Определение, сущность и классификация методов электроразведки

Электрическая (точнее, электромагнитная) разведка, сокращенно электроразведка – это раздел геофизических методов исследования, называемых также разведочной или прикладной геофизикой. Она предназначена для изучения геосфер Земли и геологической среды, поисков и разведки полезных ископаемых на основе изучения различных естественных и искусственных электромагнитных полей. Предметом исследования электроразведки является литосфера и, прежде всего, ее верхняя оболочка – земная кора. Часть земной коры, находящуюся под воздействием инженерно-хозяйственной (техногенной) деятельности человека, принято называть геологической средой. Верхнюю часть геологической среды мощностью сотни метров называют экзотехносферой. В ней преобладают внешние экзогенные природные процессы, взаимодействие которых с техногенными факторами приводит к искажению существующих или созданию новых локальных физических полей. Более глубокие горизонты геологической среды (тысячи метров) – эндотехносферой. В ней преобладают внутренние эндогенные процессы, и определенное значение играют техногенные факторы, связанные с разработкой месторождений полезных ископаемых.

Задачи электроразведки:

1. региональные исследования земной коры на суше и под дном океанов (глубинные, структурные и картировочно-поисковые);

2. поисково-разведочные работы на нефть и газ, рудные, нерудные полезные ископаемые и уголь;

3. изучение геологической среды с инженерно-геологическими, гидрогеологическими, мерзлотно-гляциологическими, почвенно-меллиоративными, техногенными и др. целями.

Электроразведка основана на дифференциации горных пород по электромагнитным свойствам. Характер электромагнитных полей, обусловленный как искусственными, так и естественными источниками, определяется геоэлектрическим строением изучаемого участка. Кроме того, некоторые геологические объекты, находящиеся в соответствующих условиях, способны создавать собственные электрические поля. По выявленной электромагнитной аномалии можно делать те или иные выводы, относящиеся к решению поставленной практической задачи.

Таким образом, методы исследований в электроразведке, основанные на использовании электромагнитных полей частотой f от миллигерц до сотен терагерц.

Электроразведка отличается от других геофизических методов множеством (более 50) способов разведки. Это объясняется тем, что в электроразведке используются естественные поля космической, атмосферной, электрохимической природы; искусственные поля с различными способами их создания и измерения (гальваническими, или контактными; индуктивными, или бесконтактными, а также дистанционными), гармонические - широкого диапазона частот; импульсные поля разной длительности. Кроме того, используются несколько независимых друг от друга свойств пород, изучаются амплитуды электрических E и магнитных H составляющих поля, а также их фазы j_E и j_H.

Существуют несколько классификаций электроразведочных методов. Например, Ю.В.Якубовский предлагает выделить группы методов, в которых используются электромагнитные поля одного и того же типа; методы, характеризующиеся сходными способами возбуждения и изучения поля. Модификации внутри электроразведочных методов, различающиеся используемыми источниками поля и измеряемыми параметрами, особенностями перемещения генераторно-измерительных установок и способами изображения результатов, различными подходами к решению прямых и обратных задач.

Очень часто модификации в электроразведке называют методами. Это многообразие объясняется тем, что в электроразведке новые достижения в современной электротехнике и радиоэлектронике находят наибольшее воплощение.

Классификация электроразведочных методов

I. Методы постоянного электрического тока.

Вертикальное и дипольное электрозондирование (ВЭЗ и ДЭЗ);

Электропрофилирование (ЭП): дипольное (ДП), комбинированное (КП), симметричное (СП) и др.

Метод заряда (МЗ).

II. Низкочастотные и импульсные методы

Магнитотеллурические методы: магнитотеллурических токов (МТТ); магнитотеллурическое зондирование (МТЗ); магнитотеллурическое профилирование (МТП) и др.

Электромагнитные зондирования: частотное (ЧЗ); становление поля (ЗС).

Индуктивные методы: переходных процессов (МПП); гармонических полей (МГП).

III. Методы высокочастотного электромагнитного поля.

Разноволновое просвечивание (РП);

Метод радиокомпарирования и пеленгации (радиокип);

Разноволновое зондирование (РЗ);

Спутниковая электроразведка (СЭ).

IV. Геоэлектрохимические методы.

Метод естественного электрического поля (ЕП).

Метод вызванной поляризации (ВП).

Контактный способ поляризационных кривых (КСПК) и др.

В зависимости от области применения методы электроразведки делятся на несколько видов:

I. Глубинная – изучение строения глубинных слоев земной коры и мантии.

II.Структурная – региональная, мелкомасштабное геологическое картирование и поиски месторождений угля, нефти и газа.

