Text
ЭЛЕКТРО-
ПРОФИЛИРОВАНИЕ
сю^Ём/еннымй...
РАБОЧИМИ
линиями
Недра
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие..........................................................3
Глава 1. Теоретические основы бесконтактных измерений низкочастотного
электрического поля ................................................ 6
1.1. Условия расчета нормальных и аномальных полей .... 7
1.2. Нормальные поля..........................................17
1.3. Особенности аномальных полей.............................39
Глава 2. Основные особенности аппаратуры и методики профилирования 56
2.1. Аппаратура БИЭП...........................................—
2.2. Методика профилирования..................................68
2.3. Обработка и интерпретация результатов наблюдений ... 72
Глава 3. Примеры полевых работ......................................79
3.1. Метод срединного градиента...............................80
3.2. Дипольно-осевое и комбинированное профилирование ... —
3.3. Векторные измерения электрического поля в воздухе . . .85
3.4. Зимние работы........................................... 87
Заключение..........................................................91
Список литературы ................................................. 92
Приложение..........................................................95
МИНИСТЕРСТВО ГЕОЛОГИИ ссс/
НАУЧНО ПРОИЗВОДСТВЕННОЕ ОБЪЕДИНЕНИЕ «РУДГЕОФИЗИКА»
ЭЛЕКТРО-
ПРОФИЛИРОВАНИЕ
С НЕЗАЗЕМЛЕННЫМИ
РАБОЧИМИ
ЛИНИЯМИ
ЛЕНИНГРАД «НЕДРА» ЛЕНИНГРАДСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ 1985
УДК 550.837.6
Электропрофилирование с незаземленными рабочими линиями. — Л.: Недра,
1985 — 96 с. (М-во геологии СССР. Науч-произв. объединение «Рудгеофи-
зика»).
Рассмотрены особенности теории и практики электроразведочных работ ме-
тодами срединного градиента, дипольно-осевого и комбинированного профилиро-
вания с незаземленными или частично заземленными установками. Изложены
результаты теоретических расчетов нормальных и аномальных полей с учетом
распределенных параметров проводов питающих и приемных линий. Приведены
технические характеристики аппаратуры. Описаны методика полевых работ, спо-
собы обработки и интерпретации результатов наблюдений. Введено новое оп-
ределение кажущегося удельного электрического сопротивления и рассмотрены
способы расчета его с помощью номограмм и вычислительных программ. На ря-
де примеров показана эффективность бесконтактного низкочастотного профили-
рования при решении поисково-картировочиых задач как в обычных условиях,
так и иа площадях развития каменных развалов (курумов), мерзлого грунта,
снежно-ледового покрова.
Для специалистов-геофизиков производственных организаций.
Составители: А. С. НАХАБЦЕВ, Б. Г. САПОЖНИКОВ, А И ЯБЛУЧАНСКИЙ.
ЭЛЕКТРОПРОФИЛИРОВАНИЕ
С НЕЗАЗЕМЛЕННЫМИ РАБОЧИМИ ЛИНИЯМИ
Редактор издательства В. Г. Чирков
Обложка художника В. Т. Левченко
Технический редактор С. А. Кодаш
Корректор М. Г. Дешалыт
Н/К
Сдано в набор 2.01.85. Подписано в печать 22.05.85. М-32198.
Формат 60X90*/i6. Бумага книжно-жури. Гарнитура литературная.
Печать высокая. Усл. печ. л. 6. Усл. кр.-отт. 6,5. Уч.-изд. л. 5,99. Тираж 1200 экз.
Заказ Х° 77/1393. Цена 40 коп Заказное.
Ордена «Знак Почета» издательство «Недра», Ленинградское отделение.
193171, Ленинград, С-171, ул. Фарфоровская, 12.
Ленинградская картографическая фабрика ВСЕ ГЕИ.
1904050000—336
043(01)—85
Э
Выпущено по заказу НПО «Рудгеофизика»
© Научно-производственное объединение
«Рудгеофизика», 1985
ководством Н. И. Сафронова, В. С. Якупова и В. Н. Старовойтова
на базе метода отношения градиентов потенциала. Несмотря' на
ряд несомненных достоинств метода, его существенным недостат-
ком по сравнению с методикой БИЭП является невозможность
определения эффективных параметров поля (рк), что следует из
наблюдения отношения горизонтальных составляющих электри-
ческого поля, а не их собственных величин [38, 46].
Впервые методика и аппаратура БИЭП предложены Б. Г. Са-
пожниковым в 1963 г. при работах методом СГ [31]. С этого вре-
мени начинается широкое опробование различных модификаций
бесконтактного профилирования. В 1968—1975 гг. эксперимен-
тально обоснованы незаземленные установки методов СГ, ДП и
доказана возможность векторных измерений составляющих элект-
рического поля в воздухе [35, 36, 44]. В 1969—1970 гг. А. М. Ва-
сильевым (КазВИРГ НПО «Рудгеофизика») испытана аппаратура
для наземного профитирования методом СГ в движении. В 1971—
1974 гг А. С. Нахабцевым и Б. Г. Сапожниковым выполнены ра-
боты в зимний период по снежно-ледовому покрову методами
СГ, ДП и электрического заряда [22]. В 1981—1982 гг. А. С. На-
хабцевым и А. И. Яблучанским успешно опробованы установки
КП и электрозондирования с незаземленными рабочими линиями
[24, 25]. В начале 70-х годов измерения электрического поля с по-
мощью незаземленной приемной линии начинают применяться при
радиоволновом профилировании как для дискретных наблюдений,
так и с целью непрерывной регистрации полей СДВ-радиостанций
[7, 19]. С середины 70-х годов в ВИРГ по инициативе Б. Г. Са-
пожникова начинается разработка аппаратуры и методики бес-
контактного каротажа КС сухих скважин [10].
Одновременно с расширением области применения бесконтакт-
ного профилирования велась дальнейшая разработка его теорети-
ческого, методического и аппаратурного обеспечения: дан анализ
эквивалентных электрических схем незаземленных приемных ли-
ний [8, 35], составлены программы для ЭВМ и выполнены расче-
ты нормальных и аномальных потей с учетом распределенных па-
раметров рабочих линий [14, 15, 23, 24], предложены новое опре-
деление рк и способы его расчета [23, 24, 36], разработаны комп-
лекты макетов аппаратуры ЭРА-625 и ЭПП-102 [7].
Малые серии аппаратуры БИЭП выпущены в НПО «Рудгео-
физика», ПГО «Севвостгеология» и других организациях. Аппа-
ратурное обеспечение новой методики предусмотрено также Агре-
гативным комплексом электроразведочной техники, разработка
которого ведется сейчас.
В настоящее время часть материалов, относящихся к разра-
ботке аппаратуры, методики полевых работ и теоретическим ос-
новам бесконтактного электропрофилирования, не опубликована.
Другая часть депонирована или содержится в разрозненных жур-
нальных статьях и не известна широкому кругу специалистов.
Предлагаемая работа в краткой форме обобщает выполненные ис-
следования.
4
В составлении работы приняли участие: канд. геол.-мин. наук
А. С. Нахабцев (предисловие, разд. 1.1.2, 1.2.3, 1.3.3, 3.2—3.4, за-
ключение), Б. Г. Сапожников (предисловие, разд. 1.1, 1.2.1, 1.2.2,
1.3.1, 1.3.2, гл. 2—3), А. И. Яблучанский (разд. 1.1.2, 1.2.3, 1.3.3, 3 2,
3.3)
В процессе работы над изложенными вопросами и при раз-
работке аппаратуры мы пользовались советами и помощью со-
трудников ЛГУ (А. В. Вешев, А. В. Яковлев, О. Н. Ладатко),
НПО «Рудгеофизика» (|С. С. Глебовский , Г. А. Тарасов, В. А. Ко-
маров, Г. С. Франтов, Л. В. Егорова, В. К. Рыбин, В Д Бада-
лов, Л. С. Колченогов, | Г. К. Антонов) , Ю. А. Баранов), а также
различных ПГО (В. Н. Семенов. М. С. Чеботарович, В. Г. Тоща-
ков, В. Г. Архипецкий). Во внедрении методики БИЭН принимали
участие В. Н. Старовойтов, Л. Г. Шпилько, В. А. Дубов, В. М. Гу-
рин, С. Н. Песочинский (ПГО «Севвостгеология»), Ю А. День-
щиков (ПГО «Иркутскгеология»); Б. Г. Андреев, В. Г. Олейник
(ПГО «Якутскгеология»); В. Л. Альтман, Л. А. Богданов,
В А Григорьев, Ю. В. Цуканов (НПО «Рудгеофизика»);
С. П. Кирпищиков, Н. Т. Попов, А В. Исаков, А. Е Мыкл,
И. Д. Карпенко, Ю. П. Федосеев, В. И. Рыморев, А. Н. Сафронов,
И В. Смирняков, И. В. Шкрабо и другие. При выполнении рас-
четов и подготовке рукописи к печати большая работа выполне-
на М. П. Зубовой и Т. И. Степановой. Всем им мы приносим глу-
бокую благодарность.
ГЛАВА 1.
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ БЕСКОНТАКТНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ
НИЗКОЧАСТОТНОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ
Методика БИЭП основывается на измерении в воздухе вбли-
зи земной поверхности составляющих электрического поля зазем-
ленных и незаземленных питающих линий. Измеряемые величины,
так же как и в случае заземленных приемных линий, определяют-
ся по разности потенциалов приемных электродов, роль которых
выполняют отрезки проводов или другие проводники достаточной
протяженности. В соответствии с известными граничными условия-
ми для электромагнитных полей касательные составляющие элект-
рического поля, измеряемые бесконтактным способом вблизи днев-
ной поверхности и с помощью заземленной приемной линии, рав-
ны друг другу. Вертикальная составляющая поля в воздухе у по-
верхности земли в 103—104 раз больше одноименной составляю-
щей поля в земле. Указанные свойства электрического поля обус-
ловливают возможность замены обычного профилирования бес-
контактным, а также служат основой векторных измерений ано-
мального электрического поля в воздухе.
Рассмотрению нормальных и аномальных полей установок низ-
кочастотного профилирования посвящено большое количество ста-
тей и монографий, наиболее полный список которых приведен в
книге А. В. Вешева [7]. Подавляющее большинство этих работ
ориентировано на использование заземленных рабочих линий,
вследствие чего не принимался во внимание ряд особенностей, су-
щественных для бесконтактного профилирования. В настоящей
главе нормальные и аномальные поля рассмотрены в более общем
виде с учетом специфики методики БИЭП. В частности, при рас-
чете нормальных полей учтено изменение амплитуды и фазы тока
по длине питающей линии, проведен анализ полей по типу источ-
ника возбуждения, изучена вертикальная составляющая поля в
воздухе; при расчете аномальных эффектов дана оценка влияния
распределенного характера приемной линии.
Методика БИЭП может использоваться при работах с различ-
ными установками профилирования и зондирования. Однако ниже
при расчете нормальных и аномальных полей рассматриваются
лишь установки методов СГ, ДП и КП, так как бесконтактные
измерения в этих методах получили в настоящее время наиболь-
шее применение.
6
1.1. УСЛОВИЯ РАСЧЕТА НОРМАЛЬНЫХ И АНОМАЛЬНЫХ ПОЛЕЙ
1.1.1. Конструкция установок метода срединного градиента
1.1.1.1. Питающие линии
Питающие линии установки СГ выполняются из стелющегося
по земле изолированного провода и отличаются друг от друга
формой укладки провода, а также наличием или отсутствием за-
землений. В практике работ используется как обычная заземлен-
ная линия (прямолинейный кабель), так и незаземленные линии—-
«емкостная» (полупетля) и «индукционная» (петля).
В общем случае электрическое поле формируется под действи-
ем трех факторов: «гальванических» токов, стекающих с заземле-
ний; «емкостных» токов, стекающих с проводов линии; «индукци-
онных» токов, возбуждаемых переменным магнитным полем ли-
нии.
Основными факторами для заземленной линии являются галь-
ванические и индукционные токи, для емкостной и индукционной
линий — токи одноименных названий.
Заземленная питающая линия («кабель») представляет собой
заземленный на концах прямолинейный провод (кабель), в раз-
рыв цепи которого у одного из заземлений включен генератор
тока (рис. 1.1,а).
Провод раскладывается параллельно профилям наблюдений,
которые находятся по одну или обе стороны питающей линии.
Центр установки совпадает с серединой провода, а ее разнос (2/)
определяется длиной провода. В соответствии с рекомендацией
А. В. Яковлева [45], длина профилей по обе стороны от центра
установки может достигать 0,8/. Наибольшее удаление профилей
от провода ограничивается уровнем полезного сигнала и обычно
не превосходит (14-2)/. Допустимое приближение профилей к про-
воду составляет 50—100 м. Оно зависит от заданной глубинности
картирования, которая в свою очередь определяется частотой»
удельным сопротивлением горных пород и разносом линии.
Размеры заземлений обычно малы по сравнению с расстоянием
до точек наблюдений. Поэтому при расчетах заземления считают-
ся точечными. Сопротивления заземлений носят в основном актив-
ный характер и имеют значение порядка 0,2—20 кОм [7, 29].
Емкостная питающая линия («полупетля») имеет форму пря-
моугольной полупетли, в центре основания которой включен гене-
ратор тока.
Планшет съемки (рис. 1.1,6) находится во внутренней обла-
сти полупетли. Ее основание располагается параллельно, а боко-
вые стороны — перпендикулярно к профилям наблюдений. Длина
каждой из боковых сторон выбрана равной разносу установки
21, размер которого определяется Длиной основания. За центр
установки принят центр основания. В связи с большой неоднород-
ностью электрического поля вблизи основания ближайший к нему
профиль наблюдения находится на расстоянии не менее 150—
7
8
200 м. Наибольшее удаление профилей от основания достигает
(14-2)/. Длина профилей по обе стороны от центра установки ог-
раничена значением 0,8/.
Индукционная питающая линия («петля») выполняется в фор-
ме прямоугольной петли, в середину боковой стороны которой
включен генератор тока (рис. 1.1,в).
Боковые стороны петли укладываются перпендикулярно, а ос-
нования — параллельно профилям наблюдений. Длина каждой из
боковых сторон равна половине длины основания. Полная длина
последнего определяет разнос установки 21. Планшет съемки рас-
полагается во внешней области петли по одну или обе стороны от
ее оснований. Для каждого планшета за центр установки принята
середина ближайшего к нему основания. Длина профилей по обе
стороны от центра установки может достигать величины полураз-
носа I. Наибольшее удаление профилей от центра ограничивается
уровнем полезного сигнала и обычно составляет не более (14-
4-2)/. Допустимое приближение профилей к центру равно 50—
100 м. Как и в случае заземленной линии, оно определяется не-
обходимой глубиной картирования.
Провод питающей линии может существенно влиять на резуль-
таты наблюдений в зависимости от его погонных характеристик и
условий эксплуатации. Поэтому тип провода, его длина и высота
подвеса должны учитываться при расчетах полей.
Потребность в методике БИЭП возникает при ведении работ
в районах с тяжелыми природными условиями. В летний период
это горно-таежные районы, часто с большим перепадом высот,
в зимний — труднодоступные участки с большой мощностью снеж-
ного покрова. В этих условиях нужно использовать портативную
аппаратуру, облегченное электроразведочное оборудование и не-
большие питающие линии с длиной проводов не более 2—4 км.
Как показала практика, для монтажа питающих линий целе-
сообразно выбрать провод ГСП-0,35 — наиболее легкий из из-
вестных геофизических проводов (1 км этого провода массой
4,3 кг может быть размещен на одной малой катушке из комплек-
та аппаратуры ИКС-50 [9]). Повышенное погонное сопротивление
выбранного провода (270 Ом/км) оказывается малосущественным,
так как для решения задач картирования обычно достаточны вы-
ходные токи генератора, не превышающие 0,1—0,2 А.
Для определенности расчетов максимальную длину питающего
провода выберем равной 4 км. Этот выбор ограничивает также
разнос установки наибольшими значениями I, равными 2 и 0,67 км,
соответственно при использовании заземленных и незаземленных
питающих линий.
При размотке провод следует укладывать непосредственно на
землю. Однако провод, стелющийся по траве, веткам кустарника и
неровностям рельефа, оказывается приподнятым над землей на
высоту h. Для оценки влияния высоты подвеса провода на расче-
ты полей значение h можно принять равным 0,2—0,5 м.
9
Рис. 1.2. Схемы заземленной (в) и незаземленных (а, б, г) приемных линий.
Линии: а — подвесная, б — стелющаяся, г — штыревая, в — заземленная, эквивалентная под-
весной н стелющейся; 1 — незаземленный электрод; 2 — входной блок микровольтметра; 3 —
изоляторы крепления электродов; 4 — оператор; 5 — рабочий; 6 — заземленный электрод;
Z — жидкостный компас; 8, 9 — горизонтальный (8) и вертикальный (9) уровни; 10 — соеди-
нительный кабель. ОО' — ось электрических центров приемных линий.
1.1.1.2. Приемные линии
При работах по методике БИЭП нашли применение три вари-
анта незаземленных приемных линий. Их устройство и размеры
показаны на рис. 1.2. С помощью незаземленных линий электриче-
ское поле в точке наблюдения определяется по разности потен-
циалов двух приемных электродов, в качестве которых использу-
ются подвешенные в воздухе отрезки проводов («подвесная» ли-
ния), металлические стержни или трубки («штыревая» линия),
тело оператора и стелющийся по земле изолированный провод
«стелющаяся» линия).
Подвесная и штыревая линии (рис. 1.2, а, г) имеют симмет-
ричную конструкцию. В соответствии с этим микровольтметр под-
ключается к линии в ее центре с помощью выносного усилитель-
ного устройства с симметричным входом. Плечи подвесной линии
изготавливаются из мягкого монтажного провода (например,
МГШВ-0,75). Штыревая линия собирается из двух телескопиче-
ских антенн от радиотелевизионной аппаратуры.
to
G7 02 —J o4 *5 — 6--------------7
Рис. 1.3. Схемы незаземленных (а,в) и эквивалентных им по размерам зазем-
ленных (6, г) установок дипольно-осевого и комбинированного профилирования.
1 — генератор тока; 2 — микровольтметр; 3, 4 — незаземленные линейный (5) и точечный
(4) электроды; 5 — заземленный электрод; 6 — питающий провод; 7 — неэлектропроводный
соединительный шнур; О О и О'О' — осн электрических центров питающих (00) и прием-
ных (О'О') линий.
При измерениях подвесная линия ориентируется оператором и
двумя рабочими по профилю параллельно земной поверхности на
высоте г, равной 0,8—1 м. Штыревая линия удерживается опера-
тором рукой за ее центр — - корпус выносного устройства, конструк-
тивно оформленный в виде рукоятки. Высота центра линии над
землей равна 0,8—1,2 м. Ориентировка линии по измеряемой со-
ставляющей поля осуществляется с помощью уровней и жидкост-
ного компаса, встроенных в корпус выносного устройства.
Стелющаяся линия (рис. 1.2, б) имеет несимметричную конст-
рукцию и подключается к несимметричному входу микровольт-
метра. При этом с входной клеммой, закороченной на корпус мик-
ровольтметра, соединяется металлический браслет на руке опе-
ратора, а с другой клеммой — провод линии.
Провод стелющейся линии должен плотно прилегать к земной
поверхности и не требовать больших усилий при перемещении по
профилю. Дополнительным требованием является малый уровень
электризации изоляционной оболочки провода при измерениях в
условиях «ветровых» помех (обдувание провода снежной пылью,
прикосновение провода при раскачивании ветром к растительно-
сти, почве, снегу). Как показал опыт полевых работ, этим требо-
ваниям удовлетворяет гибкий, умеренно тяжелый провод в шлан-
говой резиновой изоляции, например кабель РПШ-2Х0.35, шнур
ШРПЛ-2Х0.75 [4]. Средняя высота z провода над землей из-за
неровностей рельефа и зависания на ветках кустарника может
быть принята при расчетах равной 0,1—0,3 м.
11
Длине заземленной приемной линии соответствует действующая
длина Imn незаземленной линии (рис. 1.2, а, б, в). Она определя-
ется расстоянием между геометрическими центрами приемных
электродов. Середина этого расстояния является электрическим
центром линии, к которому относят результаты наблюдений при их
графическом изображении. Электрический и геометрический цент-
ры подвесной и штыревой линий совпадают друг с другом. Элект-
рический центр стелющейся линии смещен относительно геометри-
ческого центра в сторону оператора на четверть длины провода.
Действующие длины штыревой линии — 1—1,5 м, подвесной —
5—10 м, стелющейся— 10—20 м. Поэтому первые две линии в ос-
новном используются при съемках масштаба 1 : 2000—1 : 5000, а
последняя — при съемках масштаба 1:10000—1:25000.
1.1.2. Конструкции установок методов дипольно-осевого
и комбинированного профилирования
При ДП и КП, в отличие от метода СГ, по профилю переме-
щаются как приемная, так и питающая линии, поэтому каждая из
них должна быть незаземленной. Из опробованных вариантов
практическое применение получили установки, схемы которых при-
ведены на рис. 1.3, а, в. Одно из их преимуществ — минимальная
численность обслуживающей бригады (два человека вместо четы-
рех для заземленных установок).
В качестве незаземленной приемной линии в установках ДП и
КП используется несимметричная стелющаяся линия. Результаты
наблюдений при их графическом изображении относятся к ее
электрическому центру О'. Питающие линии А'А и АВ незазем-
ленных установок состоят из отрезков La', La, Lb стелющегося
по профилю изолированного провода (LA' = LA для установки ДП,
Lb^>La для установки КП). Разнос (действующая длина 1А'А)
питающей линии установки ДП равен расстоянию между геомет-
рическими центрами отрезков LA и LA. Электрическим центром О
питающей линии является середина этого расстояния, соответст-
вующая точке включения генератора в линию. Разнос г всей уста-
новки ДП определяется расстоянием между электрическими цент-
рами О' и О приемной и питающей линий. Разнос г установки КП
равен расстоянию между электрическим центром О' приемной ли-
нии и геометрическим центром О незаземленного электрода LA.
Для монтажа установок используются провода в шланговой ре-
зиновой изоляции (типа РПШ-2Х0.35 или ШРПЛ-2Х0.75) [4].
При длине провода больше 40—50 м (электрод Lb в установке
КП) применяется легкий провод типа ГСП-0,35. Наружные концы
проводов питающих и приемных линий должны быть тщательно
изолированы (например, при помощи вулканизации «сырой» ре-
зиной) .
Схемы заземленных установок ДП и КП, эквивалентных не-
заземленным по длине разносов, показаны на рис. 1.3, б, г.
12
1.1.3. Рабочая частота, измеряемые величины
и электромагнитные свойства сред
Рабочая частота аппаратуры при электропрофилировании с не-
заземленными установками должна удовлетворять противоречи-
вым требованиям. С одной стороны, необходимо повышение час-
тоты для разработки простой и портативной аппаратуры, с дру-
гой — желательно применение низких частот для увеличения глу-
бинности картирования. Опыт разработки действующих макетов
аппаратуры и результаты опытно-методических работ показали,
что для профилирования с незаземленными установками пригод-
ны частоты звукового диапазона 150—2500 Гц. При этом в качест-
ве оптимальной была выбрана частота отраслевого стандарта на
электроразведочные генераторы, равная 625 Гц.
При разработке аппаратуры форма выходного напряжения ге-
нератора тока принята в виде последовательных знакоперемен-
ных прямоугольных импульсов с тем, чтобы обеспечить достаточно
высокий коэффициент полезного действия генератора при макси-
мальной выходной мощности. Поэтому возбуждаемое электриче-
ское поле имеет сложный гармонический спектр. Однако высокая
избирательность измерительных блоков аппаратуры позволяет ог-
раничить расчеты анализом установившегося поля, изменяющегося
во времени по гармоническому закону в виде е1ю( (со — круговая
частота первой гармоники, t — время).
Измеряемыми величинами при полевых наблюдениях являют-
ся действующие амплитуды напряжения AU и силы тока / соот-
ветственно в приемной и питающей линиях. В связи с этим глав-
ное внимание при расчетах будет уделено модулям комплексных
амплитуд составляющих'нормальных электрических полей.
Электромагнитные свойства сред для модели однородной земли
определим, рассмотрев электрические и магнитные свойства воз-
духа и земли в выбранном для расчетов диапазоне частот 5—
2500 Гц.
Комплексная удельная электропроводность о однородной среды
определяется выражением* o=o+ioE, где о и <т= = еоесо — удельные
активная и емкостная проводимости; е — относительная диэлект-
рическая проницаемость, ео= 10-9/(36л)Ф/м— электрическая по-
стоянная.
По данным работы [16] удельные сопротивления и относитель-
ные диэлектрические проницаемости воздуха (pi и ei) и горных по-
род* (р2 и 8г) имеют следующие значения: pi = 5-1013 Ом-м, 81 =
= 1, рг= 1004-10000 Ом-м, 82=54-10. Оценив в рассматриваемом
диапазоне частот значение отношения о6/о, можно заключить, что
в воздухе токи смещения преобладают над токами проводимости
(ое 1/о1>Ю4), тогда как в горных породах имеет место обратное
* Нижними индексами «1» и «2» отмечаются физические величины и состав-
ляющие векторных полей, относящиеся к верхнему (1) или к нижнему (2) по-
лупространству.
13
соотношение (аЕ2/<Т2<Ю~2). В случае амплитудных измерений
комплексную проводимость нижнего и верхнего полупространства
можно считать соответственно чисто вещественной и чисто мни-
мой: 02=02, О1 = 18о0). Относительную магнитную проницаемость р.
каждого полупространства можно принять равной 1, учитывая не-
магнитность воздуха (щ = 1) и слабую магнитность подавляющего
большинства горных пород (р2= 14-1,005) [7]. Таким образом,
условия ведения полевых работ соответствуют случаю низкочас-
тотного электрического поля в немагнитных средах
= teou>;
°2 = 02i
еош/а2 < 10“3;
Hi = Н = 1 •
1.1.4. Распределение тока и потенциала
по проводам питающих линий
Изменение тока и потенциала по длине питающего провода
можно определить, представив питающую линию в виде эквива-
лентной электрической схемы (см. рис. 1.1). На этих схемах от-
резку провода соответствует «однопроводная длинная линия» —
электрическая цепь с распределенными постоянными [3], вклю-
чающими погонное активное сопротивление Ro, погонную индук-
тивность Lo, погонную активную проводимость Go и погонную ем-
кость Со. Однопроводную линию можно рассматривать как фик-
тивную двухпроводную линию, вторым проводом которой служит
бесконечно удаленная идеально проводящая поверхность нулевого
потенциала (ПНП). В соответствии с этим длинную линию бу-
дем изображать на эквивалентных схемах в виде четырехполюс-
ника ДЛ с входными клеммами 1, 3 и выходными 2 и 4. Верхние
клеммы 1 и 2 соответствуют началу и концу отрезка питающего
провода, нижние клеммы 3 и 4 соединены друг с другом и под-
ключены к ПНП.
Электродвижущая сила <?Д, внутреннее сопротивление Zr гене-
ратора тока и активные сопротивления заземлений RA и RB яв-
ляются сосредоточенными постоянными эквивалентных схем. Зна-
чение сопротивлений RA, Rb определяется отношением потенциала
заземлений к силе стекающего с них тока. Так как потенциал за-
землений измеряется относительно ПНП, то на эквивалентных схе-
мах один из концов этого сопротивления должен быть соединен с
ПНП (заземлен).
Как видно из рис. 1.1, каждому отдельному отрезку питаю-
щего провода соответствует четырехполюсник ДЛ, входная клем-
ма 1 которого соединена с одной из выходных клемм генератора
тока. Поэтому сила тока в начале каждой длинной линии равна
известному значению выходного тока /0 генератора. В случае ин-
дукционной питающей линии, (рис. 1.1, в) ее провод искусственно
14
разделен на два равных отрезка в точке, где в силу симметрии пи-
тающей линии потенциал провода заведомо равен нулю. Это поз-
воляет представить питающий провод двумя четырехполюсниками
ДЛ с заземленными выходными клеммами.
Таким образом, изменение тока и потенциала вдоль линии мо-
жет быть вычислено, если известны нагрузочное сопротивление
линии, сила тока на ее входе и первичные параметры проводов
линии /?о, Lo, Go, Со. По справочным данным [4], а также по ре-
зультатам полевых определений в зимних и летних условиях пер-
вичные параметры проводов ГСП-0,35 и РПШ-2Х0.35 характери-
зуются соответственно следующими средними . значениями: Со=
= 15 пФ/м, G0=5-10-12 См/м, Z?o=O,27 Ом/м, L0=3 мкГн/м; Со=
= 100 пФ/м, G0=10-u См/м, /?о=О,О1 Ом/м, Lo=3 мкГн/м.
Полная погонная проводимость Уо и полно’е погонное сопротив-
ление Zo проводов определяются выражениями: Yo=Go+i(aCo,
Z0=/?0-|-ttl)L0. Оценка отношений Go/(<oCo) и Я0/(ыЬ0) показала,
что выражения для Уо и Zo в рассматриваемом диапазоне частот
могут быть записаны в виде
Уо = Z®C0;
Zo = /?0 + Z®£0.
При необходимости вместо указанных оценочных значений пер-
вичных параметров в формуле (2) могут быть подставлены более
точные значения параметров, полученные по результатам полевых
измерений.
