Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ГЕОЭЛЕКТРОРАЗВЕДКИ

Изобретение относится к области геофизики, а именно к способу геоэлектроразведки, основанному на использовании промышленных магнитных полей (ПМП).

Метод ПМП может применяться при решении поисковых геологических, гидрогеологических и экологических задач, связанных с выделением и картированием объектов, обладающих повышенной электрической проводимостью, в условиях урбанизированных территорий. Наиболее актуально его применение в целях прогноза возможных негативных техно-геологических процессов при шахтной отработке месторождений.

Известен ряд методов электроразведки по обнаружению геологических неоднородностей среды, основанных на использовании гальванических и индуктивных способов возбуждения и регистрации электромагнитных полей. К ним относятся различные виды электрического и электромагнитного профилирования и зондирования (ВЭЗ, ЭП, 43, ЗСБ, МТЗ и др.). Однако в условиях промышленно развитых регионов их применение становится малоэффективным. Это связано с наличием различного рода промышленных сооружений и техногенных помех, существенно затрудняющих процесс измерений и снижающих информативность получаемых результатов.

Одним из направлений повышения эффективности применения методов электроразведки в данных условиях является использование в качестве источника электромагнитных полей, порождаемых промышленными электроэнергетическими источниками. К настоящему времени известно несколько способов использования промышленных электромагнитных полей при решении геолого-поисковых задач [2, 6-10].

Одним из близких к предлагаемому изобретению является способ поиска хороших проводников по магнитному полю промышленных токов частотой 50 Гц [2] с выполнением регистрации трех ортогональных компонент поля по системе параллельных профилей с измерением угла наклона вектора напряженности к горизонтальной плоскости. Выбор информативных компонент и интерпретация осуществляются на основе сравнительного анализа с известными особенностями геологического строения ранее изученной территории. Другой разновидностью этого способа является изобретение (патент RU №2107932 С1, МПК G01V 3/08, опубликовано 27.03.1998), в котором рассматривается возможность определения положения линейных проводящих зон в недрах земли путем измерения азимутов и углов наклона малой и большой осей элипсоида поляризации магнитного поля на частоте промышленного тока (патент RU №2107932 С1, МПК G01V 3/08, опубликовано 27.03.1998). Как и в первом случае измерения проводят по сети параллельных профилей. В каждой точке по результатам азимутальных наблюдений определяют направление в нижнее пространство радиуса-вектора, перпендикулярного к плоскости, построенной на измеренных векторах, и по выделенным участкам сближения или пересечения радиусов-векторов, отражающих повышение плотности тока, выявляют наличие проводящих линейных объектов, связанных с возможным наличием разломов, либо сульфидных руд.

К недостаткам этих способов можно отнести: 1) необходимость выполнения съемки по системе параллельных профилей, что не всегда возможно в силу недоступности отдельных участков исследуемой территории, к примеру, при возможной ее обводненности, заболоченности, застроенности и т.п.; 2) ограниченность по информативности, связанную с возможностью выделения лишь линейно вытянутых проводящих объектов, неопределенность характера изменения глубины их залегания, неучет возможного влияния иных промышленных источников электромагнитного поля.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому изобретению относится способ, рассмотренный в работе В.С. Титлинова [10], в которой впервые, помимо основной частоты (50 Гц), использованы отдельные ее гармоники. Полевые наблюдения предложено выполнять с помощью стандартной аппаратуры импедансных частотных зондирований АЧЗ-78 с номинальным диапазоном частот 30-2500 Гц, в измерительный блок которой были дополнительно введен набор частот промышленного поля 50, 150, 250, 500, 1000 Гц. Эта аппаратура имеет полосу пропускания частот 0.3 Гц и уровень собственных шумов примерно 0.1 мкВ (на f=50 Гц) и 0.02 мкВ - на f=1000 Гц). В качестве источника промышленного поля использована магистральная ЛЭП мощностью 110 кВ. Способ реализован с использованием теории бесконечного длинного кабеля. Регистрация осуществлялась с использованием трех промышленных частот - 50, 150 и 250 Гц в комплексе с частотным зондированием. Сопоставление полученных результатов с данными частотного зондирования позволило выделить ряд важных особенностей использованного поля ЛЭП: а) магнитное поле заметно стабильнее электрического поля; б) при удалении от ЛЭП на расстояние, превышающее половину длины волны, кривая кажущегося сопротивления, вычисленная по данным поля ЛЭП, практически не зависит от системы расположения (вертикальное либо горизонтальное) проводов ЛЭП и хорошо согласуется с кривой частотного зондирования; в) наблюденное поле превышает пороговый уровень чувствительности прибора на удалении от источника (мощностью 110 кВ) до 2.5 км.

