способ геоэлектроразведки

Формула изобретения

Способ геоэлектроразведки, включающий возбуждение в геологическом разрезе электрического тока заземленными электродами, подключаемыми к источнику переменного тока с регулируемой частотой, и измерение сигнала на заземленных электродах, отличающийся тем, что используют три электрода, заглубленные в горную породу и расположенные в плане в вершинах равностороннего треугольника, каждый из электродов разбит по высоте на равные, изолированные друг от друга участки, соединенные с переключателями уровня, с помощью переключателей уровня устанавливают уровень исследуемого геологического разреза, при каждом положении переключателей уровня поочередно возбуждают протекание тока от электрода, расположенного в одной вершине треугольника к его двум электродам, расположенным в других вершинах треугольника, при помощи переключателя направления сканирования, одна выходная цепь которого подключена к одной клемме источника переменного тока, а две другие - к клеммам переменного резистора, движок которого соединен с другой клеммой источника переменного тока, при каждом положении переключателя уровня и переключателя направления сканирования многократно изменяют положение движка переменного резистора и измеряют силы тока через электроды, определяют разности значений сил тока через электроды на данном исследуемом разрезе горной породы и их среднестатистических значений, полученных при каждом положении движка переменного резистора, при предварительных исследованиях нескольких геологических разрезов, и находят границы области, в которых разности токов оказались значимыми, идентифицируя такую область как локальную область неизоморфности.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электроразведке и может быть применено при исследовании различных объектов, электрическое сопротивление которых отличается от среднего электрического сопротивления геологической среды.

Известно устройство для измерения удельной электропроводности жидких сред, содержащее два основных электрода и ряд контрольных электродов, расположенных вокруг первого основного электрода, первый источник напряжения, контрольные электроды, первый переключатель, амперметр, регистратор, первый вывод которого соединен с общим выводом первого переключателя, коммутируемые выводы которого соединены с соответствующими контрольными электродами, второй вывод регистратора соединен с первым основным электродом, вокруг которого на равном расстоянии укреплены контрольные электроды, первый вывод первого источника напряжения соединен с первым выводом амперметра, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерений, в него введены второй источник напряжения, второй переключатель, нуль-индикатор, переменный резистор, выключатель, причем второй вывод первого источника напряжения соединен с первым выводом переменного резистора и первым коммутируемым выводом первой группы выводов второго переключателя, второй коммутируемый вывод первой группы выводов которого соединен с первым выводом выключателя, второй вывод которого соединен с вторым выводом второго источника напряжения, первый вывод которого соединен с вторым выводом переменного резистора, регулируемый вывод которого соединен с первым выводом нуль-индикатора, второй вывод которого соединен с вторым коммутируемым выводом второй группы выводов второго переключателя, коммутирующий вывод которой соединен с общим выводом первого переключателя, при этом коммутирующий вывод первой группы выводов второго переключателя соединен со вторым основным электродом, а второй вывод амперметра соединен с первым основным электродом (Патент №1583871 СССР, МКИ ⁵ G01N 27/22. Устройство для измерения удельной электропроводности жидких сред. Веревкин В.И., Быстров В.А., Быстров А.В., Бутко А.К. Заявл. 07.07.87. Опубл. 07.08.90).

К недостатку способа реализации устройства для измерения удельной электропроводности жидких сред с целью геоэлектроразведки относится невозможность погружения щупа в твердые породы. Кроме того, измерение производится только на половине исследуемого объема. Вторая половина оказывается частично экранирована срезом рабочей поверхности щупа устройства.

