способ измерения временных вариаций удельного сопротивления земли

Формула изобретения

Способ измерения временных вариаций удельного сопротивления земли, заключающийся в том, что пропускают в землю ток через два точечных источника, первый из которых располагают вблизи вертикальной границы раздела двух различных по сопротивлению сред, а второй относят в бесконечность, определяют положение одной из эквипотенциальных линий электрического поля, измерительные электроды располагают по касательной к эквипотенциальной линии созданного электрического поля, симметрично относительно границ касания луча, проведенного из вспомогательной точки, представляющей зеркальное отражение точечного источника относительно границ раздела, с выбранной эквипотенциалью, или измерительные электроды располагают на линии, перпендикулярной границе раздела, симметрично относительно питающего источника, расположенного вблизи границы, и по напряжению на измерительных электродах определяют временные вариации удельного сопротивления, отличающийся тем, что вблизи границы раздела сред располагают компенсационный точечный источник, значение тока которого устанавливают, исходя из соотношения где I₀, I_k - токи первого и компенсационного источников, _1MN - дифференциал пространственной функции, определяющей положение измерительных электродов по отношению к первому источнику, _2MN - дифференциал пространственной функции, определяющей положение измерительных электродов по отношению к компенсационному источнику.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технической физике и предназначено для контроля над геодинамическими изменениями изучаемых сред и геологических объектов.

Известен способ измерения временных вариаций удельного сопротивления Земли, заключающийся в том, что пропускают в Землю ток через два точечных источника. Один источник располагают вблизи вертикальной границы двух различных по сопротивлению сред. При этом определяют положение одной из эквипотенциальных линий электрического поля и по изменению разности потенциалов измерительных электродов, расположенных на этой линии, регистрируют вариации сопротивления [1].

Недостатком предложенного способа является низкая точность измерения удельного сопротивления Земли при отсутствии массивных руд, обусловленная тем, что сигналы при пропускании импульсов разной полярности отличаются друг от друга только в том случае, если излучаемый объект имеет высокую поверхностную поляризацию. В то же время при решении задач контроля над геодинамическими изменениями геологических объектов, ионная проводимость сред является определяющим фактором, а поляризуемость сред имеет низкое значение. Вследствие этого величина регистрируемых вариаций обуславливается не только изменениями свойств среды, которые непосредственно вызваны ее геодинамикой, но и изменением температуры и влажности воздуха на поверхности среды (помехообразующие факторы).

Наиболее близким к предлагаемому способу является способ измерения вариаций удельного сопротивления Земли [2], заключающийся в том, что пропускают в Землю ток через два точечных источника. Первый источник располагают вблизи вертикальной границы раздела двух различных по сопротивлению сред, определяют положение одной из эквипотенциальных линий электрического поля и по изменению разности потенциалов измерительных электродов, расположенных на этой линии, регистрируют временные вариации удельного сопротивления. При этом измерительные электроды размещают по касательной к эквипотенциальной линии созданного электрического поля, симметрично относительно границ касания луча, проведенного из вспомогательной точки, представляющей собой зеркальное отображение точечного источника относительно границы раздела, с выбранной эквипотенциалью. Также измерительные электроды могут располагаться на линии, перпендикулярной границе раздела, симметрично относительно питающего источника, который расположен вблизи границы.

Недостатками предлагаемого способа является сложность точной установки измерительных электродов по предложенной методике и соответственно понижение чувствительности к малым геодинамическим изменениям исследуемых геологических объектов. Так как для обеспечения требуемой точности измерений необходимо добиться максимального отношения сигнал/помеха. Это возможно только при очень точной установке измерительных электродов на эквипотенциальных линиях. Кроме того, вследствие геодинамических изменений исследуемых геологических объектов эквипотенциальные линии, как правило, смещаются и для достижения требуемой точности измерений требуется переустановка измерительных электродов, что затруднительно, а в геомониторинговых измерительных системах просто невозможно.

Цель изобретения - повышение точности измерений и упрощение позиционирования электроизмерительной установки.

Поставленная цель достигается тем, что в соответствии со способом измерения временных вариаций удельного сопротивления Земли пропускают в Землю ток через два точечных источника, первый из которых располагают вблизи вертикальной границы раздела двух различных по сопротивлению сред, определяют положение одной из эквипотенциальных линий электрического поля, измерительные электроды располагают по касательной к эквипотенциальной линии созданного электрического поля, симметрично относительно границ касания луча, проведенного из вспомогательной точки, представляющей зеркальное отражение точечного источника относительно границ раздела, с выбранной эквипотенциалью или измерительные электроды располагают на линии, перпендикулярной границе раздела, симметрично относительно питающего источника, расположенного вблизи границы, дополнительно введен компенсационный точечный источник, который располагается вблизи границы раздела сред.

