Основы метода ЧЗ
Метод частотного зондирования (ЧЗ) — один из классических методов электроразведки. Он даёт информацию об изменении сопротивления среды с глубиной посредством исследования частотных зависимостей компонент электромагнитного поля, создаваемого искусственным источником [Хмелевской, 1984; Ваньян, 1997].
Изменение глубинности исследования в методе ЧЗ достигается за счет явления скин-эффекта. Оно заключается в том, что чем выше частота колебаний электромагнитного поля, тем сильнее оно затухает с глубиной. Таким образом, на высоких частотах поле охватывает приповерхностную часть среды, а по мере понижения частоты оно проникает все глубже и начинает нести информацию о нижних слоях разреза.
Электромагнитное поле в методе ЧЗ создается с помощью заземленной линии AB или незаземленной петли Q. Электрические и магнитные компоненты поля измеряются на расстоянии R, существенно превышающем размер источника, что позволяет считать линию AB горизонтальным электрическим, а петлю Q – вертикальным магнитным диполем. Частоту тока в источнике изменяют, что обеспечивает изменение глубинности. Результаты измерений пересчитывают в кривые кажущегося сопротивления, которые затем интерпретируют.
Исторически метод ЧЗ, наряду с другими методами электромагнитного зондирования, основанными на изучении переменных полей, появился в послевоенные годы. Его возникновение связано с именами А.П. Краева, А.Н. Тихонова, Л.Л. Ваньяна. В то время в электроразведке использовались методы постоянного тока, эффективность которых при глубинных исследованиях была невысока из-за влияния высокоомных слоев (экранов), развитых в осадочном чехле платформ. За счет того, что постоянный ток не мог проникнуть в подэкранную толщу, глубинность таких исследований даже при больших разносах была низкой. В этой ситуации внедрение метода ЧЗ и других методов зондирования на переменном токе явилось большим шагом вперед. Поскольку за счет электромагнитной индукции переменное поле способно проникать под высокоомные экраны, то появилась возможность изучать подэкранную толщу. Кроме того, использование только одного разноса для проведения зондирования резко повысило производительность работ.
Сейчас метод ЧЗ применяется при изучении регионального строения осадочного чехла и кристаллического фундамента платформенных областей, при поиске и разведке нефтегазоносных структур и рудных месторождений, а также при решении ряда других задач.
Технология ЧЗ-ДЭЗ наиболее эффективна при изучении осадочного чехла мощностью от первых сотен метров до первых километров и поверхности нижележащего фундамента. В частности, технология расширяет возможности магнитотеллурических исследований за счет получения дополнительной информации о свойствах пород и возможности работы в условиях высокого уровня промышленных помех.
Методика полевых работ
Источники поля
Как уже отмечалось, в методе ЧЗ применяются два способа возбуждения поля.
При гальваническом возбуждении используется заземленная линия АВ. Следует отметить, что такой источник возбуждает поле не только гальванически, за счет стекающих с электродов токов, но и индукционно, за счет токов, текущих в проводе. Таким образом, при использовании питаемой переменным током линии AB правильнее говорить о смешанном возбуждении поля.
Размеры питающей линии могут колебаться от ста метров до первых километров. Для создания в линии АВ больших токов необходимо сделать минимальным ее сопротивление, которое складывается из сопротивления провода и сопротивлений двух заземлений. Как правило, для линии АВ используют медный провод большого сечения (ГПМП), имеющий сопротивление 3 Ом/км. Для уменьшения сопротивления заземления применяют параллельное соединение сети электродов или буровой инструмент (шнеки). При этом важно осуществить контакт электрода с хорошо проводящими породами, лучше всего глинами.
При индукционном возбуждении применяется незаземленная петля Q. Через петлю пропускается переменный электрический ток, который создает в пространстве, окружающем петлю, переменное магнитное поле, которое, в свою очередь, индуцирует токи в земле.
Незаземленная петля применяется в качестве источника электромагнитного поля редко. Это связано с двумя основными причинами: 1) все компоненты поля магнитного диполя затухают по мере увеличения разноса на порядок быстрее, чем компоненты поля заземленного электрического диполя, 2) раскладка большой питающей петли более трудоемко, чем создание линии АВ.
Датчики поля
Для измерения электрических компонент в методе ЧЗ используются заземленные линии MN. Длина приемных линий составляет, как правило, первые сотни метров. В качестве заземлителей приемной линии могут использоваться как поляризующиеся, так и неполяризующиеся электроды. Чаще всего на практике используют стальные штыревые заземления. С входом измерительного устройства электроды соединяются легким полевым проводом типа ПСРП-0.35 или ПСРП-0.5.
Для измерения магнитных компонент используют петли и индукционные датчики. Вертикальная составляющая магнитного поля (Hz), как правило, измеряется с помощью большой (порядка 100•100 м) многовитковой (например, 23 витка) петли, представляющей собой многожильный кабель марки, выкладываемый на поверхности земли в виде квадрата. Эффективная площадь такой петли составляет 2.3•105 м2. Основные преимущества петли состоят в большой площади интегрирования поля (сглаживание влияния небольших приповерхностных неоднородностей) и в отсутствии необходимости учитывать собственную частотную характеристику в очень широком диапазоне частот.
Однако для раскладки такой петли требуется достаточно большое открытое пространство.