В соответствии с теорией длинных линий [3] распределение
комплексных действующих амплитуд тока /(т) и потенциала U (т)
по длине провода определяется следующими соотношениями:
/ (т) = Д [ch (IoZo т) - (U70/ZBX) sh (l0Z0T)]; 1
и (т) = U1 [ch (70Z0t) — (ZBX/U70) sh (ioZot)] , J
(2)
где t — безразмерная текущая координата провода, отсчитывае-
мая от начала длинной линии и выраженная в единицах ее длины
Zo; h и U\ — ток и потенциал в начале длинных линий (т=0); уо=
= l/Zoyo — постоянная распространения; 1Г0= У Zo/Yo, ZBX =
„„ Z н + Wothiт0/0) -7
= IFn trz , -z /х и ZH — соответственно волновое, входное и
**0 т ^н'ГЦТо'о)
нагрузочное сопротивление длинной линии.
Приведем формулы (3) к виду, более удобному для вычисле-
ний, учитывая выражения (2), условие Zi = Z0 и применяя следую-
щие обозначения и нормировки:
Zc — l/(<oCoZo); Zfi — Z0Z0;
Zr = Zr/Zc-, Z-w = Zm:Zc\
Wo = Wo!Zc = y^i2R-, So = = iWo-,
= /o = A/|/ol;
(4)
7(t) = /(t)/|Z0|; Z/(t)=Z7(t)/[/0|.
15
/
/
После выполнения преобразований и анализ^ особенностей полу-
чим:
,/
7(х)=1 П — ^вхх), z/n — 0;
| 70 [ch (М - (ZBX/ir0) sh (М] > ?r ¥= 0;
^С0 =
0, Z₽ = ZB = 0;
70ZBX [ch (Еот) — (^o/ZBX) sh (£от)],
zH о,
(5)
)
где нормированное входное сопротивление ZBX имеет вид
ZZH/(ZH-Z), Zr — 0, |ZH|=/=oo;
— Л = |Z„|= оо;
MthSio, ^?=/=0, |ZH|=oo;
>0 ,£H.±_^>the0 #= о, |ZB| оо.
uzo+zHth:-0 R 1
В отличие от выражений (3) нормированные распределения
тока и потенциала (5) зависят только от трех безразмерных пе-
ременных: полного нормированного сопротивления провода Zr,
нормированного сопротивления нагрузки ZH и координаты т. Для
расчетов по формулам (5) значения нормированных сопротивле-
ний ZH, TF0, ZBX должны быть выражены в долях емкостного со-
противления провода Zc, определенного соотношением (4).
На эквивалентных схемах (рис. 1.1) реальные питающие ли-
нии могут быть заменены идеальными, которым соответствуют
короткозамкнутые (ZH = 0) или разомкнутые (ZH=oo) четырехпо-
люсники ДД с нулевыми значениями сопротивлений Zr. Из опре-
делений (4) сопротивлений Zr и ZH следует, что реальная линия
приближается к идеальной при достаточной малой длине /о пи-
тающего провода, причем последний в случае заземленной линии
должен быть хорошо заземлен. Практические значения ZR и ZH
рассматриваемых установок обычно удовлетворяют области иде-
альных питающих линий (ИПЛ). В тех случаях, когда это поло-
жение нарушается, значения сопротивлений Zr и Zh нетрудно при-
вести к области ИПЛ, улучшив качество заземлений, сократив
разнос установки или выбрав провод с меньшим значением погон-
ного сопротивления /?0- Поэтому ниже при анализе результатов
вычислений основное внимание уделено установкам профилирова-
ния с, идеальными питающими линиями. Расчеты„полей для не-
идеальных линий выполнены лишь с целью определения границ
области ИПЛ.
16
1.2. НОРМАЛЬНЫ^ ПОЛЯ
1.2.1. Поля элементарных источников
Согласно трем факторам возбуждения электрическое поле Е пи-
тающей линии в общем Случае может быть представлено в виде
суммы трех составных частей:
Е = Е° + ЕЕ + Е'-, , (6)
где Еа, Ег и соответственно электрические поля токов точеч-
ных заземлений, емкостной утечки и электромагнитной индукции.
Обычная методика вычислений предусматривает расчет суммар-
ного поля Е как результат интегрирования полей элементарных
электрических диполей по контуру провода питающей линии [7,
16]. В настоящей работе применяется новый способ расчета, ос-
нованный на раздельном вычислении составных частей поля Е
[15]. В сравнении с обычным предлагаемый способ позволяет уп-
ростить расчеты и анализ полей установок бесконтактного профи-
лирования.
Поставленную задачу раздельного вычисления полей гальва-
нических (£°), емкостных (£е)и индукционных (Е>) токов будем
решать, определив для каждого вида возбуждения свой элементар-
ный источник и соответствующее ему электрическое поле.
Выберем из элементов питающей линии элементарные источ-
ники следующих типов: точечное заземление — для поля Е°, то-
чечную емкостную утечку — для поля Ее и векторный элемент то-
ка — для поля Е^ . Рассмотрим каждый из источников в отдель-
ности.
Точечное заземление представляет собой заземление питающей
линии, расположенное на поверхности раздела сред и имеющее до-
статочно малые размеры в сравнении с расстояниями до точек на-
блюдения. Интенсивность источника определяется стекающим с не-
го током проводимости /а.
Точечная емкостная утечка — элемент dlo питающего провода,
находящийся под потенциалом U относительно бесконечно удален-
ной поверхности нулевого потенциала. Высота элемента dlo над
поверхностью раздела сред равна высоте h подвеса провода. Ин-
тенсивность источника определяется емкостным током Is, стекаю-
щим равномерно по всем направлениям с поверхности элемента.
Векторный элемент тока — направленный линейный элемент
питающего провода. Учитывая положение провода для рассмат-
риваемых установок, элемент dlo будем считать горизонтальным
и расположенным на высоте h над поверхностью раздела сред. Ин-
тенсивность источника определяется током /, который протекает
по оси элемента dlo-
Для решения задачи и описания полученных результатов вве-
дем правостороннюю систему прямоугольных (х, у, z) и цилиндри-
2 Зак. 77
17
ческих (г, 6, z) координат с началом О на поверхности раздела сред
земля—воздух. Ось Oz направлена вертикально вверх через центр
элементарного источника. Ось Ох ориентируем по направлению эле-
мента dl0. Введем также безразмерные кбординаты х и у, приняв за
единицу длины характерный размер I установок профилирования:
х=хЦ, у=у!1. Для сокращения числа аргументов электрическое
поле Е будем вычислять в нормированном виде & =Е/где
/о — выходной ток генератора в питающей линии. Указанная нор-
мировка позволяет представить поле & элементарного источника
на дневной поверхности как функцию четырех переменных: нор-
мированного тока (потенциала), безразмерных координат х и у и
параметра установки V [последний определен выражением V=
=p/(l2f), введенным А. В. Вешевым [7], при р = Р2]. Нормирован-
ное поле ё и параметр V имеют размерность магнитной постоян-
ной цо (Гн/м). Отметим, что вместо ё и V возможно применение
безразмерных величин: электрических чисел е и параметров р =
= |&|Z или 6=р/]^2 [7]. Однако выбранные величины более
удобны в практическом отношении, так как существенно упроща-
ют расчеты, связанные с использованием вычисленных полей на
практике. Например, для того чтобы перейти от составляющей
ё х нормированного поля установки СГ к напряжению Aw в за-
земленной приемной линии, достаточно, зная действующую дли-
ну Imn линии, воспользоваться простой формулой Ап = ёх | /о | fUtN-
Определение Ан по электрическому числу ех является более тру-
доемкой операцией, так как в этом случае необходимо предва-
рительно рассчитать поле Ех постоянного тока.
Выражения для низкочастотных нормальных электрических по-
лей введенных источников были получены с помощью редко при-
меняемой «кулоновской» калибровки векторных потенциалов [12].
Промежуточные выкладки, необходимые для этого, в настоящей
работе опущены в связи с ее ограниченным объемом. Ниже приве-
дены лишь окончательные формулы для полей элементарных (ку-
лоновских) источников, полученные в квазистационарном прибли-
жении (ui->0).
1.2.1.1. Поле на дневной поверхности
При расположении источников и точек наблюдений на дневной
поверхности (/i->0, z->0) имеем:
2w2 ’
^ = ^е = 0;
2itr2Zc
(7)
(8)
18
&x =*= р [(1 + х) е *—1]
^ = 0;
(9)
^ = ₽ cos 6x2/j (х/2) Kt (х/2) dt,
где 7 ° = /° /1 /о |; r= (х2+у2)*/2; dt=dl^lo, 0 == I (т) Vl0/ (2л г3); /0 =
= lo/l; K=kr-, Л= ]Аыц,0О2— волновое число земли; ро=4л-10-7—
магнитная постоянная; 7i(x/2) и КДх/2)—модифицированные
функции Бесселя от мнимого аргумента [11].
Методика расчета поля Е питающей линии с помощью элемен-
тарных кулоновских источников состоит в следующем. Вначале с
помощью формул (5) определяют _распределение нормированных
значений тока I (т) и потенциала U (т) по проводу линии и уста-
навливают токи 1° ее точечных заземлений. Затем вычисляют
поле Е ° как сумму полей отдельных точечных заземлений. Для
расчета полей ЕЕ и Е 11 интегрируют по контуру провода поля (8)
и (9) точечных емкостных утечек и векторных элементов тока.
Окончательный результат получают с помощью формулы (6). От-
дельные операции могут быть опущены, если заранее известно, что
кулоновские источники того или иного типа отсутствуют. Указан-
ная последовательность расчетов реализована в виде вычисли-
тельной программы «Длинные линии» (ДЛ), составленной на язы-
ке ПЛ/1.
1.2.1.2. Поле в верхнем полупространстве
Как отмечено в § 1.1, питающие и приемные линии незазем-'1
ленных установок приподняты над землей на высоту 0,1—1,2 м. '
В связи с этим практический интерес представляет оценка влия-
ния высот подвеса h и z рабочих линий на составляющие части
Ег и наблюдаемого поля. Выполненные исследования полей
кулоновских источников в верхнем полупространстве позволили
получить следующие оценки для отношений q составляющих этих
полей в воздухе и на границе раздела земля—воздух:
qv- _ 1^11 _ г .
i££i ~ ф г ;
(Ю)
1^11 . Qfi 3 zh
= —-— « — sin 26 -й-----—;
Чу |£р.| 2 г2 ’
2*
19
Анализируя высотные зависимости (10),/можно заключить,что
при й->-0 и при г->0 поля незаземленных/элементарных источни-
ков в воздухе имеют своим пределом подя заземленных источни-
ков на дневной поверхности. Небольшие отклонения источника и
точки наблюдения от поверхности раздела сред практически не
влияют на поле векторного элемента тока. Однако в случае точеч-
ной емкостной утечки эти отклонения приводят к резкому увели-
чению модуля наблюдаемого поля вследствие крайне большого
значения отношения о2/(боа>), входящего в формулы (10). Напри-
мер, значения отношений огДео10). qr* > при следующих исход-
ных данных: z=\, h = 0,5, г=50 м, f=625 Гц, р=1000 Ом-м— бу-
дут соответственно равны 28,8-103; 17,3; 864.
Отсюда следует ряд выводов, важных для методики полевых
работ. Так, для того чтобы при расчетах нормальных полей можно
было пренебречь влиянием высотных зависимостей, провода ем-
костных и заземленных питающих линий нужно укладывать воз-
можно ближе к земной поверхности. Необходимо также умень-
шать емкостную утечку заземленной питающей линии, улучшая
качество заземления, удаленного от генератора тока. Требование
малой высоты подвеса провода менее существенно в отношении
индуктивной питающей линии.
Нужно отметить, что в реальных условиях вследствие неров-
ностей рельефа и зависания проводов на траве и ветках кустар-
ника все же нельзя достичь таких малых значений h и г, кото-
рые удовлетворили~5ы в соответствии с формулами (10) условию
малого влияния высотных зависимостей. Однако на практике за-
метное влияние высот подвеса рабочих линий не отмечается.
Как выяснилось, основной вклад в устранение Высотной зави-
симости, эквивалентный уменьшению высот h и z, вносит естест-
венное экранирование питающего провода травой, кустарником,
неровностями рельефа и т. п.
Определим эквивалентные высоты подвеса рабочих линий с по-
мощью известной формулы для вычисления погонной емкости Со
горизонтального провода диаметра d, расположенного над землей
на высоте h0 [18]: Со=2лео/1п (4/io/rf). Погонные емкости стелю-
щихся по земле проводов типа ГСП-035 (установка СГ) и типа
РПШ-2хО,35 (установки ДП и КП) по результатам полевых на-
блюдений составляют в среднем 15 и 50 пФ/м. Диаметры прово-
дов ГСП и РПШ указанных типов равны 0,67 и 0,94 мм. Подста-
вив в формулу погонной емкости известные значения Со и d, по-
лучим для проводов ГСП и РПШ значения ho, равные соответст-
венно 6,8 и 0,71 мм. Оценим теперь влияние высотных зависимо-
стей по формулам (10), положив /=625 Гц, р= 1000 Ом-м, г=
= 100 м, h=h0, 2=1 м — для установки СГ и z=h — для установ-
ки ДП и КП. В результате вычислим следующие отношения мо-
дулей: = 1,002, <7zE=5,9 —для провода ГСП и <7/ = 1,0р0, дД =
= 0,6 — для провода РПШ.
Эти данные, подтвержденные полевыми наблюдениями с за-
земленными и незаземленными приемными линиями, свидетельст-
20
вуют о незначительном влиянии высотной зависимости при изме-
рениях горизонтальных составляющих поля. В отношении верти-
кальной составляющей можно сделать вывод о целесообразности
ее измерения лишь в тех случаях, когда емкостная утечка играет
незначительную роль в возбуждении вертикального электрического
поля, например в случае прямоугольной петли или хорошо зазем-
ленного кабеля.
1.2.1.З. Поле в нижнем полупространстве
При решении поисковых задач предельной глубиной исследо-
вания называют максимальную глубину залегания верхней кром-
ки вполне определенного объекта поисков, при которой объект мо-
жет быть обнаружен по аномальным значениям наблюдаемой ха-
рактеристики электромагнитного поля на фоне помех аппаратур-
но-методического и геологического характера.
Задача картирования состоит в одновременном обнаружении и
прослеживании большого числа геологических объектов, сущест-
венно различающихся по типу, размерам и электрическим свой-
ствам. Поэтому при картировании вместо прямых оценок глубин-
ности по аномальным полям приходится использовать косвенные
оценки, отражающие лишь свойства нормальных полей. Несмотря
на очевидные недостатки таких оценок, они имеют практическую
ценность, так как позволяют сравнить нормальные поля устано-
вок по их свойствам, влияющим на глубинность картирования.
В случае установки СГ основной вклад в возбуждение геоло-
гических объектов вносит горизонтальная составляющая нормаль-
ного электрического поля, параллельная профилям наблюдений.
Естественно считать, что глубинность картирования тем выше, чем
медленнее убывает с глубиной возбуждающее поле в окрестности
приемной линии. В качестве количественной оценки глубинности
предлагается взять отметку глубины Но, на которой модуль ука-
занной составляющей поля уменьшается по сравнению с дневной
поверхностью на 20 % •
Отметим, что выделенная область нормального поля до глу-
бины Но может быть аппроксимирована однородным полем. От-
сюда следует, что если весь объект картирования или по крайней
мере его верхние, аномалеобразующне, части находятся выше глу-
бины Но, то вид аномального поля практически не зависит как от
положения объекта относительно питающей линии, так и от час-
тоты профилирования *. Таким образом, вычислив для изучаемой
площади распределение глубин Но и зная примерные глубины до
верхних кромок объектов картирования, можно заранее опреде-
лить области планшета СГ, где результаты профилирования на по-
* Рассматриваются локальные геологические объекты, поперечные размеры
которых существенно меньше длины волны Ат = 103 ]^10pT/f, где рт — удель-
ное сопротивление объекта. В этом случае индукционной частью аномального
поля, зависящей от частоты, можно пренебречь вследствие ее малости [13].
21
стоянном и переменном токе будут совпадать друг с другом или,
наоборот, существенно расходиться.
Расчет приближенной оценки Но глубинности установки СГ ос-
новывается на использовании выражения для отношений гори-
зонтальных составляющих полей кулоновских источников в зем-
ле и на границе раздела земля—воздух:
ааг = г2 = -31
Чг Е° El
&
Г*
-3,2
(11>
Е^ gv- '
I
где ^х2 = - е™ ^2 - 3-g-j (kR + 1) + k*z -
- "¥ [Лг (1 - 3 7?г) (pi ~Р^ + 2kzP* - (1 - 3 X
X [(1 - Ръ + (1 + -J-) Л] - &Г* (Р3 - Р4)1|
Л = /0 (и) Ко (<ц); Р2 = Ц (и) К, (V)- Р3 = /0 (и) к, (V)-,
^ =/,(«) Ко(^);
W = _^_(1+2L); ®=“¥-(1-^-); /?=(r2 + *2)1/2; /0(«), Д(«),
Ко М> Kt (v) — модифицированные функции Бесселя от мнимого
аргумента [11].
1.2.2. Поля установок метода срединного градиента
1.2.2.1. Особенности нормального поля |£х|
При съемках методом СГ модуль составляющей Ех является
основной наблюдаемой величиной электрического поля. Рассмот-
рим вычисленные для разных типов питающих линий функцио-
нальные зависимости этой величины от ее аргументов — парамет-
ра V и координат хну.
Зависимость поля \ЕХ| от параметра V в общем случае харак-
теризуется монотонным возрастанием нормированного значения
поля \^х\ с увеличением V. Однако конкретный вид этой зави-
симости для каждой питающей линии определяется типом куло-
новских элементарных источников, которые вносят основной вклад
в значение |#х| (рис. 1.4).
Расчеты составных частей нормального поля |й\| кабеля и по-
лупетли показали, что при малых значениях параметра V основ-
ную роль в формировании полного поля |ЗГЖ| играют токи индук-
ции, тогда как при больших значениях V преобладают токи за-
землений и емкостной утечки. Полное поле петли возбуж-
дается только токами индукции.
22
0,6,
0,25.
Ж
/2
Рис. 1.4. Зависимость lg | #x| от lg V для питающих линий «кабель» (о), «по-
лупетля» (б) и «петля» (в).
Индекс кривых — координата у, V, | gх |, мкГн/м.
23
Отмеченные особенности полей сохраняются и для их ха-
рактеристик, усредненных по планшету съемки. На рис. 1.5 пока-
заны зависимости средних значений lg| S’xj полей Igl^J кабеля,
полупетли и петли от параметра V. Расчеты lg|<^xj для каждого
фиксированного значения аргумента 1g V выполнены по квадрат-
ной сети точек наблюдений, координаты которых изменялись с ша-
гом 0,2 в пределах —0,84-0,8 — для координат х и 0,3—1,9 для
координат у.
Рис. 1.5, Зависимость 1g | Sх\ от 1g V для
питающих линий «кабель» (/), «полупетля»
(2) и «петля» (3). | S х|; V, мкГн/м.
Для конкретной установки СГ рабочая частота f и разнос 21—
фиксированные значения. Поэтому параметр V и приведенное по-
ле l&xl отличаются соответственно от удельного сопротивления р
и нормального поля ]£х| лишь постоянными множителями. Это
дает возможность использовать усредненные зависимости, анало-
гичные приведенным на рис. 1.5, для определения по наблюден-
ному полю |Дх| среднего эффективного сопротивления рк изучае-
мых неоднородных сред. __
Для кабеля и полупетли такая возможность определения рк
может быть реализована во всем диапазоне изменения параметра
V. В случае петли однозначное соответствие средних значений
1g 1^1 значениям 1g V имеет место лишь в пределах области
lg V<lg Va, где Va — граничное значение параметра V, начиная с
которого можно считать, что кривая lg fS’xf выходит на асимпто-
ту. Например, значение Va для кривой с индексами |х| =04-0,6,
у=0,5 на рис. 4, в близко к 3 мкГн/м. Для частоты f=625 Гц и
полуразноса /=0,5 км это означает, что поле |Дх| петли нечувст-
вительно к изменению удельного сопротивления вмещающей сре-
ды, если значение р превышает 450 Ом-м.
Зависимости поля | Ех | от координат у и х. При увеличении
координаты у поле |^х| всех типов питающих линий монотонно
убывает. Наиболее быстрый спад поля отмечается для области
преобладания токов индукции (У<1 мкГн/м).
К особенностям нормального поля полупетли следует, отнести
резкое уменьшение значения поля |^*х| за границей внутренней
области питающей линии (у>2) и, наоборот, значительное увели-
чение поля вблизи основания полупетли (г/<0,3). В связи с этим
24
рабочую область поля If^l полупетли целесообразно ограничить
по оси Оу условием 0,3^у^2,0.
Отличительной чертой установки СГ на постоянном токе явля-
ется большая степень однородности нормального поля | Ех | при
изменении координаты х. В случае переменного тока это свойст-
во установки СГ сохраняется как для заземленных, так и неза-
земленных питающих линий. Наиболее широкий интервал прибли-
зительно однородного поля \&х\, соответствующий условию |х|^
^0,8-М, отмечается для петли при средних и больших значениях
параметра V (У>1 мкГн/м). Интервал однородного поля кабеля
и полупетли для тех же значений параметра V ограничен услови-
ем |х|^0,4. В области преобладания токов индукции (Г<
<1 мкГн/м) скорость изменения поля \&х\ с увеличением коор-
динаты |х| примерно одинакова для всех типов питающих линий.
Номограммы поля | Ех |. Результаты вычислений нормальных
полей позволили построить номограммы электрических полей
|£х|, предназначенные для экспрессного определения уровней по-
лезного сигнала при планировании полевых работ и обработке ре-
зультатов наблюдений (см. приложение).
По осям номограмм отложены значения десятичных логариф-
мов координаты у профиля наблюдений (ось ординат) и парамет-
ра V (мкГн/м) (ось абсцисс). Индексом всей номограммы явля-
ется координата |х| точки наблюдения. Оцифровка изолиний вы-
полнена в десятичных логарифмах нормальной разности потенциа-
лов At/oo (мкВ), наблюдаемой при выходном токе генератора / =
= 100 мА, действующей длине заземленной приемной линии 1мн=
= 1 м и рабочей частоте f=625 Гц. С помощью номограмм значе-
ния функций IgAt/oo могут быть определены с точностью до од-
ной единицы второго знака после запятой. Для этого длины ло-
гарифмических модулей осей абсцисс и ординат должны быть со-
ответственно не менее 30—40 и 60—80 мм.
При произвольных значениях I, 1мн и f переход от значений
At/oo номограмм к значениям полезного сигнала At/0 осуществля-
ется по простой формуле:
At/0 = &U00lMN (1,100) (//625),
(12)
где At/0, At/oo, мкВ; /, мА; lMN, м; f, Гц.
1.2.2.2. Рабочие области полей |£х| и |£г|
Составляющая | Ех |—основной изучаемый компонент элект-
рического поля. Наблюдение вертикальной Ez и горизонтальной
Еу составляющих поля носит вспомогательный характер. Однако
составляющие Ег и Еу могут искажать результаты наблюдений
составляющей Ех вследствие паразитных наводок на приемную
линию. Из опыта работ следует, что методические погрешности
наблюдения |£х| невелики в так называемой рабочей области нор-
мального поля (РОНП), где отношение | Еу | /1 Ех | составляет пер-
вые единицы, а отношение |Е2|/|Ел:| 10. При наблюдениях |£2|
25
практический интерес представляет лишь аномальная часть поля,,
обусловленная взаимодействием локальных геологических объек-
тов с нормальным полем |Ех|. Для четкого выделения аномалий
|£г| уровень его нормального поля должен быть достаточно мал.
Ограничим рабочие области следующими условиями соответ-
ственно для случаев наблюдений горизонтальной | Ех | и верти-
кальной | Ег | составляющих электрического поля:
l^l/l^l < Ю; (
|£Ж1<2; |
(13)
(14)
Дополнительным критерием рабочих областей, важным для
установки СГ, является степень однородности нормального поля >
|£х| в окрестности точки наблюдения.
При выполнении этих условий, с одной стороны, обеспечива-
ется необходимая направленность и однородность поля Е для
возбуждения картируемых геологических объектов, с другой — до-
стигается снижение методических погрешностей наблюдений |Ех|
и |£2|, возникающих из-за ошибок в ориентировке незаземленной
приемной линии при измерениях |£%| * или вследствие высокого
уровня фоновых значений поля | Ez | при изучении его локальных
аномалий.
РОНП определяет максимально допустимые размеры рабочей
части планшета СГ. Обычно площадь съемки меньше площади
РОНП, так как помимо условий (13), (14) на практике необхо-
димо также удовлетворить требованиям достаточно высокого уров-
ня полезного сигнала и достаточной глубинности картирования.
В качестве примера на рис. 1.6 приведены результаты расчетов
отношений I Еу | /1 Ех | и | Ег| /1 Ех| для трех типов питающих ли-
ний при |х| =0,4. Изучение этих зависимостей, а также анализ
полей (7), (8), (9) кулоновских элементарных источников, выпол-
ненный с учетом симметрии установок СГ, позволяет сделать сле-
дующие выводы.
Осевой линией РОНП для всех видов питающих линий являет-
ся координатная ось Оу -— ось симметрии установок СГ. В точ-
ках наблюдения, расположенных на этой оси, Еу=Ег=0, Ех=/=0 и,
следовательно, |£j/|/|£x| = |E2|/|£\:| =0. По мере удаления от осе-
вой линии значения рассматриваемых отношений постепенно уве-
личиваются.
Наиболее сложный вид имеют зависимости Ifyl/lfjc] и
|£2|/|£х| для питающей линии «полупетля» (рис. 1.6,6), когда
планшет съемки расположен внутри контура питающей линии.
Зависимости для линий «кабель» и «петля» более просты
* При наблюдениях | Ех | с помощью хорошо заземленной приемной линии
достаточно удовлетворить лишь первому из условий (13), так как в этом случае
сигнал-помеха, вызванная полем |Ег|, не проникает в измерительную цепь.
26
Рис. 1.6. Зависимости |£к|/|£х| и |£г|/|£х| от 1gу для питающих линий «ка-
бель» (а), «полупетля» (б) и «петля» (в) при |х| =0,4.
Индекс кривых — Ig V; V, мкГн/м.
(рис. 1.6, а, в). В общих чертах они характеризуются ростом от-
ношений |Еу|/1Ех| и |£z|/|£x| с увеличением координат |х| и у.
При уменьшении параметра V, т. е. при возрастании роли токов
индукции, значение отношения |£,г|/|£'ж| для всех питающих ли-
ний, как правило, растет, в то время как отношение | Еу | /1 Ех |
для линий «кабель» и «петля» уменьшается.
Ориентировочные размеры РОНП, не претендующие на стро-
гое выполнение условий (13), (14) для всех значений параметра
V, определяются следующими соотношениями.
При наблюдениях |Е%|
0,01 С|у| < 2, |л|<0,8 —для линии „кабель1*;
0,3<у<2, |л|<0,8 — для линии „полупетля**;
0,3<у<2, |х| < 1,0 — для линии „петля**.
При наблюдениях |£2|
0,01 <|у|< 1, 0,4 —для линии „кабель**
при V > 1 мкГн/м;
0,3?Су<2, |л| 40,8—для линии „полупетля**
при V > 1 мкГн/м;
0,03 Су 4 0,1 |х| <0,4 —для линии „петля**.
(15)
(16)
27
Планшет съемки обычно имеет прямоугольную форму. Поэто-
му его границы, удовлетворяющие требованиям РОНП в направ-
лении осей Ох и Оу, часто оказываются взаимообусловленными:
увеличение длины планшета по одной из осей влечет за собой со-
кращение его размеров по другой оси.
1.2.2.З. Глубинность картирования
Строгое решение задачи по определению введенной выше оцен-
ки глубинности картирования Но состоит в подборе для каждой
точки наблюдений отметки глубины Но, на которой модуль |£х|
нормального поля установки убывает по сравнению с дневной по-
верхностью на 20%. Решение этой задачи не содержит принципи-
альных трудностей, однако требует составления довольно сложной
вычислительной программы.
В настоящей работе рассматривается приближенное решение
задачи, основанное на использовании свойств полей кулоновских
элементарных источников в нижнем полупространстве и на раз-
дельном определении составных частей нормального поля уста-
новки на дневной поверхности.
Основной вклад в значения составных частей Еах2, £Ех2 и E'Lx2
нормального поля питающей линии вносят поля кулоновских ис-
точников, ближайших к точке наблюдения. Эта особенность сум-
мирования элементарных полей дает основание для грубой аппро-
ксимации изменений полей Е°х2, Еех2, Е^х2 питающей линии с глу-
биной соответствующими зависимостями q,a и qxn, установленными
в разделе 1.2.1.
Расчет приближенной оценки глубинности Но был выполнен
с помощью вычислительной программы, составленной на языке
ПЛ-1.
Вычисленные кривые глубинности установок СГ представлены
на рис. 1.7 в виде зависимости Но~Но!1 от координат |х|, у точек
наблюдений и значения параметра V (мкГн/м). За индекс кривых
принято значение lg V. Из анализа этих зависимостей следует, что
с увеличением V, т. е. с уменьшением рабочей частоты или увели-
чением удельного сопротивления горных пород, глубинность кар-
тирования быстро растет, достигая своих максимальных асимпто-
тических значений при V> 104-100 мкГн/м. Таким асимптотиче-
ским значениям Но на рис. 1.7 соответствуют кривые глубинности
с индексом «^2». Для заземленной питающей линии «кабель»
эти кривые отвечают случаю постоянного тока.
Зависимость глубинности картирования Но от координат |х| и
у отражает степень приближения точки наблюдения к элементам
питающей линии — источникам электрического поля. Вблизи от
источников глубинность установки СГ резко падает, так как поле
|£х| здесь быстро уменьшается с глубиной. В таком поле наибо-
лее четко проявляются лишь близповерхностные объекты. Так,
для линии «кабель» (см. рис. 1.7, а) при У>504-100 мкГн/м прак-
тически единственным источником поля | Ех | являются заземле-
28
Рис. 1.7. Зависимость 1gНо от Igy для питающих линий «кабель» (с),
«полупетля» (б) и «петля» (в) при различных значениях |х|.
