Фундаментальна проблема електророзвідки. Пряма і обернена задачі електророзвідки

Електророзвідка – це комплекс методів вивчення структури геоелектричного розрізу земної кори на основі вимірів електричних та електромагнітних полів, як природних земних, так і штучних контрольованих джерел. Застосування цих методів спрямоване на вирішення різноманітних задач – геологічного картування, пошуків та розвідки корисних копалин, інженерно-геологічних, гідрогеологічних, екологічних та агрогеофізичних задач. Особливістю електророзвідки, як геофізичного методу, в порівнянні з іншими методами, є значне різноманіття її модифікацій. По-перше – в електророзвідці використовується не одна фізична властивість гірських утворень, а декілька: пит.ел.опір (ρ), діелектрична (ε) та магнітна (μ) проникності, електрохімічна активність (α) та поляризованість (η) гірських порід. По-друге – в електророзвідці вимірюються електромагнітні поля як природного походження, так і створені штучними джерелами. По-третє – контрольовані джерела, що застосовуються для збудження електромагнітних полів, можуть бути як електричного так і магнітного типів. По-четверте – при електрометричних дослідженнях використовується досить широкий частотний спектр електромагнітних полів: від постійних до високочастотних в межах десятків сотень мегагерц. по-п’яте – виміри електромагнітних полів можуть виконуватися на поверхні землі (наземна електророзвідка), під землею (підземна електророзвідка), на водних акваторіях (морська електророзвідка) і в повітрі (аероелектророзвідка). Ці п’ять об’єктивних факторів спричинюють наявність в електрометрії значного різноманіття модифікацій, кількість яких досягає біля 60- ти.

Об’єктом дослідження в електророзвідці є геоелектричний розріз. Він виражає собою просторове розміщення геологічних об’єктів, що відрізняються за фізичними властивостями. В електророзвідці є дві фундаментальні групи методів – профілювання та зондування. Вони відрізняються за метою дослідження. Методи першої групи спрямовані на вивчення зміни електромагнітних властивостей геоелектричного розрізу в горизонтальному напрямку, приблизно на однаковому глибинному рівні. Методи другої групи виявляють розподіл електромагнітних властивостей геоелектричного розрізу за глибиною.

В електророзвідці, як і взагалі у геофізиці, вирізняють пряму і обернену задачі. Пряма задача полягає у вивченні характеру та структури електричного чи електромагнітного поля для заданої моделі геоелектричного розрізу. Вона розв’язується або аналітичним способом, із застосуванням положень теорії електромагнітного поля та сучасного математичного апарату, або шляхом математичного чи фізичного моделювання. В основе теории электроразведки лежат уравнения Максвелла, являющиеся постулатами макроскопической электродинамики.. Решая его, можно получить электрическую ( ) компоненту поля в средах вдали от источника с электромагнитными параметрами :

, где

(3.5)

Если геоэлектрический разрез известен, то с помощью уравнения (3.5) и физических условий задачи, решаются прямые задачи электроразведки, т.е. получаются аналитические или численные значения и , которые соответствуют заданному геоэлектрическому разрезу. В теории электроразведки прямые задачи решаются для разных физико-геологических моделей (ФГМ) сред. Сложность решения прямых задач заключается в выборе моделей, близких к реальным, но таких, чтобы для избранного типа первичного поля удалось получить хотя бы приближенное решение для или . Для этого применяется математическое моделирование с использованием современных ЭВМ.

Наиболее простыми моделями сред являются:

· однородное изотропное пространство или полупространство с одинаковыми электромагнитными свойствами (решения над ними называются соответственно первичным или нормальным полем источника);

· анизотропное пространство с электромагнитными свойствами, отличающимися в направлении и вкрест слоистости пород;

· одномерные неоднородные среды, в которых свойства меняются в одном направлении.

· двухмерные неоднородные среды, в которых электромагнитные свойства меняются в двух направлениях. трехмерные неоднородные среды, в которых свойства меняются по трем направлениям.