Измерение горизонтальных компонент магнитного поля проводится с помощью индукционные датчиков, например MTC-50 из комплекта станции производства компании Phoenix Geophysics. Они представляют собой многовитковые катушки с сердечником из ферромагнитного материала — пермаллоя. Общая длина датчика – 1.5 м, вес — 8 кг. Индукционный датчик легко и просто устанавливать, но он чувствителен к локальным неоднородностям, подвержен воздействию вибрации и имеет собственную сложную частотную характеристику, которую необходимо учитывать при обработке данных.
Типы установок
В методе ЧЗ существует много возможных вариантов установок. В поле электрического диполя наиболее целесообразно использовать экваториальную установку и измерять компоненты Ex, Hy и Hz, которые на экваторе диполя максимальны. Иногда используется также достаточно технологичная осевая установка – при этом могут регистрироваться компоненты Ex и Hy. Поле петли обладает цилиндрической симметрией, поэтому в этом случае измеряют, как правило, компоненты Eϕ, Hr и Hz.
Разнос между источником и приемником, а также рабочие частоты, выбираются в соответствии с решаемой задачей, возможностями аппаратуры и условием дальней зоны (|kr| >> 1). Разнос, как правило, должен в 3-5 раз превышать исследуемую глубину. В районе Александровской геофизической базы для изучения всей толщи осадочного чехла необходим разнос порядка 4-6 км, рабочий диапазон частот при этом составляет от 0.076 до 156 Гц.
Аппаратура метода ЧЗ
Для создания тока в питающей линии АВ или петле Q используются мощные источники: генераторная группа УГЭ-50 [Электроразведка…, 1989] или генератор электроразведочный ГЭР-5000-25.
В качестве измерителя напряжения используются либо многоканальные электроразведочные станции, например Nord, либо одноканальные электроразведочные измерители, такие как МЭРИ Smart.
Интерпретация кривых ЧЗ
Для оценки обобщенных параметров разреза по кривым ЧЗ применяется метод интерпретации по асимптотам. Он заключается в том, что к восходящим и нисходящим ветвям кривых проводятся касательные под углом 63 градуса, и по точкам пересечения этих касательных с осью = 1 определяются глубина до кровли проводящего слоя (для нисходящей ветви) или суммарная продольная проводимость толщи, залегающей на изоляторе (для восходящей ветви). Интерпретация по асимптотам позволяет составить первоначальную геоэлектрическую модель для последующего применения метода подбора.
Одномерная интерпретация кривых ρϕ с определением мощностей и сопротивлений всех слоев проводится методом подбора на ЭВМ [Жданов, 1986]. При этом последовательно изменяется модель среды, решается прямая задача, и полученная модельная кривая сопоставляется с экспериментальной.
Оптимальным считается результат подбора, обеспечивающий минимальную невязку и не противоречащий априорной геологической информации и данным других методов. Одномерная интерпретация может быть выполнена с помощью программы EM1D или FS1D.
Подбор кривой ρк, построенной по компоненте Hy поля AB
Подбор кривых ρk и Δϕk, построенных по компоненте Hz поля AB
В реальности нам приходится иметь дело с двумерными и трехмерными средами. Дипольная установка, используемая при частотных зондированиях, сильно подвержена влиянию локальных и региональных неоднородностей разреза. Наиболее сложным образом искажается под влиянием неоднородностей вертикальная компонента магнитного поля Hz.
Проблема точки записи, импедансные наблюдения
Основная проблема метода ЧЗ связана с выбором точки записи (точки, к которой относятся результаты интерпретации) [Иванов и Скугаревская, 1978]. Для того, чтобы удовлетворить условию дальней зоны, приходится использовать большие расстояния между источником и приемником (до 10 км и более). Если на этих разносах геоэлектрический разрез испытывает существенные изменения, то при интерпретации результатов зондирования произвол в выборе точки записи порождает грубые ошибки.
Выходом из этой ситуации являются импедансные измерения [Куликов и др., 1999]. Дело в том, что при расчете импеданса существенным образом подавляется влияние неоднородностей вблизи источника.
Результат измерения начинает зависеть лишь от разреза в точке наблюдения, следовательно, к ней можно привязывать точку записи. Импедансная технология реализована в методе CSAMT, распространенном за рубежом.
Однако при расчёте импеданса используется электрическая компонента поля, которая может быть искажена влиянием высокоомного экрана. Поэтому применение импедансной схемы оправдывает себя либо на высоких частотах, где экран еще не сказывается, либо при использовании питающего магнитного диполя.
Литература
- Хмелевской В.К. Электроразведка. Москва, Изд-во МГУ, 1984.
- Ваньян Л.Л. Электромагнитные зондирования. Москва, Научный мир, 1997.
- Электроразведка: Справочник геофизика. Под ред. Хмелевского В.К. и Бондаренко В.М. Москва, Недра, 1989.
- Жданов М.С. Электроразведка. Москва, Недра, 1986.
- Иванов А.П., Скугаревская О.А. Методика частотных электромагнитных зондирований. Москва, Наука, 1978.
- Куликов В.А., Пушкарев П.Ю., Яковлев А.Г., Яковлев А.Д. Опыт частотных электромагнитных зондирований на Русской плите. Известия ВУЗов (Геология и Разведка), 1999, № 3.