Радіохвильові методи електророзвідки

Електромагнітні поля радіохвильових частот (десяті долі – перші сотні мегагерц) володіють деякими особливостями, що відрізняють ці поля від електромагнітних полів інфранизьких і звукових частот. До таких особливостей слід віднести істотний вплив на характер поля струмів зсуву і відповідно діелектричній проникності середовища. В області радіохвильових частот збільшується поглинання електромагнітного поля провідним середовищем .У тому випадку, коли довжина хвилі істотно менше відстані від джерела до точок, в яких вимірюється поле, а також менше лінійних розмірів геологічних об'єктів, що вивчаються, можна з відомим ступенем наближення застосувати до змінного електромагнітного поля закони геометричної оптики і побудувати методику електророзвідувальних досліджень на таких ефектах, як віддзеркалення, заломлення, поляризація електромагнітних хвиль у поверхонь розділів середовищ з різними електричними властивостями, утворення тіньових ефектів унаслідок поглинання електромагнітної енергії.

Відомо багато модифікацій радіохвильових методів. З них в даний час виробниче застосування знаходять різні способи радіохвильового просвічування і радіохвильової профілізації.

Фізичною основою радіохвильового просвічування є пряма залежність між інтенсивністю поглинання радіохвиль і провідністю середовища, в якому ці хвилі розповсюджуються.

Припустимо, що в одному з гірських вирібок розташований радіопередавач, випромінюючий електромагнітні хвилі, а в сусідній переміщається приймач, за допомогою якого вимірюється напруженість електромагнітного поля (мал. 1, а). Інтенсивність поля в різних точках цієї вирібки при постійному режимі роботи передавача залежить від відстані між передавачем і точкою вимірювання, а також від електричних властивостей середовища, через яке розповсюджується електромагнітна хвиля. Якщо між передавачем і приймачем розташовується, як це показано на малюнку, добре провідний рудний поклад, то в точках вимірювання, розташованих за рудним тілом по відношенню до генератора, спостерігатиметься ослаблення електромагнітного поля – електромагнітна тінь. На явище поглинання накладається явище рефракції електромагнітних хвиль у країв покладу, що приводить до зміни пеленга (напрями приходу хвилі в точку спостереження) в краєвих частинах тіньової зони. На дослідженні цих явищ засновані засоби пошуків або розвідки добре провідних геологічних утворень в просторі між гірськими вирібками.

Мал. 1. Радіохвильове просвічування.

а – між виробленнями; 6 – між свердловинами; Г₁, Г₂ – передавач; П – приймач; 1, 2 – положення зони електромагнітної тіні.

На мал. 1, б ілюструється суть варіанту свердловини радіохвильового просвічування. Тут передавач і приймач розміщені в сусідніх свердловинах і об'єктом дослідження є об'єм порід, який знаходиться між цими свердловинами.

Комплект апаратури для радіохвильового просвічування включає передавальні і приймальні пристрої, а також допоміжне устаткування (лебідка, блок-баланс, кабель і ін.).

У пристрої, що передає, як джерело поля використовують електричні або магнітні диполі (електричні або магнітні антени), що живляться змінним струмом з частотою від десятих доль до перших десятків мегагерц.

У приймальних пристроях як датчики електричного поля застосовують відкриту дипольну антену, а як датчики магнітного поля – екрановану приймальну рамку.

В даний час серійно випускаються комплекти апаратури для просвічування між свердловинами – СРП-6 і АРП-1, а також для просвічування між гірськими вирібками– АРШ-1.

Пристрої, що передають і приймальні, в комплекті апаратури СРП-6 опускають в свердловину на трижильному каротажному кабелі. На поверхні землі розміщують лише блоки живлення, управління і реєстрації вимірюваного сигналу. Недоліком такої компоновки апаратури є вплив на результати вимірювань кабелів, що сполучають блоки свердловин і наземних апаратури. Для передавача цей вплив полягає в тому, що антена, що передає, наводить в кабелі струм, який у свою чергу створює вторинне електромагнітне поле, що інтерферує з полем антени і затушовує тіньові ефекти. У приймальному пристрої сполучний кабель грає роль додаткової антени, що також ускладнює результати вимірювань.

Для зменшення антенного ефекту кабелю останній розрізають на шматки, між якими включають фільтри-пробки, налаштовані на частоту випромінюваного поля. Це дозволяє істотно (проте не повністю) зменшити антенний ефект.

Комплект апаратури СРП-6 забезпечує можливість роботи на одній з п'яти фіксованих частот: 0,5; 1,0; 2,5; 5,0 і 10 Мгц. Перехід з однієї частоти на іншу вимагає зміни контурів, кварцових резонаторів і антен як в приймальні, так і в тій, що передає установках. Джерелом поля в цьому комплекті служить електрична антена.

У апаратурі АРП-1 передавач разом з джерелом живлення опускають в свердловину на капроновому канаті, що, природно, виключає антенний ефект кабелю.

