способ совмещения трехэлектродного, вертикального и однополярного электрических зондирований

Формула изобретения

Способ совмещения трехэлектродного, вертикального и однополярного зондирований использует метод двух трехэлектродных зондирований, в котором на профиле наблюдений размещают четыре заземления на одной линии симметрично относительно точки наблюдений, совпадающей с центром установки, а пятое заземление относят в практическую «бесконечность» и подключают к одной из клемм источника электрического тока, центральные заземления подключают к измерителю электрического напряжения, при выполнении измерений к другой клемме источника электрического тока поочередно подключают крайние питающие заземления и измеряют между приемными заземлениями падение напряжения U_AMN и U_A'MN, после выполнения измерений при одном положении крайних питающих заземлений их перемещают на одинаковое заданное расстояние от центра установки и процесс измерений повторяют, выполняют указанные операции при всех заданных положениях питающих заземлений, затем по измеренным падениям напряжений для двух трехэлектродных зондирований вычисляют в каждой точке наблюдений при заданных разносах падение электрического напряжения для вертикальных электрических зондирований U_ВЭЗ и падение электрического напряжения для однополярных зондирований U_МНП, по измеренным и вычисленным падениям напряжения определяется распределение кажущегося электрического сопротивления в разрезах для двух трехэлектродных и вертикальных зондирований, а также распределение в разрезе падения напряжения для однополярных зондирований и по результатам зондирований судят о наличии и расположении в разрезе геологических неоднородностей.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемое изобретение относится к электрической разведке по методу электросопротивления и позволяет повысить эффективность изучения верхней части геологического разреза и выявления локальных неоднородностей как в близповерхностных образованиях, так и в коренных породах.

Область преимущественного применения предлагаемого способа: картирование геологической среды при инженерно-геологических изысканиях; обнаружение зон тектонически раздробленных, водопроницаемых горных пород; выявление проводящих (рудоносных) объектов, перекрытых рыхлыми отложениями; изучение состояния грунтовых инженерных сооружений и др.

Известен способ вертикального электрического зондирования (ВЭЗ), в котором используются четыре заземления, расположенные на одной линии (профиле наблюдений). Два из них - приемные (М, N), каждое из которых отстоит на одинаковом расстоянии по разные стороны от центра установки (пункта наблюдений), и подключены к измерительному прибору. Два других заземления - питающие (А, В) - размещены на одинаковом (заданном) расстоянии по профилю наблюдений центра установки и подключены к клеммам источника электрического тока. При одном размещении питающих заземлений измеряется падение напряжения U_MN между приемными заземлениями (Фиг.1,а). Затем питающие заземления перемещаются на следующее заданное расстояние от центра установки, процесс измерений повторяется и т.д. По результатам электрического зондирования вычисляют значения кажущегося электрического сопротивления среды для каждого положения питающих заземлений (А, В) и по изменению электросопротивления в зависимости от расстояния между питающими заземлениями судят о геоэлектрическом строении среды [1].

Известный способ имеет недостатки: он предназначен для изучения горизонтально-слоистых сред, поэтому при неоднородном строении исследуемого геологического разреза, а особенно в близповерхностной его части, истолкование полученных экспериментальных данных является неоднозначным; присутствие непроводящего слоя в геологическом разрезе затрудняет изучение нижних горизонтов.

Известен способ электрического зондирования с однополярной установкой (метод наложения полей), в котором два питающих (А, А^/) и два приемных (М, N) заземления размещаются на одной линии (профиле наблюдений) так, что заземления (А) и (М) располагаются с одной стороны, а (А^/) и (N) - с другой, на заданном расстоянии от центра установки (пункте наблюдений), а еще одно питающее заземление (В) отнесено в практическую бесконечность и подключается к одной из клемм источника электрического тока. Два других питающих заземления (А, А^/) подключаются к другой клемме источника электрического тока и с помощью специального устройства осуществляется приведение к единому значению электрических токов, стекающих с питающих заземлений (А) и (А^/). Приемные заземления (М, N) подключаются к измерительному прибору. При первом положении питающих заземлений (А, А^/) измеряется падение электрического напряжения U_MN между приемными заземлениями (Фиг.1,б). Затем заземления (А) и (А^/) перемещаются на одинаковое (заданное) расстояние от центра установки, измерения повторяются и т.д. [2].

