Геофизика

3.3.1. Сущность и методика электромагнитных зондирований

3.3.2. Сущность и методика электромагнитных профилирований

3.3.3. Подземные методы электроразведки

* * *

Как отмечалось в начале данной главы, методы электроразведки условно подразделяются на зондирования, которые дают лучшие результаты при изучении горизонтально слоистых толщ, когда электромагнитные свойства слоев меняются по вертикали; профилирования, предназначенные для изучения крутозалегающих слоев и выделения локальных геоэлектрических неоднородностей в горизонтальном направлении; объемные методы просвечивания пород между выработками и скважинами. Рассмотрим сущность этих основных методов электроразведки.

3.3.1. Сущность и методика электромагнитных зондирований

3.3.1.1. Общая характеристика электромагнитных зондирований (ЭМЗ)

ЭМЗ — это группа методов электроразведки, в которых аппаратура, методика и система наблюдений направлены на то, чтобы в каждой точке зондирования получить информацию об изменении электромагнитных свойств среды с глубиной. На изучаемом участке параметры используемого поля и установок изменяют таким образом, чтобы они постепенно характеризовали все большие глубины. Для увеличения глубинности электроразведки используют следующие приемы: дистанционный (геометрический), когда постепенно увеличивают расстояния (r) между питающими и приемными электриче­скими линиями, и частотно-временной, основанный на уменьшении скин-эффекта путем увеличения периода гармонических (квазигармонических) колебаний (Т) или времени (t) становления импульсного поля (переходного процесса в Земле).

Для зондировании применяют одно- и многоканальные приборы и электроразведочные станции постоянного или переменного тока разной частоты. Получаемые в результате зондирований те или иные наблюденные или расчетные параметры (чаще всего это кажущиеся сопротивления — КС) для разных параметров глубинности (Пг) характеризуют изменение геоэлектрического разреза с глубиной. В результате можно строить кривые зондирований, т. е. графики зависимостей кажущихся сопротивлений от параметров глубинности (КС от Пг), или разрезы КС — по вертикали откладываются Пг, проставляются КС и проводятся изолинии КС. За Пг принимают r, или .

Теория и практика электромагнитных зондирований базируются на математическом моделировании прямых и обратных задач для горизонтально-слоистых и более сложных моделей. Зондирования дают лучшие результаты при изучении горизонтально и полого залегающих (углы падения меньше 10–15°) сред. В результате количественной интерпретации кривых электромагнитных зондирований получают послойные или обобщенные геометрические параметры (мощности, глубины залегания) и электромагнитные свойства разреза (ρ, η, ε). Они определяются достаточно точно только тогда, когда мощности слоев или толщ превышают их глубины залегания. В иных случаях для интерпретации нужна дополнительная геолого-геофизическая информация. По совокупности профильных или площадных зондирований строят геоэлектрические разрезы (по вертикали откладывают мощности слоев, внутри них проставляют значения электромагнитных параметров и проводятся границы слоев) или строятся карты разных параметров, характеризующих те или иные части этих разрезов.

Электромагнитные зондирования применяют для решения широкого круга задач, связанных с расчленением пологослоистых геологических разрезов с изменяющимися по глубине и от точки к точке электромагнитными свойствами. Основными из них являются: а) оценка мощности и состава покровных и коренных отложений, расчленение осадочных толщ, определение глубины залегания фундамента, что очень важно для структурно-геологического объемного картирования; б) оценка геометрических параметров и физического состояния массива горных пород, представляющая большой интерес для инженерно-геологического, мерзлотно-гляциологического и гидрогеологического картирования; в) поиски пластовых, рудных и нерудных полезных ископаемых; г) изучение геосфер Земли и глубинной электропроводности. Рассмотрим основные методы ЭМЗ.

3.3.1.2. Электрические зондирования

Электрические зондирования — это модификация метода сопротивлений на постоянном или низкочастотном (до 20 Гц) токе, в которой в процессе работы расстояние между питающими электродами или между питающими и приемными линиями (разнос) постепенно увеличивают, т. е. используют дистанционный (геометрический) принцип изменения глубинности. Чем больше разнос, тем больше глубина проникновения тока, а график зависимости кажущегося сопротивления (ρк) от разноса (r) или кривая зондирований характеризует изменение удельных электрических сопротивлений с глубиной. Поэтому в результате их интерпретации разрез расчленяют по вертикали.

Различают две модификации зондирований: вертикальные электрические зондирования (ВЭЗ), применяемые для разведки на небольших глубинах (до 300–500 м), и дипольные электрические зондирования (ДЭЗ), применяемые для разведки на глубинах 0,5–5 км.

Методика вертикальных электрических зондирований. Вертикальное электрическое зондирование выполняют чаще всего симметричной четырехэлектродной градиент-уста­новкой с MN < AB/3 (рис. 3.6). Работы проводят следующим образом. В избранной для зондирования точке (центре зондирования) устанавливают переносной электроразведочный прибор, батарею или генератор, две катушки с проводом для разноса питающих электродов (АВ), и на небольшом расстоянии (1–2 м) друг от друга заземляют два приемных электрода (MN). Направление, по которому должны разноситься питающие и приемные линии, выбирают исходя из геологических и топографических соображений. Вдоль линии MN заземляют питающие электроды АВ на расстоянии 1,5–3 м от центра и измеряют ток в питающей линии и разности потенциалов на приемных электродах. Далее рассчитывают ρк = k · ∆U/I (см. формулу (3.5)), где k = 0,1π · AM · AN/MN — коэффициент установки (множитель 0,1 берется тогда, когда ∆U измеряют в милливольтах, а I — в сантиамперах).

Рис. 3.6. Схема установки вертикального электрического зондирования:

КА, KВ — катушки с проводом; 1 — батарея (или генератор);
2 — измеритель тока в АВ и разностей потенциалов на MN

Далее разносы питающих электродов последовательно увеличивают (в геометрической прогрессии) и для каждого разноса рассчитывают ρк. Зондирования трех- и четырехэлектродными установками (см. 3.1.2) называются вертикальными электрическими (ВЭЗ). Длина АВ/2 = r в ВЭЗ может быть, например, принята 1,5; 2,2; 3; 4,5; 5; 8; 10; 15; 22; 30; 45; 60; 80; 100 м и т. д. При этом, когда AB/2 изменяется от 1,5 до 10 м, MN = 1 м; при АВ/2 от 15 до 100 м MN = 10 м; при АВ/2 от 150 до 1000 м MN = 100 м. По результатам измерения ρк на дисплее компьютера или на бланке с логарифмическим масштабом по осям координат (бланк ВЭЗ с модулем 6,25 см) строят кривую ВЭЗ: по вертикали откладывают ρк, а по горизонтали — величину полуразноса r = АВ/2 (рис. 3.7, 3.8).

Рис. 3.7. Двухслойные кривые ВЭЗ с ρ1 < ρ2 (а) и ρ1 > ρ2 (б)

Рис. 3.8. Многослойные кривые ВЭЗ:

трехслойные типа Н (а) и типа К (б), пятислойная типа HKQ (в)

После окончания зондирования и построения кривой ВЭЗ аппаратуру и оборудование переносят на новую точку. Обычно точки зондирований располагают вдоль разведочных линий. Расстояния между соседними точками ВЭЗ изменяются от нескольких десятков до нескольких сотен метров и должны быть сравнимы с проектируемыми глубинами разведки. Максимальный разнос АВ/2 выбирают в 3–10 раз больше этих глубин.