Индекс кривых — lg V; V. мкГн/м.
ния. Поэтому глубинность картирования определяется расстояни-
ем до ближайшего заземления и не зависит в рассмотренной об-
ласти изменения координат |х | и у от положения точки наблюде-
ния по отношению к проводу. При V<14-5 мкГн/м поле |£х| в
основном возбуждается векторными элементами тока питающего
провода. Вследствие этого близость к проводу становится опре-
деляющим фактором глубинности.
Для примера определим с помощью рис. 1.7 оценку глубинно-
сти Но на осевой линии установки СГ (х=0) для постоянного тока
и рабочей частоты 625 Гц при двух значениях у, равных 10 и 50 м,
р = 62,5 Ом-м и /=1000 м. Согласно кривым глубинности оценка
Но на постоянном токе для обеих координат у равна 400 м. На
переменном токе (V=0,l мкГн/м) оценки Но изменяются от 2 до
10 м при удалении от провода соответственно на 20 и 50 м. Из
изложенного ясно, что большая глубинность на постоянном токе,
а также ее независимость от координаты у определяются боль-
шим и практически неизменным расстоянием до заземлений
(1000 м). На переменном токе при малых значениях параметра V
оценки глубинности существенно меньше и более изменчивы из-за
близости точек наблюдения к проводу — в этом случае'основному
источнику наблюдаемого поля | Ех | -
Особенностью линий «петля» (при любых V) и «кабель» (при
У< 10 мкГн/м) является наличие на кривых глубинности четко вы-
раженного максимума (рис. 1.7, а, в). С удалением от линии (с
29-
ростом у) Но вначале, как обычно, возрастает, затем, достигнув
максимума, уменьшается, быстро приближаясь к постоянному
асимптотическому значению, отвечающему дальней зоне
Максимальная оценка Но примерно в 1,5 раза больше асимптоти-
ческой. С изменением частоты при фиксированных р и I точки
с максимальными оценками Но перемещаются по планшету. Ли-
ния «полупетля» при У>_1 мкГн/м характеризуется слабой за-
висимостью глубинности Но от координаты у. При меньших зна-
чениях V глубинность растет с увеличением у, достигая макси-
мальных значений Но на дальней границе планшета.
Нужно отметить, что оценки глубинности Но могут быть как
угодно велики лишь для линии «кабель» при использовании посто-
янного тока. В этом случае, если не принимать во внимание тех-
нические возможности аппаратуры и степень неоднородности пе-
рекрывающей толщи, любую заданную глубинность Но легко по-
лучить при достаточном удалении от питающей линии. Для пере-
менного тока этот прием увеличения глубинности имеет принципи-
альное ограничение: на больших расстояниях от любой питающей
линии электрическое поле принимает структуру горизонтально по-
ляризованной плоской волны, для которой оценки глубинности Но
имеют постоянное значение вне зависимости от изменения коор-
динат |х| и у.
1.2.2.4. Влияние емкостной утечки и неэквипотенциальности проводов
Распределение потенциала по проводам реальных питающих
линий «кабель» и «петля» отлично от нуля. Это является причи-
ной возникновения тока и поля £е емкостной утечки и приводит
к искажению картины нормального поля, рассчитанного для иде-
альной питающей линии.
Для линий «кабель» средний потенциал провода зависит от его
погонных параметров Zo, Со и падения напряжения на сопротив-
лениях заземлений Ra и Rb. Средний потенциал провода линии
«петля» равен нулю. Неэквипотенциальность проводов на низких
частотах имеет линейный характер, обусловленный равномерным
падением напряжения на омическом сопротивлении проводов. На
высоких частотах распределение потенциала осложняется волно-
выми процессами — затуханием и отражением электромагнитных
волн в проводе. В дополнение к перечисленным факторам сущест-
венное влияние на текущий потенциал проводов оказывает место
включения генератора тока в линию.
Рассмотрим частный случай линии «кабель», когда питающий
провод каждого плеча линии можно считать эквипотенциальным,
а его потенциал — совпадающим с падением напряжения на соот-
ветствующем сопротивлении RA или RB. Указанный режим работы
питающей линии часто встречается на практике, так как полное
сопротивление \ZR\ провода обычно меньше сопротивления его
заземления. Очевидно, что поле £Е такого провода аналогично
30
хорошо изученному полю £° заземленного эквипотенциального
линейного электрода [6]. Отметим следующие основные свойства
поля £6.
Составляющие |£ЕЛ | и |£’у| рассматриваемого поля достига-
ют наибольших значений вблизи провода соответственно в его
краевых и центральной частях. При неизменном выходном токе
генератора емкостная утечка, а следовательно, и поле |£е | воз-
растает с увеличением абсолютного потенциала проводов и умень-
Рис. 1.8. Влияние емкост-
ной утечки при включе-
нии генератора тока в
центре питающей линии
кабель.
Индекс кривых — координата
у; V, мкГн/м.
шением их емкостных сопротивлений ZCA и ZCb- Совместное влия-
ние двух последних факторов эквивалентно росту нагрузочных со-
противлений | ZH | длинных линий — нормированных сопротивле-
ний заземлений Ra=RaIZca и Rb=RbIZCb- Вертикальная состав-
ляющая | Ег1- | поля емкостной утечки при идеальной раскладке
питающих проводов (/г->0) отсутствует. Тем не менее емкостная
утечка, изменяя распределение тока в проводах (интенсивность
векторных элементов тока), оказывает косвенное влияние на вер-
тикальную составляющую полного поля реальной линии £2р л,
имеющую чисто индукционную природу.
Ясно, что при большой емкостной утечке поле £р- л реальной
линии может существенно отличаться от поля идеальной линии:
в окрестности генератора — завышением и резкой неоднородно-
стью составляющей |£хр л|, в средней части каждого провода —
недопустимо большим отношением I^p- л|/|£хр-л|, вблизи зазем-
ленных концов проводов — занижением |£2рл |.
На рис. 1.8 для ряда значений координат у и параметра V при-
ведены результаты расчета погрешности бхр л = (| £хр л | —
— |£х|)/|£х| в зависимости от координаты |х|. Вычисления выпол-
нены при расположении генератора в центре линии «кабель» для
случая Ra = Rb=®,25; Zr=0. Этим значениям RA и Rb соответству-
ют, например, такие характеристики линии: 1=1 км, провод
ГСП-035 (Со=15 пФ/м), /=625 Гц, ZCA=ZCB= 17 кОм, Ra=Rb=
4,2 кОм. Из рис. 1.8 видно, что на соседних с генератором профи-
31
лях при х=0 и мкГн/м наблюдается локальный максимум
бхр л, значительно превышающий 20%-ный уровень, принятый для
области ИПЛ.
Влияние емкостной утечки будет уменьшено, если генератор
удалить от планшета съемки, подключив его к линии у одного из
заземлений, например у заземления А. Одновременно следует по-
низить потенциал провода, улучшив его заземление В *. Анализ
нормальных полей, вычисленных для ряда значений RB при ZR=0,
показывает, что рассматриваемую реальную линию можно считать
идеальной, если
Яд <0,5. (17)
При этом границы рабочих областей | Ех | и | Ег | определяются
соотношениями (15), (16) и дополнительным условием
У>0,1, (18)
вытекающим из рассмотрения зависимостей | ЕуУ-л | /1 Ех?л | при
V^l мкГн/м. Этот вывод иллюстрируется на рис. 1.9 для пре-
дельного случая £в = 0,5.
Нужно отметить, что, несмотря на сравнительно большую ем-
костную утечку (RB : ZCB=i :2), распределение тока |/| в проводе
изменяется незначительно. Последнее обусловлено фазовым сдви-
гом, близким к 90°, между фазами тока емкостной утечки и тока
проводимости в проводе. В результате амплитуда тока I, стекаю-
щего с дальнего заземления, уменьшается здесь по сравнению с
идеальной линией всего на 11 %. Этим объясняется то небольшое
влияние емкостной утечки на составляющую |Е2рл|, которое уста-
новлено по результатам вычислений.
При больших разносах установки СГ анализ поля £р л линии
«кабель» должен учитывать неэквипотенциальность провода, т. е.
конечное значение его нормированного сопротивления ZR. Оценим
для рабочей частоты 625 Гц предельное значение |ZR|, соответст-
вующее максимальной длине провода ГСП-0,35, рекомендованно-
го для устройства питающих линий. Принимая во внимание вве-
денное выше ограничение на длину провода (/0^4 км) и зная его
первичные параметры (Со=15 пФ/м, £о=27О Ом/км), определим
с помощью соотношений (4): ZR=1,1 кОм; Zc=4,3 кОм, Zp~0,25.
Результаты расчетов погрешности 6xp-л для линии с генерато-
ром тока у заземления ^ (хд= —1, Уа = 0) и предельными значе-
ниями сопротивлений 7?в=О,5 и ZR=0,25 приведены на рис. 1.9.
Сравнивая на рис. 1.9 кривые 6хр л, можно заключить, что влия-
ние неэквипотенциальности провода выражается в недопустимом
увеличении погрешности 6хр-л при У>1 мкГн/м. Вместе с тем
установлено, что зависимости |£йР л|/|Ехр-л| и |£'2р л|/|£*р л| из-
меняются несущественно. Таким образом, идеализация линии «ка-
* Сопротивление Ra заземления А, расположенного у генератора, на емкост-
ную утечку не влияет.
32
Рис. 1.9. Влияние емкостной утечки при включении генератора тока у заземле-
ния А питающей линии «кабель» для случаев эквипотенциального (а) и неэк-
випотенциального (б, в) провода.
Индекс кривых — 1g V; V, мкГн/м.
бель» с неэквипотенциальным проводом и большой емкостной
утечкой возможна лишь при малых значениях параметра V, когда
вклад токов индукции в лолное поле преобладает. При этом гра-
ницы рабочих областей | Ех | и |£Д сохраняются в соответствии
с условиями (15), (16).
Расчет поля £р л линии «петля» с неэквипотенциальным прово-
дом выполнен для трех вариантов включения генератора: в сере-
дине у каждого из оснований петли и в середине боковой сторо-
ны. Для рабочей частоты 625 Гц рассматривался наиболее небла-
гоприятный случай, отвечающий применению высокоомного про-
вода ГСП-0,35 максимальной длины (4 км). Как и ожидалось по
аналогии с линией «кабель», наибольшее влияние емкостной утеч-
ки имеет место для Г>1 мкГн/м, особенно при включении гене-
ратора в основании петли (ближайшее к планшету съемки). Дру-
гие варианты снижают влияние утечки. Наилучший эффект дает
включение генератора в середину дальнего основания. При съем-
ке двух планшетов СГ по обе стороны петли генератор можно
включать в середину боковой стороны. Однако в этом случае при
Г^Ю мкГн/м из площади съемки должна быть исключена об-
ласть на продолжении боковой стороны с генератором тока
(|х| >0,9; р<0,2). При выполнении указанных рекомендаций ре-
альную линию «петля» можно рассматривать как идеальную для
рабочих областей |£%| и |Д2| в границах (15), (16).
3 Зак. 77
33
В отличие от линий «кабель» и «петля» поле Ес емкостной
утечки идеальной линии «полупетля» является составной частью
наблюдаемого поля Е. Поэтому причиной нарушения идеально-
сти линии здесь служит не сам факт емкостной утечки, а лишь *
неэквипотенциальность питающих проводов, вследствие кото-
рой нарушается как равномерное стекание емкостного тока, так и
линейное распределение тока проводимости |/| в проводе. Расче-
ты полей £₽•" на частотах до 2500 Гц для полупетель, составлен-
ных из двух отрезков провода ГСП-0,35 максимальной длины
(2 км), показали, что для рабочих областей |£х| и |£z| в гра-
ницах (15), (16) неэквипотенциальность питающих проводов мож-
но не учитывать. Этот результат объясняется очень малым паде-
нием напряжения на отрезке провода в сравнении с его большим
средним потенциалом. Так, в рассмотренных случаях модуль теку-
щего потенциала провода уменьшался к концу каждого плеча ли-
нии менее чем на 1 %.
1.2.3. Поле установок дипольно-осевого
и комбинированного профилирования
Питающие линии незаземленных установок ДП и КП
(рис.1.3), описанные в 1.1.2, можно рассматривать как прямоли-
нейный незаземленный длинный кабель (НДК) с разрывом в точ-
ке включения генератора [24]. Эквивалентная электрическая схе-
ма НДК та же, что и для рассмотренной выше емкостной линии
«полупетля» установки СГ. Учитывая результаты анализа ее, по-
ложим |ZH|=oo, Zr=0. Поле Е незаземленных установок ДП и
КП имеет на продолжении кабеля две составляющие — Ех и Ег.
Измеряемой величиной является |Дк|. Рассмотрим особенности
нормального поля Е НДК, позволяющие сформулировать требо-
вания к параметрам установок ДП и КП.
Для изучения нормального поля Е НДК введем линейные ко-
ординаты х с осью Ох, совпадающей с НДК и направленной в сто-
рону приемной линии установки (рис. 1.3). Начало О координат
находится в точке включения генератора (для установки ДП) или
в геометрическом центре линейного питающего электрода La (для
установки КП). При расчетах будем также использовать безраз-
мерные координаты x=x/La и относительные значения разносов
установки г=г)Ьа-
Нормальное поле НДК рассчитывалось путем интегрирования ;
полей (8), (9) элементарных кулоновских источников по длине 4*
каждого из отрезков проводов La и Lb в зависимости от параметра
V=p/(Lx2f), где V—мкГн/м; частота f — Гц; LA — км. При этом
провода питающих линий считались эквипотенциальными в соот-
ветствии с условием Zr—0.
Наблюдаемая составляющая поля |£л| формируется в общем
случае токами индукции и емкостной утечки. Соотношение значе-
34
Рис. 1.10. Результаты расчетов нормальных электрических полей установок ДП
и КП.
а — зависимость отношения | Ех | /1 Ея3| от координаты х (индекс кривых — lg V;
V, мкГн/м); б — зависимость параметра хтах от lg V (V, мкГь/м) для различных отно-
шений Lb/La.
I, 2, 3— кривые для £В/£А, равных соответственно 1, 10, 100.
ний |Е/| и |£хн| существенно меняется в зависимости от значе-
ний параметра V и координаты х. Оценку вклада индукционной
части нормального поля в его полное значение можно выполнить
по результатам расчетов, приведенных на рис. 1.10, а в виде зави-
симостей | Ех | /1 Ехе | от х для трех значений Lb=LbILa и различ-
ных значений параметра V. Как видно из рисунка, во всех случаях
з*
35
на кривых выделяются области правой и левой асимптот, наблю-
даемых при малых и больших значениях х. Левые асимптоты кри-
вых соответствуют [£>:(/|^^ f = 1, где индукционные токи не вно-
сят существенного вклада в суммарное поле и последнее возбуж-
дается в основном токами емкостной утечки. Увеличение значений
х приводит к возрастанию влияния индукции, вследствие чего
электрическое поле уменьшается и отношение | Ех | /1 Ех* | стре-
мится к 0,5.
В рассмотренной области аргументов V, х, Ев составляющая
Ег при малой высоте подвеса питающих проводов (Лг—>-0) имеет
чисто индукционную природу. Поэтому отношение |£’z|/|£,je| воз-
растает с уменьшением параметра V и увеличением координаты х.
Максимальных значений (первые единицы) это отношение дости-
гает при У=1 мкГн/м и х>4.
Параметры незаземленных установок ДП и КП удобно выбрать
таким образом, чтобы вычисление кажущегося удельного электри-
ческого сопротивления р1( можно было производить по формулам
постоянного тока, условно рассматривая питающие и приемные
линии реальных установок как равномерно заземленные эквипо-
тенциальные линейные электроды.
Для соблюдения поставленного условия значения г, La, Lb, V —
должны обеспечить выполнение требования малости вклада ин-
дукционной части нормального поля в его полное значение Ех.
Указанное требование может быть записано в виде
|£х| Ех _ .
~ |£;| ’ (19>
На рис. 1.10,6, приведена зависимость хтах — максимально до-
пустимой координаты х, при которой вклад индукционной части
поля Ех* уменьшает модуль полного поля Ех не более чем на 5 %.
Аппроксимируя кривые на рис. 1.10,6 отрезками прямых и вводя
обозначения хтах = Гтах+£м/4, Lm = LmILa, получаем следующие
простые численные соотношения между значением максимально
допустимого разноса установки rmax и параметрами Ад, LM и V:
max
0,3 Ад/V-Ам/4
0,8Ад^Г-Аж/4
при V 100;
при V < 100;
гкп
max
0,2Ад]/У —А^/4 при V >100;
0,6 Аду/V —при V< 100,
(20)
где Гшах, Ад и LM выражены в метрах, V — в микрогенри на метр.
Таким образом, при выполнении условия (20) можно прене-
бречь токами индукции и в связи с этим рассчитывать нормальное
поле Ех незаземленных питающих электродов установок ДП и КП
по формулам постоянного тока, справедливым для заземленных
эквипотенциальных линейных электродов Ад и LB.
36
Потенциальное поле Ех при наблюдениях с незаземленной при-
емной линией, так же как и в случае заземленной линии MN, оп-
ределяется по результатам измерения разности потенциалов &U
приемных электродов (см. 2.1.1). В соответствии с методом Г. Хоу
[18] указанные электроды принимают в электрическом поле Ех
потенциал, равный среднему значению потенциала наблюдаемого
поля в объеме, занятом электродом.
При сделанных выше допущениях связь между кажущимся
удельным сопротивлением рк и измеряемой разностью потенциала
А {7 выражается известной формулой pK=KAt///, где К — геомет-
рический коэффициент установки. Для рассматриваемых устано-
вок ДП и КП с незаземленными рабочими линиями в соответствии
с работой [6]
2 г. L .L ..
/(ДП =-----------------------A-JH--------------------
2а ln-X-+ (а — 1) In f ~ 1 + (я + 1) In
а Ь — 1 b -|- I
2л £ £
дкп = ________________________А м ____________
я,- + Щ
£„ ai bi~1 £_
L3 D
(21)
___А.
*1 + LB
где а—г— 0,75Ем, Ь=г+0,25Ём, ai=a+0,5, Z?i = & + 0,5.
Опыт полевых работ показал, что наиболее удобными для
практического применения являются установки с такими соотно-
шениями геометрических параметров: La' : La : LM : r= 1:1:2: 4,5
и LB : La : LM r=20 : 1 : 2 : 4,5. В этом случае значения К могут
быть определены по формулам
№п = 220£д; (22)
/<кп = 100£а,
где К и La выражены в метрах.
На рис. 1.11 приведены результаты расчетов нормированной
£,
разности потенциалов FL=-^-\U как функции разноса г для
установок ДП и КП при фиксированном значении £м = 2 и раз-
личных значениях LB. На этом же рисунке штриховыми линиями
даны кривые приведенной разности потенциалов FT, вычисленные
аналогичным образом по известным формулам для заземленных
установок с точечными электродами и эквивалентными действую-
щими разносами (рис. 1.3, б, г). Приведенные зависимости могут
использоваться для определения геометрических коэффициентов,
а также для экспрессного определения уровней полезного сигнала
при планировании полевых работ и обоснования размеров устано-
вок в конкретных геологических условиях.
Сопоставление кривых FL и FT показывает, что они начиная
с некоторых минимально допустимых разносов установки (rmin)
практически совпадают. Это говорит о том, что при rmin<r<fmax
электрическое поле незаземленных установок может быть аппрок-
37
/a / 6
Рис. 1.11. Зависимости нормированных разностей потенциалов FL (а) и
Ft (б) от разноса установки г при LM=2.
Индекс кривых — LB.
симировано полем заземленных точечных эквивалентных устано-
вок. Кривые погрешности 6= (Fl—FT)/FT такой аппроксимации в
зависимости от гтт и Ьв приведены на рис. 1.12 а, б. Указанным
зависимостям при 6=5% и Гм = 2 соответствуют следующие при-
ближенные выражения:
гдп
min
гкп
min
1OZ./FZ}0,4 при LB < 10;
3LaLb 0,1 при LB > 10.
(23)
Условия (20) и (23) ограничивают область, где коэффициенты
незаземленных установок ДП и КП могут быть рассчитаны по фор-
мулам постоянного тока, справедливым для эквивалентных зазем-
ленных установок.
Сформулируем также дополнительные требования к геометри-
ческим параметрам незаземленной установки КП, при соблюдении
которых результаты наблюдений с нею несущественно отличают-
ся от результатов наблюдений на постоянном токе с заземленной
38
Рис. 1.12. Кривые погрешности 6 для ус-
тановок ДП (а) и КП (б) при £м=2 и
различных значениях Lb.
трехэлектродной установкой. Условие эк-
вивалентности для точечных заземленных
установок неравнодипольного и трех-
электродного профилирования выполня-
ются при следующих известных соотно-
шениях [5]: Iab/Imn^IO', 1ав>1ам,
где 1ам — расстояние между внутренними
заземлениями А и М дипольной установ-
ки. В условных обозначениях, принятых
для незаземленной установки КП
(рис. 1.3, в), приведенные соотношения
принимают вид
(La + Lb),!Lm 10;
(£л + £в)'(2г-0,5£Л1)> 1.
1.3. ОСОБЕННОСТИ АНОМАЛЬНЫХ ПОЛЕЙ
В процессе профилирования изучаются среды, неоднородные по
электрическим свойствам. Наблюдаемое при этом электрическое
поле Е (отношение AU/l) является сложной функцией, зависящей
как от искомого распределения удельного сопротивления среды,
так и от типа и размеров установки. Для того чтобы устранить
влияние последнего фактора (полностью, в случае однородной
среды, или частично, в случае неоднородной), результаты наблю-
дений принято представлять в трансформированном виде в форме
так называемого эффективного параметра поля — кажущегося
удельного электрического сопротивления рь. При достаточной од-
нородности изучаемой среды результаты наблюдений, пересчитан-
ные в рк, независимо от типа и размеров установки численно и по
размерности совпадают с удельным сопротивлением среды р.
Специфика профилирования с незаземленными установками со-
стоит в применении повышенных частот, в измерении любых ано-
мальных компонент поля Е в воздухе, в использовании приемных
линий с линейными электродами. Эти черты новой методики при-
вели к необходимости усовершенствования известных способов оп-
ределения параметра рк и потребовали анализа некоторых особен-
ностей аномальных полей над локальными объектами.
1.3.1. Определение кажущегося
удельного электрического сопротивления
При профилировании на постоянном токе рк определяется как
удельное сопротивление фиктивного однородного полупространст-
39
ва, которое эквивалентно реальной среде по наблюденному значе-
нию составляющей электрического поля или разностей потенциа-
лов [5]. Это определение рк может быть описано с помощью фор-
мулы
Рк = ^Ро/^о = (25)
где ро — удельное сопротивление однородной и изотропной модели
реальной среды; Е, и Ео, — наблюденные и нормальные
значения изучаемой составляющей |£х| поля Е и разностей по-
тенциалов. Параметр модели р0 является переменной величиной,
подбираемой для каждой точки наблюдений так, чтобы удовлетво-
рить условию Е=Е0 или Д/7=Д/7О. В случае постоянного тока
значения р0 и Д/70 связаны прямо пропорциональной зависимостью
Д//о=/ро/К, где К — коэффициент установки. Поэтому подстанов-
ка отношения ро/А£7о в выражение (25) приводит к известной фор-
муле
рк=/<4£- (26>
В практике профилирования с установкой СГ эта формула час-
то применяется и для обработки наблюдений, выполненных на пе-
ременном токе. В этом случае для величины рк используется спе-
циальное обозначение рю [7]. Очевидно, что рю будет совпадать с
рк формулы (26) лишь в том случае, если нормальные поля уста-
новок СГ на постоянном и переменном токе можно считать оди-
наковыми. Анализ нормальных полей питающей линии типа «ка-
бель» показывает, что отличие рю от рк не будет превосходить
10—15%, если точки наблюдения удалены от провода питающей
линии на расстояние, большее 0,01/ и параметр 254-50 мкГн/м
[7]. В противном случае вследствие влияния электромагнитной ин-
дукции (индукционной части Exv нормального поля) различие
между р„> и рк может быть весьма велико как вблизи от питаю-
щего провода, так и на большом от него удалении. Это положение
иллюстрируют зависимости отношений рю/рк от параметра V, при-
веденные на рис. 1.13, а, б для различных профилей планшета СГ,
расположенного на поверхности однородного полупространства.
Отношение рю/рк^1 и растет по мере снижения V, т. е. при уве-
личении /, f и уменьшении р0. Завышение особенно существенно
при работе с незаземленными приемными линиями, где вместо
стандартной частоты 22,5 Гц необходимо использовать частоту
почти в 30 раз более высокую — 625 Гц. Этой частоте и значени-
ям I и ро, изменяющимся в пределах 1—2 км и 0,1—10 кОм-м, со-
ответствуют значения V, равные 0,04—16 мкГн/м. На рис. 1.13, в
в качестве примера показано распределение изолиний рш /рк по
планшету СГ над однородным полупространством для V=
= 0,6 мкГн/м (/=1,5 км, ро=9ОО Ом-м, f=625 Гц). Завышение
значений ри создает здесь ложное впечатление о наличии в цент-
ральной части планшета крупного геологического объекта повы-
шенного сопротивления.
40
Рис. 1.13. Зависимость отношения pw/pK для прямолинейного заземленного кабе-
ля от положения точки наблюдения на поверхности однородного полупро-
странства.
а, б — по линиям х=0 (а) и «/=0,1 (б); индекс кривых — параметр V, мкГн/м; в — в пре-
делах рабочей области планшета съемки при V=0,6 мкГн/м, индекс изолиний — отноше-
ние pJpk-
Для устранения отмеченных недостатков рю А. В. Вешев пред-
ложил вычислять эффективный параметр поля р, распространив
приведенное выше определение рк на случай переменного тока [7].
Расчет р для разных видов профилирования выполняется по фор-
мулам, аналогичным выражению (25), с подбором на каждой точ-
ке наблюдений значений ро, удовлетворяющих условию равенства
наблюденных и нормальных характеристик электромагнитного по-
ля. Значительный объем вычислений нормальных полей, выполнен-
ный под руководством А. В. Вешева, обеспечил возможность вы-
числений р для большинства установок профилирования и зонди-
рования, применяемых на практике; Идея введения параметра р
оказалась достаточно плодотворной и способствовала широкому
применению методов переменного тока для решения задач геоло-
го-структурного картирования.
Однако в приложении к методу СГ практика расчёта р пока-
зала, что, наряду с положительными сторонами, рассматриваемый
способ представления результатов наблюдений в свою очередь
имеет ряд недостатков и нуждается в усовершенствовании. К чис-
лу недостатков нужно отнести необоснованное искажение вида ло-
41
Рис. 1.14. Пример представления результатов наблюдений Д 17// (а) с питающей
линией типа «кабель» в виде графиков рш (б), р (в) и рк (г).
/ — частота 625 Гц; 2 — частота 18 Гц; 3—6 — нормальные кривые ДС7о//о (3 — ро=6О, 4 —
рэ=20, 5 — ро=9О, 6 — рэ=22 Ом-м); 7—8— медианные кривые (7 — ро=5О, 8 — ро=
=40 Ом-м); 9 — лавы дацитов; 10— гидротермально измененные породы; 11 — окварцевание.
кальных аномалий ДС7/7 при их трансформации в графики р и зна-
чительную трудоемкость вычислений р вручную.
Ниже на основе работ [6, 41] предложено усовершенствовать
методику расчета эффективных параметров поля для установки
СГ. посредством введения для параметра рк нового определения
(рк). Согласно этому определению рк рассматривается как нор-
мированная в единицах удельного сопротивления мера отклонения
наблюденного поля Е (отношения &U/I) от нормального [23, 36,
43].
Расчет рк ведется также по формуле (25), однако параметр
модели ро является здесь постоянной величиной, подбираемой для
всего планшета (профиля) наблюдений так, чтобы обеспечить до-
статочно хорошую аппроксимацию наблюденного поля Е (&U/I)
нормальным полем. Как показано ниже (см. 2.2.3.1), операцию
расчета параметра рк можно рассматривать так же, как редукцию
42
наблюденных значений Е за нормальное поле. В случае постоян-
ного тока предлагаемый и обычный способы определения пара-
метра рк эквивалентны друг другу, так как приводят к одним и
тем же численным результатам вследствие линейной связи Ео с
Ро. Сопоставим на практическом примере рассмотренные выше
способы представления результатов наблюдений в виде парамет-
ров рв, р и рк.
На рис. 1.14, а приведен график отношений At7/Z, построенный
в логарифмическом масштабе по результатам наблюдений мето-
дом СГ на частотах 18 и 625 Гц по одному из профилей в районе
Восточного Забайкалья. Разнос АВ питающей линии типа «ка-
бель» 21= 1,5 км, разнос 1МК заземленной приемной линии 20 м,
удаление профиля от питающего провода 150 м (i/=0,2). Среднее
удельное сопротивление пород участка по данным симметричного
профилирования и ВЭЗ составляет 30—70 Ом-м, что для частот
18 и 625 Гц соответствует средним значениям V, равным 0,7—1,6
и 0,02—0,05 мкГн/м.
Из рассмотрения рис. 1.14, а следует, что, несмотря на то что
средние уровни графиков AUI1 на разных частотах отличаются
друг от друга примерно на порядок, локальные особенности кри-
вых сохраняются практически неизменными. Это свидетельствует
о том, что как в первом, так и во втором случае верхние аномале-
образующие части локальных геологических объектов находятся
в электрическом поле, практически однородном по значению и на-
правлению, и вследствие этого вызывают одни и те же местные
возмущения поля.
