Лекция 13.Электроразведка 3.6 Методы переменных электромагнитных полей (стр. 1 )

Лекция 13.Электроразведка

3.6 Методы переменных электромагнитных полей

Теоретические основы. В электроразведке на переменном токе изучают гармонические и нестационарные электромагнитные поля.

Переменный ток - это ток, который меняется по величине и направлению в течение какого-то промежутка времени. Он так же, как и постоянный ток, создает электрическое поле, характеризующееся переменными параметрами (напряженность Е, плотность j, разность потенциалов ДU и др.), и магнитное поле (магнитная индукция В, напряженность магнитного поля H). Под гармоническим понимают такое поле, все параметры которого изменяются во времени по закону косинуса или синуса:

                               E=E0cos(цt+цE)                                        (3.25)

где Е0 - амплитудное значение напряженности поля; ц - угловая частота или число периодов в 2р с; цE - начальная фаза в момент времени t=0; t - текущая координата времени. Аналогичные выражения можно записать для j, Н, В.

Переменные электромагнитные поля в электроразведке создаются гальваническими и индуктивным способами, как и в методах на постоянном токе. Однако по сравнению с методами на постоянном токе при гальваническом способе возбуждения имеются существенные отличия. В этом случае переменное магнитное поле тока в линии АВ индуцирует в земле вторичный ток, и в толще пород возникает сложное поле, являющееся результатом наложения токов, созданных в земле и гальваническим, и индуктивным способами.

При индуктивном способе в качестве питающей линии применяют одновитковую или многовитковую рамку либо раскладывают большой контур-петлю на земле. Пропускаемый через них ток своим переменным магнитным полем индуцирует в толще пород вторичный электрический ток. В радиоволновых методах замкнутую рамку заменяют открытым контуром - излучающей антенной.

Характерной особенностью переменного тока является то, что он создает переменное магнитное поле, которое в свою очередь создает вторичное (индуцированное) электрическое поле. Таким образом, возникает сложное электромагнитное поле. Вторичное и первичное поля существуют одновременно, и при измерениях изучается геометрическая сумма этих полей. Переменное вторичное магнитное поле и вторичное электрическое поле отстают по фазе от первичных.

В поле переменного тока сопротивление проводников возрастает при увеличении частоты тока, так как проводники, кроме омического, обладают еще индуктивным сопротивлением. С увеличением частоты тока, индуцированные токи распространяются по поверхности проводника, а это равносильно уменьшению сечения проводника или увеличению его омического сопротивления.

Еще одна особенность поля переменного тока заключается в его быстром убывании по мере удаления от источника тока. Это объясняется способностью проводящей среды поглощать часть энергии электромагнитного поля, причем эта энергия превращается в тепловую. Коэффициент поглощения увеличивается с увеличением электропроводности среды и частоты тока.

Таким образом, глубина проникновения переменных токов зависит не только от длины линии АВ, но и от частоты тока и электропроводности горных пород. Чем выше частота тока и электропроводность пород, тем меньше глубина проникновения.

Электромагнитное поле в каждой точке характеризуется напряженностью электрического поля Е и магнитного поля Н.

Для измерения напряженности электрического поля Е применяют, как и в методах постоянного поля, приемную линию МN, состоящую из электродов, вбитых в землю, и измерительного устройства (например, микровольтметра). Измеренная разность потенциалов, отнесенная к разносу МN, дает приближенное значение напряженности поля Е в центре отрезка МN.

Величину напряженности магнитного поля Н измеряют индуктивным способом с помощью приемных рамок. Чем больше размер тела и выше его электропроводность, тем значительнее напряженность магнитного поля Н по сравнению с нормальным полем. Индуктивные способы создания и измерения электромагнитных полей в электроразведке имеют принципиальные преимущества, позволяющие не только расширять область приме нения методов, но и обходиться без заземлений, что очень важно при работе зимой, а также в горных районах на каменных осыпях и обнажениях.

3.6.1 Магнитотеллурические методы

Мощные потоки заряженных частиц, направляющиеся от Солнца к Земле, вызывают разрушение атомов и молекул газов ионосферы Земли, и за счет этого возникают токовые вихри, под воздействием которых в земной коре и мантии наводится естественное электромагнитное поле, называемое магнитотеллурическим. Оно состоит из суммы полей магнитной составляющей Н и электрической составляющей Е. Последнее получило название теллурического поля. В результате изучения особенностей его изменения во времени возник метод теллурических токов (МТТ).

Одновременное изучение электрической и магнитной составляющих поля привело к созданию методов магнитотеллурического зондирования (МТЗ) и профилирования (МТП), а также комбинированного магнитотеллурического профилирования, объединяющего методы МТП и МТТ.