Рассмотрим несколько типичных разрезов и получаемых над ними кривых ВЭЗ, поясняющих физико-геологический смысл зондирований. Пусть имеется двухслойный разрез: сверху — наносы, внизу — граниты (рис. 3.7 а). При малых разносах (AB < h1) ρк ≈ ρ1. С увеличением разносов ток будет отжиматься плохо проводящими подстилающими породами к поверхности, поэтому возрастут его плотность и ρк (см. формулу (3.7)). Очевидно, что на больших разносах (АВ > 10 h1) ρк → ρ2. В результате зондирования получают двухслойную кривую ВЭЗ для случая ρ1 < ρ2. Кроме такой восходящей, могут наблюдаться и нисходящие кривые ВЭЗ, если ρ1 > ρ2 (рис. 3.7 б).

Рассмотрим трехслойный разрез, в котором сверху залегают пески, ниже — хорошо проводящие ток глины, а еще ниже— изверженные породы с высоким сопротивлением (рис. 3.8 а). При малых разносах АВ ρк → ρ1, с увеличением разносов ток стремится войти во второй проводящий слой. Значит, вблизи MN уменьшаются плотность тока и ρк. При очень больших разносах ток будет проходить в основном в третьем слое, а при АВ/2 → ∞ ρк → ρ3. Трехслойные кривые, у которых ρ1 > ρ2 < ρ3, называют кривыми типа Н. Представим, что под наносами залегает мощная толща карбонатных пород — сухих в верхней части и обводненных в нижней (ниже уровня подземных вод). На полученной над таким разрезом кривой ρк будет максимум (рис. 3.8 б). Подобные кривые называют кривыми типа К. Как видим, двухслойный геологический разрез по данным электроразведки выявляется как трехслойный. Этот пример показывает, что далеко не всегда литологические слои соответствуют электрическим горизонтам. Если ρ1 < ρ2 < ρ3, то кривую называют кривой типа А, если ρ1 > ρ2 > ρ3 — кривой типа Q.

На практике обычно получают многослойные кривые ВЭЗ. Они имеют буквенное обозначение, состоящее из типов тех трехслойных кривых, из которых состоит данная многослойная. Например, кривая, приведенная на рис. 3.8 в, — пятислойная типа HKQ.

Методика дипольных электрических зондирований. Если надо изучить разрез на больших глубинах (несколько сотен метров), то разносы АВ приходится увеличивать до 10 км. При таких разносах проводить ВЭЗ сложно. В этом случае предпочитают использовать дипольные установки (азимутальные, радиальные и др.). При дипольных электрических зондированиях (ДЭЗ) измеряют кажущееся сопротивление при разных расстояниях или разносах (r) между питающим и приемным диполями (рис. 3.9). Электроды относят либо в одну сторону от неподвижного питающего диполя (одностороннее ДЭЗ), либо вначале в одну, а затем в противоположную сторону (двустороннее ДЭЗ).

Рис. 3.9. Схема проведения дипольного азимутального зондирования:

ГГ — генераторная группа; ПЛ — полевая лаборатория; I — дорога

Дипольное зондирование выполняют с помощью электроразведочных станций. Сначала проводят топографическую подготовку работ. В зависимости от условий передвижения электроразведочных станций ДЭЗ можно выполнять по криволинейным маршрутам, приуроченным к дорогам, рекам и участкам, к которым может быть доставлена полевая лаборатория. На рисунке 3.9 приведена схема увеличения разносов дипольного азимутального зондирования. Величина R должна увеличиваться примерно в геометрической прогрессии (например, R = 0,5; 1; 1,5; 2,5; 4;6; 10; 15; 20; 30 км).

Измерив ток в линии АВ (I1) и разность потенциалов на MN (∆U1), можно получить ρк = k1∆U1/I1, где k1 — коэффициент дипольной установки (3.6). После этого полевая лаборатория переезжает на новую точку — О2. По радио устанавливают связь между станциями, снова измеряют ∆U, I и рассчитывают ρк.

В результате в двойном логарифмическом масштабе строят кривую ДЭЗ: по горизонтали откладывают r (в азимутальном и экваториальном зондированиях) или r/2 (в радиальном или осевом зондировании), а по вертикали — ρк. Форма кривых ДЭЗ, их названия такие же, как и у кривых ВЭЗ.

При морских электрических зондированиях используют дипольные осевые установки, а сами зондирования проводят непрерывно (НДОЗ). В процессе выполнения НДОЗ приемная линия и регистрирующая аппаратура, установленные на приемном судне, остаются неподвижными. Питающая линия непрерывно перемещается на генераторном судне сначала в одну, а затем в другую сторону от приемной линии. После обработки автоматических записей токов и разностей потенциалов рассчитывают кажущиеся сопротивления для разных расстояний между питающей и приемной линиями и строят кривые ДЭЗ.

3.3.1.3. Зондирование методом вызванной поляризации

Вертикальное электрическое зондирование методом вызванной поляризации (ВЭЗ-ВП) по методике работ и глубинности разведки мало чем отличается от рассмотренного выше ВЭЗ. ВЭЗ-ВП предназначено для расчленения разреза с разной поляризуемостью слоев. С помощью специальной одно- или многоканальной аппаратуры для метода ВП кроме ∆U, измеряемого, как и в методе ВЭЗ, во время пропускания тока (I) в АВ определяют ∆UВП через 0,5 с после отключения тока. В результате кроме ρк = k ∆U/I рассчитывают ηк = (∆UВП/∆U) · 100 % — кажущуюся поляризуемость. Далее на бланках с логарифмическим масштабом по осям координат (бланках ВЭЗ) наряду с кривыми ВЭЗ строят кривые ВЭЗ-ВП: по горизонтали откладывают АВ/2, по вертикали — ηк. При количественной интерпретации ВЭЗ-ВП расчленяют разрез, т. е. определяют мощности, удельные электрические сопротивления и поляризуемости слоев горизонтально-слоистого разреза.

3.3.1.4. Магнитотеллурические методы

К магнитотеллурическим методам (МТМ) относят ряд методов электроразведки, основанных на изучении естественных (магнитотеллурических) полей космического происхождения широкого диапазона периодов (см. 3.1.2.1). По сравнению с другими методами электроразведки глубинность у них наибольшая (до 500–1500 км). Основными МТМ являются магнитотеллурическое зондирование (МТЗ), магнитовариационное зондирование (МВЗ), метод теллурических токов (МТТ), магнитотеллурическое и магнитовариационное профилирования (МТП и МВП). МТМ служат для расчленения и толщ горных пород, и оболочек Земли с разными УЭС.

Магнитотеллурическое зондирование. Магнитотеллурическое зондирование (МТЗ) и его глубинный вариант (ГМТЗ) основаны на изучении вариаций электрических и магнитных составляющих магнитотеллурических полей в широком, изменяющемся на два порядка и более, интервале периодов колебаний. Вследствие скин-эффекта глубина проникновения электромагнитного поля в землю тем больше, чем меньше частота (f) или больше период колебаний (T = 1/f). Иными словами, длиннопериодные «теллурики» проникают на большую глубину, т. е. несут в себе информацию о глубинном строении, а короткопериодные вариации проходят на небольшую глубину и характеризуют только верхние части геологического разреза.

