Применение электроразведки в геологии

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
ГЕОЛОГО-ГЕОФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ
КАФЕДРА ОБЩЕЙ И РЕГИОНАЛЬНОЙ ГЕОЛОГИИ
Курсовая работа
Применение электроразведки в геологии

ИвановСтанислав Валерьевич
Курс I, группа (751)
 
Новосибирск 2008

Данная работа посвященаэлектроразведке. В работе представлены современные знания об электромагнитныхполях различной природы, их происхождении и применении. Дан обзор электромагнитныхсвойств горных пород, а также современных методов и средств изучения полей.
 электроразведкагеология электромагнитная
The given workis devoted to electroinvestigation. In work modern knowledge of electromagneticfields of the various nature, their origin, and application are submitted. Thereview of electromagnetic properties of rocks, and as modern methods and meansof studying of fields is given.
Электроразведка — Electroinvestigation
Электромагнитное поле — Electromagnetic field
Проводимость — Conductivity
Частота — Frequency
Поляризуемость — Polarizability
Электрохимическаяактивность — Electrochemical activity
Зондирование — Sounding
Разрез — Section
СодержаниеВведение
Глава 1. Исторический обзор
Глава 2. Объекты изучения,современные цели и задачи исследований в выбранном разделе геологии
Глава 3. Современные знания по даннойобласти
3.1 Общая теория электроразведки
3.2 Электромагнитные поля,используемые в электроразведке
3.3 Электромагнитные свойства горныхпород
3.4 Применение электроразведки прирешении различных задач
Глава 4. Современные методы исредства исследований
Глава 5. Связи с другими научнымидисциплинами
Глава 6. Проводимые исследования поданной теме на ГГФ НГУ и в институтах геологического профиля Новосибирскогоцентра СО РАН
Заключение
Словарь основных терминов
Список использованной литературы
Введение
На сегодняшний деньсуществует несколько способов геофизических исследований земной коры: грави-,магнито-, электро-, сейсморазведка. Электрическая разведка, илиэлектроразведка, является одним из основных разделов разведочной геофизики –науки, относящейся к циклу наук о Земле и занимающейся изучением геологическогостроения земной коры и глубинных зон нашей планеты. Методы электроразведкишироко применяются как при геолого-структурных исследованиях и геологическомкартировании, так и при поисках и разведке месторождений полезных ископаемых. Историяприменения электроразведки доказала ее высокую информативность и экономическуюэффективность благодаря большому числу методов, которыми ведется исследованиекоры. По этой причине электроразведка – возможно одна из наиболее перспективныхразделов геофизики.
При написании этой работыя ставлю перед собой следующие цели:
1) Ознакомление систорией возникновения и развития электроразведки как науки;
2) Знакомство стеорией и практикой электроразведки;
3) Узнать, какиеисследования проводятся в институтах Новосибирска по данной теме.
Глава1. Исторический обзор
Электроразведка, как ився разведочная геофизика, является наукой сравнительно молодой. Первые работыпо применению электричества при поисках полезных ископаемых относятся к 1829 г., когда А. Фокс наблюдал над медноколчеданными месторождениями Корнуэльса (Англия)естественные электрические поля, связанные с окислительно-восстановительнымипроцессами. Общий прогресс геофизики в конце ХIХ и начале ХХ столетия коснулсятакже и методов изучения геологического строения Земли; он дал толчок развитиюприкладной геофизики в целом и электрических методов разведки в частности.
В 1903 г. Русским инженером Е.И Рагозиным была опубликована монография «О применении электричествадля разведки рудных залежей».
В 1910 г. французский учёный К. Шлюмберже разработал метод сопротивлений, нашедший впоследствии широкоеприменение при геологоструктурных исследованиях.
В 1919 – 1922 гг.шведские учёные Н. Лундберг и К. Зундберг своими работами положили началоэлектроразведке переменными полями. Несколько позже в Америке был предложенметод индукции (радиор).
В 1924 г. Основоположник отечественной электроразведки А.А Петровский провел впервые в Советском Союзеэлектроразведочные работы методами естественного поля (Риддерскоеполиметаллическое месторождение на Алтае).
В 1925 г. Метод эквипотенциальных линий был поставлен на переменном токе и в этой модификации впоследующие годы широко опробован на сульфидных месторождениях СССР.
С 1928 г. А.А. Петровский проводит систематические исследования в области радиоволновых методовразведки. Таким образом, в двадцатые годы ХХ века электроразведку использовалив основном при поисках и разведке рудных месторождений. Однако проводившиесяработы носили в значительной мере опытный характер, объём производственныхработ был невелик.
В 1928 – 1929 гг.электроразведку начинают применять для поисков и разведки нефтеносных игазоносных структур. В последующие годы объём этих работ существенно возрастаетв соответствии с общим увеличением объёма геофизических работ при поисках нефтии газа и организацией геофизической службы в нефтяной промышленности.
В 1930 г. А.С. Семенов проводит первые электроразведочные работы для решения гидрогеологических иинженерно-геологических задач.
В 1932 г. были проведены первые электроразведочные работы с целью поисков и разведки месторожденийископаемых углей. В этой области геологических исследований электроразведкаполучила применение как метод изучения геологической структуры угольныхбассейнов и поисков угольных пластов, а также угленосных свит.
В 1960 – 1970х гг.большой вклад в развитие электроразведки постоянным током внесли А. И.Заборовский, Л.М. Альпина, В.Н. Дахнова, А.Н. Тихонова, А.П. Краева, Е.Н.Каленова, А.М. Пылаева и др. Другие же методы электроразведки развивали Е.А.Сергеев (метод естественного тока), А.С Семенов (метод заряда), А.Г. Тархова,И.Г. Михайлова (метод индукции) и др.
Глава 2. Объекты изучения, современныецели и задачи исследований в выбранном разделе геологии
Электроразведка (точнееэлектромагнитная разведка) объединяет физические методы исследования геосферЗемли, поисков и разведки полезных ископаемых, основанные на изученииэлектрических и электромагнитных полей, существующих в Земле либо в силуестественных космических, атмосферных, физико-химических процессов, либосозданных искусственно. Используемые поля могут быть: установившимися, т.е.существующими свыше секунды (постоянными и переменными, гармоническими иликвазигармоническими с частотой от миллигерц (1 мГц = 10-3 Гц) допетагерц (1 ПГц = 1015 Гц)) и неустановившимися, импульсными сдлительностью импульсов от микросекунд до секунд. С помощью разнообразнойаппаратуры измеряют амплитудные и фазовые составляющие напряженностиэлектрических (E) и магнитных (H) полей. Если напряженность иструктура естественных полей определяется их природой, интенсивностью, а такжеэлектромагнитными свойствами горных пород, то для искусственных полей оназависит и от мощности источника, частоты или длительности, а также способоввозбуждения поля. Основными электромагнитными свойствами горных пород являютсяудельное электрическое сопротивление (УЭС, или ρ), электрохимическаяактивность (α), поляризуемость (η), диэлектрическая (ε) имагнитная (μ) проницаемости. Электромагнитные свойства геологических сред,вмещающей среды, пластов, объектов, а также геометрические параметры последнихслужат основой для построения геоэлектрических разрезов. Геоэлектрическийразрез над однородным по тому или иному электромагнитному свойствуполупространством принято называть нормальным, а над неоднородным — аномальным (www.astronet.ru). Непосредственной задачей, решаемой при помощиэлектроразведки, является определение геоэлектрического разреза исследуемогорайона. Имея сведения о нем, можно перейти к решению основной задачи –построению геологического разреза.