Магнитотеллурическое поле, имея очень низкую частоту, проникает в глубь Земли на десятки и сотни километров, поэтому методы ТТ являются самыми глубинными.

Существование теллурических токов в земле можно обнаружить с помощью двухэлектродной установки МN, подключенной к измерительному прибору. Величина отклонения стрелки будет соответствовать составляющей напряженности поля ТТ в данный момент времени по направлению приемной линии. Векторы Е и Н меняются со временем в данном пункте не только по величине, но и по направлению. Зависимость магнитотеллурического поля от времени имеет очень сложный характер. Изменение теллурических токов во времени называется вариациями поля теллурических токов. Вариации можно разделить на периодические и непериодические.

Периодические вариации характеризуются более или менее устойчивыми периодами и подразделяются на длиннопериодные, короткопериодные и среднепериодные. Длиннопериодные вариации (бухта) имеют период до нескольких часов и представляют собой одиночные импульсы. Их изучают при глубинных исследованиях. Короткопериодные вариации, или высокочастотные, характеризуются периодом от десятых до тысячных долей секунды. Среднепериодные вариации имеют период от нескольких секунд до нескольких десятков секунд.

По степени устойчивости их делят на две группы: устойчивые и неустойчивые (цуги). Устойчивые вариации продолжаются без перерыва в течение нескольких часов (5-8ч) и характеризуются плавными незакономерными изменениями видимых амплитуд и периодов. Чаще всего наблюдаются устойчивые вариации с периодом 15-60с в утренние и дневные часы. Интенсивность их летом в 2 раза выше, чем зимой, и возрастает с повышением солнечной активности и изменением широты пунктов наблюдения.

Неустойчивые вариации (цуги) - это отдельные серии импульсов, разделенные длительными перерывами (40-80с), наблюдаются в основном в вечерние и ночные часы.

Наиболее интересной с практической точки зрения является зависимость среднепериодной вариации от электрических свойств верхних слоев земной коры. Амплитуда среднепериодных вариаций колеблется от 3-10мВ/км в районах с неглубоким залеганием фундамента и до 0,5-1мВ/км в районах с мощной проводящей толщей, перекрывающей породы фундамента.

Если в пределах небольшого участка горные породы залегают горизонтально и сопротивление их одинаковое, то поле ТТ на этом участке в данный момент времени сохраняет одинаковую величину и направление. Если же в районе меняется электрический разрез, то в одно и то же время в различных пунктах поле ТТ различно. Эти изменения называются аномалиями ТТ, так как они связаны с геологическим строением исследуемого района. Изучение поля ТТ позволяет устанавливать основные черты геологического строения района.

Аппаратура для измерения поля ТТ представлена магнитотеллурическими лабораториями с аналоговой (МТЛ-71) и цифровой (ЦЭС-2) записью. В комплект лаборатории МТЛ-71 входят осциллограф (с барабанной приставкой), два магнитометра, пульт управления, два усилителя, радиостанция с блоком питания, телевключатель для синхронного нанесения марок времени на работающих станциях, контрольные кольца Гельмгольца, пульт эталонирования и вспомогательное оборудование. Аппаратура монтируется на автомашине.

Установка для измерения поля ТТ представлена двумя приемными линиями МN, каждая из которых состоит из проводов марки ПСМО, катушек и двух неполяризующихся меднокупоросных электродов.

В зависимости от условий размотки и расположения приемных линий относительно друг друга различают крестообразную (рис.3.34), Г-образную, Т-образную и косоугольную установки (угол между линиями M1N1, M2N2 б≥70є).

Рисунок 3.34 – Измерительные установки метода теллурических токов: а – Г-образная, б – крестообразная, в – Т-образная, г - косослоистая

Схема измерительной установки МТЗ показана на рисунке 3.35.

Рисунок 3.35 – Схема измерительной установки методом МТЗ: M1, N1, M2, N2 – приемные линии Ex и Ey; Hx, Hy – магнитометры МЭ-71; О – точка наблюдения; 1 – ЦЭС; 2 – бензоэлектрический агрегат АБ-0,5/115-400; 3-7 – соединительные кондукторы; I-V – каналы станции

При использовании цифропечатных электроразведочных станций ЦУС, ЦЭС-1 компоненты электромагнитного поля Ex, Ey, Hx, Hy, Hz регистрируются в цифровой форме на магнитной ленте.

Электроразведочная партия, ведущая работы методом ТТ, состоит из нескольких самостоятельно действующих отрядов, оснащенных идентичной аппаратурой. Один отряд обслуживает базисную станцию, которая помещается в неподвижном (базисном) пункте. Остальные отряды выполняют наблюдения на рядовых пунктах. В состав каждого отряда входит оператор и два-три рабочих. Наиболее благоприятное время наблюдения - первая половина дня, когда происходят устойчивые вариации поля ТТ.