Электроразведка

Г.А. Лобова
Дисциплина
«Полевая геофизика».
ЭЛЕКТРОРАЗВЕДКА
• Электроразведка
основана
на
изучении
естественных и искусственных электрических и
электромагнитных полей.
Объект исследования
1
3
2
4
Объект изучения – геоэлектрический разрез
ρ –У.Э.С. горной породы
ε - электрическая проницаемость среды
μ- магнитная проницаемость среды
η- поляризуемость
1
2
4
геологический разрез
3
Классификация методов электроразведки
1)
2)
3)
4)
По характеру
используемых полей
Методы искусственных полей
По типу решаемых
геологических задач
Зондирование
По характеру используемого
пространства
(по месту проведения)
группы методов:
По области
применения
электроразведка:
Методы естественных полей
Профилирование
•
•
•
•
космические
аэрометоды
наземные (полевые)
подземные (скважинные ,
шахтные)
• морские
структурная
нефтяная
рудная
инженерно-геологическая
Магнитовариационное зондирование
(МВЗ)
Магнитовариационная разведка
Метод теллурических токов (МТТ)
Метод
Метод сопротивлений
Частот- Метод
(основан на измерении поляриза
ный
становле
ционный
ρк)
метод ния поля
Метод теллурического профилирования
(МТП)
Переменное
электромагнитное
поле
Метод теллурического зондирования
(МТЗ)
Искусственное электромагнитное поле
Метод естественного поля
(ЕП)
или поля самопроизвольной
поляризации
(ПС)
Метод становления поля
(МСП)
Постоянное
электрическое поле
Частотное зондирование
(ЧЗ)
Метод вызванных потенциалов (ВП)
(МЗТ)
Метод заряженного тела
Электрическое профилирование (ЭП)
Дипольное электрическое зондирование
(ДЭЗ)
Вертикальное электрическое
зондирование (ВЭЗ)
Классификация основных электроразведочных методов по типу используемого поля
Естественное электромагнитное
поле
Постоянное
электрическое
поле
Переменное
электромагнитное поле
Метод
поляризацион
ный
(электрохимический)
Магнитотеллурические
токи
Источники
естественного электромагнитного поля Земли
• 1. Внешние (электрические процессы в
ионосфере и магнитосфере)
ионосфера
• Атмосферное
электричество
или
электростатическое
поле
Земли
представляется
в
виде
гигантского
конденсатора, проводящими обкладками
которого являются земная поверхность и
слой ионосферы.
• При
этом,
ионосфера
имеет
положительный заряд, а литосфера
совместно
с
гидросферой
–
отрицательный.
• Разность потенциалов между ионосферой и
поверхностью Земли составляет 300 кВ.
В
атмосферном
электричестве
движение
положительных зарядов вниз и встречное движение
отрицательных зарядов вверх приводит к возникновению
тока проводимости (I = 2,9*10-20 А/м2).
У поверхности Земли разность потенциалов
ΔU = 100 В/м, а во время гроз 40 000 В/м.
В нормальных условиях соотношение ионов
(аэроионов) положительных и отрицательных знаков
составляет 1,14, т.е. q = n+/n- = 1,14.
При этом, в этих нормальных условиях n = (n+)+(n-)
= 1000–1400, а в экологически осложненных районах
n = 1100–3500 в 1 см.
Электростатическое поле Земли больше
в средних широтах и убывает к полюсу по
закону, близкому к экспоненциальному.
Как и в магнитном и гравитационном
полях, в поле атмосферного электричества
имеют место синхронные суточные и годовые
вариации поля.
Основными
генераторами
атмосферного
электричества являются облака и осадки.
Как правило, облака заряжены положительно в
верхней части и отрицательно в нижней, притом что на
кромке существует двойной электрический слой и в
сторону лито- и гидросферы «направлен» слой
положительных зарядов.
Глобальная электрическая цепь заряжается грозами.
Электрическое поле Земли «уравновешивается»
процессами в зонах «хорошей» и «плохой» погоды.
Генераторы 2-го порядка – извержения вулканов и
пылевые бури, снежные метели, промышленные
выбросы.