Электроразведочныеисследования проводят в тесной связи с другими геофизическими и геологическимиисследованиями. Эта связь обусловлена тем, что электроразведочные работы – одиниз этапов геологоструктурных или геологопоисковых работ. Конкретные задачи,решаемые при помощи электроразведки, вытекают из результатов предшествующихгеологических работ, а данные, полученные в результате примененияэлектроразведки, определяют методику и направление последующих геологическихисследований. Комплексирование электроразведки с другими геофизическими методамипозволяет в значительно повысить степень достоверности геологическойинтерпретации результатов полевых наблюдений.
Глава 3. Современные знания в даннойобласти3.1Общая теория электроразведки
В основе теорииэлектроразведки лежат уравнения Максвелла, являющиеся постулатамимакроскопической электродинамики. Они включают в себя все основные законыэлектромагнетизма (законы Ома, Ампера, Кирхгофа и др.) и описывают поля вразных средах. Из уравнений Максвелла получается дифференциальное уравнение,названное телеграфным. Решая его, можно получить электрическую (E) компоненту поля в средах вдали отисточника с электромагнитными параметрами ρ, ε, µ:
/>, где />
Дифференцирование ведетсяпо декартовым координатам (х, у, z) и времени (t). Уравнение для магнитной (H) компоненты поля аналогично (www.geo.web.ru).
Если геоэлектрическийразрез известен, то с помощью этого уравнения и физических условий задачи,называемых условиями сопряжения, решаются прямые задачи электроразведки, т.е.получаются аналитические или численные значения E и H,которые соответствуют заданному геоэлектрическому разрезу. В теорииэлектроразведки прямые задачи решаются для разных физико-геологических моделей(ФГМ) сред. Под ФГМ понимаются абстрактные геоэлектрические разрезы простойгеометрической формы, которыми аппроксимируются реальные геолого-геофизическиеразрезы. Сложность решения прямых задач заключается в выборе моделей, близких креальным, но таких, чтобы для избранного типа первичного поля удалось получитьхотя бы приближенное решение для E или H. Для этого применяетсяматематическое моделирование с использованием современных ЭВМ. В недалекомпрошлом основным способом решения прямых задач для сложных ФГМ и разных поструктуре типов полей являлось физическое моделирование на объемных илиплоскостных моделях сред.
Наиболее простымимоделями сред являются:
1. однородноеизотропное пространство или полупространство с одинаковыми электромагнитнымисвойствами (решения над ними называются соответственно первичным или нормальнымполем источника);
2. анизотропноепространство или полупространство с электромагнитными свойствами, отличающимисяв направлении и вкрест слоистости пород;
3. одномерныенеоднородные среды, в которых свойства меняются в одном направлении. Такими ФГМмогут быть, например, вертикальные контакты двух сред, ряд вертикальных пластовили горизонтально слоистая среда с разными ρ;
4. двухмерныенеоднородные среды, в которых электромагнитные свойства меняются в двухнаправлениях. Примером могут быть наклонные пласты или цилиндры, простирающиесявдоль одного направления и отличающиеся по ρ от вмещающих горных пород;
5. трехмерныенеоднородные среды, в которых свойства меняются по трем направлениям. Самойпростой из подобных моделей является шар с разными ρ, α или η воднородном полупространстве.
В порядке увеличениясложности структуры первичных полей, а значит возрастания сложности решенияпрямых задач, используемые для электроразведки поля можно расположить вследующей последовательности: точечных и дипольных источников постоянного тока,плоских гармонических электромагнитных волн, сферических волн дипольныхгармонических или импульсных источников, цилиндрических волн длинного кабеля ит.п. (www.astronet.ru).
Накопленный материал пофизическому и математическому моделированию прямых задач электроразведки привелк созданию методов решения обратных задач, т.е. определению тех или иныхпараметров геоэлектрического разреза по наблюденным графикам E,H или, например, кривым КС (кажущееся сопротивление). Решениеобратных задач неоднозначно в силу его некорректности, как и всех обратныхзадач математической физики. Некорректность проявляется в том, что малымизменениям наблюденных параметров поля могут соответствовать большие измененияпараметров разреза. Этот физический факт получил название принципаэквивалентности. Принципом эквивалентности объясняется, например, невозможностьточного определения мощностей (hi) и удельных электрических сопротивлений (ρi) тонких слоев, горизонтальнослоистого разреза, хотя такие параметры, как продольные проводимости (Si= hi/ ρi) либо поперечные сопротивления (Ti= hi* ρi), в определенных разрезах рассчитываются однозначно.
Методы решения обратныхзадач электроразведки являются основой количественной интерпретации данныхэлектроразведки. Сущность их сводится к подбору и сравнению полевых графиков икривых с теоретическими, полученными в результате решения прямых задач. Дляэтого созданы альбомы типичных теоретических кривых (палетки) или программы дляих теоретического расчета с помощью ЭВМ.
Применениеэлектроразведки позволяет удешевить и ускорить геологические исследования засчёт сокращения объёма дорогостоящих горно-проходческих и буровых работ.Развитие электроразведки связано с разработкой новых методов, увеличениемисследуемой глубины земной коры и повышением степени надёжности получаемыхрезультатов.3.2Электромагнитные поля, используемые в электроразведке
Теория электроразведкибазируется на теории электромагнитного поля.
К естественным переменнымэлектромагнитным полям относятся квазигармонические низкочастотные полякосмической (их называют магнитотеллурическими) и атмосферной (грозовой)природы («теллурики» и «атмосферики»).
Происхождениемагнитотеллурических полей объясняется воздействием на ионосферу Земли потоказаряженных частиц, посылаемых космосом (в основном, корпускулярным излучениемСолнца). Вызываемые разной активностью Солнца и солнечным ветром периодические(11-летние), годовые, суточные вариации магнитного поля Земли и магнитные бурисоздают возмущения в магнитосфере и ионосфере. Вследствие индукции в Земле ивозникают магнитотеллурические поля. В целом эти поля инфранизкой частоты (от10-5 до 10 Гц). В теории показано, что на таких частотах скин-эффектпроявляется слабо, поэтому магнитотеллурические поля проникают в Землю доглубин в десятки и первые сотни километров. Наиболее устойчивыми, постоянно иповсеместно существующими в утренние и дневные часы, особенно летом и в годыповышенной солнечной активности являются короткопериодичные колебания (КПК) спериодом от единиц до ста секунд. Поля иных периодов наблюдаются реже.Измеряемыми параметрами являются электрические (Ex, Ey, Ez) и магнитные (Hx, Hy, Hz) составляющие напряженностимагнитотеллурического поля. Их амплитуды и фазы зависят, с одной стороны, отинтенсивности вариации теллурического и геомагнитного полей, а с другой, отудельного электрического сопротивления пород, слагающих геоэлектрическийразрез. По измеренным взаимно перпендикулярным электрическим и магнитнымсоставляющим можно рассчитать ρ однородного полупространства (нормальноеполе) с помощью следующей формулы, полученной в теории электроразведки:
/>,
где T — период колебания, a — коэффициент размерности. Он равен 0,2, если T измерено в с, Ex в мВ/км, Hy в нанотеслах (нТл), ρ в Ом*м.Над неоднородной средой полученное по этой формуле УЭС называется кажущимся (КСили ρт ).
