3.2.1. Общая характеристика применяемых в электроразведке технических средств
При проведении электроразведочных работ используются следующие технические средства:
• генераторы, вырабатывающие электрический ток необходимой амплитуды и формы;
• источники поля, определенным образом преобразующие ток в электромагнитное поле;
• датчики поля, трансформирующие измеряемые компоненты в разности потенциалов;
• измерители, выполняющие их первичную обработку, усиление, фильтрацию помех, визуализацию и сохранение.
С помощью генераторов и источников создаются контролируемые электромагнитные поля, помимо которых в природе существуют естественные и промышленные поля (рис. 3.4). Датчики и измерители позволяют регистрировать суммарное поле, измененное влиянием электромагнитных свойств Земли.
Рис. 3.4. Схема передачи сигналов в электроразведке
Генераторы используют энергию, запасенную в аккумуляторах либо вырабатываемую двигателем, а на выходе обеспечивают изменение тока с необходимыми характеристиками (амплитуда (I), частота (f), форма импульсов и т. д.).
При изучении глубин до первых сотен метров используют анодные батареи при работах на постоянном токе или портативные генераторы, преобразующие постоянный ток в переменный той или иной частоты и мощности. Генераторы запитываются от аккумуляторов или батарей и обеспечивают ток силой от 1 мА до 1 А. Вес аппаратуры в зависимости от изучаемых глубин меняется от единиц до первых десятков килограммов. Блоки источников питания переносятся персоналом электроразведочных отрядов при переходе с точки на точку полевых съемок и доставляются к месту работ автотранспортом. Более глубинные исследования требуют мощных генераторов, обычно монтируемых на грузовых автомобилях, кораблях, самолетах. При этом используется энергия, вырабатываемая бензиновыми или дизельными двигателями, а величина создаваемого тока составляет 1–100 А. Ток (I) должен измеряться специальными амперметрами.
При работах, особенно во время изучения больших глубин, персоналу приходится работать с напряжениями до 1000 В при токе до 100 А. Это требует знаний и неукоснительных выполнений правил техники электробезопасности.
Ток с выхода генератора подается в источник поля, который создает в Земле электромагнитное поле необходимой структуры. В электроразведке используются следующие виды источников поля.
Постоянное электрическое или переменные низкочастотные (частоты ниже 10 Гц) электромагнитные поля создаются с помощью питающей линии. Она состоит из двух заземлений (обычно металлических штыревых электродов А и В) и проводов в хорошей изоляции, соединяющих их с генератором. В результате образуется замкнутая электрическая цепь, по которой ток (I) течет через генератор, провода и Землю (рис. 3.5). Длина AB может меняться от 1 м до 10 км.
Рис. 3.5. Способы создания электромагнитных полей:
слева — гальванический, с помощью линии AB; справа — индукционный, с помощью петли Q
(I — ток в петле, H — переменное магнитное поле, j — плотность тока, индуцированного в Земле)
Низкочастотное электромагнитное поле можно также создать с помощью незаземленной петли (НП) площадью Q. Она представляет собой незаземленный провод в хорошей изоляции, раскладываемый на поверхности Земли, обычно в форме квадрата со стороной размером от 10 до 1000 м. При этом вырабатываемый генератором ток (I) циркулирует в петле и не затекает в Землю, однако вследствие явления электромагнитной индукции в Земле возникает система замкнутых токов (см. рис. 3.5).
Высокочастотное поле создается с помощью антенн, излучающих электромагнитные волны. Антенны бывают двух типов: электрические, состоящие из двух металлических «усов», или магнитные, тогда они представляют собой рамки из одного витка провода или петли площадью q из многих витков. Размер антенн меняется в пределах от первых десятков сантиметров до первых метров.
Датчики поля преобразуют компоненты электромагнитного поля в параметры, которые можно легко измерить (разности потенциалов или напряжения на MN или НП).
На постоянном токе и токе низких частот электрическое поле измеряется с помощью заземленной приемной линии, которая состоит из двух электродов (М и N) и проводов, соединяющих их с измерителем. Помимо металлических штырей, непосредственно втыкаемых в землю, в качестве электродов в некоторых методах применяют «неполяризующиеся» электроды. В них медный стержень находится в изоляторе, заполненном раствором соли меди и вкопанном в почву, например в трубке из пористой керамики. Длина MN варьирует от 1 м до десятков метров.
Датчиками компонент низкочастотного магнитного поля являются приемные петли (q), не отличающиеся от рассмотренных ранее питающих, или так называемые индукционные датчики, которые представляют собой многовитковые катушки длиной до 2 м. Измеряемая компонента магнитного поля перпендикулярна плоскости петли и параллельна оси индукционного датчика. Соответственно, петли удобно использовать для регистрации вертикальной магнитной компоненты поля (Hz), а более компактные индукционные датчики — для измерения горизонтальных компонент (Hx и Hy).
При измерении высокочастотных полей используются приемные антенны электрического и магнитного типов, аналогичные рассмотренным выше передающим антеннам.
