CC BY
73
УДК 550.83
Е.Ю. Антонов, А.Н. Шеин
Институт нефтегазовой геологии и геофизики им. А.А. Трофимука СО РАН, Новосибирск
РАЗДЕЛЕНИЕ ЭФФЕКТА СТАНОВЛЕНИЯ И ЯВЛЕНИЯ ВЫЗВАННОЙ ПОЛЯРИЗАЦИИ ПРИ ЗОНДИРОВАНИИ ПОЛЯРИЗУЮЩИХСЯ СРЕД МЕТОДОМ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ
Регистрируемый сигнал метода переходных процессов (МПП) часто искажен влиянием вызванной поляризации (ВП). ВП представляет собой сложные процессы, возникающие при прохождении через среду электрического тока. Из множества способов учета данного явления [1-10] в практике математического моделирования возобладал феноменологический подход, основанный на решении краевых задач для уравнений Максвелла с частотно-зависимыми параметрами удельного сопротивления среды. Для функционального описания низкочастотной дисперсии удельного сопротивления широко используется модель Коул-Коул:
Р (о =р0
1-77
с
J
1+ ¡СОТ
Здесь 77 - поляризуемость, р0 - удельные сопротивления среды на постоянном токе, т - постоянная времени релаксации, с - параметр частотной зависимости, i - мнимая единица. Таким образом, количество параметров, определяющих решение прямой задачи в горизонтально-слоистой среде, возрастает в каждом слое с двух р,И до пяти р, 77, г, с, к . Это приводит к
расширению области эквивалентности, поэтому при решении обратной задачи в поляризующихся средах чрезвычайно актуальна задача разделения эффектов становления и ВП.
В настоящей работе мы рассматриваем поведение нестационарного электрического поля. Источник - горизонтальная электрическая линия (ГЭЛ), приемник - параллельная источнику ГЭЛ. Выбору такой измерительной системы предшествовало моделирование площадных измерений всех компонент электрического и магнитного полей, возбуждаемых в слоистой поляризующейся среде электрической линией. Моделирование проводилось с целью выяснить чувствительность к ВП каждой из составляющих векторов электрического и магнитного полей, а также характерные особенности распределения сигналов на дневной поверхности. В результате исследования было установлено, что компоненты магнитного поля слабо чувствительны к ВП. Все электрические компоненты обладают чувствительностью к поляризации среды, причем наибольшей обладает компонента параллельная источнику.
На рис. 1 представлены изолинии поля на фиксированной временной задержке 20 мс, среда - поляризующееся полупространство с параметрами:
р = 200. Ом ■ м, ^ = 0 05> г = 0.1 с, с = 0 5
мм
о
А
В центре системы координат расположен источник АВ , приемные линии - МЫ. Расчеты для различных моделей поляризующихся слоистых сред показали, что сигналы, измеряемые избранной нами установкой, обладают характерной особенностью: на карте изолиний для поздних времен становления поля всегда присутствуют две области, соответствующие положительным и отрицательным значениям сигналов. Кроме этого было установлено интересное свойство сигнала - граница Г отрицательных и положительных значений сигнала проходит через точки пространства, где влияние вызванной поляризации ослаблено. Благодаря чему, в значительной мере, удается разделить эффекты ВП и становления. Это позволяет интерпретировать данные зондирований М1111 вблизи границы Г в рамках проводящей горизонтально-слоистой модели. Наша задача состоит в том, чтобы показать эффективные способы поиска этой линии раздела, что возможно осуществить двумя способами.
1. Решить следующую задачу: для фиксированного разноса установки АВ — АШ варьируем угол направления от источника на приемник и минимизируем функционал следующего вида:
В х
Рис. 1. Изолинии компоненты Ех для поляризующегося полупространства
Ф г,<р
Дш(0),г,ф) - Лт(о\г,ф) /(т(0),г,<р)
1/2
Здесь г,(р - полярные координаты точки измерения, /{т{0\г,ф),/{т{са\г,ср) - нестационарные отклики для моделей, соответственно: т 0 - слоистой среды без ВП, т со - слоистой
поляризующейся среды. Решением задачи будет функция: фу Г = 1ШП Ф г,ср .
(р<Е О,—
I. ' 22. Приемная линия перемещается параллельно питающей при фиксированном значении ординаты, линия СО , рис. 1. Минимизируемый функционал запишется в виде:
Ф х,у
1 * —Т
N-1^
Дт(0), х, у) - Лт(со\х, у) Дт(0),х,у)
1/2
2
здесь х, у - декартовы координаты центра приемной линии. Решением задачи являются координаты точки пересечения центра приемной линии АМ и границы Г областей качественно различных сигналов: хг у = тт Ф х,у
Х£[0,СО)
Математически эти задачи эквивалентны. С точки зрения технологии измерений второй способ предпочтительнее. Очевидно, что разметить одиночный профиль легче, чем выполнять азимутальное перемещение приемной линии при каждом измерении, выверяя положение с необходимой точностью.
Рассмотрим модель поляризующегося полупространства (рис. 1). Результаты моделирования показали, что положение границ Г ослабления ВП слабо зависят от изменения параметров Коул-Коул. Исключением является показатель степени, с приближением которого к единице, сильно меняется вид сигнала. Однако значения с близкие к 1 можно не рассматривать, так как (Рекой, 1978) для гальванических зондирований интервал изменения показателя степени составляет -0.2 ч-О.б.
