Узагальнені характеристики геоелектричного розрізу та макроанізотропія шаруватої товщі

Реальний геологічний розріз відображається в даних електромагнітних вимірів у вигляді деякої електричної моделі, що називається геоелектричним розрізом. Він являє собою вертикальний розріз гірських порід, які відрізняються між собою за електричними властивостями: питомим опором, діелектричною і магнітною проникностями та поляризовністю. У більшості випадків основним параметром слугує питомий опір. Приклади геоелектричних розрізів показані на рис. 3.1.

Пласти гірських порід відображаються на геоелектричному розрізі у вигляді електричних шарів, властивості яких на границях поділу змінюються стрибком, а за простяганням залишаються незмінними, або монотонно змінюються в певних незначних межах. Окремі електричні границі досить добре співпадають з літологічними чи стратиграфічними границями і слугують маркувальними горизонтами для узгодження геофізичних і геологічних даних. В загальному випадку електричні границі можуть не співпадати з літологічними і стратиграфічними. Це пояснюється значним впливом мінералізації підземних вод на питомий опір гірських порід. Часто комплекс порід різних за складом і віком характеризується однаковими електричними властивостями.

Рисунок 3.1 Приклад складного (а) та горизонтально-шарового (б) геоелектричних розрізів

Однією із фундаментальних моделей геоелектричного розрізу є горизонтально-шарова. Горизонтально-шарові або близькі до них геоелектричні розрізи складаються з окремих однорідних за електричними властивостями горизонтів обмеженої потужності, які завершуються останнім горизонтом нескінченної потужності. Цей горизонт називається основою геоелектричного розрізу. Потужні пласти відносно високого чи низького опору, що просліджуються на значній площі району робіт, називаються опорними.

Горизонтально-шарові геоелектричні розрізи прийнято типізувати. Тип розрізу залежить від кількості горизонтів та співвідношення їх питомих опорів.

Двошаровий розріз містить один шар з обмеженою потужністю h ₁ та питомим опором r ₁ і другий шар з необмеженою потужністю h ₂®¥ та питомим опором r ₂. За співвідношенням опорів може бути два варіанти розрізу: r ₁< r ₂ і r ₁> r ₂.

Тришаровий розріз містить три горизонти. Для нього за співвідношенням питомих опорів встановлені чотири типи: тип H - r ₁> r ₂< r ₃, тип K – r ₁< r ₂> r ₃, тип A – r ₁< r ₂< r ₃ і тип Q – r ₁> r ₂> r ₃.

Багатошарові розрізи – це розрізи з кількістю горизонтів більше трьох. Їх тип встановлюється на основі типізації тришарових розрізів. Для цього записуються типи послідовних погоризонтних порід багатошарового розрізу. Наприклад, чотиришаровий геоелектричний розріз із співвідношенням опорів r ₁< r ₂< r ₃< r ₄ відноситься до типу АA, адже обидві його послідовні погоризонтні тріади мають тип A: r ₁< r ₂< r ₃ і r ₂< r ₃< r ₄. П’ятишаровий розріз r ₁> r ₂< r ₃> r ₄< r ₅ слід віднести до типу HKH, оскільки r ₁> r ₂< r ₃ – тип H, r ₂< r ₃> r ₄ – тип K і r ₃> r ₄< r ₅ – тип H. Неважко запримітити, що індексних літер, якими записується тип багатошарового розрізу, на дві менше, ніж кількість горизонтів.

Довільний багатошаровий розріз із n горизонтів, які мають питомі опори r_i і обмежені потужності h_i (i =1,…, n), характеризується наступними узагальненими параметрами.

1. Сумарна (загальна) потужність: .

2. Сумарна поздовжня провідність: . Величина S вимірюється в сименсах (См=Ом^-1).

3. Сумарний поперечний опір: . Його величина вимірюється в омах, помножених на квадратний метр (Ом×м²).

4. Середній поздовжній опір: .

5. Середній поперечний опір: .

6. Коефіцієнт макроанізотропії: .