Сигнал с датчика поступает на измеритель. Измерители бывают одно- и многоканальными. В последнем случае к ним может одновременно подключаться много датчиков (обычно от двух до нескольких десятков). Как правило, современные электроразведочные измерители содержат аналоговый и цифровой блоки. Аналоговые усилители и фильтры предназначены для увеличения амплитуды слабых сигналов и подавления помех, например, промышленных, характеризующихся частотой 50 Гц. Далее сигнал оцифровывается с помощью АЦП (аналого-цифрового преобразователя), который характеризуется быстродействием, определенным частотным диапазоном, числом разрядов, обычно не превышающим 24. Цифровая часть измерителя содержит процессор, оперативную память и другие стандартные узлы компьютера. Процессор осуществляет обработку сигнала, включающую цифровую фильтрацию, расчет удобных для дальнейшего анализа параметров и т. д.
На корпусе большинства измерителей размещаются дисплей и клавиатура, позволяющие пользователю управлять прибором и анализировать результаты измерений в реальном времени. Однако многие приборы, применяемые в методах, требующих длительной регистрации в точке наблюдения, этими устройствами не снабжены и управляются с помощью внешнего компьютера (обычно типа ноутбука). Результаты обработки сигнала могут выдаваться на дисплей измерителя или внешнего компьютера и записываться во внутреннюю память прибора или в память управляющего компьютера.
3.2.2. Примеры электроразведочной аппаратуры
Рассмотрим некоторые виды аппаратуры для наземной электроразведки, получившие распространение в России в начале XXI в.
Аппаратура для метода сопротивлений предназначена для детального изучения верхней части разреза (до первых десятков метров), поэтому ориентирована на применение малых (порядка 100 м) установок с частым шагом по профилю (см. 3.1.2). В теории электроразведки показано, что при таком размере установки структуры полей постоянного тока и тока небольшой частоты (до 20 Гц) не отличаются. В то же время использование переменного тока позволяет за счет частотной фильтрации сигнала повысить помехоустойчивость. Поэтому часто аппаратура для метода сопротивлений работает на низкочастотном переменном токе.
Примером электроразведочной аппаратуры метода сопротивлений может служить комплект ERA-MAX (С.-Петербург). В него входят портативные (вес 1–2 кг) генератор и одноканальный измеритель, а также оборудование для возбуждения и регистрации поля (провода в хорошей изоляции, электроды и прочее оборудование). Величина создаваемого генератором тока не превышает 0,2 А, основные рабочие частоты — 0, 4,88 и 625 Гц. На частоте 4,88 Гц работа ведется с заземленными линиями AB и MN. Важной особенностью аппаратуры является то, что она может также работать и с незаземленными линиями — на частоте 625 Гц, за счет возникающей сильной емкостной связи проводов с землей. Возможность использования постоянного тока позволяет также проводить измерения методом естественного поля (ЕП).
Для повышения производительности наблюдений создана аппаратура для многоэлектродных исследований методом сопротивлений. При этом первоначально заземляется и подключается к генератору и измерителю большое число (десятки) электродов, а затем автоматически производится подключение генератора и измерителя поочередно к различным парам электродов.
Например, аппаратура Iris SYSCAL-PRO (Франция) обычно применяется с установкой, включающей 48, 72 или 96 электродов. За счет наличия 10 измерительных каналов можно одновременно регистрировать сигнал от 10 пар электродов, чем обеспечивается очень высокая скорость измерений. Однако громоздкость аппаратуры и оборудования для многоэлектродных измерений (большое число проводов и электродов) делает их использование целесообразным только при необходимости максимально детального исследования небольших участков.
Аппаратура для низкочастотной электроразведки в основном предназначена для изучения глубин свыше 100 м и потому включает как портативные, так и мощные стационарные генераторы, позволяющие создавать поля большой интенсивности. Примером стационарного генератора является УКТ-02М (Москва), создающий в питающей линии AB или петле площадью Q ток силой до 300 А и частотой до 50 кГц. Он характеризуется весом до 100 кг и размером примерно 1,5 × 0,5 × 0,5 м3. Такой генератор обычно монтируется на грузовом автомобиле и запитывается от специального мощного двигателя. Генератор предназначен для применения в методах частотного зондирования (ЧЗ), зондирования становлением поля (ЗС) и вызванной поляризации (ВП) (см. 3.1.2).
Для работ этими и другими методами электроразведки на больших глубинах (свыше 1 км) применялись различные электроразведочные станции (ЭРС), смонтированные на одной или двух автомашинах. На одной автомашине электроразведочной станции, называемой генераторной группой, расположены один (на легковой автомашине) или два (на грузовой автомашине) генератора постоянного тока. Роторы генераторов вращаются от двигателя автомобиля через специальную коробку отбора мощности и дополнительный кардан. Выходное напряжение у каждого генератора регулируют изменением числа оборотов коленчатого вала двигателя автомобиля. Оно может достигать 500 В при токе до 25 А. С помощью электромагнитных контакторов постоянный ток подают в питающую линию (АВ или Q). Применяя тиристорные коммутаторы, управляемые специальным транзисторным генератором, постоянный ток можно превратить в переменный в диапазоне 10–3–103 Гц. Он служит для выполнения зондирования на переменном токе. В генераторной группе установлены приборы для контроля, регулировки и измерения тока в питающей линии.
