Методи низькочастотного індуктивного профілювання

Методи електророзвідки індуктивні — методи змінним струмом низької частоти. Засновані на вивченні електромагнітного поля, створюваного за допомогою спеціальних контурів, обтічних змінним струмом. Призначені для пошуків добре провідних рудних об'єктів, витягнутих по простяганню, і для вирішення задач геологічного картування. У разі однорідного середовища на денній поверхні спостерігається нормальне електромагнітне поле, яке складається з первинного поля джерела і вторинного поля вихрових струмів, наведених в просторі, що вивчається. Наявність в середовищі об'єктів з підвищеною електропровідністю приводить до спотворення нормального поля і появи аномалій, які можуть вказувати на присутність корисних копалин.

До даної групи методів електророзвідки відносяться методи, засновані на вимірах низькочастотних електромагнітних полів (f<10 кГц) штучних джерел. Теоретичні оцінки та експериментальні дослідження свідчать, що у вказаному частотному діапазоні електромагнітні поля реальних середовищах відносяться до класу квазістаціонарних. На їх просторову структуру будуть впливати, перш за все, такі електромагнітні властивості гірських порід, як питомий електричний опір ρ та магнітна проникність μ. Оскільки більшість гірських порід немагнітні, то визначальна роль належить питомому опору.

Методи застосовуються для виявлення на площі досліджень неоднорідних за електропровідністю включень. Вони проводяться як при загальних пошуково-картувальних зйомках, так і при детальній розвідці родовищ добре провідних руд.

В групу низькочастотних індуктивних методів профілювання входять методи довгого кабелю (ДК), дипольного індуктивного профілювання (ДІП), незаземленої петлі (НП) та перехідних процесів (ПП). Вони використовують як гармонійні (від одиниць до перших десятків тисяч герц), так і неусталені поля.

Особливість індуктивних методів полягає в тому, що геометричні розміри установок, діапазон частот і час перехідних процесів вибираються такими, щоб дослідження велися в індукційній зоні джерела, тобто розміри досліджуваних об’єктів повинні бути малими у порівнянні з довжиною хвилі. В цьому випадку поле є синфазним для всіх точок об’єкта дослідження.

Змінне електромагнітне поле, що вимірюється в точках денної поверхні, є сумою нормального поля контуру джерела і аномального поля, зумовленого впливом локальних геологічних об’єктів. За фізичною природою аномалії поділяються на індуктивні, кондуктивні тамагнітостатичні. Індуктивні (вихрові) аномалії – це аномалії, що спричинені магнітним полем струмів, індукованих первинним змінним магнітним полем в добре провідних тілах. Кондуктивні (концентраційні) аномалії – це аномалії, спричинені концентрацією в рудних об’єктах електричних струмів, наведених у вміщуючому середовищі, і виникненням при цьому поляризаційних зарядів на поверхнях рудних тіл. Магнітостатичні аномалії мають місце лише при наявності магнітних об’єктів – за рахунок їх намагнічування первинним магнітним полем.

На рис.1. зображений замкнутий контур, обтічний змінним струмом і розташований на поверхні геологічного розрізу в якому добре провідний і магнітний рудний поклад знаходиться у відносно погано провідних вміщуючих породах. Сумарне поле, спостережуване в околиці джерела поля, складається з його первинного поля і вторинних полів, обумовлених електромагнітними процесами в рудних тілах, вміщуючих і перекриваючих породах.

Рис. 1. Провідний і магнітний геоелектричний розріз в змінному індуктивно збудженому полі. І — покривні відкладення; II — рудовміщуючі породи; III — провідний і магнітний рудний поклад; IV — джерело первинного поля. Силові лінії: 1— первинного поля; 2 — вихрових струмів в рудному тілі; 3 — вихрових струмів в покривних відклада; 4 — вихрових струмів у вміщаючих породах і що концентруються в рудному тілі; 5 — поля індукованих магнітних зарядів

Оскільки добре провідне тіло знаходиться в змінному магнітному полі, в ньому індукуються вихрові струми, магнітне поле яких накладається на первинне поле, створюючи в області спостереження аномальну складову. Вихрові аномалії представляють особливий інтерес при пошуках добре провідних руд. Вміщуючи і покривні відкладення володіють кінцевим опором, тому і в них первинне поле незаземленого контура наводить вихрові струми. Розподіл цих струмів складним чином залежить від електричних властивостей рудовміщуючих і покривних відкладень. Аномалії, пов'язані з розподілом струмів в рудовміщуючих і покривних відкладеннях, представляють особливий інтерес при дослідженнях, що проводяться з метою геологічного картування. При рішенні рудопошукових задач їх можна розглядати як аномалії-завади, бо вони представляють фон, на якому доводиться виділяти аномалії, прямо або побічно пов'язані з рудними покладами. Особливу роль при цьому грають аномалії від покривних відкладень, оскільки інтенсивність цих аномалій може бути великою внаслідок високої провідності покривних відкладень і їх близькості до джерела поля і точок спостережень. Поле вихрових струмів в однорідному напівпросторі накладається на первинне поле джерела і разом вони складають нормальне поле джерела.

