Разработка и реализация метода низкочастотного наземно-подземного зондирования

Развитие методов электрометрии и исследование их многофункциональных возможностей, несомненно, актуальны при решении различного рода задач.

В данной работе рассмотрен один из новых подходов к реализации метода наземно-подземного зондирования (НПЗ) с использованием низкочастотных квази-стационарных электромагнитных полей. Исследования выполнены на примере соляного месторождения в целях получения информации о физических свойствах пород, залегающих от земной поверхности до глубины расположения шахтных выработок.

Реализация методов наземноподземного зондирования сопряжена с определенными трудностями ( Kai et al., 2017; Pan et al., 2016; Хачай и др., 2009; Петровский, 2001) , включая обоснование их информационных возможностей, создание специального аппаратурно-методического обеспечения, способов интерпретации и геологического истолкования результатов наблюдений. Это послужило основным направлением выполненных нами работ.

В качестве реализуемого использован способ частотного зондирования, осно- ванный на возбуждении электромагнитного поля на земной поверхности с помощью гальванического источника в виде заземленной линии АВ и регистрации компонент магнитного поля трехкомпонентными индукционными датчиками в шахтных выработках.

Поскольку при НПЗ взаимное расположение питающей и приемной установок, а следовательно, и характер поведения регистрируемого электромагнитного поля значительно отличаются от традиционных наземных методов и методик зондирования, необходимо применение соответствующих подходов к его реализации. В данной работе рассмотрен один из таких подходов, основанный на существующих общих физических представлениях с использованием специального аппаратурно-программного обеспечения и результатов анализа экспериментальных наблюдений.

Физическое обоснование

Информативность метода наземноподземного зондирования определяется следующими факторами: 1) необходимость учета особенностей формирования электромагнитного поля; 2) определение связи компонент измеряемого в шахтных

условиях электромагнитного поля с электрическим сопротивлением перекрывающей толщи пород; 3) оценка эффективной глубины проникновения электромагнитного поля.

Рассмотрим характер формирования магнитного поля при наличии в среде проводящего объекта (рис. 1).

z, м!         мп

Рис. 1 . Формирование магнитного поля при наличии в среде проводящего объекта

Наблюденное магнитное поле определяется соотношением

H ( ю , r ) = H_о( ф , r) - ^Нинд ( а , ^гинд )|,       (1)

где H ₀ ( ω , r ₀ ) – первичное поле источника в точке измере ний, удаленной от него на расстояние r ₀ ; H_инд ( ω , r_инд ) – поле, индуцированное проводящим телом (током индукции, образующимся в этом теле), расположенным на расстоянии r_инд от точки наблюдения.

Очевидно, что чем выше проводимость тела, тем больше величина индуцированного в нем тока и, согласно закону Био-Савара-Лапласа, тем больше величина возб уждаемого им магнитного поля H_инд ( ω , r_инд ), (Яворский, Детлаф, 1981).

Исходя из этого при наземной съемке величина регистрируемого поля H H ^{( а} , r) = | H U ^{а Г}н ) - ^Нинд ^{( а} , ^Гн , инд )| будет снижаться над проводящим телом в силу появления в нем индукционного тока.

Иная картина получается при наблюдении в подземных (шахтных) условиях, где величина наблюденного магнитного поля НП (а, r) = |H0(а, ГП) - Нинд (Ю, ГП,инд )| может увеличиваться, поскольку расстояние от проводящего тела (источника индуцированного тока) до точки наблюдения (r ) становится значительно меньше инд,2

расстояния от наземного источника до этой точки ( r _0,2) и соответственно возможна ситуация, когда

H о ^{( а} , ^r o ) <  H_UHd⁽а, г_инд)

( Терещенко и др., 2013) .

Таким образом, существует вполне определенная физическая связь величины магнитного поля с проводимостью (электрическим сопротивлением) среды.

Оценка эффективной глубины

В теории переменных полей за эффективную глубину проникновения поля Z_эф принимают глубину, при которой величина поля уменьшается в е раз (е – основание натурального логарифма, е=2.7) (Электроразведка…, 1989):

zэф

ωµσ

2 n f • 4 п 10 ^{- 7}

2 ρ

2 π

^{107 ρ} . ( 2) f

То есть эффективная глубина проникновения электромагнитного поля в однородной среде определяется ее удельным сопротивлением и частотой поля: чем больше сопротивление среды и меньше частота поля, тем больше глубина проникновения поля в недра Земли.

