Документ взят из кэша поисковой машины. Адрес оригинального документа : http://geophys.geol.msu.ru/STUDY/krym/fulltext.doc Дата изменения: Wed Apr 10 17:35:53 2002 Дата индексирования: Mon Oct 1 20:10:48 2012 Кодировка: Windows-1251 Поисковые слова: геофизика

Краткое пособие по электроразведке
на первой у?ебной геофизи?еской практике
в Крыму

Содержание
Введение 1
1. Основы метода сопротивлений 1
1.1. Удельное электри?еское сопротивление горных пород
1
1.2. Таблица электри?еских свойств горных пород района практики в Крыму
2
1.3.Геоэлектри?еские модели 2
1.4. Установки метода сопротивлений
5
1.5. Аппаратура для электроразведки методом сопротивлений
7
2. Электропрофилирование 8
3. Электри?еские зондирования 9
3.1. Искажения кривых электри?еских зондирований, вызванные
приповерхностными неоднородностями 12
4. Изу?ение анизотропных сред с помощью азимутальных наблюдений 15
4.1. Выбор установок 17
4.2. Результаты изу?ения анизотропии на плато Патиль.
19
Литература 20
Приложения 21

ВВЕДЕНИЕ

За несколько десятилетий на Крымской геофизи?еской практике
применялось много разных методов электроразведки (ВЭЗ, ЭП, ЕП, ВП, ДЭМП,
СДВР, ЧЗ, МТЗ), но наиболее уда?ное место в у?ебном процессе нашел метод
сопротивлений: электри?еские зондирования (ВЭЗ), профилирование (ЭП) и
азимутальные (круговые) наблюдения (АЭП).
Применение любого метода геофизики возможно там и тогда, где и когда
в разрезе находятся геологи?еские тела, обладающими разными физи?ескими
свойствами. Контраст свойств - первое необходимое условие применимости
геофизи?еских методов. Второе условие - размеры объекта должны быть
достато?но большими относительно глубины его залегания. Третье условие -
сигнал от объекта должен превышать уровень помех. После того, как развитие
аппаратуры помогло в зна?ительной степени преодолеть влияние
электромагнитных помех, главным фактором, ограни?ивающим возможности
электроразведки стало влияние геологи?еских помех. Подавление геологи?еских
помех позволяет резко повысить эффективность электроразведки.

1. Основы метода сопротивлений
1.1. Удельное электри?еское сопротивление горных пород

Удельное электри?еское сопротивление (УЭС) определяется как
сопротивление (отношение падения напряжения к силе протекающего тока)
единицы объема (1 м3) при пропускании тока ?ерез этот объем от одной грани
к противоположной. В отли?ие от сопротивления линейных проводников,
обозна?аемого в физике буквой R, электроразведка имеет дело с удельным
сопротивлением объемных проводников, обозна?аемым буквой r. УЭС горных
пород зависит от внутренних (минеральный состав и размеры минеральных
зерен, глинистость) и внешних (водонасыщенность, температура, пористость и
трещиноватость, минерализация влаги) факторов. При изу?ении верхней ?асти
геологи?еского разреза в процессе инженерно-геологи?еских исследований
приходится иметь дело с горными породами преимущественно осадо?ного
происхождения, не содержащих больших вклю?ений электронопроводящих
минералов. В этом слу?ае преобладает влияние на УЭС горных пород внешних
факторов.
Минерализация влаги в районе практики изменяется слабо, главным
образом под влиянием сильных осадков и продолжительных сухих периодов.
Поверхностные воды имеют сопротивление около 30 Ом.м. Температура горных
пород в верхней ?асти разреза в период практики также стабильна.
Водонасыщенность (или влажность) может меняться в довольно больших
пределах. Так известковистые пес?аники на плато Патиль не насыщены водой и
имеют сопротивление около 400 Ом.м, а те же пес?аники на плато Обсерватория
более водонасыщены и их сопротивление - 90 Ом.м.
Пористость пород меняется в зна?ительных пределах. Так, например,
пористые нуммулитовые известняки имеют сопротивление 160 Ом.м, а менее
пористые датские известняки - 800 Ом.м. К наиболее сильно влияющим
внутренним факторам следует отнести глинистость. Минералы глин обладают
наиболее высокой пористостью (60 - 70%), тогда как у песков 20-25%, а у
скальных пород еще меньше. Вода в порах глин находится в про?носвязанной
форме, сопротивление ее в этом слу?ае меньше, ?ем у свободной воды в
больших порах. Чистые глины имеют наиболее низкое сопротивление в районе
практики. Примесь глины в других породах, пес?аниках или известняках,
заметно уменьшает их УЭС. Мергель, как смесь известковистых и глинистых
составляющих обладает более низким сопротивлением, ?ем ?истый известняк.
Выветривание также понижает сопротивление пород, Так верхний слой выходящих
на поверхность пород таври?еской серии обладает на 30-40% более низким
сопротивлением, ?ем те же породы на глубине в несколько метров.

1.2. Таблица электри?еских свойств горных пород
района практики в Крыму

Четверти?ные отложения (Q) (=15 - 80 Ом.м
Нуммулитовые известняки (Симферопольская свита, палеоген, лютетский ярус)
(=100 - 160 Ом.м
Глины (Бах?исарайская свита, палеоген, ипрский ярус) (=10-30 Ом.м
Мергели (Ка?инская свита, палеоген, танетский ярус) (=20-50 Ом.м
Известняки (Белокаменская (Инкерманская) свита, мел, датский ярус) (=800
Ом.м
Мергели (Кудринская свита, мел, сантон, кампан, маастрихт) (=80-150 Ом.м
Известняки (Прохладненская свита, мел, верхний турон) (=100-300
Мергели (Белогорская свита, мел, сеноман) (=30-100
Пес?аники (Высокобугорская свита, мел, верхний альб) (=100-180
Мангушские отложения (Мангушская свита, мел, альбский ярус) (=4-200 (в
среднем 30)
Глины (Биасалинская свита, мел, аптский ярус) (=5-15 Ом.м
Известковистые пес?аники (Резанская свита, мел, валанжин - готерив -
баррем) (=90-1000 Ом.м (в среднем 400)
Таври?еский флиш (Таври?еская серия, триас - юра, пес?аники, алевролиты,
аргиллиты) ( = 30 - 150 Ом.м (в среднем 50), порода обладает сильной
анизотропией ( до 1.6.