В порядке увеличения сложности структуры первичных полей, а значит возрастания сложности решения прямых задач, используемые для электроразведки поля можно расположить в следующей последовательности: точечных и дипольных источников постоянного тока, плоских гармонических электромагнитных волн, сферических волн дипольных гармонических или импульсных источников, цилиндрических волн длинного кабеля и т.п. Существуют различные подходы к решению прямых задач с помощью уравнения (3.5). Любое правильное решение, удовлетворяющее всем физическим требованиям, единственно и корректно.

Найбільш глибоко розработана методика рішення прямих задач електророзвідки для одномірних моделей геоелектричного розрізу. До кількості найважливіших прямих задач відносяться: 1) о полі точкового і дипольного джерела постійного току, розташованих на поверхні нормального (горизонтально-слоістого) розрізу; 2) о полі плоских електромагнітних хвиль в горизонтально-слоістой бреде; 3) о полі змінного електричного диполя, розташованого на поверхні нормального розрізу. Особливістю цих задач є те, що вони можуть бути вирішені аналітично.

Великі труднощі виникають при рішенні прямих задач для двумірних і трьохмірних геоелектричних моделей. Для більшості задач цього класу, за виключенням задач для моделей, які мають неоднорідні включення простої геометричної форми, отримати рішення в аналітичному вигляді не вдається. Для рішення прямих задач електророзвідки над горизонтально-неоднорідним геологектричними розрізами застосовують різні численні математичні методи, основними із яких є методи інтегральних виразів.

Обернена задача електророзвідки полягає у визначенні моделі геоелектричного розрізу за спостереженим електромагнітним полем. Вона відноситься до складних задач інтерпретації експериментальних даних. В результаті вирішення оберненої задачі встановлюється з якимось наближенням реальний геоелектричний розріз чи окремі його елементи. Є одномірна, двомірна і трьохмірна обернені задачі електророзвідки. Простіша є одномірна. В рамках цієї задачі по електромагнітним даним шукають параметри одномірного нормального розрізу. Одномірна задача складає теоретичний фундамент практичного всіх існуючих методів електророзвідки. Необхідність рішення двомірних і трьохмірних задач виникла в останній час у зв’язку з ускладненням геологічних задача, які ставлять перед сучасною електророзвідкою.

Накопленный материал по физическому и математическому моделированию прямых задач электроразведки привел к созданию методов решения обратных задач, т.е. определению тех или иных параметров геоэлектрического разреза по наблюденным графикам , или, например, кривым КС. Решение обратных задач неоднозначно в силу его некорректности, как и всех обратных задач математической физики. Некорректность проявляется в том, что малым изменениям наблюденных параметров поля могут соответствовать большие изменения параметров разреза. Этот физический факт получил название принципа эквивалентности. Методы решения обратных задач электроразведки являются основой количественной интерпретации данных электроразведки.

2. Класифікація методів електророзвідки

В електророзвідці налічується більше п’ятдесяти різних методів і модифікацій, призначених як для глибинних досліджень, так і для вивчення верхньої частини розрізу. Через багатоманітність способів електророзвідку можна розділити на класи, групи, методи і модифікації. Всі методи електророзвідки можна поділити на три класи:

І. Методи профілювання, призначені для вивчення горизонтально-неоднорідних геоелектричних розрізів і виявлення неоднорідностей в горизонтальному напрямку на приблизно однаковій і постійній глибині.

ІІ. Методи зондування, які спрямовані на вивчення горизонтально-однорідних шаруватих геоелектричних розрізів і їх розчленування по вертикалі на певній ділянці профілю.

ІІІ. Підземна електор-ка, в якій об’єднані методи, що вивчають простір між гірськими виробками, свердловинами і земною поверхнею.

