Лекция 8. Методы постоянного тока

Лекция 8. МЕТОДЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Искусственные электрические поля

Искусственные постоянные электрические поля создаются с помощью батарей, аккумуляторов или генераторов постоянного тока, подключаемых с помощью изолированных проводов к стержневым электродам - заземлителям.

Постоянное во времени электрическое поле создается при пропускании тока от какого - либо источника через два заземления. Обычно используют точечные заземления, т. е. такие, у которых размеры электродов, по сравнению с расстоянием между заземлениями, очень малы, редко для заземлений используют линейные электроды.

Простейшей прямой задачей электроразведки постоянными искусственными полями (их называют методами сопротивлений) является расчет разности потенциалов (∆U) в двух точках (М и N) над однородным изотропным полупространством с постоянным удельным электрическим сопротивлением (ρ).

Рассмотрим поле точечного электрода, расположенного на плоской границе раздела земля-воздух. Второй питающий электрод удален на большое расстояние. Ток от электрода А, будет равномерно растекаться во все стороны. Поверхности равного потенциала имеют вид концентрических полусфер. (см. рис. )

Рисунок 4 Поле точечного источника постоянного тока (А) над однородным изотропным полупространством: 1 – токовые линии, 2 - эквипотенциальные линии

На поверхности земли в любой точке М потенциал равен

где ρ – удельное электрическое сопротивление среды;

J – сила тока.

Второй питающий электрод В будет также создавать в точке М потенциал противоположного знака, так как в точке В заземлен второй полюс источника тока.

; (39)

Полный потенциал в точке М и N будет равен

DU = UM –UN (40)

Удельное электрическое сопротивление среды, измеряется в ом∙метрах (ом·м)

(41)

где	- называется коэффициентом установки, зависящий лишь от расстояний между электродами. Вычисляется в метрах.

∆ U – напряжение на MN;

J – ток в АВ.

Определяемое сопротивление является истинным удельным сопротивлением среды, если среда однородная. Если же полупространство неоднородно, то по результатам измерений ∆ U и J рассчитывают условную величину – кажущееся сопротивление

(42)

Вертикальное электрическое зондирование.

Электрическое зондирование - это такая модификация метода сопротивлений на постоянном или низкочастотном (до 20 Гц) токе, при котором в процессе работы расстояние между питающими электродами или между питающими и приемными линиями (разнос) постепенно увеличивается, при этом точка наблюдения остается постоянной. В результате строятся графики зависимости кажущегося сопротивления (ρк) от разноса (r), или кривая зондирований, которая характеризует изменение удельных электрических сопротивлений (УЭС) с глубиной.

Различают две модификации зондирований:

·  вертикальные электрические зондирования (ВЭЗ), применяемые для разведки небольших глубин (до 500 м);

·  дипольные электрические зондирования (ДЭЗ), применяемые для разведки глубин 0,5 - 10 км.

1. Методика вертикальных электрических зондирований. Вертикальное электрическое зондирование выполняется симметричной четырехэлектродной или трехэлектродной градиент-установками. Работы cимметричной установкой проводятся в такой последовательности (см. рис. ).

Рисунок 5 Схема установки ВЭЗ: КА; КВ – катушки с изолированными проводами, Б - батарея, ИП - измерительный прибор

Разносы должны быть направлены, по-возможности, вдоль дорог, просек, а при так называемых круговых ВЭЗ - по двум или четырем азимутам. Изучаемая площадь покрывается сетью профилей на расстояниях, сравнимых или в 2 - 5 раз больших шага съемки. Для уменьшения искажающего влияния рельефа разносы направляют вдоль его простирания. Изучение почв и грунтов проводится ВЭЗ с малыми разносами (от долей до первого десятка метров). Их называют микрозондированиями (МКВЭЗ).

Для однородной среды при любых разносах будет соблюдаться равенство ρк = ρсреды и график ρк будет иметь вид прямой линии.

Для двухслойного горизонтально-слоистого разреза в случае, когда ρ1 > ρ2, кривая ВЭЗ имеет вид изображенный на рисунке

Теоретические кривые ρк для двухслойных разрезов с различным соотношением ρ2/ρ1 рассчитаны и построены на одном чертеже в виде так называемой двухслойной палетки ρ2.