Представление отношений AUЦ в виде графиков
(рис. 1.14,6) не изменило характера кривых. Однако значения
рш в связи с малыми значениями параметра V на обеих частотах,
оказались завышенными по сравнению с известными удельными
сопротивлениями пород участка. Особенно велико (в 10 раз и бо-
лее) завышение р„, на частоте 625 Гц.
Для построения кривых р на графики At/// были нанесены ли-
нии нормальных значений AUO/1, вычисленные для разных значе-
ний р0 с помощью таблиц нормальных полей [7]. На рис. 1.14, а
показаны лишь некоторые из нормальных кривых. Значение рдля
каждой точки наблюдения определялось индексом р0 нормальной
кривой, значение AU0/I которой совпадало с наблюденным отно-
шением AZ//I-
Средние уровни кривых р на разных частотах совпали друг с
другом, а также со средним удельным сопротивлением пород уча-
стка (рис. 1.14,в). Однако локальные особенности кривых AUjl
при их пересчете в графики р существенно изменились, причем
различным образом для разных частот. Для частоты 18 Гц на
графиках р увеличилась глубина минимума на пикетах — 0,14-0,0;
для частоты 625 Гц резко возросли максимальные значения на
43
пикетах — 0,4-ь0,3. Диапазон изменения р оказался более широ-
ким, чем возможные колебания удельного сопротивления горных
пород. Указанные искажения графиков р обусловлены тем, что
при трансформации локальных аномалий в кривые р исполь-
зуются нелинейные зависимости, справедливые лишь для нормаль-
ных полей. Нелинейный характер связи р с At/// привел также к
значительному снижению точности определения р на упомянутых
выше пикетах [34, 45]. Описанный способ расчета р отличается
большой трудоемкостью из-за необходимости построения большого
числа нормальных кривых, разных для различных частот. Нужно
отметить также противоречивость определения р для установок
профилирования с неподвижной питающей линией: однородность
принятой модели реальной среды не соответствует изменению пара-
метра ро модели на каждой точке наблюдений.
Перечисленных недостатков лишен предлагаемый способ пред-
ставления наблюдений в виде графиков р,;. Для рассматриваемого
примера в качестве фиксированного параметра модели выбран ин-
декс р0 такой нормальной кривой kU^I, которая хорошо аппрок-
симирует наблюденные значения At///: делит их на две равные
части (50 % наблюдений оказываются расположенными выше кри-
вой и 50 %—ниже). Эту нормальную кривую, которая занимает
среднее положение по отношению к наблюденным значениям
MJfl, будем называть медианной кривой. Для построения этой
кривой и определения ее индекса ро использовалась интерполяция.
С этой целью искомая медианная кривая предварительно захва-
тывалась в «вилку» двух нормальных кривых At/// с заданными
табличными значениями их параметров б=|/г|// У2 или V (кри-
вые 3, 4 и 5, 6 на рис. 1.14,а). По результатам таких построений
среднее значение индекса р0 медианных кривых для обеих частот
оказалось равным 45 Ом-м. Расчет рк выполнялся по формуле
(25): вначале вычислялось отношение наблюденного значения
At/// к соответствующему ему значению AU0/I медианной кривой,
а затем отношение умножалось на ро=45 Ом-м. Как видно из
рис. 1.14, а, графики рк для обеих частот практически совпали
друг с другом, сохранив в неизменном виде точность измерений и
локальные особенности наблюденных кривых MJ/I. Диапазон из-
менения рк и их среднее значение отвечают соответствующим ха-
рактеристикам удельных сопротивлений горных пород участка.
Универсальный характер определения рк как меры отклонения
наблюденного значения электрического поля Е от некоторой нор-
мы Ео позволяет использовать этот параметр для представления
результатов наблюдений составляющих поля, отсутствующих в
случае однородного полупространства. К таким чисто аномальным
компонентам поля относятся составляющие Ег и Еу, наблюдаемые
над локальными объектами в центральной части планшета СГ.
В качестве нормы Ео здесь предлагается взять составляющую ЕОх
44
нормального поля, взаимодействие которой с локальными объек-
тами обусловливает появление составляющих Ez и Еу.
Формула (25) для расчета рк приводится к более общему виду
•с помощью выражения
Рк'7=^Ро/^о7, (27)
где индексы i и / указывают ориентировку составляющих поля.
В рассматриваемом случае (центральная часть планшета СГ;
i=x, z, у; j=x) при достаточной однородности изучаемой среды
Ркхх==ро,’ Рк^ — рк^ — О.
Представление результатов векторных наблюдений в виде пара-
метров ркч облегчает анализ полевых данных, так как устраняет
их зависимость от изменения интенсивности возбуждающего
поля Ео,-.
1.3.2. Локальные объекты в однородном поле установки С Г
1.3.2.1. Векторные наблюдения
низкочастотного электрического поля в воздухе
Возможность векторных наблюдений в воздухе впервые была
реализована в 1974 г. с помощью штыревой приемной линии [36].
Аномальные поля Еа х и Еау касательных составляющих Ех и Еу
на земной поверхности хорошо изучены [5, 7, 27, 29]. Как извест-
но, эти поля непрерывны при переходе границы раздела земля—
воздух [42]. Поэтому нет необходимости в дополнительном ана-
лизе локальных аномалий Еах и Еау для условий векторных на-
блюдений вблизи, земли. В то же время аномальное поле Еаг вер-
тикальной. составляющей Ег практически не изучалось ввиду от-
сутствия аппаратуры и методики наблюдений. Некоторые иссле-
дователи без достаточных на то оснований полагали, что для за-
земленных источников электрического поля составляющая Еаг на
дневной поверхности равна нулю [27].
Рассмотрим аномальное поле Еаг в воздухе (в сравнении с по-
лем Еах) для возмущающих тел наиболее простой формы: шара,
бесконечно длинного горизонтального цилиндра и вертикального
пласта, перпендикулярных к возбуждающему полю ЕОх. При этом
введем следующие обозначения: р0, рт, рв — удельные сопротивле-
ния вмещающей среды, возмущающего тела и воздуха (ро<Срв,
рт<Срв); a — радиус шара и кругового сечения цилиндра; h — глу-
бина центра шара и центра кругового сечения цилиндра; 2m — го-
ризонтальная мощность пласта. Начало О правосторонней систе-
мы прямоугольных координат х, у, z совпадает: для Шара — с точ-
кой проекции его' центра на горизонтальную дневную поверхность,
для цилиндра и пласта — с проекцией на эту поверхность их осе-
вых линий. Плоскость хОу системы координат совмещена с днев-
ной поверхностью, оси Oz и Ох направлены на рис. 1.15 вверх и
45
Е,
мВ/м
1,6
1,2
А
ЯЙм
8-
&
4-0,8
г\о,4
о
I.
4-
2-
О
•2-
-4-
-Б-
л.
-Z -1
Е
'1,2
0,8
•0,4.
:•
---L__J____
О 7 2
0,4
0,8
•7,2
zfl.
о -
-7
-2
•2 "7
О 7 2х/т
г
Рис. 1.15. Теоретические кривые кажущегося удельного сопротивления и напря-
женности электрического поля в воздухе.
a — над заряженным проводящим шаром; б, в, г — над поляризованными телами: шаром
(б), горизонтальным цилиндром (в) и вертикальным пластом (г).
Составляющие поля: 1 — горизонтальная, 2 — вертикальная.
вправо. Точки наблюдений расположены в воздухе в непосредст-
венной близости от земной поверхности.
Исследование полей ограничим анализом независимой от час-
тоты потенциальной части Е°а аномального поля Еа. Индукцион-
->
ная часть поля Еаи полагается нами достаточно малой, так как
рассматриваются такие частоты f и удельные сопротивления сред
46
Ро, Рт, ДЛЯ которых ДЛИНЫ ВОЛН Ao=103]/r10po/f,AT=103 КЮрт/f
значительно превышают глубину h и размеры, а, 2т возмущающих
тел [13]. В случае установки СГ будем также считать, что ло-
кальные объекты вследствие их малых размеров [й, а и 2т мень-
ше (0,1-£-0,2) Z] возбуждаются однородным нормальным полем
fox (см. 1.2.1).
Для решения поставленной задачи воспользуемся принципом
эквивалентности станционарных электрических полей в проводя-
щих средах электростатическим полям в вакууме с соответствую-
щим выбором распределения электрических зарядов [2]. Резуль-
таты расчетов будем представлять в виде эффективных парамет-
ров поля ркхх и pKzx, определенных в предыдущем разделе.
1.З.2.2. Шар и цилиндр в однородном поле ЕОх
Расчет аномальных полей Егг и Еах ограничим условием
h^2a. В этом случае поляризованные тела — шар и цилиндр —
при переходе к электростатической задаче могут быть с достаточ-
ной степенью точности замещены диполями, расположенными в
центре шара и в центре кругового сечения цилиндра параллельно
оси Ох [2]. Шару эквивалентен трехмерный диполь с электриче-
ским моментом Рх, цилиндру — двумерный («плоский») диполь с
электрическим моментом рх:
р _ 4тсе0б р .
Р*--------~^х'
(28)
где
G = 2 р029рт - роа3; g = Ро Рт р0а2.
Расчетные формулы для эффективных параметров поля имеют
вид равенств (29) и (30) соответственно для шара и цилиндра:
№~2x^
Рк~ = Ро~ О-----
м
3hx,,
л л/
/г2 — х*
Ркхх=Ро — 2g —;
А м
2hx..
p« = 2g-^,
к м
(29)
(30)
где Рм=[х2м + У2м-\- (2zM+.h)2]l/2 — расстояние от центра шара или
осевой линии цилиндра до точки наблюдения М с координатами
Хм, Ум, Zm(Zm&szO).
47
pKzx в выражениях (29) и (30) может принимать как положи-
тельные, так и отрицательные значения. Указанная форма записи
аномального поля Ег г здесь и далее предусматривает применение
такой методики наблюдений, при которой помимо амплитуд со-
ставляющих Ех и Ег определяется фазовый сдвиг между ними.
Положительным значениям ркгх отвечает условие фх2=0, отрица-
тельным— условие фхг=180°. Простой прием, позволяющий в про-
цессе полевых наблюдений определить знак ркгх, описан в 3.3.3.
На рис. 1,5, б, в приведены графики ркхх и pKZJC, вычисленные
для точек оси Ох по формулам (29) и (30) при ро=1 кОмм,
pi = Ю кОм-м, й = 2а=20 м. Для характеристики диапазона измене-
ния наблюдаемых значений составляющих Ех и Ег вертикальная
ось графиков дополнительно оцифрована в единицах напряженно-
сти электрического поля. При этом возбуждающее поле Еох при-
нято равным 200 мкВ/м, что отвечает возможному практическому
случаю. Так, с помощью номограммы (см. прил. 1) можно уста-
новить, что для установки СГ с питающей линией типа «кабель»
(2/=600 м, /=625 Гц, 7=100 мА) поле £0х^200 мкв/м наблюда-
ется в центральной области планшета съемки (30 | ус |^220м,
|-*сг |^Ю0 м, где хсг> Усг~ координаты точек наблюдений в ко-
ординатной системе установки СГ). В этой области согласно кри-
вым глубинности (рис. 1.7, а) вертикальная мощность слоя одно-
родного поля ЕОх при удалении от кабеля увеличивается с 30 до.
135 м.
1.З.2.З. Вертикальный пласт в однородном поле ЕОх
Рассмотрим выходящий на поверхность пласт, не ограниченный
по осям Oz и Оу. В силу симметрии задачи вектор плотности то-
ка J в средах ро и рт всюду направлен параллельно оси Ох и оди-
наков по значению. В связи с этим на вертикальных гранях пла-
ста образуется поверхностный электрический заряд с постоянной
плотностью ое=Е0£'ох^Рт(~)рр- [2]. Составляющие Еах и Esz ано-
мального поля пласта в воздухе найдем, перейдя к эквивалентной
электростатической задаче. Для этого заменим проводящие среды-
ро, Рт, рв вакуумом, а поляризованный пласт — разноименно заря-
женными плоскостями, совпадающими с вертикальными гранями
пласта. При этом плотность электростатического заряда должна
быть удвоена по сравнению с плотностью стационарного заряда
для учета влияния границы раздела земля—воздух. Решение зада-
чи запишем в виде
Рклх = Ро-- 28п6
pKzx = 2Snln(/?2 /?,),
I*
(31)
48
где 6П= (Р^2Й)Рт) » 6 —угол видимости верхней кромки пласта из
точки наблюдения М; Ri, R2 — расстояния от точки М до границ
пласта с координатами х, соответственно х\ = т и хц=—tn.
На рис. 1.15, г приведены графики pKzx, ркгх И Ех, Ег над плас-
том, рассчитанные по оси Ох для тех же значений ро, рт, ЕОх, что
и в рассмотренном выше случае шара и цилиндра; 2/и=50 м.
1.З.2.4. Заряженный проводящий шар ртСро
Задача по расчету аномального поля заряженного шара не ха-
рактерна для установки СГ. Однако рассмотрение этой задачи
представляет определенный интерес, так как позволяет оценить
возможности векторных наблюдений в воздухе при использовании
аппаратуры и методики БИЭП для работ по методу электриче-
ского заряда.
Решение задачи ограничим условием достаточно глубокого по-
гружения шара (Л^2а), когда можно считать, что граница раз-
дела земля—воздух практически не влияет на значение и распре-
деление его стационарного поверхностного заряда. В этом случае
при переходе к электростатической задаче шар может быть заме-
щен точечным зарядом д=2еоро/, сосредоточенным в центре шара
[2]. Благодаря этому вычислительные формулы для электриче-
ского поля шара в воздухе (zM^0) принимают простой вид:
Р Ро' Хм .
2к /?з >
М
— h
/И
(32)
где I — сила тока, стекающего с шара. При амплитудных измере-
ниях знак составляющей Еях определяется углом фазового сдвига
фхг в соответствии с правилом, введенным выше для ркг* в выра-
жениях (29) и (30).
Графики Еях и Еаг, рассчитанные по формулам (32) для точек
оси Ох, изображены на рис. 1.15, а. При этом значения р0=
= 1 кОм*м, /г = 2а=100 м, /=0,628 А выбраны так, чтобы они от-
вечали возможному практическому случаю.
Анализируя результаты расчетов аномальных электрических
полей в воздухе, можно сделать следующие выводы.
Размах экстремальных значений аномальных полей примерно
одинаков для составляющих Ех и Ег. Поэтому при векторных из-
мерениях оба компонента аномального поля Esx и Esz доступны
для полевых наблюдений. При работе со штыревой приемной ли-
нией (1мл = 1 м) собственные шумы микровольтметра аппаратуры
ЭРА-625 не превышают 0,5—1 мкВ. Выполненное исследование
помехоустойчивости линейного детектора микровольтметра [33]
показывает, что для указанного уровня помех в качестве пороговой
напряженности поля, измеряемой с погрешностью не более 5—10 %,
4 Зак. 77
49
можно принять значение, равное 6 мкВ/м (при коэффициенте при-
емной линии vaw=2). Рассчитанные выше аномальные эффекты
значительно превосходят пороговую напряженность поля, особенно
для заряженного шара.
Изучение составляющей Ег дает дополнительные данные для
качественной и количественной интерпретации локальных анома-
лий электрического поля. Так, границы вертикального пласта чет-
ко фиксируются равными экстремальными значениями ркгх. Нару-
шение симметрии экстремумов ркгх указывает на наклонное паде-
ние пласта. В случае заряженного шара максимальным значением
Ezz, более чем вдвое превышающим экстремумы Еах, отмечается
центр шара. Съемка Ez может быть использована здесь вместо
наблюдений потенциала электрического поля как для разбраков-
ки локальных минимумов |Дах|, так и непосредственно для про-
слеживания проекции оси заряженного тела на дневную поверх-
ность.
1.З.2.5. Влияние размера и типа приемной линии
на форму аномальной кривой ркхх
Приведенные на рис. 1.15 кривые ркх* рассчитаны для идеаль-
ной приемной линии MN бесконечно малых размеров. Практиче-
ские линии MN при измерениях Ех имеют геометрическую длину
LMn = 2ч-40 м. Конечные размеры линии приводят к сглаживанию
аномальных кривых ркх* и уменьшению их экстремальных значе-
ний [5]. Как показано в 2.1.1, это обусловлено тем, что разность
потенциалов iAu в приемной линии (значение ЭДС п) пропорцио-
нальна результату осреднения ё проекции поля Е вдоль провода
линии:
(33)
где Imn — действующая длина линии.
Для хорошо заземленной приемной линии, ориентированной по
оси Ох, закон осреднения поля Ех соответствует правилу вычисле-
ния среднего арифметического значения поля с весовой функцией,
равной 1:
е = -Д- \Ex(x)dx,
LMN
(34)
где Хо, Xi — координаты х начала и конца линии (x0<xi).
Аналогичная зависимость для незаземленной приемной линии
имеет более сложный вид. Например, для стелющейся незаземлен-
ной линии, ориентированной в положительном (xo<xi) и отрица-
тельном (xo>xz) направлениях оси Ох, имеем
1
7 2
MN
J (х — х0) Ех (х) dx . (35)
х0
50
ленные, с LMN=40 м (7) н LMN=20 м (5); 9 —вмещающая среда' с удельным сопротивлением ро; 10 — вертикальные пласты с удельным
сопротивлением рт; 11— микровольтметр; 12—13 — точечные - заземленный (12) и незаземленный (13) электроды; 14 — линейный незаземленный
электрод.
4*
51
В связи с различными осрсдняющими свойствами заземленных
и незаземленных приемных линий практический интерес для ме-
тодики БИЭП приобретает вопрос о сравнительной оценке влия-
ния типа и размера линии MN на форму аномальной кривой ркхх.
Рассмотрим в качестве примера такой оценки аномальные кри-
вые ркхх/ро над вертикальным пластом, вычисленные для зазем-
ленных и незаземленных (стелющихся) приемных линий (рис. 1.16).
При этом возбуждающее поле Ео х было выбрано однородным;
удельное сопротивление пласта — рт, вмещающей среды — ро;
Рт/ро=Ю; 0,1; мощность пласта 2т = (2; 1; 0,5; 0,25) £Mw; Imn =
=Lmn и LmnI2 — соответственно для заземленной и незаземленной
линий. Для расчетов использовались формулы (33) —(35), в кото-
рых была заменена на искомую ркхх/ро, а Ех(х) в подынтег-
ральных выражениях — на (р0—266)/р(), взятое из соотношения (31).
Как видно из рис. 1.16, значения ркхх/ро заземленной и неза-
земленной линий полностью совпадают при условии, что линия
MN не пересекает контакт сред. В этом случае поле Ех(х) посто-
янно по длине линии Lmn и его средняя величина ё, определяемая
выражениями (34), (35), естественно, не зависит от размера и ти-
па линии. Для этих же условий значения ЭДС <Fn в соответствии
с формулой (33) одинаковы при равных действующих длинах за-
земленной (Imn3“3) и незаземленной (/.wvH3) линий. При пересече-
нии контактов сред кривые ркхх/ро различны для линий разных ти-
пов и размеров. Анализ показывает, что кривые ркхх/ро заземлен-
ных и незаземленных линий с геометрическими длинами LMn333 и
Lmk"3 наиболее близки друг другу по интенсивности и форме ло-
кальных аномалий при выполнении условия:
£^«1,5£& (36)
Учитывая вышеизложенное, нужно различать два вида экви-
валентности заземленных и незаземленных приемных линий: экви-
валентность по среднему уровню сигнала ё’п (при /лпунз = £и№аз) и
эквивалентность по Интенсивности и форме локальной аномалии
рк** (при LMnH3~ 1,5£МЛгзаз). Первый вид эквивалентности исполь-
зуется на практике при определении коэффициента незазем-
ленной линии с помощью калибровочных наблюдений (см. 2.1.2),
второй — при выборе размеров заземленной и незаземленной ли-
ний, обеспечивающих примерно одинаковую детальность исследо-
вания резко неоднородного электрического поля.
Текущие значения ркхх1ро стелющейся приемной линии отнесе-
ны на рис. 1.16 к ее электрическому центру О'. Последний смещен
относительно геометрического центра О линии на расстояние
Soo'= 0,25£Mw в сторону оператора (см. 1.1.1.2). Указанное значе-
ние Soo' выбрано, исходя из общих принципов, как середина от-
резка, соединяющего геометрические центры приемных электро-
дов. Вычисленные аномальные кривые ркхх/ро дают возможность
оценить справедливость сделанного выбора. Задавая различные
52
значения Soo' и перестраивая соответствующим образом кривые
ркхх/ро, можно установить, что для рассматриваемых объектов вы-
бранное значение Soo' достаточно близко к оптимальному SOo' =
0,2QLMn, при котором достигается наилучшее совмещение графи-
ков ркхх/ро стелющихся линий, ориентированных в положительном
и отрицательном направлениях оси Ох.
Кривые ркхх/ро представлены на рис. 1.16 в равноточном ло-
гарифмическом масштабе [34]. Это позволяет просто оценить за-
висимость контрастности К локальных аномалий ркхх/ро от мощ-
ности пластов 2т и отношения сопротивлений pi/po- По опреде-
лению [34] значение контрастности К в рассматриваемом случае
пропорционально размаху экстремальных значений 11g (ркХА7ро) | -
Как можно заключить из рис. 1.16, своего максимального значе-
ния, пропорционального |lg(pT/po) |> контрастность достигает не-
зависимо от типа линии при выполнении условия Ьмы^2т. При
увеличении длины Lmn сверх мощности пласта 2т контрастность
аномалий уменьшается, причем значительно медленнее для плас-
тов высокого удельного сопротивления. Так, при AMw=4-2m конт-
растность аномалии ркхх/ро по сравнению с идеальной кривой
уменьшается для высокоомного пласта в 1,3—1,4 раза, для низко-
омного — в 4—5 раз.
При длине Lmjv-линий, сравнимой с мощностью пласта 2т,
графики ркхх/ро существенно отличаются от кривых ркхх/ро для
идеальной приемной линии (LMW->0). П-образная форма идеаль-
ной кривой при увеличении Lmn трансформируется вначале в тра-
пецеидальную (/-Mw<2m), а затем в треугольную (£дт^2т).
Причем для стелющейся линии имеет место асимметрия кривых,
которая зависит от того, какой из электродов линии (точечный
или линейный) первым приближается к контакту сред. В первом
случае кривая имеет крутые склоны, аналогичные пересечению
контакта заземленной линией MN, во втором — значительно более
пологие. Вследствие указанных эффектов ширина основания ано-
малий для всех типов приемных линий увеличивается по сравне-
нию с мощностью пласта 2m в среднем на длину, равную Lmn-
1.3.3. Контакт в неоднородном поле установок ДП и КП
Изучение аномальных полей установок дипольно-осевого и ком-
бинированного профилирования необходимо для .рассмотрения
ряда методических вопросов, вытекающих из особенностей кон-
струкции незаземленных рабочих линий.
Один из вопросов связан с проверкой правильности выбора
электрических центров О’ в качестве точек «записи», к которым
относятся результаты наблюдений при построении графиков рк.
Критерием справедливости такого выбора является сохранение
вида кривых рк над неоднородными геоэлектрическими разрезами
при замене незаземленных установок ДП и КП эквивалентными
заземленными.
53
Рис. 1.17. Кривые pK/pi профилирования с заземленными и незаземленными ус-
тановками ДП (а) и КП (б) иад контактом двух сред при рг/р1 = 1О.
/, 2 — кривые pK/pi прямой (/) и обратной (2) незаземленных установок; 3, 4 — то же.
для прямой (3) и обратной (4) заземленных установок; индекс кривых — LB/LA.
Второй вопрос касается возможности построения графиков рк
двустороннего профилирования путем сдвига кривых рк односто-
ронней незаземленной установки вдоль линии профиля на значе-
ние g. Для строго равнодипольной установки с одинаковыми кон-
струкциями питающих и приемных линий указанный прием обос-
нован и широко применяется на практике, причем g=r [5]. Для
54
рекомендуемой незаземленной установки ДП этот вопрос требует
обсуждения, так как рабочие линии этой установки имеют различ-
ное устройство.
Третий вопрос связан с обоснованием первого из условий (24)
в связи с заменой заземленной трехэлектродной установки неза-
земленной установкой КП с конечным значением LB.
Для решения поставленных задач в качестве простейшей мо-
дели объекта геологического картирования был выбран верти-
кальный контакт двух сред с отношением р2/рь равным 3, 10, 30,
100. Рассматривались следующие установки: заземленные и неза-
земленные равнодипольные (Ia-a = Imn, 1ми/г=4,5)-, незаземленные
неравнодипольные (£в=5, 9, 19; LM = 2; 1мк/г=4,5); незаземленные
трехэлектродные (1мы1г=4,5). Все указанные установки отвечают
требованию потенциальности нормального поля (20), и поэтому
для расчета кривых рк над контактом сред использовался алго-
ритм метода зеркальных отражений [6], оформленный в виде вы-
числительной программы на языке Фортран-IV [24].
Характерные результаты численных расчетов приведены на
рис. 1.17 в виде кривых рк/рь Кривые всех рассматриваемых уста-
новок в целом хорошо совпадают друг с другом, за исключением
областей излома (перегиба) кривых. Последнее является следст-
вием распределенного характера линейных питающих и прием-
ных электродов. Однако в экстремальных точках (пиках, впади-
нах), наиболее существенных для интерпретации, различия между
значениями невелики и положение этих точек для заземленных и
незаземленных установок идентичны. Полученные результаты сви-
детельствуют о правильном выборе точки «записи» для изображе-
ния результатов наблюдений с незаземленными установками.
Для определения сдвига g графиков односторонней установки
ДП изучалось совмещение вычисленных кривых pK/pi прямых и
обратных установок профилирования. Наилучшим считалось та-
кое совмещение, при котором сумма «отрицательных» (косая
штриховка на рис. 1.17, а) и «положительных» (горизонтальная
штриховка на рис. 1.17, а) площадей между кривыми равнялась
нулю. Последнее установлено при сдвиге g кривых, превышающем
аналогичный сдвиг строго равнодипольной установки на значение
поправки 0,2LM:
g = r+0,2LM. (37)
При изменении параметров установки и отношения p2/pi зна-
чение поправки остается неизменным. Таким образом, рассмотрен-
ные результаты расчетов свидетельствуют о возможности построе-
ния графиков рк двустороннего профилирования по наблюдениям
с предлагаемой односторонней установкой.
Сопоставление приведенных кривых pK/pi для заземленных
трехэлектродных и незаземленных неравнодипольных установок
(рис. 1.17,6) показывает, что наилучшее совпадение между ними
наблюдается при £в=19. Последнее подтверждает справедливость
первого условия требований (24).
ГЛАВА 2.
ОСНОВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ АППАРАТУРЫ
И МЕТОДИКИ ПРОФИЛИРОВАНИЯ
2.1. АППАРАТУРА БИЭП
Комплект аппаратуры БИЭП состоит из входных преобразова-
телей напряженности электрического поля, микровольтметра, ге-
нератора тока и полевого оборудования. За годы развития новой
.методики разработано несколько модификаций аппаратуры БИЭП.
Из них наибольшее применение получили приборы БИКС-75,
ЭРА-625, «Хасын». Выпуск малой серии аппаратуры БИКС-75
[35] был организован с помощью опытного производства ВИРГ
НПО «Рудгеофизика» в геофизических мастерских ряда полевых
экспедиций. В 1975—1981 гг. было изготовлено и внедрено в прак-
тику полевых работ 44 комплекта аппаратуры. Прибор «Хасын»
разработан и выпущен в 1981 г. (10 комплектов) в геофизической
мастерской ПГО «Севвостгеология» (С. Н. Песочинский). Аппа-
ратура ЭРА-625 является наиболее совершенной модификацией
аппаратуры БИЭП. Разработка ее выполнена в 1979—1980 гг. в
содружестве специалистов НПО «Рудгеофизика» и ряда ПГО
(В. Н. Семенов, В. Г. Тощаков, В. Г. Архипецкий, Б. Г. Сапожни-
ков). На начало 1985 г. изготовлено 19 комплектов новой аппара-
туры. Разработка составных частей промышленных образцов ап-
паратуры БИЭП в настоящее время предусмотрена в составе Аг-
регативного комплекса электроразведочной техники, проектирова-
ние которого осуществляется НПО «Рудгеофизика», ЦНИГРИ и
другими организациями. Ниже дается краткий анализ бесконтакт-
ных входных преобразователей аппаратуры БИЭП и приводится
сокращенное техническое описание генератора и микровольтметра
аппаратуры ЭРА-625.
2.1.1. Анализ входных преобразователей
Бесконтактное измерение заданной составляющей электриче-
ского поля Е возможно с помощью преобразователей электриче-
ского типа ЭТ. Преобразователь имеет активный элемент (АЭ) в
виде удлиненного в рабочем направлении i электропровода, замкну-
того на внешнюю среду. Входной блок микровольтметра подключа-
ется к преобразователю в точке разрыва цепи электропровода. Бла-
годаря высокой электропроводности АЭ в рабочем объеме каждой
56
мз его частей происходит концентрация пространственных токов,
текущих в направлении i. В результате в разрыве цепи электро-
провода наводится ЭДС ffni. Так как плотность /, объемных то-
ков пропорциональна напряженности £,(Л=а£,), то ЭДС $В1
оказывается функционально связана с полем Ei. Наиболее извест-
ными преобразователями электрического типа являются заземлен-
ные и незаземленные проволочные электрические антенны, ис-
пользуемые в радиосвязи [20]. Аналогичные устройства, приме-
няемые в электроразведке для измерения постоянных и низко-
частотных электрических полей, имеют специальное название —
приемные линии [7].