Недостатками способа-прототипа являются:

1) используется поле отдельного ЛЭП без учета возможного влияния совокупности различного вида источников промышленного поля в условиях высокоурбанизированных территорий, что снижает точность и достоверность измерений; 2) отсутствуют методы количественной оценки информативности применения способа в конкретных геоэлектрических и электроэнергетических условиях при произвольной системе расположения точек наблюдений; 3) при использовании аппаратуры АЧЗ-78 задание частот промышленного поля выполняется субъективно, без учета и предварительной оценки их информативности.

Задачей создания предлагаемого изобретения является устранение недостатков прототипа, повышение точности, информативности и технологичности метода магнитного зондирования, основанного на использовании промышленных полей при решении геологических, гидрогеологических и экологических задач.

Поставленная задача решается с помощью признаков, указанных в формуле изобретения, общих с прототипом, таких как способ геоэлектроразведки, основанный на использовании магнитного зондирования геологической среды, и отличительных существенных признаков, таких как в качестве источника используют интегральное магнитное поле, формируемое в результате суммарного воздействия существующего набора промышленных электроэнергетических источников в диапазоне частот от 50 Гц до 1-2 кГц, и на основе оценки влияния дальней и ближней зон электромагнитного поля осуществляют районирование территории по величине электрического сопротивления пород, отвечающих информативной зоне, затем выполняют регистрацию компонент напряженности магнитного поля в каждой точке наблюдений по трем ортогональным направлениям при нескольких значениях азимута расположения радиальных составляющих датчика измерительной установки, затем проводят спектральный анализ измеренного магнитного поля, определяют амплитудно-частотные характеристики каждого из его компонентов и пересчитывают амплитудно-частотные характеристики в значения кажущегося сопротивления, по результатам интерпретации которых получают информацию о пространственном изменении электрического сопротивления и анизотропных свойств среды в интервале эффективных глубин распространения магнитного поля.

Вышеперечисленная совокупность существенных признаков позволяет получить следующий технический результат - повышение точности, информативности и технологичности метода магнитного зондирования, основанного на использовании промышленных полей.

Ниже раскрывается причинно-следственная связь отличительных признаков изобретения с достигаемым техническим результатом.

Изобретение относится к наземным способам электроразведки, основанным на использовании явления электромагнитной индукции, и может применяться при изучении физического состояния геологической среды, с выделении любых электронно- и ионопроводящих объектов (рудных образований, водонасыщенных пород, соляных растворов) при решении поисковых, инженерно-геологических и экологических задач в условиях урбанизированных территорий.

Сущность изобретения заключается в создании способа изучения строения и физического состояния геологической среды, основанного на использовании магнитной составляющей переменного электромагнитного поля, формируемого в результате суммарного воздействия широкого набора достаточно мощных электросетевых объектов - линий электропередач, трансформаторных подстанций, регуляторов мощности, индукционных печей, выпрямителей и др. с учетом выявленных характерных его особенностей, в частности, а) кратности гармоник интегрального поля основной частоте (50 Гц); б) синфазности полей различных источников, вследствие существующей синхронизации электрической сети в пределах промышленного региона; в) повышенной стабильности характера поведения поля во времени, обусловленной как стационарностью расположения источников, так и слабой зависимостью интегрального поля от изменения режима работы отдельных источников средней мощности; г) преобладанием вертикальной составляющей магнитного поля над его радиальной составляющей в силу соответствия поля большинства промышленных источников полю вертикального магнитного диполя. Способ обладает возможностью прогнозной оценки эффективности его применения в конкретных геоэлектрических и электроэнергетических условиях.

