Библиотека

    ВЭЗ для геологов

    Методическое пособие: Практикум по методу вертикального электрического

    зондирования (ВЭЗ) проводится в рамках раздела «основы электроразведки», учебного

    курса «основы геофизических методов» для геологов младших курсов Геологического

    факультета МГУ им. М.В. Ломоносова.

    Источник: http://wiki.web.ru/images/d/d1/ВЭЗ_для_геологов.pdf

Теоретическая часть

    Метод вертикального электрического зондирования (ВЭЗ) является одним из старейших методов электроразведки. Первые приме­нения метода относятся к 20-м г.г. XX века. Сравнительная простота и наглядность ВЭЗ привела к его широкому распространению и раз­витию во всем мире.

    На сегодняшний день электрические зондирования остаются одним из самых применяемых электроразведочных методов. На основе ВЭЗ разработаны и другие современные технологии – например, электротомография, базирующиеся на тех же принципах, что и для «классических» электрических зондирований.

    Настоящий практикум проводится с целью продемонстрировать физические основы метода ВЭЗ, условия его применения. При этом подразумевается, что освоение материала по ВЭЗ поможет слушателям понять особенности и других геофизических методов.

Электрические свойства горных пород

    Одним из основных требований к применению геофизических методов является контрастность по физическим свойствам объекта изучения относительно вмещающей среды. Для электроразведки методами сопротивлений, к которым относится ВЭЗ – это означает, что изучаемый объект (тело, слой, пласт и пр.) должен за­метно (желательно в несколько раз) отличаться по удельному элек­трическому сопротивлению от вмещающих пород.

    Удельное электрическое сопротивление (УЭС) горных пород является параметром вещества, характеризующим его способность пропускать электрический ток при возникновении электрического поля.

    УЭС является неким подобием понятия электрического сопротивления в радиотехнике, но в отличие от последнего, измеряется не в Омах, а в Ом·метрах.

    Горные породы принято рассматривать в геофизике как трехфазную среду, т.е. сочетание твердого минерального скелета, в котором присутствуют трещины или поры заполненные газом и жидкостью. В любой самой прочной и плотной на вид породе присутствуют либо поры (в частности, для терригенных отложений) либо трещины (в частности, для магматических и метаморфических пород), либо и то и другое. Именно эти поры или трещины, заполненные полностью или частично влагой, являются проводниками электрического тока.

Удельное электрическое сопротивление (УЭС) горных пород, в основном, зависит от следующих факторов:

• удельное электрическое сопротивление породообразующих минералов

• пористость (трещинноватость)

• влагонасыщенность

• удельное электрическое сопротивление поровой влаги (на­прямую связано с соленостью подземных вод и температу­рой)

• глинистость

    Рассмотрим эти факторы подробнее.

    Удельное электрическое сопротивление породообразующих минералов, как правило, слабо влияет на УЭС породы в целом. Это связано с тем, что подавляющее большинство минералов являются сугубо диэлектриками и не проводят электрический ток. Исключением являются сплошные и прожилковые руды минералов проводников – самородных элементов, сульфидов, но такие образования встречаются редко.

    Связь УЭС горных пород с коэффициентом пористости (трещинноватости), коэффициентом влагонасыщенности и электрическим сопротивлением поровой влаги очевидна: чем больше воды в породе (т.е. чем больше пористость и влагонасыщенность) и чем ниже УЭС воды – тем ниже и УЭС горных пород. Например, сухие пески будут обладать более высоким УЭС, чем влажные, а последние более высоким, чем водонасыщенные. При этом уровень, ниже которого УЭС горной породы не может опуститься - является УЭС воды, насыщающей породу.

    Удельное электрическое сопротивление воды, насыщающей по­роду, зависит в основном от солености и температуры. Чем больше соленость, тем ниже УЭС воды. С температурой еще проще: вода – проводник, лед – изолятор. Мерзлые горные породы обладают очень высокими значениями УЭС.

    Отдельный вопрос с глинистостью – глины обладают очень низ­кими УЭС, значительно ниже, чем у воды. Например, в московском регионе УЭС воды – 25-30 Ом·м, а сопротивление юрских глин – 10-15 Ом-м. Этот эффект связан со сложными капиллярными процессами в глинах. Чем больше глинистость горных пород, тем ниже УЭС.