Наиболее близким к предлагаемому является способ геоэлектроразведки, включающий возбуждение заземленной электрической линией периодически разночастотных импульсов тока, измерение на площади в стационарных пунктах первой разности потенциалов электрического поля, по которой судят о свойствах разреза, при котором с целью повышения точности определения изменения геоэлектрических свойств разреза во времени, дополнительно возбуждают импульсы тока в линейно независимых направлениях, в указанных направлениях дополнительно измеряют первые и вторые разности потенциала электрического поля, по измеренным разностям определяют элементы матрицы тензора геоэлектрических свойств разреза, исходя из системы уравнений. При этом строят полярные диаграммы этих элементов, а о геоэлектрических свойствах разреза судят по аномальным отклонениям во времени и пространстве элементов матрицы и полярных диаграмм (Патент РФ №1835939, МКП 6 G01V 3/00. Способ геоэлектроразведки. Бубнов В.П., Кашик А.С., Рыхлинский Н.И. Заявл. 25.07.91 Опубл. 27.06.95).

К недостатку способа относится то, что геоэлектроразведка плохо выявляет аппликату разреза, в который попадают разведываемые объекты. Кроме того, использование математики в виде тензорной алгебры существенно усложняет процесс анализа мест нахождения, положения в пространстве и форм разведываемых объектов. Главным недостатком является необходимость дополнительных измерений разностей потенциалов области геоэлектроразведки. Технически это означает выполнение сложных операций по механическому зондированию почвы в пространстве между пробуренными отверстиями, куда опускают электроды.

Целью изобретения является повышение точности определения изменений геоэлектрических свойств разреза путем повышения определенности измерения аппликаты разреза, в котором производятся измерения, а также повышение технологичности и снижение трудозатрат при проведении измерений.

Поставленная цель достигается тем, что в способе геоэлектроразведки, включающем возбуждение в геологическом разрезе электрического тока заземленными электродами, подключаемыми к источнику переменного тока с регулируемой частотой, и измерение сигнала на заземленных электродах, дополнительно используют три электрода, заглубленные в горную породу и расположенные в плане в вершинах равностороннего треугольника, каждый из электродов разбит по высоте на равные, изолированные друг от друга участки, соединенные с переключателями уровня, с помощью переключателей уровня устанавливают уровень исследуемого геологического разреза, при каждом положении переключателей уровня поочередно возбуждают протекание тока от электрода, расположенного в одной вершине треугольника к его двум электродам, расположенным в других вершинах треугольника, при помощи переключателя направления сканирования, одна выходная цепь которого подключена к одной клемме источника переменного тока, а две другие - к клеммам переменного резистора, движок которого соединен с другой клеммой источника переменного тока, при каждом положении переключателя уровня и переключателя направления сканирования многократно изменяют положение движка переменного резистора и измеряют силы тока через электроды, определяют разности значений сил тока через электроды на данном исследуемом разрезе горной породы и их среднестатистических значений, полученных при каждом положении движка переменного резистора, при предварительных исследованиях нескольких геологических разрезов, и находят границы области, в которых разности токов оказались значимыми, идентифицируя такую область как локальную область неизоморфности.

Сущность способа заключается в следующем.

При прохождении электрического тока от фиксированного участка исходящего электрода к фиксированным участкам двух других входящих электродов происходит растекание этих токов как в стороны, так и по высоте. Электрические токи стягиваются к каждому из этих двух заземленных электродов, проходят по электрическим кабелям, связывающим электроды с источником переменного тока с регулируемой частотой. При этом токи измеряются с помощью амперметров. Амперметры подключены к концам переменного резистора. Переменный резистор связан с источником переменного тока с регулируемой частотой и переключателем направления сканирования. При этом одна выходная цепь переключателя направления сканирования подключена к одной клемме источника переменного тока с регулируемой частотой, а две другие - к клеммам переменного резистора, движок которого соединен с другой клеммой источника переменного тока с регулируемой частотой.