Всю вимірювальну апаратуру в приймальній частині, включаючи приймач, розташовують у гирла свердловини, а в неї опускають на радіочастотному екранованому кабелі лише приймальну антену.

Апаратура АРП-1 має в своєму складі п'ять змінних свердловинних передавачів, що працюють на частотах 0,625; 1,25; 2,5; 5,0 і 10 Мгц. Приймальна і передавальна антени – електричні, змінні для різних частот.

Апаратура АРШ-1 конструктивно пристосована для роботи в гірських вирібках. У тій, що її передає в приймальній частині застосовані рамкові магнітні антени.

Методика радіохвильового просвічування дещо розрізняється для гірських вирібок і свердловин.

У гірських вирібках зазвичай вимірюють максимальну амплітуду горизонтальної складової магнітного поля і пеленг – напрям площині витків приймальної рамки в положенні, при якому горизонтальна складова поля максимальна. Пеленг визначає напрям приходу електромагнітної хвилі в точку спостереження.

Зазвичай при фіксованому положенні передавача в одному з вирібок вимірюють поле уздовж однієї або декількох сусідніх вирібок. Відстань між точками спостережень коливається залежно від необхідної детальної досліджень від 1 до 10 м. Спостереження уподовж даної вирібки, якщо це дозволяє просторове положення і довжина вирібок, повторюють при різному положенні передавача. На мал. 1 видно, як такі повторні вимірювання дають можливість уточнити розміри і положення провідного об'єкту, що створює електромагнітну тінь.

У найцікавіших ділянках і особливо в аномальних зонах рекомендується крім вимірювань на основній частоті повторити зйомку на підвищеній частоті (якщо дальність просвічування при цьому залишається чималою).

Важливою і не до кінця розв'язаною проблемою є придушення перешкод, пов'язаних з наявністю в гірських вирібках штучних провідників, – троллейних проводів, рейкових шляхів, вентиляційних труб, кабелів і ін. Антенний ефект від цих провідників може істотно позначитися на інтенсивності вимірюваного поля. Для зменшення впливу провідників, наявних в гірських вирібках, ці провідники заземляють за допомогою конденсаторів великої місткості. Число таких заземлень, що розташовуються зазвичай по обидві сторони від передавача, може досягати десяти. Проте не завжди ці заземлення дозволяють повністю звільнитися від впливу металу в гірських вирібках.

Мал. 2. Два способи міжсвердловинного просвічування.

а – кроковий; б – паралельного переміщення; Г, – Га – передавач; П, – П3 – приймачі.

При просвічуванні в свердловинах застосовують дві системи спостережень: спосіб паралельного переміщення передавача і приймача уздовж свердловин, між якими проводиться просвічування (мал. 2, б), і кроковий спосіб, характерний тим, що вимірювання поля на окремих інтервалах свердловини проводиться при нерухомому передавачі (мал. 2, а). Другий спосіб забезпечує детальніше дослідження міжсвердловинного простору.

Необхідний етап робіт по радіохвильовому просвічуванню – визначення коефіцієнта поглинання радіохвиль в рудовміщуючих породах. Для цього на ділянках гірських вирібок, що проходять в порівняно однорідних рудовмещюючих породах, вивчають залежність напруженості поля від відстані між передавачем і приймачем. Напруженість електричного поля у точці, що знаходиться на відстані Е від генератора, рівна:

(1)

тут K – коефіцієнт, залежний тільки від взаємної орієнтації генераторного і вимірювального диполів; Е₀ – множник, що має розмірність напруги і залежний від потужності джерела поля; b – коефіцієнт поглинання.

Прологарифмувавши попередній вираз, отримаємо:

bR=-ln ER+ln E₀+ ln K

Таким чином, графік залежності ER від R, побудований в напівлогарифмічному масштабі, є прямою з кутовим коефіцієнтом, рівним коефіцієнту поглинання b.

На мал. 3 зображена палетка для визначення b, побудована відповідно до виразу (1). Ця ж палетка придатна для визначення b при вимірюваннях магнітного поля. В цьому випадку використовується експериментально отримана при вимірюваннях в гірських виробленнях залежність вироблення HR від відстані R.

Мал. 3. Палетка для визначення коефіцієнта поглинання .

Експериментально встановлено, що гірські вирібки, позбавлені провідників, у тому випадку, коли лінійні розміри поперечного перетину вирібки менше довжини хвилі, практично не позначаються на результатах визначення коефіцієнта описаним вище способом.

Результати спостережень при шахтному і свердловині просвічуванні зображають або у вигляді графіків напруженості поля уздовж вирібках або свердловини (мал. 4, а), або у вигляді так званих променевих діаграм (мал. 4, б). На цих діаграмах на кожному промені, що сполучає точку спостережень і генератор, виписують величину коефіцієнта екранування Е, рівного відношенню напруженості нормального поля Е_H доспоспереженого його значенню Е:

Е = Е_H/Е.

Мал. 4. Способи виділення тіньової зони.