1.3. Геоэлектри?еские модели

Геоэлектри?еская модель среды является фундаментальным понятием
электроразведки, так как лежит в основе решения прямых и обратных зада?.
Самая простая модель в электроразведке - это однородное безграни?ное
проводящее пространство. Решение зада?и о то?е?ном исто?нике постоянного
тока для такой модели показывает распределение потенциала и составляющих
плотности тока и напряженности поля. Тип модели определяет выбор системы
координат, в которой удобнее решать зада?у. В данном слу?ае - выбор
сфери?еской системы координат с центром в исто?нике является физи?ески
наиболее удобным. Но практи?еская применимость такой модели среды о?ень
ограни?ена.
Следующим приближением к реальным условиям электроразведки является
модель двух полупространств, или модель "земля -воздух". Подразумевается,
?то полупространство заполненное воздухом обладает бесконе?но высоким
сопротивлением, а земля - коне?ным - (1. То?е?ный (или иной) исто?ник тока
располагается на плоской поверхности земли или внутри нее. Для описания
такой модели удобно использовать прямоугольную или цилиндри?ескую систему
координат с осью Z, направленной вниз. Модель позволяет ввести понятие
нормального поля, кажущегося сопротивления. При изу?ении неоднородных сред
модель однородного проводящего полупространства служит базой для разделения
поля на нормальную и аномальную составляющие.
Теперь обсудим геоэлектри?еские модели неоднородных сред. Наиболее
сильные изменения свойств геологи?еской среды происходят по вертикали, как
в планетарном масштабе (осадо?ный ?ехол, земная кора, мантия), так и при
более детальных исследованиях (слоистые осадо?ные толщи, смена
электри?еских свойств пород с глубиной под влиянием изменений влажности,
выветривания, температуры в районах развития мерзлоты и т.д.). Поэтому
следующей по сложности после модели однородного полупространства можно
с?итать модель среды с изменением удельного сопротивления только по
вертикали. Ее называют одномерной моделью (1D) или моделью ((Z). В этой
модели разли?ают два слу?ая: когда ((Z) меняется непрерывно (градиентная
одномерная модель) и когда ((Z) - кусо?но-постоянная функция (горизонтально-
слоистая модель - наиболее ?асто используемая). Модель горизонтально-
слоистой среды (ГСС) является традиционной для методов зондирований, таких
как ВЭЗ, ДЭЗ и др.
Следующей по сложности геоэлектри?еской моделью неоднородной земли
является двумерно-неоднородная модель ((X, Z), или 2D. Внутри этой модели
можно выделить несколько ?астных слу?аев. Простейшими из них являются
вертикальный контакт и горизонтальный цилиндр, более сложными -
вертикальный пласт (жила) и вертикально-слоистая среда. Эти модели являются
базовыми для разли?ных модификаций электропрофилирования. Общим слу?аем
двумерной модели является разрез с произвольным распределением (, в котором
( может являться как кусо?но-постоянной функцией (x, z), так и непрерывной
(градиентной).
Наиболее сложная фундаментальная геоэлектри?еская модель -
трехмерная, когда ( = f (X, Y, Z), или 3D. Простейшие ?астные слу?аи такой
модели - локальные трехмерные тела (шар, эллипсоид, параллелепипед),
помещенные в однородное полупространство. Более сложными слу?аями являются
со?етания локальной трехмерной неоднородности, находящейся в одномерном или
двумерном геоэлектри?еском разрезе. Наиболее общий слу?ай - модель
произвольного трехмерного распределения УЭС.
Роль фундаментальных геоэлектри?еских моделей можно пояснить с
помощью понятий прямой и обратной зада?и геофизики. Под прямыми зада?ами
понимают определение (рас?ет) полей по известному распределению свойств
среды и исто?ников поля. Под обратными - нахождение распределения свойств
среды по известному полю. Основное назна?ение геофизики при исследовании
практи?еских геологи?еских ситуаций - это решение обратной зада?и. Но
решение обратной зада?и может быть полу?ено только для тех ситуаций, для
которых решены соответствующие прямые зада?и и как правило в рамках
определенной прямой зада?и. Тем самым потенциальные возможности
геофизи?еских методов определяются набором решенных на сегодняшний день
прямых зада?.
Реальная геологи?еская среда всегда трехмерна, так как трехмерно
окружающее нас физи?еское пространство. Но вести интерпретацию в рамках
трехмерных моделей о?ень трудно и для конкретных ситуаций не всегда
возможно. Во многих слу?аях в этом и нет необходимости. Чаще
геоэлектри?еская ситуация в масштабе решаемой зада?и удовлетворительно
описывается (аппроксимируется) более простыми моделями, обладающими меньшей
размерностью (двумерными или одномерными). Понижение размерности обратной
зада?и существенно упрощает ее: уменьшает ?исло определяемых параметров и
соответственно вы?ислительные затраты; снижает требования к коли?еству
экспериментальных данных; уменьшает неоднозна?ность решения обратной зада?и
(в рамках модели).
При исследовании сложно построенных сред широко используются понятия
нормальной и аномальной составляющих наблюденного поля. Нормальное поле
является решением прямой зада?и для некоторой упрощенной модели среды,
называемой нормальной моделью или нормальным разрезом. Под аномальной
?астью поля понимают составляющие поля, связанные с отклонением среды от
нормального разреза. В электроразведке в ка?естве нормального разреза
наиболее широко используются модели однородного полупространства и
горизонтально-слоистого разреза. Но в принципе, в ка?естве нормального
разреза можно использовать и другие модели. Например, для двумерной среды с
локальной трехмерной неоднородностью в ка?естве нормальной модели удобно
использовать двумерную среду.
Последовательность все усложняющихся нормальных моделей можно с?итать
нормальным рядом моделей. В таком ряду прямая зада?а для каждой следующей
модели может быть решена на основе решения предыдущей, более простой
зада?и. Примерами таких нормальных рядов моделей можно с?итать:
полупространство - вертикальный контакт - вертикально-слоистую среду; или
полупространство - двухслойную модель - слоистую модель с произвольным
?ислом слоев, слоистую модель с вклю?енными в нее локальными
неоднородностями. В общем слу?ае ряд 1D - 2D - 3D можно также рассматривать
как нормальный ряд моделей.
[pic]
Рис.1.1. Взаимосвязь основных составляющих геоэлектри?еской модели разреза.
До сих пор модели о которых шла ре?ь с?итались изотропными (то есть
предполагалось, ?то электри?еские свойства каждого слоя (тела) модели не
зависят от направления). Реальные среды ?асто обладают электри?еской
анизотропией, когда их свойства зависят от направления протекания тока.
Добавление анизотропии является усложнением модели и последовательность
изотропная - анизотропная модели можно рассматривать как пример нормального
ряда моделей. В тех слу?аях, когда свойства среды меняются под влиянием
анизотропии в плоскости (X, Y), исследования анизотропии можно вести с
помощью азимутального (кругового) электропрофилирования, когда
электроразведо?ная установка без изменения то?ки записи меняет свою
ориентацию в плоскости наблюдений. Когда кроме анизотропии в плоскости (X,
Y) происходят еще изменения свойств с глубиной - применяют азимутальное
(круговое) зондирование. Наиболее простой (нормальной) моделью анизотропной
среды является анизотропное полупространство (с вертикальным или наклонным
положением плоскости анизотропии). Более сложными моделями - вертикальный
контакт двух анизотропных полупространств, горизонтально-слоистая модель со
своей ориентацией анизотропии в каждом слое и т.д.
Модели в которых преобладают изменения свойств среды с глубиной
обы?но изу?аются методами электри?еских зондирований. Модели с
преобладающим изменением свойств по горизонтали - методами электри?еского
профилирования. Модели с анизотропией свойств в горизонтальной плоскости -
азимутальными (круговыми) наблюдениями (профилиро-ванием или
зондированием). Эта классификация моделей и применяемых для их изу?ения
модификаций электроразведки и положена в основу данного пособия.
Интерпретация наблюдений ведется в предположении той или иной модели среды,
как говорят - в рамках определенной модели. Реальные среды могут иметь
строение, то?нее описываемое комбинациями простых моделей.
На рис.1.1 представлена схема из диссертации Д.К.Большакова, где
изображены составляющие геоэлектри?еской модели разреза: ГСС -
горизонтально-слоистая среда; Н - 2D и 3D неоднородности (ГН - глубинные,
ППН - приповерхностные); А - анизотропное полупространство; и их
комбинации: ГСС+Н - горизонтально-слоистая среда с неоднородностями; ГСС+А
- слоисто-анизотропная среда; А+ППН - анизотропное полупространство с
приповерхностными неоднородностями; А+ГН - анизотропное полупространство с
глубинными неоднородностями.
На у?ебной практике студенты встре?аются с моделями Н (+ГСС),
изу?аемой электропрофилированием, ГСС+Н (и методикой СЭЗ - сплошных
электри?еских зондирований, разработанной для их изу?ения) и ГСС+А (при
изу?ении анизотропии таври?еской серии под перекрывающим слоем резанских
пес?аников на плато Патиль).