При использовании существующих аппаратурно-измерительных средств, позволяющих осуществлять регистрацию гармоник основной частоты (50 Гц) до 10-12 порядков, максимальная глубина проникновения таких полей при изучении осадочных пород может достигать нескольких сотен метров, а минимальная глубина начинается с первых десятков метров (40-50 м). Физическая суть этого объясняется исходя из основ электродинамики.

Согласно принципу электромагнитной индукции наблюдаемое на земной поверхности магнитное поле можно представить в виде суммы двух основных полей: первичного и противоположно направленного индуцированного вторичного поля

Очевидно, что чем больше величина индуцированного магнитного поля, тем больше величина понижения амплитуды наблюденного поля при данной частоте поля f, соответствующей эффективной глубине зондирования [1, 5]

Основными факторами, влияющими на величину индуцированного магнитного поля ^, являются:

1) наличие электропроводящего тела;

2) скорость изменения первичного поля в проводящей среде.

Чем выше проводимость тела, либо скорость изменения поля, тем контрастнее проявление проводящего объекта, которым могут служить любые электронно- и ионопроводящие тела: рудные образования, водонасыщенные породы, соляные растворы. Чем выше их проводимость, тем больше величина возбуждаемого ими индукционного магнитного поля и, соответственно, тем больше понижение наблюденного поля .

Величина скорости изменения первичного поля в проводящей среде определяется соотношением расстояния от точки наблюдения r до источника с длиной волны λ, что связано с понятием ближней и дальней зон [1]. При малых удалениях точки наблюдения от источника по сравнению с длиной волны (r<λ/2π) поле отвечает ближней зоне, при r>λ/2π - дальней зоне. При непосредственной близости точки наблюдения к источнику (r<<λ) магнитное поле становится практически неинформативным - теряется его зависимость от частоты и электрического сопротивления среды [1]. Наибольшие проявления индукции происходят в дальней зоне.

Учитывая выражение для длины волны

в реальных условиях при наличии в пределах региона множества источников с разной удаленностью от точки наблюдения, насчитывающих сотни, а иногда и тысячи единиц, при известном их расположении, может быть спрогнозирована область распространения дальней зоны. Для этого может быть использован предлагаемый параметр К_дз(f), характеризующий степень проявления информативной (дальней) зоны в наблюденном интегральном электромагнитном поле, обусловленном совокупностью N основных промышленных источников:

где r_i - расстояние от точки наблюдения до i-го источника поля; f - основная (минимальная) частота (f=50/60 Гц), определяющая условие выполнения дальней зоны для всего используемого диапазона частот f_i промышленного поля; ρ_ан - величина продольного сопротивления, соответствующая верхней границе диапазона аномально пониженных сопротивлений, характерных для искомого объекта.

На основе формулы (6) может быть выполнено районирование обследуемой территории по значениям ρ_ан, отвечающих условию дальней зоны. Для расчета ρ_ан используется формула, получаемая из (6):

В пределах рабочей зоны, отвечающей условию К_дз(f)>>1, к примеру К_дз(f)=10, возможно получение информации о геологическом разрезе в определенном интервале глубин на основе принципа частотного зондирования.

Предлагаемый способ в ряде случаев может применяться при изучении геологической среды и при отсутствии информации о каждом из источников, вносящих вклад в результирующее поле. Это основывается на использовании информации о вышеотмеченных особенностях промышленных полей. Одними из критериев информативности являются оценки наличия и степень проявления амплитуд компонент магнитного поля для каждой из используемого набора промышленных частот (в интервале примерно от 50 до 1000 Гц). Наличие частот промышленного поля и достаточно высокий уровень значений амплитуд компонент магнитного поля, превышающий фоновый уровень, могут служить косвенным признаком наличия дальней зоны.