В однородной и горизонтально-слоистой среде значения падения электрического напряжения U_MN равны нулю. При наличии в геологической среде неоднородности, отличающейся по электрофизическим свойствам от вмещающих пород, на графиках U_MN по профилю наблюдений фиксируются знакопеременные экстремумы падения электрического напряжения с переходом через ноль [3].

Известный способ имеет следующие недостатки: во-первых, требуется очень четкое поддержание одинакового значения электрического тока, стекающего с питающих заземлений (А) и (А ^/) в процессе производства измерений; во-вторых, измерительная аппаратура должна обеспечивать возможность определения знака U_MN; в-третьих, аномальный эффект проявляется как над проводящей, так и над непроводящей неоднородностью, в связи с чем затруднительно определить природу выявленного геоэлектрического объекта.

Целью предлагаемого способа является повышение эффективности выявления геоэлектрических неоднородностей в геологической среде и снижение неоднозначности интерпретации экспериментальных данных за счет совмещения трехэлектродного, вертикального и однополярного электрических зондирований; повышение производительности труда, так как не потребуется для способа однополярного зондирования при каждом измерении поддерживать одинаковым ток, стекающий с питающих заземлений; возможность применения любой электроразведочной аппаратуры, предназначенной для методов сопротивлений.

Поставленная цель достигается тем, что используется метод двух трехэлектродных зондирований, в котором на профиле наблюдений размещают четыре заземления на одной линии симметрично относительно точки наблюдений, совпадающей с центром установки, а пятое заземление относят в практическую «бесконечность» и подключают к одной из клемм источника электрического тока, центральные заземления подключают к измерителю электрического напряжения, при выполнении измерений к другой клемме источника электрического тока поочередно подключают крайние питающие заземления и измеряют между приемными заземлениями падение напряжения U_AMN и U_A'MN, после выполнения измерений при одном положении крайних питающих заземлений их перемещают на одинаковое заданное расстояние от центра установки и процесс измерений повторяют, выполняют указанные операции при всех заданных положениях питающих заземлений, затем по измеренным падениям напряжений для двух трехэлектродных зондирований вычисляют в каждой точке наблюдений при заданных разносах падение электрического напряжения для вертикальных электрических зондирований U_BЭЗ, и падение электрического напряжения для однополярных зондирований U_МНП, по измеренным и вычисленным падениям напряжения определяется распределение кажущегося электрического сопротивления в разрезах для двух трехэлектродных и вертикальных зондирований, а также распределение в разрезе падения напряжения для однополярных зондирований и по результатам зондирований судят о наличии и расположении в разрезе геоэлектрических неоднородностей.

На фиг.1,в показана схема установки для трехэлектродного зондирования. Сигнал U_AMN измеряют при использовании в качестве питающих заземлений (А) и (В). Сигнал U_A'MN измеряют при использовании в качестве питающих заземлений (А^/) и (В).

Предлагаемый способ осуществляется с электроразведочной аппаратурой, предназначенной для электромагнитных исследований (например, ЭРА, ЭРА-ЗНАК, ЭРА-МАХ, либо зарубежными аналогами, работающими на постоянном или переменном низкочастотном токе), следующим образом. На профиле наблюдений размещают четыре заземления (A,M,N,А^/) на одной линии симметрично относительно точки наблюдений (О), совпадающей с центром установки (фиг.1,в), а пятое заземление (В) относят в «бесконечность» и подключают к одной из клемм источника электрического тока. Заземления (М) и (N) подключают к измерителю электрического напряжения. При выполнении измерений к другой клемме источника электрического тока поочередно подключают питающие заземления (А) и (А7^/), измеряют между приемными заземлениями (MN) падение напряжения U_AMN и AU_A'MN соответственно. После выполнения измерений при одном положении питающих заземлений (А) и (А^/) их перемещают на одинаковое заданное расстояние от центра установки (О) и процесс измерений повторяют. Указанные операции повторяют при всех заданных положениях питающих заземлений. Таким образом, на одной точке наблюдений получают две кривые зондирования, соответствующие двум трехэлектродным установкам AMN(В ) и A^/MN(В ) [4].

