Электропрофилирование.

Сущность электропрофилирования заключается в следующем. С учетом эмпирического соотношения глубины h проникновения тока в среду(она зависит от проводимости пород разреза) с величиной питающего разноса АВ: h = ÷ АВ -подбирается такая величина разноса, которая гарантирует достижение необходимой глубины исследования.

Выбранный разнос АВ сохраняется неизменным и эта расстановка АMNВ перемещается вдоль профиля наблюдений. Измерения производятся через определенный интервал, который мотивируется масштабом съемки и геологической задачей.). Обработка результатов наблюдений состоит в вычислении ρ_к в каждой точке наблюдений и в построении графика зависимости ρ_к(х). Примеры геологической результативности электропрофилирования покажем на моделях 1 и 2 ( рис.24 ).

Рис.24. Кривые электрического профилирования ρ_к (х).

Модель 1. представляет ситуацию, в которой требуется определить плановое положение скрытого под наносами вертикального контакта пород низкого сопротивления ρ₁ (осадочная толща) и высокого сопротивления ρ₂ (массив кристаллических пород, прорывающих осадочные).

Пусть ρ₁ ≈ 20 Ом·м; ρ₂ = 80 Ом·м; О₁, О₂ и т.д. - точки, в которых располагаются последовательно центры четырехэлектродной установки AMNВ, с чьей помощью проводятся наблюдения(рис.24а )

Пусть толщина наносов, скрывающая положение контакта, составляет 30м. Тогда, выбрав АВ = 80м и размещая последовательно центры электроразведочной установки в точках О₁, О₂ и т.д. с шагом 50-100 м , мы получим кривую ρ_к , примерный вид которой показан на рис….Вполне понятно, что пока установка находится далеко слева от зоны контакта, значения ρ_к. будут близки к ρ₁ , напротив, если установка размещена в области больших пикетов О ( О₇ и далее) ρ_к станет как угодно близкой к ρ_2. В самой приконтактной зоне залегания ρ_к будет резко изменяться, пока не приблизится к ρ₂ .

Модель 2 иллюстрирует ситуацию с вертикальными дайками пород высокого сопротивления (рис.24б). Характер полученной кривой можно объяснить, рассуждая таким же образом, как в примере с моделью 1.

Нередко возникают такие геологические ситуации, которые требуют контроля за электрической неоднородностью двух или нескольких уровней разреза. Тогда используют так называемые комбинированные установки, например АА'МNB'B . С такой установкой для каждой точки наблюдений О используют два различных разноса питающих электродов АВ и А₁В_1. При этом вычисляются значения ρ_к, характеризующие два разных интервала глубин. Примером может послужить ситуация, изображенная на модели 3 ( рис.24в ).

Здесь показан разрез с высокоамплитудными антиклинальной и синклинальной складками, сложенными известняками относительно высокого сопротивления (~150 Ом·м) и терригенной толщей небольшого сопротивления (<50 Ом·м). Видно, что использование больших разносов приведет к пропуску приповерхностной синклинальной формы при правильном воспроизведении особенностей конфигурации глубинного известнякового пласта . В то же время, установка с малым разносом А'В' позволяет выявить пропущенный объект, но не дает адекватного представления о структуре погруженного известнякового пласта.

Если вертикальные неоднородности высокого сопротивления выявляются методикой электропрофилирования достаточно контрастно, то наоборот, проводящие тела небольшого размера отмечаются на кривых ρ_к довольно слабыми пологими минимумами. Поэтому для их выявления используют так называемое комбинированное профилирование. Рассмотрим пример его применения на модели 4, где изображено проводящее вертикальное тело, перекрытое толщей наносов (рис.25).

Схема AMNB реализуется через удаленный электрод С и идет поочередно по схеме AMNC и BMNC так, что на каждой расстановке получают два значения ρ_к : ρ_к^А , когда ток пропускают через А и С и ρ_к^В (через В и С) – рис.25а

Рис.25.Комбинированное профилирование.

Вдали от проводящего тела над однородной средой ρ_к будут одинаковыми и для установки AMN∞ (ρ_к^А ) и для BMN∞( ρ_к^В). Однако, когда установка приближается к проводящему телу, равенство нарушается. Когда установка находится слева, ток стремится к С через тело и плотность тока I возрастает в области MN при пропускании его через А₁ и уменьшается при пропускании его через В₁. Когда установка находится справа – ситуация обратная (рис.25б). Чем больше плотность тока, тем больше ΔV и, следовательно, ρ_к . Таким образом, слева от тела появится максимум на кривой ρ_к^А, а справа - на кривой ρ_к^В. Наличие проводящего тела будет отмечено точкой пересечения кривых ρ_к с выраженными особыми точками - максимумами и минимумами, тогда как при обычном симметричном профилировании отмечается только слабый минимум (рис. 25в).