Происхождениеестественных переменных полей атмосферной природы связано с грозовойактивностью. При каждом ударе молнии в Землю (по всей поверхности Земли всреднем ежесекундно число молний равно примерно 100) возбуждаетсяэлектромагнитный импульс, распространяющийся на большие расстояния. В целом подвоздействием гроз в верхних частях Земли повсеместно и всегда существует слабоегрозовое поле, которое называют шумовым. Оно состоит из периодическиповторяемых импульсов (цугов), носящих квазисинусоидальный характер спреобладающими частотами от 10 Гц до 10 кГц и напряженностью по электрическойсоставляющей в доли мВ/м. Средний уровень поля «атмосфериков»подвержен заметным суточным и сезонным вариациям, т.е. вектора напряженностиэлектрической (E) и магнитной (H) составляющих не остаются постояннымипо амплитуде и направлению. Однако средний уровень напряженности (Eср, Hср) за время в течение десятка секунд зависит от удельногоэлектрического сопротивления слоев геоэлектрического разреза, над которымведутся наблюдения. Таким образом, измеряемыми параметрами«атмосфериков» являются различные составляющие Eср и Hср (www.geo.web.ru).
К естественным постояннымэлектрическим полям (ЕП) относятся локальные поля электрохимической иэлектрокинетической природы.
Электрохимическимиявляются ЕП, которые обусловлены либо окислительно-восстановительнымиреакциями, протекающими на границах проводников: электронного (рудные минералы- например, сульфиды, окислы) и ионного (окружающие породы подземные воды),либо разностью окислительно-восстано-вительного потенциала подземных вод вдольпроводящего слоя (например, графита, антрацита). Интенсивность потенциалов ЕПопределяется распределением кислорода по глубине и изменением водородногопоказателя кислотности подземных вод (pH). В верхних частях залежей, где больше атмосферного кислорода, идутокислительные реакции, которые сопровождаются освобождением электронов. Внижних частях залежей, где преобладают застойные воды, идут восстановительныереакции с присоединением электронов. Во вмещающей среде и подземной воденаблюдается обратное распределение ионов, а в целом образуются гальваническиеэлементы с катодом вверху и анодом внизу. Разность потенциалов на концахполучающегося естественного электрического диполя достигает 1-1,2 В.Длительность существования подобных гальванических элементов, а значит,электрических полей (в том числе на земной поверхности) очень велика, вплоть дополного окисления рудной залежи. Интенсивность полей ЕП неустойчива и можетменяться с изменением влажности, температуры и других природно-техногенныхфакторов.
Электрокинетическиепостоянные естественные поля (ЕП) обусловлены диффузионно-адсорбционными ифильтрационными процессами в горных породах, насыщенных подземными водами.Благодаря различной подвижности катионов и анионов происходит неравномерноераспределение зарядов в подземных водах разной концентрации, что и ведет ксозданию естественного электрического поля диффузионной природы. Величина изнак диффузионных потенциалов зависят от адсорбционных свойств минералов, т.е.способности мелкодисперсных и коллоидных частиц удерживать на своей поверхностиионы того или иного знака. Поэтому разности потенциалов, возникающие придиффузии в породах подземных вод разной концентрации, получили названиедиффузионно-адсорбционных. Естественные потенциалы наблюдаются также придвижении (фильтрации) подземных вод через пористые породы. Границы и поры вгорной породе можно рассматривать как капилляры, стенки которых способныадсорбировать ионы одного знака (чаще всего отрицательные). В жидкой среденакапливаются заряды противоположного знака. Чем больше скорость движенияподземных вод (или давление на концах капилляров), тем больше будет разностьпотенциалов ЕП. Знак ЕП зависит от направления течения подземных вод:положительный потенциал возрастает в направлении движения воды. Места оттоковподземных вод выделяются отрицательными потенциалами, а притоков — положительными. Суммарные электрокинетические потенциалы зависят отдиффузионно-адсорбционных, фильтрационных процессов и в меньшей степени от сезонагода, времени суток, влажности и температуры. Измеряемыми параметрами полейявляются их потенциалы (U) иградиенты потенциала (∆U) (www.astronet.ru).
Искусственные постоянныеэлектрические поля создаются с помощью батарей, аккумуляторов или генераторовпостоянного тока, подключаемых с помощью изолированных проводов к стержневымэлектродам — заземлителям. В теории заземлений доказывается, что электродстержневой формы можно рассматривать как точечный, если поле изучается от негона расстояниях, в пять и более раз превышающих длину заземленной частиэлектрода. Поэтому приводимые ниже формулы расчета поля для точечного источникасправедливы для практической электроразведки. Теория электроразведки включаетрешение прямых и обратных задач. Прямой задачей называется определениепараметров электромагнитного поля над заданным геоэлектрическим разрезом.Простейшей прямой задачей электроразведки постоянными искусственными полями (ихназывают методами сопротивлений) является расчет разности потенциалов (∆U) в двух точках ( М и N) над однородным изотропнымполупространством (см Рис.1.) с постоянным УЭС (ρ), в которое черезточечный источник (А) вводится ток силой J.
/>
Рис.1. Поле точечногоисточника постоянного тока (А) над однородным изотропным полупространством: 1 — токовые линии, 2 — эквипотенциальные линии (http://images.astronet.ru/pubd/2001/11/29/0001173309/fig3-1.gif)
Вследствие шаровойсимметрии решаемой задачи токовые линии радиально направлены от точечногоисточника ( А), а эквипотенциальные поверхности имеют вид полусфер. Используязакон Ома ∆U=RJ, где R= ρl/s — сопротивление проводника междудвумя полусферами со средним радиусом r и площадью s=2πr2, удаленными на расстояниe l=MN, можно записать∆U=JρMN/2πr2. Для градиент-установок, когда MN много меньше r, в последней формуле можно заменить r на AM*AN, поэтомувыражениe для расчета УЭС однородного полупространства с помощьютрехэлектродной установки АМN получит вид:
/>
Под установкой вэлектроразведке понимают комбинацию питающих и приемных электродов. КоэффициентK, зависящий от расстояний между ними,называется коэффициентом установки. Над неоднородной средой рассчитанное поэтой формуле УЭС называется кажущимся (КС или />). Каков же физический смысл />?
Из теории поля известно,что напряженность электрического поля />, где jMN- плотность тока, ρMN — удельное сопротивление вблизиприемных электродов. Обозначив /> и учитывая, что на постоянныхразносах и при однородном верхнем слое />, получим
/>
Таким образом, кажущеесясопротивление над неоднородным полупространством пропорционально плотности токау приемных электродов. Над однородным полупространством /> и />. Физический смысланомалий в методах сопротивлений в том, что тoковые линии изгибаются в среде сразными ρ (втягиваются в проводящие, огибаютнепроводящие включения). В результате на земной поверхности меняется />, а значит ρK. Поэтому ρK — это сложная функция геоэлектрического разреза и типа установки. Еерассчитывают в теории электроразведки. Численно ρK равно истинному сопротивлению (ρ) такого полупространства, в котором для одинаковойустановки (K=const) отношение ∆U/J остается одинаковым(www.astronet.ru).
Искусственные переменныегармонические электромагнитные поля создаются с помощью разного родагенераторов синусоидального напряжения звуковой и радиоволновой частоты,подключаемых к гальваническим (заземленные линии) или индуктивным(незаземленные контуры) датчикам (источникам) поля. С помощью другихзаземленных (приемных) линий или незаземленных контуров измеряютсясоответственно электрические (E) илимагнитные (H) составляющие напряженности поля.Они определяются, прежде всего, удельным электрическим сопротивлением вмещающейсреды. Чем выше сопротивление, тем меньше скин-эффект и больше глубинапроникновения поля. С другой стороны, чем ниже сопротивление, тем большеинтенсивность вторичных вихревых электромагнитных полей, индуцированных всреде.