Схема глобальной электрической цепи,
заряжаемой грозами
Электромагнитное поле грозовых разрядов - поле
сложного
взаимодействия
метеорологических
и
электрических процессов, приводящих к грозовым
разрядам (молниям).
Количество молний за 1 сек на земном шаре более
100.
Молния – это мощный электрический диполь.
Сигналы, улавливаемые на расстоянии, называются
атмосфериками и состоят из серии высокочастотных
колебаний с преимущественной частотой в диапазоне
0,5–1 кГц и 6-8 кГц.
ПРИРОДА ЕСТЕСТВЕННЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ
ТОКОВ.
Грозовой разряд (атмосферики).
Магнитотеллурическое
поле
.
Сигналы КПК (короткопериодные колебания) имеют период
Т = 1-100 сек и более. Их можно наблюдать во времени в виде
иррегулярных колебаний параметров поля
и
.
Отношение Ех к Ну имеют название импеданса Z и зависит от
удельного электрического сопротивления слоев горных пород, то
есть
• Напряженность поля электротеллурических
токов:
•
Е=ΔU/l,
• где ΔU – разность потенциалов между
электродами
измерительной
линии,
имеющей длину l.
• Вектор Е непрерывно меняется с течением
времени таким образом, что его конец описывает
периодические кривые на земной поверхности,
которые с известной степенью приближения
имеют форму эллипса, а иногда окружности.
• Одна из основных причин возникновения региональных
теллурических
токов
состоит
в
изменении
электрического состояния ионосферы под воздействием
солнечного ультрафиолетового и корпускулярного
солнечного излучений.
• Особенно
мощные
всплески
интенсивности
ультрафиолетового и корпускулярного солнечного
излучений возникают при появлении на поверхности
Солнца так называемых хромосферных вспышек, которые
указывают на бурные термоядерные процессы в его
недрах, а на Земле вызывают электромагнитные бури.
Локальные электрические поля.
• К ним относятся естественные постоянные электрические поля
электрохимической и электрокинетической природы.
• Основной причиной возникновения в земной коре локальных
полей электрохимической природы являются контакты горных
пород, различающиеся химическими свойствами, и особенно
химическим составом.
• Так, контакт двух пород при различных агрегатных (лед – вода,
мерзлая порода – талая порода), аллотропических (графит –
каменный уголь) и метаморфических (известняк– мрамор)
состояниях, а также при неодинаковых плотностях пород может
быть причиной появления локального поля.
ПРИРОДА ЕСТЕСТВЕННЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ТОКОВ.
Северное сияние (Теллурики)
Полярное сияние в Карелии.
2. Внутренние (физико-химические
процессы в земной коре)
• Помимо
перечисленных
естественных
переменных
электромагнитных полей, в верхней части литосферы возникают
естественные постоянные электрические поля вследствие
электрохимических и электрофизических процессов в результате
которых на границах разделов геологических (природных) сред
возникают двойные электрические слои.
• - фильтрация,
• - диффузия,
-окислительно-восстановительные процессы
ПРИРОДА ЕСТЕСТВЕННЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ
ТОКОВ.
1) ФИЛЬТРАЦИОННЫЙ ПОТЕНЦИАЛ
• Поля
фильтрационной
активности
обусловлены
движением
подземных
вод
(возникают потенциалы течения).
Эти поля наиболее интенсивно
проявляются по зонам разломов, на
склонах гор и оврагов, на берегах и
в руслах рек.
Зона разлома
ПРИРОДА ЕСТЕСТВЕННЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ТОКОВ.
2) ДИФФУЗИОННО-АДСОРБЦИОННЫЙ ПОТЕНЦИАЛ
• Поля диффузионные образуются над
контактом двух природных растворов с
различной минерализацией, например,
соленых и пресных подземных вод.
Процесс связи с диффузией ионов из
раствора с большей концентрацией
перемещаются в раствор с меньшей
концентрацией.