1.4. Установки метода сопротивлений

Термин "установка" в электроразведке методом сопротивлений
используется для обозна?ения взаимного расположения питающих (A, B) и
приемных (M, N) электродов. Выбор установки является важнейшим элементом
методики электроразведки и зависит от геологи?еских зада?, технологи?еских
условий, используемой аппаратуры, глубинности исследований, уровня помех.
Хотя за время существования метода было предложено большое коли?ество
разли?ных установок, новые варианты продолжают появляться и эта тема
кажется неис?ерпаемой. Рассмотрим основные типы установок и некоторые
соображения их выбора (см. рис.2.1).
По ?ислу движущихся или "рабо?их" электродов разли?ают установки
двухэлектродные (AM), трехэлектродные (AMN), ?етырехэлектродные (AMNB, ABMN
и др.) и многоэлектродные. В двухэлектродной установке всего 4 электрода,
но два из них отнесены в "бесконе?ность" и поэтому их влиянием
пренебрегают.
1) симметри?ная ?етырехэлектродная градиентная установка Шлюмберже
(MN< MN < r), 4) комбинированная (AMN+MNB), т.е. объединяющая две
трехэлектродных, 5) двухэлектродная потенциал-установка AM, 6) дипольная
экваториальная установка. Список установок можно продолжать долго. Например
установка Шлюмберже ?асто используется для ЭП с двумя разносами электродов
AB, разли?ающимися в 2-4 раза.
Метод сопротивлений используется для трех основных видов
исследований: зондирования, профилирования и изу?ения анизотропии
негоризонтальных напластований азимутальными (круговыми) наблюдениями
(зондированиями или ЭП). В каждом из них свои критерии выбора установок.
[pic]
Рис.1.2. Графики ЭП над вертикальным контактом для установок AM (U) и AMN
(E)
Например для зондирования горизонтально-слоистых сред установки
Шлюмберже и дипольная экваториальная теорети?ески эквивалентны, а для
изу?ения анизотропии негоризонтальных напластований резко разли?ны: первая
дает эллипс анизотропии с отношением осей (, а вторая - пропорциональный
(5. При профилировании наибольшие отли?ия имеют градиентные (E) и
потенциальные (U) установки: первые на контактах сред с разными
сопротивлениями дают резкие аномалии, так как напряженность поля на
контакте терпит разрыв, а вторые - более плавные аномалии, так как
потенциал на тех же границах непрерывен (рис.1.2). При ЭП по разному ведут
себя дипольная осевая и симметри?ная градиентная установка Шлюмберже
(рис.1.3). Для симметри?ной установки токовые линии вблизи то?ки измерения
(под MN) преимущественно горизонтальны, а для дипольной осевой - по?ти
вертикальны. Если объектом поиска является тонкий пласт высокого
сопротивления, то максимальная аномалия над ним полу?ится, когда токовые
линии будут перпендикулярны пласту. Над проводящим пластом максимальная
аномалия полу?ится при ориентации токовых линий вдоль пласта. Поэтому
вертикальный пласт высокого сопротивления сильнее проявится в установке
СЭП, а проводящий пласт - в ДОП (за с?ет концентрации в пласте токовых
линий). Тонкий горизонтально лежащий проводящий пласт сильнее отразится в
установке СЭП, а плохо проводящий - в ДОП.
[pic]
Рис.1.3. Структура поля для установок Шлюмберже и ДОП
Установка ДОП нашла широкое применение для ЭП, а ДЭП - для
зондирования и азимутальных исследований анизотропных сред. Дипольные
установки используются при глубинных электри?еских зондированиях, т.к.
требуют меньшей длины проводов, но нуждаются в мощных исто?никах тока.
Установка срединного градиента обеспе?ивает максимальную
производительность, возможность работы с несколькими измерителями
одновременно, но требует довольно мощных исто?ников тока.
Выбор установок определяется характером решаемых зада?, а более узко
- моделью среды. Большое разнообразие моделей способствует появлению новых
установок. Заранее то?ная модель среды обы?но не известна, поэтому выбор
установки должен опираться на обобщенную (базовую) модель среды и
соображения технологи?еского характера.
[pic]
Потенциал и электри?еское поле то?е?ного исто?ника постоянного тока
над однородным полупространством определяются формулами:
Из этих формул легко определить истинное сопротивление однородного
полупространства -(. Эта вели?ина в слу?ае неоднородных сред полу?ила
название кажущегося сопротивления -(к.
[pic]
Кажущееся сопротивление в методе сопротивлений расс?итывается по
сходным для разных установок формулам:
в которых K, - есть вели?ина обратная к вели?ине потенциала или плотности
тока в однородном полупространстве (нормального поля). Эту формулу для
анализа аномалий (к удобно преобразовать к виду:
[pic]
где j0 - плотность тока в однородном полупространстве, jMN - плотность тока
вблизи измерительных электродов в реальной среде, а (MN - сопротивление
среды в секторе между эквипотенциальными линиями, проходящими ?ерез
электроды M и N и ограни?енном снизу токовой линией для условно
максимальной глубины исследования.
Локальные объекты высокого и низкого сопротивления, попадая в сектор
между эквипотенциальными линиями M и N, изменяют (MN, а заставляя ток
обтекать высокоомные объекты и концентрироваться в низкоомных объектах,
изменяют jMN.
[pic]
Рис.1.4. Изменение глубинности для линий MN разной длины.
При этом вели?ина MN, является фактором относительного управления
глубинностью (рис.1.4). При уменьшении MN сектор между эквипотенциальными
линиями M и N становится уже и сравнивая этот сектор с лу?ом фонарика можно
сказать, ?то становясь более концентрированным он осредняет меньший объем
среды и увели?ивает относительный вклад удаленных объектов, т.е. светит
дальше. Однако удобнее управлять глубиной с помощью разноса питающих
электродов AB в установке Шлюмберже или расстояния между диполями r=OO' в
дипольных установках (смотри далее рис.3.3 и текст к нему).
[pic]
Рис.1.5. Идея поо?ередных наблюдений с установками AMN и MNB.
В МГУ широко используют в практике зондирований трехэлектродную
двухстороннюю (или комбинированную) установку, предложенную проф.
А.С.Семеновым. Коне?но необходимость организации заземления в
"бесконе?ности" создает некоторые затруднения, но преимущества при
выполнении зондирований неоднородных сред весьма заметны. Используя
аналогию то?е?ного исто?ника и исто?ника света ("фонарика"), можно
утверждать ?то поо?ередная подсветка объекта то с одной, то с другой
стороны, позволяет более наглядно по?увствовать его форму (рис.1.5).
Большой и до конца не осознанной проблемой электри?еских зондирований
и метода сопротивлений в целом является искажение наблюдений мелкими
приповерхностными неоднородностями (или влияние геологи?еских помех).

1.5. Аппаратура для электроразведки методом сопротивлений

Наиболее распространенной для электроразведки аппаратурой в конце 80-
х годов был комплект АНЧ-3 (АНЧ - аппаратура низкой ?астоты) на переменном
токе ?астотой 4.88 Гц, разработанный в ВИРГ-Рудгеофизика (Петербург), и
выпускавшийся заводом Виброприбор в Кишиневе. В 90-х годах на смену АНЧ-3
пришла аппаратура ЭРА, выпускаемая фирмой "ЭРА" и заводом "Геологоразведка"
в городе С.-Петербурге. Достоинства переменного тока в исклю?ении влияния
поляризации измерительных электродов, существенно больших ?увствительности
(пределы измеряемых напряжений милливольтметра ЭРА: от 1 мкВ до 1.999 В,
входное сопротивление 5 МОм.) и помехоустой?ивости измерений. Это позволило
проводить работы с малыми токами (10 мА), безопасными для ?еловека, резко
уменьшить вес исто?ников тока (генераторов). В аппаратуре ЭРА, кроме
?астоты 4.88 Гц, появились режимы постоянного тока и измерений на ?астоте
625 Гц. На ?астоте 625 Гц оказываются возможными бесконтактные измерения по
методике, разработанной Б.Г.Сапожниковым и другими специалистами НПО
"Рудгеофизика", до последнего времени не имевшие аналогов в мире. Они
позволяют резко повысить производительность работ в условиях затрудненных
заземлений, при работе в зимних условиях и т.д. В 1998 г. в ИКИ (Москва)
был разработан генератор на 4.88 Гц, отли?ающийся существенно меньшими
размерами и весом и управляемый одной кнопкой. С 1998 г. выпускается
измеритель ЭРА с памятью, позволяющий накапливать все измерения в памяти
прибора и затем перека?ивать их в компьютер.
Лу?шие образцы аппаратуры для метода сопротивлений других стран
отли?аются от аппаратуры типа ЭРЫ следующим: нали?ием встроенных
микропроцессоров и памяти, позволяющих контролировать работоспособность
всех узлов во время работы, гарантировать то?ность и помехоустой?ивость
(если отс?ет недостато?но то?ен, он не появится на табло) и запоминать
отс?еты. Результаты измерений из памяти прибора могут быть переданы в
компьютер для последующей обработки. В последнее время появились приставки,
обеспе?ивающие многоканальность измерения и возбуждения поля для работы с
многоэлектродными установками.

2. Электропрофилирование

[pic]
Рис.2.1 Некоторые типы установок ЭП
Электропрофилирование (ЭП) - модификация метода сопротивлений. ЭП
предназна?ено для изу?ения геологи?еских разрезов вдоль разведо?ных линий,
профилей, или по площади при нали?ии в разрезе горизонтальных
неоднородностей удельного электри?еского сопротивления: крутопадающих
контактов пород, тектони?еских нарушений, наклонных пластов, рудных тел,
интрузий и т.п.
При электропрофилировании размеры установки остаются неизменными, а
вся установка перемещается по профилю от то?ки к то?ке. Так как глубинность
исследования в основном определяется размерами установки, то при ЭП
глубинность остается примерно постоянной. На результаты ЭП оказывают
влияние все неоднородности верхней ?асти разреза от дневной поверхности до
максимальной глубины, равной 1/3 - 1/10 разноса АВ/2 (или расстояния R
между диполями, при использовании дипольных установок).
Для ЭП могут быть использованы разли?ные установки: симметри?ная
?етырехэлектродная, трехэлектродная, дипольная осевая и другие. Основные
виды установок ЭП приведены на рис.2.1. Здесь показаны установки: Шлюмберже
(1) MN< комбинированного профилирования (вклю?ающая две трехэлектродных AMN+MNB);
двухэлектродная (АМ) (5); дипольная экваториальная установка (6); установка
срединного градиента (7). Выбор той или иной установки определяется
характером решаемых геологи?еских зада? и структурой поля установки.
Расстояние между то?ками на профиле (шаг наблюдений) зависит от
масштаба съемки (шаг должен быть равен 2-5 мм в масштабе карты) и от
попере?ных размеров объектов. Рекомендуется выбирать шаг в 2-5 раз меньшим
видимой мощности объектов (в горизонтальном направлении) и по возможности
равным MN. Направления профилей следует выбирать вкрест простирания
изу?аемых объектов или структур.
Результаты ЭП вдоль отдельных профилей изображают в виде графиков
кажущегося сопротивления (к, расс?итываемого по формуле: (к=( (U / I, где К
- геометри?еский коэффициент установки (в метрах), (U - разность
потенциалов на приемных электродах MN (в мВ), I - сила тока в линии AB (в
мА). Ниже приведены общая формула для рас?ета геометри?еского коэффициента
любой установки и полу?енная из нее формула для коэффициента симметри?ной
?етырехэлектродной установки Шлюмберже.
[pic]
На графиках ЭП по оси абсцисс в линейном масштабе откладывают
положения то?ек наблюдений, а по оси ординат в линейном или логарифми?еском
масштабе - зна?ения (к. Вертикальный масштаб выбирается из соображений
наглядности. Если он арифмети?еский, то ось ординат обязательно на?инается
с нулевого зна?ения. Когда зна?ения (к изменяются в широких пределах,
используется логарифми?еский масштаб. Теорети?ески предпо?тительнее
логарифми?еский масштаб. Графики ЭП, являются основой для интерпретации, в
основе которой лежит ка?ественной соответствие поведения графиков (к и
распределения сопротивлений в разрезе. Минимумами (к на графиках ЭП
отме?аются локальные объекты низкого сопротивления, а максимумами (к -
объекты высокого сопротивления.
При использовании ЭП с двумя разносами AB каждому разносу
соответствует своя глубина исследования. Сопоставление графиков ЭП для двух
разносов позволяет понять, какие объекты, приповерхностные или глубинные,
проявились на графиках, оценить вертикальную мощность этих объектов.
Интересно, ?то ЭП с двумя линиями MN тоже обладает разной глубинностью.
Впро?ем при профилировании с двумя MN главное - это ?увствительность к
локальным объектам. Если длина MN больше ширины объекта, реакция ЭП на него
(аномалия) резко снижается, а если MN меньше размеров объекта, то реакция
(аномалия) - максимальна.
Интерпретация ЭП в основном ка?ественная, в редких слу?аях
коли?ественная. При интерпретации результатов ЭП используется несколько
правил.
Первое - ка?ественное соответствие аномалий rк и сопротивлений
объекта по отношению к вмещающей среде. Аномалии повышенного сопротивления
соответствует объект более высокого сопротивления, а аномалии пониженного
(к - проводящий объект.
Второе - над однородным полупространством кажущееся сопротивление
совпадает с истинным.
Третье - более резкие изменения rк соответствуют меньшим глубинам их
исто?ника.
Четвертое - для более надежной интерпретации ЭП о?ень важно иметь не
один график ЭП, а два или более и сопоставлять их. Это могут быть графики
ЭП с разными установками, ЭП с двумя AB или двумя MN.
Пятое - ?ем лу?ше мы представляем себе геологи?ескую ситуацию, тем
надежнее удается объяснить все особенности ЭП.
[pic]
Рис.2.2. Графики ЭП по линии Обсерватория - МГРИ и схемати?еский
геологи?еский разрез
Первое представление о геоэлектри?еском разрезе района практики может
дать электропрофилирование по маршруту Обсерватория - база МГРИ (рис.2.2).
При использовании установки ЭП с двумя питающими линиями AB = 30 и 100 м с
MN 10 м и шагом по профилю 30 м все основные элементы геологи?еского
разреза (рис.2.2, Б) ?етко выявляются на графиках ЭП (рис.2.2, А). С
помощью электроразведки полу?ена новая геологи?еская информация о характере
контакта резанских пес?аников (K1h) и биасалинских глин (K1ap) (ПК 0.48) и
о строении г. Придорожной (ПК 2.5-2.7).

