ЭЛЕКТРОРАЗВЕДОЧНЬЕ УСТАНОВКИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Томский политехнический университет

ЭЛЕКТРОРАЗВЕДКА

Методические указания к выполнению лабораторных работ по теме: «Электроразведочные установки. Расчёт параметров электроразведочных установок в методах сопротивлений, вызванной поляризации и заряженного тела»

Томск 2008

ВВЕДЕНИЕ

Методы сопротивления, вызванной поляризации и заряженного тела широко применяются при поисках и разведках разнообразных полезных ископаемых, а также для решения инженерно-геологических и гидрогеологических задач.

Благодаря тому, что в измерительных установках питающие и при­емные электроды могут располагаться по-разному, эти методы имеют много модификаций, которые составляют две большие группы - электропрофилирование (ЭП) и электрозондирование (ЭЗ). В ЭП исследуется характер изменения изучаемого параметра вдоль линии наблюдения (профиля) или в пределах определенной площади по заданной сети. Тип и размеры установки при этом остаются неизмененными, т.е. остается неизменной глубина исследования. При ЭЗ изучается изменение измеренного параметра с глубиной в конкретной точке земли, положение центра установки при этом остается неизмененным.

Требования к качеству электроразведочных работ непрерывно повы­шаются, в связи с необходимостью решения все более сложных геологических задач. На первый план при этом выдвигаются вопросы правильно­го обоснования метода и модификаций электроразведки, типа и разме­ров электроразведочной установки, конструкции электродов и величины тока и нпряжения, а также используемой при этом аппаратуры. Все эти вопросы должны быть научно обоснованы и рассчитаны.

ЭЛЕКТРОРАЗВЕДОЧНЬЕ УСТАНОВКИ

Электроразведочной установкой называется совокупность используемых взаимных расположений питающих А и В и приемных М и N электродов (рис.1), где длина питающего диполя АВ определяет глубину проникновения электрического поля в землю, а длина приемной линии ММ - величину измеряемой разности потенциалов, т.е. величину DU_MN.

Зная величины DU_MN, J_AB и К вычисляют кажущее удель­ное электрическое сопротивление геологической среды r_к по формуле:

r_к = К · DU_MN / J_AB, (Ом м) (1.1)

где К – коэффициент электроразведочной установки, который зависит от расстояния между электродами А, М, N, В и от взаимного их расположения. В общем случае для четырехэлектродной установки (рис. 1) К – коэффициент, зависящий от расстояния между электродами.

Рис.1. Принципиальная схема установки для работы методом сопротивлений

Для определения r_к (в Ом м) согласно схеме на рис. 1 необ­ходимо измерить разность потенциалов DU (в мВ) между двумя точ­ками профиля М и N, в которых расположены приемные электроды, разделить её на ток J (в мА), протекающий через питающую линию, и полученное значение умножить на К (формула 1.1).

Электрический потенциал и напряженность электрического поля, создаваемое полусферическим точечным заземлением в однородной и изотропной среде, определяются формулами:

U = r_к · J / 2pr (1.3); E = r_к · J / 2pr² (1.4),

где r – расстояние от питающего заземления до точки исследования (в м).

Используя формулу 1.3 можно рассчитать разницу потенциала DU между точками М и N от двух точечных источников +А и – В.

DU = U_{M -} U_N = (U_АM - U_ВM) – (U_АN- U_ВN) =

= (r_к · J / 2pr_АМ - r_к · J / 2pr_ВМ) – (r_к · J / 2pr_АN – r_к · J / 2pr_ВМ) =

= r_к · J / 2pr_АМ - r_к · J / 2pr_ВМ – r_к · J / 2pr_АN + r_к · J / 2pr_ВМ =

= r_к · J ·[2p/ (1 / r_АМ - 1 / r_ВМ – 1/ r_АN + 1/ r_ВМ) ] = r_к · J · К, где

величина, взятая в квадратные скобки, является величиной постоянной для установки одного типа и одного размера (расстояния между электродами) и называется коэффициентом установки, обозначающейся буквой К.

 

К = 2p / (1/r_AM – 1/r_AN – 1/r_BM + 1/r_BN), (м) (1.2)

 

В измерительных установках питающих и приемные электроды могут располагаться по-разному, образуя различные типы установок. Вид электроразведочной установки определяет разновидность метода сопро­тивлений, решаемые геологические задачи и тип используемой аппаратуры.