III. Рудная – детальное, крупномасштабное геологическое картирование, поиски и разведка металлических и неметаллических полезных ископаемых.

IV. Инженерно-геологическая – решение задач гидрогеологии, инженерной геологии, мерзлотоведения, гляциологии, горного дела, техники и др.

Целесообразно разделение методов электроразведки по месту производства наблюдений. Так, выделяют:

1. Полевую электроразведку;

2. Морскую электроразведку;

3. Скважинную (каротаж) электроразведку;

4. Подземную электроразведку;

5. Аэрологическую электроразведку;

6. Спутниковую электроразведку.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

ВЭЗ - метод вертикальных электрических зондирований. Основан на изучении напряженности постоянного электрического поля в зависимости от изменения геометрических размеров установки. Что такое установка? Для изучения геологического разреза в землю вводится через пару электродов (А и В) электрический ток, а с помощью другой пары электродов (MN), соединенных с чувствительным вольтметром, на поверхности оценивается распределение потенциалов, созданное этим током. Зная расстояние (r ) между токовыми электродами, по величине приложенного тока, можно рассчитать распределение потенциалов (₅U) и пути протекания тока ( I ), если разрез однороден. Если в разрезе присутствуют неоднородности, то их определяют по отклонению линий тока и нарушению нормального потенциального поля. В этом по существу и состоит принцип измерения вариаций удельного электрического сопротивления в геологическом разрезе.

В методе ВЭЗ чаще всего используют четырехполюсную симметричную установку AMNB.

Зондирование осуществляется за счет увеличения питающей линии АВ при сохранении линии МN, неизменной в пределах некоторой части зондирования. В процессе выполнения ВЭЗ на каждом разносе питающей линии АВ измеряют разность потенциалов между приемными электродами М и N, силу тока в цепи питающей линии АВ. По этим данным рассчитывается кажущееся электрическое сопротивление r_к.

Метод ВЭЗ применяют при региональных исследованиях малоизученных территорий, для поисков нефтеперспективных структур, трассирования тектонических нарушений, при гидрогеологических и инженерно - геологических работах. Глубина исследования измеряется в зависимости от поставленной задачи от нескольких метров до 2-3 км.

Преимущество метода - относительно слабое влияние на результаты измерений горизонтальной неоднородности среды. Наиболее благоприятны для применения метода геоэлектрические разрезы, имеющие в основании горизонт высокого сопротивления (например, кристаллический фундамент).

Метод дипольных электрических зондирований - ДЗ также основан на изучении напряженности постоянного электрического поля в зависимости от изменения геометрических размеров установки. Используют несколько видов дипольных установок ABMN, отличающихся от ВЭЗ тем, что расположение питающей (АВ) и приемной (МN) линий на одной линии не является обязательным. Зондирование осуществляется за счет расстояния ( r ) между питающей и приемной линиями, на размеры которых накладывают ограничения, связанные с необходимостью соблюдения

Метод частотных электромагнитных зондирований - ЧЗ основан на использовании скин-эффекта, т.е. неравномерного распределения по вертикали электромагнитного поля в проводящей среде, глубина которого уменьшается по мере увеличения частоты. В методе частотных зондирований измеряют амплитуду и фазу напряженности гармонического поля, создаваемого в Земле гальваническим или индукционным способом. На практике для этого применяют дипольные экваториальные установки с электрическим диполем АВ в качестве источника поля и приемным электрическим (MN) или вертикальным магнитным диполем, удаленным от источника на расстояние r, превышающее в несколько раз глубину до исследуемого горизонта. При выполнении ЧЗ на каждой частоте измеряют амплитуду и фазу компонент электромагнитного поля и рассчитывают кажущееся сопротивление r_w. Кривая r_w как функция периодаТ или длины волны l отражает изменение электрических свойств разреза с глубиной. Метод ЧЗ применяют преимущественно при детальных электроразведочных работах с целью поисков нефтеперспективных структур, трассирования нарушений и при инженерно-геологических исследованиях. В зависимости от используемого частотного диапазона глубинность метода изменяется от нескольких десятков метров до 2-3 км. Метод ЧЗ обладает повышенной чувствительностью по отношению к нарушениям горизонтальной неоднородности среды.