На каждой кривой палетки в кружке указано отношение ρ2/ρ1. При увеличении ρ2 кривая все медленнее выходит на асимптоту и при ρ2 = ∞ график ρк наклонен к осям по углом 450.

В практике электроразведки часто применяются четырехэлектродные установки АМNВ (рис. ).

Рисунок 6 План расположения питающих (А и В) и приемных ( М и N) электродов в разных установках метода сопротивлений: а - четырехэлектродной, б - срединного градиента, в - симметричной четырехэлектродной, г - трехэлектродной, д - двухэлектродной, е – дипольной радиальной, ж - дипольной азимутальной

Результаты наблюдений по методу ВЭЗ наносят на специальные бланки ВЭЗ, где по одной оси откладывают величины lg AB/2, а по другой lg ρk.

2. Методика дипольных электрических зондирований. Если надо изучить большие глубины (свыше 1 км), то при выполнении ВЭЗ разносы АВ приходится увеличивать до 10 км, что делать сложно и неудобно. В этом случае используются дипольные установки (азимутальные, радиальные и др.). При дипольных электрических зондированиях (ДЗ) измеряется кажущееся сопротивление при разных расстояниях или разносах r между центрами питающего и приемного диполей.

Рисунок 7 Схема проведения дипольного азимутального зондирования: ГГ - генераторная группа, ПЛ - полевая лаборатория

Интерпретация кривых электрического зондирования

Под термином интерпретации ВЭЗ подразумевается все операции, направленные к наиболее правильному геологическому истолкованию результатов зондирования. Сюда входят и изучение геоэлектрического разреза, который определяет собою вид кривых ВЭЗ, и изучение параметров отдельных слоев.

Интерпретация кривых ВЭЗ и ДЭЗ бывает качественной и количественной.

Качественная интерпретация зондирования.

При качественной интерпретации дается общая характеристика геоэлектрического разреза и его изменение по вертикали и по площади, а также оценивается положение опорных горизонтов. Опорными электрическими горизонтами в разрезе называются сравнительно мощные и однородные в литологическом отношении толщи пород, характеризующиеся либо повышенными, либо пониженными сопротивлениями, обладающие мало меняющиеся мощностью и повсеместно наблюдаемые в изучаемом районе.

При качественной интерпретации может составляться следующие карты:

1)  типов кривых;

2)  абсцисс и ординат экстремальных точек кривых;

3)  равных кажущихся сопротивлений для определенных разносов;

4)  углов наклона правых асимптот кривых;

5)  расхождение двухсторонних кривых ДЭЗ;

6)  суммарной продольной проводимости S, определяемой по кривы, у которых правая ветвь наклонена под углом, близким к 450.

При построении этих разрезов по горизонтали проставляются точки ВЭЗ, по вертикали откладывается параметр глубинности (r, AB/2), проставляются ρk, Sk или Tkи проводятся изолинии.

Трехслойные кривые ВЭЗ по соотношению УЭС (сверху вниз) делятся на следующие типы (см. рис. ): 1) Н - с минимумом в середине (ρ1 > ρ2 < ρ3); 2) К - с максимумом в середине (ρ1 < ρ2 > ρ3); 3) A - с возрастающими УЭС (ρ1 < ρ2 < ρ3) и 4) Q - с убывающими УЭС (ρ1 > ρ2 > ρ3). На том же рис. приведены возможные геолого-гидрогеологические разрезы, которым могут соответствовать эти кривые.

Выявленные в рассматриваемом примере электрические горизонты (I, II, III) совпадают либо с литологическими границами (кривая A), либо с гидрогеологическими (уровнем подземных вод) (кривые H и Q), либо с изменением физико-механического состояния пород, например, увеличением трещиноватости, которая сопровождается понижением удельного электрического сопротивления (кривая K).

Рисунок 8 Типичные трехслойные кривые ВЭЗ: а - графики КС, б - геоэлектрические разрезы; 1 и 2 - литологические и гидрогеологические границы; 3 и 4 - известняки массивные и трещиноватые; 5 - пески; 6 - глины; 7 - граниты

Количественная интерпретация кривых зондирования.