3. Электри?еские зондирования

В ходе краткого курса лекций и лабораторного практикума по
электроразведке в Москве студенты познакомились с методом вертикального
электри?еского зондирования (ВЭЗ) в его традиционном (класси?еском
варианте). Напомним основные положения ВЭЗ.
Метод ВЭЗ предназна?ен для изу?ения горизонтально-слоистых сред (или
полого-залегающих сред с углами наклона не более 15-20(). Для ВЭЗ обы?но
используется симметри?ная ?етырехэлектродная установка Шлюмберже. На каждом
разносе измеряются зна?ения тока в AB и напряжения в линии MN по которым
вы?исляется rк. Основная идея ВЭЗ - ?ем больше разнос установки, тем больше
глубина исследования. Идея основана на законе распределения плотности тока
с глубиной. Плотность тока, то?нее ее горизонтальная составляющая Jx в
середине разноса AB меняется с глубиной z относительно плотности тока на
поверхности Jx0 по следующему закону:
[pic]
[pic]
Рис.3.1. Изменение плотности тока с глубиной для трех разносов R.
На поверхности земли (z=0) плотность тока будет максимальной, а с
глубиной она убывает (рис.3.1). Для увели?ения плотности тока на какой-то
глубине, а зна?ит для увели?ения глубины исследования, необходимо увели?ить
разнос R. В среднем глубину исследования метода ВЭЗ можно оценить как 1/3
R. Если интересующая нас граница находится на глубине H, то максимальный
разнос для ее надежного обнаружения должен быть не менее 3H. При этом
на?альный разнос обы?но не связывают с глубиной этой границы, а берут
равным 1-1.5 м. Малые разносы нужны для определения свойств слоев выше
интересующей нас границы, ?то необходимо для интерпретации всей кривой ВЭЗ.
Традиционная методика ВЭЗ состоит в следующем: В центре зондирования
располагают линию MN, приборы, катушки для разноса питающих электродов. В
процессе зондирования питающие электроды разносят по прямой линии
симметри?но относительно центра установки, так ?тобы разносы возрастали в
геометри?еской прогрессии с коэффициентом 1.2-1.5. Геометри?еская
прогрессия при построении кривой зондирования на билогарифми?еском бланке
дает равномерный шаг то?ек на кривой. Разнос приемных электродов MN не
должен превышать 1/3 минимального разноса AB. Когда с ростом разносов AB
измеряемый сигнал убывает и приближается к пределу ?увствительности
прибора, то линию MN следует увели?ить. Сегменты кривой ВЭЗ для разных длин
MN измеряют с некоторым перекрытием. Несовпадение этих сегментов называют
"воротами". То?ки ВЭЗ располагают по отдельным профилям или равномерно по
площади. Чтобы избежать слу?айных ошибок при выполнении ВЭЗ обы?но по
результатам измерений сразу расс?итывают rк и наносят о?ередную то?ку на
график, контролируя гладкость кривой ВЭЗ. Кривые ВЭЗ интерпретируют с
помощью наборов теорети?еских кривых, собранных на отдельных листах -
палетках, или на ЭВМ. При интерпретации важно правильно оценить по виду
кривой ВЭЗ ?исло слоев и соотношение сопротивлений в разрезе. Для этого
кривую ВЭЗ сравнивают с трехслойными модельными кривыми (рис.3.2),
названными буквами K, H, Q, A.
[pic]
Рис.3.2. Основные типы трехслойных кривых ВЭЗ
Как правило интерпретация ВЭЗ нуждается в дополнительной информации о
разрезе: ?исле слоев, сопротивлениях и мощностях отдельных слоев. Искусство
интерпретатора состоит прежде всего в умении собрать и использовать
дополнительную геологи?ескую информацию. Коли?ество слоев, выделяемых на
кривой ВЭЗ, может не совпадать с геологи?ески известным ?ислом слоев в
разрезе. Отдельные группы слоев могут не разли?аться по электри?еским
свойствам. Физи?еские границы (уровень грунтовых вод, выветривание) могут
увели?ивать видимое на ВЭЗ ?исло слоев. С у?етом геологи?еской ситуации на
первом этапе интерпретации осуществляется идентификация геоэлектри?еских
горизонтов и их привязка к определенным слоям. После этого уже выполняется
коли?ественная интерпретация.
Практика интерпретации ВЭЗ показала, ?то более ка?ественных
результатов можно добиться применяя групповую интерпретацию ВЭЗ. Ее
принципы можно сформулировать в следующем виде:
1) Коли?ественной интерпретации должен предшествовать этап
ка?ественного анализа данных ВЭЗ и их сопоставления с имеющейся
дополнительной (в том ?исле геологи?еской) информацией о разрезе.
2) Последовательность интерпретации - от простых кривых к более
сложным, от то?ек с известным разрезом к менее известным, от однозна?но
интерпретируемых к эквивалентным, от менее искаженным к более искаженным.
3) Когда это возможно, интерпретация проводится с закрепленными
параметрами слоев (обы?но сопротивлением), ?то уменьшает пределы действия
эквивалентности.
По результатам интерпретации ВЭЗ строят геоэлектри?еский разрез
(ГЭР). По горизонтали при построении ГЭР откладывают расстояния по профилю
наблюдений, по вертикали - глубину. В каждой то?ке ВЭЗ от поверхности земли
откладывают мощность первого слоя, от нее вниз - мощность второго и т.д.
При объединении результатов интерпретации каждой то?ки ВЭЗ в ГЭР соединяют
слои с близкими зна?ениями сопротивлений, у?итывая при этом и имеющуюся
дополнительную информацию о строении среды.
После 1991 г. во многих странах на смену традиционным электри?еским
зондированиям пришла новая методика, впервые использованная в России
А.А.Либерманом и В.К.Хмелевским и полу?ившая в МГУ название "сплошных
электри?еских зондирований" - СЭЗ. Методика отли?ается от ВЭЗ высокой
плотностью наблюдений и более надежными геологи?ескими построениями.
Разносы ВЭЗ возрастают в геометри?еской прогрессии в соответствии с
принципом зондирования. Разносы СЭЗ возрастают в арифмети?еской прогрессии
с постоянным (линейным) шагом, к тому же равным шагу зондирований по
профилю. (Приме?ание. Для регистрации на?альной ветви кривой зондирования в
СЭЗ иногда применяют более ?астый шаг роста малых разносов, логарифми?еский
или линейный.) То?ки ВЭЗ размещают по профилю с линейным шагом, но не
связанным с сеткой разносов ВЭЗ. У СЭЗ шаг по профилю жестко связан с
сеткой разносов. Для ВЭЗ обы?но используется установка Шлюмберже, для СЭЗ
двухсторонняя трехэлектродная установка AMN+MNB. Основной формой
представления ВЭЗ является кривая зондирования, а СЭЗ - разрезы rк. Два
основных разреза rк для установок AMN и MNB дополняются системой
трансформаций (V, D, G, Z, X) позволяющих на разрезах увидеть проявление
геологи?еских помех и глубинных структур. Система наблюдений, применяемая в
СЭЗ позволяет превратить искажения от приповерхностных неоднородностей из
слу?айных (для ВЭЗ) в регулярные. С регулярной помехой лег?е бороться,
поэтому в СЭЗ разработаны эффективные системы подавления геологи?еских
помех, использующие свойство регулярности их проявления (программы Median и
MPC). При профильных работах с установкой AMN+MNB за направление профиля
принимается направление от меньших к большим номерам пикетов. Установкой
AMN с?итается установка с питающим электродом, движущимся в сторону на?ала
профиля, а MNB - в сторону конца профиля.

