II. 31.32?-38? Фізична сутність перехідних процесів

Радіохвильове поле Землі. Поряд з полями локальних джерел в електророзвідці використовують електромагнітне поле широкомовних, навігаційних і сигнальних радіостанцій у довгохвильовому (150-450 кГц) і наддовгохвильовому (10-30 кГц) діапазонах. Радіостанції випромінюють вертикально поляризовані хвилі. Завдяки відтоку енергії в землю фронт хвилі поблизу границі розділу “земля-повітря” дещо нахилений до горизонту, внаслідок чого виникає невелика горизонтальна (радіальна) складова електричного поля (рис. 3.8).

Рисунок 3.8 Радіохвильове поле Землі 1 – джерело радіохвиль; 2 – фронт хвилі

Таким чином, радіохвиля, що розповсюджується уздовж поверхні землі, характеризується складовими E_r, E_z, H_j, (r – напрямок на радіостанцію). Нахил фронту хвилі тим значніший, чим вищий імпеданс Z=E_r/H_j провідного напівпростору При дослідженнях можна вимірювати горизонтальні компоненти електромагнітного поля та елементи еліпса його поляризації. Величина модуля імпедансу на частотах наддовгохвильового діапазону дає змогу обчислювати ефективний (позірний) опір верхньої частини розрізу: ρ_П=(ωμ)^-1│E_r ∕H_φ│².

Неусталене електромагнітне поле. Неусталеним електромагнітним полем називають поле перехідних процесів, які виникають в землі при миттєвій (стрибкоподібній) чи імпульсній зміні струму в джерелі збудження. Фізична сутність перехідних процесів полягає в тому, що у провідних середовищах енергетичні зміни електромагнітних полів при їх переході із одного усталеного стану в інший миттєво відбуватися не можуть. Для таких енергетичних змін необхідний певний час.

В силу різкої зміни магнітної індукції при миттєвій зміні струму в джерелі збудження (так зване збудження по Хевісайду) у провідному середовищі утворюється вихрове змінне електромагнітне поле, структура і частотний спектр якого безперервно змінюються у часі і просторі. Імпульсне збудження так само, як і у випадку гармонійного електромагнітного поля, передається в точку спостереження двома шляхами – по повітрю (збудження першого роду) і по землі (збудження другого роду). При цьому, на ранній стадії перехідного процесу в частотному спектрі переважають високі гармоніки, внаслідок чого (завдяки скін-ефекту) вихрові струми концентруються біля поверхні провідного середовища у відносно локальній області. В цей період поле несе інформацію переважно про верхню частину розрізу. Поступово з часом високочастотна частина поля затухає, внаслідок поглинання енергії середовищем, і зростає роль низькочастотних гармонік. Останні мають здатність проникати глибше, а тому вони несуть інформацію про більш глибокі геоелектричні горизонти. В добре провідних зонах і об’єктах, наприклад в рудних тілах, при миттєвій зміні зовнішнього збуджувального магнітного поля також індукуються інтенсивні вихрові струми, які створюють аномальні магнітні поля.

В пізній стадії перехідного процесу локальні електричні струми практично повністю затухають, а неперервна взаємодія магнітних полів нижніх і верхніх горизонтів провідного напівпростору призводить до поступового вирівнювання поля з глибиною (збільшується його глибинна однорідність) і рівномірного розподілу струмів у просторі. В геоелектричних розрізах, основою яких є ізолятор, неусталене поле в пізній стадії перехідного процесу буде залежати від сумарної поздовжньої провідності S розрізу.

Тривалість перехідного процесу залежить від електричної провідності γ і магнітної проникності μ порід, а також від відстані r точки спостереження до джерела збудження. На малих відстанях і в породах з високим питомим опором поле установлюється досить швидко (за десяті і соті долі секунди і навіть швидше). З ростом γ,μ і r тривалість перехідного процесу зростає. На значних віддалях (в дальній зоні) цей процес може тривати від декількох секунд до десятків секунд, навіть 1 хвилини і більше (у високопровідних розрізах).

Отже можна відмітити, що вивчаючи становлення поля в часі можна виконувати електромагнітне зондування розрізу, визначати його сумарну поздовжню провідність, а також виявляти в ньому об’єкти з підвищеною чи зниженою провідністю.

39. Загальна хара-ка методу становлення поля в дальній зоні…

Метод зондування становленням поля (ЗСП).Метод ЗСП відноситься до категорії індукційних зондувань (як і методи МТЗ та ЧЕМЗ). Він заснований на реєстрації процесів становлення поля (перехідних процесів) індукційної природи, які виникають у провідному середовищі при миттєвій зміні (комутації) струму в живильному контурі джерела збудження. Для збудження і реєстрації перехідних процесів можуть застосовуватися установки тих типів, що і в методі частотних електромагнітних зондувань. Зондуючим параметром в ЗСП є час t, оскільки з його плином збільшується глибинність розповсюдження індукованого поля в провідному середовищі, а отже і глибинність досліджень.

В практиці електророзвідки методом становлення поля укорінилися дві основні його модифікації: метод становлення поля в дальній зоні (ЗСДЗ або ЗСД) та метод становлення поля в ближній зоні (ЗСБЗ або ЗСБ).