     Как видим значения УЭС для отдельных видов пород сильно различны, что дает возможность различать различные горные породы и решать различного рода задачи.

    Основными полевыми методами изучения обводненности горных выработок являются ВЭЗ, ВЭЗ-ВП, МПВ, а также электропрофилирования (ЭП). Методика полевых работ сводится к площадным съемкам с густотой сети наблюдений (100-500) \times (100-500) м. Глубинность разведки должна превышать проектируемые глубины выработок.

    МПВ (метод преломленных волн) это метод из области сейсморазведки, поэтому его мы рассматривать не будем.

Рассмотрим подробнее метод вертикальные электрические зондирования:

    ВЭЗ (вертикальные электрические зондирования) это метод постоянного поля. Метод вертикального электрического зондирования (ВЭЗ) является одним из старейших методов электроразведки. Первые применения метода относятся к 20-м г.г. XX века. Сравнительная простота и наглядность ВЭЗ привела к его широкому распространению и развитию во всем мире.

    На сегодняшний день электрические зондирования остаются одним из самых применяемых электроразведочных методов. На основе ВЭЗ разработаны и другие современные технологии – например, электротомография, базирующиеся на тех же принципах, что и для «классических» электрических зондирований.

    Одним из основных требований к применению геофизических методов является контрастность по физическим свойствам объекта изучения относительно вмещающей среды. Для электроразведки методами сопротивлений, к которым относится ВЭЗ – это означает, что изучаемый объект (тело, слой, пласт и пр.) должен заметно (желательно в несколько раз) отличаться по удельному электрическому сопротивлению от вмещающих пород.

    Физические основы метода ВЭЗ

    Идея метода ВЭЗ – на поверхности земли собирают электроразведочную установку(установки Шлюмбеже, Веннера, дипольная осевая установки и некоторые другие), которая, как правило, состоит из двух питающих и двух приемных электродов (см. Рис. 1, Рис.2). В качестве электродов обычно применяют металлические штыри, которые забиваются в землю. Питающие электроды принято обозначать буквами А и В, приемные – M и N.

    К питающим электродам подключают источник тока - например, батарею. В земле возникает электрическое поле и, соответственно, электрический ток. Силу тока в питающей линии (IАВ) измеряют с помощью амперметра, включенного в цепь АВ.

    Длина линии MN в установках Шлюмберже остается постоянной, а расстояние между питающими электродами увеличивается в геометрической прогрессии с коэффициентом 1,2 - 1,5. На приемных электродах М и N возникает разность электрических потенциалов (ΔUMN), которая измеряется с помощью вольт­метра.

    О результатам измерений можно судить об электрических свойствах горных пород на глубинах проникновения тока в землю. Глубина «погружения тока» зависит, в основном, от расстояния между питающими электродами А и В.

    По результатам выполненных измерений вычисляют кажущееся электрическое сопротивление (КС), обозначаемое ρк, и измеряемое в Ом*м:

(для симметричной установки)

    где, K – геометрический коэффициент (зависит от расстояний между электродами A, B, M и N), ΔUMN – разность потенциалов на приемных электродах M и N, IAB – сила тока, протекающего в питающей линии.

    Кажущееся электрическое сопротивление характеризует интегральное значение УЭС горных пород в области исследования. Область исследования располагается под центром установки и простирается от поверхности до глубин, примерно равным половине длины установки - АВ/2 (см. Рис. 1).

    Если изучаемая среда однородна - с УЭС равным ρсреды, то значение полученного кажущегося сопротивления ρк будет тождественно равно ρсреды:

ρк = ρсреды

    Если изучаемая среда неоднородна, т.е. в области исследования располагаются горные породы с различными значениями УЭС, то значение полученного кажущегося сопротивления ρк будет больше наименьшего из УЭС пород, но меньше наибольшего:

ρmin < ρк < ρmax

Эффект зондирования

    Для выполнения зондирования производят серию измерений, постепенно увеличивая размер питающей линии АВ. Чем больше параметр АВ/2 – тем глубже «погружается ток в землю» и тем больше глубинность исследований (см. Рис. 2).

