Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Основные положения метода электрической томографии: методика, аппаратура, обработка и примеры применения 10
1.1. Методические особенности исследований 10
1.2. Многоэлектродные аппаратурные комплексы и способы обработки данных томографических систем 16
1.3. Примеры применения электрической томографии 19
Глава 2. Математическое моделирование электрического поля в неоднородных средах 24
2.1. Формирование модели изучаемой среды и системы наблюдений 24
2.2. Поле в горизонтально-слоистой среде 27
2.3. Поле в однородной среде со сфероидом 32
Глава 3. Закономерности аномальных электрических полей 45
3.1. Назначение анализа результатов математического моделирования полей 45
3.2. Закономерности поля для слоистой среды 47
3.3. Закономерности поля для среды с локальным объектом 52
3.4. Формирование фонового геоэлектрического разреза оползневого массива и закономерности поля при выделении ослабленных слоев 64
Глава 4. Основные результаты экспериментальных работ при разведке месторождений полезных ископаемых 76
4.1. Общие сведения о методике полевых работ 76
4.2. Особенности геологического строения угольных депрессий и задачи исследований 79
4.3. Исследование структурно-тектонического строения на участке «Фадеевском» (Приморский край) 81
4.4. Прослеживание поверхности фундамента и выходов угольных пластов на площади Бикинского буроугольного месторождения (Приморский край) 89
4.5. Картирование рудопроявлений золота на участке «Одолго» (Амурская область) 113
Глава 5. Информативность метода при инженерно-геологических изысканиях 121
5.1. Обоснование применения метода при решении задач инженерной геологии... 121
5.2. Оценка структурно-тектонического строения оползневого склона угольного разреза 125
5.3. Изучение структурных моделей на участках будущего строительства 136
Заключение 145
Литература
- Многоэлектродные аппаратурные комплексы и способы обработки данных томографических систем
- Поле в горизонтально-слоистой среде
- Закономерности поля для среды с локальным объектом
- Исследование структурно-тектонического строения на участке «Фадеевском» (Приморский край)
Введение к работе
Актуальность работы. Метод сопротивлений, основанный на различии удельных электрических сопротивлений горных пород, применяется при решении разнообразных геологических задач в модификациях электрических зондирований или профилирований. В последнее десятилетие в Дальневосточном регионе актуальной стала задача разведки угольных месторождений для открытого способа добычи. Регион располагает значительными ресурсами каменных и бурых углей, которые могут удовлетворить его потребности в твёрдом топливе. Однако разведка месторождений в сложно-построенных геологических условиях требует большого количества дорогостоящих скважин. Применяемые ранее наземные геофизические исследования и, в первую очередь, модификации метода сопротивлений, не позволяли детально изучать разрез между редкими скважинами.
При решении задач инженерной геологии, гидрогеологии и геоэкологии, где в настоящее время сосредоточены основные объёмы работ метода сопротивлений, исследования проводятся также в условиях сложного горизонтально-неоднородного строения с высоким уровнем неоднородности физических свойств горных пород. Применение методов электрического зондирования, а тем более электропрофилирования, не отличается высокой эффективностью полученных результатов. Поэтому для оценки структурно-тектонического строения геологических сред необходимо применять новые модификации, которые позволяют получать исходные данные с высокой плотностью и точностью измеряемых параметров. Такая постановка проблемы обоснована ведущими электроразведчиками страны.
Создание многоканальной электроразведочной аппаратуры в конце прошлого столетия привело к широкому применению метода сопротивлений при размещении большого количества (до нескольких сотен) электродов на дневной поверхности. Новые многоэлектродные системы наблюдений, управляемые полевым компьютером, позволили перейти от редких электрических зондирований к плотным системам наблюдений с многократным использованием каждого электрода в процессе измерений. При полевых работах применяются высокопроизводительные помехоустойчивые цифровые комплексы. Такая технология работ названа электрической томографией (Electrical Resistivity Tomography).