Эквивалентная электрическая схема входных преобразователей
в ее наиболее общем виде предложена М. С. Нейманом [26]. В со-
ответствии с этой схемой (рис. 2.1, а) преобразователь замещается
генератором напряжения с ЭДС и внутренним сопротивлени-
ем Zn, а входной блок микровольтметра — входным сопротивле-
нием ZBX. Конечной целью анализа преобразователя является рас-
чет входного напряжения микровольтметра — падения напряже-
ния Двх на известном сопротивлении ZBX. Неизвестные элементы
схемы <ГП и Zn определяются в процессе анализа по заданному
распределению наблюдаемого поля Е и конструктивным особен-
ностям преобразователя.
Важно подчеркнуть, что согласно принципу близкодействия
Рис. 2.1. Эквивалентные электрические схемы заземленных и незаземленных
приемных линий.
гг, б, в — обобщенная (а) и специализированные (6, в) схемы общего вида; г—ж — схемы
разомкнутых (г, е) и замкнутых (д, ж) незаземленных приемных линий (г, д — стелющая-
ся линия; е, ж — подвесная и штыревая линии).
57
[42] поле Е достаточно задать лишь в пределах рабочего объема
преобразователя, так как поле Е в остальной области пространст-
ва не оказывает на работу преобразователя какого-либо влияния.
Не имеет также значения способ возбуждения поля Е, определяю-
щий соотношение его потенциальной и вихревой Ev частей.
Приемные линии, помимо своего специального назначения, вы-
деляются среди электрических антенн своими размерами. Для лю-
бой из рассматриваемых частот (156—2500 Гц) максимальная дли-
на линий меньше 0,1 % от длины волны электромагнитного поля
в воздухе. В соответствии с этим при. анализе приемных линий
можно пренебречь волновыми процессами в линейных проводни-
ках. Можно также положить, что все части электропровода линии
представляют собой идеально проводящие тела. Это приближение
отвечает высокой электропроводности приемных электродов в
сравнении с проводимостью воздуха и земли, а также учитывает
достаточно большое значение входного сопротивления микровольт-
метра.
Рассмотрим вначале работу приемной линии для случая, когда
на ‘нее воздействует только потенциальная часть Е° измеряемого
поля, а затем распространим полученные результаты на случай
произвольного поля Е, включающего или полностью состоящего
из индукционной (вихревой) части Е*.
Отметим, что потенциальная часть Еа электрического поля за-
дается нами кулоновской калибровкой, что позволяет воспользо-
ваться для решения поставленной задачи известными приемами,
разработанными для решения аналогичных стационарных или
электростатических задач.
Электроды М и N разомкнутой приемной линии принимают в
заданном потенциальном поле некоторые потенциалы и <рЛ'.
При подключении сопротивления ZBX микровольтметра к приемной
линии в ее цепи под действием ЭДС ^’п = фм—W возникает ток
Imn, который, стекая с поверхности электродов, замыкается через
вмещающую среду. Сила тока Imn ограничивается последователь-
но включенными сопротивлениями ZBX и Zn=ZM+ZN, где ZM и
ZN — полные переходные сопротивления электродов М и N, опре-
деляющие степень сопротивления вмещающей среды растеканию
тока с поверхности идеального проводника.
Описанному процессу взаимодействия приемной линии с на-
блюдаемым полем Е° полностью соответствует основная эквива-
лентная схема преобразователя на рис. 2.1, а и ее специализиро-
ванный вариант, показанный на рис. 2.1,6. В последней схеме
каждый электрод приемной линии описан как отдельный генератор
напряжения с ЭДС, соответствующей абсолютному потенциалу
разомкнутого электрода, и внутренним сопротивлением, равным
его полному переходному сопротивлению.
58
В случае сложной конструкции приемных электродов решение
поставленной задачи можно упростить, если разбить электроды на
отдельные части так, чтобы каждая из них находилась целиком
в какой-либо одной среде (земле или воздухе) и могла быть ап-
проксимирована телом простой и правильной формы. Так, Г-об-
разный провод можно разделить на горизонтальный и вертикаль-
ный отрезки; выступающий из земли стержень разбить на штыри,
расположенные в земле и воздухе; тело человека представить в
виде цилиндра, размещенного в воздухе, и диска, находящегося в
контакте с землей, и т. п. Этому приему соответствует дальней-
шая специализация эквивалентной схемы, показанная на рис. 2.1, в.
Здесь каждой отдельной части электродов М и N отвечает свой ге-
нератор напряжения с ЭДС и внутренним сопротивлением, опре-
деленными по тем же правилам, что и в предыдущем случае для
отдельного электрода (рис. 2.1,6). Нижние концы генераторов
подключены на схеме к идеально проводящей бесконечно удален-
ной поверхности нулевого потенциала (ПНП), верхние — объеди-
нены друг с другом в соответствии с их принадлежностью к при-
емным электродам М и N.
Отметим, что для определения контурных токов в специализи-
рованных эквивалентных схемах (рис. 2.1,6, в) существенны лишь
разности ЭДС генераторов напряжений [3]. Поэтому в общем слу-
чае в качестве ЭДС могут быть заданы как абсолютные (<р/), так
и относительные (<р/°) значения потенциалов, связанные друг с
другом условием <р/°=ф/+С1р, где С? — произвольная постоянная
с размерностью потенциала. Так, например, ЭДС <$ на схеме
рис. 2.1,в можно принять равными: <£\ = 0, ^,2=ф2—Фь ^з=фз—ф1
И т. д.
Переходные сопротивления Z, отдельных частей электродов и
их потенциалы могут быть приближенно вычислены с помощью
метода средних потенциалов (СП), предложенного Г. Хоу [18].
Анализ, выполненный с помощью метода СП, показывает, что
в большинстве практических случаев можно пренебречь взаимным
влиянием составных частей электродов и считать справедливыми
следующие приближенные соотношения для сопротивлений Z,
проводников, расположенных в земле и воздухе соответственно:
I (38)
Zy-----i\ {<s>C jq) , J
где Z?/o — сопротивление заземления уединенного проводника на
постоянном токе; С/ 0 — его статическая емкость. Помимо прибли-
женного способа (38), возможно экспериментальное определение
сопротивлений Z, путем непосредственного измерения их в поле-
вых условиях.
Потенциал <р/ отдельного проводника согласно методу СП ра-
вен среднему значению потенциалов изучаемого электрического
поля в объеме, занятом проводником. Рассмотрим два способа рас-
чета средних потенциалов проводников на примере вычисления по-
59
тенциала ф/ основного элемента приемной линии — отрезка про-
вода.
Первый способ естественно вытекает из потенциального харак-
-> —
тера заданного поля Еа и заключается в применении интеграль-
ной теоремы о среднем:
(39>
° о
где g — текущая координата провода, отсчитанная от его начала-
(в общем случае криволинейная); ф(£)—текущее значение по-
тенциала поля вдоль линии провода; /о — длина отрезка.
Второй способ позволяет связать потенциалы ф;- непосредст-
—> —
венно с напряженностью наблюдаемого поля £’. Для вывода рас-
четной формулы преобразуем выражение (39), учитывая опреде-
ление потенциала ф (g):
6 -
®(^) = ?(0) + J^(^)^', (40>
о
где g' — переменная интегрирования, аналогичная g; Ei° — проек-
ция поля Е° на элемент dg'; ф (0) — потенциал поля Е° в начале
отрезка провода. Применяя правило интегрирования по частям и
правило дифференцирования определенного интеграла по его па-
раметру, имеем
?} = <Р (0) + (0 d ? - - j- С
о ° о
__ | ^0 »
Вводя обозначения Е/=-т—f Ez3 (g)dg—среднее и Д=
1(\ V
и о
2 ~ —
=-p-fgEia(g)dg— среднее взвешенное значения Ef(£) на отрезке
°о
провода, полученную формулу запишем в виде
ъ.=?(о) + /о(^-ед. (41 >
Выше было отмечено, что в качестве ЭДС генераторов напря-
жений на эквивалентных схемах приемных линий (рис. 2.1,6, в)
вместо абсолютных ф,- значений потенциалов проводников могут
быть заданы их относительные потенциалы ф/°. Переходя в форму-
лах (39) — (41) от абсолютных потенциалов к относительным, за-
пишем -
& -
^) = ?O(O)4JWW; (42>
о
= (43>
0 о
cp/=?o(O) + Zo(Tz-Ez/2). (44>
60
Из формул (42), (43), (44) следует, что для определения ЭДС
в эквивалентных схемах приемных линий (рис. 2.1, б, в) нет необ-
ходимости в использовании трехмерной потенциальной' функции
электрического поля £а. Достаточно выбрать какую-либо точку
приемной линии в качестве базовой, присвоить ей нулевой потен-
циал, а затем с помощью формулы (42) рассчитать вдоль контура
приемной линии ее относительные «криволинейные» потенциалы
Ф°(£). После этой операции искомые ЭДС вычисляются по форму-
лам (43) и (44). Очевидно, что указанный способ определения
ЭДС в эквивалентных схемах приемных линий может быть легко
распространен на случай произвольного типа изучаемого поля Е,
в том числе и на вихревое поле Ди , для описания которого нель-
зя применить «трехмерную» потенциальную функцию.
Искомое входное напряжение (7ВХ микровольтметра рассчиты-
вается по известным значениям Z, и ф/° с помощью анализа эк-
вивалентной схемы (рис. 2.1, в) методом контурных токов или уз-
ловых потенциалов [3]. Последняя операция может быть сущест-
венно упрощена, если от развернутой схемы (рис. 2.1, в) вновь
возвратиться к ее базовому варианту (рис. 2.1, а, б), используя с
этой целью известную формулу замены параллельно включенных
генераторов напряжения одним, эквивалентным [3]. Так, напри-
мер, для электрода М, состоящего из п элементов, формулы пере-
хода имеют вид
п
zM=\ 2(1 z/);
j=i
п
^°М 2 (?^/) -
Отметим, что наряду с методом СП возможен анализ преобра-
зователей ЭТ, основанный на теории длинных линий (ДЛ) [8].
В основе методов ДЛ и СП лежат одни и те же допущения отно-
сительно свойств приемных линий. Поэтому естественно, что их
применение приводит к одним и тем же численным результатам.
Метод ДЛ можно рассматривать как частный случай более об-
щей теории расчета параметров электрических антенн [20]. Это
позволяет дать с его помощью количественную оценку границ при-
менимости одного из основных допущений методов ДЛ и СП, со-
гласно которому при анализе приемных линий не учитываются
волновые процессы в линейных проводниках. Из работы [8] сле-
дует, что для рассматриваемых частот погрешность методов. ДЛ и
СП, связанная с указанным приближением, не будет превышать
2 % по амплитуде и 1° по фазе, если для наиболее длинного про-
вода приемной линии выполняется условие
ZR = Zr!Zc < 0,04,
где ZR— отношение линейного сопротивления провода ZR на по-
стоянном токе (индуктивностью провода пренебрегаем) к его пе-
реходному емкостному сопротивлению Zc на рабочей частоте.
61
Например, предельная длина провода ГСП-0,35 для макси-
мальной рабочей частоты 2500 Гц составляет 790 м. Это значение
заведомо больше реальных длин приемных линий, используемых
на практике.
Сравнивания методы СП и ДЛ в отношении удобства их прак-
тического применения, можно заключить, что метод СП обладает
большей наглядностью и приводит к более простым эквивалент-
ным схемам. В связи с этим ниже при анализе незаземленных
приемных линий методу СП отдано предпочтение.
Эффективность приемной линии как средства измерения задан-
ной составляющей наблюдаемого электрического поля можно оха-
рактеризовать рядом параметров [8, 35]. Основными из них яв-
ляются коэффициент передачи приемной цепи и действующие дли-
ны приемной линии в трех взаимно ортогональных направлениях
i, j, k. Для определения параметров воспользуемся обобщенной
эквивалентной схемой приемной линии на рис. 2.1, а. Все элементы
•схемы будем считать известными, так как они либо заданы (ZBX),
либо могут быть измерены или вычислены с помощью методики,
рассмотренной выше Zn, UBX).
Коэффициент передачи o,mn вводится формулой
== ^вх/^п == | _|_ £П/2ВХ " (45)
Модуль |<xmw| является безразмерной величиной. При апериоди-
ческом режиме согласования микровольтметра с приемной линией
|ссмлг|=£Д, при резонансном—|ccmw|>1. Для рассматриваемого
диапазона частот и незаземленных линий резонансный режим воз-
можен при использовании на входе микровольтметра трансформа-
тора с индуктивностью обмотки LBX более 100—1000 Гн. Реализа-
ция таких больших значений LBX с высокими показателями доб-
ротности и стабильности технически трудноосуществима. Поэтому
резонансный режим нами не рассматривается, a ZBX считается об-
разованной параллельно включенными элементами — емкостью
Свх и активным сопротивлением 7?вх, шунтирующим входные клем-
мы микровольтметра:
у _____j I I + ikBX
вх ~1 « Свх 1 + *»вх
(46)
где kBX—1/(<оСвх7^вх).
При выполнении условия (46) модуль |ccmw| изменяется от 0
до 1. Он характеризует степень уменьшения напряжения | UBX |
по отношению к ЭДС |^п | в зависимости от |ZBX|. В дальнейшем
наряду с модулем |czmw| в работе будет использоваться обратная
ему величина ?«№ 1/|амл|, названная нами поправочным коэф-
фициентом приемной линии. С помощью коэффициента yMN зна-
чения | UBX | могут быть приведены к |^п| по формуле
|#J = Im/vIUxI- (47)
-62
Действующие длины lj, Ik приемной линии позволяют оце-
нить ее предельную чувствительность (при &mn=1) к полезному
сигналу, обусловленному измеряемой составляющей Ец а также
к сигналам-помехам, вызванным действием составляющих Е, и Ek,
не подлежащих измерению. При определении параметров 1т(т =
=i, j, k) приняты следующие условия:
— приемная линия находится в однородном гармоническом
поле с заданной рабочей частотой;
— электрическое поле сторонних частот, а также собственные
шумы приемной линии и входного блока микровольтметра отсут-
ствуют;
— приемная линия приведена в рабочее положение, т. е. ори-
ентирована в направлении измеряемой составляющей поля Е,.
При этих условиях действующая длина 1т вводится выражени-
ем
1т = ^пт:Ет, (48)
где^пт — составная часть ЭДС ё> п = <^п/+ <G.k, обуслов-
ленная только одной составляющей поля — Ет. Модуль 11т | имеет
размерность длины и выражается в метрах.
Длина является полезной действующей длиной линии. Чем
больше |/,-| =Imn, тем выше уровень полезной части {7ВХ1- входного-
напряжения микровольтметра-—UBX~UBK <+Пвх/+ Пвх *• Напро-
тив, длины I, и lk должны быть сведены к минимуму, так как их
большие значения указывают на недостаточную направленность
приемной линии. Для характеристики последнего показателя вве-
дем коэффициент направленности линии р„, n=j, k:
. ₽„ = «• (49)
В случае идеально заземленной приемной линии с точечными
заземлениями М и N ее действующая 'длина Imn совпадает с гео-
метрической длиной Lmn- При ухудшении качества заземлений, а
также в случае незаземленных линий Imn<Lmn- Уменьшение Imn
в сравнении с LMn отражается на среднем уровне сигнала п в
приемной линий. Результаты опытно-методических работ по сопо-
ставлению заземленных и незаземленных линий различной конст-
рукции показывают, что средний уровень ЭДС п сохраняется не-
изменным только в том случае, когда сравниваемые линии имеют
одинаковую действующую длину Imn-
Характеристики умы и Imn позволяют связать амплитуду вход-
ного напряжения прибора с амплитудой измеряемой составляю-
щей Et однородного электрического поля:
|С7ВХ| = 7 AW = GmN l^ih (50)
где Gmn = ImnI4mn — коэффициент чувствительности приемной ли-
нии к полю |£i|. При заданной детальности изучения геоэлектри-
ческого разреза необходимо стремиться к наибольшей величине
Gmn и наименьшей ее зависимости от дестабилизирующих факто-
ров. Формула (50) строго справедлива при идеальной направлен-
63
ности линии (0; = О, 0* = О). В общем случае (0;=И=О, 0*=/=О) влия-
ние неизмеряемых составляющих наблюдаемого поля приводит к
отличию напряжения Евх от его полезной части Евх < и вследст-
вие этого к погрешности 6mw определения Et по значению | UBX |
(51)
Введенные коэффициенты 0/ и 0* позволяют вычислять погреш-
ность &mn по известной структуре однородного поля Е — отноше-
ниям EjlEi и EklEt:
- |-|р'+тН»+'I -1 = Нет М +
+ -j^-Wel<’“+’*' + l|- 1. (52)
где ф/(- и ф/г,- — разности фаз составляющих Е/ и Е* по отношению
к Е,; ф, и ф* — фазовые углы коэффициентов 0/ и 0*. Таким обра-
зом, при амплитудных измерениях электрические свойства прием-
ной линии достаточно полно описываются при помощи четырех
параметров умлг, Imn, 0/, 0*.
Перейдем к рассмотрению конкретных значений параметров
незаземленных линий — стелющейся, подвесной и штыревой
(рис. 1.2). Развернутые эквивалентные схемы указанных линий
показаны на рис. 2.1, г—ж. Для определенности будем считать,
что приемная линия MN приведена в рабочее положение для из-
мерения амплитуды составляющей Ех. В соответствии с этим на-
правим орты i, j, k по осям Ох, Оу, Oz, совместив начало коор-
динат О с центром проекции линии MN на горизонтальную плос-
кость хОу. Согласно условиям производства полевых работ ли-
ния MN ориентирована в направлении оси Ох с некоторыми угло-
выми погрешностями ау и аг. Эти углы характеризуют отклонения
' проводов (штырей) приемных линий от оси Ох в горизонтальной
(«у) и вертикальной (а2) плоскостях. Значение углов ад (q=y, z)
не превосходит 2—3°, поэтому приближенные равенства sinccQ~
~tgae~aQ и cosa^—l можно считать достаточно точными.
Стелющаяся несимметричная линия (рис. 1.2,6) подключается
к несимметричному входу микровольтметра с входными характе-
ристиками Свх= 104-15 пФ, 7?вх = 404-50 МОм. На рабочей часто-
те 625 Гц значение &вх в формуле (46) близко к 0,5. Поэтому со-
противление ZBX на эквивалентной схеме рис. 2.1,5 можно счи-
тать чисто емкостным ZBX= —i/((oCBX) с погрешностью по модулю
не более 10%. По результатам полевых измерений с помощью
моста переменного тока Р-556 емкости См n-CN на схеме рис. 2.1, д
составляют См1000 пФ (для провода РПШ-2Х0.35 длиной 20 м
и более), Cn= 1404-160 пФ. Значения сопротивления RN изменя-
ются от сотен ом (увлажненная почва) до нескольких единиц или
десятков мегаом (курумы, снег).
•64
Для этих условий поправочный коэффициент
1л1Л' ~ 1 + ^vGBX CN,
где kN изменяется от 0 (при /?л=0) до 1 (при RN^co). С учетом
численных значений Свх и Cn среднее умы на рабочей частоте
625 Гц можно принять равным 1,04. Полезная действующая длина
1мы стелющейся линии при любом Rn определяется выражением
ImN = ММ% (53)
Коэффициенты и рг, вычисляемые по формулам (48) и (49):
! (54)
?г = Imn л J
где ау — численное значение угла ау, hMN — рост оператора.
Подвесная и штыревая симметричные приемные линии
(рис. 1.2, а, г) подсоединяются к симметричному входу выносного
блока микровольтметра. Входные характеристики каждого плеча
(ЛЮ и ON) выносного блока Свх мо = Свх оы=Св>:= (3+0,1) пФ;
/?вх mo=Rbx on=RBx= (80±8) МОм. При высоте проводов (штырей)
приемной линии 1—1,5 м емкости См и Cn каждого плеча длиной
LM и Ln равны [18, 35]: для штыревой линии — 4±0,1 пФ, для
подвесной линии с длиной плеч 5 и 10 м — 30±0,5 и 60± 1 пФ.
Емкость Go и сопротивление Ro на рис. 2.1, ж аналогичны емкости
CN и сопротивлению Rn на рис. 2.1, д.
Анализируя эквивалентную схему на рис. 2.1, ж, получаем сле-
дующие выражения для поправочного коэффициента симметрич-
ной линии:
Imn — (°-2 mn + ^mnY/2, (55)
где ам№ 1 + Свх/Смм; Pmw = 1/((оСмлДвх) . Отметим, что в получен-
ную формулу (55) не входит сопротивление Ro, изменяющееся в
значительных пределах. Для указанных выше Свх, RBX и Смы зна-
чения умы на рабочей частоте 625 Гц равны: 1,92 — для штыревой
линии; 1,11 и 1,05-—для подвесных линий с длиной плеч 5 и 10 м.
Полезная действующая длина симметричных линий определяется
тем же выражением (53), что и в случае несимметричной линии.
Коэффициенты
= (56)
где ау и az — численные значения углов ау и аг, рад.
Из сравнения соотношений (56) и (54) видно, что чувствитель-
ность как симметричной, так и несимметричной линии по отноше-
нию к паразитной наводке со стороны составляющей Еу одина-
кова. К достоинствам симметричной линии нужно отнести ее мень-
шую чувствительность к помехе со стороны вертикальной состав-
ляющей Ег- Последнее преимущество особенно значительно при
малых действующих длинах. По этой причине для детальных ис-
следований геоэлектрического разреза (1мы< 10 м) рекомендуется
5 Зак. 77
65
использовать незаземленные приемные линии только симметрич-
ной конструкции.
Из вышеизложенного следует, что результаты измерений с не-
заземленной линией, умноженные на поправочный коэффициент
4mn, должны быть близки к результатам наблюдений с хорошо за-
земленной (|Zn| С \ZBX\) приемной линией MN, длина которой
равна действующей длине Imn незаземленной .Линии (полное совпа-
дение возможно лишь в случае однородного поля Е). Таким обра-
зом, численное значение коэффициента умн для лпобой из рас-
смотренных незаземленных линий может быть не только рассчи-
тано с помощью эквивалентных схем (рис. 2.1, д, ж), но и опре-
делено экспериментально в процессе полевых калибровочных на-
блюдений с установкой СГ. Для этого достаточно сопоставить по-
парно статистически представительное количество (50—100 пар)
наблюдений, выполненных как с незаземленной приемной линией
(AI71), так и с эквивалентной ей по значению Imn заземленной ли-
нией (Д/72)- Среднее арифметическое значение отношений A(72/At7i
определит искомое значение умк- Такие наблюдения были много-
кратно выполнены и показали хорошую сходимость (5—10 %) рас-
четных и экспериментальных определений коэффициента умм- Это
подтверждает правильность теории незаземленных приемных ли-
ний, предложенной выше.
Калибровочные наблюдения рекомендуются нами в качестве
основного метода определения коэффициента yMN. В сравнении с
расчетным способом этот метод обладает более высокой точно-
стью, более нагляден и не требует для своего применения пред-
варительного лабораторного определения входных характеристик
микровольтметра.
2.1.2. Измерительные и генераторные устройства
аппаратуры ЭРА-625
В состав аппаратуры ЭРА-625 входит генератор тока и 1 —
2 микровольтметра с выносным входным блоком (рис. 2.2). Струк-
турные схемы составных частей аппаратуры приведены на рис. 2.3.
Генератор вырабатывает стабилизированное выходное напря-
жение П-образной формы на частоте 625±О,1 Гц. С помощью
плавной и ступенчатой регулировок сила выходного тока гене-
ратора изменяется от 0,3 до 100 мА, выходное напряжение — от
10 до 1300 В. Генератор (рис. 2.3, а) состоит из блока управле-
ния (БУ), стабилизатора напряжения питания (СП), частотноза-
дающего блока (ЗГ) с кварцевым резонатором, предварительного
(ПУ) и основного (ОУ) усилителей мощности и селективного из-
мерителя тока (ИТ). В связи с использованием заземленных и не-
заземленных питающих линий характер нагрузки генератора из-
меняется от чисто активной до чисто емкостной. Это приводит к
искажению формы выходного тока и, следовательно, к изменению
частотного спектра сигнала, поступающего на вход детектора бло-
66
Рис. 2.2. Аппаратура ЭРА-625.
а — генератор тока; б — микровольтметр; в — выносной блок микровольтметра с телескопи-
ческой антенной (штыревой линией).
Рис. 2.3. Структурные элек-
трические схемы блоков аппа-
ратуры ЭРА-625.
а — генератор тока; б — микровольт-
метр; в — выносной блок микро-
вольтметра.
ка ИТ. Для снижения за-
висимости показаний из-
мерителя генератора от
формы выходного тока в
блоке ИТ применен пас-
сивный двухступенчатый
фильтр низких частот,
обеспечивающий регист-
рацию выходного тока на
частоте его основной гар-
моники. Источниками пи-
тания генератора служат внутренние или внешние батареи (акку-
муляторы) напряжением от 10 до 23 В.
Микровольтметр имеет несимметричный вход со следующими
параметрами: Свх= 13 пФ, А?Вх = 50 МОм. Высокая избирательность
микровольтметра (полоса пропускания на уровне 0,7 не более
0,6 Гц) и малый уровень собственных шумов (не более 1 мкВ при
«открытом» входе) обеспечиваются применением квазисинхронно-
го кварцевого фильтра. Пределы измерения прибора — от 3 до
105 мкВ. Структурная схема микровольтметра (рис. 2.3,6) вклю-
5*
67
чает составной истоковый повторитель (ИП), аттенюатор (АТ),
активные полосовые фильтры (ПФ), частотнозадающий блок (ЗГ),
квазисинхронный фильтр (КФ), амплитудный детектор (АД), блок
управления (БУ) и стабилизатор напряжения питания (СП).
С помощью блоков БУ и ЗГ возможен контроль стабильности ко-
эффициента передачи измерительного канала. В блоке БУ пред-
усмотрено также устройство для оценки переходных сопротивле-
ний заземлителей приемной линии [32]. Источниками питания
микровольтметра являются внутренние батареи с напряжением от
9 до 12 В.
Выносной блок микровольтметра выполнен по симметричной
схеме (рис. 2.3,в). Он состоит из двух составных истоковых по-
вторителей (ИП) и согласующего трансформатора (СТ). Входные
параметры каждого плеча блока: Свх = 3 пФ, /?Вх~80 МОм. Сим-
метрия плеч по коэффициенту передачи входного напряжения не
хуже 1 %. Питание блока осуществляется от внутренних батарей
микровольтметра через разъем соединительного шланга. Особен-
ностью конструкции блока является электростатическая защита
повторителей ИП, выполненная согласно известному принципу
«охранных колец». Защита реализована путем размещения каж-
дого повторителя в отдельном металлическом экране, соединен-
ном с выходом соответствующего повторителя. Так как коэффи-
циенты передачи повторителей близки к 1, то потенциалы вход-
ных клемм блока практически равны потенциалам экранов. На-
личие потенциального барьера устраняет паразитную связь вход-
ных клемм с общим корпусом блока и тем самым обеспечивает
стабильность и высокие показатели входных параметров Свх и RKX.
В метрологическом отношении микровольтметр и измеритель
тока генератора рассматриваются как индикаторы амплитуд соот-
ветственно входного напряжения Д£7 и выходного тока /. Вся ап-
паратура в целом аттестуется как средство измерения отношений
ДЙ/7 с погрешностью не более 5 % при нормальных условиях экс-
плуатации.
Из важных достоинств аппаратуры ЭРА-625 следует отметить
ее портативность: массы микровольтметра и генератора с внутрен-
ним источником питания не превышают 2,5 кг, масса выносного
блока — 0,5 кг. Более подробные сведения об аппаратуре ЭРА-625
можно получить из прилагаемого к ней технического описания, со-
ставленного В. Г. Тощаковым.
2.2. МЕТОДИКА ПРОФИЛИРОВАНИЯ
Использование незаземленных рабочих линий не изменяет су-
щественным образом содержание методов электропрофилирования,
описанных в методических руководствах и инструкции по электро-
разведке [5, 7, 17, 29, 40]. Однако для правильного применения
новой методики необходимо учитывать ряд ее особенностей. Часть
из них, касающаяся устройства питающих и приемных линий, рас-
чета коэффициентов установок ДП и КП, оценки глубинности
68
установки СГ и выбора размеров ее рабочей области, рассмотре-
на выше при изложении теоретических основ методики БИЭП.
Ниже на примере метода СГ основное внимание уделяется тех-
нике производства полевых работ, способам первичнок обработки
наблюдений, а также некоторым приемам качественной и количе-
ственной интерпретации.
2.2.1. Производство полевых работ
2.2.1.1. Проектирование
Полевым наблюдениям предшествует этап планирования работ,
целью которого является вынесение на топографическую основу
схемы размещения планшетов и питающих линий установок СГ
применительно к конкретной съемочной площади. Размеры план-
шетов и разносы питающих линий должны быть выбраны так,
чтобы на всех профилях обеспечить возможность надежных на-
блюдений разностей потенциалов и достичь при этом заданной глу-
бинности картирования.
Уровень полезного сигнала на профилях может быть определен
с помощью номограмм нормальных электрических полей, приве-
денных в приложении. Сила тока I для разных типов питающих
линий обычно составляет, мА: 30—50 — для кабеля, 15—30 — для
полупетли, около 100—-для петли. Учитывая это, а также отли-
чие проектного значения действующей длины Imn приемной линии
от расчетного (/мл-=1 м), значения Ai7oo, определенные с по-
мощью номограмм, должны быть исправлены в соответствии с пря-
мо пропорциональной зависимостью AZ7 от тока 1 и длины Imn-
Для незаземленных приемных линий значение АД дополнительно
следует поделить на поправочный коэффициент ^mn-
Из опыта работ следует, что для надежных измерений в отсут-
ствие помех средний уровень полезного сигнала по профилю дол-
жен быть не менее 50—100 мкВ. При наличии помех наблюдае-
мая разность потенциалов должна по крайней мере вдвое превы-
шать сигнал помехи, отмечаемой по микровольтметру при вы-
ключенном генераторе тока. Погрешность отсчетов АД в этом слу-
чае не будет превышать 7 % [33].
