Оценка можливостей методу перехідних процесів щодо верхню частину геологічного розтину

Оценка можливостей методу перехідних процесів при вивченні верхню частину геологічного разреза

Н. Про. Кожевников, А. Є. Плотников.

Введение

Метод перехідних процесів (МПП) одна із найбажаніших в сучасної электроразведке. Історично він було винайдено і розроблявся в зв’язки Польщі з потребами пошуків з оцінкою рудних тіл високої електропровідності, залягаючих на глибинах від перших десятків до сотень метрів. Під час вивчення горизонтально-слоистых середовищ чи субгоризонтальных геоэлектрических неоднородностей, передусім під час вирішення завдань нафтової геофізики, застосовується аналог методу перехідних процесів — зондування становленням поля була в ближньої зоні (ЗСБ), занявшее міцне місце у структурної электроразведке.

В 70-х рр. минулого століття У. А. Сидоров та інших. [18, 19] постулювали зокрема можливість використання зондування методом перехідних процесів для картирования малих глибин і вирішення завдань гідрогеології. Приблизно тоді ж час у в зв’язку зі появою апаратури «Імпульс «і «Каскад «у сфері малоглубинных ЗСБ отримано перші практичні результати. З тих пір обсяг малоглубинных досліджень методом перехідних процесів неухильно зростав [2, 11, 29, 30]. За останнє десятиліття освоєно микросекундный діапазон реєстрації невстановлених сигналів [1, 20], що дозволило істотно розширити коло завдань, розв’язуваних з допомогою імпульсної індуктивної электроразведки.

Таким чином, одна з актуальних напрямів розвитку МПП пов’язаний із прагненням зменшити його глибинність у зв’язку з потребами інженерної геології і гідрогеології, геоекології, і навіть під час вирішення геотехнических проблем. Хоча у останні роки з’явилася велика число публікацій, присвячених опису результатів застосування МПП з вивчення верхню частину геологічного розтину (ВЧР), немає роботи, у якому давалася оцінка реальних можливостей, чи — якщо на цю проблему з іншого боку — обмежень методу перехідних процесів саме за дослідженні малих глибин. У цьому статті з урахуванням простий моделі і наочного підходу зроблено спробу до певної міри заповнити зазначений пробел.

Оценка початкового часу реєстрації перехідного процесса

На рис. 1, а зображено установка реалізації зондувань методом перехідних процесів, куди входять генераторну і приймальню горизонтальні незаземленные петли/рамки. Установка розташована лежить на поверхні однорідної яка проводить полупространства з питомим електричним опором р. Як відомо [14], ефективну глибину зондувань (в метрах) можна оцінити по формуле.

.

где р — удільне опір зондируемого полупространства, Ом-м; t — тимчасова затримка, з; k1 — коефіцієнт. За даними різних авторів оптимальне зна чение k1 укладено не більше від 400 до 700 [3, 4, 14]. У цієї статті конкретне значення k1 не грає принципової ролі; і при отриманні нижчевикладених оцінок було винесено, що k1 = 500.

.

Зададимся мінімальної глибиною дослідження hmin, який відповідає мінімальна тимчасова затримка t min:

.

.

откуда отримуємо формулу, з допомогою яких можна оцінити початкова час реєстрації перехідною характеристики ВЧР:

.

На рис. 1, б представлені графіки початкового часу реєстрації залежно від мінімальної глибини hmin і питомої опору полупространства р, побудовані для інтервалу глибин від 0,1 до 10 метрів і для р буде в діапазоні від 1 до 103 Ом-м. У результаті те, що початкова час реєстрації змінюється пропорційно квадрату глибини, зниження h min тягне у себе необхідність проводити виміру на дуже ранніх часи. Припустимо, що hmjn = 10 м. Тоді щодо ВЧР, представленої порівняно низко-омными породами, наприклад глинами чи суглинками (р = 10 — 20 Ом-м), tmin на повинен перевищувати 10 мкс. Як уже відзначалося вище, виміру перехідних характеристик на часи порядку кількох мікросекунд і більше освоєно у сучасній імпульсної электроразведке, тому дослідження яка проводить геоэлектрического розтину, починаючи з глибини порядку 10 м, є здійсненну завдання. При підвищенні питомої опору середовища — наприклад, внаслідок промерзання ВЧР — до 102 Ом-м і до 103 Ом-м початкова час реєстрації на повинен перевищувати 1 і 0,1 мкс відповідно. Якщо ж мінімальна глибина досліджень становить 1 м, наведені вище значення часів зменшаться на два порядку, т. е. виміру перехідних характеристик ВЧР необхідно здійснювати діапазоні порядку одиниць — сотень наносекунд. Такі виміру є дуже непросте завдання. Причина цього у цьому, що інерційність апаратури і особливо приймальні і генераторної петель/рамок серйозним на заваді виміру швидко устанавливающегося відгуку ВЧР на импульсное воздействие.