3.1. Искажения кривых электри?еских зондирований,
вызванные приповерхностными неоднородностями.

Электри?еские зондирования можно выполнять с разными установками:
Шлюмберже, Веннера, AMN+MNB, AM, дипольной осевой AB_MN и др. Даже с
трехэлектродными установками AMN+MNB можно зондировать по разному: с
неподвижной линией MN и движущимися питающими электродами и наоборот, с
неподвижным питающим электродом и движущейся линией MN (методика то?е?ных
зондирований - ТЗ). При выполнении зондирования установка может
расположиться вблизи приповерхностной неоднородности (ППН). Так как
установка зондирования состоит из неподвижного элемента установки и
движущегося, то возможны слу?аи, когда неподвижный элемент установки попал
в пределы ППН, или движущийся элемент пересек ППН. Кроме того, искажение
зависит от вида элемента установки. Следует разли?ать дипольный элемент
установки (MN) и одино?ный элемент (электрод A или B). Так как коли?ество
возможных вариантов с у?етом разных установок, и того, ?то движется
(дипольный или одино?ный элемент), где находится неоднородность - под
неподвижным элементом или пересекается движущимся, это коли?ество вариантов
о?ень велико, то ограни?имся установкой AMN+MNB с неподвижной MN.
Рис.3.3 показывает, как проявляется полусфери?еская ППН на кривых
электри?еского зондирования для трехэлектродной установки AMN с то?кой
записи, относимой к неподвижному элементу установки. Кривая 0 соответствует
фоновому двухслойному разрезу без ППН. Кривые 1, 2, 3, 4 отве?ают разли?ным
вариантам встре?и (б) элементов установки AMN с ППН. В слу?ае 1 неподвижный
диполь MN находится над ППН в 3 м правее центра, а одино?ный электрод A
перемещается вправо. В слу?ае 2 одино?ный электрод A находится над ППН в 3
м правее центра, а перемещается диполь MN. В слу?ае 3 неподвижный одино?ный
электрод находится вне ППН, а подвижный диполь MN проходит над
неоднородностью. В слу?ае 4 неподвижный диполь MN находится вне ППН, а
одино?ный электрод проходит над ней.
[pic]
Рис.3.3. Модель (а), варианты встре?и с ППН (б) и кривые AMN зондирований
(в)
В рассматриваемых слу?аях мы наблюдаем искажения двух типов: 1)
квазиконформные (слу?аи 1 и 2 на рис.3.3), 2) неконформные (слу?аи 3 и 4 на
рис.3.3). Квазиконформные искажения наблюдаются, когда неподвижный элемент
установки попадает в пределы ППН. Здесь кривая (К смещается по оси
сопротивлений, по?ти не меняя своей формы. Неконформные искажения
наблюдаются в слу?аях 3 и 4, когда подвижный элемент установки проходит над
ППН. Здесь меняется форма у?астка кривой (К, отве?ающего прохождению
элемента установки над ППН. Отметим, ?то дипольный элемент установки в этом
слу?ае дает более сильные по амплитуде эффекты, ?ем одино?ный (поле
наиболее резко меняется на границах ППН). Отметим также, ?то слу?аи 2 и 3
соответствуют методике то?е?ных зондирований (ТЗ) - питающий электрод A
неподвижен, измерительный диполь MN перемещается вдоль профиля, то?ка
записи относится к электроду A.
Для ?асто используемой нами установки AMN с то?кой записи в середине
неподвижной линии MN, искажения, связанные с питающим и измерительным
элементами, разли?ны по амплитуде и по форме. Поэтому для их описания мы
используем более локальные термины - Р и С эффект.
[pic]
Рис.3.4. Проявление Р-эффекта на сегментированной кривой ВЭЗ
P- (или S-) эффект - это искажения неоднородностями вблизи приемных
электродов. P-эффект - от "potential" - измерительных электродов, а S-
эффект - был так впервые назван М.Н.Берди?евским и использовался в МТЗ для
описания аналоги?ного эффекта; название произошло от термина "sigma" -
проводимость. Р-эффект проявляется как вертикальный сдвиг всей кривой или
ее сегментов по оси сопротивлений без изменения формы. Если кривая не
сегментирована, то P-эффект обнаруживается при сопоставлении этой кривой с
соседними, а для сегментированной кривой - по заметному расхождению
сегментов по вертикали при сохранении общей формы кривой (рис.3.4).
Устранение P-эффекта называется нормализацией кривой.
[pic]
Рис.3.5. Р-эффект на полевых данных ВЭЗ (д.Красное, Куликово поле)
Для сегментированной кривой сна?ала осуществляется ?асти?ная
нормализация (все сегменты сдвигаются до соприкосновения друг с другом).
Сопоставляя кривые по профилю, можно осуществить более полную нормализацию,
приводя все кривые к одному базовому уровню - к той ?асти всех кривых,
которая наиболее выдержана по профилю (рис.3.5). На рис.3.5 показаны
результаты ВЭЗ на археологи?еском объекте у дер. Красное на Куликовом поле.
Шаг между зондированиями равен 1 м, а разносы - до 20 м. Разный уровень
кривых ВЭЗ на рис.3.5,а не может быть вызван глубинными объектами, хотя на
разрезе [pic] изолинии напоминают волнистую структуру. После нормализации
кривых разрез [pic] выглядит как горизонтально-слоистый (рис.3.5, г).
[pic]
Рис.3.6. Проявление P (вверху) и C-эффекта (внизу) на псевдоразрезе (К (а)
и его V трансформации (б)
[pic]
Рис.3.8. Эффекты искажений (тройные линии) от ППН (?ерные прямоугольники)
для разных установок.
C - эффект - это искажения кривых ВЭЗ приповерхностными
неоднородностями, вызванные движущимися над ППН питающими электродами (С
эффект - от слова "current"). Хотя отражения на графиках профилирования и
зондирования моментов перехода перемещаемого питающего электрода ?ерез
приповерхностную неоднородность (контакт, пласт: полусферу и т.п.) были
известны давно из работ И.М.Блоха, В.Р.Бурсиана, А.И.Забо-ровского и др.,
но как серьезная при?ина искажений кривых зондирования С - эффект был
осознан в 1991 г., сна?ала на результатах математи?еского моделирования и
лишь после этого на экспериментальных данных. При?ина в том, ?то при
стандартной методике зондирования и на разрезе кажущихся сопротивлений его
о?ень трудно распознать. Проявление С-эффекта на кривой AMN над
полусфери?еской ППН показано на рис.3.3 (кривая 4), а проявление на
псевдоразрезе (К - на рис.3.6,а. Сильная вертикальная аномалия на рис.3.6,а
- это Р - эффект, а С-эффект можно заметить по искривлению изолиний в виде
наклонной зоны на разрезе (К под углом 45( (вправо вниз). Намного более
?етко С-эффект виден на V-трансформации (производной (К по разносу)
(рис.3.6,б). Когда питающий электрод попадает в неоднородность, кривая ВЭЗ
заметно искажается на 1-2 разносах за с?ет резкого перераспределения
плотности тока в разрезе. С-эффект обладает рядом особенностей, делающих
его еще более опасным, ?ем P-эффект: а) изменяется форма кривой и
следовательно, тип разреза и видимое ?исло слоев; б) на серии кривых ВЭЗ по
профилю он проявляется на разрезе (К как наклонный слой, при?ем с
использованием линейного масштаба по оси разносов он выглядит
прямолинейным, а с использованием логарифми?еского масштаба - изогнутым; в)
при стандартной методике зондирований с ?етырехэлектродной установкой
Шлюмберже и логарифми?еским шагом увели?ения разносов С-эффект может
возникать то от электрода A, то от B, и на соседних кривых по профилю
проявляться нерегулярно, лишь при то?ном попадании питающего электрода в
неоднородность. При этом пропадает главный диагности?еский признак - форма
искажения; г) на разрезах (К С-эффект виден не о?ень заметно за с?ет
фоновых изменений поля.
На рис.3.7 показано происхождение C-эффекта, возникающего от одной
ППН при измерениях с разными то?ками расположения неподвижного диполя MN и
одним подвижным электродом A, проходящим над ППН (темный прямоугольник).
Система координат: расстояние по профилю (вправо), разнос АО (вниз). То?ка
записи относится к MN.
[pic]
Рис.3.7. Схема возникновения C-эффекта.
При выборе линейного масштаба по оси разносов AO в данной системе
координат, соответствующей разрезу (К, C-эффект проявит себя как линейная
зона искажений, наклоненная под углом 45?. Так как разносы AO на?инаются с
некоторого Rmin, и разрез (К рисуется с этого уровня, показанного на
рис.3.7 горизонтальной линией, то аномалия от C-эффекта подходит к этому
уровню не в то?ке факти?еского размещения ППН, а на расстоянии Rmin от нее,
?то у?итывается на рис.3.8. Рис.3.8 представляет искажающие эффекты,
вызванные ППН в системе координат разреза (К для разных установок. Слу?аи 4
и 5 соответствуют трехэлектродной установке AMN и MNB, с то?кой записи в
центре MN. Попадание MN в ППН вызывает P-эффект (показан вертикальными
линиями), а попадание токовых электродов A или B - вызывает C-эффект
(показан наклонными линиями). Для установки Шлюмберже (слу?аи 2 и 3) от
каждой ППН распространяются три лу?а искажений (вертикально вниз - P-эффект
и два лу?а от C-эффектов, расходящихся от ППН с ростом разноса AO. Для
нескольких ППН (слу?ай 3) искажающие эффекты накладываются друг на друга и
в результате возрастает общий уровень геологи?еских помех и уменьшаются
возможности корреляции кривых ВЭЗ по профилю, вплоть до полной потери
возможности прослеживания границ в разрезе. Слу?ай 1 на рис.3.8
соответствует установкам AM и ABMN (ДОЗ) с то?кой записи в центре установки
и расходящимися в процессе зондирования симметри?но относительно центра
обоими элементами установки. В этом слу?ае токовые и приемные элементы
установок эквивалентны, поэтому ППН вызывает появление двух одинаковых
линии искажений, расходящихся на разрезе (К под углом 45?. Искажения для
установки Веннера имеют наиболее сложную форму. Так как одновременно растут
как разносы AB, так и MN, и при этом с разной скоростью, а то?ка записи
остается неподвижной, то углы наклона зон искажений от электродов AB и MN
на разрезе (К разли?аются. При нали?ии нескольких ППН все эти зоны
накладываются друг на друга, и поле (К оказывается о?ень сложным.
[pic]
Рис.3.9. Схема г. Придорожной с профилями ВЭЗ и ЭП и разломами: 1 -
предполагаемые разломы; 2 - профили ВЭЗ и ЭП; 3 - автодорога; 4- изолинии и
отметки рельефа; 5-выходы маркирующего слоя пес?аников
В ходе у?ебной практики мы изу?али разрезы г. Придорожной между
базами МГУ и МГРИ, сна?ала методом ЭП, а затем - СЭЗ (рис.3.9). Профиль 1
длиной 300 м, представленный на рис.3.10 и 3.11, изу?ен двухсторонними
трехэлектродными зондированиями (AMN и MNB) с шагом ВЭЗ по профилю 10 м.
Разносы АО от 2 до 100 м. Разрезы кажущихся сопротивлений (рис.3.10) о?ень
выразительно представляют эту структуру. Хорошо заметна разница между
разрезами (К для AMN и MNB (рис.3.10), которая показывает, ?то результаты
сильно искажены горизонтальными неоднородностями и без коррекции их нельзя
удовлетворительно проинтерпретировать. Введение поправок за искажающее
влияние приповерхностных неоднородностей проводится с помощью алгоритмов и
программ пакета IPI-2D. После введения поправок данные можно
проинтерпретировать то?нее и надежнее.
На рис.3.11 показан геоэлектри?еский разрез по результатам
интерпретации СЭЗ по профилю 1. Судя по рис.3.11 разрез г. Придорожной
является грабенообразной структурой, в которой тело известняков с
вертикальной мощностью 20 м ограни?ено двумя субвертикальными разломами.
Вмещающий разрез сложен рыхлыми мергелями.
[pic]
Рис.3.10. Разрезы (К СЭЗ для установок AMN и MNB (Придорожная, ПР1)
[pic]
Рис.3.11. Геоэлектри?еский разрез г. Придорожной: 1- мергели; 2 -
известняки; 3 разрушенные известняки; цифры в рамках -сопротивления слоев
С 1992 г., когда впервые применили методику СЭЗ на г. Придорожной,
этот район исследован по нескольким профилям СЭЗ (1,2,3) и обы?ному ЭП
(пр.4). Строение этого у?астка в плане (по данным Л.М.Расцветаева,
подтвержденным электроразведкой, рис.3.9) представляется в виде клина,
ограни?енного двумя тектони?ескими нарушениями, сходящимися в восто?ном
направлении. В пределах центрального блока породы опущены, в результате по
разломам контактируют породы с разным возрастом и свойствами. В восто?ной
?асти этого блока на поверхность выходят известняки (слагающие вершину
Придорожной), а западнее шоссе известняков нет, но свойства пород внутри
блока заметно отли?аются от свойств вмещающих грабен толщ.