На участках сложного геоэлектрического разреза с неоднородными условиями заземления электродов используют еще одну модификацию электропрофилирования – метод срединных градиентов с малыми базами MN. Приемная установка MN при этом перемещается вдоль АВ в центральной части, равной 1/3 АВ. Об этой методике и других вариациях профилирования можно прочитать в учебниках по электроразведке, приведенных в списке литературы. Сходны с электропрофилированием по методу сопротивлений на постоянном токе методики магнитотеллурического профилирования и профилирования с использованием искусственно возбуждаемых переменных электрических полей. Там также строятся зависимости ρ_к (Х) при выбранном неизменном значении параметра, контролирующего глубину проникновения поля в Землю – периода вариации, частоты, времени становления и т.п. Однако, все эти профилирования не дублируют друг друга – каждое имеет свое предназначение, решает разные задачи, исследует разные интервалы глубин.

Методика ВЭЗ.

Это наиболее важная и востребованная модификации метода сопротивлений, ориентированная, как уже говорилось, на изучение горизонтально-слоистых сред.

Сущность ВЭЗ заключается в том, что центр установки О остается на месте, тогда как разнос АВ меняется, то есть меняется глубина зондирования разреза постоянным током и освещается не один-два интервала глубин, а весь разрез. Максимальное расстояние АВ называется величиной зондирования. Начинается оно с малых разносов. Далее разнос увеличивают, но не равномерно, а с все более возрастающими интервалами, например в такой последовательности (в метрах):

2; 5; 10;20; 50;100; 500 и т.д.

Условия успешного применения метода:

угол наклона границ раздела не должен превышать 10-15º;

залегание слоев – согласное;

в разрезе имеется толща слоев, сильно отличающихся по сопротивлению от перекрывающих пород, называемая опорным горизонтом.

Опорный горизонт должен характеризоваться повсеместным распространением, отображать основные структурные особенности разреза и иметь достаточную мощность для того, чтобы его можно было уверенно выявить по кривой ρ_к (кривой ВЭЗ). Если зондирование проводится на большую глубину, то местность должна быть подходящей для больших разносов.

По вычисленным для каждого разноса АВ значениям ρ_к строят кривую ВЭЗ на специальных билогарифмических бланках с масштабным модулем М=6,25 см. Вообще электроразведочные построения обычно осуществляют в логарифмическом масштабе , поскольку диапазон изменения ρ_к для горных пород (от нуля до бесконечности) в линейном масштабе отобразить практически невозможно. Для вычисления ρ_к используется уже приводившаяся формула

ρ_к = k

Измерение силы тока и разности потенциалов могут проводиться с помощью простых приборов, с которыми студент сможет ознакомиться при прохождении учебной геофизической практики.

Кривые ВЭЗ

Рассмотрим, как выглядят кривые ВЭЗ для различных моделей слоистых сред. Кривые изображают в горизонтальной или вертикальной композиции. Воспользуемся последним способом. Так легче провести аналогию с геологическим разрезом.

Двухслойная модель.

Представим себе, что скважина вскрыла такой разрез: терригенная толща 1 имеет мощность h₁ и сопротивление ρ₁ . остальную часть нижнего полупространства занимает карбонатная толща 2 с сопротивлением ρ₂ , причем ρ2 » ρ₁ . ρ и h здесь являются параметрами геоэлектрического разреза, который для рассматриваемых моделей будем представлять в виде пачки плоскопараллельных слоев-пластин, каждая из которых характеризуется своими ρ_i и h_i при горизонтальном залегании.

Кривая строится в системе координат ρ_к = , так как это вероятная глубина проникновения тока в Землю. Горизонтальная пунктирная линия на графике ρ_к = соответствует глубине залегания границы раздела сред 1 и 2, а вертикальные прямые отвечают истинным значениям ρ₁ и ρ₂ соответственно. Задача построения кривой ВЭЗ - при заданных параметрах разреза это, как мы уже знаем, прямая задача и по существу речь в настоящем разделе идет о решении прямой задачи электроразведки методом ВЭЗ. Для уяснения вопроса о том, какой должна быть форма кривой ВЭЗ над модельным разрезом, воспользуемся таким же способом рассуждения, который применяли, обсуждая методику электропрофилирования.