Новые задачи и технологии потребовали теоретических разработок, связанных с математическим моделированием электрических полей для многоэлектродных систем наблюдений и изучением структуры поля. Известно, что "принцип моделирования изучаемых полей и сред - это важнейший принцип классической электроразведки" (Светов, Бердичевский, 1998). Моделирование необходимо использовать на всех этапах электроразведочных работ, в том числе для оценки их информативности. Поэтому для внедрения электрической томографии при детальном изучении геологических сред весьма актуальна проблема решения прямых задач в неоднородных средах при произвольном расположении источников и приёмников, формирования закономерностей аномальных областей в электрических полях и установления критериев обнаружения в разрезе искомых объектов.
Цель работы. Оценка информативности электрической томографии при изучении структурно-тектонического строения геологических сред на основе математического моделирования, установления закономерностей аномальных электрических полей и критериев обнаружения в разрезе искомых объектов.
Основные задачи исследования.
Обзор исследований электрической томографией с анализом возможностей многоэлектродной аппаратуры, методических особенностей проведения полевых работ и способов обработки томографических матриц.
Анализ основных положений по формированию геоэлектрических моделей с учётом априорной геолого-геофизической информации и результатов моделирования полей.
Разработка вычислительных алгоритмов и программ расчета кажущихся сопротивлений для горизонтально-слоистой среды и однородной среды со сфероидом вращения при произвольном расположении электродов не только на дневной поверхности, но и внутри среды (в скважине).
Изучение особенностей пространственной структуры электрического поля по выбранным моделям и установкам, установление закономерностей аномального электрического поля при различных соотношениях геометрических и физических параметров сред.
Определение критериев обнаружения и прослеживания в разрезе промежуточных слоев и локальных объектов при расположении электродов на поверхности и для системы наблюдений «скважина-поверхность».
Формирование фоновых геоэлектрических моделей оползневого склона на угольном разрезе «Восточный» и установление закономерностей поля при выделении ослабленных слоев.
Проведение опытно-методических работ с различными многоэлектродными комплексами, опробование методических приёмов, оценка информативности полевых матриц при изучении структурно-тектонического строения геологических сред на различных участках.
Идея работы заключается в использовании аппарата математического моделирования, закономерностей аномальных электрических полей и критериев выделения объектов при формировании фоновых геоэлектрических разрезов и определении предварительных параметров для исключения эквивалентных решений в процессе интерпретации томографических матриц.
Защищаемые положения.
Программно-математическое обеспечение расчёта кажущихся удельных сопротивлений для слоистых разрезов и сред с локальным объектом, произвольного расположения источников и приёмников на дневной поверхности и внутри среды (по стволу скважины) с применением аналитических и численных методов решения позволяет получать теоретические томографические матрицы и оценивать разрешающую способность разных систем электрической томографии при обнаружении и прослеживании слоев и локальных объектов.
Основными критериями обнаружения и прослеживания слоев, выклинивающихся пластов и локальных объектов в разрезе кажущихся сопротивлений служат форма аномальных областей, закономерности изменения градиентов поля, взаимное расположение нормальных и обратных по знаку аномальных значений кажущихся сопротивлений; предварительное определение геометрических параметров разреза производится по расположению изолиний в зоне их сгущения.
Фоновые геоэлектрические модели оползневых массивов, составленные на основе априорной геолого-геофизической информации и анализа результатов математического моделирования с конкретными параметрами, позволили устранить эквивалентные решения при формировании геоэлектрического разреза с учетом закономерностей поля и критериев выделения ослабленных слоев.
4. Новые данные о структурно-тектоническом строении, полученные на основе геоэлектрических моделей для угольных депрессий, рудного района, оползневого склона угольного разреза и площадей проектируемого строительства, подтвержденные заверочными скважинами, показали повышенную информативность электрической томографии по сравнению традиционными модификациями метода сопротивлений.