Вывод аналитическихформул для связи между измеряемыми параметрами (E,H), силой тока вдатчике поля (J), расстоянием между генераторными иизмерительными линиями (r), ихразмерами и электромагнитными свойствами однородного полупространства оченьсложен. На низких частотах (f , где Kω- коэффициент установки, разный дляразличных способов создания и измерения поля, расстояний между источником иприемником, круговых частот (ω=2πf); ∆U(ω)- разность потенциалов, пропорциональная составляющим E или H. Наднеоднородной средой по этой же формуле рассчитывается кажущееся сопротивление (ρω ). На высоких частотах (f > 10 кГц) формулы для параметровнормального поля более громоздки, так как они зависят от трех электромагнитныхсвойств среды: ρ,ε,μ.
Искусственные импульсные(неустановившиеся) электромагнитные поля создаются с помощью генераторов,дающих на выходе напряжение в виде прямоугольных импульсов разной длительностии подключаемых к заземленным или незаземленным линиям. С помощью другихзаземленных приемных линий или незаземленных контуров изучается процессустановления и спада разностей потенциалов ΔUE(t) или ΔUH(t) на разных временах (t) после окончания питающего импульса.При зондировании геологической среды такими импульсами в ней происходятразнообразные физические процессы. В зависимости от способа создания иизмерения поля и времени, на котором проводятся измерения, а такжеэлектромагнитных свойств горных пород различают неустановившиеся поля двоякойприроды: вызванной поляризации и переходных процессов или становления поля (www.geo.web.ru).
Поля вызваннойполяризации, или вызванные потенциалы (ВП), создаются путем гальваническоговозбуждения постоянного тока с помощью линии АВ и измерения разностипотенциалов ВП на приемных электродах МN (ΔUВП) через 0,5-1 с после отключениятока, т.е. измеряется спад напряженности электрического поля, обусловленныйразной вызванной поляризуемостью горных пород (η). Над однороднымполупространством />, где ΔU — разность потенциалов на тех жеприемных электродах во время пропускания тока. Над неоднороднымполупространством рассчитанная по этой формуле величина называется кажущейсяполяризуемостью (ηK). Интенсивные поля ВП создаются надсредами, содержащими рудные (электронопроводящие) минералы. При пропусканиитока через такую среду в ней происходят электрохимические процессы, сходные стеми, которые наблюдаются при зарядке аккумулятора. Во время пропускания токана поверхности рудных минералов, окруженных подземной водой, осуществляется рядфизических превращений и химических реакций, приводящих к вынужденнойполяризации среды. После отключения тока в среде начинает устанавливатьсяравновесие, проявляющееся в медленном спаде электрического поля и наличии наприемных электродах потенциалов ΔUВП в течениенескольких секунд. В средах, где породообразующие минералы не проводятэлектрический ток (ионопроводящие), образование полей ВП связано сперераспределением зарядов на контакте жидкой и твердой фаз, диффузией ионовчерез пористые среды, адсорбцией их на глинистых частицах и другими процессами.
При импульсном илиступенчатом изменении тока в питающей линии (АВ) или незаземленном контуре(петля, рамка) в момент включения или выключения тока в проводящейгеологической среде индуцируются вихревые вторичные электромагнитные поля. Изтеории спектров и импульсной техники известно, что при резком изменении тока всреде возникает сигнал, который можно разложить в набор гармонических колебанийширокого спектра частот. Чем острее импульс или крутизна спада сигнала, темболее высокочастотные колебания содержатся в нем. С увеличением частоты растет скин-эффект(а значит, уменьшается глубина проникновения поля) и увеличиваются вторичныевихревые индукционные поля. Поэтому в зависимости от формы питающего импульса исопротивления среды сигналы в ней по-разному искажаются. Изучая с помощьюприемной линии (М N) или незаземленного контура (петли, рамки) разностипотенциалов ΔUE(t) и ΔUH(t) на разных временах (t) после окончания питающего сигнала, можно получить формуискаженного средой сигнала, т.е. изучить переходные процессы или становление(установление) поля в среде.
Вывод аналитическихформул для связи разностей потенциалов (ΔUE(t), ΔUH(t)) от силы тока в питающей цепи (J), сопротивления однородногополупространства (ρ), расстояния (r) между центрами питающего иприемного устройств и их размеров сложен. Лишь для дальней (r>5H) или ближней (r или />, 
где KД и KБ — коэффициенты установок, разные длядальней и ближней зон от источника, зависящие от типа питающей и приемнойлиний, их размеров и разноса (r).Для неоднородной среды сопротивления, рассчитанные по этим формулам, называютсякажущимися (/>, />).
Сверхвысокочастотныеэлектромагнитные поля с длиной волны от микрометров до метров используются дляпассивной и активной радиолокации земной поверхности. Методы, основанные на ихизмерении, находятся на стыке электроразведки и терморазведки. При пассивнойрадиолокации изучаются естественно-техногенные радиотепловые (РТ) илиинфракрасные (ИК) излучения земной поверхности. В разных диапазонахмикрометровых длин электромагнитных волн существуют «окнапрозрачности», позволяющие получать РТ или ИК — изображения земныхландшафтов при любой погоде и облачности. Интенсивность излучений зависит отсолнечного и внутриземного нагрева верхних частей поверхности Земли, а также отискусственных источников тепла (города, промышленные предприятия и т.п.). Приактивной радиолокации (аэрокосмической или полевой) земная поверхностьоблучается искусственными короткими радиолокационными импульсами, изучаютсявремена прихода и форма отраженных как от земной поверхности, так и от границслоев с разными электромагнитными свойствами (в основном ε и ρ).3.3 Электромагнитные свойства горныхпород
К основнымэлектромагнитным свойствам горных пород относятся: удельное электрическоесопротивление (ρ), электрохимическая активность (α), поляризуемость(η), диэлектрическая (ε) и магнитная (μ) проницаемости.Параметрами ρ, ε, μ, а также частотой поля определяетсякоэффициент поглощения поля средой.
Удельное электрическоесопротивление (УЭС), измеряемое в омметрах (Омм), характеризует способностьпород оказывать электрическое сопротивление прохождению тока и являетсянаиболее универсальным электромагнитным свойством. Оно меняется в горныхпородах и рудах в очень широких пределах: от 10-3 до 1015Омм. Величина γ, обратная ρ, называется электропроводностью иизмеряется в сименсах на метр (См / м). Для наиболее распространенныхосадочных, магматических и метаморфических горных пород УЭС зависит отминерального состава, физико-механических и водных свойств горных пород,концентрации солей в подземных водах и в меньшей мере от их химическогосостава, а также от некоторых других факторов (температуры, глубины залегания,степени метаморфизма и др.).