При небольших разносах АВ и, следовательно, концентрации поля в верхних горизонтах разреза значения ρ_к будут практически неотличимы от ρ₁ . Напротив, при очень больших АВ величина ρ_к вплотную приблизится к ρ₂ . Когда разносы окажутся такими, что наибольшей плотностью тока будут характеризоваться приграничные интервалы разреза, значения ρ_к будут наиболее значимо меняться, возрастая от ρ₁ к ρ₂ и кривая примет вид, показанный на рис.26, причем точка перегиба кривой будет проектироваться как раз на границы между двумя контактирующими толщами.

Рис.26.Двухслойные кривые ВЭЗ.

Рассмотрим, как будет меняться кривая ВЭЗ при изменениях параметров геоэлектрического разреза ρ и h. Если увеличивать ρ₂ , оставляя неизменными ρ₁ и h₁, можно наблюдать изменение формы кривой при сохранении местоположения точки перегиба. Изменение формы будет определяться тем, что выход ρ_к на асимптоту ρ₂ будет постоянно сдвигаться в сторону больших значений, то есть вправо. Так будет продолжаться до тех пор, пока значения ρ_к не приблизятся к практической бесконечности, то есть не превысят n·1000ом·м. По достижении таких величин кривая ВЭЗ вырождается в прямую, идущую под углом 45º. Такое вырождение является знаковым показателем ограничения глубинности исследований разреза: постоянный ток не проходит в высокоомный горизонт и точка перегиба кривой диагностирует таким образом гипсометрию опорного горизонта.

При обратном соотношении ρ₁ и ρ₂ (ρ₁>ρ₂) будет наблюдаться и обратный рисунок кривых ВЭЗ, но выхода кривой на прямолинейную асимптоту здесь уже не будет, так как не может быть бесконечно уменьшена величина ρ₂, которая никак не может оказаться меньше нуля (рис.26 б). Поскольку в рассматриваемом случае радикального изменения формы кривой (то есть вырождения ее в прямую) не наблюдается, можно говорить о том, что высокоомные опорные горизонты на кривых ВЭЗ выделяются контрастнее низкоомных. Если изменить местоположение границы h, оставляя неизменным соотношение сопротивлений ρ₁ и ρ₂ ,будет наблюдаться иная картина: форма кривой ВЭЗ меняться не будет, но местоположение точки перегиба кривой ВЭЗ, будет перемещаться вслед за перемещением h границы раздела пластов – кривая как бы сдвигается параллельно самой себе(рис.26в). Таким образом, можно констатировать, что кривая ВЭЗ «откликается» на любое изменение параметров геоэлектрического разреза ρ и h либо изменением своей формы, либо перемещением точки перегиба кривой.

Существуют специальные палетки таких теоретических кривых, рассчитанных для различных соотношений h и ρ, которые используются в последующей интерпретации результатов ВЭЗ (рис27).

Рис.27.Палетка двухслойных кривых ВЭЗ.

Посмотрим далее, как выглядят трехслойные кривые ВЭЗ(рис.28). Для трехслойной модели можно предусмотреть четыре различных сочетания значений ρ.

1. ρ₁>ρ₂<ρ₃ (H)
2. ρ₁<ρ₂<ρ₃ (A)
3. ρ₁>ρ₂>ρ₃ (Q)
4. ρ₁<ρ₂>ρ₃ (K)

Каждое из этих сочетаний определяет тип получаемой кривой ВЭЗ. Этот тип помечается буквенным индексом, показанным в скобках.

Начнем с кривых H и A, где последняя толща характеризуется высоким сопротивлением. Трехслойную кривую будем как бы составлять из двух двухслойных, соединяя их общей огибающей. В итоге получается кривая, на которой промежуточная толща отмечается минимумом. По аналогии с уже рассмотренными вариациями параметров геоэлектрического разреза получим выходы кривой на прямолинейную асимптоту при стремлении ρ₃→∞. Для трехслойной модели так же можно показать другие преобразования формы кривой при изменении ρ₁ и ρ₂. Не трудно, например, увидеть, что промежуточный пласт будет тем лучше выделяться на кривой, чем больше его мощность и может вообще «выпасть» (исчезнет минимум, если толщина его окажется слишком малой). Учитывая, что кривая строится в логарифмическом масштабе, можно понять, что чем «глубже» кривая, тем эта толщина должна быть больше для того, чтобы минимум появился: для верхних (до 10м) горизонтов разреза это единицы метров, в интервале от 10 до 100 – десятки, за сто – сотни метров и т.д.

На кривой типа А промежуточного минимума быть не может, так как сопротивление горизонтов с глубиной нарастает монотонно. Здесь второй пласт будет выделяться зонами градиентных переходов( Рис.28 )

.