а – спосіб порівняння; б – променевий спосіб; 1 – спостережина крива; г – теоретична крива; параметр прямих – коефіцієнт екранування Е.

тут θ₁ - кут між віссю генераторного диполя і радіусом-вектором r, проведеним з центру цього диполя в точку спостереження; α – кут між віссю приймального диполя і площиною, що містить генераторний диполь і радіус-вектор; θ₂– кут між проекцією вимірювального диполя на вказану вище площину і радіусом-вектором р.

Мал. 5. До розрахунку коефіцієнта екранування.

ГД – генераторний диполь; ПД – приймальний диполь.

Таким чином

При цьому передбачається, що коефіцієнт b для рудовміщуючих порід визначений описаним вище способом.

Інтерпретація результатів радіохвильового просвічування грунтується на припущенні про те, що в хвильовій зоні передавача за умови порівняльної малої довжини хвилі закони, що визначають характер спостережуваного поля, близькі до законів геометричної оптики. Це припущення підтверджене простими теоретичними розрахунками, а також фізичним моделюванням, виконаним для середовищ з реальним співвідношенням між довжиною хвилі, відстанню між джерелом поля, об'єктом, що створює аномалію, і точками спостереження .

Недостатня розробленість теоретичних основ радіохвильового просвічування і складні геоелектричні умови, характерні для тих, що вивчаються цим методом розрізів, є причиною того, що результати інтерпретації зазвичай носять якісний характер.

Інтерпретацію результатів просвічування починають з виділення ділянок гірських вирібок або свердловин, в межах яких спостерігається ослаблення поля радіопередавача, – зон електромагнітної тіні. Це завдання зазвичай ускладнюється тим, що спостережуване поле залежить не тільки від поглинання електромагнітної хвилі провідним середовищем, але і від взаємного розташування генератора і приймача. Для того, щоб врахувати вплив геометричних параметрів установки на спостережуване поле, графіки спостережених значень поля порівнюють з графіками нормального поля, визначають нормальні поля електричного і магнітного диполів. При розрахунках використовують коефіцієнт b, отриманий в процесі досвідчених робіт. Порівнювані графіки будують в напівлогарифмічному масштабі, що позбавляє від необхідності знати величину Е₀ або Н₀.

На мал. 4 приведений приклад такого порівняння.

Якщо результати спостережень зображені у вигляді променевих діаграм, тіньові зони виділяють по променях з аномально великим коефіцієнтом екранування Е (мал. 4, б).

Питання про те, який коефіцієнт екранування вважати аномальним, вирішується для кожного району робіт окремо, залежно від питомого опору руди і рудовмещающих порід. У деяких районах з низькоомними рудовміщюючими породами за наявності в останніх розсіяних сульфідів або графіту межі тіньової зони визначають по променях із значенням коефіцієнта екранування, рівним декільком десяткам. У інших же районах з високоомними вміщуючими породами коефіцієнт Е, що перевищує перші одиниці, є аномальним.

У тому випадку, коли просвічування проводилося з декількох стоянок генератора, межі рудної зони визначають способом зарубок, по променях, що обмежують зону тіні. Суть цього прийому ілюструється мал. 1.

Іноді зіставлення променевих діаграм або графіків напруженості поля, отриманих на різних частотах, дозволяє уточнити положення тіньової зони. Звичайне зменшення довжини хвилі приводить до підвищення чіткості межі тіньової зони. Проте дальність просвічування при цьому зменшується.

Можливість застосування радіохвильового просвічування для вивчення простору між гірськими вирібками і свердловинами визначається головним чином контрастністю в значеннях питомих опорів рудовміщюючих порід і руд, а також абсолютними величинами цих параметрів.

Від абсолютного значення питомого опору рудовміщюючих порід залежить (при даній технічній характеристиці вживаної апаратури) дальність просвічування, а від питомого опору руді – інтенсивність екрануючого впливу рудного покладу. Контрастність в значеннях питомого опору визначає чіткість межі між нормальною і тіньовою зонами в спостережуваному електромагнітному полі.

Найбільш сприятливий об'єкт застосування радіохвильового просвічування – це родовища суцільних сульфідних руд, що залягають у высокоомных вивержених, метаморфічних і карбонатних породах. У деяких особливо сприятливих випадках дальність просвічування на таких родовищах досягає декількох сотень метрів при високій точності визначення меж рудних об'єктів, що створюють тіньові ефекти.

На родовищах, що залягають в порівняно добре провідних осадових і метаморфічних породах, дальність просвічування зазвичай не перевищує 100-200 м. В деяких випадках для збільшення дальності просвічування доводиться зменшувати частоту поля до перших десятих доль мегагерца, що небажано з погляду використання при інтерпретації законів геометричної оптики.

Родовища вкраплених руд загалом унаслідок їх порівняно високого опору є складним об'єктом для радіохвильового просвічування. Позитивні результати на родовищах цього типу можна чекати лише за умови однорідності і високого опору рудовміщюючих порід.