Библиотека

   Электротомография

     Источник: http://www.nw-geophysics.ru/?a=1&b=1&c=5

    Авторы: Бобачев А.А., Яковлев А.Г., Яковлев Д.

    Электротомография – высокоразрешающая электроразведка на постоянном токе

    Введение

    Электроразведка методом сопротивлений остается одним из основных методов при малоглубинных геофизических исследованиях. Основной методикой являются вертикальные электрические зондирования, нацеленные на изучение горизонтально-слоистых разрезов. В настоящее время активно внедряется в практику методика электротомографии, которая позволяет исследовать сложно построенных среды и проводить интерпретацию в рамках двумерных моделей. Такая методика применяется на Западе уже более 10 лет [Griffiths and Barker, 1993; Бобачев и др., 1996], но в России она до сих пор не получила широкого применения из-за практически полного отсутствия отечественной аппаратуры. В англоязычной литературе наиболее часто употребляется два термина: Resistivity Imaging и Electrical Resistivity Tomography. Термин электротомография вошел в «Свод Правил» Госстроя России [СП 11-105-97, 2004] и будет использоваться в нашей работе.

    Метод сопротивлений

    Основой метода сопротивлений является то, что электрическое поле, наблюдаемое на поверхности земли (delta Umn) при пропускании электрического тока (I_AB) через заземленные электроды (рис.0), зависит от распределения удельного электрического сопротивления в некоторой области разреза вблизи установки. Интегральный характер наблюдаемого поля, позволяет использовать метод сопротивлений в условиях, когда изучаемый разрез имеет сложное строение, типично для городских и индустриальных условий. С другой стороны, эта устойчивость метода приводит к низкой разрешающей способности метода, в сравнении c сейсмическими методами или георадаром. Методика электротомографии благодаря использованию высокой плотности наблюдений, позволяет существенно повысить разрешение, особенно в горизонтальном направлении.

    Электротомография

    Электротомография - это целый комплекс, включающий в себя как методику полевых наблюдений, так и технологию обработки и интерпретации полевых данных. Ее особенностью является многократное использование в качестве питающих и измерительных одни и те же фиксированные на профиле наблюдений положения электродов. Такой подход позволяет с одной стороны, работать с современной высокопроизводительной аппаратурой, а с другой стороны, применять эффективные алгоритмы моделирования и инверсии. Интерпретацию данных электротомографии проводят в рамках двумерных и трехмерных моделей. Это принципиально расширяет круг решаемых электроразведкой задач, за счет исследования сред, значительно отличающихся от «классических» горизонтально-слоистых.

    Разрешающая способность (т.е. количество деталей геоэлектрического разреза, устойчиво проявляющихся в электрическом поле) и, соответственно, качество интерпретации данных электротомографии тесно связано с числом и плотностью измерений на одном профиле. Их число обычно достигает первых тысяч, поэтому вопрос о производительности полевых измерений имеет принципиальное значение и во многом определяет возможность практического использования этого метода. Для достижения максимальной эффективности при проведении полевых работ применяется специальная аппаратура с программируемой автоматической коммутацией электродов [Griffiths and Barker, 1993; Бобачев и др., 1996; Dahlin, 2001]. Далее для краткости мы будем использовать термин многоэлектродная аппаратура.

    Многоэлектродная аппаратура

    Термин «многоэлектродная» часто путают с более привычным понятием «многоканальная», поэтому поясним эти термины.

    Многоканальная аппаратура позволяет одновременно или последовательно измерять разность потенциалов на нескольких (8-24) приемных диполях, соединенных многожильным кабелем («косой»). Такой подход обычно используется при работах методом вызванной поляризации (ВП) и речных зондированиях (рис.1).

Рис. 1. Схема многоканальной аппаратуры.

    В многоэлектродной аппаратуре тоже используется большой набор электродов (обычно от 48 до 96 штук), соединенных в виде электроразведочной косы. В отличие от многоканальных систем каждый электрод может использоваться не только как приемный, но и как питающий (рис. 2А). Таким образом, один раз установив и подключив электроды можно провести весь комплекс профильных измерений.

Рис. 2. А. Многоэлектродная аппаратура. Б. Многоканальная многоэлектродная аппаратура.

    Стремление повысить производительность многоэлектродной аппаратуры привело к появлению многоканальных многоэлектродных станций (Syscal-Pro, Iris Instruments; SAS4000, ABEM). Такие комплексы позволяют одновременно получать значения разности потенциалов на нескольких приемных диполях (рис. 2Б). Число таких каналов невелико: от 4 до 10 штук, но такой подход дает принципиальную возможность увеличить скорость полевых наблюдений в число раз, соответствующее числу каналов. Кроме того, быстрые измерения открывают новые возможности для использования электроразведки при мониторинге различных геологических и технических процессов.

    В таблице 1 приведены примерные производственные характеристики полевых работ с многоэлектродной аппаратурой при нормальных условиях заземления и типичном числе электродов в современной аппаратуре.

    Таблица 1. Примерные производственные характеристики полевых работ методом электротомографии с многоэлектродной аппаратурой.

    Электротомография с одноканальной аппаратурой

    Очевидно, что именно многоэлектродная аппаратура обеспечивает максимальную производительность при полевых работах методом электротомографии. Но, в тоже время, сегодня она практически не используется в практике отечественной инженерной геофизики. С оной стороны это связано с высокой стоимостью аппаратуры (40-100 тыс. долларов), с другой стороны пока довольно мало успешных примеров применения, из-за отсутствия аппаратуры. Чтобы разорвать этот замкнутый круг, нужно проводить работы со стандартной одноканальной электроразведочной аппаратурой. Методика такого подхода дана в статье Бобачев и др., 2006. Но этот подход имеет очень низкую производительность. Поэтому был разработан коммутатор «CОМx64», позволяющий добиться высокой производительности и при использовании одноканальной аппаратуры.