Научная новизна.
Впервые разработано программно-математическое обеспечение (алгоритмы и программы) расчёта кажущихся удельных сопротивлений для горизонтально-слоистой среды и однородной среды со сфероидом при расположении питающих и приёмных электродов на вертикальных (скважина) и горизонтальных (дневная поверхность) профилях.
Установлены закономерности электрических полей томографических матриц в зависимости от геометрических и физических параметров выбранных моделей и систем наблюдений.
Определены критерии обнаружения и выделения промежуточных слоев, горизонтально-протяженных локальных неоднородностей и выклинивающихся горизонтов в геоэлектрическом разрезе.
Составлены фоновые геоэлектрические модели оползневых склонов на угольном разрезе «Восточный», определены закономерности поля при выделении ослабленных слоев, установлены условия обнаружения и прослеживания мягкопластичных глин среди четвертичных отложений и пластичных глин неогенового возраста.
Получены новые данные о структурно-тектоническом строении нескольких участков Приморского края при картировании угольных депрессий и решении задач инженерной геологии.
Достоверность и обоснованность научных положений и выводов обеспечивается созданными алгоритмами и корректной постановкой задач по обоснованию эффективности электрической томографии на основе базового принципа электроразведки -принципа моделирования изучаемых полей. Этот принцип позволил определить рациональную систему наблюдений, оценить разрешающую способность, критерии выделения изучаемых объектов и, в конечном счете, результативность новой модификации метода сопротивлений. Выбранные идеализированные модели, в первом приближении, отражают фрагменты геоэлектрических разрезов и имеют решения по определению потенциала в поле точечного источника. Такой подход вполне оправдан, по-
8 скольку анализировать результаты моделирования и определять закономерности поля в рамках сложных сеточных моделей трудно и неоправданно. Понижение размерности существенно упрощает построение модели начального приближения, поскольку уменьшает число определяемых параметров и, соответственно, неоднозначность решения обратной задачи.
Практическая ценность. Разработанные алгоритмы и программы оперативного расчета полей кажущихся удельных сопротивлений для выбранных моделей и установок, результаты анализа характерных особенностей поведения полей, критерии обнаружения и прослеживания слоев и локальных объектов в разрезе позволяют выбирать рациональные системы наблюдений, создавать новые приёмы обработки полевых матриц, оценивать информативность электрической томографии при решении конкретных геологических задач. Проведенные опытно-методические работы позволили оценить эффективность электрической томографии при картировании углепер-спективных участков в Приморье, при изучении структуры золоторудного месторождения в Амурской области и инженерно-геологических изысканиях в строительстве и на угольных разрезах. Но области практического применения новой модификации обширны - это рудные объекты и их ореолы, линзы подземных вод, подземные карстовые полости, области техногенного загрязнения пород, различные археологические объекты и другие разнообразные локальные неоднородности естественного или техногенного происхождения. Причём задачами исследований является не только обнаружение и оконтуривание неоднородностей, но и слежение за динамикой развития неоднородностей во времени. Новый этап развития электрической томографии с применением систем наблюдений скважина-поверхность приведет к повышению эффективности метода сопротивлений и дальнейшему расширению его возможностей.
Личный вклад автора. Состоит в разработке прямых задач, создании алгоритмов и программ математического моделирования электрических полей для выбранных неоднородных сред и томографических систем наблюдений, анализе результатов математического моделирования и формирования закономерностей аномального электрического поля; установление критериев обнаружения и прослеживания промежуточных слоев в слоистом разрезе и локальных объектов во вмещающей среде; обосновании эффективности применения систем наблюдений «скважина-поверхность», формировании фоновых геоэлектрических моделей оползневых склонов угольного разреза.
