Патент на изобретение №2302018

(54) СПОСОБ ГЕОЭЛЕКТРОРАЗВЕДКИ

(57) Реферат:

Изобретение относится к электроразведке на переменном токе, возбуждаемом в Земле индуктивным способом, и может быть использовано при поисках аномальных объектов в Земле, залегающих на глубинах до 500 м и более. Технический результат: повышение точности и производительности при площадных исследованиях. Сущность: пропускают низкочастотный ток в незаземленной петле. Измеряют на каждом профиле фазовые сдвиги _и(l)=(l)+₀, где (l) и ₀ соответственно фазовый сдвиг, обусловленный электропроводностью горных пород, и постоянный, но неизвестный фазовый сдвиг. Определяют удельное сопротивление ₀, для которого функционал где l, l₁, l₂ – соответственно координаты текущие, начала и конца профиля, l₀=(l₁+l₂)/2; _и(l₀), _T(l), _T(l₀) – соответственно фазовый сдвиг, измеренный в точке l₀, теоретический для однородного полупространства, теоретический в точке l₀. Находят фазовые сдвиги (l) декартовых составляющих магнитной индукции относительно тока в незаземленной петле из выражения (l)=_и(l)-_и(l₀)+₀(l₀). По структуре фазовых сдвигов (l) на площади определяют наличие в Земле аномальных проводящих объектов. 8 ил.

Предлагаемое изобретение относится к геоэлектроразведке на переменном токе, возбуждаемом в земле индуктивным способом, и может быть использовано при поисках и разведке проводящих объектов в непроводящей и проводящей среде, например в морской воде. Область преимущественного применения: поиски рудных месторождений, залегающих на глубинах до 500 м и более.

Известен способ геоэлектроразведки [1], в котором низкочастотное электромагнитное поле возбуждают током, протекающим в вертикальном кабеле, заземленным обоими концами в скважине, и измеряют декартовые составляющие магнитной индукции на заданных высотах по параллельным профилям, что позволяет осуществить разбраковку аномалий магнитного поля, вызванных приповерхностными и глубинными проводящими объектами.

Известный способ имеет существенные недостатки: 1) наличие вертикальной и субвертикальной необсаженной скважины; 2) необходимость посадки летательного аппарата вблизи питающего кабеля для компенсации начальных фазовых сдвигов в измерительном аппаратурном комплексе; 3) необходимость передачи опорного сигнала по радиоканалу; 4) при измерении реальной и мнимой компонент требуется высокая стабильность тока в незаземленной петле; 5) нестабильность фазовых сдвигов в измерительном аппаратурном комплексе приводит к возникновению так называемых профильных аномалий.

Известен также способ геоэлектроразведки [2], в котором электромагнитное поле создают при помощи вертикального кабеля, заземленного обоими концами в скважине, и измеряют декартовые составляющие магнитной индукции по параллельным профилям на заданных высотах. Основное достоинство известного способа заключается в том, что путем размещения глубинного электрода над и под глубинным аномальным объектом, по результатам измерений более четко отмечается аномальный объект, залегающий на глубине до 2.8 км.

Однако способу [2], как и способу [1], также присущи существенные недостатки: 1) наличие вертикальной или малонаклонной необсаженной скважины; 2) необходимость посадки летательного аппарата вблизи вертикального кабеля (питающей линии АВ) для компенсации начальных фазовых сдвигов в измерительной аппаратуре; 3) необходимость передачи по радиоканалу опорного сигнала от наземной установки на борт вертолета; 4) при измерении реальной и мнимой компонент, требуется высокая стабильность возбуждающего тока; 5) нестабильность фазовых сдвигов в измерительном аппаратурном комплексе приводит к возникновению профильных аномалий.

Наиболее близким техническим решением является способ геоэлектроразведки [3], взятый нами в качестве способа-прототипа. В способе-прототипе, заключающемся в возбуждении низкочастотного электромагнитного поля током, протекающим в незаземленной петле на дневной поверхности Земли, и измерении фазовых сдвигов декартовых составляющих магнитной индукции на заданной высоте по параллельным профилям относительно вертикальной составляющей магнитной индукции по профилю, проходящему через эпицентр петли и перпендикулярному параллельным профилям. По структуре фазовых сдвигов на площади определяют наличие в Земле аномальных проводящих объектов.

