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

Зависимость поля от времени описывается п е р е х о д н ы м и

где А — некоторый элемент поля (Е, Н, j или др.).

Следует иметь в виду, что в линейных системах, к которым при­ надлежит геоэлектрический разрез, все элементы, характеризующие электромагнитное поле, связаны с током в возбуждающем поле устройстве прямопропорциональной зависимостью. Для таких си­ стем между частотной характеристикой какого-либо элемента поля

стационарное поле.

А = / (со) и его переходной характеристикой А = Ф (t) имеется однозначная связь, определяемая интегралом Фурье:

Пользуясь приведенным выше выражением, частотную харак­ теристику любой компоненты поля можно пересчитать в переходную. Из этого, однако, не следует, что при помощи методов переменного поля, использующих гармонические поля, можно получить практи­ чески одинаковую с методами нестационарных полей информацию об геоэлектрическом разрезе. В некоторых случаях оказывается выгодным при полевых измерениях непосредственно изучать частот­ ные характеристики, а в других — переходные. Практические пере­ счеты одних в другие неизбежно связаны с ошибками и частичной потерей информации.

Существует два основных способа возбуждения нестационарных полей. Первый из них характеризуется тем, что поле возбуждается единичным резким (например, ступенчатым) изменением тока в источ­ нике поля. Второй способ заключается в возбуждении первичного

поля серией периодически следующих друг за другом импульсов тока в источнике поля. Исследуются переходные процессы после каждого импульса. Периодически импульсное возбуждение поля позволяет при измерении переходных процессов использовать прин­ цип накопления полезного сигнала и тем самым способствует повы­ шению помехоустойчивости измерительного устройства.

§ 3. СПОСОБЫ ВОЗБУЖДЕНИЯ И ИССЛЕДОВАНИЯ ПЕРЕМЕННЫХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ

ВЭЛЕКТРОРАЗВЕДКЕ

Вэлектроразведке применяют два способа возбуждения перемен­ ных электромагнитных полей. В первом способе полюсы источника переменного тока гальванически связывают с землей при помощи заземленных электродов. Поле этих электродов является основной причиной возникновения переменного электрического тока в земле.

Здесь мы видим аналогию с постоянным электрическим полем, также создаваемым в земле при помощи заземленных электродов. Однако эта аналогия не полная. Ток, текущий в проводах, соеди­ няющих источник электрического тока с заземлениями, создает

вокруг себя переменное магнитное поле. В этом поле находится проводящая неоднородная среда — земля. Как известно, во всяком проводящем теле, находящемся в переменном магнитном поле, инду­ цируется э. д. с. и, следовательно, возникает вторичный или инду­ цированный ток. В земле этот ток носит весьма сложный характер. Поля токов, возбужденных гальванически и индуктивно, наклады­ ваются друг на друга.

Второй способ возбуждения переменного электромагнитного поля в земле заключается в том, что на дневной поверхности устанавли­ вают одновитковую или многовитковую рамку и через нее пропу­ скают переменный электрический ток, который создает переменное магнитное поле. В этом поле оказывается проводящая среда — земля, в которой индуцируются вторичные электрические токи. Поле этих токов (электрическое или магнитное) исследуется на днев­ ной поверхности.

В тех методах электроразведки, в которых исследуют электро­ магнитные поля радиоволновых частот, замкнутая рамка может быть заменена открытым излучающим контуром — вертикальной (штыревой) или горизонтальной антеннами.

В некоторых методах индуктивное возбуждение поля произ­ водится при помощи одиночных витков провода больших размеров (сотни метров и единицы километров в поперечнике), обтекаемых переменным током.

Индуктивное возбуждение поля имеет принципиальные преиму­ щества при решении некоторых геологических задач (они будут

рассмотрены ниже).

Техническим преимуществом индуктивных способов возбужде­ ния переменных токов в земле является отсутствие заземлений

274

в питающей установке. Это особенно существенно при работе в зим­ нее время, когда очень трудно заземлять электроды в плохо про­ водящий слой мерзлоты, а также при работе в горных условиях при отсутствии проводящих рыхлых отложений, в которые можно заземлять электроды.