Отметим, что при выборе разносов питающей линии приходит-
ся удовлетворять противоречивым требованиям. С одной стороны,
большие разносы позволяют при одной раскладке питающего про-
вода охватить съемкой значительную площадь. Это способствует
повышению производительности съемки и сокращает объем вспо-
могательных работ по увязке уровней рк соседних планшетов.
С другой стороны, увеличение разносов в п раз уменьшает сред-
ний уровень полезного сигнала примерно в и2 раз. В результате
при недостаточном опыте работ в исследуемом районе уровень по-
лезного сигнала для части- планшета может оказаться слишком
малым.
69
Таблица 2.1
Тип питающей линии Z, м £, м — 1 Ж г Ун- м Ун Ук- м Ук /, мА
Кабель 700 1400 500 100 1100 50
0,71 ,0,14 1.57
Полупетля 666 4000 500 300 1300 30
0,75 0,45 1,95
Петля 500 3000 500 100 1100 100
1 0,2 2 2
Оценка глубинности картирования Но выполняется с помощью
зависимостей, приведенных на рис. 1.7. Как видно из рисунка, глу-
бинность установки СГ падает с уменьшением параметра V. При
выбранном разносе установки и фиксированной частоте уменьше-
ние параметра V пропорционально снижению удельного сопротив-
ления горных пород. Уменьшение глубинности особенно значитель-
но вблизи источника поля — питающей линии. Из практики поле-
вых работ следует, что глубинность установки СГ обычно доста-
точна, если значение оценки Но по крайней мере вдвое превышает
мощность рыхлых отложений, маскирующих поверхность коренных
пород.
В качестве примера использования номограмм и кривых глу-
бинности оценим уровень полезного сигнала и глубинность карти-
рования при съемке планшета квадратной формы (1X1 км) с по-
мощью заземленной и незаземленной питающих линий. Расчеты
выполнены для следующих условий профилирования: среднее зна-
чение удельного сопротивления пород р=1000 Ом-м; среднийуро-
вень помех в пределах планшета Af/„ = 50 мкВ; средняя мощность
рыхлых отложений h— 10 м; рабочая частота [=625 Гц; действую-
щая длина стелющейся линии /м« = 20 м; коэффициент 1,1-
Остальные исходные данные для расчетов сведены в табл. 2.1, где
приняты следующие обозначения: ун и ук — координаты у ближай-
шего и дальнего (по отношению к центру установки) профилей
наблюдения; хк — координаты х крайних пикетов на профилях;
L — суммарная длина провода питающей линии.
Анализируя результаты расчетов, представленные в табл. 2.2,
можно заключить, что при работе с установкой СГ могут быть ис-
пользованы все три вида питающей линии. Однако если устройство
питающих заземлений возможно, предпочтение следует отдать ли-
нии «кабель» ввиду меньшей длины питающего провода и, следо-
вательно, меньших трудозатрат на прокладку линии и ее обслужи-
вание.
70
Таблица2.2
Тип питающей линии V, мкГн/м 1g V У 1g ДО/ДО, мкВ 1g м
Й=0,4 I-V|=o,8 |Л|=О |Х|=О,4 Й=0.8
1g У
3,3 О', 14 2,27 2,31 2,69 —1,25 —1,15 —1,10
Кабель —0,85 1690 1850 4450 39 50 55
0,51 1,57 1,34 1,31 1,21 —0,50 —0,50 —0,60
0,20 199 185 147 221 221 221
0,45 2,02 2,00 2,16 —0,65 -0,80 —0,85
Полупетля 3,6 —0,35 573 545 791 149 106 94
0,56 1,95 1,49 1,55 1,87 -0,55 —0,65 —0,85
0,29 166 194 404 188 149 94
Й=0,2 Й=0,6 й=1 Й=о- 1
0,20 2,06 2,06 1,82 —1,35
Петля 6,4 —0,70 2090 2090 1200 22
0,81 2,2 0,75 0,75 0,70 —0,70
0,34 102 102 91 100
2.2.1.2. Полевые наблюдения
Один цикл полевых наблюдений (съемка планшета с использо-
ванием одной питающей линии) включает подготовительные,
съемочные и заключительные работы.
Подготовительные работы начинаются с устройства питающей
линии и оборудования генераторной стоянки. Затем выполняется
градуировка аппаратуры и осуществляется выбор рабочего зна-
чения тока питающей линии. Подготовительные работы заверша-
ются наблюдениями на планшете с целью определения уровня
электрических помех и градуировки незаземленной приемной ли-
нии.
В случае питающей линии «кабель» одновременно с раскладкой
провода выполняются работы по устройству питающих заземлений
А и В. Как показано выше (см. 1.2.2.4), заземление В, удаленное
от генератора, должно обладать по возможности меньшим пере-
ходным сопротивлением по сравнению с заземлением А. Значение
этого сопротивления (Кв) обычно 0,5—5 кОм, однако для рабо-
чей частоты 625 Гц оно не должно превышать верхний предел, оп-
ределяемый неравенством 10/(2/), где Кв измеряется в ки-
лоомах, а разнос установки 2/ — в километрах. Значение Кв до-
статочно проконтролировать с помощью тестера, определив Кв
как половину общего сопротивления цепи питающей линии.
Определение уровня электрических помех выполняется с по-
мощью приемной линии, предназначенной для основной съемки.
71
В первую очередь изучаются профили, ближайшие к источникам
помех (линии электропередачи и связи, буровые установки и пр.),
а также профили, наиболее удаленные от питающей линии. Изме-
рения проводят на отдельных отрезках профилей, синхронизируя
по часам время наблюдения помех и полезного сигнала с време-
нем выключения и включения тока.
Градуировка незаземленной приемной линии производится с
целью определения и контроля поправочного коэффициента yww
(см. 2.1.2). Коэффициент уМн вполне стабилен для определенного
микровольтметра и приемных линий одного и того же типа. Поэто-
му значение yMN достаточно контролировать 2—3 раза в течение
полевого сезона, а также после каждого ремонта входных блоков
микровольтметр а.
Съемочные работы включают рядовые и контрольные наблюде-
ния, а также детализацию. Все виды наблюдений ежедневно на-
чинаются и заканчиваются градуировкой аппаратуры с соответст-
вующей записью в аппаратурном журнале. Площадь съемки на-
ращивается путем перестановки питающей линии. Для увязки
средних уровней смежных планшетов необходимо обеспечить в
процессе рядовых наблюдений съемку перекрытий — точек и про-
филей, снятых при двух положениях питающей линии.
Объем контрольных наблюдений должен составлять не менее
5 % всех измерений. Объем детализации может достигать 10—
20%. Детализация выполняется в профильном и межпрофиль-
ном вариантах. В первом случае сокращается (обычно вдвое) шаг
наблюдений по профилю, во втором — исследуются отрезки вспо-
могательных профилей длиной 100—200 м, заданных между про-
филями основной съемки.
Заключительные работы, завершающие цикл полевых наблю-
дений, состоят в смотке проводов питающей линии, ликвидации
заземлений и перемещении аппаратуры на следующую точку, вы-
бранную в качестве новой генераторной стоянки.
Документация ведется в полевых журналах трех видов: жур-
нале полевых наблюдений, журнале контрольных наблюдений и
аппаратурно-методическом (аппаратурном) журнале. Содержание
первых двух журналов ясно из их названий. Аппаратурный жур-
нал используется для записи следующих данных: паспортов план-
шетов СГ; результатов градуировок аппаратуры и измерений вы-
ходного тока генератора; полевых наблюдений АД, выполненных
с целью калибровки приемных незаземленных линий; промежуточ-
ных результатов графического способа расчетов рк.
2.3. ОБРАБОТКА И ИНТЕРПРЕТАЦИЯ
РЕЗУЛЬТАТОВ НАБЛЮДЕНИЙ
2.3.1. Расчет рк по данным метода СГ
Опыт обработки полевых наблюдений показывает, что наиболее
наглядное и равноточное изображение величин рк в виде графиков
72
достигается с помощью вертикального логарифмического масшта-
ба [34], причем с линиями профилей должно совпадать среднее
(медианное) значение рк по планшету съемки.
Прологарифмируем выражение рк/ро=&U/&Ua, вытекающее из.
формулы (25):
lgpK-’lgPo=lgA^ — 1g ДЦ)- (57)
Условием достаточно хорошей аппроксимации всей совокупности
наблюдаемых значений 1g Д£7 нормальными значениями 1g А£7о яв-
ляется равенство их средних значений:
lgAZ7= 1g ДЦ). (58)
Считая условие (58) выполненным, имеем из формулы (57)
Де = Ден —Де0, (59,)
где AeH = lgA£7 — lg At7 — отклонение наблюденного поля от его
среднего значения IgAT/; Ae0 = -/-(lgAt/o—lg"Ai/o)— поправка за
вариации нормального поля 1g At/0 относительно его среднего
уровня lg At/0; Ae=lgpK — Igpo — искомое приращение по отно-
шению к Igpo-
Таким образом, новое определение эффективного параметра по-
ля приводит к вычислительной формуле (59), аналогичной по фор-
ме записи формулам редукции наблюдений в магнито- и гравираз-
ведке.
Из 1.2.2.1 следует, что для питающих линий «кабель» и «полу-
петля» параметр р0 модели среды, так же как и соответствующий
ему параметр V=po/(/2f), связаны с 1g А17о взаимно однозначной
зависимостью. В случае линии типа «петля» взаимно однозначное
соответствие указанных величин имеет место лишь при малых зна-
чениях V (рис. 1.5).
Отмеченная связь, а также условие (58) позволяют определить
параметр V, а следовательно, и р0 по вычисленному значению
1g А<7. При этом нет необходимости в построении полной кривой
зависимости IgAT/o от аргумента lg V. Зная из опыта работ ори-
ентировочное значение ро, достаточно захватить найденное значе-
ние 1g АТУ в «вилку» двух нормальных значений lg АТ/0 (lg AT/qi
и 1g ДТ/ог), соответствующих заданным параметрам V (V) и У2), а
затем определить искомый параметр V из пропорции
1g Д t/02 — lg At/ lgV2-lgV
ет/о2 - igAt/ci ~ - ‘g { J
При выборе Vi и V2 нужно учесть, что формула линейной ин-
терполяции (60) обеспечивает достаточную для практики точность
определения ро при выполнении условия | lg У2—1 g Vi | ^0,34-0,5
(рис. 1.5).
С целью сокращения вычислений, необходимых для расчета
средний значений lg А17, Ig At/oi, 1g А17о2, полный объем наблюде-
73
ний заменяется выборкой из 40—80 точек, равномерно распреде-
ленных по площади съемки. Значения lg А£/о нормального поля
определяются с помощью номограмм, описанных в 1.2.2.1. В связи
с этим координаты |х| точек выборки целесообразно выбирать в
соответствии с индексами |х| используемых номограмм. Для упро-
щения расчета значений lg ли используется приближенное равен-
ство lg At7~lgAt7, где ли — медианное значение выборки ли.
AU определяется без каких-либо вычислений путем поочередного
вычеркивания наибольшего и наименьшего значений ЛИ выборки.
Для линии «петля» определение параметра V (и соответствен-
но ро) возможно только в области его малых значений с верхним
пределом 7—10 мкГн/м. Это условие накладывает ограничение на
определяемые величины р0. Так, для петель с частотой тока 625 Гц
и полуразносами / = 0,25 и / = 0,5 км верхние пределы для ро со-
ответственно равны 300—400 и 1000—1500 Ом-м. В тех случаях,
когда искомое значение V больше предельного (при этом lg AC70i ~
\g Ли02 и lg Аlg At/oi), параметр р0 приходится выбирать, ис-
ходя из имеющегося опыта полевых работ или по результатам спе-
циальных наблюдений с питающей линией другого типа.
Рассмотрим также особый случай для линии «кабель» и «по-
лупетля», когда lg A£/>lgЛи02 при выборе в качестве Uo2 макси-
мального значения допускаемого используемой номограммой
(Уом = 5О мкГн/м). Соответствующие V0M значения IgAf/oz и
lgA£702 обозначим lg Лиом и lgA£/0M- Как отмечалось выше, зна-
чения ро и Д£/о при У>50 мкГн/м связаны друг с другом прямо
пропорциональной зависимостью. Отсюда для рассматриваемой об-
ласти справедливы следующие формулы для определения пара-
метра V и значений 1g Лй0:
____ig^^igVoM+Q; lgA^o = igA£4w+Q.
где Q = lg Ли — lg AUom-
При обработке полевых наблюдений вручную вычисление па-
раметра ро является первым шагом, необходимым для определения
значений Ае(рк) с помощью расчетного или графического спосо-
бов. Расчетный способ основан на использовании таблиц геомет-
рических коэффициентов установки СГ, вычисленных для питаю-
щей линии заданного типа и ряда фиксированных значений f, ро и
I. Для рабочей частоты 22,5 Гц этот способ рассмотрен в работе
[43].
Однако на практике более прост и универсален графический
способ, позволяющий строить логарифмические графики рк для
питающих линий любых типов и размеров без предварительных
вычислений значений Де(рк) на каждой точке наблюдений [23].
Последовательность операций по этому способу разбивается на
два этапа.
На первом этапе по профилям строят графики вариаций Де0,
соединяя прямыми линиями их значения, вычисленные при помо-
74
Рис. 2.4. Пример обработки результатов полевых работ методом срединного
градиента с построением графиков рк.
а — схема установки; б—графики рк и р ; в — кривая ВЭЗ (профиль 150, пикет 100).
1 — масштабная линейка с логарифмической шкалой; 2 — линии вариаций Дед 3 — кривые
рк (Де); 4 — графики рщ.
щи номограмм для найденного значения lg V и заданных |х| и
lg |^|. Объем вычислений невелик. Учитывая симметрию электри-
ческого поля установки СГ относительно осевых линий планшета,
а также плавность изменения нормального поля lgAH0, для каж-
дого профиля с заданной координатой | z/| достаточно вычислить
значение Де0 в трех-четырех точках, координаты |х| которых со-
ответствуют индексам |х| используемых номограмм.
На втором этапе с помощью масштабной логарифмической шка-
лы, оцифрованной в милливольтах (микровольтах), строят графи-
ки AU, скользя отметкой медианного значения AZ7 по линиям Де0,
как по криволинейным профилям. При этой операции относитель-
но линии профиля откладывается сумма значений Ден и Де0. Со-
гласно формуле (59) полученные кривые являются графиками Де
или графиками рк, построенными в логарифмическом масштабе
75
(рис. 2.4,6). Для оцифровки вертикальной оси графиков в ом-мет-
рах достаточно совместить отметку р0 ее логарифмической шкалы
с линией профиля. Обычно используется логарифмическая шкала
с модулем 20 мм. При этом 1 мм вертикальной оси графика рк со-
ответствует примерно удвоенная погрешность измерения МЩ.
Реже применяются шкалы с модулями 10 и 50 мм.
На рис. 2.4,6 приведен пример практических кривых рк, вы-
численных графическим способом. Полевые наблюдения были вы-
полнены на одном йз участков Магаданской области с помощью
аппаратуры и методики БИЭП. Использовалась рабочая частота
625 Гц, питающая линия типа «кабель» (Z=l,5 км) и подвесная
незаземленная приемная линия (/^ = 5 м). Отметка АСУ на ло-
гарифмической шкале рис. 2.4,6 соответствует медианному зна-
чению AU, равному 120 мкВ при токе 50 мА.
Вычисленное значение ро=67О Ом-м хорошо согласуется с ниж-
ней асимптотической частью кривой ВЭЗ (750 Ом-м), построен-
ной по результатам наблюдений на постоянном токе для ПК 40
ПР 175 планшета СГ (рис. 2.4,в). В то же время среднее значение
рш составило для рассматриваемого примера 4500 Ом-м. При
этом средние уровни кривых рк и рш на профилях, расположенных
в 150 м от питающей линии АВ, различаются более чем на поря-
док.
В настоящее время в НПО «Рудгеофизика» составлена вычис-
лительная программа, реализующая на языке «Базисный форт-
ран» описанный выше алгоритм расчета рк.
2.3.2. Качественная и количественная интерпретация
Качественная интерпретация, основанная на визуальной корре-
ляции особенностей графиков геофизических полей, является ос-
новным видом интерпретации наблюдений с установками электро-
профилирования. Однако оформлению планов логарифмических
графиков рк не всегда уделяется достаточное внимание. Для по-
вышения наглядности (читаемости) планов рекомендуется приме-
нять яркую четырехцветную раскраску графиков. Наиболее выра-
зительна следующая гамма цветов: коричневый, желтый, голубой,
синий. Вначале области «положительных» и «отрицательных» зна-
чений графиков рк, лежащих выше и ниже линии профиля, закра-
шиваются основными цветами, соответственно желтым и голубым.
Затем, отступив 2—5 мм в обе стороны от линии профиля, интен-
сивность окраски усиливают, закрашивая основные цвета вспомо-
гательными — коричневым для желтого цвета и синим для голу-
бого. Граница основного и дополнительного цветов должна быть
нечеткой (размытой).
При обработке графиков рк отдельные особености их тщатель-
но коррелируются от профиля к профилю. Выделяемые при этом
зоны повышенного и пониженного сопротивления позволяют по-
строить детальную структурно-корреляционную схему участка ра-
76
бот. Дополнительные тектонические особености исследуемых пло-
щадей устанавливаются ^по разрывам и смйцениям зон корреля-
ций. После геологической проверки характерных .элементов струк-
турно-корреляционных схем последние используются в качестве
геофизической основы при составлении геологических планов и
карт.
Количественная интерпретация результатов электропрофилиро-
вания применяется лишь в тех случаях, когда электрические свой-
ства локальных объектов резко отличаются от свойств вмещающих
горных пород.
Результаты наблюдений с бесконтактными установками ДП и
КП, параметры которых удовлетворяют условиям (19) и (24),
могут интерпретироваться с помощью методики, разработанной
применительно к заземленным установкам [5].
Учитывая высокую степень однородности нормального возбуж-
дающего поля (см. 1.2.2.1), для интерпретации данных метода СГ
может быть использована известная аналогия [27] между элект-
рическими аномальными полями и магнитными аномалиями над
однородно намагниченными телами, изучаемыми магниторазвед-
кой.
Для возмущающих объектов (шар, цилиндр, пласт)-, рассмот-
ренных в 1.3.2, нетрудно установить взаимно однозначное соот-
ветствие аномальных полей при электрической и магнитной поля-
ризации тел в однородном электрическом Еох и магнитном Нох
полях, ориентированных в положительном направлении оси Ох.
С этой целью введем -обозначения Za и Ха для вертикальной, на-
правленной вверх, и горизонтальной (по оси Ох) составляющих
аномального магнитного поля на дневной поверхности. При этих
обозначениях для перехода от электро- к магниторазведочной за-
даче достаточно заменить рк**—ро и pKz* на аномальные компо-
ненты Ха и Za при одновременной замене электрических величин
G, g и б на соответствующие им магнитные величины Мш, Мп и J,
где Мш, — магнитные моменты шара и кругового сечения ци-
линдра; J — намагниченность пласта.
Наряду с рассмотренными частными случаями для практики
важна задача интерпретации аномальных электрических полей над
объектами в виде погруженных пластовых тел с различными эле-
ментами залегания. В приложении к магниторазведке эта задача
решена путем расчета полей Za и Ха для двумерных однородно
намагниченных пластовых тел с горизонтальной образующей. Ана-
лиз показывает, что для принятой системы координат и заданного
по оси поляризующего поля аномальные кривые рк** Ро и ркг*
от пластовых тел можно рассматривать как графики безразмерных
составляющих Ха и Za, выраженных в относительных единицах,
например в долях, максимальных абсолютных значений Ха и Za.
В практике магниторазведки чаще исследуются аномальные кри-
вые Za и Ха, соответствующие правосторонней системе координат
х, у, z с осью Oz и намагничивающим полем, направленными по
77
вертикали вниз. Для этих условий правило перехода к магнито-
разведочной задаче имеет вид рк2*-»-Ха, ркхх — р0—>-Za.
Для интерпретации безразмерных компонент магнитного поля,
естественно, пригодны только такие методы, которые учитывают
лишь форму аномальных кривых и не зависят от выбранного ли-
нейного масштаба вертикальной оси графиков. К таким методам
относятся различные варианты способа характерных точек, метод
касательных и т. п.
Следует отметить, что в ответственных случаях данные ин-
терпретации, полученные с помощью описанной методики, учиты-
вая ее приближенный характер, нуждаются в проверке и уточне-
нии. Эффективным средством контроля результатов интерпретации
является физическое моделирование потенциальных полей, напри-
мер с помощью специализированной установки МУСГ-1, рекомен-
дованной в работе [1].
ГЛАВА 3.
ПРИМЕРЫ ПОЛЕВЫХ РАБОТ
Эффективные поиски рудных месторождений возможны лишь
на основе детального изучения перспективных площадей, выявле-
ния закономерностей в распределении оруден^ння и связи его с
рудоконтролирующими факторами, т. е. на основе детального гео-
логического картирования [39]. В комплексе геофизических мето-
дов, используемых при геологическом картировании, одно из ве-
дущих мест принадлежит электропрофилировЭДйю. Оно применя-
ется как для решения чисто картировочных задйч, так и для непо-
средственных поисков рудных тел. В процессе, детального изуче-
ния перспективных участков указанные две группы задач нераз-
рывно связаны друг с другом. Поэтому наиболее рациональным
является использование таких методов профилирования, как СГ,
ДП и КП, которые достаточно эффективны при решении задач
обоих типов.
Возможности и область применения указанных видов электро-
профилирования значительно возрастают в связи с разработкой
методики бесконтактных измерений электрического поля [7, 22—
25, 31, 35—37, 44]. Ее использование позволяет вести наблюдения
при любом поверхностном покрове, в том числе на территориях
с неблагоприятными условиями для устройства заземлений, об-
щая площадь которых в ряде рудных районов составляет более
30—50 %. Становятся возможными зимние работы по снежно-ле-
довому покрову, в том числе на площадях, недоступных для ис-
следования летом (озера, болота, сельхозугодья и т. п.). Кроме
того, методика БИЭП расширяет возможности электропрофили-
рования за счет векторных наблюдений, осуществление которых
затруднено или практически невозможно с установками, исполь-
зующими заземленные рабочие линии.
Анализ нормальных и аномальных полей, а также опыт поле-
вых работ свидетельствуют о примерно равных возможностях кон-
тактной и бесконтактной методики профилирования с измерением
Ех при решении поисково-картировочных задач. Поэтому в настоя-
щей главе не рассматриваются общие вопросы применения элект-
ропрофилирования, достаточно хорошо освещенные в специальной
литературе [5, 6, 7, 17, 29, 40]. Основное внимание ниже уделя-
ется лишь примерам сопоставления результатов полевых наблю-
дений с заземленными и незаземленными установками и некото-
79
рым особенностям профилирования, свойственным только методике
БИЭП.
3.1. МЕТОД СРЕДИННОГО ГРАДИЕНТА
В качестве примера на рис. 3.1 приведены результаты наблю-
дений методом СГ с заземленными и незаземленными рабочими
линиями. Работы проводились в Якутской АССР и Хабаровском
крае с целью сопоставления различных методик измерения при
прослеживании известных геологических объектов, контролирую-
щих редкометальное оруденение,— кварцевой жилы (рис. 3.1, а) и
зоны дробления (рис. 3.1,6). Мощность элювиально-делювиаль-
ных отложений на участках работ не превышала 3—5 м.
Наблюдения с заземленными установками СГ выполнялись с
аппаратурой ИКС-50 на частоте 22,5 Гц. Разносы питающих ли-
ний типа «кабель» составляли 500 м, длина заземленной приемной
линии MN — 5 м. Аппаратура БИКС-75 с рабочей частотой 625 Гц
использовалась для работ с незаземленными приемными линиями
подвесной конструкции с действующей длиной 5 м. При этом на
первом участке (рис. 3.1, а) применялась незаземленная питающая
линия типа «полупетля» с разносом, равным разносу заземленной
линии АВ. На втором участке (рис. 3.1,6) тип и размер питаю-
щей линии оставался неизменным. Расчеты эффективных пара-
метров выполнялись согласно методике, описанной выше.
Как видно из рис. 3.1, а, кварцевая жила, секущая архейскую
гнейсо-гранитную толщу, отчетливо выделяется линейно вытянутой
зоной повышенных значений рк интенсивностью до 70000 Ом-м.
Зоне дробления среди фельзитов (рис. 3.1,6) отвечает хорошо вы-
раженная зона минимумов рк до 500 Ом-м на фоне 1500—
2000 Ом-м. Сопоставление результатов наблюдений с заземленны-
ми и незаземленными рабочими линиями свидетельствует о хо-
рошем совпадении в среднем кривых рк. При этом графики рк, по-
лученные с незаземленной рабочей линией, имеют более сглажен-
ный характер вследствие распределенного характера линий этого
типа. Отсутствие частотной зависимости для локальных аномалий
рк указывает на примерно одинаковую глубинность, достигнутую
на обеих частотах.
3.2. ДИПОЛЬНО-ОСЕВОЕ
И КОМБИНИРОВАННОЕ ПРОФИЛИРОВАНИЕ
Электропрофилирование с незаземленными установками ДП и
КП широко опробовано в процессе опытно-методических и произ-
водственных работ, выполненных в Карелии, Якутской АССР, Гор-
ной Шорни, на Северо-Востоке и других районах. Ниже приводят-
ся примеры летних и зимних полевых работ, результаты которых
подтверждают основные теоретические положения, приведенные в
1.2.3 и 1.3.3.
80
О 50м
<_____।
ЕЗ7 E3f EZP ЕЗ5 EZE ИЗ7 ESE @-9 E37Z7 E3/z
Рис 3 1 Результаты электроразведочных работ методом срединного градиента
(/ав=500 м, /мк=5 м) по прослеживанию кварцевой жилы (а, б) и зоны дроб-
ления (в, г).
мигматизированные амфибол-биотитовые гнейсы; 3 —кварцевая жила;
- - фельзолипариты; 6 —фельзиты; 7 — гранит-порфнры; 3 —зона дробления;
П —кривые рк. построенные по результатам съемки с применением кон-
тактной (П) и бесконтактной (ГО) методик измерения.
/ — граниты; 2 —
4 — липариты; 5
9 — канавы; 10,
На рис. 3.2 представлены материалы дипольно-осевого профи-
- лирования по одному из участков на территории Карельской
АССР. Район работ расположен в области распространения про-
терозойского комплекса метаморфических пород, перекрытых мо-
6 Зак. 77
81
Рис. 3.2. Кривые рк дипольно-осевого профилирования с заземленной и незазем-
ленной установками по результатам работ в Карелии.
а — схемы незаземленной (/) н заземленной (2) установок; б—д — результаты знмннх (б,
в) и летних (г, д) работ с незаземленной прямой (3) и обратной (4) установками; е — ре-
зультаты летних работ с заземленной (5) н незаземленной (6) установками на частоте
625 Гц; ж — результаты летних работ с заземленными установками на частотах 22,5 (7) и
625 Гц (S). 9 — тела лейкократовых гранитов; 10 — биотнт-амфиболовые сланцы и гнейсы.
82
,Х с зазем -
ренными отложениями мощностью 5—-7?w
ция незаземленных установок показаны н&
Сопоставление результатов наблюдений
ленными и незаземленными установкам^ -^частоте Гн
(рис. 3.2, е), свидетельствует об „х практ^^^Хенноств
Совпадают друг с другом также и кривые чюф'мированвя, полу-
ченные на частотах 625 и 22,5 Гц (рис. Последнее под-
тверждает справедливость для незаземленной установки ДП ус-
ловия (19) малости вклада индукционной составляющей электри-
ческого поля, следующего из расчетов по формулам (20)
Наилучшее совмещение кривых двустороннего гфофилйрования
(рис. 3.2, в, д) отмечено при сдвиге 100 м,=Эта эксперименталь-
ная оценка хорошо согласуется с расчетным ,значением g=98 м,
вычисленным по формуле (37). 4 \?
Кривые рк незаземленной установки ДП,-ПОД!ученные по одно-
му и тому же профилю в летний и зимний перйпяй, несущественно
отличаются друг от друга. Имеет место лишь " ое сглажива-
ние локальных особенностей зимних кривых р
It. и ^Коиструк-
ванное, по-ви-
-1 м.
димому, влиянием снежного покрова мощное®
Выводы, полученные по результатам ра< х. работ в
Карелии, послужили основанием для производственного примене-
ния новой методики ДП также и в других, [рнах страны.
В Якутской АССР полевые работы мет©Хрй\ДП проводились
с аппаратурой ЭПП-102. Переносной генеряяж< обеспечив ал ток
в питающей линии силой 1 мА при частотах2500 Гц. Длина
отрезков проводов LA' и La составляла 20 м. ®1Шерения разностей
потенциалов проводились со стелющейся.лийд^-О' длиной провода
40 м. Разнос установки .г = 100 м. Целью раЙ^^являлось сопостав-
ление результатов наблюдений, выполненными®'разных частотах
с заземленными и незаземленными рабочими линиями.
