Файл: Якубовский, Ю. В. Электроразведка учебник.pdf

или иным характером осадочных отложений в зависимости от пре­ обладания глинистых или песчаных разностей, степени обводнен­ ности, минерализации подземных вод и других критериев, учи­ тываемых при исследованиях такого рода. В этом отношении следует отметить работы геофизической группы института

Рис. 165. Скважинные измерения ВП по системе скважина — поверхность земли на суль­ фидном месторождении (по А. H. Балашеву).

Графики: ° — Вк ^ и т)к б — полной кажущейся поляризуемости т)к ; в — схематический гео­

логический разрез; г — план расположения профиля и скв. 256, в которую помещен питающий электрод А\ 1 — четвертичные отложения; 2 — рудные жилы и зона сульфидной вкраплен­ ности; 3 — вмещающие породы.

ВСЕГИНГЕО, которой удалось экспериментальным путем устано­ вить коррелятивные связи между геофизическими параметрами, в первую очередь г| и р , определяемыми в процессе измерений мето­ дом ВП, с одной стороны, и гидрогеологическими параметрами отдельных комплексов пород и отложений — с другой, и на этой основе получить количественные оценки водоносности пород и мине­ рализации подземных вод.

В последние годы была установлена аномально высокая поляризу­ емость ионно-проводящих пород, находящихся в мерзлом состоянии.

267

Г л а в а IX

КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ ЭЛЕКТРОРАЗВЕДКИ ПЕРЕМЕННЫМИ ПОЛЯМИ

При электроразведке переменными полями часто исследуют гармонически меняющиеся электромагнитные поля, в которых напря­ женность, плотность тока, разность потенциалов и другие характе­ ристики меняются по косинусоидальному (или синусоидальному) закону:

Н = # 0cos (мн-сря), Е = Е0cos ((at + сря), j =-=j0cos (u>t + rpy) и т. д.,

где Н, Е, j — м г н о в е н н ы е з н а ч е н и я напряженности электрического и магнитного полей, а также плотности тока в момент

частотой (о и имеют при этом различные начальные фазы срх и ф2, то разность их фаз будет

заземлений, генераторной рамке и т. п.) принимают равной нулю, т. е. = 0 .

В этом случае начальные фазы всех остальных величин, характе­ ризующих поле (фн, Ф/ и др.), являются одновременно сдвигом фазы соответствующей величины поля относительно фазы тока в пита­ ющем устройстве.

269

В отличие от постоянного электрического поля, зависящего только от распределения источников поля и удельного сопротивления пород, слагающих геоэлектрический разрез, переменное электро­ магнитное поле зависит также и от диэлектрической постоянной е и магнитной проницаемости р горных пород. Во все формулы, опре­ деляющие поведение компонент поля, электрические параметры пород у, е и р входят не порознь, а в виде так называемого в о л н о ­ в о г о ч и с л а к, определяемого следующим выражением:

(ІХ.1)

Само волновое число, так же как и его квадрат, является вели­ чиной комплексной:

(IX.2 )

где а и Ъ — коэффициенты при действительной и мнимой частях:

(IX.3)

Для методов электроразведки, в которых применяются поля низких частот (единицы — тысячи герц), у > сое. В этом случае в выражении (IX. 1) для к 2 единицей можно пренебречь. Тогда

к2= гуща,

т. е.

к - уД-дио Yi ;

отсюда

I к I= Y Yr® •

В немагнитной среде, для которой в системе СИ р = 4л -ІО' 7 Г/м,

| f t | = 2, 8 1 . 10- * / / | p ; (IX.4)

здесь f выражено в Гц, а р — в Ом-м.

Характерной особенностью выражений, определяющих зависи­ мость компонент электромагнитного поля от расстояния до источника поля г и волнового числа к, является то, что в эти выражения волно­ вое число входит только в виде произведения, т. е. кг. Модуль этого произведения носит название ч и с л е н н о г о р а с с т о я н и я и является величиной безразмерной. Для низкочастотных электро­ магнитных полей численное расстояние принято обозначать через р и называть п а р а м е т р о м п о л я :

где г выражено в км.

