Установки для определения удельного сопротивления среды

Поляков А.С. Методическое руководство по электропрофилированию. Л., Недра. – 1969.- 200 с.

ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПРОФИЛИРОВАНИЕ (ЭП)

К электропрофилированию относится ряд геофизических методов основанных на применении искусственных электрических полей постоянного или переменного тока низкой частоты. Характерной особенностью методов электропрофилирования следует считать тот факт, что работы на площади изучаемого, района проводятся по линиям (профилям) для некоторой заданной глубины исследований (при постоянных размерах питающей и измерительной линий).

Промышленное применение методы электропрофилирования получили в конце 20-х годов прошлого века. В настоящее время по разнообразию решаемых задач, объемам работ и числу разновидностей они занимают ведущее место среди других методов электроразведки. Электропрофилирование широко привлекается при решении задач геологического картирования, при поисках и разведке хорошо проводящих (рудных залежей, антрацита, графита и др.) и плохо проводящих объектов (кварцевых, баритовых, пегматитовых тел и др.), карста, а также при определении мощности рыхлых образований по площади (в сочетании с ВЭЗ), при инженерно-геологических и гидрогеологических исследованиях.

Физико-математические основы методов электропрофилирования

В методах электропрофилирования изучается электрическое поле, создаваемое в земле источниками постоянного тока с помощью специальных электродов (заземлителей). Электроды, с помощью которых ток вводится в землю, называются питающими или токовыми, а с помощью которых производится измерение электрического поля - приемными или измерительными. При электропрофилировании токовые и приемные электроды располагаются на дневной поверхности, на границе раздела земля - воздух.

Электрическое поле тока в любой точке проводящей среды, при отсутствии в ней объемных и поверхностных зарядов, определяется следующими уравнениями электродинамики:

где U и Е - потенциал и напряженность электрического поля в рассматриваемой точке пространства; ρ и σ - удельное сопротивление и удельная электропроводность среды в данной точке; j - плотность тока в той же точке; п — направление нормали к поверхности равного потенциала.

Первое уравнение выражает связь между потенциалом электрического поля U и его напряженностью Е. Второе уравнение является выражением закона Ома в дифференциальной форме. Оно указывает, что напряженность электрического поля Е в любой точке пространства при отсутствии в ней объемных и поверхностных зарядов пропорциональна плотности тока и удельному сопротивлению среды в данной точке. Это уравнение позволяет понять физический смысл измеряемых величин при работах в сложных геологических условиях и является основой для качественной интерпретации получаемых графиков.

Третье уравнение является первым законом Кирхгофа в дифференциальной форме, который выражает то факт, что алгебраическая сумма токов, вытекающих из любого объема, равна нулю если в нем нет электрических зарядов.

Для рассмотрения электрического поля в горных породах эту систему уравнений необходимо дополнить граничными условиями. Горные породы по удельному сопротивлению являются неоднородными средами. Однако для решения практических задач можно предположить, что горные породы состоят из отдельных соприкасающихся участков, однородных внутри участка, но различных между собою. Электрическое поле на контакте участков характеризуется следующими граничными условиями. При отсутствии объемных и поверхностных зарядов нормальная составляющая плотности тока на границе двух сред непрерывна:

где 1 и 2 — индексы сред.

Из последнего уравнения следует, что в проводящей среде на границе раздела с изолятором нормальная составляющая вектора плотности тока отсутствует, т. е. ток течет параллельно границе раздела.

Следующее условие может быть сформулировано так. При отсутствии контактных э. д. с. тангенциальные составляющие напряженности электрического поля на границе раздела двух сред непрерывны:

где индекс l рассматривается как любое направление в плоскости, касательной к поверхности раздела. Последнее граничное условие равнозначно непрерывности потенциала на границе двух сред.

В связи с рассмотрением граничных условий необходимо отметить, что при прохождении тока через контакт двух сред на контакте могут появляться и изменяться во времени электродвижущие силы поляризации. Эти электродвижущие силы в методах электроразведки постоянного тока могут оказывать существенное влияние на измеряемые величины.

При решении практических задач методами постоянного тока учёт границы раздела земля - воздух производится при следующих предположениях. Поверхность земли на участка растекания тока считается плоской. Источники тока располагаются непосредственно у дневной поверхности. Принимается, что над поверхностью вместо воздуха находится точно такая же среда, как и в нижнем полупространстве, и поверхность является плоскостью симметрии (рис. 7.1).

Рисунок 7.1 - Схема удвоения проводящей среды для учета границы раздела земля - воздух при решении задач электроразведки.

Распределение тока в такой неограниченной заполненной среде будет таково, что нормальная составляющая плотности тока у плоскости симметрии будет равна нулю, а распределение тока в нижнем полупространстве будет таким же, как и до заполнения средой верхнего полупространства, если силу тока, текущего в неограниченном пространстве, считать удвоенной по сравнению с силой тока, которая применяется в действительности. Таким образом, для учета граничных условий задачи электроразведки решаются для неограниченного пространства с удвоенной силой тока. Полученное при этом решение будет действительно для нижнего полупространства.

