Свойства радиальной электрической составляющей при возбуждении среды полем ТМ-поляризации Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 550.837

В.В. Потапов, В.С. Могилатов ИНГГ СО РАН, Новосибирск

СВОЙСТВА РАДИАЛЬНОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СОСТАВЛЯЮЩЕЙ ПРИ ВОЗБУЖДЕНИИ СРЕДЫ ПОЛЕМ ТМ-ПОЛЯРИЗАЦИИ

Характерные свойства Е-поля в процессе становления впервые заявили о себе еще в известной работе [А.Н.Тихонов, О.А.Скугаревская, 1950], в которой обнаружилась экспоненциально затухающая со временем составляющая в 7-компоненте вектора-потенциала. Поскольку авторов интересовала поздняя стадия становления поля, возбуждаемого горизонтальным электрическим диполем, то такой составляющей они пренебрегали, и физическая подоплека не обсуждалась. В дальнейшем сложившаяся практика применения линии и петли для зондирований становлением и отсутствие наземного источника Е-поля долгое время держали «в тени» переменное поле электрического типа, мотивы и возможности его использования. Теперь такой источник предложен [1]. Эта питающая установка - практически единственное средство возбуждения с дневной поверхности поля чисто электрического типа. Однако, если рассматривать и погруженные источники, то известен источник, возбуждающий сходную пространственную структуру распределения токов в среде - вертикальный электрический диполь (ВЭД). Действительно, если имеет место соответствие:

А — Ыг • г0 — 10Ь2 / 4,

(1)

где И7 - момент, 70 - глубина погружения ВЭД, 10 - ток, Ь - радиус КЭД, то поздняя стадия становления поля в слое (Ь,р) с изолирующим основанием для КЭД и ВЭД выглядит одинаково [2]. При 1 —

Е,№

nh h

2 tp

•ехр

(2)

Аналитические соотношения для простых сред и численные расчеты для более сложных показывают, что КЭД является наземным аналогом вертикальной электрической линии. Оба источника возбуждают только поля электрического типа, хотя и различным способом (ВЭД - гальванически и индуктивно, КЭД - только гальванически, посредством стекающего с заземлений тока). Однако в процессе становления начинают превалировать общие свойства ТМ-поля над начальными условиями.

Таким образом, мы можем говорить о свойствах Е-поля, подразумевая его в составе полного поля, возбуждаемого произвольным (смешанным) источником или в качестве полного поля, возбуждаемого ВЭД и КЭД. Свойства эти, разительно отличаются от свойств Н-поля. Н-поле (ТЕ-поле) имеет только горизонтальные компоненты электрического поля и, соответственно, образует систему только горизонтальных токов, зависящую только от горизонтального сопротивления (знаменитое «токовое кольцо»,

возбуждаемое петлей). ТМ-поле (от КЭД или ВЭД) образует тороидальную систему токов, замыкающихся в вертикальных плоскостях (и поэтому его поле зависит и от горизонтального сопротивления и от вертикального).

Выше мы видели, что в среде с изолирующим основанием электрическое поле спадает со временем экспоненциально. Это весьма необычно для традиционных ЗС. Такое свойство обеспечивает высокую разрешающую способность зондирований с применением Е-поля. Мы должны только убедиться, что случай изолирующего основания не является особым теоретическим вырожденным случаем, а, напротив, отражает реальную ситуацию при увеличении контраста сопротивлений основания и вышележащей толщи.

Примем как и в предыдущем примере КЭД радиусом 500 м и с током 80 А Электрическое поле (Ег) фиксируется на удалении 1000 м линией длиной

500 м. Глубина до фундамента 2000 м, Р = 1° Ом*м. Сопротивление основания примем бесконечным, 1000 Ом*м и 100 Ом*м. Мы видим на рис. 1. что даже при контрасте всего в 10 раз имеется участок спада (до 200 мсек), близкий к экспоненциальному. Это означает, что уникальная чувствительность поля КЭД сохраняется и при конечной проводимости основания.

0.1

§ 0.001

8 Ч

^ 0.0001

о я

2 1Е-005

0)

и 1Е-006

и

. 1Е-007

о

н 1Е-008

п

1Е-009

1 10 100 1000

время (мсек)

Рис. 1. Становление поля КЭД в двухслойной среде.