Все известные электроразведочные установки можно разделить на 4 группы:

1. установки типа симметричных;

2. дипольные;

3. установки срединного градиента;

4. фокусированные.

Примечание: если расстояние между приемными электродами r_MN достаточно мало, отношение DU_MN / r_MN стремится к величине E_MN (проекции электрического поля на линию MN) в точках измерения. Такие измерительные установки называются предельными. Они позволя­ют измерять электрическое поле Е на поверхности земли:

E_MN = DU_MN / r_MN, (1.5)

1.1. Установки типа симметричных (электроды А и В, М и N располагаются на одной линии (профиля).

1. Прямолинейная четырехточечная установка AMNB, в этой установке все электроды располагаются по одной линии (рис. 2.1). При этом обычно измерительные электроды размещаются в пределах средней трети отрезка AВ, поскольку в этом случае установка близки к предельной.

2. Симметричная четырехточечная установка AMNB в настоящее время является наиболее распространенной. В ней приемные заземления расположены на прямой, соединяющей питающие заземления симметрично относительно центра отрезка A3 (рис. 2.4).

Если расстояние между приемными заземлениями r_MN меньше одной трети расстояния между питающими заземлениями r_AB (r_MN < 1/3 АB), такая установка называется установкой Шлюмберже, при этом условии отношение DU_MN / r_MN можно с достаточной точностью считать равным напряженности электрического поля в центре установки, т.е. считать её предельной.

Если r_АМ = r_MN = r_NВ = а, то такая установка называ­ется установкой Венера (рис. 2.3).

3. Дивергентная установка АМОNB. Простейший вид её пока­зан на рис. 2.6. От симметричной она отличается тем, что в неё добав­лен ещё один измерительный электрод 0 в центре установки. Это по­зволяет измерять не только разность потенциалов DU_MN, но и раз­ности потенциалов DU_MO и DU_ON. Очевидно, что при этом разность DU_MO – DU_ON,отнесенная к расстоянию r_MN, пропорциональна второй производной потенциала в середине установки. Если к измеритель­ным электродам МОN добавить пару М¢N¢ электродов, расположениях по линии, проходящей через точку 0 ортогонально к линии MN, мы получим дивергентную установку для измерения двух вторых производных потенциала по ортогональным направлениям. Из теорий известно, что сумма этих вторых производных равна (со знаком минус) дивергенции горизонтальной составляющей вектора электрического поля Е:

(1.6)

Именно поэтому, данная установка получила название дивергентной (рис. 2.7).

4. Трехточечная установка АМNВ_¥ (рис. 2.8) подучается на практике, если электрод В удален настолько далеко от точек измерения, что создаваемое им электрическое поле пренебрежительно мало по сравнению с полем электрода А. Обычно это наступает при отношении ВО/АО ³ 5 раз.

Предельная трехточечная установка называется установкой Гуммеля. Для неё формула вычисления электрической составляющей поля запи­сывается как

E_MN = J · r / 2pr² (1.7)

где r – расстояние от точки А до точки измерения поля 0.

5. Двухточечная (потенциальная) установка AM, N_¥ B_¥ (рис. 2.10) получается из трехточечной, если измерительный электрод N также отнести в бесконечность (на практике это означает, что электрод N располагают столь далеко от источника тока А, чтобы потен­циал точки N был бы близок к нулю). Это условие выполняется в случае, если отношение АН/AM больше 5. Следовательно, двухточечная установка позволяет измерять непосредственно потенциал точки М (этим и определяется её название). В частности, на поверхности од­нородной земли

U_M = J · r / 2pr, (1.8); K=2pr (1.9),

где r = r_AM.

Название установки	Схема установки	Формула для определения	Коэффициент установки К
1. Прямолинейная четырехточечная AMNB
2. Симметричная (Шлюмберже) MN < 1/3 AB	А40М10N40В
3. Симметричная (Венера) AM = MN = BN = q			K=2pd
4. Симметричная
5. Симметричная на двух разносах A¢A MN BB¢
6. Дивергентная AMONB
7. Дивергентная для изучения 2-х вторых производных потенциала
8. Трехточечная AMNB¥ BO / AO ³ 5
9. Предельная трехточечная (Гумеля) MN < 1/3 AO ·
10. Двухточечная потенциальная AMN¥B¥ AN / AM ³5			K=2pAM
11. Комбинированная (двойная трехэлектродная) AMNC¥ и ВMNC¥

 

 

Рис. 2. Разновидности установок типа симметричных

 

1.2. Дипольные установки – это такие, у которых измерительная линия MN (приемный диполь) вынесена за пределы питающего диполя AB и может быть произвольно ориентирована относительно него.