На рис. 3.3, а приведены результаты рабОгпопрофилю, пересе-
‘'“. ее известняки,
вставляет здесь
рубка на обеих
§рк прямой и об-
достигает 70—
на приведен-
отсутствует. Ре-
мленными рабо-
ffj, ..Следует отме-
сутии, возмож-
е с сезонным
пирования в
кающему кимберлитовую трубку и вмёЩ£
Мощность рыхлых песчано-глинистых отл
1—5 м. Как видно из рисунка, кимберл
частотах отмечается прямым пересечением
ратной установок. Приуроченный к ней м
100 на фоне 700—1000 Ом-м. Частотная
ных кривых, так же как и в предыдущем
зультаты, полученные с заземленными И
чими линиями, практически идентичны ДРХГ:Й
тить, что применение методики БИЭП в
но, позволит устранить ложные аномалий
оттаиванием грунта, путем проведения 5
зимне-весенний период по снежному пок
На рис. 3.3,6 приведены результаты^
КП на частоте 625 Гц, выполненные с аппар^П
данской области. Размеры установок:
LbILa = 204-60. Ток в незаземленной ЛЦИЯИ
В центральной части участка работ обнш|
•работ методом
ИЭП в Мага-
^20, Та=10 м;
Авил I—5 мА.
узивные по-
83
Рис. 3.3. Двусторонние кривые рк дипольно-осевого и комбинированного профи-
лирования с заземленными (/) и незаземленными (2) рабочими линиями, по-
строенные по результатам летних работ в Якутии (а) и на Северо-Востоке (б).
3 — известняки; 4 — кимберлиты; 5 — андезито-базальты; 6 — игнимбриты и их туфы; 7 —
гидротермально измененные породы (зоны кварцевых жил н прожилков), контролирующие
оруденение; 8 — тектонические нарушения; 9 — контакты пород с различным удельным со-
противлением.
роды, прорванные многочисленными дайками и штоками липари-
тов, гранит-порфиров и андезитов. Породы разбиты серией текто-
нических нарушений на отдельные блоки. Гидротермально изме-
ненные породы (окварцевание, калишпатизация, пиритизация),
вмещающие полиметаллическое рудопроявление, образуют рудную
зону мощностью от 50 до 150 м. Коренные породы участка пере-
крыты курумами мощностью 0,5—1,5 м, что исключает возмож-
ность использования заземленных рабочих линий.
На всех кривых рк, полученных с незаземленной установкой
КП (рис. 3.3,6), четкими пересечениями графиков прямой и обрат-
ной установок отмечается тектоническое нарушение в районе
ПК 90 и рудная зона в районе ПК 70—85. Различие в амплитудах
максимумов кривых прямой и обратной установок позволяет каче-
ственно оценить направление падения рудной зоны к востоку. На-
блюдения методом КП при различном отношении длин питающих
электродов (Lb/La = 204-60) идентичны друг другу. Это согласу-
ется с данными теоретических расчетов аномальных полей уста-
новки КП, рассмотренными в 1.3.3. Тем самым практически под-
84
твержден вывод о возможности полученвдИЫвых ок трехэлект-
роднои установки с помощью бесконтактной нера&бшольиой
установки при ьв/ьл> 104-20. ' . .
3.3. ВЕКТОРНЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ
ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ В ВОЗДУХЕ
При электропрофилировании с заземленными приемными ли-
лиями наблюдают касательные составляющие электрического по-
ля в земле. Большинство модификаций профилирования основано
на изучении лишь одной составляющей поля, ориентированной
вдоль профиля наблюдения. Измерение нескольких составляющих
тюля или параметров эллипса поляризации вектора электрическо-
го поля расширяет картировочные возможности метода [28]. Од-
нако это требует дополнительных затрат труда, особенно значи-
тельных в залесенной местности. Применение в качестве приемной
линии малогабаритной незаземленной электрической антенны
(рис. 1.2, г и 2.2, в) существенно сокращает время, необходимое
на ориентирование приемной линии, и позволяет наблюдать лю-
бые составляющие низкочастотного электрического поля.
На рис. 3.4 приведены результаты векторных наблюдений над
характерными объектами картирования, в качестве которых вы-
браны:
— тектоническое нарушение, выполненное гидротермально из-
мененными окварцованными породами (вертикальный неограни-
ченный пласт высокого удельного сопротивления);
— кимберлитовая трубка взрыва, прорывающая известняки
(вертикальный круговой цилиндр пониженного сопротивления);
— контакт горных пород, резко отличающихся друг от друга
по значениям удельного сопротивления;
— чередование зон окварцевания, калишпатизации и пиритиза-
ции (вертикальнослоистая среда).
Для электропрофилирования была применена установка СГ с
питающими линиями типа «кабель» (рис. 3.4, а, б, в) и «полупет-
ля» (рис. 3.4, г) с разносами 0,5—1 км. Измерения вертикального
компонента поля Ег сопровождались наблюдениями горизонталь-
ного компонента Ех, параллельного линии АВ, а также определе-
нием условного знака компонента Ег.
Правило определения знаков было принято следующим. Изме-
ряемым значениям Ег приписывался положительный знак, если
при отклонении антенны от вертикального положения путем на-
клона ее верхнего конца в восточном направлении профиля на-
блюдалось увеличение сигнала АС/. В случае уменьшения сигнала
AU знакД? считался отрицательным.
Кроме составляющих поля измерялись углы наклона к горизон-
ту большой (атах) и малой (amin) осей эллипса поляризации век-
тора электрического поля в вертикальной плоскости.
Результаты наблюдений Ех и Ег представлены на рис. 3.4 в виде
графиков рк, рассчитанных в соответствии с методикой, рассмот-
85
Рис. 3.4. Результаты электропрофилирования с измерением в воздухе горизон-
тальной (/) и вертикальной (2) составляющих электрического поля и углов на-
клона к горизонту большой (3) и малой (4) осей эллипса поляризации элек-
трического поля.
а — над пластом с большим удельным сопротивлением пород; б — над хорошо проводящей
кимберлитовой трубкой; в — над контактом пород; г — иад вертикальнослоистой зоной гид-
ротермально измененных пород; 5 — линии контактов пород; 6 — кимберлиты; 7 — извест-
няки; 8 — андезиты; 9 — флюндальные лавы дацитов; 10 — граниты; 11 — игнимбриты рио-
дацитов; 12 — тектонические нарушения; 13, 14 — гидротермально измененные окварцован-
ные (13) и пирнтизированные (14) породы; 15 — кварцевые жилы и прожилки.
ренной выше (см. 1.3.1), а результаты измерений углов атах и
amin — в виде непосредственно наблюдаемых величин.
Результаты наблюдений с электрической антенной на рис. 3.4
интересны в том отношении, что из сопоставления графиков рк для
Ег и Ех с соответствующими теоретическими графиками Za и Ха
составляющих аномального магнитного поля горизонтально намаг-
ниченных тел можно прийти к заключению о качественной анало-
гии рассматриваемых графиков друг другу. Тем самым получен
опытный материал, подтверждающий возможность распростране-
ния известного положения об аналогии электрического и магнит-
86
лого аномальных полей при измерениях электрического поля в
земле [27] на случай наблюдения составляющих Ег и Ех в воз-
духе.
Возможность измерения пространственных комДоиентов элект-
рического поля в рассматриваемых примерах позволила получить
дополнительную информацию об изучаемых объектах. В частно-
сти, по экстремальным значениям Ez можно уточнить местополо-
жение проекции контактов пород различного сопротивления и кон-
тур кимберлитовой трубки. Асимметрия кривой Ег позволяет оце-
нить направление падения трубки. Измерение сетах и аты среди
трех равноценных зон, отмеченных по результатам измерения Ех,
однозначно выделяет вертикальнослоистую зону полиметалличе-
ского оруденения по смене знака наблюдаемых величин. Следует
отметить значительную интенсивность аномалий углов amax и amin,
достигающую 120—150°.
Рассмотренный опыт наблюдений пространственных компонен-
тов электрического поля в воздухе позволяет надеяться, что мало-
габаритная электрическая антенна найдет широкое применение в
практике электроразведки на переменном токе. Можно ожидать,
что наиболее эффективным окажется использование ее при круп-
номасштабных исследованиях, связанных с определением элемен-
тов залегания объектов геологического картирования и рудных
тел.
3.4. ЗИМНИЕ РАБОТЫ
Из-за снежного покрова и промерзания грунта постановка ме-
тодов контактной электроразведки в зимний период нецелесооб-
разна. В это время года использование методов СГ, ДП, КП, а
также электрического заряда становится возможным только с по-
мощью методики БИЭП [22]. Ее применение позволяет решать
в зимних условиях с помощью перечисленных методов ряд важ-
ных геологоразведочных задач. К их числу относятся оператив-
ная корректировка мест заложения скважин поискового и разве-
дочного бурения и опережающая геофизическая подготовка пер-
спективных территорий к геологической съемке в летнем сезоне.
Ниже в качестве примера приведены результаты зимних элект-
роразведочных работ в Восточной Карелии, выполненных на эта-
пе поисково-разведочного бурения в пределах цлощади медно-ни-
келевого рудопроявления. Основой для проектирования скважин
послужила геологическая схема участка (рис. 3.5, а) с результа-
тами съемки однопетлевым вариантом метода переходных процес-
сов (МПП).
Скв. 1 и 2, пробуренные летом 1973 г., встретили зону медно-
никелевой минерализации. По данным съемки МПП, а также на
основании геологических представлений о согласном залегании
рудных тел и вмещающих пород предполагалось меридиональное
простирание встреченной зоны. Скв. 3 рудная минерализация была
пересечена на глубинах 50—90 м вместо ожидаемых 200—250 м.
87
Рис. 3.5. Геологическая схема поисково-разведочного участка медно-никелевого
рудопроявления в начале (а) и после завершения (б) буровых работ.
1 — серпентиниты: а — нерасчлененные, б — апооливиновые, в — апопер ид отитовые; 2 — ту-
фосланцы; 3 — метаандезнты; 4— габбро-диабазы; 5 — метадиабазы; 6 — медно-ннкелевые
руды; 7 — тектонические нарушения; 8 — проекция на дневную поверхность осн рудного
тела по данным: а — бурения скв. 1—3, б — метода переходных процессов, в—метода за-
ряда; 9— местоположение и номер скважины: а — встретившей рудную минерализацию,,
•б —«пустой», в — рекомендованной; 10 — проекция на дневную поверхность точки А заряда
рудного тела в скв. 2.
На основании этого был сделан вывод о том, что обнаружена но-
вая рудная зона, параллельная первой. Однако скв. 4, пробурен-
ная в январе 1974 г., неожиданно оказалась «пустой». В связи с
этим возникла острая необходимость в срочных геофизических ис-
следованиях для детального изучения геологического строения
участка, перекрытого в это время года мощным снежным покро-
вом. Применение аппаратуры и методики БИЭП позволило вы-
полнить эти работы в феврале 1974 г. В состав работ входили
методы СГ, длинного кабеля (ДК) и электрического заряда (ЭЗ).
При работах методом СГ использовалась заземленная питаю-
щая линия длиной 1,5 км. Для устройства заземлений были приме-
нены стальные штыри-электроды длиной 0,7 м по 10 штук на каж-
дое заземление. Генератор тока из комплекта аппаратуры
АСМИ-40 обеспечивал ток в питающей линии силой 0,4 А на ра-
бочей частоте 125 Гц. Наблюдения велись с подвесной приемной
линией с действующей длиной /мл'=Ю м.
Исследования методом ДК проводились на частоте 312 Гц с
помощью прибора ИМА-1 и упомянутого генераторного устройст-
ва. Питающая линия длиной 2,5 км располагалась перпендикуляр-
но к профилям наблюдений в 0,3 км к юго-востоку от линии пике-
88
тов 40 рабочего планшета, показанного на рис 3.5. Ток в линии
поддерживался равным 0,3 А. Измерялись значения модулей вер-
тикальной (Нг) и горизонтальной (Ну) составлщёа&хвектора
магнитного поля в вертикальной плоскости, ...^^оходятцей через
профиль наблюдения. Результаты съемки представлялись в виде
плана графиков р, рассчитанных по значениям отношения \Hz\l
J|HF| [21].
Работы методом ЭЗ проводились при размещении точечного ис-
точника тока в рудном интервале скв. 2 на глубине 200 м. Уда-
ленное заземление питающей линии было отнесено на 3 км по ли-
нии, перпендикулярной к профилям. Измерение разности потен-
циалов на дневной поверхности велось бесконтактным способом
теми же средствами, что и при работах методом СГ. Сила тока I
в питающей линии была равна 0,4 А. Результаты наблюдений
представлялись в виде графиков АСУ, отнесенных к току, причем
левой ветви кривой АС/// условно приписывался знак « + », а пра-
вой— знак «—». Точка перехода кривой ДС7// через нуль соответ-
ствовала глубокому минимуму наблюдаемых значений АТ/, отве-
чающему максимуму потенциала электрического поля. Такой спо-
соб изображения результатов съемки позволил представить их в
•обычном виде, принятом при наблюдениях методом ЭЗ на посто-
янном токе.
На рис. 3.6, а приведены графики наблюдений методом СГ,
ДК и ЭЗ по профилю 4, пересекающему тело медно-никелевых
руд. Как видно из рисунка, все основные особенности геологиче-
ского разреза в той или иной мере отмечаются на всех приведен-
ных кривых. Апооливиновые серпентиниты в северо-восточной ча-
сти профиля характеризуются пониженными значениями рк. Далее
к юго-восТоку значения рк увеличиваются в 2—3 раза, что соот-
ветствует появлению в разрезе апоперидотитовых серпентинитов
и габбро-диабазов. Рудное тело; расположенное вблизи контакта
габбро-диабазов и туфосланцев, фиксируется локальными мини-
мумами на кривых рк и точкой перехода через нуль кривой AU/I.
К юго-востоку от рудного тела повышенными значениями рк от-
мечается область распространения сланцев и метадиабазов.
На рис. 3.6, а для сопоставления приведены результаты после-
дующих летних наблюдений по профилю 4. Съемка методами СГ
и ЭЗ в этом случае велась по обычной методике с помощью аппа-
ратуры ИКС-50 на частоте 22,5 Гц. Сравнивая «зимние» и «лет-
ние» кривые, можно сделать вывод об их идентичности. Лишь на
•отдельных участках профиля наблюдаются различия в абсолютных
значениях измеренных величин, что, по-видимому, объясняется
разными частотами и ошибками во взаимной привязке зимней и
летней топосети. Аналогичные результаты были получены и по ос-
..тальным профилям участка.
7-j, На рис. 3.6, б приведены кривые ЬЛЛ! метода ЭЗ, полученные
-'.jj зимний период при размещении питающего электрода в рудном
Интервале скв- 2- Проекция положения осевой части рудного тела
89
Рис. 3.6. Результаты зимних и летних наблюдений методами бесконтактной
электроразведки.
а — по профилю 4 методами СГ (/), ДК {II) и заряда (///); б— по профилям 2—7 мето-
дом заряда; / — серпентиниты: а — апооливииовые, б — апоперидотитовые; 2 — габбро-диа-
базы; 3 — туфосланцы; 4 — метадиабазы; 5 — моренные отложения; 6 — медно-никелевые ру-
ды; 7 — тектонические нарушения; 8 — проекция на дневную поверхность осн рудного тела
по данным метода заряда; 9 — кривые наблюдений: а — зимние, б — летние; J0 — проекция-
на дневную поверхность точки А заряда рудного тела в скв. 2.
отмечается на профилях 3—7 точками перехода указанных кривых
через нуль. Положение этой линии на рис. 3.6,6 свидетельствует
о северо-восточном простирании рудного тела, а резкое уменьше-
ние значений AU7I на профилях, расположенных на северо-вос-
токе от профиля 3 и на юго-запад от профиля 7, позволяет пред-
положить, что тело имеет протяженность около 300 м.
Результаты бурения рекомендованных к проходке скважин
(рис. 3.5,а) подтвердили правильность интерпретации материалов
зимних электроразведочных работ и послужили вместе с геофизи-
ческими данными основой для составления уточненной геологиче-
ской схемы поисково-разведочного участка (рис. 3.5,6). На новой
схеме показано северо-восточное простирание рудного тела и от-
ражены существенно новые детали геологического строения вме-
щающей среды.
ЗАКЛЮЧЕН,,
---------- .-У? У'
В настоящей работе рассмотрены вопросы теории и практики
нового направления в' электропрофилироваиии, основанного на из-
мерении составляющих низкочастотного электрического поля с по-
мощью незаземленных линий.
Численные исследования нормальных полей незаземленных
установок выполнены путем интегрирования по контуру питаю-
щих проводов полей элементарных источников, названных куло-
новскими по типу использованной калибровки векторных потен-
циалов. Результаты расчетов позволили изучить поля гальваниче-
ских, емкостных и индукционных токов питающих линий, опреде-
лить рабочую область и глубинность установки СГ, сформулиро-
вать требования к параметрам незаземленных установок ДП и
КП.
Для анализа эквивалентных электрических схем приемных ли-
ний предложен метод средних потенциалов, позволивший рассчи-
тать основные параметры незаземленных линий, используемых на
практике. Рассмотрена новая аппаратура, успешно реализующая
преимущества методики БИЭП, описаны особенности техники про-
изводства полевых работ. Полевые исследования обеспечены вы-
пуском более 60 комплектов специализированной аппаратуры
БИКС-75, ЭРА-625, «Хасын».
Приведенные примеры полевых работ свидетельствуют о при-
мерно одинаковых структурно-картировочных возможностях элект-
ропрофилирования с использованием как заземленных, так и не-
заземленных рабочих линий. Вместе с тем новая методика значи-
тельно расширяет область применения наиболее эффективных ме-
тодов электропрофилирования СГ, ДП и КП. Полевые наблю-
дения становятся возможными в пределах территорий с плохими
условиями для устройства заземлений (курумы, скальные выхо-
ды, сухие пески), а также в зимний период по снежно-ледовому
покрову, в том числе на площадях, недоступных для исследований
летом (озера, болота, сельхозугодья).
В районах с благоприятными условиями для заземлений ис-
пользование методики БИЭП повышает производительность съем-
ки при одновременном сокращении численности полевых бригад.
Дополнительная возможность расширения круга задач, решаемых
электропрофилированием, появляется благодаря производству век-
торных наблюдений в воздухе, осуществление которых невозможно
с заземленными установками.
Более широкое внедрение новой методики в настоящее время
сдерживается из-за отсутствия промышленных образцов аппара-
туры. Поэтому разработка и выпуск такой аппаратуры являются
насущной задачей.
В области дальнейшего развития нового направления ближай-
чщая задача состоит в разработке бесконтактных модификаций
дистанционных и частотных электрозондирований.
91
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Авдевич М. М., Фокин А. Ф. Электромоделирование потенциальных гео-
физических полей. Л., Недра, 1978. 99 с.
2. Альпин Л. М. Теория поля. М., Недра, 1966. 384 с.
3. Бессонов Л. А. Теоретические основы электротехники (в трех частях)..
6-е изд., перераб. и доп. М., Высшая школа, 1973. 750 с.
4. Белоруссов Н. И., Саакян А. Е., Яковлева А. И. Электрические кабели,,
провода и шнуры (справочник). 4-е изд., перераб. и доп. М., Энергия, 1979..
416 с.
5. Блох.. И. М. Электропрофилирование методом сопротивлений. 2-е изд.,,
исправл. и доп. М., Недра, 1971. 215 с.
6. Бурсиан В. Р. Теория электромагнитных полей, применяемых в электро-
разведке. 2-е изд., исправл. и доп. Л., Недра, 1972. 368 с.
7. Вешев А. В. Электропрофилирование на постоянном и переменном токе..
2-е изд., перераб. и доп. Л., Недра, 1980. 391 с.
8. Вешев А. В., Яковлев А. В., Сапожников Б. Г. Эквивалентные схемы
и параметры приемных линий.-—Геофиз. аппаратура, 1974, вып. 55, с. 46—55.
9. Вишняков А. Э. Типовая электроразведочная аппаратура. Л., Недра,.
1967. 279 с.
10. Востриков А. Е., Савицкий А. И., Соловьев В. С. Аппаратура бесконтакт-
ного каротажа сопротивлений.— Геофиз. аппаратура, 1977, вып. 62, с. 111—114.
11. Градштейн И. С., Рыжик И. М. Таблицы интегралов, сумм, рядов гг
произведений. 5-е изд. М., 1971. 1108 с.
12. Джексон Дж. Классическая электродинамика. М., Мир, 1965. 702 с.
13. Дмитриев В. И., Захаров Е. В., Кокотушин Г. А. Альбом палеток для
магнитно-теллурического зондирования в неоднородных средах. М., 1973. Ч. 2.
82 с.
14. Егорова Л. В., Сапожников Б. Г. Алгоритм расчета поля заземленного'
и незаземленного кабеля, расположенного на поверхности двухслойной среды. —
В кн.: Методы разведочной геофизики. Теория и практика интерпретации в руд-
ной геофизике. Л., НПО «Рудгеофизика», 1981, с. 18—28.
15. Егорова Л. В., Сапожников Б. Г. Оценка границ квазистационарного
приближения для низкочастотного нормального электрического поля. — В кн.:
Методы разведочной геофизики. Наземные варианты электроразведки импульс-
ными полями при поисках рудных месторождений. Л., НПО «Рудгеофизика»,.
1983, с. 85—97.
16. Заборовский А. И. Переменные электромагнитные поля в электроразвед-
ке. М.. МГУ, 1960. 186 с.
17. Инструкция по электроразведке. Л., Недра, 1984. 352 с.
18. Иоссель IO. Я., Кочанов Э. С., Струнский М. Г. Расчет электрической
емкости. Л., Энергия, 1969. 240 с.
19. Исследования горизонтальных электрических антенн для съемки мето-
дом СДВ-радиокип/Гнидич В. М„ Гордеев С. Г., Лунин Ю. Г. и др.— В кн.:
Рудная геофизика. М., 1972, с. 77—86. (Тр. ЦНИГРИ, вып. 104).
20. Лавров Г. А., Князев А. С. Приземные и подземные антенны. М., Сов.,
радио, 1965. 472 с.
92
/
Г;2?,0 п М Опыт зимних работ
Ь±₽ЛГУ 1977 №^2, с. 26-32. ,
^бл^анский А. И. Ме^расче-
электропрофилирован ус
В» приемными линиями. Л., Hiiui уд
^ВИНИТИ 12 мая 1983 г. № 2558-83
ЯблучанскиЦ А. И. Дипольно-осевое
^йЗеземленными рабочими линиями.
ШММЕые варианты электроразведки им-
li^,месторождений. Л., Недра, 1983,
Яблучанский А. И. Бесконтактная
•йргкровочных задач в рудных районах
«Основные направления совершенство-
ЁМрваний при поисках месторождений
Д&Льнем Востоке». Иркутск, ВостСиб-
21. Нахабцев А. С.
рования при детальных
Автореф. канд. дис. Л.,
22. Нахабцев А. С., СфйН^^ИК
методами электроразведки
23. Нахабцев А. С.,
та кажущегося удельного сйЯЕЭе^
кой срединного градиента в iaaSWffi
геофизика», 1982, с. 46 (Рукс w- *
Деп).
24. Нахабцев А. С., . Vi
и комбинированное профилируя;?' ’у
В кн.: Методы разведочной гёевйкч-г'
пульсными полями при поиск- 1
с. 101—116. 'TpSS
25. Нахабцев А. С., СшюяпМя^б
электроразведка при решении ппиЖЙИг
Восточной Сибири. Тезисы докл.
вания комплексных геофизических'
полезных ископаемых в Сибири и нй
НИИГГиМС, 1983, с. 54—55.
26. Нейман М. С. Принцип взаимнсх$ж-в теории антенн. — Изв. электропро-
мышленности слабого тока. М., 1935, Ж1О. I___11.
27. Непомнящих А. А. Интерпретация, геофизических аномалий. (Некоторые
принципы комплексного геологического Толкования геофизических аномалий ме-
тодом сравнений). Л., Недра, 1964. 284 С. 7
28. Петров П. А. Метод срединного градиента с круговыми измерениями на-
пряженности поля и его применение для целей геологического картирования. —
Ииформ. сообщ. Сер. Регион., развел, и промысл, геофизика. М., ОНТИ ВИЭМС,
1964, вып. 39 (2). 22 с.
29. Поляков А. С. Методическое руководство по электропрофилированию.
Л, Недра, 1969. 200 с.
30. Рогачев Б. В. Электрическое поле заряженного тела над земной поверх-
ностью.— В кн.: Геофизические методы разведки. М., 1970, с. 151—154.
31. Сапожников Б. Г. Методика и аппаратура «емкостного приема» при
электроразведочных работах методом срединного градиента. — В кн.: Тезисы до-
кладов семинара НТО. Поиски глубокозалегающих рудных месторождении.
Чимкент, 1970, с. 105—106.
32. Сапожников Б. Г. Наблюдения с аппаратурой АНЧ-1 при высоком со-
противлении приемной линии. — Геофиз. аппаратура, 1966, вып. 27, с. 135—140.
33. Сапожников Б. Г. Погрешность выпрямительного прибора с линейным
детектором при измерении П-образного и синусоидального сигнала. — Геофиз.
аппаратура, 1970, вып. 43, с. 78—87.
34. Сапожников Б. Г. Применение равноточного масштаба для изображения
результатов геофизических наблюдений и оценки их разрешающей способно-
сти.— В кн.: Методы развед. геофиз., вып. 13. Электроразведка. Л., Недра
1971. с. 149—155.
35. Сапожников Б. Г. Аппаратура и методика работ методом срединного
градиента с незаземленной приемной линией.— Геофиз. аппаратура, 1973,
вып. 52, с. 31—40.
36. Сапожников Б. Г. Опыт наблюдений составляющих электрического поля
в воздухе при электропрофилировании на переменном токе. Л., НПО «Геофи-
зика», 1979. 25 с. (Рукопись деп. в ВИНИТИ 27 марта 1979 г., № 1057—79
Деп.).
37. Сафронов А. Н., Сапожников Б. Г. Бесконтактное профилирование в ус-
ловиях горной тайги Забайкалья.- Л., НПО «Геофизика», 1977. 27 с. (Рукопись
деп. в ВИНИТИ 23 декабря 1977 г., № 4531—77 Деп.).
38. Сафронов Н. И. Краткое руководство по проведению комплексных рудо-
поисковых крупномасштабных работ. Магадан, ОНТИ ДС, 1956. 142 с.
39. Семенов А. С. Рудная геофизика в СССР. — Уч. зап. ЛГУ. Сер. Вопр.
геофиз., вып. 11, 1959, № 278, с. 3—55.
9$
40. Семенов А. С., Турчанинов Л. В., Бархатов Д. Р. Метод срединного
градиента при крупномасштабном геологическом картировании. - Вопр. рудн.
геофизики. Л., Недра, 1961, вып. 2, с. 15—35.
41. Семенов А. С. О вертикальных разрезах кажущегося сопротивления и
некоторых терминах в электроразведке. — Уч. зап. ЛГУ. Сер. Вопр. геофиз.,
вып. 25, 1975, № 369, с. 44—47.
42. Тамм И. Е. Основы теории электричества. М., Техтеоргиз, 1957. 619 с.
43. Тарасов Г. А., Сапожников Б. Г. Учет влияния электромагнитной индук-
ции питающей линии на результаты измерений с установкой срединного гради-
ента на переменном токе низкой частоты. — В кн.: Методы рудной геофизики.
Использование электроразведочных методов для геологического картирования
при поисках месторождений полезных ископаемых. Л., НПО «Рудгеофизика»,
1981, с. 85—106.
44. Тыкоцкий В. М., Сапожников Б. Г. Результаты опытно-методических ра-
бот с прибором МСЗ-1 и БИЭП в условиях Среднего Урала. Л., НПО «Гео-
физика», 1977. 12 с. (Рукопись деп. в ВИНИТИ 23 декабря 1977 г., № 4530—77
Деп.).
45. Яковлев А. В. Выбор рабочей части планшета и представление резуль-
татов наблюдений при работе по методу срединного градиента. — Уч. зап. ЛГУ.
Сер. Вопр. геофиз., вып. 24, 1974, № 382, с. 89—100.
46. Якупов В. С. К теории метода индуктивного приема. Материалы по гео-
логии и полезным ископаемым Северо-Востока СССР. Магадан, МКИ; ч. I,
вып. 14, 1960, с. 133—142; ч. 11, вып. 16, 1963, с. 295—301.
ПРИЛОЖЕНИЕ
Номограммы нормального электрического поля |ЕЛ|.
Кабель, /х/'=0,6
Кабель. Ixj = О,К
95
ПРИЛОЖЕНИЕ
Номограммы нормального электрического поля |£л|.
95
a
S
О 50м
<_______i
|+ +|? 17/15 |» | {~Y~Y~| 7 P^]<? p~|/Z7 p-'j/7
Рис. 3.1. Результаты электроразведочных работ методом срединного градиента
(Iав=500 м, Imn =5 м) по прослеживанию кварцевой жилы (а, б) и зоны дроб-
ления (в, а).
1 — граниты; 2 — мигматизированные амфибол-биотитовые гнейсы; 3 — кварцевая жила;
4 — липариты; 5 — фельзолипариты; 6 — фельзиты; 7 — гранит-порфиры; 8 — зона дробления;
9 ~ канавы; 10, 11 — кривые рк> построенные по результатам съемки с применением кон-
тактной (11) и бесконтактной (10) методик измерения.