Электромагнитное поле в каждой точке среды характеризуется двумя величинами — напряженностью электрического поля Е и на­ пряженностью магнитного поля Н. Каждая из этих двух величин определяется, с одной стороны, положением и формой источников поля и его частотой, а с другой — свойствами той среды, в которой действует это поле. Изучение величин Е и Н в отдельности, а также определение соотношения этих компонент поля могут дать материал для суждения о геоэлектриче-

(рис. 168, а). В этом витке будет индуцироваться переменная элек­ тродвижущая сила е, величина которой в вольтах согласно закону Фарадея равна одной стомиллионной части того числа силовых линий, на которое изменяется в одну секунду поток магнитного поля через площадь, ограниченную витком, т. е.

где Ф — магнитный поток через площадь S витка:

Ф = SH0COS(£>t.

Таким образом,

e — —d (SH0cos (ot)/dt = SH0nosin cot.

e = SH0(o •10' 8 cos (соt — 90°).

Обозначив SH0co*10~ 8 через e0, в окончательном виде найдем

Если виток расположен так, что нормаль к его плоскости соста­ вляет с вектором Н угол а (рис. 168, б), то магнитный поток Ф через площадь S витка будет

Ф = 5Я„;

здесь Н п — составляющая вектора напряженности магнитного поля, нормальная к плоскости витка:

Нп= Н cos а = Н0cos а cos соt.

В последнем выражении амплитудное значение компоненты

Тогда выражение для магнитного потока через виток с учетом введенных обозначений можно написать

Ф = Ноп cos соt.

Из этого выражения следует, что амплитудное значение век­ тора Ф, а следовательно, и э. д. с., наводимая в витке, зависят лишь

Таким образом, мы показали, что амплитудное значение э. д. с., наведенной в рамке, прямо пропорционально амплитудному значе­ нию компоненты напряженности магнитного поля, перпендикуляр­ ной к плоскости витков рамки, а фаза этой э. д. с. отстает на 90° от фазы магнитного поля. Указанное обстоятельство позволяет применить рамку для измерения магнитного поля.

При измерении переходных процессов в магнитном поле э. д. с., наведенная в измерительной рамке, согласно (IX.8 ), пропорци­ ональна скорости изменения поля со временем (первой производной от Н по t).

При измерении магнитного поля к зажимам рамки подключают прибор, измеряющий э. д. с. на выходе рамки. Обычно в качестве такого прибора применяют ламповые либо транзисторные вольт­ метры. Показания вольтметра пропорциональны амплитудному зна­ чению напряженности магнитного поля по направлению, перпенди­ кулярному к плоскости витков рамки. В некоторых случаях измеряют также фазы наведенных в рамке э. д. с.

Напряженность переменного электрического поля в земле, так же как и при электроразведке постоянным током, определяют при помощи двух электродов, заземленных в точках, между которыми нужно измерить переменную разность потенциалов. К электродам

2 7 6

подключают какое-либо измерительное устройство, рассчитанное на переменный ток, — компенсатор переменного тока или микро­ вольтметр.

Разность потенциалов, измеренная этим устройством и отнесен­ ная к расстоянию между электродами, т. е. AUjr, приближенно равна напряженности электрического поля в центре отрезка между измерительными электродами.

§ 4. НОРМАЛЬНЫЕ ПОЛЯ

Нормальное поле плоской электромагнитной волны. Под п л о с -

лей постоянна.

Напряженность электрической и магнитной составляющих поля плоской волны, распространяющейся в направлении оси z, опре­ деляется следующими выражениями:

Ех ^ Ехое~Ьг cos (соt — az + cp0r),

Еу = Eyoe~bzcos (со* — az + фог,),

так, что за время Ait ее координата изменяется на Az; тогда фаза любой компоненты поля изменится на величину

a Az — со At.

2 7 7