В основу диссертационной работы положены результаты теоретических и экспериментальных исследований автора за период с 1996 по 2006 годы, материалы полевых работ, организованных и проведенных автором в Приморье и Амурской области по заказам ФГУГП «Приморская поисково-съёмочная экспедиция», ЗАО «ЛуТЭК», ОАО «Приморскуголь», ДальНИИС РААСН, ЗАО «Артель «Инагли», ООО «Сейсмо-защита» и других организаций.
Апробация работы. Основные результаты исследований изложены в 45 печатных работах. Отдельные положения диссертации докладывались на 30-м Международном геологическом конгрессе (Пекин, 1996 г.), первом, третьем и пятом международных студенческих форумах стран Азиатско-Тихоокеанского региона (Владивосток, 1995, 1999, 2003 гг.), конференциях Дзилиньского университета КНР (1996, 1999, 2002 гг.), научно-технических конференциях ДВГТУ (1994-2004 гг.), других международных и региональных конференциях. Результаты исследований автора вошли составной частью в отчеты научно-исследовательских работ по проектам Минобразования РФ «Исследование возможностей применения томографической электроразведки» (1998— 2000 гг.), «Методология электрической томографии при детальном изучении геологической среды» (2001-2003 гг.), «Разработка физико-математических основ метода электрической томографии при изучении геологических сред» (2002-2004 гг.), по грантам ГФЕН КНР "Разработка теоретических основ и методики определения положения аномалиеобразующих источников при электрических исследованиях в слож-нопостроенных условиях" и "Разработка теоретических основ, метода и техники томографии удельного электрического сопротивления", по гранту американского агентства международного развития «ЭкоЛинкс» (USAID) «Оценка альтернатив улучшения качества воды на Павловском угольном разрезе ОАО Приморскуголь» (2002 г.).
Материалы и отчеты полевых работ, проведенных автором в Приморье и Амурской области вошли составной частью в производственные отчеты по разведке участка Фадеевский, Одолгинского золоторудного поля и др., составили геофизические разделы 17 отчетов по инженерно-геологическим изысканиям г.Владивостока и Приморья.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав и заключения. Объём - 155 страниц текста, включая 52 рисунка и 4 таблицы. Библиографический список содержит 147 наименований.
Многоэлектродные аппаратурные комплексы и способы обработки данных томографических систем
Практические воплощение электрической томографии стало возможным благодаря появлению многоканальных измерительных комплексов со встроенными микропроцессорами, которые осуществляют программное переключение питающих и приемных электродов. Перечислим только основные компании, производящие многоканальную электроразведочную аппаратуру: АВЕМ (Швеция), IRIS Instruments (Франция), Campus (Англия), DMT (Германия), Advanced Geosciences Inc. и Geometries (США), Scintrex (Канада), OYO Corp. (Япония). Подобную аппаратуру производят в Китае, Чехии, Венгрии, Болгарии. В России проводится ряд несерийных разработок, например многоканальная аппаратура для изучения археологических объектов Ижевского физико-технического института Уральского отделения РАН [27].
Различные многоканальные комплексы по существу имеют два различия: главный кабель соединяет ряд электродов к центральному переключателю и только затем подключает к компьютеру, либо каждый электрод оборудован своим переключателем, либо группа электродов через отдельный кабель подключена непосредственно к компьютеру. Одни комплекты аппаратуры специализированы и предназначены для работы с определенными установками и полевыми методиками, другие легко перенастраиваются с использованием разных установок и методик. Число переключаемых электродов также различается в широких пределах: от 4x64 канала у LUND Imaging system (АВЕМ) до 960 (DMT) каналов. Отличительными особенностями комплексов ведущих производителей являются высокая производительность полевых работ, повышенная точность измерений и помехоустойчивость.