Надзвичайно важливе значення мають такі узагальнені характеристики розрізу як його сумарна поздовжня провідність S і середній поздовжній опір r_l. Значення S розрізу до поверхні опорного горизонту високого опору (наприклад, поверхні кристалічного фундаменту) досить тісно корелюється з глибиною Н до цієї поверхні. Отже, маючи значення S, які отримують за результатами польової наземної електрометрії, і значення r_l, які отримують із параметричних вимірів на свердловинах, можна просто визначити глибину до поверхні високоомного опорного горизонту на рядових точках польових спостережень: H = S × r_l.

Напівпростір, на поверхні якого виконуються виміри електромагнітних полів, як правило неоднорідний за електромагнітними властивостями. Виділяють одно- дво- та тривимірні його геоелектричні моделі. Одновимірна модель - це середовище, в якому електромагнітні властивості є функцією лише одної просторової координати. Прикладом такої моделі слугує горизонтально-шаровий геоелектричний розріз, властивості якого змінюються лише у вертикальному напрямку. Двовимірна модель – це середовище, властивості якого є функцією двох просторових координат. Прикладами такої моделі є досить витягнуті в горизонтальному напрямку структури типу “горсту”, “грабена”, скиду і т.ін. Тривимірна модель – це геоелектричний розріз, електромагнітні властивості якого є функцією усіх трьох просторових координат. Прикладом тривимірної моделі може слугувати геологічне середовище з наявними локальними близькими до ізометричної форми тілами (рудними високопровідними включеннями чи навпаки включеннями з досить високим питомим електричним опором). Безперечно, що чим простіша геоелектрична модель, тим простіше її вивчати методами електрометрії.

26.39. Постановка та загальний розв язок основної задачі електричного зондування.

Вертикальне електричне зондування (ВЕЗ). Вертикальне електричне зондування виконується симетричною чотириелектродною установкою AMNB, в якій MN £1/3 АВ. Ця модифікація методу опорів була запропонована французьким вченим К. Шлюмберже на початку 20-х років XX-го сторіччя. Вона і тепер залишається однією із найпоширеніших в електрометричній практиці при вирішенні геолого-зйомочних, геолого-пошукових, інженерно-геологічних, гідрогеологічних та екологічних задач.

Методика робіт. Техніка виконання зондувань досить проста. На поверхні землі збирається установка, яка складається із двох живильних електродів А і В та двох вимірювальних (приймальних) електродів M і N, що розташовані симетрично відносно центра (рис. 3.11). Через електроди А і В від батарей чи генератора пропускають в землю електричний струм, який спричинює появу різниці потенціалів на приймальних електродах MN. Виконавши за допомогою вимірювального приладу виміри струму I і різниці потенціалів D U, розраховують позірний опір r_П за раніше наведеною формулою, в якій коефіцієнт K симетричної установки визначається:

.

Виконавши розрахунок позірного опору, збільшують розмір живильної лінії АВ і повторюють виміри. Так на одній стоянці центра установки О виконують 20-25 подібних вимірів.

Рисунок 3.11 Схема установки ВЕЗ з автокомпенсатором

Б – батарея; П – автокомпенсатор; М_Т – мітки; К – котушки з проводом

Конструктивно установка ВЕЗ складається із двох ідентичних ліній АО і ВО (рис. 3.11) із проводу марки ГПСМО, намотаних на дві котушки. На проводах мітками позначені відповідні розноси АВ /2. Кожний наступний рознос більший попереднього приблизно в 1,2 рази. Внутрішні кінці проводів, намотаних на котушку, за допомогою штепсельних розйомів чи ковзаючих контактів під’єднані до контуру, що з’єднує ці проводи з приладом і батареєю. Приймальна лінія MN безпосередньо під’єднується до гнізд MN панелі приладу. Живильні електроди представляють собою стальні, а приймальні, як правило, латунні чи мідні стрижні. Для зменшення перехідного опору заземлень А і В при їх облаштуванні використовують декілька електродів, з’єднаних одним проводом.