Методика МТЗ сводится к длительным (часы) измерениям на одной точке взаимно перпендикулярных компонент (Еx, Ну, Еу, Нх) магнитотеллурического поля различного периода (не менее пяти–восьми значений Е и Н, различающихся по периоду примерно в 1,5 раза) с помощью электроразведочных станций. Общий вид магнитотеллурограмм приведен на рис. 3.10.

Рис. 3.10. Общий вид магнитотеллурограмм

При наземных и морских работах точки МТЗ располагают либо по системам профилей, либо равномерно по площади. Расстояния между точками изменяют от 1 до 10 км.

В результате их обработки рассчитывают так называемые кажущиеся сопротивления:

которые для однородного полупространства одинаковы и равны его истинному удельному сопротивлению (см. формулу (3.1)). Для неоднородной среды ρT — сложная функция геоэлектрического разреза, определяемая в результате решения прямых задач МТЗ с помощью ЭВМ и зависящая от мощностей и сопротивлений слоев разреза. Далее на дисплее или на бланках с логарифмическим масштабом по осям координат строятся кривые МТЗ. По горизонтальной оси откладывают — величину, пропорциональную глубинности исследования (чем больше Т, тем больше глубина разведки), а по вертикальной оси — кажущиеся сопротивления ρTxy, ρTyx и среднее (рис. 3.11). Кривые МТЗ похожи на кривые ВЭЗ.

Магнитовариационное зондирование (МВЗ) и его глобальный вариант (ГМВЗ) основаны на пространственно-временном анализе вариаций магнитных (Н) составляющих магнитотеллурического поля в широком диапазоне периодов (Т) от часов до нескольких лет. Методика МВЗ в отличие от МТЗ сводится к регистрации только магнитных составляющих как в ходе профильных и площадных съемок (МВЗ), так и при непрерывных наблюдениях на сети обсерваторий мира (ГМВЗ). Изучаемыми параметрами МТ-поля являются отношения вертикальной и горизонтальных магнитных составляющих, называемых магнитовариационным импедансом (ZН), или «типпером».

Рис. 3.11. Амплитудные кривые МТЗ: ρTxy (1), ρTyx (2), ρT (3)

С помощью специальной математической (компьютерной) обработки получаются зависимости ZН(T). Далее строятся кривые МВЗ, по горизонтали откладывается — параметр, пропорциональный глубинности исследований, по вертикали — ZН. Интерпретация кривых МВЗ (особенно совместно с кривыми МТЗ) дает более точную информацию об изменении электропроводности (или величины обратной — УЭС) Земли на разных глубинах, что важно для структурно-тектонического картирования земной коры.

ГМВЗ является одним из методов планетарной геофизики. Зарегистрировав вариации с периодами: часы, сутки, годы (например, связанные с 11-летними изменениями солнечной активности), можно оценить, как меняется электропроводность Земли до глубин свыше 1400 км. Кривые изменения электропроводности с глубиной качественно совпадают с кривыми изменениями скоростей распространения упругих волн по данным сейсмологии и глубинной сейсморазведки.

Методы теллурических токов, магнитотеллурического и магнитовариационного профилирований являются ускоренными вариантами МТЗ и МВЗ благодаря регистрации вариации узкого диапазона периодов, а значит, изучения лишь определенного интервала глубин. При съемке теллурических токов (МТТ) одновременно регистрируют синхронные вариации электрических составляющих поля Ех и Еу на одном базисном (опорном) и на одном из рядовых пунктов изучаемой площади. Для синхронизации работ двух или нескольких станций, расположенных на расстоянии до 30–50 км от базисного пункта, используют радиостанции и специальные приборы, называемые телевключателями. В результате обработки записей поля теллурических токов рассчитывают разные теллуропараметры. Например, чаще всего определяют теллуропараметр где Δ(Ei), Δ(Е0) — синхронные вариации поля на любой рядовой и базисной точках. Этот параметр характеризует относительные значения плотностей естественных токов и кажущихся сопротивлений в этих точках.

В отличие от МТТ при магнитовариационном профилировании (МВП) на полевых и базисных пунктах регистрируют вариации только магнитного поля. При магнитотеллурическом профилировании (МТП) на полевых пунктах одновременно регистрируют и электрические (Ех, Еу), и магнитные (Нх, Ну, Нz) составляющие поля. При обработке магнитотеллурограмм на всех пунктах выделяются вариации примерно одного небольшого интервала периодов колебаний. Рассчитываются импедансы (Zxy = Ex/Hy или Zyx = Ey/Hx), которые характеризуют обобщенный геоэлектрический разрез примерно одной глубины. В комбинированном магнитотеллурическом профилировании (КМТП) перечисленные параметры изучают синхронно и на полевом, и на базисном пунктах. Полевые работы при магнитотеллурическом профилировании выполняются по профилям и на площадях с расстояниями между точками около 1 км.

3.3.1.5. Зондирование методом становления поля

Зондирование методом становления поля (ЗС, или ЗСП) основано на изучении становления (установления) электрической (ЗСЕ) и магнитной (ЗСМ) составляющих электромагнитного поля в геологических толщах при подаче или выключении прямоугольных импульсов постоянного тока в заземленную линию (АВ) или незаземленную петлю (НП). Длительность и характер становления поля связаны с распределением удельного электрического сопротивления пород на разных глубинах. Изменение глубинности разведки в методе ЗС объясняют следующим образом (см. формулу (3.9)). При включении импульса тока в питающую линию или петлю электромагнитное поле распространяется сначала в приповерхностных частях разреза, а в дальнейшем проникает все глубже и глубже. При этом в среде происходят сложные переходные процессы. В результате форма регистрируемого импульса будет отличаться от формы импульса, поданного в питающую установку. Малым временам становления поля соответствует информация об электропроводности верхних геологических горизонтов, большим временам — нижних. Максимальная глубинность ЗС около 5 км. Зондирование становлением поля выполняют с помощью электроразведочных станций при неизменном расстоянии между питающим и измерительным диполями. Электрическую и магнитную составляющие записывают одновременно автоматически.

Различают два варианта зондирования становлением поля: зондирование в дальней от питающего диполя зоне (ЗСД) и зондирование в ближней зоне (ЗСБ), называемое точечным (ЗСТ). При выполнении ЗСД используют дипольные установки. Расстояние (r) между генераторной группой и полевой лабораторией выбирают постоянным, в 3–6 раз бОльшим предполагаемой глубины залегания изучаемого опорного горизонта (как правило, кристаллического фундамента). В результате обработки записей становления поля рассчитывают кажущиеся сопротивления по электрической (ρτE) и магнитной (ρτH) составляющим для разных времен становления поля (t), т. е. для разных времен после включения или выключения тока в линию АВ или петлю по следующей формуле:

где kE, kH — геометрические коэффициенты установок; ΔUE(t) или ΔUH(t) — напряжения, снимаемые с приемных линий (MN) или незаземленных петель (НП) площадью q для разных времен t; I — ток в питающем диполе. Имея примерно 7–10 значений ρτE, ρτH для разных времен, можно построить кривые становления поля, т. е. графики зависимости ρτ от параметра , пропорционального глубинности разведки. Кривые ЗСД строят в логарифмическом масштабе по осям координат в бумажном варианте или на дисплее компьютера.