Шифр кривых сопротивления первого слоя и основания (в Ом*м) Сравним теперь на синтетическом материале аномальные эффекты при

13

применении традиционной установки “петля-петля” (общий момент - 10 А*м4, разнос 1000 м) и установки КЭД-МЫ (радиус 500м, ток 80А, приемная линия 500 м, центр ее на 100 м от центра КЭД). Параметры установок приближены к реальным. Вмещающая среда - как в предыдущем примере (2000 м, /? = 10 Ом*м). Сопротивление основания примем 1000 Ом*м (не изолятор!). В качестве аномального объекта поместим проводящий тонкий

слой (50 м, р-0.5 Ом*м) в основание вмещающего слоя. Таким образом, продольная проводимость вмещающей толщи 200 См, а объекта - 100 См. На рис.2 представлены кривые относительных аномальных эффектов (в процентах) для сигналов от традиционной установки (ТЕ) и от установки КЭД-МЫ (ТМ). Причем, сигнал от каждой установки фиксировался до уровня в 1 мкВ. Мы видим, что ТМ-процесс много быстрее и дает экспоненциально растущий аномальный эффект (в измеряемом диапазоне до 1400%). Для установки “петля-петля” кривая медленно стремится к теоретическому максимуму в 227% (но достигает в измеряемом диапазоне только едва 100%).

в

к

ш

■е

■е

в

я

и

д

Ч

И5

3 о и

И5

Я

И

д

4 ш в £ О

о

и

в

о

1600

1400

1200

1000

800

600

400

200

0

-200

;

; й я

; 1 # й

: 1 * — а/п - ГБ

;

;

; /

:

200 400 600 800 1000 1200 1400 1600

время (мсек)

Рис. 2. Сравнение аномальных эффектов от тонкого проводящего слоя в случая применения установки “петля-петля” и КЭД-М^

0

При сравнительном анализе кривых радиального электрического сигнала от установки КЭД видно (рис. 3), что на начальных временах четко видна, так называемая, полочка. Она связана с тем, что сигнал от выключения импульса доходит до точки измерения за определенное время, а не мгновенно. Это моделирование проводилось для двухслойной среды с изолирующим основанием и верхним слоем толщиной 2000 метров и сопротивлениями 1, 10 и 100 Ом*м. Радиус КЭД составил 500 м, ток 8Ампер в каждый луч. Длина измерительной линии 200 метров и разнос менялся от 300 до 2900 метров от края КЭД.

Основываясь на этих результатах, было получено соотношение, которое связывает расстояние от края КЭД до точки измерения и время прихода сигнала в эту точку:

Р

г - -----— ,

"У 0.025 •//,,

где г - расстояние от центра КЭД до точки измерения, / - время прихода сигнала, р - сопротивление верхнего слоя, р,0 - магнитная проницаемость.

Рис. 3. Сигнал в линии МЫ при различных расстояниях от центра КЭД

0.1 -

\\ \\

0.01 - 4 \ V 4 \ \ \

\ \ \ -ч 'ч \ \ ч *, \\ ^

1 Е-3 100 метров \ \\

400 метров \ \\\

700 метров

1500 метров ■ Лч \ '•

1Е-4 - 3000 метров

отсутствие пропластка \\ '\

1Е-5- 1 11111111 1 11111111 I 1111 \ \ \ \ \ 1111 1 11111111 1 1 1

0.1 1 10 100 1000

Время (мс)

Рис. 4. Сигналы в линии МЫ при различной глубине слоя с повышенным

сопротивлением

Также были исследованы возможности установки КЭД, а значит и ТМ -поля в нахождении достаточно тонкого слоя в среде. Для примера была взята 2-ухслойная модель, в которой основание непроводящее, а верхний слой имеет сопротивление 1 Ом*м. В этот верхний слой вводится достаточно тонкий пропласток мощностью 100 метров и сопротивлением 1000м*м на различных глубинах. На рис. 4 показаны полученные кривые. Видно, что кривые сильно

разнятся, что может свидетельствовать о том, что установка КЭД-МЫ чувствительна к подобным изменениям, и эти изменения можно фиксировать в измеряемом сигнале.

Результаты, которые приведены выше, показывают, что свойства ТМ-поля могут дать много дополнительной информации при исследовании в наземной электроразведке, которая была недоступна при использовании традиционных источников, возбуждающих электромагнитное поле ТЕ-поляризации.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Могилатов В.С. Круговой электрический диполь - новый источник для электроразведки // Изв.РАН. Сер.: Физика Земли. - 1992.- N 6. - с. 97-105.

2. Могилатов В.С. Поздняя стадия становления электромагнитного поля, возбуждаемого погруженным электрическим диполем // Изв.АН СССР. Сер.: Физика Земли. - 1976. - N 8. - С. 103-107.

3. Могилатов В.С., Балашов Б.П. Зондирования вертикальными токами (ЗВТ) // Изв.РАН. Сер.:Физика Земли. - 1994. - N 6..- С.73-79.

© В.В. Потапов, В.С. Могилатов, 2006