Удельное электрическоесопротивление минералов зависит от их внутрикристаллических связей. Дляминералов-диэлектриков (кварц, слюды, полевые шпаты и др.) с преимущественноковалентными связями характерны очень высокие сопротивления (1012 — 1015 Омм). Минералы-полупроводники (карбонаты, сульфаты, галоиды идр.) имеют ионные связи и отличаются высокими сопротивлениями (104 — 108 Омм). Глинистые минералы (гидрослюды, монтморилломонит, каолинити др.) обладают ионно-ковалентными связями и выделяются достаточно низкимисопротивлениями (ρ
Удельное электрическоесопротивление свободных подземных вод (гравитационных и капиллярных) меняетсяот долей Омм при высокой общей минерализации ( M > 10 г / л) до 1000 Омм при низкой минерализации ( M . Химический состав растворенных вводе солей не играет существенной роли, поэтому по данным электроразведки можносудить лишь об общей минерализации подземных вод. Удельное электрическоесопротивление связанных вод, адсорбированных твердыми частицами породы, низкоеи мало меняется (от 1 до 100 Омм). Это объясняется достаточно постоянной ихминерализацией (3-1 г / л). Средняя минерализация вод мирового океана равна 36 г / л (www.astronet.ru).
Так как поровая вода(свободная и связанная) отличается значительно более низким удельнымэлектрическим сопротивлением, чем минеральный скелет большинства минералов, тосопротивление горных пород практически не зависит от его минерального состава,а определяется такими параметрами пород, как пористость, трещиноватость,водонасыщенность. С их увеличением сопротивление пород уменьшается за счетувеличения ионов в подземной воде. Поэтому электропроводность большинства породявляется ионной (электролитической).
С ростом температуры на40° сопротивление уменьшается примерно в 2 раза, что объясняется увеличениемподвижности ионов. При замерзании сопротивление горных пород возрастаетскачком, так как свободная вода становится практически изолятором, аэлектропроводность определяется лишь связанной водой, которая замерзает приочень низких температурах (ниже -50° С). Возрастание сопротивлений призамерзании разных пород различно: в несколько раз оно увеличивается у глин, до10 раз — у скальных пород, до 100 раз — у суглинков и супесей и до 1000 и болеераз — у песков и грубообломочных пород.
Глубина залегания,степень метаморфизма, структура и текстура породы также влияют на еесопротивление, изменяя коэффициент микроанизотропии, за который принято брать />, где ρn и ρl — сопротивления породы вкрест ивдоль слоистости. Чаще всего λ меняется от 1 до 1,5, достигая 2-3 у сильнорассланцованных пород. Величина λ может достигать нескольких единиц длямерзлых пород разной криогенной структуры и льдовыделения. Зависимостьсопротивления горных пород от ее структуры поясняется на рис.2, а и б.На рис.2, а в схематическом виде изображена горная порода, в которойминеральный скелет и поры беспорядочно ориентированы в пространстве. ρ такой породы будет одинаковым в любом направлении. Нарис.2, б изображена порода, в которой минеральный скелет и поры имеютвытянутую форму. Это приводит к тому, что условия протекания тока через породустановятся неодинаковыми для различных направлений. ρ такой породы зависит отнаправления (Якубовский и др., 1974г.).
/>
Рис. 2. Структураминерального скелета горной породы: а – изотропная, б – анизотропная.
Несмотря на зависимостьρ от множества факторов и широкий диапазон изменения у разных пород,основные закономерности УЭС установлены достаточно четко. Магматические иметаморфические породы характеризуются высокими сопротивлениями (от 500 до 104Омм). Среди осадочных пород высокие сопротивления (102 – 103Омм) у каменной соли, гипсов, известняков, песчаников и некоторых других.Обломочные осадочные породы, как правило, имеют тем большее сопротивление, чембольше размер зерен, составляющих породу, т.е. зависят, прежде всего, отглинистости. При переходе от глин к суглинкам, супесям и пескам удельноесопротивление изменяется от долей и первых единиц омметров к первым десяткам исотням омметров.
Под электрохимическойактивностью понимается свойство пород создавать естественные постоянные электрическиеполя. За электрохимическую активность (α) условно принимается коэффициентпропорциональности между потенциалом (U) или напряженностью естественного электрического поля ( E=ΔU/MN, где ΔU — разность потенциалов в двух точкахизмерения М и N) и основными потенциал-образующими факторами, которыми ониобусловлены. Такими факторами являются: концентрация кислорода, водородныйпоказатель кислотности подземных вод, отношение концентрации подземных вод,давление и др. Коэффициент α измеряется в милливольтах и меняется от-(10-15) мВ у чистых песков, близко к нулю у скальных пород, возрастает до+(20-40 мВ) у глин и до сотен милливольт для руд с электронопроводящимиминералами (сульфиды, графит, антрацит). В целом α зависит от многихприродных факторов (минерального состава, глинистости, пористости,проницаемости, влажности, минерализации подземных вод и др.).
Способность породполяризоваться, т.е. накапливать заряд при пропускании тока, а затемразряжаться после отключения этого тока оценивается коэффициентомполяризуемости η («эта»). Величина η вычисляется впроцентах как отношение напряжения, которое остается в измерительной линии МNпо истечении определенного времени (обычно 0,5-1 с) после размывания токовойцепи (ΔUВП) к напряжению в той же линии при пропусканиитока (ΔU), т.е. />         (geo.web.ru)
Поляризация — это сложныйэлектрохимический процесс, протекающий при пропускании через породу постоянногоили низкочастотного переменного (до 10 Гц) тока. Наибольшей поляризуемостью (η= 10-40%) отличаются руды с электронной проводимостью (сульфиды, сульфосоли,некоторые самородные металлы, отдельные окислы, графит, антрацит). Природа этихпотенциалов ВП связана с так называемой концентрационной и электроднойполяризацией рудных минералов. Коэффициенты поляризуемости до 2-6% наблюдаютсянад обводненными рыхлыми осадочными породами, в которых имеются глинистыечастицы. Поляризуемость их обусловлена деформациями внешних обкладок двойныхэлектрических слоев, возникающих на контакте твердой и жидкой фазы. Большинствомагматических, метаморфических и осадочных пород, насыщенных минеральной водой,слабо поляризуются (η
Диэлектрическая (ε)и магнитная (μ) проницаемости играют значительную роль лишь приэлектроразведке на высоких частотах. Относительная диэлектрическаяпроницаемость /> (где εп и ε0 — диэлектрические проницаемости породы и воздуха) показывает, во сколько разувеличивается емкость конденсатора, если вместо воздуха в него поместить даннуюпороду. Величина ε меняется от нескольких единиц (у сухих осадочных пород)до 80 (у воды) и зависит, в основном, от процентного содержания воды и отминералогического состава породы. У магматических пород ε меняется от 5 до12 единиц, у осадочных — от 2-3 (у сухой) до 16-40 (у полностью насыщеннойводой породы). Магнитная проницаемость громадного большинства пород равнамагнитной проницаемости воздуха. Лишь у ферромагнетиков относительная магнитнаяпроницаемость может возрастать до 10 единиц (geo.web.ru)3.4Применение электроразведки при решении различных задач
В геологии:
При поисках и разведкечерных металлов используют комплекс геофизических методов, среди которыхосновными являются методы магнито — и гравиразведки, а методы электро- исейсморазведки носят вспомогательный характер. Месторождения черных металлов поусловиям образования весьма разнообразны, а слагающие их руды обладаютразличными физическими свойствами. Например, магнетитовые рудные телахарактеризуются высокими значениями магнитной восприимчивости, плотности иэлектропроводности. Поэтому, прежде всего для их поисков и разведки следуетприменять магниторазведку. Эффективному применению гравиразведки способствуетбольшая плотность железных руд по сравнению с рудовмещающими породами. Значениеметодов электроразведки существенно повышается при поисках слабомагнитныхбуро-железистых месторождений в осадочных породах и коре выветривания. Вкачестве примера рассмотрим результаты применения магнито- и электроразведки наконтактово-метасоматическом месторождении в Горной Шории (рис.3.). Рудные теластолбообразной формы, содержащие магнетит, приурочены здесь к сланцевой толще, прорванноймелкими штоками порфиритов и сиенитов. На одном из профилей наблюдений рудноетело уверенно фиксируется повышенными значениями вертикальной составляющейаномального магнитного поля, кажущейся поляризуемости (ηк) ипониженными значениями кажущегося сопротивления (ρк).