Количественная интерпретация кривых ВЭЗ и ДЭЗ сводится к определению мощностей слоев: h1, h2, h3, кроме того, при благоприятных условиях определяются сопротивления слоев: ρ1, ρ2, ρ3.

Существуют различные методы решения обратных задач: графоаналитические, палеточные и с помощью ЭВМ (машинные).

1. Графоаналитические методы. В результате анализа решений прямых задач ЭМЗ получены аналитические способы расчета обобщенных параметров разреза по асимптотическим или экстремальным значениям КС на кривых ЭМЗ, получившие название графоаналитических.

2. Палеточные методы.

1). Палеточные методы интерпретации, применяющиеся в электроразведке долгие годы, основаны на использовании альбомов трехслойных кривых (палеток), различных для разных ЭМЗ и рассчитанные для горизонтально-слоистых моделей сред. Сущность палеточных способов сводится к последовательному совмещению выстроенной на кальке полевой кривой с теоретическими кривыми. Они должны быть построены в одинаковом логарифмическом масштабе. Добившись наилучшего совмещения по индексам совпавшей теоретической кривой и палетки, определяют мощность (h1) и удельное электрическое сопротивление (ρ1) первого (верхнего) слоя, относительные значения мощности υ2 = h2/h1 и сопротивления второго слоя, а также интерпретируемой кривой. Отсюда можно найти приближенные значения изучаемого разреза.

2). Ускоренная интерпретация кривых ЭМЗ может проводиться с помощью номограмм-палеток, подготовленных для каждого метода ЭМЗ. Они позволяют заменять при интерпретации громоздкие альбомы палеток (в разных методах ЭМЗ наборы типичных трехслойных кривых меняются от нескольких десятков до сот листов) одной-двумя номограммами-палетками. На рис. 13 приведена номограмма-палетка для интерпретации кривых вертикальных (ВЭЗ) и дипольных, азимутальных и экваториальных (ДАЗ и ДЭЗ) зондирований на постоянном токе.

Рисунок 9 Номограмма-палетка для интерпретации кривых ВЭЗ, ДЭЗ, ДАЗ

3. Машинные методы интерпретации. Интерпретация ЭМЗ с помощью ЭВМ производится с большей точностью, объективностью и скоростью. Существует множество алгоритмов решения обратной задачи ЭМЗ. Наибольшее распространение получили алгоритмы разных вариантов подбора. Принципы их основаны на следующем.

В результате интерпретации строятся геоэлектрические разрезы так же, как по скважинам строятся геологические. Для этого по горизонтали в масштабе съемки проставляются точки ЭМЗ (точки записи), а по вертикали вниз в том же или более крупном масштабе откладываются глубины и мощности слоев. В центре слоя проставляется ρi (или иные параметры слоев).

Пример кривых ВЭЗ и построенного по данным их интерпретации геоэлектрического разреза приведен на рис. 14.

Рисунок 10 Кривые ВЭЗ (а) и геоэлектрический разрез (б), полученные в одном из районов Поволжья: 1 - точки ВЭЗ, 2 - удельное электрическое сопротивление слоя, 3 - литологические границы, 4 - уровень грунтовых вод, 5 - суглинки, 6 - пески, 7 - глины

Кроме того, по данным зондирований строят структурные карты по кровле опорных горизонтов и карты мощностей тех или иных слоев. Сопоставив их с геологическими данными, можно говорить о соответствующих структурных геологических картах.

Геологические задачи, решаемые электрическими зондированиями

Как отмечалось выше, электрические зондирования служат для изучения горизонтольно- и пологослоистых геологических сред.

Электрические зондирования применяются в следующих случаях:

1.  При решении задач глубинного геологического картирования преимущественно осадочных толщ.

2.  При структурно-геологических исследованиях и, в частности, при картировании рельефа кристалическогофундамента.

3.  При поисках и разведке пластообразных полезных ископаемых осадочного происхождения, а также при выявлении структур, благоприятных для накопления различных рудных и нерудных ископаемых.

4.  При решении некоторых инженерно-геологических задач.

5.  При изучении вечной мерзлоты.

6.  При поисках и разведке подземных вод.