Якщо вихрові струми перетинають поверхні розділу середовищ з різним питомим опором, то на цих поверхнях індукуються заряди, поле яких обумовлює перерозподіл струмів в навколишньому середовищі. Аномалії магнітного поля, створювані струмами, сконцентрованими в провідних геологічних об'єктах, називають концентраційними або аномаліями електричного типу. Ці струми в середовищі, що поляризується, викликають додаткові ефекти ВП. У тому випадку, коли гірські породи і руди, що складають геологічний розріз, володіють магнітною сприйнятливістю, відмінною від нуля, вони намагнічуються первинним змінним магнітним полем джерела і, у свою чергу, створюють в навколишньому просторі додаткове магнітне поле, що накладається на первинне. Так створюються аномалії, близькі по характеру до тих, які спостерігаються в постійному полі Землі в результаті магнітостатичного намагнічення. Аномалії подібного роду називають магнітостатичними.

В реальному геологічному розрізі аномалії вихрового, концентраційного і магнітостатичного типів складно накладаються одна на одну. Спеціальним вибором типу джерела поля, частоти та часу реєстрації можна змінювати співвідношення між аномаліями різних типів і таким чином створювати модифікації індуктивних методів, ефективні при розв’язку конкретних задач.

При вивченні провідних розрізів індуктивними методами можливе використовування як нестаціонарних, так і гармонійних полів. При меншій перешкодозахисній з нестаціонарними полями можна добитися більшої глибинності досліджень в порівнянні з методами, що використовують гармонійні поля. Вивчення магнітних властивостей розрізів можливе тільки низькочастотними індуктивними методами. При роботах індуктивними методами разом з наземними спостереженнями виконуються вимірювання в свердловинах, на морському дні і в повітрі.

Метод довгого кабелю (ДК). Джерелом поля в методі ДК є прямолінійний кабель довжиною від 1 до 20 км, заземлений на кінцях і під’єднаний до генератора напруги низької частоти (до 1000 Гц). При достатньо довгому живильному кабелю метод інколи називають методом нескінченно довгого кабелю (НДК). Кабель укладається вздовж очікуваного простягання структур та рудних тіл і добре заземлюється на кінцях. Сила струму живлення залишається постійною в процесі зйомки. Поле кабелю АВ (рис. 2,а) досліджують на ділянці його середньої третини вздовж паралельних профілів, орієнтованих перпендикулярно і розташованих по обидві сторони від нього. Основними вимірюваними параметрами поля в методі ДК є: а) - амплітуди горизонтальної та вертикальної компонент магнітного поля; б) - відношення амплітуд і різниця фаз магнітних, рідше горизонтальних електричних складових у двох точках, розташованих на відстані 5–10 м; в) - інколи вимірюються елементи еліпса поляризації поля. Виміри магнітного поля можуть виконуватися і в аероваріанті на висоті 50-60 м за допомогою гелікоптера чи літака, що буксирує датчик магнітного поля. За результатами зйомок методом ДК вздовж профілів будуються графіки вимірюваних параметрів поля і карти графіків. Інтерпретація матеріалів в основному якісна і зводиться до кореляції аномалій по профілях та встановлення їх природи шляхом співставлення з геологічними даними.

Рис. 2 Модифікації індуктивних методів: а –метод довгого кабелю;

б – дипольне індуктивне профілювання; в – метод незаземленої петлі

Метод ДК відноситься до пошуково-картувальних і застосовується для вирішення задач геологічного картування, виявлення крутоспадних контактів, пластів, тектонічних зон, пошуків провідних порід (ділянок графітизації, піритизації, тріщинуватості), пошуків добре провідних масивних руд.

Дипольне індуктивне профілювання (ДІП). Метод представляє собою модифікацію індуктивної електророзвідки, у якої джерелом первинного збуджувального поля є магнітний генераторний диполь ГД (рис.2,б) – багатовиткова рамка з розміром, який, як правило, не перевищує 1–2 м. У процесі польових робіт генераторний і вимірювальний (ВД) диполі переміщуються по профілю з постійним розносом без зміни їх взаємного розташування. Умова дипольності зберігається при розносі у 2–3 рази більшому розміру рамок. Рознос повинен бути сумірним з проектованою глибинністю розвідки.

У методі використовуються діапазони змінного струму від одиниць до перших тисяч Гц. Пошукові роботи проводяться в масштабі 1:25 000 і крупніше з подальшою деталізацією виявлених аномалій. Для встановлення природи виявлених аномалій вивчається їх частотна характеристика. Для цього вимірюють амплітуду і зсув фаз на декількох фіксованих частотах.