/>
Рис.3. Графики Za, ηк и ρкна железорудном месторождении (по А.З.Горину): 1 — сланцевая толща, 2 — порфириты, 3 — сиениты, 4 — магнетитовая руда (http://images.astronet.ru/pubd/2001/11/29/0001173324/fig4-2.gif).
В археологии:
Из всех геофизическихметодов при археологических исследованиях наиболее широко применяетсяэлектроразведка. Этому благоприятствует заметная дифференциация археологическихобъектов (каменных стен, траншей, могильных камер, металлических изделий,шлаков, углей и т.д.) и рыхлых вмещающих образований по электрическимсвойствам. Обычно с помощью методов электроразведки решаются задачи:
1) картированиедревних рвов, дамб, горных выработок;
2) поиски и разведкамогильников и некрополей;
3) исследованиедревних городов и поселений.
Рассмотрим примеризучения археологических памятников с помощью геофизических методов, полученныйгеофизической группой геологического факультета МГУ. Работы на некрополеХерсона (г. Севастополь) сводились к выработке оптимальной методики поискасклепов и их картированию на некрополе, занимающем склоны Песочной балки.Исследования в основном выполнялись электроразведкой методом симметричногопрофилирования. Из выявленных аномалий более 100 можно было, разумеется, сразной степенью вероятности, связать со склепами. Источниками некоторыханомалий являлись неровности рельефа и неоднородности, которые исключались поаномалиям малоразностного электропрофилирования. Выявление наиболеевероятностного положения склепов осуществлялось с учетом строениягеологического разреза.
Древние строителинекрополей вырубали склепы только в определенных геологических горизонтах:рыхлых известняках, снизу и сверху ограниченных тонкими слоями очень крепких,перекристаллизованных известняков. На рис.4. приведены результатыэлектропрофилирования по одному из профилей. Повышенными значениями кажущихсясопротивлений (ρк) выделяются склепы в рыхлых известняках. Ксожалению, не все аномалии ρк оказывались над склепами (geo.web.ru).
/>
Рис. 4. Схема строениясклона Песочной балки со склепами и идеализированный график электропроводностив крест склону: 1 — почвенный слой (ρк = 30-70 Ом*м); 2 — прослой плотных известняков (ρк = 300-600 Ом*м); 3 — рыхлыеобломочные известняки (ρк = 20-50 Ом*м); 4 – склепы (http://images.geo.web.ru/pubd/2001/11/05/0001161637/fig5-13.gif)
В инженерных изысканиях:
Обследование автомобильныхдорог при помощи метода георадиолокации.
При эксплуатации, ремонтеи реконструкции автомобильных дорог возникают вопросы, связанные с изучениемстроения земляного полотна и прогноза его состояния.
В частности:
1) изучение строенияконструктивных слоев дорожной одежды;
2) изучение состоянияподстилающих (коренных) грунтов:
3) картирование подземныхкоммуникаций.
Признанными достоинствамигеофизических методов являются: применение неразрушающих, бесконтактных,способов получения информации, высокая технологичность и относительно низкаястоимость. Использование современных геофизических технологий: новейшихаппаратурных разработок, соответствующих методик и программного обеспечения, атак же привлечение данных бурения позволяет получать надежное решениепоставленных задач. Георадиолокация широко распространена в строительных иинженерно-геологических фирмах большинства высокоразвитых стран, таких какРоссия, США, Канада, Швеция, Корея и др. Метод георадиолокации базируется наизучении поля высокочастотных электромагнитных волн (используются частоты отпервых десятков МГц до первых единиц ГГц). В основе метода лежит различиегорных пород по диэлектрической проницаемости. Излучаемый импульс,распространяясь в обследуемой среде или объекте, отражается от границ, накоторых меняются электрические свойства — электропроводность и диэлектрическаяпроницаемость. Отраженный сигнал принимается приемной антенной, усиливается,преобразуется в цифровой вид и запоминается. Достоинством метода являетсявысокая производительность и высокая разрешающая способность, как в плане, таки по глубине. Глубинность исследования — от первых десятков сантиметров допервых десятков метров.
На рис.5. представленыфрагмент радарограммы, полученный по профилю вдоль автомобильной дороги. Приинтерпретации радарограммы были определены мощности искусственного покрытия иконструктивных слоев дорожной одежды. Привязка по глубине осуществлялась порезультатам ближайшей скважины.
/>
/>
Рис.5. Строение участкадорожной насыпи с водопропускной трубой по георадиолокационным данным: вверху — радарограмма с результатами интерпретации; внизу — геологический разрез (http://www.logsys.ru/imgl/st001_p004.jpg).
На радарограмме в верхнейчасти разреза достаточно четко выделяются две отражающие границы. Онисоответствуют подошвам асфальтобетона и гравийно-щебеночного слоя. Толщинаасфальтобетона колеблется от 6 до 13 см, мощность щебня колеблется от 15 до 40см. Ниже залегает слой песка, мощность его достигает 50 см. Песок подстилаетсясупесью и суглинком. Нижняя граница суглинка является границей раздела междунасыпными и коренными отложениями. В основании насыпи находится плотная глина.Профиль пересекает водопропускную трубу. Над осью трубы происходит сменапокрытия (до пересечения оси трубы асфальтобетон перекрыт сверхупесчано-гравийной смесью (ПГС)). По обе стороны от трубы наблюдаются просадки втеле насыпи. Непосредственно над трубой наблюдается увеличение мощности слоев слоясупеси, возможно, здесь насыпали дополнительно грунт после закладки трубы.
