ=10 Ом·м	ρ=30 Ом·м	ρ=100 Ом·м	ρ=300 Ом·м	ρ=1000 Ом·м
ε=5	ε=25	ε=5	ε=25	ε=5	ε=25	ε=5	ε=25	ε=5	ε=25
640000	562.5	112.5	187.5	37.5	56.25	11.25	18.75	3.75	5.625	1.125
320000	1125	225	375	75	112.5	22.5	37.5	7.5	11.25	2.25
160000	2250	450	750	150	225	45	75	15	22.5	4.5
80000	4500	900	1500	300	450	90	150	30	45	9
40000	9000	1800	3000	600	900	180	300	60	90	18
20000	18000	3600	6000	1200	1800	360	600	120	180	36
10000	36000	7200	12000	2400	3600	720	1200	240	360	72
5000	72000	14400	24000	4800	7200	1440	2400	480	720	144
2500	144000	28800	48000	9600	14400	2880	4800	960	1440	288
1250	288000	57600	96000	19200	28800	5760	9600	1920	2880	576
625	576000	115200	192000	38400	57600	11520	19200	3840	5760	1152
312.5	1152000	230400	384000	76800	115200	23040	38400	7680	11520	2304
156.25	2304000	460800	768000	153600	230400	46080	76800	15360	23040	4608

Из таблицы 1 видно, что токи проводимости преобладают практически во всем рассматриваемом диапазоне частот и для всех типов сред. Однако на высоких частотах в плохо проводящих средах плотность токов смещения приближается к плотности токов проводимости (значения, отвечающие вкладу токов смещения более 1%, выделены жирным шрифтом). Таким образом, при качественном анализе данных в рассматриваемом диапазоне частот токами смещения можно пренебречь, но при численном решении прямых и обратных задач их необходимо учитывать. При этом появляется возможность определять значения ε пород, но возрастает сложность, и уменьшается устойчивость решения обратной задачи.

Глубинность исследований определяется двумя факторами: расстоянием от источника до приемника r и частотой f. При их близком расположении первичное поле источника существенно превышает поле вторичных токов, индуцированных в среде и несущих информацию о ее свойствах. Соответствующая область называется ближней зоной источника. Количественно попадание в ближнюю зону оценивается из неравенства , где - модуль волнового числа среды (μ - магнитная проницаемость).

Зависимость глубины исследования от частоты обусловлена скин-эффектом. Он заключается в том, что поле затухает с глубиной тем быстрее, чем выше частота колебаний поля f и чем ниже сопротивление среды ρ. Глубину, на которой поле существенно ослабевает (в е ≈2.7 раз), называют толщиной скин-слоя h_δ. Она характеризует глубинность исследований на данной частоте и равна . Значения h_δ приведены в таблице 2.

Таблица 2
f, Гц	Толщина скин-слоя hδ, м
ρ=10 Ом·м	ρ=30 Ом·мм	ρ=100 Ом·м	ρ=300 Ом·м	ρ=1000 Ом·м
640000	2.0	3.4	6.3	10.9	19.9
320000	2.8	4.9	8.9	15.4	28.1
160000	4.0	6.9	12.6	21.8	39.8
80000	5.6	9.7	17.8	30.8	56.3
40000	8.0	13.8	25.2	43.6	79.6
20000	11.3	19.5	35.6	61.6
10000	15.9	27.6	50.3	87.2
5000	22.5	39.0	71.2
2500	31.8	55.1
1250	45.0	78.0
625	63.7
312.5	90.0
156.25

Для случаев, в которых , при r=100 м (расстояние между генератором 1 и приемником 2 100 м), значения h_δ не приведены, поскольку при этом происходит переход в неинформативную ближнюю зону. Для случаев, когда , при r=20 м значения выделены жирным шрифтом. Таким образом, в однородной среде глубинность исследований сопоставима с размером установки (в реальных неоднородных средах она может несколько отличаться).

При практической реализации предложенной группы изобретений количество приведенных в таблицах 1 и 2 рабочих частот и длительность работы на каждой частоте задаются пользователем.

Особенности программного обеспечения для интерпретации данных предопределяют:

- чтение данных из файлов, скопированных с измерителя;

- визуализацию кривых зондирования, графиков профилирования, частотных разрезов и карт кажущегося сопротивления;

- расчет кривых зондирования по вертикальной и горизонтальной компонентам полей вертикального и горизонтального магнитного диполей с учетом удельных сопротивлений, диэлектрических и магнитных проницаемостей слоев;

- решение обратной задачи (расчет по полю - объекта) с возможностями регуляризации решения за счет использования априорной информации и увязки результатов, полученных на соседних точках;

- построение геоэлектрических разрезов и карт электрических свойств.