В методе ЗСБ разнос (r) постоянен и меньше проектируемых глубин разведки. В результате обработки записей ЗСБ получают значения разностей потенциалов в приемной петле ΔUZ. Зная ток в питающей линии (I) и коэффициент установки (k), рассчитывают кажущееся сопротивление:

Далее, как и при ЗСД, строят кривые ЗСБ.

Зондирования становлением поля выполняют по отдельным профилям или равномерно по площади. Расстояние между точками изменяют от 0,5 до 2 км. В результате интерпретации ЗС получают глубины залегания опорных (особенно с высоким сопротивлением) горизонтов. Из-за небольших размеров установок ЗСБ отличается от ЗСД большей детальностью и разрешающей способностью.

3.3.1.6. Частотные электромагнитные зондирования

Методы частотного электромагнитного зондирования (ЧЗ) основаны на изучении электрической или магнитной составляющих электромагнитного поля, созданного в земле в дальней зоне от питающего электрического диполя (АВ) или незаземленной петле (НП), которые питаются гармоническим переменным током с постепенно изменяющейся частотой. Метод ЧЗ напоминает, с одной стороны, метод ДЭЗ на постоянном токе, а с другой — МТЗ и предназначен для изучения горизонтально-слоистых сред с глубинностью до 5–7 км. Как и при выполнении ДЭЗ, в методе частотных зондирований используют дипольные установки (чаще всего экваториальные). Однако в методе ЧЗ расстояние (r) между питающим (АВ) и приемным (MN) диполями может оставаться постоянным. Метод частотных электромагнитных зондировании (как и МТЗ) основан на скин-эффекте, т. е. на увеличении глубины разведки с уменьшением частоты питающего тока.

Методика проведения ЧЗ сводится к измерению тока (I) в линии (АВ) и напряжения на приемном электрическом диполе (Ех) и магнитном диполе (Hz). По этим параметрам рассчитывают кажущееся сопротивление на переменном токе:

где kE, kH — коэффициенты установок, зависящие от расстояния между диполями, размеров диполей, частоты поля и числа витков в генераторной и приемной петлях. Расстояние (r) должно быть в 5–10 раз больше намечаемых глубин исследования, т. е. приемные установки располагают в дальней от источников поля зоне.

В результате выполнения ЧЗ строят кривые ЧЗ для электрической и магнитной составляющих. По вертикали откладывают кажущиеся сопротивления, а по горизонтали — параметр, пропорциональный глубинности, — Т1/2. Кривые ЧЗ, хотя и похожи на рассмотренные выше кривые ВЭЗ, но содержат дополнительные экстремумы, обусловленные структурой поля, а не влиянием слоев. Кроме амплитудных значений напряженности можно изучать разности фаз между EX, НZ и опорной фазой тока (φE и φH). Измерение двух компонент поля и двух сдвигов фаз делает интерпретацию кривых ЧЗ более точной, чем при ДЭЗ.

В результате интерпретации данных ЧЗ определяют сопротивления и мощности отдельных горизонтов в геоэлектрическом разрезе.

3.3.1.7. Высокочастотные зондирования

Особенностью высокочастотных методов зондирования является применение радиоволн частотой от 10 кГц до 500 МГц. На таких частотах наблюдается сильное затухание радиоволн и высокий скин-эффект. Поэтому эти методы можно применять лишь в условиях перекрывающих пород высокого сопротивления (ρ > 1000 Ом ⋅ м), когда глубины разведки превышают несколько десятков метров и когда эти методы могут иметь практическое значение. Рассмотрим сущность основных высокочастотных методов зондирований.

Метод вертикального индукционного зондирования (ВИЗ) основан на дистанционном зондировании на одной из частот диапазона 10–100 кГц. Разнос между передатчиком и приемником, например, изменяется от единиц до нескольких десятков метров. Кривые ВИЗ, которые строят так же, как кривые ВЭЗ, позволяют изучать горизонтально-слоистые разрезы на глубинах до 20–50 м.

В методе радиоволнового зондирования (РВЗ), относящемся к методу фазовой радиолокации, радиополе с гармонической частотой от 0,5 до 20 МГц создается передатчиком и линейной антенной, расположенной на поверхности Земли. С помощью приемника с рамочной антенной измеряют напряженность магнитного поля. Прямая волна, распространяясь в верхнем слое, доходит до кровли второго слоя, отличающегося по электромагнитным свойствам (ε, ρ), и отражается от него. В результате наблюдается интерференция (сложение) волн. Изменяя частоту поля, можно получать в приемнике минимумы сигнала, когда прямая и отраженная волны приходят в противофазе, и максимумы, когда волны приходят в фазе. Они наблюдаются на интерференционной кривой (графике зависимости напряженности поля от частоты). В ходе решения обратных задач РВЗ можно определить глубину залегания отражающего контакта и ε верхнего слоя. Метод РВЗ применяют в условиях перекрывающих пород с высоким сопротивлением (лед, мерзлые породы, сухие пески и т. п.).

Радиолокационный метод (РЛМ), радиолокационное зондирование (РЛЗ), импульсный метод радиолокации (ИМР), или георадар, основаны на принципе амплитудной радиолокации. Аппаратура для работ состоит из передатчика, приемника и приемно-передающих антенн. Передатчик излучает короткие (меньше 1 мкс) импульсы, которые проникают в Землю, отражаются от слоев с разными электромагнитными свойствами и улавливаются приемником. Измеряемым параметром метода является время (t) между зондирующим и отраженным сигналами, зная который можно определить ε верхнего слоя и его мощность. Работы ИМР можно проводить с помощью как неподвижных, так и движущихся (например, на машине или самолете) радиолокационных установок. Из-за сильного затухания высокочастотных радиоволн в перекрывающем слое ИМР можно применять в условиях очень высоких сопротивлений верхних слоев (тысячи Ом ⋅ м).

3.3.1.8. Ядерно-магнитное резонансное томографическое зондирование (ЯМР-ТЗ)

Метод ЯМР-ТЗ, или гидроскоп, основан на изучении сигналов ядерно-магнитной резонансной прецессии (ЯМРП), измеряемых в незаземленной петле на частоте прецессии протонов (ядер водорода) (см. 3.1.2.8). С помощью этого метода по профилям и площадям наблюдений определяется изменение степени водонасыщенности горных пород по глубине. Метод реагирует в основном на свободные воды, поэтому с его помощью можно выявить зеркало подземных вод, мощности водоносных пород, глубины залегания водоупора. Небольшая глубинность разведки (десятки метров) и сложность техники измерений затрудняют широкое внедрение метода.

3.3.2. Сущность и методика электромагнитных профилирований

Электромагнитные профилирования (ЭМП) объединяют большую группу методов электроразведки, в которых методика и техника наблюдений направлены на то, чтобы в каждой точке профиля получить информацию об электромагнитных свойствах среды примерно одинаковой глубины. При профилировании в отличие от зондирования во всех точках наблюдения сохраняется постоянной глубинность разведки. Для этого выбирают постоянные или малоизменяющиеся разносы между питающими или приемными электродами или линиями (r), изучаемые частоты (f) или времена (t) переходного процесса. Выбор глубинности, точнее, интервала глубин изучения геологического разреза, а значит, r, f, t, зависит от решаемых задач и геоэлектрических условий. Глубину изучения обычно выбирают опытным путем, и она должна обеспечивать получение максимальных аномалий от разведываемых объектов наблюденных или расчетных (например, кажущихся сопротивлений). Таким образом, если зондирования предназначены для изучения по вертикали горизонтально или пологозалегающих слоев, то профилирования служат для исследования по горизонтали горизонтально-неоднородных геоэлектрических разрезов, представленных крутослоистыми средами или включениями объектов с разными электромагнитными свойствами.