270

Мы убедились в том, что в постоянных полях величина поля и его направление сложным образом зависят от свойств геоэлектрического разреза, типа источника поля и положения точки наблюде­ ния; в переменных электромагнитных полях такая зависимость существует для амплитуды, фазы и ориентировки магнитного и элек­ трического полей. Не останавливаясь на характере этой зависи­ мости, которая очень сложна и будет рассмотрена ниже для простей­ ших случаев, отметим, что различные пространственные компоненты электромагнитного поля в электрически неоднородной среде могут иметь различный фазовый угол.

На рис. 166 изображены два вектора Ах и А2, имеющие различную амплитуду и фазу, по меняющиеся с одинаковой частотой со:

A j I Аг I cos (at cpj), Аз ---- ] А21cos (ооі <р2).

В любой момент времени результирующий вектор А является геометрической суммой обоих векторов. Вследствие различия фаз векторов Ах и А2 ориентировка результирующего вектора А меняется со временем.

Изменение суммарного вектора А со временем характеризуется кривой, описываемой концом вектора в пространстве в течение полного периода. Можно доказать, что в общем случае эта кривая является эллипсом, причем величина осей эллипса и их ориентировка в про­ странстве могут быть определены, если известны ориентировка, амплитуда и фаза векторов Ах и А2.

Эллипс, представляющий собой траекторию конца вектора, носит

ческой поляризации поля определяется эксцентриситетом эллипса поляризации. Если составляющие поля сдвинуты по фазз на 90°, перпендикулярны друг к другу и равны по величине, эллипс поля­ ризации превращается в окружность (т. е. его эксцентриситет рав­ няется нулю). Если одна из компонент вектора Ах или А2 ста­ новится равной нулю или обе эти компоненты совпадают по напра­ влению, эллипс превращается в прямую (его эксцентриситет становится равным единице). Три типа поляризации электрического поля изображены на рис. 166.

У дневной поверхности, т. е. на границе проводящей и непрово­ дящей сред, электрический ток направлен параллельно границе.

271

Это относится к любым пространственным составляющим вектора плотности тока. Таким образом, у дневной поверхности эллипс поляризации вектора j лежит в плоскости границы воздух — земля. Отметим, что в изотропной среде этот эллипс совпадает с эллипсом поляризации вектора Е, что непосредственно следует из соотношения между векторами Е и j:

j = \Е .

Эллипс поляризации магнитного поля в точках дневной поверх­ ности может располагаться в любой, в том числе и в вертикальной плоскости.

Элементы, характеризующие электрическую и магнитную соста­ вляющие поля (амплитуда, частота, эллиптичность и др.), зависят от частоты поля / или со. Эта зависимость во многом определяется характером геоэлектрического разреза и, в свою очередь, заключает в себе информацию об этом разрезе. В связи с этим в некоторых

ристик можно записать в следующем виде:

A = F(f),

где А — элемент, характеризующий поле (частота, фаза и др.).

§ 2. ПОНЯТИЕ О НЕУСТАНОВИВШИХСЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОЛЯХ

В некоторых методах электроразведки первичное поле возбу­ ждается при помощи заземленных или незаземленных источников, в которых питающий ток изменяется ступенчато, т. е. по следующему

Магнитное и электрическо е поля, создаваемые такими источни­ ками в проводящих средах при 7 <Д 0 , постоянны, а после выключе­ ния тока исчезают не сразу, а постепенно в результате весьма слож­

(рис. 167, а). Детали этого процесса мы рассмотрим ниже для неко­ торых простейших случаев. Переходные процессы возникают не только при выключении тока в питающем контуре, но и при его включении (рис. 167, б).

Характер неустановившихся электромагнитных полей, т. е. их величина и зависимость от времени, существенно зависит от строения геоэлектрического разреза. На этой зависимости основываются некоторые методы электроразведки.

272