Рис.28.Трехслойные кривые ВЭЗ.

Эти переходы тем контрастнее, чем больше разница сопротивлений контактирующих сред и чем значительнее толщина промежуточного слоя. Высокоомный опорный горизонт так же, как и в предыдущем случае, будет отмечен вырождением кривой в прямую с ростом ρ₃. Кривые K и Q обнаруживают обратный рассмотренным характер (рис.28б) и в отношении контрастности их выделения можно сделать те же самые выводы. Ясно, что значение ρ_к промежуточного пласта будет тем ближе к истинному значению ρ_к, чем больше его толщина. На рассмотренных примерах вновь можно убедиться в том, что любое изменение параметров геоэлектрического разреза контролируется формой кривой ВЭЗ и местоположением точек перегиба. Для трехслойных моделей также рассчитаны теоретические кривые применительно к разным сочетаниям h и ρ , обозначенные в альбоме палеток. Для моделей с большей слойностью нетрудно построить свои кривые, используя разные композиции двух и трехслойных кривых.

Интерпретация кривых затруднена сильным проявлением эквивалентности. Она заключается в том, что по кривым для промежуточного пласта могут быть определены не ρ и h в отдельности, а только так называемая продольная проводимость ρ_i = h_i/ρ для кривых Н и А (поскольку для таких моделей ток «отжимается» непроводящей толщей ρ₃ и течет вдоль ее поверхности) или поперечное сопротивление T_i = h_iρ_i для моделей K и Q (поскольку в этом случае ток течет поперек напластования, стремясь попасть в проводящую толщу ρ₃). Отсюда следует, что при определенном сочетании h_i и ρ_i, когда S или Т не меняется, форма кривой так же остается неизменной.

Прежде чем перейти к рассмотрению вопросов интерпретации кривых ВЭЗ, приведем пример многослойной кривой ВЭЗ (рис.29).

Рис.29.Пятислойная кривая ВЭЗ.

То, что по этой кривой можно выделить в разрезе 5 геоэлектрических слоев различного состава и толщины, не означает, к сожалению, что этот разрез и на самом деле таков. Если нашу установку AMNB поставить вертикально и опустить в скважину с тем, чтобы провести в реальном масштабе глубин регистрацию ρ_k с определенным интервалом наблюдения, то на такой скважинной (каротажной) кривой можно будет выделить в зависимости от выбранного разноса десятки различных слоев. То есть разрешающая способность полевого ВЭЗ, определяемая и сложным характером зависимости ρ_k от соотношения сопротивлений и мощностей множества пластов, и использованием логарифмического масштаба изображений, несопоставима с возможностями скважинных исследований. Тем не менее, наиболее существенные крупные комплексы проводящих и непроводящих пород глубинного разреза и достаточно тонкие слои верхней его части выделяются на кривых ВЭЗ достаточно уверенно. Таким образом, становится понятным как определить геологическую природу отмеченных особенностей рельефа кривых. Определить геологическую природу аномалий – максимумов, минимумов, участков ограниченных резкими градиентными изгибами кривой – это значит поставить им в соответствие тот или иной комплекс пород разреза. Это можно сделать с достаточной надежностью, если в распоряжении исследователя есть результаты бурения или в худшем случае сейсморазведки. И, конечно, тогда, когда интерпретатор имеет достаточно четкое представление об электрических свойствах горных пород. Как уже отмечалось выше, важнейшим таким свойством является удельное электрическое сопротивление(или обратная ему величина-проводимость). Сопротивление пород изменяется в очень широких пределах: от 10^-5 до 10¹⁵ Ом·м, то есть практически от 0 до ∞. Зависит величина сопротивления от минерального состава, физико-механических и водных войств пород, а также от температуры, глубин залегания, степени метаморфизма и пр.