Знак диффузионного потенциала
зависит от соотношения чисел переноса
катионов и анионов. В случае раствора
NaCl справедлива формула:
2
Eg   11, 6 l g
1
где ρ1,ρ2 - УЭС контактируемых растворов
ПРИРОДА ЕСТЕСТВЕННЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ТОКОВ.
3) окислительно-восстановительные процессы
• Поля электрохимической активности возникают при контакте
металлических руд или металлизированных технических объектов с
вмещающими породами при активном воздействии природных вод.
Схема образования
естественного
поля сульфидной залежи
Удельное электрическое
сопротивление (У.Э.С.) горных пород
• Известно, что
l
R
S
где
• ρ – удельное электрическое сопротивление
каналов, по которым течет ток
• R – электрическое сопротивление проводника
• l – длина каналов
• S – сечение каналов
• Чем > ρ и l, тем > R
23
• Чем > S, тем < R
У.Э.С. горных пород
Факторы, определяющие У.Э.С. осадочных
горных пород
• 1)
породообразующие
минералы
(минеральный скелет)+ примеси рудных
минералов
• 2) поровое пространство (пустоты)
• 3) пластовые флюиды, заполняющие
поры (пластовая вода, нефть, газ)
24
У.Э.С. горных пород
Влияние У.Э.С. породообразующих минералов
Кальцит - ρ =109- 1014 (Ом·м)
Кварц
- ρ = 1012- 1016 (Ом·м)
диэлектрики
Слагают до 90-95% объема осадочных горных пород,
однако имеют вклад в общее У.Э.С. только 5-10%
25
У.Э.С. горных пород
Влияние примеси рудных минералов
• Пирит
- ρ = 10-5- 10 (Ом·м)
проводники
-5
-2
• Магнетит - ρ = 10 - 10 (Ом·м)
• Содержание в осадочных горных породах не >5%
• Эти минералы характеризуют восстановительную
обстановку (вероятная природа низкоомных
нефтеносных коллекторов!!)
26
У.Э.С. горных пород
• Глины – У.Э.С. от 0,5 до 5 (Ом·м)
• Песчаники –У.Э.С. от 5 до 50÷60 (Ом·м)
• Угли – У.Э.С. составляет первые сотни Ом·м
27
У.Э.С. горных пород
Влияние порового пространства
а), б),в) – гранулярная пористость
(преимущественно первичная ,
гидрофильная)
г), д), е) – трещинная,
кавернозная пористость
(преимущественно вторичная,
гидрофобная)
а) – минимальное У.Э.С. (при
постоянном kп и
У.Э.С.флюида),
е) – максимальное У.Э.С.
скелет (зерна) породы
поровое пространство
28
ρв (Ом·м)
У.Э.С. горных пород
Влияние пластовых
флюидов
У.Э.С. пластовой воды зависит:
а) от концентрации солей
С с 10 до 20 кг/см3 при T=0(const)
ρв изменяется от 1 до 0,5 Омм
б) от температуры флюида
T изменяется от 0°С до 180 °С
При С=5(const)
ρв изменяется от 0,2 до 2 Омм
1- концентрация раствора
2- плотность раствора при 20 0С
Шифр кривых – температура в 0С
(в нефтяном пласте Т =50÷200 °С )
в) от состава флюида
С, кг/м3У У.Э.С. нефти 109 ÷ 1016 Омм
газа 1012 ÷ 1014 Омм
У.Э.С. будет зависеть от количества
связанной пластовой воды.
Удельное электрическое сопротивление и
удельная проводимость некоторых горных пород.
Простая электроразведочная установка для
обнаружения естественного электрического
поля
микровольтметр
неполяризующиеся
электроды
Карта распределения
естественных
электрических
потенциалов.
ТОЧЕЧНЫЙ ИСТОЧНИК ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА
M
j
• Поле точечного
источника
постоянного тока,
расположенного на
поверхности
однородной
проводящей Земли
I
2 r 2
r-радиус полусферы
I 
E   j 
2 r 2
U
Так как Er 
r
ρ-сопротивление однородной Земли
производная потенциала поля по направлению r, то
UM
I 

2 r
Линии электрического поля и эквипотенциальные поверхности вокруг
единичного электрода.