Глава 4. Современные методы и средстваисследований
На данный моментсуществует 3 различных метода электроразведки:
1.  Электромагнитное зондирование
2.  Электромагнитное профилирование
3.  Подземно-скважинные методы
К электромагнитнымзондированиям (ЭМЗ) относится наиболее информативная и трудоемкая группаметодов электроразведки. В ЭМЗ используемые поля, аппаратура, методика,включающая способы проведения работ, выбор установок и систем наблюдений,направленных на то, чтобы получить информацию об изменении электромагнитныхсвойств (чаще это УЭС) с глубиной. С этой целью на каждой точке ЭМЗ, точнее, наизучаемом участке за счет геометрии установок или скин-эффектадобиваются постепенного увеличения глубинности разведки. В дистанционных(геометрических) зондированиях, проводимых на постоянном или на переменном токефиксированной частоты или постоянном времени становления поля, постепенноувеличивается расстояние между питающими и приемными линиями (разнос — r). Скин-эффект используется вметодах с фиксированным разносом, а увеличение глубинности достигаетсявозрастанием периода гармонических колебаний (T) или времени изучения становления поля (переходногопроцесса) в среде (t). Используются иоба способа изменения глубинности. Для зондирований применяются одноканальные имногоканальные приборы или электроразведочные станции. Определяемые врезультате зондирований амплитуды и фазы электрических (E) или магнитных (H) компонент поля или кажущиесясопротивления (КС) для разных параметров глубинности (ПГ) характеризуютизменение геоэлектрического разреза с глубиной. За параметры глубинностипринимаются r, />, />. В результате ЭМЗ строятся кривые зондирований, т.е.графики зависимостей кажущихся сопротивлений от параметров глубинности. Теорияи практика электромагнитных зондирований хорошо разработаны для одномерныхгоризонтально слоистых моделей сред. Поэтому зондирования чаще всего проводятсяпри изучении горизонтально и полого залегающих (углы падения меньше 10° — 15°)разрезов. В результате количественной интерпретации кривых ЭМЗ получаютсяпослойные или обобщенные геометрические и электрические свойства слоев илитолщ. По совокупности профильных или площадных зондирований строятсягеоэлектрические разрезы (по вертикали откладываются мощности слоев или пачекслоев, а в их центрах проставляются электрические свойства слоев) или карты техили иных параметров этих разрезов. Электромагнитные зондирования используютсядля решения широкого круга задач, связанных с расчленением по электромагнитнымсвойствам пологослоистых геологических разрезов. Они применяются для глубинных,структурных исследований, поисков и разведки полезных ископаемых, детальныхинженерно-геологических, мерзлотно-гляциологических, гидрогеологических,почвенно-мелиоративных и экологических исследований (astronet.ru)
К электромагнитнымпрофилированиям (ЭМП) относится большая группа ускоренных методовэлектроразведки, в которых методика и техника наблюдений направлены на то,чтобы в каждой точке профиля получить информацию об электромагнитных свойствахсреды примерно на одинаковой глубине. Для этого выбираются постоянные или маломеняющиеся разносы между питающими или приемными линиями (r), а также изучаемые частоты (f) или времена (t) переходного процесса. Выборглубинности, точнее интервала глубин изучения геологического разреза, а значит r, f, t, зависит от решаемых задач игеоэлектрических условий. Он обычно производится опытным путем по данным ЭМЗили ЭМП с разными глубинностями и должен обеспечить получение максимальныханомалий наблюденных или расчетных (например, кажущихся сопротивлений)параметров вдоль профилей или на площадях исследований. Если зондированияпредназначены для изучения горизонтально или полого залегающих слоев ввертикальном направлении, то профилирования служат для выявлениянеоднородностей в горизонтальном направлении. В результате ЭМП строятся:графики (по горизонтали откладываются пикеты (или точки наблюдения), повертикали — наблюденные или расчетные параметры); карты графиков (на картевыносятся профили, перпендикулярно которым выстраиваются графики); карты (накарте проставляются точки наблюдений, около них записываются значенияпараметров и проводятся изолинии). Теория электромагнитных профилированийпостроена на математическом и физическом моделировании горизонтально-неоднородныхфизико-геологических моделей (двухмерных и трехмерных). В результатеинтерпретации материалов ЭМП выявляются аномальные по электромагнитнымсвойствам участки.
Электромагнитныепрофилирования применяются для решения разнообразных геологических задач,связанных с картированием крутозалегающих (углы падения больше 10° — 20°)осадочных, магматических, метаморфических толщ, поисками и разведкой полезныхископаемых на глубинах до 500 м. Они используются при рекогносцировочныхинженерно-геологических, мерзлотно-гляциологических, гидрогеологических,почвенно-мелиоративных и экологических исследованиях. Множество вариантов ЭМПопределяется разнообразием используемых полей, методов и различиемэлектромагнитных свойств горных пород и руд.
Подземно-скважинныеметоды электроразведки предназначены для изучения пространств между горнымивыработками, скважинами и земной поверхностью, т.е. для решениягеологоразведочных задач в трехмерном объемном пространстве. В них применяютсябольшинство электромагнитных зондирований и профилирований. Однако особенностиизмерений в горных выработках и скважинах требуют применения специальнойаппаратуры, методики, теории и приемов интерпретации. Кроме того, благодарявозбуждению поля вблизи обнаруженных полезных ископаемых увеличиваютсяаномалии, которые ими обусловлены. Это позволяет выполнять просвечиваниемассивов горных пород. Подобные объемные исследования повышают глубинность иэффективность электроразведки на этапах детализационных исследований шахт ирудников для добычи твердых полезных ископаемых. Наибольшее применение онинаходят при разведке рудных месторождений — как при подготовке, так и в ходе ихпромышленной эксплуатации.
Из-за наличия множестваметодов электроразведки используются или создаются специально разнообразныекомплекты аппаратуры и оборудования. Создаваемые и выпускаемые малосерийныеприборы быстро устаревают и непрерывно совершенствуются в направленииувеличения числа одновременно регистрирующих каналов, компьютеризации измеренийи обработки информации. Поэтому остановимся лишь на принципах устройства иназначения основных групп приборов. Для изучения небольших глубин (до 500 м)используются переносные приборы и оборудование. Разведка больших глубин (свыше0,5 км) осуществляется с помощью электроразведочных станций (ЭРС). Ускоренноегеологическое картирование и поиск полезных ископаемых на глубинах до 200 мвыполняется с помощью аэроэлектроразведочных станций.
Для электроразведкинебольших глубин с поверхности Земли и в горных выработках используютсяразличного рода переносная аппаратура и оборудование, состоящие из ряда блоков,общей массой 20 — 100 кг. Переносная генераторно-измерительная аппаратураобычно приспособлена для работ одним-двумя методами. Она чаще всего имеетодин-два канала измерения разностей потенциалов. Для работ на постоянном токе инизкой частоте (до 20 Гц) применяются комплекты, состоящие из генератора саккумуляторным или батарейным питанием и микровольтметра.
При электромагнитныхзондированиях больших глубин (до 10 км), когда необходимы мощные источникитока, а также при магнитотеллурических исследованиях применяются различныеэлектроразведочные станции (ЭРС). Они смонтированы на одной или двух грузовыхили легковых автомашинах. На одной автомашине, называемой генераторной группой,расположены один или два генератора постоянного тока напряжением до 1000 В притоке до 25 А, работающие от двигателя автомобиля. С помощью тиристорногокоммутатора в питающую линию могут передаваться напряжения разных частот от10-3 до 103 Гц. В генераторной группе установлены приборы для контроля,регулировки, измерения силы тока в питающих линиях. На второй автомашине,называемой измерительной или полевой лабораторией, расположена аппаратура,предназначенная для автоматической регистрации разностей потенциалов ваналоговой или цифровой форме (иногда она переносная). Обычно станции имеют 5каналов, но иногда больше. В цифровых измерительных станциях имеются приборыдля кодирования сигналов в цифровую форму, что обеспечивает возможностьобработки информации с помощью персональных компьютеров.
Аэроэлектроразведочныестанции — это сложные электронные установки, предназначенные для трех видоваэроэлектроразведки: 1) с наземной генераторной группой, питающей длинныйкабель (до 30 км) током силою в несколько ампер, в интервале частот от 0,1 до 1кГц, и расположенной на самолете или вертолете измерительной лаборатории,которая регистрирует напряженность магнитного поля этого кабеля; 2)односамолетный вариант с генераторной и измерительной установками,смонтированными на одном самолете или вертолете. С помощью петлевойгенераторной антенны создается переменное поле, которое измеряется специальныммагнитометром, установленным либо на том же летательном аппарате, либо ввыносной гондоле; 3) двухсамолетный вариант, когда на одном самолетерасполагается генераторная группа с петлевой антенной, а на другом — измерительная лаборатория тоже с петлевой антенной.