При прочих равных условиях, изменяя одновременно активные участки электродов с одинаковыми аппликатами, можно изменять разрез геологического участка, в котором плотность тока оказывается максимальной. Объект, находящийся в области, расположенной между активными участками трех электродов, либо в близи нее, с удельной электропроводностью, значимо отличающийся от средней удельной электропроводности разреза, будет приводить к изменению значений токов через входящие электроды. Изменяя положение движка переменного резистора, меняют характер распределения плотности тока, проходящего через геологический разрез. Проводят три серии измерений, в каждой из которых меняют номер исходящего электрода. В ходе проведенных измерений исследуемый геологический участок подвергается направленному по нему пропусканию электрического тока. Максимальный ток в направлении конкретного входящего электрода будет в случае, если движок переменного резистора будет сдвинут до упора в сторону кабеля, подключенного через амперметр к этому электроду. Минимальный ток будет иметь место при сдвиге движка переменного резистора в обратную сторону. Максимальный ток через исходящий электрод протекает при среднем положении движка переменного резистора.

Главные направления токов от исходящего дипольного электрода к одному входящему, а также от исходящего дипольного электрода к другому входящему дипольному электроду сдвинуты друг относительно друга не на 90°, как в декартовых координатах, а на 60° . Таким образом, координатные оси в данном случае находятся под углом 60°. Согласно правилам сложения векторов, направленных по таким осям, при известных модулях токов можно найти и вектор главного результирующего направления тока через исследуемый разрез горной породы. Меняя положения движка переменного резистора, можно менять направление тока через исследуемый разрез горной породы.

Процесс многократного последовательного пропускания электрического тока через исследуемый разрез горной породы, сопровождающийся изменением положения движка переменного резистора и, вследствие этого, изменением направления вектора тока из исходящего электрода, носит характер сканирования данного участка горной породы.

Предварительно исследуют несколько геологических разрезов горной породы, находя среднестатистические значения сил тока при каждом положении движка переменного резистора. Определяют разности значений этих сил тока через электроды на данном исследуемом разрезе горной породы и их среднестатистических значений. Определяют значимые разности токов. По аналогии дважды меняют номер вершины треугольника, от которой возбуждают импульсы тока к двум другим его вершинам. Во всех этих случаях находят границы области сканирования, в которых разности токов оказались значимыми. Такую область идентифицируют как локальную область неизоморфности электропроводности среды. Определяют границы локальной области неизоморфности. Распознают участки возрастания и снижения удельной электропроводности среды локальной области неизоморфности. Находят в ней экстремальные значения удельной электропроводности среды. В координатах сетки формируют карту электропроводности локальной области неизоморфности. По численным значениям электропроводностей в ячейках сетки сканирования локальной области неизоморфности и по карте электропроводности локальной области неизоморфности судят о типе и свойствах обнаруженной горной породы.

На фиг.1 приведено расположение дипольных электродов в исследуемом участке горной породы.

На фиг.2 представлена принципиальная электрическая схема устройства для реализации способа геоэлектроразведки.

На фиг.3 приведена векторная диаграмма токов, протекающих от исходящего электрода через условный участок горной породы с изоморфными свойствами в направлении входящих электродов.

На фиг.4 приведена векторная диаграмма токов, протекающих от исходящего электрода через исследуемый участок горной породы в направлении входящих электродов.

На фиг.5 приведена тройная сетка разбивки исследуемого геологического разреза горной породы.

На фиг.6 показаны границы области неизоморфности исследуемого геологического разреза горной породы.

На фиг.1 обозначено: 1 - исходящий электрод; 2 - первый входящий электрод; 3 - один из активных участков электрода; 4 - коммутирующий провод; 5 - линии тока; 6 и 7 - питающие кабели; 8 - поверхность земли; 9 - наконечник. Исходящий электрод 1 и первый входящий электрод 2 заглублены в расположенную ниже поверхности земли 8 горную породу (не показано). Второй входящий электрод 9 для простоты изображения на фиг.1 не показан. Конструкции всех электродов одинаковые. Каждый электрод выполнен в виде трубы с наконечником 9. Труба выполнена в виде ряда последовательно соединенных через изолирующие прокладки хорошо электропроводных активных участков электродов 3. К каждому такому участку подсоединяется коммутирующий провод 4. Все коммутирующие провода (от всех активных участков электродов) проложены внутри трубы электрода и соединяются с многожильным питающим кабелем (6 или 7).