На рис. 3.2 представлены материалы дипольно-осевого профи-
лирования по одному из участков на территории Карельской
АССР. Район работ расположен в области распространения про-
терозойского ^комплекса метаморфических пород, перекрытых мо-
6 Зак.-77
81
Таблица 2.2 -
lg AUiAU, мкВ X lg у
Тип питающей линии V, мкГн/м У
1g V 1g У И=° И=0,4 Й-0,8 |yk=0 |jv]=0,4 |Jv|=0,8
3,3 0,14 2,27 2,31 2,69 —1,25 —1,15 —1,10
Кабель —0,85 1690 1850 4450 39 50 55
0,51 1,57 1,34 1,31 1,21 —0,50 —0,50 —0,60
0,20 199 185 147 221 221 221
0,45 2,02 2,00 2,16 —0,65 -0,80 —0,85
Полупетля 3,6 —0,35 573 545 791 149 106 94
0,56 1,95 1,49 1,55 1,87 —0,55 —0,65 —0,85
0,29 166 194 404 188 149 94
Й=0,2 Й=0,6 Й=1 Й=о^ 1
0,20 2,06 2,06 1,82 —1,35
Петля 6,4 —0,70 2090 2090 1200 22
0,81 2,2 0,75 0,75 0,70 —0,70
0,34 102 102 91 100
2.2.1.2. Полевые наблюдения
Один цикл полевых наблюдений (съемка планшета с использо-
ванием одной питающей линии) включает подготовительные,
съемочные и заключительные работы.
Подготовительные работы начинаются с устройства питающей
линии и оборудования генераторной стоянки. Затем выполняется
градуировка аппаратуры и осуществляется выбор рабочего зна-
чения тока питающей линии. Подготовительные работы заверша-
ются наблюдениями на планшете с целью определения уровня
электрических помех и градуировки незаземленной приемной ли-
нии.
В случае питающей линии «кабель» одновременно с раскладкой
провода выполняются работы по устройству питающих заземлений
Л и В. Как показано выше (см. 1.2.2.4), заземление В, удаленное
от генератора, должно обладать по возможности меньшим пере-
ходным сопротивлением по сравнению с заземлением А. Значение
этого сопротивления (7?в) обычно 0,5—5 кОм, однако для рабо-
чей частоты 625 Гц оно не должно превышать верхний предел, оп-
ределяемый неравенством 7?B^10/(2Z), где Rb измеряется в ки-
лоомах, а разнос установки 21 — в километрах. Значение Rb до-
статочно проконтролировать с помощью тестера, определив RB
как половину общего сопротивления цепи питающей линии.
Определение уровня электрических помех выполняется с по-
мощью приемной линии, предназначенной для основной съемки.
71
достигается с помощью вертикального логарифмического. масшта-
ба [34], причем с линиями профилей должно совпадать среднее
(медианное) значение рк по планшету съемки.
Прологарифмируем выражение рк/ро=А1//А(/о, вытекающее из
формулы (25):
1g Рк — lgPo=lgA^ — IgA^o- (57)
Условием достаточно хорошей аппроксимации всей совокупности
наблюдаемых значений lg AZ7 нормальными значениями IgAt/o яв-
ляется равенство их средних значений:
(58)
Считая условие (58) выполненным, имеем из формулы (57)
Ье = Ден - Дей, (59)
где AeH = lgA17— lg Л17— отклонение наблюденного поля от его
среднего значения lgAt7; Ae0=-/-(lg Al/0— lg At70)—поправка за
вариации нормального поля lg А17о относительно его среднего
уровня IgAt/o; Ae=lgpK — lg ро — искомое приращение по отно-
шению к 1g ро-
Таким образом, новое определение эффективного параметра по-
ля приводит к вычислительной формуле (59), аналогичной по фор-
ме записи формулам редукции наблюдений-в магнито- и гравираз-
ведке.
Из 1.2.2.1 следует, что для питающих линий «кабель» и «полу-
петля» параметр р0 модели среды, так же как и соответствующий
ему параметр V=p0/(Z2f), связаны с 1g At/о взаимно однозначной
зависимостью. В случае линии типа «петля» взаимно однозначное
соответствие указанных величин имеет место лишь при малых зна-
чениях V (рис. 1.5).
Отмеченная связь, а также условие (58) позволяют определить
параметр V, а следовательно, и р0 по вычисленному значению
lg А1А При этом нет необходимости в построении полной кривой
зависимости IgAf/o от аргумента lg V. Зная из опыта работ ори-
ентировочное значение ро, достаточно захватить найденное значе-
ние 1g А17 в «вилку» двух нормальных значений 1g At/о (lg AC7oi
и IgAt/oz), соответствующих заданным параметрам V (Vi и V2), а
затем определить искомый параметр V из пропорции
igT^02 -igAT igy2- lgу
igar0S-igaz701 ig^-ig^t ’ 1 ?
При выборе Ki и Уг нужно учесть, что формула линейной ин-
терполяции (60) обеспечивает достаточную для практики точность
определения р0 при выполнении условия | lg V2—1 g Vi | ^0,3-4-0,5
(рис. 1.5).
С целью сокращения вычислений, необходимых для расчета
средний значений lg W, lgAl/Oi, 1g А£7о2, полный объем наблюде-
Рис. 2.4. Пример обработки результатов полевых работ методом срединного
градиента с построением графиков рк.
а —схема установки; б — графики рк и р ; в — кривая ВЭЗ (профиль 150, пикет 100).
1 — масштабная линейка с логарифмической шкалой; 2— линии вариаций Део; 3 — кривые
рк (Де); 4 — графики р^ .
щи номограмм для найденного значения lg V и заданных |х| и
lg |z/|- Объем вычислений невелик. Учитывая симметрию электри-
ческого поля установки СГ относительно осевых линий планшета,
а также плавность изменения нормального поля lg At70, для каж-
дого профиля с заданной координатой |z/| достаточно вычислить
значение Де0 в трех-четырех точках, координаты |х| которых со-
ответствуют индексам |х| используемых номограмм.
На втором этапе с помощью масштабной логарифмической шка-
лы, оцифрованной в милливольтах (микровольтах), строят графи-
ки AU, скользя отметкой медианного значения ли по линиям Ае0,
как по криволинейным профилям. При этой операции относитель-
но линии профиля откладывается' сумма значений Аен и Ае0. Со-
гласно формуле (59) полученные кривые являются графиками Де
или графиками рк, построенными в логарифмическом масштабе
75
бот. Дополнительные тектонические особеностй исслсщу^мйх пло-
щадей устанавливаются по разрывам и смещениям зон корреля-'
ций. После геологической проверки характерных элементов струк-
турно-корреляционных схем последние используются в качестве
. геофизической основы при составлении геологических планов и
карт.
Количественная интерпретация результатов электропрофилиро-
вания применяется лишь в тех случаях, когда электрические свой-
ства локальных объектов резко отличаются от свойств вмещающих
горных пород.
Результаты наблюдений с бесконтактными установками ДП и
КП, параметры которых удовлетворяют условиям (19) и (24),
могут интерпретироваться с помощью методики, разработанной
применительно к заземленным установкам [5].
Учитывая высокую степень однородности нормального возбуж-
дающего поля (см. 1.2.2.1), для интерпретации данных метода СГ
может быть использована известная аналогия [27] между элект-
рическими аномальными полями и магнитными аномалиями над
однородно намагниченными телами, изучаемыми магниторазвед-
кой.
Для возмущающих объектов (шар, цилиндр, пласт), рассмот-
ренных в 1.3.2, нетрудно установить взаимно однозначное соот-
ветствие аномальных полей при электрической и магнитной поля-
ризации тел в однородном электрическом Еох и магнитном Нох
полях, ориентированных в положительном направлении оси Ох.
С этой целью введем обозначения Za и Хв для вертикальной, на-
правленной вверх, и горизонтальной (по оси Ох) составляющих
аномального магнитного поля на дневной поверхности. При этих
обозначениях для перехода от электро- к магниторазведочной за-
даче достаточно заменить ркхх — ро и ркг* на аномальные компо-
ненты Ха и Za при одновременной замене электрических величин
G, g и б на соответствующие им магнитные величины Мш, Мц и J,
где Мш, Мц — магнитные моменты шара и кругового сечения ци-
линдра; J — намагниченность пласта.
Наряду с рассмотренными частными случаями для практики
важна задача интерпретации аномальных электрических полей над
объектами в виде погруженных пластовых тел с различными эле-
ментами залегания. В приложении к магниторазведке эта задача
решена путем расчета полей Za и Хв для двумерных однородно
намагниченных пластовых тел с горизонтальной образующей. Ана-
лиз показывает, что для принятой системы координат и заданного
по оси поляризующего поля аномальные кривые ркхх— р0 и ркгх
. от пластовых тел можно рассматривать как графики безразмерных
составляющих Хв и Z&, выраженных в относительных единицах,
например в долях, максимальных абсолютных значений Хя и Za.
В практике магниторазведки чаще исследуются аномальные кри-
вые Za и ХЙ, соответствующие правосторонней системе координат
х, у, z с осью Oz и намагничивающим полем, направленными по
ГЛАВА 3.
ПРИМЕРЫ ПОЛЕВЫХ РАБОТ
Эффективные поиски рудных месторождений возможны лишь
на основе детального изучения перспективных площадей, выявле-
ния закономерностей в распределении оруденения и связи его с
рудоконтролирующпми факторами, т. е. на основе детального гео-
логического картирования [39]. В комплексе геофизических мето-
дов, используемых при геологическом картировании, одно из ве-
дущих мест принадлежит электропрофилированию. Оно применя-
ется как для решения чисто картпровочных задач, так и для непо-
средственных поисков рудных тел. В процессе детального изуче-
ния перспективных участков указанные две группы задач нераз-
рывно связаны друг с другом. Поэтому -наиболее рациональным
является использование таких методов профилирования, как СГ,
ДП и КП, которые достаточно эффективны при решении задач
обоих типов.
Возможности и область применения указанных видов электро-
профилирования значительно возрастают в связи с разработкой
методики бесконтактных измерений электрического поля [7, 22—
25, 31, 35—37, 44]. Ее использование позволяет вести наблюдения
при любом поверхностном покрове, в том числе на территориях
с неблагоприятными условиями для устройства заземлений, об-
щая площадь которых в ряде рудных районов составляет более
30—50%. Становятся возможными зимние работы по снежно-ле-
довому покрову, в том числе на площадях, недоступных для ис-
следования летом (озера, болота, сельхозугодья и т. и.). Кроме
того, методика БИЭП расширяет возможности электропрофили-
рования за счет векторных наблюдений, осуществление которых
затруднено или практически невозможно с установками, исполь-
зующими заземленные рабочие линии.
Анализ нормальных и аномальных полей, а также опыт поле-
вых работ свидетельствуют о примерно равных возможностях кон-
тактной и бесконтактной методики профилирования с измерением
Ех при решении поисково-картировочных задач. Поэтому в настоя-
щей главе не рассматриваются общие вопросы применения элект-
ропрофилирования, достаточно хорошо освещенные в специальной
литературе [5, 6, 7, 17, 29, 40]. Основное внимание ниже уделя-
ется лишь примерам сопоставления результатов полевых наблю-
дений с 'заземленными и незаземленными установками и некото-
79
a ?
Рис. 3.1. Результаты электр op аз вед очных работ методом срединного градиента
(Iав=500 м, Imnм) по прослеживанию кварцевой жилы (а, б) и зоны дроб-
ления (в, г).
1 ~ граниты; 2 — мигматизированнь!е амфибол-биотитовые гнейсы; 3 — кварцевая жила;
4 —липариты; 5 — фельзолипариты; 6— фельзиты; 7 — гранит-порфиры; 8 — зона дробления;
9 — канавы; 10, 11 — кривые рк, построенные по результатам съемки с применением кон-
тактной (И) и бесконтактной (10) методик измерения.
На рис. 3.2 представлены материалы дипольно-осевого профи-
лирования по одному из участков на территории Карельской
АССР. Район работ расположен в области распространения про-
терозойского комплекса метаморфических пород, перекрытых мо-
6 Зак. 77
81
репными отложениями мощностью 5—7 м. Размеры и конструк-
ция незаземленных установок показаны на рис. 3.2, а.
Сопоставление результатов наблюдений, выполнений^ с зазем-
ленными и незаземленными установками на частоте 625 Гц
(рис. 3.2, е), свидетельствует об их практической тождественности.
Совпадают друг с другом также и кривые профилирования, полу-
ченные на частотах 625 и 22,5 Гц (рис. 3.2,ж). Последнее под-
тверждает справедливость для незаземленной установки ДП ус-
ловия (19) малости вклада индукционной составляющей электри-
ческого поля, следующего из расчетов по формулам (20).
Наилучшее совмещение кривых двустороннего профилирования
(рис. 3.2, в,д) отмечено при сдвиге £=100 м. Эта эксперименталь-
ная оценка хорошо согласуется с расчетным значением £=98 м,
вычисленным по формуле (37).
Кривые рк незаземленной установки ДП, полученные по одно-
му и тому же профилю в летний и зимний периоды, несущественно
отличаются друг от друга. Имеет место лишь некоторое сглажива-
ние локальных особенностей зимних кривых рк, вызванное, по-ви-
димому, влиянием снежного покрова мощностью 0,5—1 м.
Выводы, полученные по результатам рассмотренных работ в
Карелии, послужили основанием для производственного примене-
ния новой методики ДП также и в других районах страны.
В Якутской АССР полевые работы методом ДП проводились
с аппаратурой ЭПП-102. Переносной генератор обеспечивал ток
в питающей линии силой 1 мА при частотах 625 и 2500 Гц. Длина
отрезков проводов ЬА' и LA составляла 20 м. Измерения разностей
потенциалов проводились со стелющейся линией с длиной провода
40 м. Разнос установки г=100 м: Целью работ являлось сопостав-
ление результатов наблюдений, выполненных на разных частотах
с заземленными и незаземленными рабочими линиями.
На рис. 3.3, а приведены результаты работ по профилю, пересе-
кающему кимберлитовую трубку и вмещающие ее известняки.
Мощность рыхлых песчано-глинистых отложений составляет здесь
1—5 м. Как видно из рисунка, кимберлитовая трубка на обеих
частотах отмечается прямым пересечением кривых рк прямой и об-
ратной установок. Приуроченный к ней минимум рк достигает 70—
100 на фоне 700—1000 Ом-м. Частотная зависимость на приведен-
ных кривых, так же как и в предыдущем случае, отсутствует. Ре-
зультаты, полученные с заземленными и незаземленными рабо-
чими линиями, практически идентичны друг другу. Следует отме-
тить, что применение методики БИЭП в условиях Якутии, возмож-
но, позволит устранить ложные аномалии, связанные с сезонным
оттаиванием грунта, путем проведения электропрофилирования в
зимне-весенний период по снежному покрову.
На рис. 3.3,6 приведены результаты полевых работ методом
КП на частоте 625 Гц, выполненные с аппаратурой БИЭП в Мага-
данской области. Размеры установок: r=45, Дм = 20, /^ = 10 м;
Lb/La = 204-60. Ток в незаземленной линии составил 1—5 мА.
В центральной части участка работ обнажаются эффузивные по-
6»
83
твержден вывод о возможности получения кривых рк трехэлект-
родной установки с помощью бесконтактной неравнодипольной
установки при LB!LA> 104-20.
3.3. ВЕКТОРНЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ
ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ В ВОЗДУХЕ
При электропрофилировании с заземленными приемными ли-
ниями наблюдают касательные составляющие электрического по-
ля в земле. Большинство модификаций профилирования основано
на изучении лишь одной составляющей поля, ориентированной
вдоль профиля наблюдения. Измерение нескольких составляющих
поля или параметров эллипса поляризации вектора электрическо-
го поля расширяет картировочные возможности метода [28]. Од-
нако это требует дополнительных затрат труда, особенно значи-
тельных в залесенной местности. Применение в качестве приемной
линии малогабаритной незаземленной электрической антенны
(рис. 1.2, а и 2.2, в) существенно сокращает время, необходимое
на ориентирование приемной линии, и позволяет наблюдать лю-
бые составляющие низкочастотного электрического поля.
На рис. 3.4 приведены результаты векторных наблюдений над
характерными объектами картирования, в качестве которых вы-
браны:
— тектоническое нарушение, выполненное гидротермально из-
мененными окварцованными породами (вертикальный неограни-
ченный пласт высокого удельного сопротивления);
— -кимберлитовая трубка взрыва, прорывающая известняки
(вертикальный круговой цилиндр пониженного сопротивления);
— контакт горных пород, резко отличающихся друг от друга
по значениям удельного сопротивления;
— чередование зон окварцевания, калишпатизации и пиритиза-
ции (вертикальнослоистая среда).
Для электропрофилирования была применена установка СГ с
питающими линиями типа «кабель» (рис. 3.4, а, б, в) и «полупет-
ля» (рис. 3.4, г) с разносами 0,5—1 км. Измерения вертикального
компонента поля Ег сопровождались наблюдениями горизонталь-
ного компонента Ех, параллельного линии АВ, а также определе-
нием условного знака компонента Ez.
Правило определения знаков было принято следующим. Изме-
ряемым значениям Ег приписывался положительный знак, если
при отклонении антенны от вертикального положения путем на-
клона ее верхнего конца в восточном направлении профиля на-
блюдалось увеличение сигнала А(7. В случае уменьшения сигнала
At/ знак Ег считался отрицательным.
Кроме составляющих поля измерялись углы наклона к горизон-
ту большой («max) и.малой («min) осей эллипса поляризации век-
тора электрического поля в вертикальной плоскости.
РезультатвГ'наблюдений Ех и Ez представлены на рис. 3.4 в виде
графиков рк, рассчитанных в соответствии с методикой, рассмот-
85
вого аномальных полей при измерениях электрического поля в
.земле [27] на случай наблюдения составляющих Ez и Ех в воз-
духе.
Возможность измерения пространственных компонентов элект-
рического поля в рассматриваемых примерах позволила получить
дополнительную информацию об изучаемых объектах. В частно-
сти, по экстремальным значениям Ez можно уточнить местополо-
жение проекции контактов пород различного сопротивления и кон-
тур кимберлитовой трубки. Асимметрия кривой Ez позволяет оце-
нить направление падения трубки. Измерение сстах и amin среди
трех равноценных зон, отмеченных по результатам измерения Ех,
однозначно выделяет вертикальнослоистую зону полиметалличе-
ского оруденения по смене знака наблюдаемых величин. Следует
отметить значительную интенсивность аномалий углов атах и amin,
достигающую 120—150°.
Рассмотренный опыт наблюдений пространственных компонен-
тов электрического поля в воздухе позволяет надеяться, что мало-
габаритная электрическая антенна найдет широкое применение в
практике электроразведки на переменном токе. Можно ожидать,
что наиболее эффективным окажется использование ее при круп-
номасштабных исследованиях, связанных с определением элемен-
тов залегания объектов геологического картирования и рудных
тел.
3.4. ЗИМНИЕ РАБОТЫ
Из-за снежного покрова и промерзания грунта постановка ме-
тодов контактной электроразведки в зимний период нецелесооб-
разна. В это время года использование методов СГ, ДП, КП, а
также электрического заряда становится возможным только с по-
мощью методики БИЭП [22]. Ее применение позволяет решать
в зимних условиях с помощью перечисленных методов ряд важ-
ных геологоразведочных задач. К их числу относятся оператив-
ная корректировка мест заложения скважин поискового и разве-
дочного бурения и опережающая геофизическая подготовка пер-
спективных территорий к геологической съемке в летнем сезоне.
Ниже в качестве примера приведены результаты зимних элект-
роразведочных работ в Восточной Карелии, выполненных на эта-
пе поисково-разведочного бурения в пределах цлощади медно-ни-
келевого рудопроявления. Основой для проектирования скважин
послужила геологическая схема участка (рис. 3.5, а) с результа-
тами съемки однопетлевым вариантом метода переходных процес-
сов (МПП).
Скв. 1 и 2, пробуренные летом 1973 г., встретили зону медно-
никелевой минерализации. По данным съемки МПП, а также на
основании геологических представлений о согласном залегании
рудных тел и вмещающих пород предполагалось меридиональное
простирание встреченной зоны. Скв. 3 рудная минерализация была
пересечена,'на глубинах 50—90 м вместо ожидаемых 200—250 м.
87
тов 40 рабочего планшета, показанного на рис. 3.5. Ток в линии
поддерживался равным 0,3 А. Измерялись значения модулей вер-
тикальной (Нг) и горизонтальной (Ну.) составляющие-" дектора
магнитного поля в вертикальной плоскости, проводящей через
профиль наблюдения. Результаты съемки представлялись в виде
плана графиков р, рассчитанных по значениям отношения \HZ\I
7|Н9.| [21].
Работы методом ЭЗ проводились при размещении точечного ис-
точника тока в рудном интервале скв. 2 на глубине 200 м. Уда-
ленное заземление питающей линии было отнесено на 3 км по ли-
нии, перпендикулярной к профилям. Измерение разности потен-
циалов на дневной поверхности велось бесконтактным способом
теми же средствами, что и при работах методом СГ. Сила тока /
в питающей линии была равна 0,4 А. Результаты наблюдений
представлялись в виде графиков AU, отнесенных к току, причем
левой ветви кривой А17// условно приписывался знак «+», а пра-
вой'— знак «—». Точка перехода кривой АСЦ через нуль соответ-
ствовала глубокому минимуму наблюдаемых значений Л С, отве-
чающему максимуму потенциала электрического поля. Такой спо-
соб изображения результатов съемки позволил представить их в
обычном виде, принятом при наблюдениях методом ЭЗ на посто-
янном токе.
На рис. 3.6,а приведены графики наблюдений методом СГ,
,ДК и ЭЗ по профилю 4, пересекающему тело медно-никелевых
руд. Как видно из рисунка, все основные особенности геологиче-
ского разреза в той или иной мере отмечаются на всех приведен-
ных кривых. Апооливиновые серпентиниты в северо-восточной ча-
сти профиля характеризуются Пониженными значениями рк. Далее
к юго-востоку значения рк увеличиваются в 2—3 раза, что соот-
ветствует появлению в разрезе апоперидотитовых серпентинитов
и габбро-диабазов. Рудное тело, расположенное вблизи контакта
габбро-диабазов и туфосланцев, фиксируется локальными мини-
мумами на кривых рк и точкой перехода через нуль кривой AU/I.
К юго-востоку от рудного тела повышенными значениями рк от-
мечается область распространения сланцев и метадиабазов.
На рис. 3.6, а для сопоставления приведены результаты после-
дующих летних наблюдений по профилю 4. Съемка методами СГ
и ЭЗ в этом случае велась по обычной методике с помощью аппа-
ратуры ИКС-50 на частоте 22,5 Гц. Сравнивая «зимние» и «лет-
ние» кривые, можно сделать вывод об их идентичности. Лишь на
•отдельных участках профиля наблюдаются различия в абсолютных
значениях измеренных величин, что, по-видимому, объясняется
разными частотами и ошибками во взаимной привязке зимней и
летней топосети. Аналогичные результаты были получены и по ос-
тальным профилям участка.
На рис. 3.6,6 приведены кривые AU/I метода ЭЗ, полученные
в зимний период при размещении питающего электрода в рудном
^интервале скв. 2. Проекция положения осевой части рудного тела
89
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В настоящей работе рассмотрены вопросы теории и практики
нового направления в электропрофилировании, основанного на из-
мерении составляющих низкочастотного электрического поля с по-
мощью незаземленных линий.
Численные исследования нормальных полей незаземленных
установок выполнены путем интегрирования по контуру питаю-
щих проводов полей элементарных источников, названных куло-
новскими по типу использованной калибровки векторных потен-
циалов. Результаты расчетов позволили изучить поля гальваниче-
ских, емкостных и индукционных токов питающих линий, опреде-
лить рабочую область и глубинность установки СГ, сформулиро-
вать требования к параметрам незаземленных установок ДП и
КП.
Для анализа эквивалентных электрических схем приемных ли-
ний предложен метод средних потенциалов, позволивший рассчи-
тать основные параметры незаземленных линий, используемых на
практике. Рассмотрена новая аппаратура, успешно реализующая
преимущества методики БИЭП, описаны особенности техники про-
изводства полевых работ. Полевые исследования обеспечены вы-
пуском более 60 комплектов специализированной аппаратуры
БИКС-75, ЭРА-625, «Хасын».
Приведенные примеры полевых работ свидетельствуют о при-
мерно одинаковых структурно-картировочных возможностях элект-
ропрофилирования с использованием как заземленных, так и не-
заземленных рабочих линий. Вместе с тем новая методика значи-
тельно расширяет область применения наиболее эффективных ме-
тодов электропрофилирования — СГ, ДП и КП. Полевые наблю-
дения становятся возможными в пределах территорий с плохими
условиями для устройства заземлений (курумы, скальные выхо-
ды, сухие пески), а также в зимний период по снежно-ледовому
покрову, в том числе на площадях, недоступных для исследований
летом (озера, болота, сельхозугодья).
В районах с благоприятными условиями для заземлений ис-
пользование методики БИЭП повышает производительность съем-
ки при одновременном сокращении численности полевых бригад.
Дополнительная возможность расширения круга задач, решаемых
электропрофилированием, появляется благодаря производству век-
торных наблюдений в воздухе, осуществление которых невозможно
с заземленными установками.
Более широкое внедрение новой методики в настоящее время
сдерживается из-за отсутствия промышленных образцов аппара-
туры. Поэтому разработка и выпуск такой аппаратуры являются
насущной задачей.
В области дальнейшего развития нового направления ближай-
шая задача состоит в разработке бесконтактных модификаций
дистанционных и частотных электрозондирований.
91
21. Нахабцев А. С. Методы длинного кабеля и электромагнитного профили-
рования при детальных поисково-картировочных работах в рудных районах. —
Автореф. канд. дис. Л., Изд-во ЛГУ, 1972. 22 с.
22. Нахабцев А. С., Сапожников Б. Г., Морозова О. М. Опыт зимних работ
методами электроразведки в Карелии. — Вести. ЛГУ, 1977, № 12, с. 26—32.
23. Нахабцев А. С., Сапожников Б. Г., Яблучанский А. И. Методика расче-
та кажущегося удельного сопротивления при электропрофилировании с установ-
кой срединного градиента н незаземленными приемными линиями. Л., НПО «Руд-
геофизика», 1982, t. 46 (Рукопись деп. в ВИНИТИ 12 мая 1983 г. № 2558—83
Деп).
24. Нахабцев А. С., Сапожников Б. Г., Яблучанский А. И. Дипольно-осевое
и комбинированное профилирование с незаземленными рабочими линиями. —
В кн.: Методы разведочной геофизики. Наземные варианты электроразведки им-
пульсными полями при поисках рудных месторождений. Л., Недра, 1983,
с.' 101—116.
25. Нахабцев А. С., Сапожников Б. Г., Яблучанский А. И. Бесконтактная
электроразведка при решении поисково-картировочных задач в рудных районах
Восточной Сибири. Тезисы докл. к конф. «Основные направления совершенство-
вания комплексных геофизических' исследований при поисках месторождений
полезных ископаемых в Сибири и на Дальнем Востоке». Иркутск, ВостСиб-
НИИГГиМС, 1983, с. 54—55.
26. Нейман М. С. Принцип взаимности в теории антенн. — Изв. электропро-
мышленности слабого тока. М., 1935, № 8, с. 1—11.
27. Непомнящих А. А. Интерпретация геофизических аномалий. (Некоторые
принципы комплексного геологического толкования геофизических аномалий ме-
тодом сравнений). Л., Недра, 1964. 284 с.
28. Петров П. А. Метод срединного градиента с круговыми измерениями на-
пряженности поля и его применение для целей геологического картирования. —
Информ, сообщ. Сер. Регион., развед. и промысл, геофизика. М., ОНТИ ВИЭМС,.
1964, вып. 39 (2). 22 с.
29. Поляков А. С. Методическое руководство по электропрофилированию.
Л., Недра, 1969. 200 с.
30. Рогачев Б. В. Электрическое поле заряженного тела над земной поверх-
ностью. :—В ки.: Геофизические методы разведки. М., 1970, с. 151—154.
31. Сапожников Б. Г. Методика и аппаратура «емкостного приема» при
электроразведочных работах методом срединного градиента. — В кн.: Тезисы до-
кладов семинара НТО. Поиски глубокозалегающих рудных месторождений.
Чимкент, 1970, с. 105—106.
32. Сапожников Б. Г. Наблюдения с аппаратурой АНЧ-1 при высоком со-
противлении приемной линии. — Геофиз. аппаратура, 1966, вып. 27, с. 135—140.
33. Сапожников Б. Г. Погрешность выпрямительного прибора с линейным
детектором при измерении П-образиого и синусоидального сигнала. — Геофиз.
аппаратура, 1970, вып. 43, с. 78—87.
34. Сапожников Б. Г. Применение равноточного масштаба для изображения
результатов геофизических наблюдений и оценки их разрешающей способно-
сти.— В ки.: Методы развед. геофиз., вып. 13. Электроразведка. Л., Недра,
1971. с. 149—155.
35. Сапожников Б. Г. Аппаратура и методика работ методом срединного
градиента с незаземленной приемной линией. — Геофиз. аппаратура, 1973,
вып. 52, с. 31—40.
36. Сапожников Б. Г. Опыт наблюдений составляющих электрического поля
в воздухе при электропрофилировании на переменном токе. Л., НПО «Геофи-
зика», 1979. 25 с. (Рукопись деп. в ВИНИТИ 27 марта 1979 г., № 1057—79
Деп.).
37. Сафронов А. Н., Сапожников Б. Г. Бесконтактное профилирование в ус-
ловиях горной тайги Забайкалья,- Л., НПО «Геофизика», 1977. 27 с. (Рукопись
деп. в ВИНИТИ 23 декабря 1977 г., № 4531—77 Деп.).
38. Сафронов Н. И. Краткое руководство по проведению комплексных рудо-
поисковых крупномасштабных работ. Магадан, ОНТИ ДС, 1956. 142 с.
39. Семенов ^А'.'С. Рудная геофизика в СССР. — Уч. зап. ЛГУ. Сер. Вопр.
геофиз., вып. ,11, 1959, Хе 278, с. 3—55.
эз
/£]=0+0,6 Летля./х1=0,8 Ы=1
S6