На чертеже представлена схема, поясняющая предлагаемый способ.

Схема включает в себя раздел двух сред 1 (с удельными сопротивлениями ₁ и ₂), точечный источник 2 (А), второй точечный источник (В) условно отнесен в бесконечность, фиктивный источник 3, выбранная эквипотенциаль 4, измерительные электроды 5 и компенсационный источник 6.

Предложенный способ реализуется следующим образом.

Электропрофилированием находят местоположение вертикальной границы раздела двух различных по сопротивлению сред 1. На расстоянии d от найденной границы раздела устанавливают один точечный источник тока 2, а второй точечный источник относят в бесконечность (на расстояние >10d). Компенсационный источник 6 располагают недалеко от первого. Базовое расстояние d определяют исходя из мощности электроустановки и особенностей геологического строения района.

Размещение измерительных электродов 5 осуществляется по следующей методике: определяют положение вспомогательной точки 3 на линии перпендикуляра, проведенного из точки расположения первого источника к разделу двух сред, представляющее ее зеркальное отражение относительно раздела. Выбирают одну из эквипотенциальных линий 4 и на линии касания луча, проведенного из вспомогательной точки, и эквипотенциальной линии располагают измерительные электроды симметрично точки касания. Также возможно размещение измерительных электродов симметрично относительно питающего источника на линии перпендикулярно разделу двух сред. Наличие компенсационного точечного источника 6 позволяет компенсировать как неточное позиционирование электроустановки по проведенной методике, так и геодинамические изменения исследуемого геологического объекта, не прибегая к переустановке системы.

Сущность предложенного метода заключается в следующем: напряжение на измерительных электродах можно представить в виде суммы полезного сигнала U_p(t), который обусловлен временными вариациями свойств среды, и сигнала, создаваемого компенсационным источником U_k, а также аддитивной помехи U₀.

U _s(t)=U_p(t)+U₀ +U_k.

Аддитивная помеха определяется начальной установкой электродов и медленными геодинамическими изменениями объекта и может быть нейтрализована сигналом компенсационного источника. При этом достижимая точность измерений, определяемая отношением полезный сигнал/помеха, определяется только чувствительностью применяемой геоэлектрической измерительной системой и стабильностью используемых источников.

Пусть имеется среда с вертикальной границей раздела 1, с удельными сопротивлениями ₁ и ₂. В этом случае напряжение аддитивной помехи и напряжение, создаваемое компенсационным источником [3]

U₀=I_{0 1MN}(x,y), U_k =I_{k 2MN}(x,y),

где _1MN - дифференциал пространственной функции, определяющей положение измерительных электродов на эквипотенциальной линии по первому источнику (при точной установке он равен нулю),

_2MN - дифференциал пространственной функции, определяющей положение измерительных электродов по отношению к компенсационному источнику,

I₀, I_k - токи основного и компенсационного источника.

Дифференциал пространственных функций вычисляется как разность между пространственными функциями, определяющими положение измерительных электродов по отношению к основному или компенсационному источнику _MN(х,у)= _M(x,у)- _N(x,у). При этом пространственные функции могут быть определены на основании известных решений электроразведочных задач.

Например, для раздела двух сред потенциал точечного источника определяется следующим соотношением [4]:

В этом случае пространственные функции имеют вид:

Они являются пространственными, так как зависят только от взаимных координат источника и точек регистрации поля, а также пространственного положения раздела. Параметры сред входят в данное соотношение в качестве констант.

В соответствии с этими соотношениями видно, что подбором значения тока компенсационного источника можно устранить влияние аддитивной помехи. Значение тока может быть определено следующим образом

Предлагаемый способ позволяет упростить позиционирование электроизмерительной установки и повысить точность измерения малых временных вариаций удельного сопротивления Земли. Его применение позволяет легко проводить оперативную настройку электроизмерительной установки при долговременных измерениях и соответственно определять незначительные геодинамические изменения объекта за счет увеличения чувствительности.

Источники информации

1. Авторское свидетельство СССР № 301661, кл. G01V 3/02, 1971.

2. Авторское свидетельство СССР № 1048439, кл. G01V 3/02, опубликован 15.10.83. Бюл. № 38 (прототип).

3. Электроразведка методом сопротивлений. /Под ред. В.К.Хмелевского и В.А.Шевлина: Учеб. пособие. - М.: Изд-во МГУ, 1994.

4. Заборовский А.И. Электроразведка. - М.: Изд-во Нефтяной и горно-топливной литературы. 1943.