На фиг.2 дополнительно обозначено: 10 - второй входящий электрод; 11-13 - переключатели активных участков электрода; 14-16 - амперметры; 17 - переключатель направления сканирования горной породы; 18 - источник переменного тока с регулируемой частотой; 19 - переменный резистор. Электрический ток от исходящего электрода 1, растекаясь по горной породе, стекается к первому входящему электроду 2 и ко второму входящему электроду 10. При этом с помощью переключателей активных участков электродов 11-13 подключаются соответствующие активные участки электродов 1, 2, 10. Под соответствующими активными участками электродов понимаются активные участки, расположенные в исследуемом разрезе горной породы. Амперметр 14 измеряет ток I₁ , вытекающий из исходящего электрода 1. Амперметр 16 измеряет ток I₃, стекающийся к первому входящему электроду 2. Амперметр 15 измеряет ток I₂ , стекающийся ко второму входящему электроду 10. Тройной переключатель направления сканирования горной породы состоит их трех одинаковых переключателей на три положения. В первом положении исходящим дипольным электродом становится электрод 1, как и указано на принципиальной схеме. Два других дипольных электрода являются входящими. При переключении переключателя 17 во второе положение исходящим электродом становится электрод 2. При этом электроды 10 и 1 становятся входящими. При переключении переключателя 17 в третье положение исходящим электродом становится электрод 10. При этом электроды 1 и 2 становятся входящими. Входные цепи тройного переключателя 17 подключены соответственно к амперметрам 14-16. Одна выходная цепь переключателя 17 подключена к одной клемме источника 18. Другая клемма этого источника соединена с подвижным движком переменного резистора 19. Две другие клеммы резистора подключены к оставшимся двум выходным цепям переключателя 17.

На фиг.3 дополнительно обозначено: аб - модуль вектора тока I₂; ас - модуль вектора тока I ₁; ad - модуль результирующего тока I_общ , полученного путем векторного сложения векторов токов I ₂ и I₃.

На фиг.4 дополнительно обозначено: 20 - локальная область повышенного сопротивления геологического разреза горной породы; ас' - модуль вектора тока I'₃; ad' - модуль результирующего тока I'_общ, полученного путем векторного сложения векторов токов I₂ и I' ₃.

Если исследуемая область горных пород является изоморфной, то протекание всех токов (I₂ , I₃, I_общ) происходит в одинаковых условиях (см. фиг.3). Если же в исследуемой области геологического разреза возникает локальная область повышенного сопротивления 20, то основное влияние она оказывает на тот ток, который непосредственно протекает через эту область. Из сравнения фиг.3 и 4 следует, что на ток I₃ область повышенного сопротивления 20 оказывает подавляющее действие. В результате ток I₃ снижается до величины I'₃. Его снижение приводит к уменьшению результирующего тока до величины I'_общ , где I'_общ<I_общ.

На фиг.5 дополнительно обозначено: 21 - луч, проведенный из вершины равностороннего треугольника, в которую помещен электрод 1; 22 - луч, проведенный из вершины равностороннего треугольника, в которую помещен электрод 2; 23 - луч, проведенный из вершины равностороннего треугольника, в которую помещен электрод 10; 24 - сетка разбиения исследуемой области горных пород.

На фиг.6 дополнительно обозначены границы локальной области неизоморфности: 25 - лучом, исходящим из электрода 1; 26-27 - лучами, исходящими из электрода 2; 28 - лучом, исходящим из электрода 10.

Способ реализуется следующим образом.

Возбуждение разреза осуществляется перпендикулярными заземленными электрическими электродами 1-3, заглубленными в горную породу и в плане расположенными в вершинах равностороннего треугольника со стороной размером 1-2 км.

