CC BY
15
ВЕСТНИК ПЕРМСКОГО УНИВЕРСИТЕТА
2018 Геология Том 17, №3
УДК 550.837
Разработка и реализация метода низкочастотного наземно-подземного зондирования
В. П. Колесников, Т. А. Ласкина
Пермский государственный национальный исследовательский университет, 614990, Пермь, ул. Букирева, 15. E-mail: info@psu.ru
(Статья поступила в редакцию 10 июля 2018 г.)
Рассмотрен подход к реализации наземно-подземного зондирования на основе квазистационарного электромагнитного поля с использованием аппаратурно-программного комплекса АНЧ-3М-ПМП-2. Разработанная технология обеспечивает возможность контроля проникающей способности электромагнитного поля от земной поверхности до шахтного поля, характеризуется повышенной чувствительностью к наличию проводящих зон и относительно высокой оперативностью работ.
Ключевые слова: наземно-подземное зондирование, электромагнитное поле, технология, эффективная глубина, информативность. DOI: 10.17072/psu.geol.17.3.284
Введение
Развитие методов электрометрии и исследование их многофункциональных возможностей, несомненно, актуальны при решении различного рода задач.
В данной работе рассмотрен один из новых подходов к реализации метода наземно-подземного зондирования (НПЗ) с использованием низкочастотных квазистационарных электромагнитных полей. Исследования выполнены на примере соляного месторождения в целях получения информации о физических свойствах пород, залегающих от земной поверхности до глубины расположения шахтных выработок.
Реализация методов наземно-подземного зондирования сопряжена с определенными трудностями (Kai et al., 2017; Pan et al., 2016; Хачай и др., 2009; Петровский, 2001), включая обоснование их информационных возможностей, создание специального аппаратурно-методического обеспечения, способов интерпретации и геологического истолкования результатов наблюдений. Это послужило основным направлением выполненных нами работ.
В качестве реализуемого использован способ частотного зондирования, осно-
ванный на возбуждении электромагнитного поля на земной поверхности с помощью гальванического источника в виде заземленной линии АВ и регистрации компонент магнитного поля трехкомпо-нентными индукционными датчиками в шахтных выработках.
Поскольку при НПЗ взаимное расположение питающей и приемной установок, а следовательно, и характер поведения регистрируемого электромагнитного поля значительно отличаются от традиционных наземных методов и методик зондирования, необходимо применение соответствующих подходов к его реализации. В данной работе рассмотрен один из таких подходов, основанный на существующих общих физических представлениях с использованием специального аппара-турно-программного обеспечения и результатов анализа экспериментальных наблюдений.
Физическое обоснование
Информативность метода наземно-подземного зондирования определяется следующими факторами: 1) необходимость учета особенностей формирования электромагнитного поля; 2) определение связи компонент измеряемого в шахтных
© Колесников В.П., Ласкина Т. А., 2018
условиях электромагнитного поля с электрическим сопротивлением перекрывающей толщи пород; 3) оценка эффективной глубины проникновения электромагнитного поля.
Рассмотрим характер формирования магнитного поля при наличии в среде проводящего объекта (рис. 1).
где величина наблюденного магнитного
Рис. 1. Формирование магнитного поля при наличии в среде проводящего объекта
Наблюденное магнитное поле определяется соотношением
н (О г) = Н0О, г0) - Нинд (О Гинд )
(1)
поля НП (О г) = Н0(О ГП ) - Нинд (О ГПиинд )
может увеличиваться, поскольку расстояние от проводящего тела (источника индуцированного тока) до точки наблюдения (гинд 2) становится значительно меньше
расстояния от наземного источника до этой точки (г0 2) и соответственно возможна ситуация, когда
Н0(О Г0) < Нинд (О Гинд )
(Терещенко и др., 2013).
Таким образом, существует вполне определенная физическая связь величины магнитного поля с проводимостью (электрическим сопротивлением) среды.
Оценка эффективной глубины
В теории переменных полей за эффективную глубину проникновения поля 2эф принимают глубину, при которой величина поля уменьшается в е раз (е - основание натурального логарифма, е=2.7) (Электроразведка..., 1989):
1
1
2 . =
эф
где Н 0(о г0) - первичное поле источника в точке измерений, удаленной от него на
расстояние г,; НиНд (о гиНд) - поле, индуцированное проводящим телом (током индукции, образующимся в этом теле), расположенным на расстоянии гинд от
точки наблюдения.