4. ИЗУЧЕНИЕ АНИЗОТРОПНЫХ СРЕД С ПОМОЩЬЮ АЗИМУТАЛЬНЫХ НАБЛЮДЕНИЙ

[pic]
Рис.4.1. Анизотропия от слоистости
[pic]
Рис.4.2. Анизотропия от ориентировки удлиненных или сплющенных зерен
породы.
[pic]
Рис.4.3. Анизотропия от трещиноватости в 1, 2 или 3 направлениях.
Электри?еская анизотропия горных пород проявляется в зависимости УЭС
породы от разли?ных направлений пропускания тока. Истинное УЭС вкрест
слоистости превышает УЭС вдоль нее. При?ины, вызывающие анизотропию свойств
горных пород (разли?ные зна?ения свойств в разных направлениях):
слоистость, особенности текстуры и структуры, существование преобладающего
направления трещиноватости, нали?ие напряженного состояния и др. Многие
осадо?ные породы с явно выраженной слоистостью (микрослоистостью) являются
анизотропными по удельному электри?ескому сопротивлению. В породах с
определенной ориентировкой удлиненных или сплюснутых зерен анизотропия
может быть следствием зернистости. Будем разли?ать слу?аи анизотропии
электри?еских свойств для горизонтально-слоистых сред и негоризонтальных
напластований. На практике мы изу?аем только второй слу?ай. Когда
анизотропная толща залегает наклонно или вертикально, то анизотропия
обнаруживается явно, например с помощью азимутального (кругового)
профилирования и проявляется в зависимости зна?ений кажущегося
сопротивления от ориентации установки. При этом кажущееся сопротивление
вкрест слоистости нередко оказывается меньше (К вдоль слоистости. Этот
известный факт полу?ил название парадокса анизотропии.
Термин "парадокс" хорошо подходит для описания явления анизотропии,
при изу?ении которой довольно ?асто приходится встре?аться с неожиданными и
противоре?ивыми эффектами. Примеры таких эффектов можно на?ать с УЭС
анизотропных сред.
Рассмотрим анизотропию слоистости, вызванную ?ередованием двух тонких
слоев равной мощности, но разли?ного сопротивления. Из школьных
представлений о последовательно и параллельно соединенных линейных
проводниках можно предположить, ?то УЭС такой среды вкрест простирания
будет больше большего, и по простиранию - меньше меньшего из двух УЭС.
Однако, расс?итывая УЭС системы ?ередования слоев нужно помнить, ?то для
рас?ета средних продольных и попере?ных сопротивлений объемных проводников
используются не ( слоев непосредственно, а связанные с ними S и T слоев.
[pic]
[pic]
откуда r(( или rL = h(/S(,
а r( или rN = T(/h(
Полагая, ?то h1=h2, полу?им
[pic]
Задав, например r1 = 1 Ом.м, а r2 = 10 Ом.м, полу?им rL = 1.9 Ом.м и
rN = 5.5 Ом.м, ?то отли?ается от интуитивно ожидаемых зна?ений rN и rL.
Коэффициент анизотропии такой модели l=1.7, ?то также кажется подозрительно
мало при десятикратном разли?ии УЭС исходных слоев. Неравные мощности слоев
еще более усложняют эту картину.
Пере?ислим основные параметры анизотропии. Обозна?им истинное УЭС по
простиранию анизотропной толщи ?ерез (L, а вкрест простирания ?ерез (N.
Квадратный корень из отношения (N к (L - это коэффициент анизотропии (, а
корень из их произведения - среднее квадрати?ное сопротивление (М.
Расположим на?ало системы координат на поверхности земли в то?ке А, где
находится исто?ник тока с силой I. Ось Z направлена вертикально вниз, ось Х
- по простиранию, а ось Y - вкрест простирания анизотропной среды. Угол
падения анизотропной толщи - (, а угол между линией простирания и линией
разноса R от электрода А к то?ке измерения М - (.