Соответствующие графики относительной величины E для разных х,отн значений частот ( Т ) и заданной величины сопротивления (ρ = 10 Ом∙м и ρ = 100 Ом∙м) приведены на рис. 2.

Для оценки скорости изменения полученных графиков Eх,отн (z) с глубиной трансформируем их в графики производной отн , наиболее контраст-д( VT)

но отображающие чувствительность относительной напряженности поля к

изменению зондирующего параметра Т .

Найдем выражение для этой производной. Исходя из предыдущей работы ( Колесников, 2013 ), запишем:

эф

µ эф отн 2      µ отн xT

J]— ■ Z ,

T

эф E отн ;

E = e отн

ωµσ

~ ■ ' эф

2 π f µσ

V?--'эф

= e v 2

^ Е . = j ^- ^ ' Эф E d ( V T )        T о

e - f ^- ■ ' эф

=e

Выполнив замену x = Tt ; u = 1/ x;

п 4 n 10 ⁷ '_Э ф

—— г

T отн

ρ

2 πz_эф T

^Е (3)

отн .( ) ^ρ

и учитывая дE отн д x

dE отн д U

д U _;

получим

дE отн

д U

^“.

■ J ^- ■ ' эф

Результаты расчета относительной величины J Emn< для разных значений элек- д ( 4T )

трического сопротивления однородной среды (рис. 3) показывают возможность оценки, помимо Z эф диапазона, эффектив-

= — л hiLia ■ z ,E • µ эф отн ;

dU _d(£1) _

= - J^- ■ ^z₃ф^Eотн ^(— -4) = x

ного проявления слоя

A Z ^ ( A Z .ф = г ,ф ± DZ ) , оказывающего наиболее значительное влияние на результат измерений (в данном примере этот диапазон отмечен для д E величины ^отн , отличающейся от ее

^д( Е )

максимального значения на 10 %).

Рис. 2. Графики зависимости E_{х , отн} для разных значений частот при ρ = 10 Ом∙м (а) и

ρ = 100 Ом∙м (б)

а                                   б

Рис. 3. Графики ^д EQT" при р = 10 Омм (а), р = 100 Омм (б) д ( 4T )

Однако в случае неоднородной, к примеру, горизонтально-слоистой модели среды, задача оценки Z эф усложняется.

Как следует из уравнения (2), Zэф определяется отношением ρ . В этом од- на из причин неоднозначности определения глубины зондирования (Zэф) и ком- плексирования гальванического и индуктивного методов зондирования.

Для повышения однозначности оценки Zэф (либо AZэф) нужна дополнительная априорная информация (анализ параметрических зондирований с использованием данных бурения, электрического карота- жа, комплексного анализа с результатами наземного зондирования и др. с целью выделения основных пачек пород, оказывающих заметное влияние на результаты наблюденного поля).

Рассмотрим один из подходов к реали- зации этого.

Будем исходить из следующего: в случае однородной среды

Z эф =

2 π   f    2 π

« 5 - 10 2 .Р • 4T = K ( р ) •

если среда неоднородная, к примеру, горизонтально-слоистая, то

Z _эф = K ( р ) • V T   ( Z эф_Д = K ( P i ) • 4T ), (5)

где р. = —--относительное сопротив-Р+ ление i-го и (i+1)-го слоев.

Из последнего соотношения получаем выражение для определения K(µi) :

Z

K (Pi)=Чр которую можно оценить, сопоставив глубину залегания кровли маркирующего слоя Zэф,i (определенного по результатам анализа параметрического зондирования, выполненного вблизи скважины) с величиной T (по проявлению соответствующего градиента изменения поля (эффек- тивного сопротивления, отмечаемого в относительно ненарушенной части разреза).

Пример экспериментальных исследований

Экспериментальные исследования с использованием разработанной технологии были выполнены в условиях Верхнекамского месторождения калийных солей.