Очевидно, что чем выше проводимость тела, тем больше величина индуцированного в нем тока и, согласно закону Био-Савара-Лапласа, тем больше величина возбуждаемого им магнитного поля
Нинд (О гинд К (Яворский, Детлаф 1981).
Исходя из этого при наземной съемке величина регистрируемого поля
Нн (О Г) = |Н0(О Гн ) - Нинд (О Гн,инд ^ будет
снижаться над проводящим телом в силу появления в нем индукционного тока.
Иная картина получается при наблюдении в подземных (шахтных) условиях,
юца
2
\2лf ■ 4л:10-
1 2ж\
107Р . (2)
Г
2р
То есть эффективная глубина проникновения электромагнитного поля в однородной среде определяется ее удельным сопротивлением и частотой поля: чем больше сопротивление среды и меньше частота поля, тем больше глубина проникновения поля в недра Земли.
Соответствующие графики относительной величины Ех отн для разных
значений частот (4Т) и заданной величины сопротивления (р = 10 Ом-м и р = 100 Ом-м) приведены на рис. 2.
Для оценки скорости изменения полученных графиков Ех отн (2) с
глубиной трансформируем их в графики
дЕ
производной -, наиболее контраст-
но
д(л/т )' отображающие
чувствительность
7
относительной напряженности поля к
изменению зондирующего параметра н/Т.
Найдем выражение для этой производной. Исходя из предыдущей раб оты (Колесников, 2013), запишем:
= +.
• 2э0Еотн "Г = Ес
X
*э0
Т
4
дЦО ■ 2
э0
Т
1
Е _ е
юцо
•2э0
_ е
_ е~ло ■2эо _ е
2д/¡о 2
л/Т'
5Е
4
дЛо ■ 2э0
Выполнив замену х _ Л; и _ 1/ х; и учитывая
д(у[Т)
1
Т
Е _
отн
д4д10"7 2
э0
Р
Т
Е......_
2дг
э0
Т V
10"
Р
Еотн .(3)
Результаты расчета относительной ве-
дЕ..... дЕ_..... ди
личины
дЕ,
отн _ отн
д х ди дх
д(1т)
для разных значений элек-
получим
дЕ
ди
\1дЛ° ■ 2э0 ■е
пло-гэ0и
э0 _
ди _д(х->) _ 2. 2
-—-— —X
дх дх дЕ
Л ■ 2э0Еотн ;
; х2 _ (4Т)2 _ Т;
д х
2э0Еотн _
X
трического сопротивления однородной среды (рис. 3) показывают возможность оценки, помимо Zэф диапазона, эффективного проявления слоя
(^эф _ ^ ± Ж),
оказывающего наиболее значительное влияние на результат измерений (в данном примере этот диапазон отмечен для
дЕ
величины —, отличающейся от ее
д(ЛТ)
максимального значения на 10 %).
Рис. 2. Гра0ики зависимости Ех отн для разных значений частот при р = 10 Омм (а) и
р = 100 Ом м (б)
а б
о 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 V
Щ >
ж Г
1 4-
///
//
дЕп
а(л/г>
= 50 Гц —1= 100 Гц —1 = 200 Гц -Г = 400 Гц \= 800 Гц —1 = 1600 Гц
20 дЕ
Рис. 3. Гра0ики
дЕ,
д(л/Т)
при р = 10 Ом м (а), р = 100 Ом м (б)
2
1
7
Однако в случае неоднородной, к примеру, горизонтально-слоистой модели среды, задача оценки Zэф усложняется.
Как следует из уравнения (2), Zэф
определяется отношением Р. В этом одна из причин неоднозначности определения глубины зондирования ^эф) и ком-плексирования гальванического и индуктивного методов зондирования.
Для повышения однозначности оценки Zэф (либо Ь2эф) нужна дополнительная
априорная информация (анализ параметрических зондирований с использованием данных бурения, электрического каротажа, комплексного анализа с результатами наземного зондирования и др. с целью выделения основных пачек пород, оказывающих заметное влияние на результаты наблюденного поля).
Рассмотрим один из подходов к реализации этого.