Оценка розмірів приймальні рамки

На рис. 2, a в схематическом вигляді представлена система для імпульсної індуктивної электроразведки. Система включає комутатор струму, генераторну рамку, досліджувану геологічне середовище, приймальню рамку і реєстратор. Зазвичай при аналізі системи зазначені компоненти розглядають як лінійні четырехполюсники з зосередженими параметрами [6, 9]. Вважають також, що параметри четырехполюсников взаємно незалежні і постійні у часі. Кожен із зазначених елементів характеризується власної перехідною характеристикою. Корисним сигналом є перехідна характеристика геологічне середовище вулканічний; перехідні характеристики інших елементів разом визначають швидкодія вимірювальної системи. Чим коротше перехідна характеристика цих елементів проти відгуком ВЧР, то раніше можна розпочати вимірювати останній і тим меншим початкова глибина исследований.

Предположим, як це робить більшість дослідників [6, 8, 9, 28], що швидкодія системи визначається переважно параметрами вимірювальної петлі чи рамки. При близькому розташуванні генераторної і приймальні рамок остання в останній момент вимикання струму в джерелі піддається сильному імпульсному впливу (надто за умов высо-коомного розтину), у результаті у ній виникає власний перехідний процес, ЭДС е1(t) якого на ранніх часи значно перевищує ЭДС e (t) корисного сигналу. Якщо рамки розташовуються на поверхні ВЧР із високим провідністю і/або рознесені, импульсное вплив, який чиниться на приймальню рамку в останній момент комутації струму, знижується. Проте й цьому випадку для вимірів на ранніх часи необхідно використовувати малоинерционную рамку, оскільки корисний сигнал звертається з її імпульсної характеристикой.

В індуктивної электроразведке під час аналізу частотною, імпульсної та перехідною характеристик рамки останню зазвичай подають як еквівалентного контуру (див. рис. 2, з зосередженими параметрами [6, 8, 9, 27, 28]. Поруч із власними индуктивностью Lo, ємністю С0 і активним опором R0 еквівалентна схема включає опір R0 зазвичай подбираемое в такий спосіб, щоб рамка працював у режимі, близький до критичного. Інерційність рамки прийнято характеризувати власної частотою коливань f0, що у першому наближенні можна оцінити по формуле:

.

При оціночних розрахунках можна взяти, що индуктивность і ємність рамки пропорційні її характерним лінійному розміру l (довжині боку для квадратної рамки, діаметру чи радіусу для круглої) і квадрату числа витків п: L = kLln2, З = kcln2, де kL і kc — коефіцієнти. Тогда.

.

.

Таким чином, розмір рамки змінюється пропорційно квадрату мінімальної глибини досліджень, і назад залежно від питомої електричному опору геологічне середовище вулканічний. Це означає, що зниження hmin, особливо в вивченні слабко які проводять розрізів, обумовлює необхідність використовувати дуже маленькі рамки.

В графічному вигляді залежність (7) представлена на рис. 3. Як неважко бачити, на дослідження ВЧР, починаючи з глибини порядку 10 метрів припустимо використовувати рамку, радіус якої 1 метрів і більш. Якщо ж мінімальна глибина не перевершує перших метрів, а удільне електричне опір зондируемой середовища перевищує 102 Ом-м, радіус рамки становить частки метра.

Наряду із необхідністю забезпечити високу власну частоту, використання невеликих рамок переважно ще й з тій причині, що методика малоглубинных досліджень мусить бути экспрессной і передбачати можливість проведення масових вимірів на урбанізованих територіях України і в умовах інтенсивної промислової забудови. Оптимальним варіантом уявляється такою, коли рамки розташовуються на візках чи — в зимове час — на санях, які переміщаються вручну або з допомогою невеликого транспортний засіб. Така методика дає змогу провадити експресні майданні і профільні зйомки із високим щільністю спостережень, які забезпечують просторова роздільність, необхідне для дослідження ВЧР [29, 30].

Оценка рівня корисного сигнала

К жалю, реальні можливості використовувати рамки як і меншого розміру мають природні обмеження. Як відомо, ЭДС корисного сигналу за інших рівних умов пропорційна твору площ генераторної і вимірювальної рамок. Натомість, площа рамки пропорційна квадрату її характерного лінійного розміру. Тому зменшення розмірів рамок пов’язане з різким падінням корисного сигналу рівня, у якому вимір перехідною характеристики ВЧР перетворюється на серйозну проблему.