Під методом розуміється спосіб електророзвідки, який відрізняється природою досліджуваного поля чи способом його створення, частотним чи часовим діапазоном вимірюваних полів, методикою і технікою виконання робіт, особливостями інтерпретації і вирішуваних задач. Модифікації – це різні варіанти методу електророзвідки, що відрізняються методикою вимірів поля, інколи апаратурою і місцем проведення робіт. Основні групи і методи електророзвідки в них наступні.:

1. Методи постійного струму, засновані на вивченні постійних, а також низькочастотних (до 20 Гц) змінних електричних полів, для яких справедлива теорія постійних полів. До них відносяться різні модифікації електричного профілювання (ЕП) в залежності від виду використовуваних установок: симетричні (СЕП), дипольні (ДЕП), комбіновані (КЕП), серединного градієнту (ЕП-СГ), а також електричного зондування такі як вертикальні (ВЕЗ) та дипольні зондування (ДЗ). Модифікаціями дипольних зондувань з різними установками є: осьові (ДОЗ), екваторіальні (ДЕЗ), азимутальні (ДАЗ), радіальні (ДРЗ) та інші. Методи електричного профілювання та зондування на постійному струмі ще називають методами опорів. До групи методів постійного струму можна також віднести такі методи підземної електророзвідки, як метод зарядженого тіла (МЗТ) чи просто заряду (МЗ), точкової та дипольної електричної кореляції (ЕК, ДЕК).

2. Методи поляризаційні (електрохімічні). До цієї групи відноситься метод природного поля (ПП) чи поляризації самочинної (ПС), який використовує природні електричні поля, що вимірюються не тільки на поверхні, але і у підземних виробках, свердловинах (модифікації ППП і ППС). До цієї групи методів відноситься також метод спричиненої поляризації (СП), заснований на вивченні штучного неусталеного поля електрохімічної природи. Модифікаціями СП є: електричні профілювання на постійному струмі (ЕП-СП) та змінному струмі з вимірами амплітудних і фазових частотних характеристик (СПЧ, СПФ), вертикальні електричні зондування (ВЕЗ-СП), свердловинні спостереження (СПС). Близькі за природою є контактний і безконтактний способи поляризаційних кривих (КСПК та БКСПК) та метод часткового вилучення металу (ЧВМ).

3. Методи електророзвідки на змінному струмі. До цієї групи відносяться методи електророзвідки, що засновані на вимірах змінних в часі електромагнітних полів. Вони поділяються на підгрупи.

а). Магнітотелуричні методи, які засновані на вимірах варіацій (змін в часі) природних електромагнітних полів космічного походження (магнітотелуричних полів). До них відносяться магнітотелуричні зондування (МТЗ) та профілювання (МТП), комбінованого магнітотелуричного профілювання (КМТП), методи телуричних струмів (МТС), магнітоваріаційного зондування та профілювання (МВЗ та МВП). б). Низькочастотні електромагнітні індуктивні методи з контрольованими джерелами, що базуються на вимірах полів контрольованих (штучних) джерел, або гармонійних (f<10 кГц), або неусталених, що виникають при імпульсному збудженні. В класі зондувань до них відносяться частотні електромагнітні зондування (ЧЕМЗ, або ЧЗ) та зондування становленням поля (ЗСП, або ЗС). В свою чергу метод ЗСП має свої модифікації такі, як зондування становленням поля в дальній і ближній зонах джерела (ЗСДЗ і ЗСБЗ, або ЗСД і ЗСБ). Модифікацію ЗСБЗ часто називають зондуванням методом перехідних процесів (ЗМПП). До класу профілювань відносяться методи, що використовують як гармонійні поля - метод довгого кабелю (ДК), незаземленої петлі (НП) та дипольного індуктивного профілювання (ДІП), так і неусталені поля - метод перехідних процесів (МПП). в). Високочастотні радіохвильові методи. До них відносяться методи, що використовують високочастотні гармонійні поля (10 кГц<f<300 мГц): радіохвильове профілювання чи радіокомпараційна зйомка на довгих (ДХ-РК) і наддовгих (НДХ-РК) хвилях, радіохвильове зондування (РХЗ) і метод радіохвильового просвічування (МРХП). В цю групу входить також імпульсний метод радіолокації (ІМР) чи радіолокаційне зондування (РЛЗ), що використовує імпульсне поле.