Теория электромагнитных профилирований построена на математическом и физическом моделировании над двух- (2Д) и трехмерными (3Д) физико-геологическими моделями. ФГМ могут быть представлены одним или несколькими крутозалегающими пластами, включениями объектов правильной геометрической формы (шар, пласт, цилиндр, уступ, горст, грабен и т. д.). В результате ЭМП строятся графики, карты графиков (корреляционные планы) и карты наблюденных параметров или кажущихся сопротивлений.

Электромагнитные профилирования применяют для решения геологических задач, связанных с картированием крутозалегающих (углы падения больше 10–20°) осадочных, изверженных, метаморфических толщ, рудных и нерудных полезных ископаемых на глубинах до 500 м. Их используют при инженерно-геологических, мерзлотно-гляциологических, гидрогеологических и почвенно-мелиоративных исследованиях с целью выявления неоднородностей разреза по литологии и глинистости, увлажненности и обводненности, разрушенности и закарстованности, талому и мерзлотному состоянию, степени общей минерализации подземных вод и засоленности почв.

3.3.2.1. Метод естественного электрического поля

Метод естественного электрического поля (ЕП, МЕП), или метод самопроизвольных потенциалов (ПС), основан на изучении локальных электрических постоянных полей, возникающих в горных породах в силу окислительно-восстановительных, диффузионно-адсорбционных и фильтрационных явлений (см. 3.1.2.2). Небольшие самопроизвольные потенциалы существуют практически повсеместно. Интенсивные поля наблюдаются, как правило, только над сульфидными и графитовыми залежами. Естественные электрические поля могут возникать также при коррозии трубопроводов и других подземных металлических конструкций. Интенсивность этих полей растет с ухудшением гидроизоляции конструкций, уменьшением удельного электрического сопротивления окружающих пород и увеличением их влажности. Для измерения ЕП применяют милливольтметры постоянного тока и неполяризующиеся электроды (см. 3.2.1).

Съемку естественных электрических потенциалов выполняют либо по отдельным линиям (профильная съемка), либо по системам обычно параллельных профилей, равномерно покрывающих изучаемый участок (площадная съемка). Направления профилей выбирают вкрест предполагаемого простирания прослеживаемых объектов, а расстояния между ними могут изменяться от 10 до 100 м и должны быть в несколько раз меньше ожидаемой длины рудных тел или иных разведываемых геологических объектов. На каждом профиле равномерно размечают пункты измерения потенциалов. Расстояние между точками наблюдений (шаг съемки) изменяется от 5 до 50 м в зависимости от масштаба съемки, характера и интенсивности электрического поля. Оптимальным шагом можно считать шаг, несколько меньший предполагаемой глубины залегания верхней кромки разведываемых объектов и сравнимый с их поперечными размерами. Съемку естественных потенциалов можно выполнять двумя способами: а) потенциала, при котором измеряют разности потенциалов между одной неподвижной точкой и пунктами наблюдений изучаемого профиля или площади; б) градиента потенциала, при котором измеряют разность потенциалов между двумя электродами, расположенными на постоянном расстоянии друг от друга и перемещаемыми одновременно по профилям. В зависимости от масштаба съемки и категории местности отряд из двух-трех человек отрабатывает за смену от 50 до 300 точек наблюдений. Особенно высокую производительность получают при непрерывной съемке способом градиента потенциала с движущейся лодки или плота.

По результатам измерений естественных потенциалов строят графики потенциалов. При этом по горизонтальной оси откладывают точки наблюдения, по вертикальной — потенциалы самопроизвольной поляризации (вверх — положительные, вниз — отрицательные). По данным съемок строят также карты графиков и карты равных значений потенциалов. На них выделяют аномалии, соответствующие объектам с повышенной электрохимической активностью.

3.3.2.2. Электропрофилирование методом сопротивлений

Электрическое профилирование, или электропрофилирование (ЭП), — это модификация метода сопротивлений, при которой вдоль заданных направлений (профилей) измеряют кажущееся сопротивление с помощью установок постоянного размера, а значит, и примерно постоянной глубинности (см. 3.1.2.3). Под глубинностью метода сопротивлений понимают глубину, на которую проникает основная часть электрического тока. Эта глубина тем больше, чем больше выбранное расстояние между питающими электродами. В теории электроразведки доказано, что в однородной среде свыше 70 % всего тока, подводимого к двум электродам (А и В), проходит не глубже, чем расстояние между А и В (разнос питающих электродов). Глубина проникновения тока будет больше, если расположенные под верхним слоем породы лучше проводят электрический ток, и, наоборот, меньше, если подстилающие породы характеризуются высоким сопротивлением. В среднем глубинность электроразведки методом сопротивлений составляет от 1/3 до 1/10 разноса (АВ). Оптимальный (рабочий) разнос электропрофилирования зависит от решаемых задач и строения геоэлектрического разреза. Его выбирают по данным ВЭЗ и опытных работ ЭП с разными разносами.

При электропрофилировании используют переносную электроразведочную аппаратуру и различные установки (см. 3.1.2.3). Простейшей установкой для ЭП является симметричная AMNB, когда все электроды AMNB с соединяющими их проводами последовательно перемещают вдоль линии наблюдений и через постоянные расстояния измеряют кажущиеся сопротивления (взаимные расстояния между электродами во всех пунктах измерения остаются постоянными). Рассмотрим пример (рис. 3.12). В точке I неглубоко под наносами залегают непроводящие изверженные породы, которые отжимают ток к поверхности. Поэтому вблизи приемных электродов (MN) увеличивается плотность тока и ρк будет больше сопротивления наносов (см. формулу (3.7)). В точке II, где глубина залегания изверженных пород больше, ρк будет близко к сопротивлению наносов. В точке III под наносами залегают хорошо проводящие ток глинистые сланцы, которые втягивают токовые линии. Поэтому вблизи MN уменьшается плотность тока и ρк становится значительно меньше, чем сопротивление верхнего слоя.

Рис. 3.12. График кажущегося сопротивления
по данным симметричного профилирования (AMNB):

а — график ρк; б — геологический разрез: 1 — изверженные породы; 2 — сланцы;
3 — известняки; 4 — наносы; 5 — удельное электрическое сопротивление, Ом ⋅ м;
6 — токовые линии

По графику ρк (по горизонтали откладывают точки наблюдений, а по вертикали — полученные ρк) можно судить о геоэлектрическом разрезе, местоположении контактов пород с разными удельными сопротивлениями. Больше информации по сравнению с установкой AMNB дает электропрофилирование установкой с двумя питающими линиями: AA′MNB′B. Обычно АВ/А′В′ = 2–4 MN ≤ A′B′/2. В результате строят два графика ρк. В сложных геологических условиях выполняют электропрофилирование с несколькими питающими линиями. Для выявления пластовых рудных залежей используют комбинированные трехэлектродные (АMN, B → ∞ и МNВ, А → ∞) и дипольные (АВ, MN и MN, АВ) установки. Применяют и другие установки электропрофилирования.