Зондування становленням поля в дальній зоні (ЗСДЗ). Ця модифікація ЗСП є спорідненою методу ЧЕМЗ. В ній використовуються ті ж самі установки, що і в методі частотних зондувань. Обов’язковою вимогою в цій модифікації електромагнітних зондувань є та, що реєстрація неусталених полів повинна виконуватися в дальній зоні джерела збудження (відстань r до точки реєстрації в 5–6 разів більша за проектовану глибину досліджень).

Збудження поля здійснюється шляхом подачі серії прямокутних імпульсів струму в заземлену лінію АВ чи незаземлену петлю. Тривалість як самих імпульсів струму, так і пауз між ними повинна бути достатньою для повного усталення поля. Інколи при збудженні застосовують режим різнополярних імпульсів, або режим подвоєння – інверсний режим, при якому струм не вимикається, а лише змінюється його полярність. Останній режим забезпечує підсилення інформативних сигналів у два рази. Багатоімпульсний режим збудження і реєстрації дозволяє виконувати накопичення інформативних сигналів (або апаратурне, або в процесі обробки даних) з метою боротьби із завадами.

Зареєстровані імпульси становлення поля DU(t) (як правило осереднені в процесі накопичення) трансформуються в криві зондування (криві ефективного опору r_t) за допомогою універсальної формули дальньої зони r_t=KDU(t)/I, де І – стрибок сили струму в живильному контурі; K – коефіцієнт установки. Опір, визначений за формулою дальньої зони, у випадку однорідного середовища буде рівний його дійсному опору, а у випадку неоднорідного напівпростору – позірному (ефективному).

Найбільш часто для виконання зондувань в дальній зоні застосовують установки “диполь-петля” (модифікація ЗСМ, в якій збудження перехідного процесу виконують заземленою лінією, а реєстрацію – індукційною незаземленою петлею) та “диполь-диполь” (модифікація ЗСЕ).

Рисунок 3.36 Тришарові криві становлення поля заземленого диполя в дальній зоні для r₂=1/4r₁, h₂=4h₁, r₃=¥:

а – вертикальне магнітне поле; б – екваторіальна компонента електричного поля

За результатами трансформації сигналів перехідних процесів на подвійних логарифмічних бланках будуються криві зондування становленням поля: вздовж горизонтальної вісі відкладають (сек^1/2), вздовж вертикальної - r_t(Ом×м). Криві ЗСДЗ представляють собою, фактично, зареєстрований сигнал, побудований в логарифмічному масштабі, але зі зміненою метрикою (замість вольт ми маємо Ом×м). Криві ефективного опору є основною вихідною інформацією для інтерпретації даних ЗСДЗ. Теоретичні (палеткові) криві ефективного опору також будуються на логарифмічних бланках: вздовж вертикальної вісі відкладаються значення відносного ефективного опору r_t/r₁, вздовж горизонтальної – безрозмірного часового параметра . На рис. 3.36 наведений приклад тришарових кривих ЗСМ і ЗСЕ типу Н, з якого видно чітке відображення структури геоелектричного розрізу в ранній (хвильовій) стадії перехідного процесу.

Хвильові криві зондувань становленням поля (криві для установок з нескінченно великим розносом r®¥) як і у методі ЧЕМЗ не залежать від типу установок, а визначаються лише структурою геоелектричного розрізу. Для розрізів з непровідною основою (r_n=¥) хвильова крива r_t має асимптоту S– пряму лінію, нахилену під кутом arctg2=63°25¢ до вісі абсцис (рис. 3.36). По цій асимптоті можна визначити сумарну провідність розрізу S до високоомного опорного горизонту за алгоритмом: .

Хвильова стадія кривої r_t підлягає як якісній, так і кількісній інтерпретації, аналогічно як в методах МТЗ та ЧЕМЗ. В процесі якісної інтерпретації при глибинних побудовах вертикальних розрізів і площових карт r_t ефективні глибини дослідження для кожного фіксованого часу t розраховують за формулою: [км], де a - емпіричний коефіцієнт, який бажано визначити за результатом параметричних зондувань. Часто a »1–1,5.

Кількісна інтерпретація кривих ЗСДЗ виконується палетковим способом. В останній час завдяки вдалим програмним розробкам, виконаним у Сибірському відділенні РАН, все частіше впроваджують комп’ютерну інтерпретацію в інтерактивному режимі.

Зондування ЗСДЗ застосовують при вирішенні наступних задач:

1) глибинних дослідженнях (до глибин 10 км);регіональному картуванні з метою вивчення загальних рис тектоніки осадочних басейнів і пошуків структур;

2) картуванні поверхні фундаменту і вивченні високоомних екрануючих горизонтів;

3) виділенні зон розвитку провідних теригенних комплексів в осадовому чохлі та літологічному розчленуванні осадових порід.

Метод ЗСДЗ зіграв суттєву роль в 60-х роках минулого сторіччя при регіональному вивченні території колишнього Радянського Союзу. Нині частіше застосовують метод зондування становленням поля в ближній зоні.