Переключателями активных участков дипольных электродов 11-13 устанавливают уровень (глубина погружения) исследуемого геологического разреза. Переключателем направления сканирования горной породы 17 устанавливают начальное направление сканирования исследуемого геологического участка. Этот переключатель задает направление сканирования (сектор) исследуемого геологического участка с изменением вектора результирующего тока в пределах 60°. Вначале подвижный движок переменного резистора 19 устанавливают в крайне левое положение (см. фиг.2). Токовые импульсы силой в несколько сотен ампер генерируют источниками переменного тока с регулируемой частотой. С помощью амперметров 14-16 измеряют электрические токи I₁, I ₂, I₃. При измерении используют промежуточные преобразователи сигналов типа трансформаторов тока или высокоточных шунтов.

Многократно меняют положение подвижного движка переменного резистора 19, постепенно перемещая его вправо (см. фиг.2). В каждом положении движка измерения токов I ₁, I₂, I₃ повторяют. Тем самым с определенной дискретностью сканируют установленный переключателем 17 сектор геологического участка.

Переключателем направления сканирования горной породы 17 устанавливают следующее (второе) направление сканирования исследуемого геологического участка. Тем самым задают следующий сектор сканирования (также в пределах 60°). Движок переменного резистора 19 устанавливают в крайне левое положение (см. фиг.2).

Многократно меняют положение подвижного движка переменного резистора 19, постепенно перемещая его вправо (см. фиг.2). В каждом положении движка измерения токов I₁, I₂, I ₃ повторяют. Тем самым в другом направлении с определенной дискретностью сканируют установленный переключателем 17 сектор геологического участка.

И, наконец, переключателем направления сканирования горной породы 17 устанавливают последнее (третье) направление сканирования исследуемого геологического участка. Тем самым задают последний сектор сканирования (вновь в пределах 60°). Движок переменного резистора 19 устанавливают в крайне левое положение (см. фиг.2). Измерения повторяют аналогично двум предыдущим случаям. Лучи, выходящие из исходящего дипольного электрода, разбивают каждый сектор сканирования исследуемого геологического разреза горной породы на небольшие сектора. Угол между лучами задается шагом дискретизации положения движка переменного резистора 19. При наложении друг на друга лучей от трех направлений сканирования исследуемого геологического участка весь его равносторонний треугольник в плане покрывается сеткой сканирования. Часть такой сетки может покрывать и локальную область неизоморфности.

Наличие локальной области повышенного сопротивления геологического разреза горной породы, не изоморфной по отношению к остальной области исследования (как в сторону увеличения удельной электропроводности, так и в стороны ее уменьшения) приводит к изменению силы тока, протекающего через эту локальную область. При большей электропроводности локальной области сила тока растет, а при меньшей - падает.

На основе исследований нескольких геологических разрезов горной породы находят среднестатистические значения сил тока при каждом положении движка переменного резистора 19. В дальнейшем эти значения используют для сравнения с результатами измерения текущего исследования, то есть на конкретном геологическом разрезе. Разность значений силы тока на данном исследуемом разрезе горной породы и среднестатистического показывает, больше, равна либо меньше электропроводность сканированного геологического участка его среднестатистическому значению. По мере сканирования данного геологического участка эта разность значений токов становится значимо отличной от нуля, когда результирующий вектор тока будет проходить либо по, либо вблизи локальной области неизоморфности.

Фиксируя сектор геологического участка, в котором разность значений токов оказалась значимо отлична от нуля, для каждого из трех положений переключателя направления сканирования горной породы 17, определяют границы локальной области неизоморфности. По величине разностей токов в найденной локальной области неизоморфности судят о типе и свойствах обнаруженной горной породы. Аналогичным образом распознают участки возрастания и снижения удельной электропроводности среды локальной области неизоморфности. Формируют карту электропроводности локальной области неизоморфности. Также в этой области можно найти экстремальные значения удельной электропроводности среды.

Для исследования геологического разреза горной породы на другой глубине залегания с помощью переключателей активных участков дипольного электродов 11-13 подключают соответствующие активные участки дипольных электродов и процесс повторяют.

Способ может быть использован и для геоэлектроразведки грунта спланированного, отведенного под строительство.