Будем исходить из следующего: в случае однородной среды
7 -± 2 эф 2к\
107 р
/
10 2п
5-1024Р--Г - к(р)-уГ ;
(4)
если среда неоднородная, к примеру, горизонтально-слоистая, то
2 эф - К (д)-у[г ( 2 эфД - К (д)), (5)
где д -
Р.
Рг-
относительное сопротив-
ление 1-го и (1+1)-го слоев.
Из последнего соотношения получаем выражение для определения К(д.):
2 ф. к д)- ^
которую можно оценить, сопоставив глубину залегания кровли маркирующего слоя 2эф. (определенного по результатам
анализа параметрического зондирования, выполненного вблизи скважины) с величиной л/Г (по проявлению соответствующего градиента изменения поля (эффек-
тивного сопротивления, отмечаемого в относительно ненарушенной части разреза).
Пример экспериментальных исследований
Экспериментальные исследования с использованием разработанной технологии были выполнены в условиях Верхнекамского месторождения калийных солей.
Для реализации наземно-подземного зондирования сформирован аппаратурно-программный комплекс, включающий генератор АНЧ-3М ^ = 4.88, 9.76, 19.52, 39, 78, 156 и 312 Гц; 1тах = 2 А) и измеритель ПМП-2, основанный на использовании трехкомпонентных индукционных датчиков (Колесников и др., 2014; Колесников, Дягилев, 2014).
Обработка и интерпретация результатов наблюдений проводились с помощью программы спектрального анализа переменных электромагнитных полей AnalyzerH3D (Дягилев и др., 2015) и системы программ интерпретации электрических зондирований ЗОНД (Колесников - др., 2005).
По результатам исследования фонового электромагнитного поля, зарегистрированного при выключенном наземном генераторе, выявлено, что оно содержит поле основной промышленной частоты f = 50 Гц и ее гармоник (рис. 4, а). Эти частоты, отличающиеся от использованных для наземно-подземного зондирования, в данном случае не могут оказывать существенного влияния на результаты выполненной съемки.
При обработке полученных данных НПЗ установлено, что наблюденное поле зафиксировало уверенное проявление каждой из частот, генерируемых наземным источником (шесть частот), а также их нечетных гармоник (от 2 до 12 наиболее информативных для каждой из частот) (рис. 4, б), обеспечивая этим принципиальную возможность зондирования в расширенном диапазоне глубин. В совокупности достаточно уверенно выделено 47 частот в диапазоне от 4.88 до 1562 Гц,
что является весьма обширной исходной информацией для анализа исследуемой толщи пород.
Рис. 4. Пример спектра фоновой записи в частотном диапазоне 1-150 Гц (а) и спектра записи при включении наземного генератора на частоте 9.76 Гц (б)
В целях получения начального представления о характере изменения физических свойств обследуемой среды по результатам выполненных
многочастотных наблюдений построен разрез интерпретационного параметра Н^Нг (рис. 5), отображающий степень изменения проникающей способности электромагнитного поля.
0,45
^-р 0 10 20 30 40 50 60 70
I н/н,
0,17 0,20 0,22 0,25 0,29 0,33 0,37 0,43 0,49 0,55 0,63 0,72 0,82 0,93 1,06 1,21 1,38 1,57
Рис. 5. Разрез отношения Нг/Нг, построенный по результатам анализа основных используемых частот и их гармоник
Исходя из рассмотренных выше общих физических принципов сформирован вариант вычисления эффективного сопротивления по результатам шахтных наблюдений магнитного поля, несущего инфор-
мацию об обобщенном электрическом сопротивлении пород в области эффективного проникновения электромагнитного поля:
Рк
.
(6)
Полученная эмпирическая формула справедлива для случая субпараллельного положения наземного и шахтного профилей с их небольшим отклонением по вертикали.
Рис. 6. Разрез эффективного сопротивления по данным НПЗ
Рис. 7. Карты кажущегося сопротивления по данным метода ПМП для 2эф = 120-130 м (а) и ЭП-СГ для 2эф = 140-150 м (б)
Комплексный анализ полученных материалов показал закономерное про-
явление разной проникающей способности квазистационарного поля через обследуемую толщу пород, а также изменение их электрической проводимости, связанной со степенью разуплотненности и вла-гонасыщенности порового пространства.