    Идея этого подхода в том, что коммутируются только приемные электроды, соединенные косой (рис. 3). Питающий электрод переносится вручную. Это позволило создать простой и дешевый прибор (5 тыс. долларов, включая косы и электроды). Для эффективного использования коммутатора нужно использовать установки с неподвижными питающими электродами: трех электродная установка Шлюмберже или дипольная осевая.

Рис. 3. Установка для электротомографии на базе одноканальной установки.

    Коммутатор «CОМx64» обеспечивает измерения с 64-канальными косами. При расстоянии между электродами 3 метра это позволяет использовать сетку разносов от 4.5 метров до 120 метров. Глубина исследования достигает 50 метров. Чтобы получить достаточную производительность полевых работ (200-400 метров в день), рекомендуется использовать шаг по профилю 6 метров, хотя возможен шаг и 3 метра. При этом число измерений на одном профиле длинной 200 метров от 500 до 1000 и зависит от интервала разносов.

    Возможности измерителя тоже влияют на производительность труда. К сожалению, разработчики современной аппаратуры (особенно цифровой) уделяют мало внимания повышению скорости измерений, предпочитая повышать точность измерений. Однако, при 1000 измерениях в день увеличение времени каждого всего на 3 секунд приводит к дополнительному часу работы в поле.

    Практическое использование предложенной схемы показало высокую эффективность измерителя «МЭРИ-24» и генератора «АСТРА» (ООО «Северо-Запад», г. Москва). Измеритель «МЭРИ-24» (многофункциональный электроразведочный измеритель) предназначен для регистрации электрического и электромагнитного полей при выполнении полевых геофизических работ. Обработка сигнала происходит непосредственно в измерителе - на выходе оператор имеет значения амплитуд нескольких гармоник измеряемого сигнала и дифференциальные фазовые параметры, рассчитанные между различными гармониками. Полностью цифровая обработка сигнала позволила добиться времени измерения менее 5 секунд, включая получение фазовых характеристик сигнала для определения поляризуемости горных пород.

    Применение электротомографии

    В нашей стране использование электротомографии рекомендовано Госстроем России (СП 11-105-97). Применение двумерной электроразведки целесообразно при всех детальных (масштаб 1:2000 и крупнее) геофизических исследованиях – при инженерно-геологических и гидрогеологических изысканиях, изучении геологического разреза на малых и средних глубинах при поисках и разведке полезных ископаемых, а также в менее традиционных областях применения малоглубинной геофизики – изучении археологических памятников, решении геоэкологических и других задач.

    Для изучения геоэлектрических разрезов, значительно отличающихся от горизонтально-слоистых, применение электротомографии является необходимым условием для надежной интерпретации. Такое сложное строение обычно характерно для рудных зон и зон тектонических нарушений, оползней, насыпных и искусственных грунтов в зонах городской застройки, многолетнемерзлых пород, при крутом падании слоев и при наличии карста.

    Практические примеры

    Рассмотрим практический пример использования электротомографии. Исследования выполнены в карьере «Марганцевый», Кемеровская область для уточнения положения продуктивных жил. При работе использовался коммутатор «CОМx64», измеритель «МЭРИ-24» и генератор «АСТРА» (ООО «Северо-Запад», г. Москва). Так как работы проводились в карьере установку нельзя бы растянуть полностью. Поэтому при измерениях было задействовано только 48 электродов. По этой же причине глубина исследования была ограничена 25 метрами.

Рис. 4. Псевдо-разрезрезы кажущегося сопротивления и поляризуемости для прямой и встречной установок.

    Полевые данные представлены в виде псевдо-разрезов кажущегося сопротивления, которые построены с учетом рельефа (рис.4). Эффективная глубина рассчитана по следующей формуле [Edwards, 1977]:

    Большая разница в кажущемся сопротивлении для прямой и встречной установками указывает на то, что изучаемый разрез существенно отличается от одномерного.

    Результат автоматической двумерной инверсии показан на рис. 5. На нем выделяется две зоны повышенной проводимости и поляризуемости, но разной вертикальной мощности, соответствующие рудоносным жилам.

Рис. 5. Результаты инверсии данных электрической томографии на карьере «Марганцевый».

    Другой полевой пример это изучение строения острова на озере Тере-Холь (Республика Тыва). Измерения метом ВП не проводились.

    Полевые данные представлены в виде псевдо-разрезов кажущегося сопротивления, которые построены с учетом рельефа (рис.6). Измерения проводились при двух раскладках косы. Но месте контакта для установки AMN пропущена часть измерений.

Рис. 7. Псевдо-разрезрезы кажущегося сопротивления для прямой и встречной установок.

    Результат автоматической двумерной инверсии показан на рис. 7. На нем хорошо виден слой мерзлых пород с неровной кровлей. На пикете 740 видна вертикальная проводящая зона. Эта зона проявилась и при сейсмических исследованиях на этом профиле.

    Заключение

    Для изучения двумерных разрезов разработана и активно применяется методика электротомографии (табл. 3). Эта технология значительно расширяет область применения метода сопротивлений и вызванной поляризации, повышает точность, разрешающую способность и геологическую эффективность метода сопротивлений, позволяя проводить надежную интерпретацию для сложно построенных сред. Такое качество интерпретации во многих случаях недостижимо при использовании «классических» методов ВЭЗ и ВЭЗ-ВП.