Основное достоинство этого способа заключается в том, что на исследуемой площади точно определяют структуру фазовых сдвигов декартовых составляющих магнитной индукции относительно условного нуля. За условный нуль принимается фаза вертикальной составляющей в эпицентре петли.

Однако этому способу присущи также существенные недостатки: 1) низкая точность определения абсолютных фазовых сдвигов декартовых составляющих магнитной индукции относительно фазы тока в незаземленной петле; 2) низкая точность определения кажущегося сопротивления горных пород из-за наличия неизвестного начального уровня; 3) необходимость пролета по дополнительному профилю, проходящему через эпицентр петли и перпендикулярному параллельным профилям.

Цель предлагаемого технического решения – повышение точности измерений и производительности при площадных исследованиях.

Поставленная цель достигается тем, что в способе геоэлектроразведки, заключающемся в возбуждении низкочастотного электромагнитного поля током, протекающим в незаземленной петле на дневной поверхности Земли, и определении на заданной высоте по параллельным профилям фазовых сдвигов _и(l) декартовых составляющих магнитной индукции относительно тока в незаземленной петле, в нем на каждом профиле измеряют фазовые сдвиги, определяемые выражением

_и(l)=(l)+₀,

определяют удельное сопротивление ₀, для которого функционал

а фазовый угол (l) находят из выражения

(l)=_и(l)-_и(l₀)+₀(l₀),

по структуре фазовых сдвигов (l) на площади определяют наличие в Земле аномальных проводящих объектов, где:

l – текущая координата на профиле;

_и(l) – измеряемый фазовый сдвиг на профиле;

₀ – постоянный, но неизвестный фазовый сдвиг на профиле;

(l) – фазовый сдвиг, обусловленный электропроводностью горных пород на профиле;

_и(l₀) – измеренный фазовый сдвиг на профиле в точке с координатами l₀;

_Т(l) – теоретический фазовый сдвиг на профиле для однородного полупространства;

l₁, l₂ – координаты начала и конца профиля измерений;

l₀=(l₁+l₂)/2;

₀(l₀) – теоретический фазовый сдвиг в точке l₀ на профиле, для которого функционал М минимален.

На фиг.1 изображена структурная схема устройства, с помощью которого реализуется предлагаемый способ, на фиг.2 дан план полетов летательного аппарата, на котором незаземленная петля изображена квадратом со стороной а. На фиг.3-8 представлены результаты математического моделирования.

Устройство (фиг.1) содержит бортовой пульт 1, включающий блок опорного сигнала 2, трехканальный фазометр 3, блок накопления и обработки информации 4, устройство навигации 5, блок датчиков 6, генераторное устройство 7, незаземленную петлю 8.

Предлагаемый способ реализуется следующим образом. На поверхности Земли раскладывают незаземленную петлю 8 (фиг.1) квадратной формы со стороной а. В этой петле пропускают ток прямоугольной формы без постоянной составляющей с частотой . В качестве источника используется генераторное устройство 7. В петле 8 протекает ток J=J_m·sign[cos(t)], где J_m – амплитуда прямоугольного тока, sign[cos(t)] – знаковая функция аргумента cos(t).

Ток, протекающий в петле, возбуждает электромагнитное поле, параметры (амплитуда и фаза декартовых составляющих магнитной индукции) которого на дневной поверхности и в воздухе зависят от электропроводности горных пород. Измерения в воздухе на высоте h осуществляют по параллельным профилям со скоростью V (фиг.1).

Измеряемые составляющие первой гармоники магнитного поля В_х, B_y, B_z описываются выражениями:

B_x=B_xmcos[t+_x ^p (x;y)],

B_y=B_ymcos[t+_y ^p (x;y)],

B_z=B_zmcos[t+_Z ^p (x;y)],

где B_xm, B_ym, B_zm – соответственно амплитуды составляющих B_x, B_y, B_z; _x ^p(x;y), _y ^p(x;y), _z ^p(x;y) – соответственно фазовые сдвиги измеряемых составляющих B_x, B_y, B_z относительно тока первой гармоники в незаземленной петле 8 (фиг.1). Выходные напряжения с датчиков х, y, z блока датчиков 6 (фиг.1), пропорциональные B_x, B_y и B_z, поступают на трехканальный фазометр 3, в котором определяют фазовый сдвиг между напряжениями датчиков и опорным напряжением U_on=U_m·cos(t+_i), вырабатываемым формирователем опорного сигнала 2, где _i – неизвестный, но постоянный во времени в пределах профиля i, фазовый угол между током в петле и опорным напряжением, i=0, 1, 2, 3,…, n, где n – количество профилей. Поскольку время пролета профиля невелико, то уход фазы опорного напряжения блока 2 относительно тока в петле за это время очень мал и им можно пренебречь. Однако уход фазы постепенно накапливается при переходе от профиля к профилю, а также изменяется во время возможных перерывов в работе на неизвестную величину. Поэтому начальный сдвиг фазы между опорным напряжением блока 2 и током в петле 8 может изменяться от профиля к профилю на неизвестную постоянную величину и в выражении для U_on задается равным _i для каждого профиля, где i – номер профиля.

Измерения начинают с нулевого профиля далее по параллельным профилям (ПР_{0, 1, 2,…,n,} фиг.2). Нулевой профиль проходит через эпицентр петли со стороной а (фиг.2). В результате в трехканальном фазометре фазовые сдвиги относительно опорного напряжения U_on преобразуются в цифровые коды

N_x0=k_x,0=k₀+k_x ^p(x;y)

N_y0=k_y,0=k₀+k_y ^p(x;y)

N_z0=k_z,0=k₀+k_z ^p(x;y)

где k – коэффициент преобразования фазометра, который обычно равен 1 или кратен 10. Поэтому для простоты будем полагать k=1, тогда цифровые коды определяются следующими выражениями:

N_x0=_x,0=₀+_x ^p(x;y)

N_z0=_z,0=₀+_z ^p(x;y),

После измерения N_x0, N_y0, N_z0 проводят измерения фазовых сдвигов оставляющих магнитной индукции по параллельным профилям 1,…, i,…,n относительно опорного напряжения U_on, формируемого формирователем опорного напряжения 2 (фиг.1). Тогда цифровые коды фазовых сдвигов определяются следующими выражениями:

N_x;i=_i+_x ^p(x;y)

N_z;i=_i+_z ^p(x;y)

где i=1, 2, 3,…, n, _i – неизвестный фазовый сдвиг между опорным сигналом и током в петле для профиля i, постоянный в пределах этого профиля.

Цифровая информация об измеренных фазовых сдвигах составляющих магнитной индукции относительно опорного напряжения U_on поступает в блок накопления и обработки информации 4. Синхронно с поступлением информации с трехканального фазометра 3 на вход блока 4 поступают данные о координатах положения летательного аппарата в пространстве. В блоке 4 для каждого профиля (индекс i опускается) определяют удельное сопротивление однородного проводящего полупространства, для которого функционал

где обозначения те же.

Изменяя удельное сопротивление горных пород, определяют функционал М. Минимизацию функционала М осуществляют до тех пор, пока средняя квадратическая погрешность не становится меньше допустимой. После минимизации функционала М определяют для каждой пространственной составляющей (B_x, B_y, B_z) фазовые сдвиги (l), обусловленные электропроводностью горных пород, для одного профиля из выражения

(l)=_и(l)-_и(l₀)+₀(l₀).

Такие же операции производят на всех остальных профилях изучаемой площади и по структуре фазовых сдвигов _x ^p(х;у), _y ^p(х;у), _z ^p(х;у) определяют наличие в Земле проводящих объектов. В качестве доказательства возможности практического применения предлагаемого способа рассматриваются результаты математического моделирования. Для этой цели представлены на фиг.3 и 4 изолинии теоретических фазовых углов _z ^p(х;у) вертикальной составляющей В_z ^p(х;у), рассчитанных для однородного полупространства при удельном сопротивлении 800 Ом.м (фиг.3) и с включением в однородное полупространство при том же удельном сопротивлении аномального проводящего объекта (фиг.4). Для однородного полупространства изолинии фазового угла вертикальной составляющей магнитной индукции представляют собой концентрические окружности (фиг.3). При наличии в Земле аномального проводящего объекта (фиг.4) изолинии фазового угла вертикальной составляющей магнитной индукции отклоняются от концентрических окружностей в области проекции глубинного проводника на дневную поверхность. На фиг.5 и 6 даны планы изолиний суммарных фазовых сдвигов