В целях предварительной заверки информативности результатов съемки методом НПЗ использовано два наземных экспресс-метода электроразведки - метод электропрофилирования по методике срединного градиента (ЭП-СГ) (Электроразведка..., 1989) (рис. 7, а) и индукционное зондирование методом промышленных магнитных полей (ПМП) (Колесников, Ласкина, 2014) (рис. 7, б), наиболее приемлемых в сложных зимних условиях выполнения экспериментальных работ.
Выводы
Разработанный подход к реализации низкочастотного наземно-подземного зондирования на основе использования аппа-ратурно-программного комплекса АНЧ-3МПМП-2 позволяет получать достаточно детальную информацию о строении изучаемой части разреза от приповерхностных отложений до глубины залегания шахтных выработок при анализе основных частотных составляющих сигнала и их гармоник. Метод обеспечивает возможность контроля проникающей способности электромагнитного поля от земной поверхности до шахтного поля, характеризуется повышенной чувствительностью к наличию проводящих зон, относительно высокой помехоустойчивостью и оперативностью выполнения работ.
Разработанный способ наземно-под-земного зондирования может использоваться в наземно-шахтной или межсква-жинной модификации при решении инженерно-геологических и поисковых задач.
Библиографический список
Аппаратурно-программный комплекс для геоэлектроразведки: пат. 148256 Рос. Федерация: МПК7: G01V3/02 / Колесников В.П., Дягилев Р.А., Колесников С.В.; 28.10.2014.
Колесников В.П. Электрометрия. Основы теории переменных электромагнитных полей / Перм. гос. ун-т. Пермь, 2013. 185 с.
Колесников В.П., Ласкина Т.А. Электроразведка в условиях урбанизированных территорий // Геофизика. 2014. №5. C. 33-40.
Петровский А.Д. Радиоволновые методы в подземной геофизике. 2-е изд., доп. / ЦНИТРИ. М., 2001. 290 с.
Программа для регистрации промышленных электромагнитных полей для проведения геофизических изысканий: свидетельство об официальной регистрации программ для ЭВМ № 2014611489 Рос. Федерация / Колесников В.П., Дягилев Р.А.; 04. 02.
2014.
Программа спектрального анализа промышленных электромагнитных полей для проведения геофизических изысканий: свидетельство об официальной регистрации программ для ЭВМ № 2015617490 Рос. Федерация / Дягилев Р.А., Колесников В.П., Ласкина Т.А., Артемьев Д.А.; 13. 07.
2015.
Программа обработки и интерпретации результатов вертикального электрического зондирования ЗОНД: свидетельство об официальной регистрации программ для ЭВМ № 2004611865 Рос. Федерация / Колесников В.П., Кутин В.А., Мокроно-сов С.В., правообладатель Колесников
B.П.; 11.01.2005.
Терещенко Е.Д., Любчич В.А., Миличенко А.Н., Пильгаев С.В. Использование электромагнитных волн экстремально низкочастотного диапазона для аварийной связи в шахтах // Вестник Кольского научного центра РАН. 2013. № 1. С. 36-42.
Хачай О.А., Хачай О.Ю., Кононов А.В. 3-D методика электромагнитного индукционного просвечивания и система обработки и интерпретации для изучения состояния водозащитной толщи кимберлитовых трубок // Горный информационно-аналитический бюллетень / МГГУ, 2009. №12.
C.230-236.
Электроразведка: Справочник геофизика: в 2 кн. / под ред. В.К. Хмелевского и В.М. Бондаренко. М.: Недра, 1989. 438 с.
Яворский Б.М., Детлаф А.А. Справочник по физике. M.: Наука, 1981. 512 с.
Kai C., Sheng J. and Wang S. Electromagnetic receiver with capacitive electrodes and triaxial induction coil for tunnel exploration //
Earth, Planets and Space. 2017. Vol. 69. P. 123. DOI 10.1186/s40623-017-0706-3. Pan J., Li Zh., HuangX. The forward research on three-component information of surface-
tunnel NMR method // Symposium on the Application of Geophysics to Engineering and Environmental Problems. 2016. P. 592596. doi.org/10.4133/SAGEEP.29-096.
Development and Application of the Surface-Mine Low-Frequency Sounding Technique
V.P. Kolesnikov, T.A. Laskina
Perm State University, 15 Bukireva Str., Perm 614990, Russia E-mail: info@psu.ru
The results of development and implementation of surface-mine low-frequency sounding including the justification of informative capabilities, analysis of investigation depth, technology of field measurements, hardware-software package, peculiarities of the data processing and interpretation are considered.