Например, измерительный комплекс SARIS компании Scintrex Ltd. имеет возможность опроса 8000 электродов. В каждом электродном контакте находится печатная плата, смонтированная в водонепроницаемом корпусе. Для увеличения числа электродов к концу действующего сегмента подключается новый кабель с электродным контактом. Основными характеристиками комплекса являются: мощность до -100 Вт, максимальный ток - до 1.5 А, максимальное напряжение - до 500 В, диапазон входного напряжения - до 40 В, входное сопротивление - 11 МОм, входное разрешение 0.15 мкВ, точность измерений ШІІ- 1%, напряжение питания - 24 В, вес - 9.7 кг.
Начальным этапом обработки данных электрической томографии является составление сводных матриц с использованием простого суммирования и определения средних значений кажущихся сопротивлений при совпадении единичных установок из разных расстановок многоэлектродных систем. Однако такая операция проводится в редких случаях, поскольку чаще всего при исследованиях используются разовые расстановки электродов.
Задача других этапов обработки наблюдённых матриц заключается в обнаружении и выделении аномалий, обусловленных искомыми объектами. Для этого цифровые матрицы представляются в виде разрезов изолиний кажущихся сопротивлений. Это давно известный способ качественной интерпретации, в результате которого выделяют аномальные области по линиям наибольшего градиента и очень приближённо оценивают размеры, глубины залегания и электрические свойства объектов.
Представление разрезов кажущихся сопротивлений имеет смысл в простых геоэлектрических условиях при исследовании пологозалегающих сред, крупных локальных объектов, антиклинальных и синклинальных структур с заметной контрастностью электрических параметров. В случае сложнопостроенных сред наблюдаемое поле параметров представляет собой суперпозицию различных полей, в том числе и различных помех. Поэтому определить природу аномалий и установить приближённые параметры разреза становится трудно.
В этих условиях основной задачей обработки является формирование фоновой геоэлектрической модели [61] или модели начального приближения, в процессе которых выделяются однотипные аномалии, определяются горизонтальные неоднородно ста разреза и его приближённые параметры. Иногда для этих целей применяют алгоритмы трансформации томографических матриц [34, 108, 120]. Имеющиеся программы трансформации матриц в процессе исследований применяются сравнительно редко. Вопросами установления разрешающей способности метода в процессе исследований практически не занимаются. Поэтому основная задача обработки выполняется на низком уровне. В отдельных случаях начинают обсуждение полученных результатов с позиции эквивалентных решений. Такое положение связано с отсутствием эффективных решений прямых задач и математического моделирования полей для простых неоднородных сред и томографических систем наблюдений.
Формирование фоновой геоэлектрической модели с использованием априорной информации является слабо формализованной процедурой, эффективность которой зависит от полноты имеющихся геолого-геофизических данных, надёжных критериев обнаружения и прослеживания изучаемых объектов или их фрагментов, опыта и интуиции интерпретатора. Наиболее разработаны приёмы формирования модели для слоистых сред при выделении промежуточных горизонтов вблизи дневной поверхности. Для среды с локальными включениями такие приёмы начали применяться только в последнее время.
Что касается методов решения прямых задач и моделирования полей необходимо отметить следующее. Учитывая возможность моделирования полей над сложными средами с помощью численных решений, на первый взгляд может показаться, что нужно рассматривать закономерности аномальных полей для сеточных моделей, которыми лучше аппроксимировать реальны среды. Однако такой подход имеет существенный недостаток, заключающийся в нарушении основного принципа исследования - проводить анализ от простого к сложному. При формировании моделей с целью понижения множества корректности выделяются только доминирующие комплексы пород, либо крупные локальные объекты, либо их фрагменты с тем, чтобы уменьшить количество параметров модели и множество решений. Поэтому разработка прямых задач и алгоритмов расчета параметров поля, анализ закономерностей аномалий электрического поля и определение критериев выделения объектов с использованием идеализированных моделей считаем вполне обоснованным. Именно этой проблеме посвящена большая часть настоящей работы.