Установки для определения удельного сопротивления среды

Рассмотренные ранее зависимости разности потенциалов между двумя точками среды, создаваемой одним или двумя точечными источниками тока, указывают на возможность измерения удельного сопротивления однородной среды. Действительно, любая из этих формул может быть приведена к виду:

(7.1)

где величину К принято называть коэффициентом установки, так как в его выражение входят только расстояния между токовыми и приемными электродами. Для определения удельного сопротивления среды необходимо измерить силу тока I, идущего через токовые электроды АВ, и разность потенциалов ΔU между двумя точками MN среды с помощью приемных электродов. Если при этом разность потенциалов измерить в милливольтах, силу тока в миллиамперах, расстояние между электродами АВ и МN в метрах, то вычисленное по формуле (7.1) удельное сопротивление среды ρ будет выражаться в Ом∙метрах.

Совокупность выбранного на практике расположения питающих и приемных электродов принято называть установкой для измерения ρ. Основные виды установок, применяемых впрактике электроразведочных работ, даны в таблице 7.1.

Термин «установка» в методах сопротивлений используется для обозначения взаимного расположения и числа приемных и питающих электродов. Установки отличаются глубинностью, разрешающей способностью. Выбор установки является важнейшим элементом методики электроразведки и зависит, в первую очередь, от поставленной задачи, а также от технических и экономических возможностей проведения измерений.

Если в четырехэлектродной установке AM<AN<1/5AB, то разность потенциалов между приемными электродами M и N будет определяться лишь питающим электродом А, а влиянием питающего электрода В можно пренебречь и считать его находящимся в «бесконечности». Такие установки называются трехэлектродными (AMN). В двухэлектродной (АМ) установке питающий электрод В и приемный электрод N отнесены в «бесконечность» (табл.7.1.).

Наиболее часто используются установки Шлюмберже, Веннера и различные дипольные установки (экваториальная - ДЭЗ, осевая - ДОЗ и другие) (табл.7.1.). В дипольных установках питающие (AB) и приемные (MN) электроды сближены настолько, что расстояния r_AB и r_MN намного меньше, чем расстояние между центрами отрезков AB и MN.

Разносом (R) называется некоторый геометрический параметр установки, характеризующий ее глубинность. Для симметричной четырехэлектродной установки Шлюмберже R=АВ/2, т.е. её глубинность - (1/3 1/10) АВ/2. Для других установок в качестве разносов выбирают такие их геометрические параметры, чтобы глубинность этих установок была близка к глубинности установки Шлюмберже.

Таблица 7.1

Установки метода сопротивлений

В дипольной осевой установке напряженность поля электрического диполя (AB) затухает как 1/r³, т.е. быстрее, чем поле точечного источника. Для коррекции потери глубинности в качестве разноса этой установки принимают половину расстояния между центрами приемного и питающего диполей (табл.7.1.).

Геометрический коэффициент произвольной четырехэлектродной установки рассчитывается по формуле:

Для установок с определенным взаимным положением электродов формула упрощается (табл.7.1.).

Точкой записи установки называется точка, к которой относятся измеренные значения ΔU_MN и рассчитанные по ним значения r_К (табл.7.1.).

Особым типом установок, которые считаются исключительно установками профилирования, являются установки градиента и срединного градиента А_fixМNВ_fix. В этих установках положение электродов А и В фиксируется, и в процессе съемки они не передвигаются. Точка записи меняется за счет переноса приемных электродов MN. При этом в первой установке приемные электроды могут сколь угодно близко подходить к питающим электродам, а во второй - приемные линии МN располагаются исключительно внутри средней части АВ на планшете, где соблюдается однородность первичного электрического поля.

Для разделения наблюдаемых при профилировании аномалий кажущегося сопротивления по глубине применяются многоразносные установки профилирования. В этом случае используются два или три разноса, которые перекрывают достаточно большой интервал по глубине (например, АВ₁=10 м; АВ₂=30 м; АВ₃=100 м).

Выбор разноса

Выбор разноса определяется из общетеоретических соображений, что глубина исследования составляет примерно от 1/3 до 1/10 АВ. Глубинность данной установки зависит от разноса, на котором производится съемка, и фонового геоэлектрического разреза, который может быть благоприятным для проникновения тока на глубину, а может быть неблагоприятным при наличии сильных высокоомных и проводящих экранов. Неблагоприятные условия для возбуждения аномалий над объектами поиска создаются в основании разрезов типа А, К и Н. И наоборот, благоприятными ситуациями считаются поиски объектов внутри проводящего слоя в разрезах типа Н, А или в основании разреза типа Q.

Кроме этого, глубинность заметно падает при наличии горизонтально-слоистых анизотропных сред (типичными породами в этом смысле являются известняк, мергель, тонкое чередование известняков, мергелей, глин и выветрелых разностей этих пород). В такой среде структура токовых линий имеет сложную форму - они кратчайшим образом пересекают высокоомные прослои и сильно вытягиваются в горизонтальном направлении вдоль проводящих слоев.

При выборе разноса установки необходимо также помнить, что аномалия электрического поля, которая возбуждается над объектом, зависит от плотности первичного тока на глубине исследования. У разных установок разная зависимость затухания поля или потенциала от разноса. Наиболее медленно затухает потенциал установки АМ - как 1/r. Поэтому эта установка обладает максимальной глубинностью при одинаковых параметрах разноса. Минимальной глубинностью обладает осевая дипольная установка, в которой поле затухает как 1/r³. Поэтому для коррекции потери глубинности в качестве разноса этой установки обычно принимается половина расстояния между центрами питающих и приемных электродов - r/2. Интересно, что экваториальная дипольная установка обладает такой же глубинностью, что и установка Шлюмберже. Поэтому при изучении изменений квазислоистого разреза установка полностью идентична АМNВ.

Дата добавления: 2018-04-04; просмотров: 609; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

12 3 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!