 

Название установки	Схема установки	Формула для определения	Коэффициент установки К
1. Радиальная b=0о ABMN AB=50; MN=40; O¢O=r=100; q=60о
2. Азимутальная b=90о ABMN AB=50; MN=40; O¢O=r=100; q=45о
3. Осевая b=0о ABMN O¢O=r=60 – разное; q=0о			или
4. Экваториальная параллельная b=90о ABMN AB=80; MN=40; O¢O=60 – r – разное
5. Экваториальная перпендикулярная (ортогональная) AB=100; MN=50; OO=50=r – разное; q=90о
6. Параллельная ABMN AB=100; MN=50; O¢O=100=r – разное; q=45о; b=q=45о
7. Перпендикулярная ABMN AB=100; MN=50; O¢O=100=r – разное; q=30о; b=90о + q

 

Рис. 3. Разновидности дипольных установок

 

Существует несколько модификаций таких установок (рис. 3), среди которых в зависимости от угла q между осью питающего диполя AВ и радиусом-вектором r, соединяющим центры диполей, а также от угла b меж­ду осью измерительного диполя MN и r различают:

1. радиальная установка (0<q<90, b=0);

2. азимутальная (0<q<90, b=90);

З. осевая (q=90, b=0);

4. экваториальная (q=90, b=90);

5. параллельная (0<q<90, b=q);

6. перпендикулярная (0<q<90, b=q+90).

Расстояние r = r_O1O2 между центрами питающего и измерительного диполей называется разносом дипольной установки. Величина разноса r (аналогично длине линии АВ/26 установках первой группы) определяет глубину исследований с дипольной установкой. Коэффициент любой диполь­ной установки можно вычислить по общей формуле (1.2).

1.3. Установки срединного градиента получаются в том случае, когда положение питающих электродов А и В фиксировано, т.е. они в процессе съёмки остаются неподвижными, а приемные заземления и перемещаются вдоль профилей, параллельных линий AВ. Совокупность этих профилей образует планшет. Длина каждого профиля не должна превышать 0.5 расстояния АВ. Планшет, состоящий обычно из 5 + 20 профилей, рас­полагают таким образом, чтобы его центральный профиль совпал с линией AВ (рис. 4), а расстояние от центрального до крайних профилей не пре­вышало половины расстояния AВ. После окончания измерений на первом планшете П₁ питающие заземления перемещают во второе положение А₂В₂ так, чтобы смежные планшеты П₁ и П₂ перекрывались по концам профилей. При перемещении питающих заземлений в положение А₃В₃ соответствующие планшеты П₁ и П₂ должны перекрываться крайними профилями. Схема пере­мещения установки СГ изображена на рис. 5.

	Рис. 4. Установка срединных градиентов (заземления А и В неподвижны, а М и N перемещаются вдоль профилей, параллельных линии АВ, образуя планшет П0.
Рис. 5. Порядок работы при съёмке срединных градиентов: - расположение профилей и перемещение питающих А и В в измерительных М и N заземлений по профилю; - расположение планшетов.
Рис. 6. Пояснение к расчету коэф­фициента установки СГ Коэффициент установки СГ оп­ределяется из выражения (1.2) или по приближенной формуле (1.10).

При съёмке срединных градиентов r_к вычисляют по формуле (1.1); коэффициент установки определяют из выражения (1.2) или по приближен­ной формуле:

(1.10)

Обозначения принятые в этом выражении, поясняются рис. 6.

1.4. Фокусированные установки получаются в том случае, когда пи­тающие АВ и приемные MN электроды расположены на одной линии, чере­дуясь между собой (рис. 7).

Если расстояния АВ и МN равны между собой, то установка относится к фокусированной симметричной, если же эти расстояния не разам, то установка является просто фокусированной.

Коэффициент установки определяют из выражения (1.2.).

Электроразведочные работы со всеми вышеперечисленными установка­ми можно проводить как на постоянном, так и на низкочастотном перемен­ном токе, используя для этого специальную аппаратуру.

Название установки	Схема установки	Формула для определения	Коэффициент установки К
Фокусированная симметричная ABMN
Фокусированная четырехэлектродная ABMN
Фокусированная трехэлектродная A¥MNB АО / МО ³ 10

 

Рис. 7. Разновидности установок типа фокусированных