При электропрофилировании любой установкой профили прокладывают вкрест предполагаемого простирания структур или искомых объектов. Шаг установки, т. е. расстояние между соседними точками наблюдений, обычно берут равным MN и несколько меньшим ожидаемой ширины разведываемых геологических объектов. В зависимости от типа установки, глубинности разведки (размера АВ), категории местности, масштаба съемки отряд из четырех-семи человек отрабатывает за смену от 20 до 200 точек электропрофилирования. В результате электропрофилирования кроме графиков ρк строят карты графиков ρк, а также карты сопротивлений для каждого разноса питающих электродов. Их интерпретация дает возможность выявить плановое и объемное положение объектов, различающихся по удельному электрическому сопротивлению.

3.3.2.3. Электропрофилирование методом вызванной поляризации

При электропрофилировании методом вызванной поляризации (ВП, или ЭП-ВП) работы вдоль профилей наблюдений выполняют установками с постоянными разносами. При этом наряду с ρк рассчитывают ηк = (∆UВП/∆U)∙100 %, где ∆UВП, ∆U — разности потенциалов на приемных электродах через 0,5 с и во время пропускания тока в питающую линию, а также скорость спада ∆UВП/∆t за время ∆t (рис. 3.13).

Рис. 3.13. График зависимости ∆UMN от времени после выключения тока в АВ.
Ток в AB: I — включен; II — выключен

Как отмечалось в 3.1.2.2, причинами возникновения ВП являются сложные электрохимические процессы, проходящие на поверхности рудных и песчано-глинистых частиц в присутствии подземных вод при пропускании через породу тока. Вызванные потенциалы измеряют с помощью специальных электроразведочных станций или переносных одно- или многоканальных приборов. Работы проводят теми же установками, что и в методах сопротивлений (трех-, четырехэлектродные и др.).

При замерах над однородной средой получают истинную поляризуемость (η), а при измерениях над неоднородной — кажущуюся поляризуемость (ηк). Величина ηк является сложной функцией поляризуемостей, сопротивлений и геометрических параметров разведываемых объектов и вмещающей среды. В результате ВП строят графики, карты графиков и карты ηк, на которых выявляют аномалии. К ним приурочены объекты с аномальной поляризуемостью.

3.3.2.4. Метод переменного естественного электромагнитного поля

К электропрофилированию, основанному на использовании естественных переменных электромагнитных полей атмосферного происхождения, относят методы переменного естественного электрического (ПЕЭП) и магнитного (ПЕМП) полей (см. 3.1.2.1). В методе ПЕЭП с помощью милливольтметров и двух заземленных на расстоянии 10–20 м друг от друга приемных электродов (MN) за период 20–30 с измеряют среднюю напряженность электрического поля (Еср = ∆UMN/MN). Она пропорциональна некоторому кажущемуся сопротивлению среды на глубине, соответствующей применяемой частоте. При наиболее часто используемой частоте 10–20 Гц глубинность подобного профилирования составляет в разных геоэлектрических условиях несколько сотен метров.

Если проводить съемки ПЕЭП по профилям с шагом 10–20 м или равномерно по площади (направления MN должны во всех точках быть одинаковыми), то по графикам и картам Еср можно выявлять горизонтальные неоднородности по электропроводности. Сходным образом с помощью рамочных антенн можно измерять различные составляющие магнитного поля (ПЕМП), отличающиеся простотой наблюдений вследствие отсутствия заземлений. Интерпретируя аномалии ПЕЭП или ПЕМП на графиках и картах, можно получать информацию для средне- и крупномасштабного геологического картирования по изменению УЭС изучаемой среды.

3.3.2.5. Низкочастотное гармоническое профилирование

Низкочастотные гармонические методы (НЧМ) включают большую группу методов электромагнитного (индукционного) профилирования, в которых поле на одной из частот интервала 10 Гц — 10 кГц создают с помощью либо заземленного на концах длинного (до 30 км) кабеля (ДК), либо большой (диаметром до 3 км) незаземленной петли (НП), либо рамочной антенны (диаметром до 1 м), как, например, в дипольном индукционном (ДИП) или дипольном электромагнитном (ДЭМП) профилировании.

В геологической среде первичное поле, с одной стороны, искажается неоднородностями, а с другой — в проводящих ток породах и рудах создается вторичное индукционное вихревое поле. Суммарное электромагнитное поле, несущее в себе информацию о изменении геоэлектрического разреза по профилю, можно изучать различными приемами. Например, можно измерять амплитудные значения электрических и магнитных компонент с помощью разного рода микровольтметров (МКВЭ), изучать отношения амплитуд и разности фаз посредством так называемых афиметров (АФИ), определять элементы эллипса поляризации поля (ЭПП) и т. д.

Сокращенные названия методов индуктивного профилирования складываются из сокращенных названий способов возбуждения и измерения поля. Основные методы, используемые в индуктивной электроразведке: ДК-АФИ, ДК-ЭПП, НП-АФИ, ДИП-АФИ, ДИП-ЭПП и др. Глубинность НЧМ тем больше, чем ниже частота используемого поля, выше сопротивление вмещающих пород, больше размеры ДК или НП и расстояния между питающими и приемными рамками в ДИП. В зависимости от решаемых задач и геоэлектрических условий выбирают оптимальную частоту поля, метод, размеры установки, масштаб и систему наблюдений.

Съемку в НЧМ проводят по системам профилей, отстоящих друг от друга на расстояниях 50–500 м и направленных перпендикулярно к простиранию геологических структур и кабелю или стороне петли (внутри и вне петли). Точки наблюдения на профилях, длина которых обычно меньше длины кабеля и стороны петли, разбивают не ближе 50–100 м от токонесущих проводов и располагают через 20–200 м друг от друга. Если в методах ДК и НП по мере удаления от кабеля или стороны петли глубинность несколько увеличивается, то в методе ДИП при постоянном разносе (обычно он изменяется в пределах от 20 до 200 м) между генераторной и приемной рамкой, глубинность постоянна.

В результате НЧМ строят графики, карты графиков и карты наблюденных параметров поля, интерпретация которых позволяет выделить аномалии над неоднородными по удельному электрическому сопротивлению геологическими объектами.

3.3.2.6. Метод переходных процессов

Методы переходных процессов (МПП) по физической природе являются индуктивными, т. е. близки к НЧМ, но отличаются применением не гармонических, а импульсных полей. В качестве генераторных линий используют незаземленные петли (НП-МПП) или рамочные антенны (ДИП-МПП), через которые пропускают кратковременные (длительностью до 50 мс) импульсы постоянного тока. В той же или другой петле (или рамке) измеряют переходные процессы, т. е. величины электродвижущей силы (U(t)) на временах (t) в пределах от 10 до 50 мс после отключения питающего тока.

Методика НП-МПП и ДИП-МПП такая же, как в НП и ДИП в рассмотренных выше методах НЧМ. В результате работ МПП строят графики и карты U(t)/I, где I — амплитуда тока в петле при постоянном t, что и обеспечивает постоянство глубинности во всех точках. На них аномалиями выявляются объекты с разными УЭС.

3.3.2.7. Аэроэлектроразведка

Разновидностью низкочастотных индуктивных методов электроразведки является воздушная электроразведка. Существует несколько вариантов аэроэлектроразведки. Все они основаны на измерении магнитной компоненты поля.