Удельное электрическое сопротивление минералов определяется характером их внутренних кристаллических связей. Так, минералам диэлектрикам (кварц, слюды полевые шпаты и др.) с преимущественно ковалентными связями присущи очень высокие сопротивления (10¹²-10¹⁵Ом·м). Минералы полупроводники (карбонаты, сульфиды, галоиды и др.) имеют ионные связи и отличаются высокими сопротивлениями (10⁴ - 10⁸ Ом·м). Глинистые минералы (гидрослюды, монтмориллонит, каолинит и др.) обладают ионно-ковалентными связями и характеризуются относительно низким сопротивлением (ρ<50Ом·м). Рудные минералы (самородные, сульфиды, некоторые оксиды) с электронной проводимостью очень хорошо проводят ток (ρ<5Ом·м). Первые две группы минералов составляют «жесткий» скелет большинства горных пород. Глинистые минералы создают «пластичный» скелет. «Пластичные» минералы способны адсорбировать «связанную воду» с достаточно постоянной минерализацией и хорошей проводимостью и поэтому сопротивление глин довольно низкое и мало меняется (6 – 20 Ом·м). В то же время породы с жестким скелетом могут насыщаться лишь свободной водой, проводимость зависит от степени ее минерализации. Сопротивление такой воды изменяется от сотых долей Ом·м при высокой общей минерализации (М>10 г/л) до сотен Ом-м при низкой минерализации (М<0,01 г/л). Поэтому проводимость осадочных пород целиком определяется их пористостью, трещиноватостью и влагонасыщенностью. Терригенные песчанистые породы всегда характеризуются более или менее значительной пористостью и являются в большинстве случаев хорошими проводниками. Проводимость их существенно ухудшается, если поры насыщенны пресной водой и совсем исчезает, когда флюид имеет углеводородный состав (нефть совсем не проводит электричества). Карбонатные породы в большинстве случаев имеют очень низкую пористость, то есть довольно высокое сопротивление (ρ>10²Ом·м). Однако, трещиноватые и кавернозные их разности, не говоря уже об известняках органогенного генезиса или измененных деформацонной переработкой. В таких известняках могут возникать крупные скопления минерализованных и пресных вод, а также нефтегазовые залежи.

Глубина залегания, степень метаморфизма, структура и текстура породы также влияют на ее сопротивление, изменяя коэффициент микроанизотропии λ= , где ρ_n и ρ_l – сопротивление породы вкрест и вдоль слоистости.

Чаще всего λ изменяется от 1 до 1,5, достигая 2 – 3 у сильно рассланцованных пород. Несмотря на широкий диапазон изменения сопротивлений ρ у разных пород можно говорить о достаточно устойчивых оценках ρ, встречающихся в практике электроразведки. Кристаллические (магматические и метаморфические) породы характеризуются высокими сопротивлениями от 500 до 10 000 Ом·м. Среди осадочных пород высокие сопротивления свойственны известнякам, гипсам и особенно каменной соли (100 – 1000 Ом·м). Обломочные осадочные породы, глины, суглинки, супеси имеют сопротивление от долей до первых десятков, иногда до ста Ом·м. Среди других электрических свойств пород можно назвать уже упоминавшуюся электрохимическую активность, пьезоэлектрические свойства, диэлектрическую и магнитную проницаемость, поляризуемость.

Поляризуемость η является довольно востребованным параметром в рудной и нефтегазовой геофизике. Электроразведочный метод, основанный на различной поляризуемости пород называется методом вызванной поляризации. Его особенно часто применяют в комплексе с ВЭЗ или ЭП.

Поляризуемость (или коэффициент поляризуемости) η оценивает способность пород поляризоваться, то есть накапливать заряд при пропускании тока, а затем разряжаться после его отключении.

Значения η вычисляют в процентах, как отношение разности потенциалов ΔU_ВП, которое остается в цепи MN по истечении определенного времени (обычно 0,5 – 1 сек) после размыкания токовой цепи к напряжению ΔU при пропускании тока

η = ·100%

Наибольшей поляризуемостью (η = 6÷40%) отличаются руды с электронной проводимостью. Нередко само рудное тело, вследствие своих небольших размеров, не представляет разведочного интереса и выражается на кривой ρ_к (х) при электропрофилировании или очень слабо или вообще остается незамеченным. Однако ореол вкрапленных руд, электрически не связанных между собой, может быть очень значительным и представлять собой достаточно крупное месторождение. Такие ореолы вообще не фиксируются методом сопротивлений, но поляризуемость над скоплениями рудных вкраплений существенно (на порядок) превышает фоновые значения и создает интенсивные аномалии η (рис. 30)

Рис.30. Аномалия ВП над месторождением вкрапленных руд.

Возникновение вызванных потенциалов в таких ситуациях объясняют так называемой электронной поляризацией руд в присутствии подземных вод. Коэффициенты поляризуемости до 2 – 6 % наблюдаются над обводненными или нефтеносными рыхлыми осадочными породами с примесью глинистых частиц. В этих породах при пропускании тока происходит перераспределение и диффузия зарядов, адсорбированных на глинистых частицах. Возвращение среды в состояние равновесия после отключения тока сопровождается эффектом вызванной поляризации. Большинство магматических и метаморфических пород, как правило, не поляризуется, у них η = 1÷2%. Слабо поляризуются и породы, насыщенные минерализованной водой.

Далее попробуем составить какое-то представление об интерпретации материалов ВЭЗ.