    При этом каждая следующая область исследования полностью включает в себя предыдущую.

    Значения АВ/2 выбирают в зависимости от требуемой глубинности исследований. Как правило, минимальные АВ/2 принимают 1-1.5 метра. Максимальные АВ/2 редко делают больше первых километров. Таким образом, метод ВЭЗ применяют для изучения сред до глубин не более чем сотни метров.

    В результате описанной серии измерений получается набор значений кажущегося сопротивления, измеренных при известных АВ/2. В электроразведке параметр АВ/2 называют разносом питающей линии (или просто разносом).

    Для удобного представления результатов наблюдений строят график зависимости ρk (в Ом·м) от разноса (в м). Такой график называется кривой зондирования или кривой ВЭЗ(см. Рис. 3).

Аппаратура и оборудование в методе ВЭЗ

    Для выполнения наблюдений методом ВЭЗ применяется специализированная электроразведочная аппаратура для возбуждения поля (генераторы) и измерения разности потенциалов (измерители). В настоящее время, как правило, для метода сопротивлений применяется аппаратура на ультранизких частотах (1-10 Гц) или на постоянном токе. Среди применяемых отечественных приборов можно назвать следующие образцы:

· АЭ-72 - прибор разработки 60-х г.г., работающий на постоянном токе;

· АНЧ-3 - прибор разработки 70-80-х г.г., работающий на переменном токе на частоте 4.88 Гц;

· ЭРА - прибор разработки конца 80-х г.г., работающий на частотах 0, 4.88 и 625 Гц;

· ЭРА-МАХ - современный прибор, работающий на частотах 0, 4.88, 625, 1250 и 2500 Гц;

· ЭРП-1 - современный прибор, работающий на частотах 0, 1.22, 2.44 и 4.88Гц;

· генератор АСТРА и измеритель МЭРИ - современные многочастотные приборы, работающие на частотах от 0 до 625 Гц;

    Для монтажа питающих и приемных линий применяются стале-медные провода и кабели. В качестве питающих электродов используют стальные заостренные штыри, для приемных - медные или латунные.

    Вертикальное электрическое зондирование методом вызванной поляризации

    Вертикальное электрическое зондирование методом вызванной поляризации (ВЭЗ-ВП) по методике работ мало чем отличается от рассмотренных выше ВЭЗ и предназначено для расчленения разрезов по глубине не только по изменению УЭС, но и поляризуемости ( η) слоев. С помощью одноканальной или многоканальной аппаратуры измеряются ΔUMN и IАВ, что делается и в методе ВЭЗ, а также Uвп на МN через 0,5 с после отключения тока в АВ. В результате наряду с ρк рассчитывается кажущаяся поляризуемость ηk = .

    Пример кривых ВЭЗ и ВЭЗ-ВП, поставленных для выделения водоносного пласта ( III), приведен на рис. 3.7.

    Рис.3.7 Кривые ВЭЗ и ВЭЗ-ВП с ветвями, обусловленными сухими ( I) и водонасыщенными ( II) супесями, подстилаемыми глинами ( III)

    Далее на бланках с логарифмическим масштабом по осям координат (бланках ВЭЗ) наряду с кривыми ВЭЗ строятся кривые ВЭЗ-ВП: по горизонтали откладываются АВ / 2, по вертикали - ηk.

    Для поиска локальных объектов принято применять другой метод электроразведки – электропрофилирование (ЭП).

    Идея метода ЭП еще проще, чем идея метода ВЭЗ. Измерения производятся с такой же электроразведочной установкой как в методе ВЭЗ, но только при одном-двух значениях АВ/2. Установка профилирования перемещается по профилю наблюдений с шагом от 5-10 до 50-100, в зависимости от размеров искомых тел и требуемой детальности съемки.

    Фактически ЭП – является «укороченным ВЭЗ-ом». Величина используемых при профилировании разносов АВ/2 определяется исходя из требуемой глубины исследований (глубины залегания искомых объектов).

    Результаты электропрофилирования представляют в виде графика кажущегося сопротивления вдоль профиля наблюдений (см. Рис. 7).