Одним из распространенных методов аэроэлектроразведки является метод бесконечно длинного кабеля (БДК-А), в котором первичное поле от ЭРС на автомашине создают переменным током частотой до 1000 Гц, протекающим по заземленному на концах длинному кабелю (до 40 км). Кабель укладывают вдоль предполагаемого простирания пород. Измерительную станцию помещают на самолете или вертолете, который летает на небольшой высоте (50–500 м) по профилям длиной до 25 км, перпендикулярным к кабелю и расположенным на расстояниях 150–500 м друг от друга. Горизонтальные (перпендикулярные к кабелю) амплитудные и фазовые компоненты магнитного поля измеряют автоматически. Материалы обрабатывают с помощью ЭВМ. В результате строятся карты графиков наблюденных компонент или рассчитанных по ним кажущихся (эффективных) сопротивлений. На них выявляются зоны повышенных и пониженных удельных электрических сопротивлений.

В аэроварианте дипольного индукционного профилирования (ДИП-А) генераторную рамочную антенну располагают на самолете или вертолете, а измерительные рамки находятся либо на втором самолете или вертолете, летящем на расстоянии 100–500 м, либо в выносной гондоле на кабель-троссе длиной до 150 м. Высота полетов — 50–250 м, расстояния между профилями — 100–500 м, рабочие частоты выбирают в интервале от 0,2 до 3 кГц. В результате обработки получаемых при автоматической записи графиков и карт графиков наблюденных параметров ведут крупномасштабное геологическое картирование и поиск проводящих руд.

В аэроварианте метода переходных процессов (АМПП) генераторную рамку располагают на вертолете, а в выносной гондоле на кабель-троссе длиной до 50 м помещают приемную рамку для измерения Н(t). Высота полетов — 50–100 м, расстояния между профилями — около 100 м. По результатам обработки получаемых сигналов ведут поиск массивных проводящих руд.

3.3.2.8. Радиоволновое профилирование

К радиоволновому профилированию (РВП) относят радиокомпарационную съемку на сверхдлинных волнах (СДВР) или радиоэлектромагнитное профилирование (РЭМП). При радиокомпарационной съемке на каждой точке измеряют вертикальную (Hz) и максимальную горизонтальную (Нp) составляющие поля путем сравнения сигнала радиостанции с эталонным сигналом радиоприемника-компаратора. Используются радиополя длинноволновых (ДВ) и сверхдлинноволновых (СДВ) радиовещательных и других станций. Профили разбивают вкрест предполагаемого простирания слоев. Расстояние между точками измерений составляет от 20 до 50 м, а при детализации может быть и меньшим. Замеры на каждой точке проводят быстро (около 1 мин), поэтому производительность радиокомпарационного метода велика (100–300 точек в смену). Съемку можно вести и с движущегося транспорта (машины, самолета). В результате строят графики Hz, Hp вдоль профилей наблюдений. Над однородной по электромагнитным свойствам (ρ, ε, μ) средой Нр остается постоянной, a Hz = 0. Наличие границ раздела слоев с разными электромагнитными свойствами или проводящих ток рудных жил приведет к искажению поля. Радиоэлектромагнитное профилирование (РЭМП) отличается от СДВР измерением и электрических, и магнитных составляющих радиополя.

3.3.2.9. Пьезоэлектрические методы

К пьезоэлектрическим относят геофизические методы, находящиеся на стыке между электроразведкой и сейсморазведкой (см. 3.1.2.8). Сущность этих методов сводится к возбуждению упругих волн с помощью взрывных или невзрывных источников и изучению упругих волн, как при сейсморазведке, и электромагнитных сигналов, как в методах индуктивной электроразведки. Пьезоэлектрические методы основаны на пьезо- и сейсмоэлектрических эффектах (ПЭЭФ и СЭЭФ), существующих в породах с повышенными пьезоэлектрическими модулями. На различии названных эффектов основаны два ведущих пьезоэлектрических метода: собственно пьезоэлектрический метод (ПЭМ), применя­ющийся при изучении кристаллических пород, и метод сей­смоэлектрических потенциалов (МСЭП), использующийся при изучении осадочных пород.

Методика и техника наземных работ в пьезоэлектрическом методе сходны с таковыми при наземной сейсморазведке (см. 4.4). Возбуждение упругих волн осуществляют с помощью небольших взрывов (подрыв электродетонаторов, детонирующего шнура и т. п.) или ударов. При прохождении упругих волн в породах с повышенным пьезоэлектрическим эффектом генерируются электромагнитные колебания звуковых частот. Наряду с упругими колебаниями, улавливаемыми сейсмоприемниками, в методе ПЭМ изучают электрические (Е) составляющие поля с помощью заземленных линий (MN), реже магнитные — посредством рамочных антенн. Для работ используют шести- и восьмиканальные станции, мало отличающиеся от обычных сейсмических станций. Сейсмоприемники и датчики (Е) или (Н) располагают рядом. Расстояния между соседними пунктами возбуждения и измерения изменяются от 2 до 20 м.

В наземном варианте ПЭМ используют продольное, непродольное и круговое профилирование. Для детализации аномалий наблюдения проводят по профилям, проходящим вкрест и вдоль аномалий. Расстояние между профилями должно быть в 2–4 раза меньше предполагаемой длины разведываемого объекта.

При обработке пьезоэлектросейсмограмм, т. е. записей упругих и электромагнитных волн в ПЭМ, определяют времена первых вступлений и максимальные амплитуды упругих и электромагнитных импульсов. Далее строят графики амплитуд и графики отношений амплитуд электромагнитной и упругой волн. Методика и техника работ при изучении сейсмоэлектрических потенциалов такая же, как и в пьезоэлектрическом методе. Различие лишь в природе возбуждаемых электромагнитных полей. Интерпретируя материалы ПЭМ и МСЭП, выявляют геологические объекты с повышенными пьезоэлектрическими модулями.

3.3.3. Подземные методы электроразведки

Общая характеристика подземных методов электроразведки. Эти методы предназначены для объемного изучения пространства между горными выработками, скважинами и земной поверхностью, т. е. для решения ряда геолого-разведочных задач в трехмерном пространстве. При подземных работах можно применять большинство методов полевых электромагнитных зондирований и профилирований. Однако особенности измерений в горных выработках и скважинах требуют применения специальной аппаратуры, методики, теории и приемов интерпретации. Кроме того, благодаря возбуждению поля вблизи уже обнаруженных полезных ископаемых, удается проводить объемное изучение и просвечивание массивов пород. Это повышает глубинность и эффективность электроразведки на этапах детализационных исследований и отработки месторождений полезных ископаемых. Наибольшее применение подземные методы электроразведки находят при разведке рудных месторождений как при подготовке, так и в ходе их промышленной эксплуатации. Кроме того, их можно использовать при строительстве и эксплуатации подземных сооружений городских агломераций, тоннелей и т. п. Основными группами подземных методов электроразведки являются следующие.

3.3.3.1. Геоэлектрохимические методы

Изучение пород и руд, расположенных в окрестностях скважин и горных выработок, можно проводить с помощью методов естественной и вызванной поляризации (см. 3.1.2). Например, на сульфидных, некоторых полиметаллических, железорудных, графитовых месторождениях, где существуют естественные поля окислительно-восстановительной природы, целесообразно использовать подземные (скважинный и рудничный) варианты метода естественного поля (МЕП) (см. п. 3.1.2.2). При этом один приемный электрод остается неподвижным, а с помощью второго изучают потенциалы естественного электрического поля как по равномерной сети на поверхности, так и во всех имеющихся скважинах и горных выработках. На рудных месторождениях весьма перспективны также подземные (скважинный и рудничный) варианты метода вызванной поляризации (ВП). Изучив объемное распределение ЕП или ВП и зная, что объем аномального поля в десятки раз больше объема создавших их рудных тел, можно получить качественную информацию о пространственном положении тел. Это важно для постановки дальнейшей разведки месторождения, например, бурением.