Таким образом, данная группа изобретений позволяет быстро и с повышенной достоверностью получать информацию об изменении кажущегося сопротивления исследуемого участка геологической среды. При этом обеспечиваются:

- прямые поиски и локализация рудных тел с высокой концентрацией металлов;

- поиски и разведка месторождений руд с низкими концентрациями металлов (в т.ч. благородных) и неметаллических руд (в т.ч. урановых);

- поиски и разведка месторождений угля и горючих сланцев;

- поиски и локализация кимберлитовых трубок;

- выявление подземных вод (пресных, минеральных, термальных), картирование и определение глубины залегания водоносных горизонтов;

- изыскание под строительство промышленных, сельскохозяйственных, жилых и транспортных объектов - оценка свойств грунтов и строения геологической среды;

- изучение технического состояния горных выработок (в т.ч. обводненности) при помощи как наземной, так и подземной (шахтной) съемки;

- картирование многолетнемерзлых пород, определение глубины залегания их кровли и подошвы, выявление локальных таликов;

- исследование зон повышенной геодинамической опасности - выявление карстово-суффозионных зон и тектонических нарушений, изучение оползней;

- картирование загрязнений грунтов нефтепродуктами и другими веществами;

- исследование геологического строения дна пресноводных акваторий;

- поиск и изучение состояния крупных подземных техногенных и археологических объектов.

1. Способ геоэлектроразведки, согласно которому в одной из точек поверхности исследуемого участка геологической среды генератором с рамкой, располагаемой поочередно вертикально и горизонтально, излучают электромагнитное поле, периодически изменяют частоту излучения от минимального до максимального значений, в отстоящих друг от друга и от генератора точках поверхности приемником с рамкой, располагаемой поочередно вертикально и горизонтально, принимают электромагнитное поле, измеряют амплитуды сигнала, характеризующего принятое электромагнитное поле, для всего спектра используемых частот, по измеренным амплитудам выявляют характер изменения кажущегося сопротивления вдоль профиля и по глубине частотных разрезов и строят соответствующие кривые профилирования и зондирования, путем анализа полученных кривых производят качественную интерпретацию данных с определением тел и слоев, обладающих экстремальным значением кажущегося сопротивления, а путем автоматической инверсии полученных кривых производят количественную интерпретацию данных с переходом к объемной геоэлектрической модели строения исследуемого участка геологической среды.

2. Способ по п.1, согласно которому при излучении электромагнитного поля горизонтально расположенной рамкой периодически изменяют частоту излучения от 100 Гц до 1 МГц по линейному закону.

3. Способ по п.1, согласно которому в отстоящих друг от друга и от генератора точках поверхности электромагнитное поле принимают поочередно одним и тем же приемником.

4. Способ по п.1, согласно которому в отстоящих друг от друга и от генератора точках поверхности электромагнитное поле принимают одновременно несколькими идентичными приемниками.

5. Способ по любому из пп.1-4, согласно которому при приеме электромагнитного поля измеряют амплитуды ЭДС, возникающей в приемной рамке.

6. Устройство для геоэлектроразведки, содержащее генератор электромагнитного поля, в состав которого входят последовательно включенные синхронизатор, микроконтроллер, управляемый синтезатор частот, усилитель и излучающая рамка, установленная с возможностью поочередного вертикального и горизонтального расположения, клавиатура и дисплей, подключенные к входу/выходу микроконтроллера, преобразователь напряжения аккумулятора, соединенный с питающим входом усилителя, приемник электромагнитного поля, в состав которого входят последовательно включенные приемная рамка, установленная с возможностью поочередного вертикального и горизонтального расположения, усилитель, смеситель, аналого-цифровой преобразователь, микроконтроллер и синхронизатор, гетеродин, соединенный с одним из входов смесителя, клавиатура и дисплей, подключенные к входу/выходу микроконтроллера, а также радиоканал синхронизации, включающий в себя передающий блок с передающей антенной, соединенный с выходом синхронизатора приемника, и приемный блок с приемной антенной, соединенный со входом синхронизатора генератора.

7. Устройство по п.6, в генераторе электромагнитного поля которого синтезатор частот имеет спектр частот от 100 Гц до 1 МГц, а микроконтроллер выполнен с возможностью изменения частоты синтезатора по линейному закону.

8. Устройство по п.6, в приемнике электромагнитного поля которого микроконтроллер выполнен с возможностью оценки амплитуды ЭДС, возникающей в приемной рамке.

9. Устройство по любому из пп.6-8, в котором имеются несколько идентичных приемников электромагнитного поля.