Key words: surface-mine sounding, electromagnetic field, technology, depth of investigation, informative capabilities.
References
Apparaturno-programmnyy kompleks dlya ge-oelektrorazvedki [The hardware-software complex for the electrical prospecting]: Pat. 148256 RF: MPK7: G01V3/02. Kolesnikov V.P., Dyagilev R.A., Kolesnikov S.V.; 28.10.2014.
Kolesnikov V.P. 2013. Elektrometriya. Osnovy teorii peremennykh elektromagnitnykh poley [Electrometry. Fundamentals of alternative electromagnetic field theory]. PSU, Perm, p. 185. (in Russian)
Kolesnikov V.P., Laskina T.A. 2014. Elektro-razvedka v usloviyakh urbanizirovannykh territoriy [Electric surveys in conditions of urban territories]. Geofizika. 5: 33-40. (in Russian)
Petrovskiy A.D. 2001. Radiovolnovye metody v podzemnoy geofizike [Radio-frequency methods in underground geophysics]. CNI-TRI, Moskva, p. 290. (in Russian)
Programma dlya registracii promyshlennykh electromagnitnykh poley dlya provedeniya geofizicheskikh izyskaniy [The program of recording the industrial electromagnetic fields for geophysical investigation]: svi-detelstvo ob ofitsialnoy registratsii programm dlya EVM № 2014611489 Ros. Federatsiya. Kolesnikov V.P., Dyagilev R.A. 11.01.2005.
Programma spectralnogo analiza promyshlen-nykh elektromagnitnykh poley dlya provedenya geofizicheskikh izyskaniy [The program of spectral analysis of industrial
electromagnetic fields for geophysical investigation]: svidetelstvo ob ofitsialnoy registratsii programm dlya EVM № 2015617490 Ros. Federatsiya. Dyagilev R.A., Kolesnikov V.P., Laskina T.A., Artemyev D.A. 13.07.2015.
Programma obrabotki i interpretatsii rezultatov vertikalnogo elektricheskogo zondirovaniya ZOND [Program Zond for the processing and interpretation of vertical electrical sounding data]: svidetelstvo ob ofitsialnoy registratsii programm dlya EVM № 2004611865 Ros. Federatsiya. Kolesnikov V.P., Kutin V.A., Mokronosov S.V. 11.01.2005.
Tereshchenko E.D., Lyubchich V.A., Milichen-ko A.N., Pilgaev S.V. 2013. Ispolzovanie electromagnitnykh voln extremalno niz-kochastotnogo diapazona dlya avariynoy svyazi v shakhtakh [Application of extremely low frequency electromagnetic waves for the emergency communication in mines]. Vestnik Kolskogo nauchnogo centra RAN, 1: 36-42 (in Russian)
Hachay O.A., Hachay O. Y., Kononov A. V. 2009. 3-D metodika electromagnitnogo induktsionnogo prosvechivaniya i sistema obrabotki i interpretacii dlya izucheniya sostoyaniya vodozashchitnoy tolshchi kimberlitovykh trubok [3-D method of electromagnetic inductive transillumination and system for processing and interpretation used for kimberlite pipes study] Gornyy Informatsionno-analiticheskiy bullet-en. 12: 230-236. (in Russian)
Elektrorazvedka: Spravochnik geofizika [Electric Exploration: Geophysical reference book]. Eds. V.K. Khmelevskogo, V.M. Bondarenko. 1989. Nedra, Moskva, p. 438. (in Russian) Yavorskiy B.M., Detlaf A.A. 1981. Spravochnik po fizike [Handbook on Physics]. Nauka, Moskva, p. 512. (in Russian) Kai C., Sheng J. and Wang S. 2017. Electromagnetic receiver with capacitive electrodes and
triaxial induction coil for tunnel exploration. Earth, Planets and Space. 69:123. doi: 10.1186/s40623-017-0706-3.
Pan J., Li Zh., HuangX. 2016. The forward research on three-component information of surface-tunnel NMR method. Symposium on the Application of Geophysics to Engineering and Environmental Problems, pp. 592-596. doi: 10.4133/SAGEEP.29-096.