а
–
полусферическая
эквипотенциальная
поверхность,
b – радиально выходящие линии поля вокруг источника,
с – радиально входящие линии поля вокруг приёмника.
ПОЛЕ ДВУХ ПИТАЮЩИХ ЭЛЕКТРОДОВ
• Поле двух разнополярных
точечных электродов,
расположенных на
поверхности однородной
проводящей Земли
• Пунктиром изображены
эквипотенциальные
поверхности
U(M)=UA(M)+ UB(M)
j( Z )
j(0)

1
  Z
1   2  
  L 
2 3/2



I  1 1
(  )
или U ( M ) 
2 r1 r2
где Z- глубина, м
L- расстояние между питающими электродами
РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ПЛОТНОСТИ ТОКА ПО ГЛУБИНЕ
• Графики зависимости
относительной плотности
тока от глубины z,м
• Шифр кривых –L (AB), м
МЕТОД ПОСТОЯННОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА.
ЧЕТЫРЕХЭЛЕКТРОДНАЯ УСТАНОВКА ВЭЗ
A
ρ
M
N
rAM
B
rMB
rNB
rAN
A,B- питающие электроды; M, N- измерительные электроды
U  U M  U N 
I   1
1
1
1 





2  AM MB AN NB 
При условии AM=BN, AN=MB
U 
I    MN 
  AM  AN 
U
K
I
 AM  AN 
K  

MN


U
K  K
I
j
геометрический коэффициент установки
где j- плотность тока в области
измерительных электродов
Если I поддерживать постоянным, то замеры U
будут выполняться в масштабе
т.е. U ~
ρК
ρК,
Специальные электродные
конфигурации.
МЕТОД
СОПРОТИВЛЕНИЙ
План расположения питающих (А и В) и приемных ( М и N) электродов в
разных установках метода сопротивлений:
а - четырехэлектродной, б - срединного градиента, в - симметричной
четырехэлектродной, г - трехэлектродной, д - двухэлектродной, е - дипольной
радиальной, ж - дипольной азимутальной.
ЭЛЕКТРОПРОФИЛИРОВАНИЕ НАД АНТИКЛИНАЛЬНОЙ СКЛАДКОЙ.
График кажущегося удельного электрического сопротивления (ρk ), полученный по
результатам электрического профилирования над двухслойным разрезом (ρ1< ρ2 )
ρ2> ρ1 ρk ~U ~ j
ЭЛЕКТРОПРОФИЛИРОВАНИЕ НАД ВЕРТИКАЛЬНЫМ КОНТАКТОМ
График электропрофилирования
установкой AMNB
над контактом под
перекрывающим слоем пород
ЭЛЕКТРОПРОФИЛИРОВАНИЕ НАД СИНКЛИНАЛЬНЫМ ПРОГИБОМ И
РУДНЫМ ТЕЛОМ
• Графики
электропрофилирования
симметричной
установкой с двумя
разносами над наносами
(а) и рудной залежью (б).