Метод зондирований становлением поля - ЗС, Как и метод ЧЗ, использует явление скин-эффекта и основан на изучении переходных процессов, протекающих в земле при ступенеобразном изменении амплитуды тока в питающей линии. В методе ЗС применяют дипольные и недипольные установки с индукционным или гальваническим возбуждением поля и регистрацией электрических и магнитных компонент. Различают модификации: зондирование становлением поля в дальней зоне (расстояние между источником и приемником поля в несколько раз превышает глубину залегания исследуемого горизонта) и в ближайшей зоне (расстояние r сравнимо с глубиной залегания исследуемого горизонта). Кривая кажущегося сопротивления становления поля r_t переходный процесс во времени, отсчитываемом от момента ступенеобразного изменения тока, и отражает распределение электрических параметров разреза с глубиной.

Область изменения метода ЗС та же, что и для метода ЧЗ. Преимущество метода ЗС - более высокая производительность работ и глубинность.

Метод магнитотеллурических зондирований - МТЗ основан на изучении вариаций естественного электромагнитного (магнитотеллурического) поля Земли и представляет, разновидность частотного электромагнитного зондирования с источником поля, удаленного в бесконечность. При выполнении МТЗ регистрируются в одном пункте четыре или пять компонент магнитотеллурического поля (E_x, E_y, Н_x, Н_y, H_z). В случае использования глубинных слоев земной коры (например, верхней мантии) регистрируются часовые или суточные вариации естественного электромагнитного поля. По результатам измерений строят кривые кажущегося сопротивления p_T в зависимости от ( Т - период вариаций). Кривая кажущегося сопротивления p_T характеризует строение геоэлектрического разреза.

Метод магнитотеллурического профилирования - МТПоснован на изучении вариаций естественного электромагнитного поля Земли на относительно низких частотах в узком диапазоне периодов вариаций (10-80 с), обеспечивающем определение суммарной продольной проводимости надопорной толщи в случае наличия в основании разреза высокоомного горизонта бесконечной мощности. При выполнении МТП в каждой точке регистрируются четыре компонента поля (E_x , E_y, Н_x, Н_y). Результаты измерений представляют в виде графиков или карт суммарной продольной проводимости S по профилям наблюдений. С помощью МТП получают в основном качественную информацию. Преимущество метода МТП по сравнению с методом МТЗ - высокая производительность работ недостаток метода МТП - неполные сведения о разрезе.

Метод теллурических токов - ТТ основан на изучении вариаций горизонтальной составляющей естественного электрического поля Земли в диапазоне 10-80 с. Регистрацию компонент напряженности поля E_x и E_y выполняют синхронно в двух точках и более, одна из которых остается неподвижной при съемках. В результате измерений определяют средние относительные напряженности E_q электрического поля в пунктах наблюдений.

Результаты измерений методом ТТ имеют качественный характер. Преимущество метода ТТ по сравнению с методом МТП - при площадных работах характеризуется большой экономической эффективностью.

Метод магнитовариационной разведки - МВР аналогичен методу ТТ, но изучает лишь вариации магнитных горизонтальных составляющих магнитотеллурического поля Н_x и Н_y. По данным синхронной регистрации вариаций определяют средние относительные изменения напряженности магнитного поля, связанные с изменениями суммарной продольной проводимости надопорных отложений. Преимущество метода МВР по сравнению с методом ТТ - более низкая чувствительность относительно горизонтальных неоднородностей исследуемой среды. Метод эффективен при изучении рельефа надопорного горизонта в разрезах. Метод МВР широкого применения как самостоятельный вид разведки не получил.

Метод комбинированного магнитотеллурического профилирования - КМТПобъединяет методы ТТ, МВР и МТП. Сущность метода заключается в том, что в полевых и опорных точках одновременно регистрируются вариации горизонтальных компонент электрической и магнитной составляющих магнитотеллурического поля. В каждом пункте по методикам ТТ и МВР определяют средние относительные значения электрической и магнитной компонент напряженности поля, а также методом МТП суммарную продольную проводимость отложений, перекрывающих высокоомное основание разреза. В опорных пунктах по результатам наблюдений магнитотеллурического поля строят кривые МТЗ. Совместная интерпретация карт электрической и магнитной напряженности, карты S и опорных кривых r_T позволяет расшифровать природу теллурических и магнитных аномалий.

Метод магнитовариационного зондирования - МВЗоснован на совместном использовании вариаций вертикальной и горизонтальной компонент магнитного поля. По результатам измерений строят кривые отношения вертикальной компоненты магнитного поля к горизонтальной. Результаты МВЗ используют в качестве дополнительной информации при интерпретации кривых магнитотеллурического зондирования. МВЗ как самостоятельный метод исследования применяется при изучении глубинного строения земной коры и верхней мантии.