Зі збільшенням розносу АВ сигнал слабшає. Ця обставина вимагає переходу на більшу за розміром лінію MN. При виконанні ВЕЗ, як правило, використовують декілька приймальних ліній різних розмірів. Таким чином приймальна лінія фактично являє собою косу, що складається із декількох ліній MN. Під час переходу з меншої за розміром лінії MN на більшу роблять перекриття на двох розносах АВ /2, на яких виміри виконують обома лініями MN. Перекриття вважається якісним, коли розходження вимірів позірного опору не перевершують 5 %. Наявність значного розходження свідчить про присутність горизонтальних неоднорідностей в даній точці ВЕЗ. Інколи це вимагає зміни положення центра установки (точки ВЕЗ) на профілі.

Результати вимірів та розрахунків записують у журнал і зображують графічно на подвійному логарифмічному бланку модуля 6,25 см у вигляді залежності позірного опору r_П від напіврозносу установки АВ /2 (рис.3. 12). Ця залежність називається кривою ВЕЗ.

Крива позірного опору якісно відображає зміну питомого опору розрізу по вертикалі. Горизонти підвищеного і зниженого опору на кривій ВЕЗ теж відмічаються підвищеними і зниженими значеннями позірного опору. Крива ВЕЗ, зображена на рис. 3.12, свідчить про те, що геоелектричний розріз складається із чотирьох горизонтів з наступним співвідношенням їх питомих опорів: r ₁< r ₂> r ₃< r ₄.

Рисунок 3.12 Крива позірного опору

Криві електричного зондування є основною вихідною інформацією, яка підлягає кількісній інтерпретації по визначенню питомих опорів і потужностей горизонтів.

16. Загальні принципи інтерпретації кривих електричного зондування. Геоелектричні побудови

Качественная интерпретация служит для оценки изменения геоэлектрического разреза по глубине и в плане. Это позволяет в общих чертах охарактеризовать геологическое строение района, выяснить степень искажения кривых зондирования и возможность их количественной интерпретации в рамках горизонтально-слоистого разреза. Качественная интерпретация начинается с анализа типов кривых ρ_K по всем профилям. Выделяются участки с похожими кривыми. Обычно им отвечают сходные геоэлектрические разрезы. Далее анализируют характерные для каждого участка кривые и стараются увязать проявляющиеся на них геоэлектрические слои с априорными геологическими данными. По результатам такой интерпретации можно построить приближенный геоэлектрический разрез участка работ.

Выделять участки с предположительно сходным геоэлектрическим строением удобно по разрезам кажущегося сопротивления ρ_K (x, R). Для построения таких разрезов по горизонтальной оси откладывают координаты точек записи зондирований (x), а по вертикальной - разносы (R). Для каждой точки записи получена кривая зондирований ρ_K (R). По значениям ρ_K для всех точек записи на всех R строят изолинии ρ_K (рис.1). Участки с похожими разрезами ρ _K скорее всего имеют сходное геоэлектрическое строение.

Рис.1. Разрез кажущегося сопротивления

При анализе полевых данных важно учитывать рельеф. Во-первых, он часто отражает изменение геологического строения. Во-вторых, в горизонтально-слоистом разрезе с изменением рельефа меняется глубина залегания изучаемых слоев. Соответственно меняются кривые ρ_K. В-третьих, некоторые формы рельефа приводят к искажениям кривых ρ_K и к появлению ложных, не связанных с геологией аномалий кажущегося сопротивления. На этапе качественной интерпретации нужно также рассмотреть насколько сильно полевые кривые искажены приповерхностными неоднородностями. При качественной интерпретации делают вывод о классе моделей, в рамках которого будет проводиться дальнейшая работа. Наиболее удобно использовать горизонтально-слоистую модель среды. Но для этого нужно показать достаточную гладкость изменения геоэлектрического разреза по профилю. Часто одномерная интерпретация возможна только для отдельных участков профиля или после специальной обработки данных.