Для реализации наземно-подземного зондирования сформирован аппаратурнопрограммный комплекс, включающий генератор АНЧ-3М (f = 4.88, 9.76, 19.52, 39, 78, 156 и 312 Гц; I max = 2 А) и измеритель ПМП-2, основанный на использовании трехкомпонентных индукционных датчиков (Колесников и др., 2014; Колесников, Дягилев, 2014).

Обработка и интерпретация результатов наблюдений проводились с помощью программы спектрального анализа переменных электромагнитных полей AnalyzerH3D (Дягилев и др., 2015) и системы программ интерпретации электрических зондирований ЗОНД (Колесников и др., 2005).

По результатам исследования фонового электромагнитного поля, зарегистрированного при выключенном наземном генераторе, выявлено, что оно содержит поле основной промышленной частоты f = 50 Гц и ее гармоник (рис. 4, а ). Эти частоты, отличающиеся от использованных для наземно-подземного зондирования, в данном случае не могут оказывать существенного влияния на результаты выполненной съемки.

При обработке полученных данных НПЗ установлено, что наблюденное поле зафиксировало уверенное проявление каждой из частот, генерируемых наземным источником (шесть частот), а также их нечетных гармоник (от 2 до 12 наиболее информативных для каждой из частот) (рис. 4, б), обеспечивая этим принципиальную возможность зондирования в расширенном диапазоне глубин. В совокупности достаточно уверенно выделено 47 частот в диапазоне от 4.88 до 1562 Гц, что является весьма обширной исходной информацией для анализа исследуемой толщи пород.

мацию об обобщенном электрическом сопротивлении пород в области эффективного проникновения электромагнитного

Рис. 4 . Пример спектра фоновой записи в частотном диапазоне 1-150 Гц (а) и спектра записи при включении наземного генератора на частоте 9.76 Гц (б)

поля:

Полученная эмпирическая формула справедлива для случая субпараллель-

ного положения наземного и шахтного профилей с их небольшим отклонением по вертикали.

Рис. 6 . Разрез эффективного сопротивления по данным НПЗ

В целях получения начального представления о характере изменения физических свойств обследуемой среды по результатам выполненных многочастотных наблюдений построен разрез интерпретационного параметра H z /H r (рис. 5), отображающий степень изменения проникающей способности электромагнитного поля.

Рис. 5. Разрез отношения H z /H r , построенный по результатам анализа основных используемых частот и их гармоник

Исходя из рассмотренных выше общих физических принципов сформирован вариант вычисления эффективного сопротивления по результатам шахтных наблюдений магнитного поля, несущего инфор-

Рис. 7 . Карты кажущегося сопротивления по данным метода ПМП для Z эф = 120-130 м (а) и ЭП-СГ для Z эф = 140–150 м (б)

Комплексный анализ полученных материалов показал закономерное про- явление разной проникающей способности квазистационарного поля через обследуемую толщу пород, а также изменение их электрической проводимости, связанной со степенью разуплотненности и вла-гонасыщенности порового пространства.

В целях предварительной заверки информативности результатов съемки методом НПЗ использовано два наземных экспресс-метода электроразведки – метод электропрофилирования по методике срединного градиента (ЭП-СГ) (Электроразведка…, 1989) (рис. 7, а ) и индукционное зондирование методом промышленных магнитных полей (ПМП) (Колесников, Ласкина, 2014) (рис. 7, б ), наиболее приемлемых в сложных зимних условиях выполнения экспериментальных работ.

Выводы

Разработанный подход к реализации низкочастотного наземно-подземного зондирования на основе использования аппаратурно-программного комплекса АНЧ-3М – ПМП-2 позволяет получать достаточно детальную информацию о строении изучаемой части разреза от приповерхностных отложений до глубины залегания шахтных выработок при анализе основных частотных составляющих сигнала и их гармоник. Метод обеспечивает возможность контроля проникающей способности электромагнитного поля от земной поверхности до шахтного поля, характеризуется повышенной чувствительностью к наличию проводящих зон, относительно высокой помехоустойчивостью и оперативностью выполнения работ.

Разработанный способ наземно-подземного зондирования может использоваться в наземно-шахтной или межскважинной модификации при решении инженерно-геологических и поисковых задач.