Измерительная (полевая) лаборатория ЭРС располагается на второй автомашине. Она предназначена для автоматической регистрации разностей потенциалов на приемных электродах MN или на приемной петле площадью q. Для этого в станции установлены специальные цифровые регистраторы сигналов. Цифровая запись результатов позволяет обрабатывать материалы электроразведки с помощью обычных ЭВМ. Аналогичным образом устроена электроразведочная станция для морских электромагнитных зондирований. Для измерения сигналов на MN или q могут использоваться и некоторые рассмотренные ниже переносные приборы.
Например, для регистрации искусственного гармонического низкочастотного поля при проведении работ методами ЧЗ и ВП может применяться одноканальный измеритель МЭРИ (Москва). Этот портативный (вес около 2 кг) прибор позволяет записывать сигнал на выходе датчиков электрической или магнитной компоненты в диапазоне частот от 0,02 до 625 Гц. Измеритель обладает графическим дисплеем и 20-кнопочной клавиатурой для оперативного анализа результатов наблюдений и измерения параметров.
Измеритель Phoenix MTU-5 (Канада) отличается наличием пяти каналов для регистрации электрических (Ex, Ey) и магнитных (Hx, Hy, Hz) компонент поля. Однако просматривать результаты измерений и менять настройки можно лишь с помощью внешнего компьютера. Прибор ориентирован на длительную автономную регистрацию, требуемую в методе магнитотеллурического зондирования (МТЗ), основанном на изучении естественного низкочастотного поля Земли. Впрочем, возможна и регистрация искусственных полей от генераторной группы или переносных генераторов (методы ЧЗ, ЗС, ВП) с последующей обработкой сигналов на компьютере. Частотный диапазон измерителя составляет от 0,0003 до 300 Гц, в модификации MTU-5A — от 0,1 до 20 000 Гц.
Аппаратура ЦИКЛ-5 (Новосибирск) предназначена для проведения работ методом ЗС. В комплект входят генератор и одноканальный измеритель, к которым обычно подключаются соответственно питающая и приемная петли. Масса приборов составляет 3–5 кг, управление их работой и анализ результатов осуществляются с помощью внешнего компьютера. Питание генератора осуществляется с помощью аккумуляторов, амплитуда импульсов тока достигает 20 А. Измерение сигнала может производиться в диапазоне времен от 0,4 мкс до 56 с после выключения тока.
Аэроэлектроразведочные станции бывают трех типов. Один из них предназначен для электромагнитного низкочастотного профилирования с наземной питающей и воздушной приемной установками (АЭРО-ДК). Станция состоит из наземной генераторной группы, которая питает переменным током в диапазоне частот от 0,1 до 10 кГц либо длинный (до 30 км) кабель, либо большую (в поперечнике до 5 км) незаземленную петлю (НП). Измерительная лаборатория с помощью рамочной антенны, расположенной вокруг фюзеляжа вертолета, самолета или в выносной гондоле, автоматически регистрирует амплитуды и фазы напряженности магнитного поля. Для фазовых измерений в генераторной группе (питающий кабель) и на самолете установлены радиостанции, с помощью которых ведется передача и прием фазы.
Второй тип аэроэлектроразведочных станций также односамолетный. В нем и генераторная, и измерительная (регистрирующая) установки расположены на одном самолете. Такие станции предназначены для радиокомпарационной съемки (СДВР), радиоэлектромагнитного профилирования (РЭМП), дипольного низкочастотного профилирования (ДИП-А), воздушной съемки переходных процессов (МПП-А). Вокруг самолета или вертолета закрепляют генераторную петлевую антенну, а измерительную антенну на кабеле длиной до 50 м помещают в выносной гондоле. В результате регистрируют те или иные составляющие магнитного поля.
Третий вариант аэроэлектроразведочных станций — двухсамолетный. На одном из них располагают генераторную установку с петлевой антенной, а на другом — регистрирующее устройство с приемной петлевой антенной.
Среди аппаратуры для высокочастотной электроразведки наибольшее распространение получили георадары. В комплект георадара входят управляющий блок, содержащий в себе генератор импульсов и измеритель, а также набор антенн. Чем больше антенна, тем ниже центральная частота зондирующего импульса, и соответственно больше глубина проникновения поля, но меньше детальность. Например, георадар «ОКО-2» (Москва) может работать с антенными блоками размером от 20 см до 2,5 м, соответственно центральная частота меняется от 90 до 1700 МГц, а глубинность составляет несколько метров. Измеряемый сигнал записывается в память, а также в реальном времени отображается в виде радарограммы на экране внешнего компьютера.