По измеренным падениям напряжений для двух трехэлектродных зондирований вычисляют на каждой точке при каждом разносе:

где U_BЭЗ - падение электрического напряжения для вертикальных электрических зондирований, U_МНП - падение электрического напряжения для однополярной установки (метод наложения полей).

Для обоснования выражений (1), (2) приведем измеренные падения напряжения в виде:

В методе вертикальных электрических зондирований падение напряжения на заземлениях (М) и (N) при подключении заземления (А) к положительной, а (А^/) - к отрицательной клеммам источника электрического тока вычисляется по формуле:

которая с учетом формул (3)-(4) приводится к виду:

В тех случаях, когда осуществляются модульные измерения падения напряжения на приемных заземлениях (М) и (N), формулу (6) следует преобразовать с учетом знаков слагаемых, входящих в выражение. Поскольку величина потенциала обратно пропорциональна расстоянию до точки наблюдений, т.е. до заземления (М) и (N), то всегда U_AMN>0, т.к. U_AM>U_AN , соответственно U_A'MN<0 и формула (6) с использованием модульных измерений преобразуется к виду:

В методе наложения полей (МНП) применяется однополярная установка так, что два питающих заземления (А) и (А^/) подключены к одной клемме источника тока, например к положительной, а третье (отрицательное) отнесено в «бесконечность». При этом падение напряжения на заземлениях (М) и (N) вычисляется по формуле:

которая с учетом (3)-(4) приводится к виду:

При осуществлении модульных измерений падения напряжений на приемных заземлениях (М) и (N) формула (9) преобразуется аналогичным образом, как и формула (6), с учетом знаков слагаемых, входящих в выражение:

.

Очевидно, что для однородного проводящего полупространства U_МНП=0. При наличии в нем геоэлектрических неоднородностей U_МНП может быть как положительной, так и отрицательной величиной, отражая особенности распределения электрофизических параметров среды.

По обследованному профилю наблюдений по значениям ( U_AMN), ( U_A'MN) и ( U_ВЭЗ) вычисляют значения кажущегося электросопротивления ( _к) и строят разрезы _к для трехэлектродных и четырехэлектродной симметричной (ВЭЗ) установок, а также разрез ( U_МНП). По разрезу падения электрического напряжения, полученного по результатам измерений с однополярной установкой ( U_МНП), выделяют геоэлектрические неоднородности, а по разрезам кажущегося электросопротивления определяют электропроводность неоднородности (повышенная или пониженная по сравнению с вмещающей средой), уточняют морфологию объекта и с учетом этого проводят количественную интерпретацию результатов вертикального электрического зондирования.

На фигуре 2 приводится таблица значений разности потенциалов, полученных на одной из профильных точек совмещенных зондирований при проведении экспериментальных работ. Зондирования выполнялись с полуразносами (r=АА^//2) от 1,5 до 15 метров по предложенному в заявке способу. Кроме того, для контроля при этих же разносах были дополнительно выполнены вертикальные электрические зондирования по стандартной методике [1], при которых разности потенциалов ( U_MN) практически совпадают с разностями потенциалов, полученных при совмещенных зондированиях U_ВЭЗ (фиг.2, столбец 4 и 6).

Преимущество предлагаемого способа состоит в повышении эффективности выявления геоэлектрических неоднородностей, как в верхней части геологического разреза, так и в коренных геологических образованиях за счет комплексирования четырех методов электрического зондирования, повышающих геоэлектрическую информативность исследований при высокой производительности работ.