Глава 5. Связи с другими научнымидисциплинами
Являясь непосредственнойчастью геофизики, электроразведка тесно связана с геологией, физикой иматематикой. Данные дисциплины предоставляют ей теорию, необходимую для решенияпрямых и обратных задач. С другой стороны, с помощью электроразведки становитсявозможным разработка новых месторождений, изучение земной коры, а так женекоторых геологических образований (ледники, оползни т.д.) С остальнымидисциплинами, такими как: археология, инженерные и гидрогеологические изыскания,экология, эксплуатация магистральных трубопроводов, связь в «противоположном»порядке. Им предоставляются факты (замеры) и модели (профилирование, и т.д.).
Примеры связейэлектроразведки
Геология:
1)картирование, поиск ипрослеживание геологических образований, минимально контрастных по удельномуэлектрическому сопротивлению: разломов, контактов горных пород, тектоническихзон дробления, кварцевых жил, околорудных изменений, рудных тел,структурно-литологических комплексов, благоприятных для локализацииместорождений рудных и нерудных полезных ископаемых и т.п.;
2)определение глубинызалегания и мощности пологозалегающих пластов горных пород, исследованиегеологических структур на глубинах до первых десятков — сотен метров (взависимости от общей геологической обстановки);
3)поиски и оценка запасовместорождений строительных материалов (гравия, песков, глин, известняков ит.д.)
Экология:
1)изучение территорий,загрязненных отходами специфического химического состава, в т. ч.нефтепродуктами;
2)определение зонфильтрации токсичных растворов из накопителей отходов;
3)выбор мест,благоприятных для захоронения токсичных отходов; мониторинг состояния местзахоронений;
Инженерные игидрогеологические изыскания:
1)обследование участковпод все виды строительства, а также выбираемых трасс под прокладку дорог и подстроительство гидротехнических сооружений; мониторинг состояния дамб и плотин;
поиск и картированиеводоносных пластов и продуктивных мест для организации водоснабжения
поиск, оконтуривание ипрослеживание всех видов подземных инженерных сооружений и коммуникаций;
2)картирование иглубинные исследования карстовых образований, оценка устойчивости бортовкарьеров и оползневых склонов;
геофизическиеисследования в зонах возникновения чрезвычайных ситуаций при активизацииэкзогенных геологических процессов;
Городское хозяйство:
1)прослеживание трассводопровода, газопровода, канализации, теплотрасс, силовых кабелей и кабелейсвязи;
2)изучение состоянияфундаментов и подвальных помещений зданий;
3)оценка коррозионнойактивности грунта по результатам электропрофилирования его удельногоэлектрического сопротивления (УЭС);
4) экспрессноеопределение местоположения локальных дефектов изоляционного покрытиятрубопроводов;
Глава 6. Проводимые исследования поданной теме на ГГФ НГУ и в институтах геологического профиля Новосибирскогоцентра СО РАН
Программа СО РАН:«Теоретическое и экспериментальное изучение электромагнитных полей всложнопостроенных анизотропных и дисперсных средах с целью повышениягеологической информативности современных методов наземной геоэлектрики».
Цель исследований на весьпериод действия проекта заключается в повышении геологической информативностиназемной геоэлектрики.
Проделанная работа вданном направлении:
1. Исследованиедисперсных свойств электромагнитных параметров горных пород;
2. Изучение сложнойанизотропии электропроводности (Исследование взаимного влияния постоянных ипеременных электрических полей);
3. Сформированинформационный банк, включающий математические модели для описания релаксацийвызванной электрической поляризации в ионно-проводящих дисперсных породах, атак же данные по вещественному и минеральному составу и петрофизическимхарактеристикам поляризующихся сред;
4. Восстановлениегеоэлектрических моделей сложно построенных объектов в сейсмоактивных районах;
5. Разработка новыхвидов аппаратуры. igp.uiggm.nsc.ru/
В институте геофизики СОРАН была разработана аппаратура электромагнитного сканирования ЭМС:
Данная аппаратураразработана в лаборатории электромагнитных полей и предназначена длямалоглубинных (до 10 м) исследований земной коры. Области ее применения:
1. Мониторингсостояния подземных коммуникаций, поиск и локализация источников утечки воды вподземных трубопроводах;
2. Картированиегрунтовых вод;
3. Определениеместоположения подземных трубопроводов, кабелей, тоннелей;
4. Исследованиесостояния грунта, определения зон развития трещиноватости, обводнения;
5. Детальныеисследования археологических объектов;
6. Мониторинг идетальная диагностика загрязнения почвы горюче-смазочными материалами.
Эти и другие задачиаппаратура ЭМС позволяет решать с поверхности, не нарушая дорожное покрытие.
Комплект аппаратурыпредставляет собой собственно зонд, находящийся в прочном стеклопластиковомкорпусе, и переносной компьютер со специальным программным обеспечением. Общаядлинна зонда в рабочем состоянии 2,75 м, в транспортном положении – 1,4 м.Масса около 12 кг.
Аппаратурный комплексуникален. Некоторые конструкционно-технологические решения, применяемые для егопостроения, являются запатентованными изобретениями. Комплекс ЭСМ имеет оченьвысокую помехоустойчивость, что позволяет применять его в городских условиях(Манштейн, 2002г.).
Заключение
Несмотря на то, чтовозможно курсовая написана плохо, мне все-таки пришлось перечитать довольномного материала в процессе ее составления. Поэтому я стал гораздо лучшеразбираться в разделах разведочной геофизики, не только в электроразведке,усвоив основные идеи и принципы решения прямых и обратных задач. При написаниикурсовой больших затруднений не возникало, и если бы не ограничения по объему,можно было бы осветить некоторые темы более полно.
Cловарь основныхтерминов
скин-эффект — Скин-эффект вызван возникновениемвихревых токов в проводящей среде при распространении через нееэлектромагнитной волны. В результате этого в среде возникают потери энергии,что приводит к уменьшению напряжённостей электрического и магнитного полей и плотноститока, т. е. к затуханию волны. С увеличением частоты переменного токаскин-эффект проявляется все более явно. Формула для расчёта глубины скин-слоя вметалле (приближённая):
/>,
Здесь ρ — Удельноесопротивление, c — скорость света, μm — относительная магнитнаяпроницаемость (равна единице для неферромагнетиков — меди, серебра, ...),ω = 2π * f.
корректность задачи — Задача называется корректнойзадачей (или корректно поставленной), если выполнены следующие условия (условиякорректности):
1. задача имеетрешение при любых допустимых исходных данных (существование решения);
2. каждым исходнымданным u соответствует только одно решение (однозначность задачи);
3. решениеустойчиво.
Удельноеэлектрическое сопротивление (УЭС)- характеристика способности пород оказывать электрическоесопротивление прохождению тока.
Электрохимическаяактивность — свойство пород создавать естественные постоянные электрические поля.
Поляризуемость – способность пород накапливатьзаряд при пропускании тока, а затем разряжаться после отключения этого тока     .
Анизотропность — это способность вещества проявлятьразличные свойства в разных направлениях.
Список использованной литературы
1. Манштейн А.К. Малоглубиннаягеофизика: Учеб. пособие по спецкурсу. Новосибирск, Новосиб. гос. ун-т, 2002.136 с.
2. Электроразведка. Справочникгеофизика. В двух книгах / Под ред. Хмелевского В.К., Бондаренко В.М. Книгавторая. М.: «Недра», 1989. 378 с.
3. Якубовский Ю.В., Ляхов Л.Л.Электроразведка. М., «Недра», 1974. 376 с.
4. astronet.ru/
5. geo.web.ru/
6. igp.uiggm.nsc.ru/