На прикладі установки з совмещенными круглими одновитковыми рамками радіусом, а розглянемо, як змінюється рівень несталого сигналу залежно від необхідної мінімальної ефективної глибини досліджень, і питомої електричного опору середовища. Скористаємося відомим вираженням для наведеної до току ЭДС e (t)/I, наводимой в пізньої стадії становлення на затисках приймальні рамки [17, 24]:

.

Подставим в (8) значення tmin і аmin, певні по формулам (1) і (7), т. е. виражені через мінімальну глибину hmin і удільне електричне опір р зондируемой середовища. Через війну знайдемо e (tmin)/I, т. е. значення наведеної до току ЭДС самісінькому ранньої тимчасової затримки (більш пізніх часи ЭДС буде явно меньше):

.

Таким чином, ЭДС перехідного процесу змінюється пропорційно квадрату мінімальної глибини і навпаки пропорційно кубу питомої електричного опору. Графіки залежності e (tmin)/I від hmin щодо різноманітних значень р представлені на рис. 4. Як неважко бачити, здійснення малоглубинных досліджень, особливо у высокоомных (р > 102 Ом-м) середовищах, тягне у себе необхідність вимірювати швидкоплинні сигнали настільки низького рівня, що розв’язання проблеми, у разі з урахуванням традиційних підходів, представляється чи можливим. Зокрема, використання многовитковой рамки з метою підвищення ефективної площі пов’язане з різким зниженням частоти власних коливань f0 (див. формулу 3), збільшенням початкового часу реєстрації tmin і мінімальної глибини досліджень hmin. Компенсація падіння рівня корисного сигналу рахунок збільшення моменту генераторної рамки призведе до неминучого зниження швидкодії останній і збільшення початкового часу реєстрації перехідною характеристики ВЧР.

Обсуждение результатов

Прежде всього, слід наголосити, що з наведених на малюнках графіків дає верхню межу відповідного параметра. Так, значению hmin = 3 м на графіці залежності аmin від hmin, побудованому для р = 1 Ом-м (див. рис. 3), відповідає amin = 102 м. На цьому, проте, годі було, що реальні виміру перехідною характеристики ВЧР з питомим опором 1 Ом-м повинні виконуватися з генераторної рамкою радіусом 102 м. Це лише означає, що з використанні рамки радіусом понад 102 м її власна частота виявиться настільки низькою, що виміру на тимчасових затримках, які забезпечують ефективну глибину зондувань порядку 3 м, виконати не удастся.

где чи b — відповідно радіуси рамки і дроти, м; е0= 8,854 «10 -12 Ф/м; м0 = 1,2566−10−6 Гн/м — відповідно електрична і магнітна проникності вакууму. Прогнозується також, що b «а; ця умова завжди виконується на практиці. Підставивши ці формули в (2), знаходимо, що власна частота коливань одновитковой кругової рамки составляет.

.

В роботі [28] проведено аналіз перехідною реакції приймальні петлі у присутності локального яка проводить об'єкта, який моделювався замкнутим контуром з постійної часу т. Отримано співвідношення, що пов’язує власну частоту fo та інші параметри петлі з припустимою відносної похибкою вимірів Еr:

.

.

где tmjn — мінімальна тимчасова затримка; tср — тривалість зрізу імпульсів струму в генераторної зашморгу; d — коефіцієнт загасання петли.

В контексті цієї статті формула (5) важлива стосовно того, що загалом вигляді ілюструє відому закономірність [8]: що менше початкова час реєстрації tmin, то вище мусить бути власна частота коливань рамки f0. Аналіз висловлювання (5) показує, що з вимірах на ранніх часи tmin і fо пов’язані обернено пропорційної зависимостью.

К аналогічним висновків прийшов А. До. Захаркин [9], розглядаючи перехідний процес у присутності горизонтально-слоистого яка проводить полупространства. Їм показано, що fo і tmin пов’язані соотношением.

.

где k2 — коэффициент.

Считается, що з k2= 10 власний перехідний процес рамки повністю загасає до моменту t = tmin, тому сигнал не вдома рамки дорівнює индуцируемому з допомогою загасання вихрових струмів у землі [7, 16].

Комбинируя (1) і (6) з урахуванням (3), знаходимо: на дослідження геологічне середовище вулканічний з питомим опором р, починаючи з глибини h min необхідно, щоб радіус одновитковой рамки (в метрах) не превышал Напомним, що з постановці зондувань методом перехідних процесів радіус генераторної рамки чи петлі наскільки можна повинен відповідати умові «ближньої зони «[16, 17, 24]:

a.