В результаті зйомки будуються окремі графіки, карти графіків, карти вимірюваних параметрів. Інтерпретація даних в основному якісна і є подібною методу ДК. Окремі чіткі аномалії можуть інтерпретуватися кількісно: по формі аномалії і характерним точкам можна оцінити форму і умови залягання рудного об’єкта, а по частотним характеристикам – його електропровідність, що дає змогу провести класифікацію аномалій на “рудні” і “нерудні”.

Метод ДІП може бути реалізований і в аероваріанті. Для цього генераторний контур закріплюється навколо фюзеляжу гелікоптера КА-26, а виносна приймальна рамка – в гондолі, що буксирується на кабель-тросі довжиною 35-50 м.

Метод ДІП відноситься до пошукових і пошуково-картувальних. Головним чином застосовується для пошуків провідних рудних покладів. Інколи він застосовується і з інженерно-геологічною метою.

Метод незаземленої петлі (НП). В методі НП джерелом первинного магнітного поля слугує прямокутна чи квадратна петля з розмірами сторін до 1–2 км, яка живиться змінним струмом від генератора Г (рис. 2, в). Первинне магнітне поле в середній частині петлі є практично однорідним і характеризується наявністю лише вертикальної компоненти Н_z. Отже ця область є сприятливою для виявлення горизонтальних, полого нахилених а також локальних провідних об’єктів, оскільки первинне магнітне поле орієнтовано перпендикулярно до них. Поза межами петлі структура первинного магнітного поля ускладнена наявністю горизонтальної компоненти.

У середній частині петлі розбивається мережа профілів вхрест передбачуваного простягання об'єктів дослідження, уздовж яких проводяться вимірювання магнітної компоненти сумарного (Нс) магнітного поля, що є векторною сумою первинного магнітного поля (поля петлі) вторинного магнітного поля (поля локального об'єкту Н_вт) або відношення амплітуд і різниця і різниця вертикальної компоненти магнітного поля .

Рис. 3. Сумарне магнітне поле Нс

У результатах методу незаземленої петлі виділяють два типи аномалій: від провідних тіл і від провідних магнітних тел. Коли первинне поле петлі впливає на провідне немагнітне тіло, то в ньому виникає електричний струм, який в совою черга створює магнітне поле, направлене в протилежну сторону, щодо первинного. В результаті сумарне поле виходить менше в порівнянні з первинним, так виникають аномалії провідності.

Якщо тіло володіє достатньо великою магнітною сприйнятливістю в порівнянні з вміщуючими породами, то під дією первинного поля петлі воно намагнічується. В результаті виникає вторинне поле, направлене в ту ж сторону, що і первинне поле, тому сумарне поле буде більше, ніж первинне (рис.4 б) При подальшому збільшенні частоти поле від струмів провідності перевищить поле намагніченості, тобто аномалія одержить форму, приведену на рис. 4.а.

Рис. 4. Нормальне (1) і аномальне (2) поле петлі для: а – провідного немагнітного об’єкту; б – провідного магнітного об’єкту

Амплітудно-фазові виміри електромагнітного поля виконуються вздовж паралельних профілів, розташованих або всередині петлі, або поза нею на відстанях від 10 до 100 м один від одного. Напрямок профілів вибирається перпендикулярним простяганню об’єктів. Довжина внутрішніх профілів складає 1/2-1/3 довжини короткої сторони петлі. При суцільних площових зйомках петля переміщується або перпендикулярно, або паралельно профілям з урахуванням необхідності повторення вимірів (перекриттів) по одному із крайніх профілів, або в декількох точках усіх профілів. Основні вимірювані параметри в полі незаземленої петлі ті ж самі, що і в методі ДІП.

За результатами робіт будуються карти графіків та ізоліній спостережених параметрів поля, а на деталізаційних точках – частотні характеристики. Інтерпретація матеріалів при пошукових роботах якісна, а при деталізаційних – кількісна (визначається електропровідність та розміри об’єктів, їх глибини залягання). Метод НП ставиться на перспективних ділянках для пошуків і розвідки рудних корисних копалин. Глибинність розвідки до 150–200 м.

Геологічні задачі методу

Метод НП застосовують головним чином для пошуків руд низького питомого опору або високої магнітної проникності, а також для вивчення геологічної природи аномалій, знайдених іншими геофізичними методами.

Фізичні основи методу дозволяють його застосовувати в складних умовах, таких як пошуки провідних магнітних руд під траппами, наприклад, для пошуків залізняку або кімберлитовьих магнітних тіл.

Відмітною особливістю методу є достатньо великий об'єм інформації про об'єкт дослідження (електропровідність, магнітна проникність, розміри, глибина залягання, а при зіставленні з даними магніторозвідки - зведення про залишкову намагніченість).