• 1- наносы
• 2- эффузивы
• 3- рудная залежь
МОДЕЛИ ГОРИЗОНТАЛЬНО-СЛОИСТОГО РАЗРЕЗА
ВЕРТИКАЛЬНОЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ЗОНДИРОВАНИЕ. ДВУХСЛОЙНЫЙ РАЗРЕЗ
3-Х СЛОЙНЫЕ КРИВЫЕ
ВЭЗ
ПОЛЕВАЯ 3-Х СЛОЙНАЯ КРИВАЯ ВЭЗ
(ρ1>ρ2<ρ3)
Типичные трехслойные кривые ВЭЗ:
а - графики КС,
б - геоэлектрические разрезы;
1 и 2 - литологические и гидрогеологические границы;
3 и 4 - известняки массивные и трещиноватые;
5 - пески; 6 - глины; 7 - граниты
Пятислойная кривая ВЭЗ-ДЭЗ
типа
Номограмма-палетка для
интерпретации кривых ВЭЗ,
ДЭЗ, ДАЗ
ВЕРТИКАЛЬНОЕ ЗОНДИРОВАНИЕ РЫХЛЫХ ОТЛОЖЕНИЙ
• Разрез кажущегося
сопротивления (в Ом·м)
в области увеличенной
мощности рыхлых
отложений
ДВУХСЛОЙНАЯ ПАЛЕТКА ВЭЗ
МЕТОДЫ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ЗОНДИРОВАНИЙ
Способы создания
электромагнитного поля
а) гальванический
б) индуктивный
в) магнитных диполей
ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ЗОНДИРОВАНИЕ С ПОМОЩЬЮ МГД-ГЕНЕРАТОРА
• Схема устройства
МГД-генератора
• 1- генератор плазмы
• 2- МГД-канал
• 3- бессердечниковые
соленоиды
• 4- токосъемные
электроды
МЕТОД ЕСТЕСТВЕННОГО ПОЛЯ
График потенциала естественного поля
и разрез кажущихся сопротивлений над
медноколчедановым месторождением
1- контур медноколчедановой залежи в
разрезе
2- точки ВЭЗ
3- график потенциала
4- изолинии ρк (в Ом·м)
Геоэлектрический разрез, построенный по данным
одномерной интерпретации данных МТЗ.
АППАРАТУРА
Портативная
цифровая
одноканальная
электроразведочная
аппаратура ЭРП-1
Для технического обеспечения импульсной электроразведки (методов
сопротивления, ВП и МПП) разработана электроразведочная аппаратура АИЭ-2.
Она представляет собой комплекс взаимосвязанных технико-методических и
программных средств: техника измерений, методика полевых работ,
программное обеспечение обработки и интерпретации собранных данных.
Измеритель ЦЭИ -7
• Цифровой
электроразведочный
измеритель ЦЭИ-7
предназначен для измерения
ЭДС переходного процесса
электрической и магнитной
составляющих поля.
Встроенный синхронизатор
обеспечивает возможность
проведения работ в
разнесенном варианте.
• Аппаратура «Цикл ВПС2» предназначена для
проведения геофизических
работ методом
вызванной поляризации и
методом сопротивлений.
Аппаратура состоит из
генератора тока,
измерителя и
портативного
компьютера (PDA или
ноутбук).
Генератор тока ГТЭ -45М
Зондирование становлением поля в ближней зоне
• ЗСБ – наиболее широко признанная и развитая технология
индуктивной импульсной электроразведки (как в России, так и за
рубежом), в которой наши специалисты имеют разносторонний и
глубокий опыт.
• Технология ЗСБ привлекла специалистов благодаря двум
особенностям:
• во-первых, размеры установки зондирования могут быть в
несколько раз меньше глубины исследования георазреза;
• во–вторых, результаты измерений обладают повышенной
чувствительностью к изменению параметров георазреза.
• Разработка аппаратуры, методика возбуждения и измерения поля,
борьба с помехами и различными искажениями, матобеспечение,
обработка и интерпретация данных и т.д. комплекса ЗСБ в России
находится на мировом уровне.
Общие черты полевой технологии
В процессе зондирования используется установка,
состоящая из незаземленных генераторной и приемной
петель, расположенных на поверхности земли, размеры
которых определяются требуемой глубиной исследования.
Петли, в виде квадратов, располагаются, как правило,
симметрично одна в другой (установка «петля в петле»).
Процесс возбуждения поля в исследуемой среде
вызывается включением - выключением тока в
генераторной петле. Это поле вызывает в приемной петле
ЭДС, которую называют «переходной характеристикой
среды» или «сигналом становления поля». В результатах
измерений этой ЭДС содержатся сведения об исследуемой
среде, характеристики которой затем определяются в
процессе интерпретации.
Электроразведочные работы методами
переходных процессов (ЗСБ, ЗМПП).
• Компактный приемный
индукционный датчик,
представляющий собой
многовитковую приемную
рамку небольших размеров со
встроенным малошумящим
предусилителем.
• Выпускается линейка таких
датчиков для всех видов работ
МПП и ЗСБ.
(Швеция)