_i(x;y)=_0i+_z ^p(x;y),

где _z ^p(х;у) – фазовые сдвиги вертикальной составляющей магнитной индукции B_z ^p(x;y), изображенные на фиг.3 и 4, _0i – постоянный фазовый сдвиг для i-го профиля, который изменялся генератором случайных чисел при переходе к (i+1)-му профилю. Диапазон изменения этого фазового угла был задан в интервале от – 0,75 до +0,75. Анализ формы изолиний, изображенных на фиг.5 и 6, наличие профильных аномалий, которые не отражают объективную картину геоэлектрического строения участка. На фиг.7 и 8 приведены планы изолиний фазовых сдвигов вертикальной составляющей магнитной индукции В_z ^p(х;у), восстановленных по предлагаемому способу.

Из сопоставительного анализа следует, что формы изолиний на фиг.7 и 8, с достаточной степенью точности, адекватно соответствуют не искаженным помехами формам изолиний на фиг.3 и 4. Что и доказывает возможность практического применения предлагаемого способа.

В предлагаемом способе не требуется передача опорного сигнала по радиоканалу, чем обеспечивается высокая автономность измерительного комплекса, расположенного на борту летательного аппарата (вертолета). В предлагаемом способе повышена точность определения абсолютных фазовых сдвигов декартовых составляющих магнитной индукции относительно фазы тока в незаземленной петле, а следовательно, повышена точность определения кажущегося сопротивления горных пород, также отпадает необходимость пролета по дополнительному профилю, проходящему через эпицентр петли и перпендикулярному параллельным профилям.

Анализ современного уровня техники показал, что предлагаемое техническое решение соответствует критериям “новизна” и “изобретательский уровень” и может быть промышленно реализовано при использовании существующих технических средств. Предлагаемый способ позволяет осуществлять поиски крупных рудных месторождений в районах (заболоченных, покрытых лесом), где нет глубинных поисковых необсаженных скважин и невозможна посадка вертолета вблизи петли с током.

Таким образом, предлагаемый способ имеет существенные преимущества по сравнению с известными способами.

Источники, использованные при составлении заявки:

1. Астафьев П.Ф., Пыжьянов Ю.Б., Алфутов Б.А. Отчет о выполненных опытно-методических работ по разработке методики аэроразведочных работ при поисках медно-колчеданных руд в пределах Верхне-Уральского рудного района. – Свердловск, 1978, с.7-60, № госрегистрации 40-35 – 30/19а.

2. Патент RU №2076344 С1 (Россия). Способ геоэлектроразведки, G01V 3/30, 27.03.97.

3. Патент RU №2248016 С1 (Россия). Способ геоэлектроразведки, G01V 3/08, 10.03.2005 (прототип).

Формула изобретения

Способ геоэлектроразведки, заключающийся в возбуждении низкочастотного электромагнитного поля током, протекающим в незаземленной петле на дневной поверхности Земли и измерении на заданной высоте по параллельным профилям фазовых сдвигов _и(l)=(l)+₀ между декартовыми составляющими магнитной индукции и опорным напряжением, отличающийся тем, что в нем на каждом профиле определяют удельное сопротивление ₀, для которого функционал

а фазовые сдвиги (l) декартовых составляющих магнитной индукции относительно тока в незаземленной петле находят из выражения

(l)=_и(l)-_и(l₀)+₀(l₀),

по структуре фазовых сдвигов (l) на площади определяют наличие в Земле аномальных проводящих объектов, где

l – текущая координата на профиле;

_и(l) – измеряемый фазовый сдвиг на профиле;

₀ – начальный и постоянный, но неизвестный по величине фазовый угол опорного напряжения на профиле;

(l) – фазовый сдвиг, обусловленный электропроводностью горных пород на профиле;

_и(l₀) – измеренный фазовый сдвиг на профиле в точке с координатами l₀;

_T(l) – теоретический фазовый сдвиг на профиле для однородного полупространства;

l₁, l₂ – координаты начала и конца профиля измерений;

l₀=(l₁+l₂)/2;

₀(l₀) – теоретический фазовый сдвиг в точке l₀ на профиле, для которого функционал М минимален.

РИСУНКИ