При рассмотрении двухслойной модели: поляризующегося
полупространства, перекрытого проводящими слоями различной мощности, появляется зависимость от мощности перекрывающего слоя. Поведение границы Г легче анализировать на поздних временах становления. В модели поляризующегося полупространства граница раздела областей Г начинается в точке положения источника (рис. 1). В случае погруженного поляризующегося слоя, граница раздела областей не сходится к источнику. Вокруг него появляется область, ширина которой зависит от мощности и проводимости перекрывающего слоя (рис. 2).
Рис. 2. Изолинии сигнала для двухслойной модели среды. Слева - мощность перекрывающего слоя 250м, справа - 750 м
Результаты моделирования подтверждены полевыми измерениями. Первый эксперимент был проведен на глиняном карьере. Установка: источник
- ГЭЛ (100м), приемник - ГЭЛ (50м), расстояние между центрами - 80м.
Измерения проводились для фиксированного разноса, трех положений приемника (20° и 45°), источник и приемник параллельны. На рис 3. представлены измеренные переходные характеристики, и средняя кривая.
В результате интерпретации средней кривой была определена модель неполяризующейся среды. Далее проводилась совместная инверсия данных, измеренных при азимутальных углах 20° и 45°. В итоге была получена общая для всех данных модель - табл. 1. Как выяснилось, угол наименьшей чувствительности к ВП равен 31°. Данный результат хорошо согласуется с выбором среднеарифметической кривой в качестве стартовой для выбора проводящей модели. Следует заметить, что в неполяризующейся среде ошибка в задании азимутального угла на приемную линию и нарушение параллельности питающей и
приемной линий не приводит к существенным ошибкам при восстановлении
модели геоэлектрического разреза. Отклонение на 5 и 10 градусов от положенного угла дает относительное отклонение сигналов, не
превышающее 5 %.
Таблица 1
р, Ом-м Мощность, м п т, мс с
41.5 22.
10.2 52.5 0.098 8.7 0.64
1700. 00
Второй полевой эксперимент был выполнен на геомагнитном полигоне возле п. Верх-Ирмень Новосибирской обл., установкой: источник - ГЭЛ (100 м), приемник - параллельная источнику, ГЭЛ (50м), разнос - 75 м. Измерения проводились для фиксированного разноса, с полярными углами в интервале от 25° до 45°. На рис. 4 приведены полевые кривые. Измерения показали, что в данном месте установка имеет наименьшую
ю’
| О'1 ---- —..................... .... .............
10’ ю‘
Время, МКС
Рис. 4. Полевые измерения на полигоне (п. Верх-Ирмень, Новосибирская область)
20
60 Д
Время, мкс
Рис. 3. Измерения на полигоне "Г линяный карьер"
чувствительность к ВП в промежутке между 28° и 29°. После выбора проводящей модели было установлено, что в разрезе присутствуют два поляризующихся слоя. Итоговая модель представлена в табл. 2.
Таблица 2
№ p, Om-m Мощность, м Л г, мс c
1 81.4 27. 0.03 9.2 0.65
2 107. 25.
3 126. 28. 0.15 7.6 0.65
4 4500. со
Результаты и выводы:
- Хотя положение границы ослабленного влияния ВП для различных моделей среды различается, но принципиально важно существование точек пространства независимых от поляризации.
- Для поиска точки ослабления влияния ВП наиболее технологичным является перемещение приемной линии (либо переноса одного из электродов для смещения центра приемной линии без переноса всей линии) по профилю параллельному источнику, исходя из качественного вида переходных характеристик. Полевые эксперименты подтверждают локализацию искомых углов в области 25-50 градусов.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Агеев В.В. Влияние поляризуемости горных пород на результаты электромагнитных зондирований / В.В. Агеев, Б.С. Светов // Физика Земли. - 1999. - № 1.
- С. 19-27.
2. Геннадиник Б.И. О природе явления вызванной поляризации в ионопроводящих породах / Б.И. Геннадиник // Изв. вузов. Геология и разведка. - 1967. - № 12. - С. 110-117.
3. Губатенко В.П. Эффект Максвелла-Вагнера в электроразведке / В.П. Губатенко // Изв. АН СССР. Физика Земли. - 1991. - № 4. - С. 88-98.
4. Комаров В.А. Электроразведка методом вызванной поляризации / В.А. Комаров.
- Л.: Наука, 1972. - 342 с.
5. Кормильцев В.В. Переходные процессы при вызванной поляризации: Теория и применение в геофизике / В.В. Кормильцев. - М.: Наука, 1980. - 112 с.
6. Светов Б.С. О частотной дисперсии электрических свойств среды / Б.С. Светов // Изв. АН СССР. Физика Земли. - 1992. - № 4. - С. 62-70.
7. Светов Б.С. Поляризуемость горных пород и феномен высокоразрешающей электроразведки / Б.С. Светов, В.В. Агеев, Н.А. Лебедева // Геофизика. - 1996. - № 4. - С. 42-52.
8. Постельников А.Ф. О природе и механизме образования вызванной поляризации на образцах электропроводящих горных пород / А.Ф. Постельников // Тр. Центрального научно-исследоват. горноразведыват. ин. - М.: Недра, 1964. - Вып. 59. - С. 153-164.
9. Шейнманн С.М. Современные физические основы теории электроразведки / С.М. Шейнманн. - М., Недра, 1968. - 221 с.
10. Pelton W.H., Ward S.H., Hallof P.G., Still W.R., Nelson P.H. Mineral discrimination and removal inductive coupling with multifrequency IP. Geophysics, vol. 43,NO3 (April 1978).
© Е.Ю. Антонов, А.Н. Шеин, 2007