При использовании предлагаемого способа возможна регистрация компонент напряженности магнитного поля в каждой точке наблюдений по трем ортогональным направлениям при нескольких значениях азимута расположения радиальных составляющих датчика измерительной установки.

Пример 1

Технология зондирования геологической среды предлагаемым способом включает выполнение следующей совокупности операций:

1) регистрацию компонент напряженности магнитного поля H_Xi(t), H_yi(t), H_z(t) в каждой точке наблюдений по трем ортогональным направлениям в заданный интервал времени (порядка 20-40 с ) при нескольких значениях азимута измерительной установки;

2) спектральный анализ измеренного поля с целью определения амплитудно-частотных характеристик каждой из компонент наблюденного магнитного поля;

3) пересчет амплитудно-частотных характеристик в значения кажущегося сопротивления ;

4) интерпретацию графиков зондирования - получение информации о пространственном изменении электрических свойств среды в интервале эффективных глубин распространения магнитного поля.

Реализация данной технологии выполнена с помощью аппаратурного комплекса, включающего: регистрационные датчики (типа ЭРА-МА), аналого-цифровой преобразователь (типа L-Card Е440), GPS-навигатор, мобильный ноутбук, блок питания и систему цифрового управления, с использованием специально созданных программ для регистрации и спектрального анализа наблюденного поля [4], а также интерпретационной системы программ ЗОНД (свидетельство №2005610058).

В отличие от прототипа:

1) используется поле не отдельного ЛЭП, а интегральное поле, обусловленное совокупностью различных источников, с учетом общих физических представлений и результатов экспериментальных работ;

2) разработан способ количественной оценки информативности применения промышленного магнитного поля в конкретных геоэлектрических и электроэнергетических условиях на основе вычислении интегральной характеристики дальней (информативной) зоны, а также способ районирования территории по величине электрического сопротивления пород, отвечающих информативной зоне;

3) выбор рабочих частот выполняется с предварительной их оценкой в процессе спектрального анализа наблюденного поля;

4) возможность регистрации компонент напряженности магнитного поля в каждой точке наблюдений по трем ортогональным направлениям при нескольких значениях азимута расположения радиальных составляющих датчика измерительной установки, обеспечивая возможность изучения анизотропных свойств среды.

К преимуществам предлагаемого способа относятся: 1) использование широкого набора частот, включающего, помимо основной частоты (50 Гц), совокупность гармоник до 10-12 порядка, порождаемых различного рода электроэнергетическими нагрузками, позволяющих получать информацию о физических свойствах пород, залегающих на различных глубинах (от первых десятков до первых сотен метров); 2) принципиальная возможность получения информации о физическом состоянии толщи пород в условиях промышленно развитых регионов, обеспечивая преимущества относительно традиционных методов электрометрии, подверженных влиянию различного рода промышленных сооружений и техногенных помех, существенно затрудняющих процесс измерений и информативность получаемых результатов; 3) возможность оценки информативности применения способа в конкретных геоэлектрических и электроэнергетических условиях при произвольной системе расположение точек наблюдений, не требующей профильных наблюдений по субпараллельным профилям; 4) независимость результатов истолкования наблюденных данных от формы искомого проводящего тела; 5) простота технического исполнения и методики выполнения работ, обеспечивающих оперативность прогноза возможных негативных событий в условиях высокоразвитых промышленных регионов с возможностью проведения съемки в любое время года в сложных техногенных условиях.

Пример 2

Нижеприведенные примеры относятся к задаче обследования водозащитной толщи для обеспечения безопасности ведения шахтных работ в районе Верхнекамского месторождения калийных солей, расположенного в одном из промышленно развитых регионов Пермского края. Проводящим объектом в данном случае служат области соляного карстообразования. В условиях естественного залегания удельное электрическое сопротивление солей достаточно велико и составляет от нескольких тысяч до первых десятков тысяч ом-метров. Всякое нарушение соляного массива открывает доступ в него подземных вод. Величина удельного электрического сопротивления, тесно связанная с минерализацией водных растворов, образующейся вследствие выщелачивания соляных пород, может снижаться до первых единиц, а в отдельных случаях и до долей единиц ом-метра. Такая степень понижения значений сопротивления (в сотни, тысячи раз) обеспечивает достаточно высокую контрастность проявлений в электромагнитном поле соляного карстообразования.