4.1. Выбор установок

Для изу?ения анизотропных комплексов горных пород применяются
азимутальные наблюдения (обы?но азимутальное ЭП - АЭП), реже азимутальные
зондирования - АЭЗ).
Вообще говоря, для изу?ения анизотропии с помощью азимутального
профилирования можно использовать любые установки метода сопротивлений.
Однако хотелось бы добиться со?етания высокой производительности и
помехоустой?ивости, информативности и устой?ивости к воздействию помех. Эти
требования в зна?ительной степени являются взаимоисклю?ающими. Наиболее
широко при изу?ении анизотропии с помощью азимутального ЭП применяется 4-
электродная установка Шлюмберже, реже - трехэлектродная AMN. Природные
среды отли?аются малыми коэффициентами анизотропии (?аще 1.05-1.2, реже 1.5-
2), поэтому эффективность АЭП с такими установками невелика. Определяемыми
параметрами являются азимут простирания анизотропной толщи и отношение осей
эллипса. При вертикальном залегании это отношение равно истинному
коэффициенту анизотропии, при наклонном залегании имеет смысл кажущегося -
(К.
В своих работах профессор ЛГУ А.С.Семенов отметил, ?то необходимо
отдавать предпо?тение такой установке которая наименее ?увствительной к
влиянию неоднородностей разреза. Вместе с тем он обнаружил высокую
?увствительность к анизотропии дипольной экваториальной установки и изу?ил
особенности ее поля.
[pic]
Рис.4.4. Зависимости радиальной и азимутальной компонент над анизотропной
средой от азимута Параметры модели: rL=1, rN=3
А.С.Семенов обратил внимание геофизиков на следующие особенности в
изу?ении анизотропных сред методом сопротивлений. 1. Все установки с
ориентацией электродов по одной прямой на поверхности земли (AM, AMN, AMNB,
радиальная AB_MN - линейные установки) дают равнозна?ную информацию, т.е.
иденти?ные эллипсы кругового профилирования. 2. При заземлении питающих и
приемных электродов на поверхности земли нельзя определить направление и
угол падения, а только азимут простирания анизотропной толщи. 3. Заземление
на глубине дает возможность определить все параметры анизотропии. 4.
Дипольная экваториальная установка (ДЭП) обладает существенно большей
?увствительностью к анизотропии с отношением осей эллипса для вертикального
залегания толщи (5, вместо ( для линейных установок.
Из работ А.С.Семенова можно сделать вывод, ?то поиск новых методик
изу?ения анизотропии не следует вести на основе линейных установок;
наоборот, нужно обратить внимание на установки, у которых электроды
расположены не на одной линии, и на установки с погруженными на глубину
питающими электродами.
[pic]
Рис.4.6. D, T и Y-установки
[pic]
Рис.4.5. Линии плотности тока, напряженности поля и эллипс rк в
анизотропной среде.
В однородной изотропной среде электри?еское поле то?е?ного исто?ника
имеет только радиальную компоненту, для которой и вводится понятие
кажущегося сопротивления. В анизотропной среде к ней добавляется
азимутальная компонента (рис.4.4). По одной азимутальной компоненте нельзя
определить кажущееся сопротивление, так как в однородном изотропном
полупространстве эта компонента равна нулю. Радиальная и азимутальная
компоненты поля то?е?ного исто?ника в анизотропной среде по разному зависят
от азимута установки (рис.4.4). В анизотропной среде направления векторов
напряженности электри?еского поля не совпадают с направлениями векторов
плотности тока (рис.4.5). Зна?ит в дифференциальной записи закона Ома
сопротивление анизотропной среды оказывается тензором.
Линейная установка регистрирует только радиальную составляющую
электри?еского поля и все линейные установки по ?увствительности к
анизотропии равнозна?ны.
[pic]
Рис.4.7. Эллипсы анизотропии для линейных (1) и нелинейных (2) установок
К нелинейным установкам, которые регистрируют сумму компонент
электри?еского поля - радиальной и азимутальной, кроме дипольной
экваториальной (D) можно отнести Т и Y-установки (рис.4.6). Благодаря
радиальной составляющей такая нелинейная установка позволяет расс?итать rк,
а благодаря азимутальной составляющей она приобретает высокую
?увствительность к анизотропии (рис.4.7). Секрет высокой ?увствительности
D, T и Y установок к анизотропии заклю?ен в со?етании измерения радиальной
составляющей и двух антипараллельных измерений азимутальной составляющей,
выполняемых одновременно или последовательно, но со смещением на малое
расстояние (на длину AB или MN). В D-установке измеряется одно зна?ение (U
(но оно формируется под влиянием двух одновременно действующих то?е?ных
исто?ников разного знака A и B), а в T-установке последовательно измеряются
два (U от одного исто?ника, но двумя противоположно направленными линиями
MN. В обоих слу?аях D и T установки являются со?етанием двух Г-образных
установок, поэтому D и Т-установки полностью эквивалентны, а Y-установка
отли?ается от них лишь большей вели?иной радиальной компоненты.
При изу?ении анизотропии среды влияние неоднородностей может быть
соизмеримо с эффектом анизотропии или даже намного превышать его. Но так
как ?увствительность разных установок к неоднородности среды примерно
одинакова, а к анизотропии сильно разли?ается (от l до l5), то применение
нелинейной установки дает шанс на более успешное выявление влияния
анизотропии на фоне неоднородностей.
Проявления анизотропии электри?еских свойств, которые наиболее ярко
представлены в районе плато Патиль в породах таври?еской серии, ?асти?но
перекрытых горизонтальными напластованиями резанских пес?аников, делают
район Крымской у?ебной практики уникальным. Свойство электри?еской
анизотропии, вызванное тонким переслаиванием слоев разной литологии и,
следовательно, с разным сопротивлением довольно широко распространено в
природе и вызывает немало затруднений при интерпретации данных
электроразведки. Но в районе практики анизотропные породы встре?аются как
бы в ?истом виде: они выходят на поверхность, залегают с крутым падением,
тонкослоисты относительно размеров электроразведо?ных установок, ?то делает
этот район исклю?ительно уда?ным для изу?ения анизотропии с помощью
азимутальных электри?еских профилирований и зондирований.

4.2. РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗУЧЕНИЯ АНИЗОТРОПИИ НА ПЛАТО ПАТИЛЬ.
Свойство анизотропии на Крымской практике много лет изу?алось
традиционно: отдельными азимутальными наблюдениями с помощью установки
Шлюмберже в местах выхода пород таври?еской серии на поверхность. Попытки
зафиксировать анизотропию под перекрывающими отложениями пес?аников на
плато Патиль не давали положительного результата. Ситуация изменилась,
когда стали известны работы профессора ЛГУ А.С.Семенова по изу?ению
анизотропии тех же пород и в этом же районе с помощью дипольной
экваториальной установки, обладающей более высокой ?увствительностью к
анизотропии. На основе работ А.С.Семенова и уральских геофизиков
Ю.М.Гуреви?а, С.С.Сыскова и др. мы проработали теорию азимутальных
зондирований над анизотропным основанием перекрытых толщей изотропных пород
и провели рас?еты полей. Эти рас?еты показали бесперспективность применения
установки Шлюмберже для азимутальных исследований и дали практи?еские
рекомендации для применения дипольной экваториальной установки.
[pic]
Рис.4.8. Геоэлектри?еский разрез ?ерез Патиль по данным ВЭЗ и с у?етом
влияния анизотропии
Согласно представлениям о геологи?еском строении плато Патиль,
основание разреза сложено крутопадающими породами таври?еской серии,
обладающими заметной анизотропией. Среднее сопротивление этой толщи около
50 Ом.м. На породах таври?еской серии субгоризонтально лежат известковистые
пес?аники резанской свиты (K1 h) с удельным электри?еским сопротивлением
(УЭС) 400 Ом.м, мощностью от 0 до 25 м (рис.4.8).
[pic]
Рис.4.9. Диаграммы АЭП в разных то?ках плато Патиль.
На рис.4.9. представлены круговые диаграммы для нескольких десятков
то?ек дипольного электропрофилирования (ДЭП) на плато Патиль. Цифры по осям
X и Y на карте идут ?ерез 100 м и соответствуют узлам гравиметри?еской
сети, закрепленным на местности То?ки ДЭП Т0 и S1 измерены на выходах пород
таври?еской серии, а остальные то?ки - на перекрывающих их пес?аниках.
Выбор разносов установки ДЭП (20, 40 и 120 м) в зависимости от
предполагаемой мощности перекрывающих пес?аников обоснован с помощью
теорети?еских рас?етов. Разли?ия в форме диаграмм АЭП S2, 8, 7, 6, 5, 10, 4
вызваны постепенным увели?ением мощности перекрывающих отложений, а
разли?ия в форме диаграмм 2 и 25 - сменой разносов установки (40 и 120 м).
Разли?ия в простирании пород таври?еской серии, выявленные по диаграммам
АЭП, позволяют предположить нали?ие в правой ?асти исследуемого у?астка
(рис.4.9) склад?атой структуры, форма которой обозна?ена линиями с буквой
F. Кроме того, на рис.4.9 показаны еще положение границы распространения
резанских пес?аников - B, к северу от которой их нет, след дороги,
проходящей ?ерез Патиль (R), линия профиля ВЭЗ (A-A) и обрывистый край
плато на юге и востоке (E).
Влияние анизотропии электри?еских свойств пород, слагающих плато
Патиль, привело к тому, ?то результаты интерпретации ВЭЗ, полу?енные по
линии A-A (с рис.4.9) без у?ета анизотропии плохо согласовывались с
геологи?ескими оценками. По данным ВЭЗ максимальная мощность резанских
пес?аников, залегающих на породах таври?еской серии, достигала 40 м, а по
геологи?еским наблюдениям не превышала 25 м. С помощью детального
профилирования резанских пес?аников в их разрезе выявлено 15 прослоев,
разли?ающихся по удельному сопротивлению, и оценен коэффициент анизотропии
резанских пес?аников - 1,5. Факт такой высокой анизотропии резанских
пес?аников ранее не был известен. Итак, оба комплекса сильно анизотропны, с
той лишь разницей, ?то породы резанской свиты залегают по?ти горизонтально,
а таври?еской серии - по?ти вертикально. Анизотропию крутопадающей толщи
можно изу?ать с помощью азимутальных (круговых) наблюдений, а анизотропию
горизонтальных напластований оценить по наблюдениям с поверхности нельзя.
Анизотропией перекрывающей толщи объясняется завышение по ВЭЗ (на 50%)
оценок мощности пес?аников. Анизотропное основание, при ориентации
установки ВЭЗ вкрест простирания пород таври?еской серии, также приводит к
завышению оценок мощности верхнего слоя (на 6%). С у?етом обоих этих
факторов, полу?им:
[pic]
Это зна?ение мощности пес?аников лу?ше согласуется с геологи?ескими
данными. В направлении с юга на север (справа налево на рис.4.8) дневная
поверхность плато срезает слоистую толщу пес?аников и уменьшает ?исло слоев
в этой толще и ее коэффициент анизотропии. Предположив линейное изменение
коэффициента анизотропии пес?аников слева направо по профилю от 1,5 до 1 и
у?тя влияние анизотропии нижней толщи (K=1,06), можно перес?итать мощность
и положение подошвы резанских пес?аников. Этот вариант разреза и показан на
рис.4.8. Мощность пес?аников не превышает 25 м, кроме того появилось
заметное падение границы на север под углом 2,5(, ?то соответствует
геологи?еским данным.