Кроме скважинных методов (ЕП и ВП) к геоэлектрическим методам относят контактный и бесконтактный способы поляризационных кривых (КСПК и БСПК) и частичного извлечения металлов (ЧИМ). Сущность КСПК сводится к пропусканию постоянного тока через вскрытую скважиной рудную залежь и регистрации контактной разности потенциалов между этой залежью и стандартным электродом сравнения, заземленным на земной поверхности, вдалеке от рудной залежи. При этом плавно увеличивается ток и вновь регистрируются разности потенциалов. Получаемые в результате работ КСПК поляризационные кривые (зависимости контактной разности потенциалов от силы пропускаемого тока) позволяют судить о количественном и качественном состоянии руд. В методе БСПК те же поляризационные кривые, что и в КСПК, получают при заряде вне рудного тела. Методы КСПК и БСПК служат для оценки по поляризационным кривым минерального состава и объемного содержания выявленных минералов в рудной залежи.

В методе ЧИМ постоянный ток пропускают через заземленный в залежь электрод А и перемещающийся по равномерной сети (с шагом до 20 × 20–50 × 50 м) на земной поверхности второй питающий электрод — В, называемый элементоприемником. Пропускание в течение нескольких часов (t) тока приводит к накоплению вблизи электрода В химических элементов вследствие их электролитического переноса из рудного тела, в которое заземлен электрод А. Измеряя с помощью методов химического анализа массу (mi) того или иного химического элемента (i), например, Fe, Pb, Zn и других, и зная t, можно построить геоэлектрохимический годограф (график зависимости m от t). Получив подобные годографы на всех точках наблюдений и построив карты т (для t = const) или ∆m/∆t, можно по аномалиям на них выявить эпицентры рудных залежей того или иного химического состава.

3.3.3.2. Метод заряженного тела (МЗТ) или заряда (МЗ)

Этот метод служит для оценки либо формы и положения рудных тел (рудный вариант МЗТ), либо направления и скорости движения подземных вод (гидрогеологический вариант МЗТ).

Рудный вариант МЗТ сводится к «заряду» с помощью электрода А рудной залежи через скважину или горную выработку постоянным или низкочастотным переменным током (второй электрод — В отнесен «бесконечно далеко», т. е. на расстояние в 5–10 раз больше, чем глубина заземления электрода А). На земной поверхности с помощью приемной линии (MN) и переносных электроразведочных приборов (см. 3.2.2) изучают распределение потенциалов. В результате строят эквипотенциальные линии. Можно измерять также градиенты потенциала или напряженности переменного магнитного поля. Так как заряженная рудная залежь является эквипотенциальным проводником, с которого ток стекает равномерно, вокруг нее образуются поверхности равного потенциала, повторяющие форму залежи. Поэтому по форме эквипотенциальных линий можно судить о местоположении и контуре эпицентра рудной залежи, т. е. проекции его формы на земную поверхность. Детализационным вариантом МЗТ является метод электрической корреляции (МЭК), в котором потенциалы точечного заряда в рудной залежи изучают не только на земной поверхности, но и в соседних скважинах. В результате происходит «просвечивание» целиков пород между скважинами. По форме и аномалиям на кривых потенциала в скважинах можно качественно судить о наличии и местоположении в межскважинном пространстве рудных тел.

В гидрогеологическом варианте МЗТ направление и скорость подземного потока определяют по искажению во времени изолиний потенциала от точечного источника, заземленного в подземный поток через скважину (рис. 3.14). При этом водный поток периодически подсаливается поваренной солью и в нем образуется «проводящее» тело, которое движется вместе с потоком. Поэтому направление движения потока будет совпадать с направлением максимального искажения изолиний, а скорость движения — ∆R/∆t, где ∆R — максимальное смещение изолиний за время ∆t. Гидрогеологический вариант МЗТ интересен тем, что динамику подземных вод можно изучать по одной скважине, в то время как гидрогеологам для этих же целей нужны три-четыре скважины.

Рис. 3.14. Схема определения направления и скорости движения
подземного потока по одной скважине МЗТ:

АВ — питающая линия; MN — приемная линия; Б — батарея; ИП — измерительный прибор;
1 — направление потока; t0, t1, t2 — эквипотенциальные линии,
полученные в разное время после засоления скважины

3.3.3.3. Индукционное просвечивание

Для обследования околоскважинных пространств в целях обнаружения проводящих рудных тел применяют различные скважинные электромагнитные (индукционные) методы, которые по физической сущности, применяемой аппаратуре и принципам интерпретации похожи на рассмотренные выше НЧМ и МПП (см. 3.3.2.6 и 3.3.2.7). Наиболее известными скважинными индуктивными методами, основанными на применении низкочастотных гармонических и неустановившихся полей, являются методы незаземленной петли с измерением параметров поля в скважинах (НПС-АФИ, НПС-МПП) и методы скважинного дипольного электромагнитного профилирования (ДЭМПС-АФИ, ДЭМПС-МПП).

Для предварительных обследований во всех скважинах на оптимальной частоте или времени переходного процесса ведут измерения тех или иных параметров и строят графики их изменений вдоль скважин. На них аномалиями выделяются участки скважин, которые ближе всего располагаются от рудных тел. Для детализации аномалий работы проводят на разных частотах или временах переходного процесса. С помощью скважинных индукционных методов выявляют рудные тела на расстояниях до 40–100 м от скважины, оценивают их электропроводность, а также пространственное положение.

3.3.3.4. Метод радиоволнового просвечивания

Для изучения целиков пород между выработками и скважинами и выявления рудных залежей используют также метод радиоволнового просвечивания (РВП). В этом методе в одной выработке или скважине устанавливают радиопередатчик, излучающий электромагнитные волны частотой 0,1–10 МГц, а в соседних выработках или скважинах с помощью радиоприемника измеряют напряженность поля (см. 3.2). Напряженность поля может быть оценена выражением

где H — измеряемая амплитуда напряженности магнитного поля; Н0 — начальная амплитуда, зависящая от излучаемой мощности; r — расстояние между передающей и приемной антеннами; b — коэффициент поглощения энергии вдоль радиуса (r); θ — угол между осью передающей антенны и направлением r.

Изменяя местоположение генератора и приемника, можно «просветить» разные участки между горными выработками, определить коэффициент поглощения пород, который связан с электромагнитными свойствами среды.

Наличие хорошо проводящих рудных тел приводит к увеличению затухания энергии и появлению радиотеней, по которым можно оконтурить рудные тела и правильно направить дальнейшие разведочные работы. Метод РВП применяют для поисков и разведки слепых рудных жил, изучения тектонических нарушений и обводненных зон. Дальность просвечивания не превышает десятка и первых сотен метров.

3.3.3.5. Подземный вариант ПЭМ

Пьезоэлектрический метод используют при профилировании вдоль горных выработок и просвечивании целиков пород между ними. В результате в стороне от выработок выявляют и оконтуривают слепые пьезоэлектрически активные объекты (кварцевые, пегматитовые и другие тела), что важно для доразведки месторождений. Дальность разведки составляет первые десятки метров.