На Фиг. 1 отображен фрагмент результатов съемки на участке, захватывающем область целика и затопленной части отработанной части карналлитовой толщи, находящейся в интервале глубин 240-250 м. По контрасту изменения электрического сопротивления, изменяющегося в 8-10 раз, достаточно уверенно фиксируется переходная зона между отработанной и неотработанной частями разреза. Данные экспериментальные наблюдения над известным подземным объектом, подобно физическому моделированию, служат подтверждением глубины проникновения переменного магнитного поля.

На Фиг. 3 приведен пример оценки информативности предлагаемого способа в конкретных геоэлектрических и электроэнергетических условиях, прогнозной оценки диапазона значений продольного электрического сопротивления среды, выполненной по совокупности основных электротехнических источников в районе обследуемой территории (от 200 кВт до 700 МВт) при выполнении условия дальней зоны (К_дз(f)=10), а также характер распределения интегрального магнитного поля.

Прогнозная оценка диапазона электрического сопротивления, соответствующего условию дальней зоны, показывает, что величина его находится в диапазоне значительно превышающем величину аномального сопротивления для данной территории ρ_ан=10 Ом·м. Это свидетельствует о возможности получения информации о зоне аномально пониженных сопротивлений и толще вмещающих пород при достаточной для измерений величине магнитного поля. Из описания и практического применения настоящего изобретения специалистам будут очевидны и другие частные формы его выполнения. Данное описание и примеры, чертежи рассматриваются как материал, иллюстрирующий изобретение, сущность которого и объем патентных притязаний определены в нижеследующей формуле изобретения, совокупностью существенных признаков и их эквивалентами.

ЛИТЕРАТУРА

1. Ваньян Л.Л. Основы электромагнитных зондирований. М.: Недра, 1965. 109 с.

2. Карвелис Г.А. О возможности поисков хороших проводников по магнитному полю блуждающих токов частотой 50 Гц. В сб. Методы разведочной геофизики. Вопросы электроразведки рудных месторождений. Л.: НПО Геофизика, 1977, с 90-95.

3. Колесников В.П., Дягилев Р.А. Система программ регистрации промышленных электромагнитных полей для проведения электроразведочных изысканий, Rec H3D. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2014611489 от 04.02.2014 г.

5. Ландау Л.Д., Лифшиц ЕМ. Электродинамика сплошных сред. - 4-е изд., М.: ФИЗМАТЛИТ, 2005. - 656 с.

6. Бобровников Н.В. Результаты наблюдений вертикальной составляющей электрического поля промышленной частоты // Теория и практика электромагнитных методов геофизических исследований. Екатеринбург, Наука УрО РАН, 1992.

7. Вешев А.В., Яковлев А.В. Использование электромагнитных полей частотой 50 Гц для электроразведки // Геофизические методы поисков и разведки: Свердловск: СГИ, 1, 1975. С. 83-90.

8. Захаров В.X., Парфенов А.В., Тимохин М.Б. Амплитудно-фазовые измерения магнитного поля промышленных токов с целью геологических исследований // Геофизические методы поисков и разведки рудных и нерудных месторождений. Свердловск, 1980. 59.

9. Сараев А.К., Ивочкин В.Г., Пертель М.И., Никифоров А.Б. Возможности электромагнитного профилирования на промышленной частоте 50 Гц при изучении Вуоксинского апатитоностного массива // Вестник СПбГУ. Спб., 1998, 7. С. 63-68.

10. Титлинов B.C. О возможности использования полей гармоник 50-периодного тока промышленных ЛЭП в многочастотной электроразведке // Теория и практика электромагнитных методов геофизических исследований. Екатеринбург: Наука УрО РАН, 1992. С. 64-77. - прототип.