Литература

1. Березина С.А., Боба?ев А.А., Модин И.Н и др. Интерпретация
электри?еских зондирований в неоднородных средах // Вестн. Моск. ун-та.
Сер.4. Геология. 1994. N 2. C.24-32.
2. Боба?ев А.А., Мар?енко М.Н., Модин И.Н и др. Новые подходы к
электри?еским зондированиям горизонтально-неоднородных сред// Физика Земли,
1995. N12. С.79-90.
3. Большаков Д.К., Модин И.Н., Перваго Е.В и др. Изу?ение
особенностей электри?еских зондирований над погребенной анизотропной
средой// Вестн. Моск. ун-та, сер. 4. Геология. 1996. N 2. С.60-70.
4. Д.К.Большаков, И.Н.Модин, В.А.Шевнин. Электроразведка на у?ебной
геофизи?еской практике в Крыму / Вестн. Моск. ун-та. Сер.4. Геология. 1997.
N 3, с.68-72.
5. Бреднев И.И., Сысков С.С. Поле то?е?ного исто?ника тока в
присутствии анизотропной вертикально-слоистой среды, перекрытой слоем
изотропных образований // Геофизи?еские методы поисков и разведки.
Свердловск, 1976. Вып.3. С.26-34.
6. Многоэлектродные электри?еские зондирования в условиях
горизонтально-неоднородных сред. Авторы: Боба?ев А.А., Модин И.Н., Перваго
Е.В., Шевнин В.А. М., 1996, 50 с. // Разведо?ная геофизика. Обзор. АОЗТ
"Геоинформмарк". Выпуск 2.
7. Семенов А.С. Анизотропия горных пород и особенности электри?еских
полей в анизотропных средах // Вестн. ЛГУ. Сер. геол., география. 1975. N
24. С.40-47.
8. Электроразведка методом сопротивлений/ Под ред. В.К.Хмелевского и
В.А.Шевнина. М., 1994, 160 с.
9, Геофизи?еские исследования. Руководство по Крымской геологи?еской
практике. М., изд. МГУ, 1986 г.
10. Руководство по у?ебной геофизи?еской практике. Электроразведка.
Магниторазведка. - М., Недра, 1980 г.
ПРИЛОЖЕНИЯ.
Общие требования к от?ету по результатам практики по электроразведке
От?ет должен содержать титульный лист, оглавление, основной текст,
разделенный на ?етыре главы: Электри?еские свойства горных пород,
Электропрофилирование, ВЭЗ, Азимутальные наблюдения. В от?ете могут быть
Введение и Заклю?ение. При использовании литературы ее следует указать в
списке в конце от?ета и сослаться в тексте. На все рисунки должны быть
ссылки.
На титульном листе должны быть указаны фамилии преподавателей и
студентов.
Электри?еские свойства горных пород района практики. В этой главе
следует определить понятие УЭС и кажущегося сопротивления, пере?ислить
основные факторы, которыми они определяются. Главное содержание главы - это
таблица электри?еских свойств пород, определенных бригадой в ходе практики.
Разделы по методам содержат краткое описание метода, методику,
сведения об аппаратуре и детальное описание результатов полевых работ. Если
в от?ете использованы полевые данные других бригад, об этом должно быть
сказано в тексте. Рисунки должны содержать название, масштаб, подписи и
оцифровку осей, дату полевых работ и фамилию бригадира. Часто рисунок
содержит главные результаты полевых измерений, иногда уникальные, и
желательно, ?тобы он мог сохранять в себе основные сведения и в отрыве от
текста: район, метод, методику, аппаратуру, масштаб, дату, бригаду.
Во введении можно пере?ислить сроки практики, изу?енные методы и
район их применения. Во введении или в оглавлении следует указать авторов
каждого раздела. Если студент не писал тексты глав, нужно указать, как он
у?аствовал в подготовке от?ета.
Заклю?ение может содержать впе?атления студентов о прошедшей
практике, рекомендации, пожелания, крити?еские заме?ания.

ПРИМЕРНЫЕ ВОПРОСЫ К ЗАЧЕТУ ПО ЭЛЕКТРОРАЗВЕДОЧНОЙ ПРАКТИКЕ ДЛЯ СТУДЕНТОВ
ГЕОФИЗИКОВ 2 КУРСА.
1. Понятие удельного электри?еского сопротивления ((к или УЭС). Единицы
измерения (. Анизотропия УЭС.
2. Факторы, которые определяют (. Зна?ения сопротивлений горных пород
района практики: глин, известняков, пес?аников, мергелей, таври?еской
серии, рыхлых ?етверти?ных образований.
3. Понятие кажущегося сопротивления. Отли?ие (ист и (к. Формула для рас?ета
(к. От каких факторов зависит (к?
4. Установки. Определение и их основные типы.
5. Основные модели среды и методики (3 х 3)
6. Геологи?еские ситуации для применения ВЭЗ, ЭП, КЭП.
7. Коэффициент установки, его размерность, рас?ет, использование.
8. Сущность метода ВЭЗ. Глубинность. Типы кривых ВЭЗ: 2-слойные и 3-
слойные. Левая и правая асимптота. Когда применяют 3-электродные ВЭЗ.
9. Методика ВЭЗ. Минимальные и максимальные разносы, шаг изменения
разносов. За?ем используют несколько линий MN? Схема подклю?ения проводов,
приборов, катушек, электродов в ВЭЗ.
10. Стандартный ВЭЗ и методика СЭЗ.
11. Коли?ественная интерпретация кривых ВЭЗ с помощью компьютера.
12. Геологи?еская зада?а на Придорожной, разли?ие кривых AMN и MNB,
пояснить.
13. Результаты работы бригады по методу ВЭЗ.
14. Сущность электропрофилирования. Методика ЭП: выбор разносов АВ и MN,
шага по профилю. Что такое установки ЭП? За?ем применяют ЭП с двумя АВ?
15. Кривые ВЭЗ и графики ЭП над разными моделями разрезов, состоящих из
горных пород района практики: пес?аников, глин, известняков, мергелей и
т.д.
16. Графики ЭП над погребенной положительной и отрицательной структурой при
разных соотношениях ( верхнего и нижнего слоя.
17. Результаты работы бригады по методу ЭП (Обсерватория - МГРИ).
18. Круговое ЭП. Для ?его его применяют. Установки для азимутального ЭП.
Парадокс анизотропии. Как интерпретируют азимутальные ЭП. Результаты работы
бригады.
19. Геологи?еская ситуация на Патили. Что дало ЭП, ВЭЗ, АЭП?
20. Сравнение АЭП с AMNB и ДЭП
21. Объясните изменения (к при ЭП на Патили.
22. Взаимодействие ВЭЗ и ЭП на Патили.