Поле в горизонтально-слоистой среде
Требуется найти распределение потенциала, создаваемое точечным источником тока силы I, в среде с параметрами ОЇ, h\, 02, /?2, ... а„, где о}, h-, - проводимости и мощности слоев (рис. 11). Без ограничения общности рассмотрения можно считать, что источник расположен на одной из границ раздела слоев. Случай, когда источник расположен внутри слоя, сводится к выделению фиктивной границы внутри слоя с одинаковой проводимостью и проходящей через источник.
Для решения системы (68) может быть использован любой известный метод. Наиболее подходящим в данном случае является метод треугольного разложения, поскольку один раз найденное треугольное разложение матрицы Е- ЛА позволяет многократно решать задачу при различных значениях правой части уравнения, то есть при различных положениях источника постоянного тока.
Таким образом, для построения решения (62) остается просуммировать ряд Фурье (65). Процесс суммирования продолжается до тех пор, пока абсолютная величина последнего учтенного члена ряда не станет меньше наперед заданной погрешности є. Поскольку функции Q„-m(z), а следовательно и правые части уравнения (66) экспоненциально затухают с ростом п, то ряд (65) оказывается быстро сходящимся и на практике оказывается достаточным ограничиться несколькими первыми членами этого ряда. Кроме того, из вещественности уравнения (62) следует, что при решении (66) достаточно ограничиться неотрицательными значениями п, а для нахождения Un(0) при п 0 воспользоваться формулой U_n(e) = Un{6), где черта означает комплексно-сопряженную величину.
На основе вычисления потенциала определяется кажущиеся удельные сопротивления томографической матрицы при опросе установки по формуле (48).
В типичном случае все электроды располагаются на одной прямой, а расстояния между ними в процессе измерений изменяются так, чтобы средняя точка отрезка MN оставалась неподвижной. Таким образом этой точке сопоставляется кривая кажущегося сопротивления, выражающая зависимость рк в данной точке от размеров установки. Следовательно, при моделировании процесса зондирования на ЭВМ требуется многократно находить распределение потенциала на дневной поверхности при различных положениях питающих электродов А и В и неизменных параметрах проводящей среды. Учёт этой особенности задачи моделирования позволяет существенно сократить время счета на ЭВМ.
Из вышесказанного вытекает, что в процессе счёта целесообразно сохранять не только значения коэффициентов разложения потенциала в ряд Фурье Unm, но также и вычисленные матрицы-ядра Аптк и факторы треугольного разложения матриц Smk-AAnmk, что позволяет избежать повторного вычисления этих матриц при частичном изменении параметров задачи. Так, при расчете кривой кажущегося сопротивления изменяющимися параметрами задачи являются только координаты питающих электродов, а параметры среды - геометрия и распределение проводимости остаются неизменными, что позволяет использовать при расчете всей кривой один и тот же набор факторов треугольного разложения матриц 6тк-ЛАптк.
Изучение закономерностей электрических полей было направлено на установление разрешающей способности электрической томографии. В процессе анализа учитывалась многие факторы, влияющие на поведение поля и, в первую очередь, тип системы наблюдения, различные варианты расположения электродов, соотношения физических и геометрических параметров неоднородности и вмещающей среды, соотношения геометрических параметров модели и системы наблюдений.
Аномалии, обусловленные изучаемыми объектами, разделены на две группы: S нормальные аномалии с величинами поля, совпадающими по знаку с электрическими параметрами объекта (р/Рф 1 и р/рф 1, р/рф 1 и р/рф 1); S аномалии обратного знака («ложные»), связанные с эффектами экранирования или обтекания тока и не совпадающие по знаку.
Кроме того, в полях выделяются аномалии, вызванные близповерхностными не-однородностями, различными методическими погрешностями и помехами. Отсюда аномалии могут быть регулярными, обусловленные объектами (изучаемыми, поверхностными), распределёнными по определённому закону, и нерегулярны-ми(случайными), связанные с неконтролируемыми факторами (методические, промышленные помехи).
В наблюдённых полях могут фиксироваться сильные аномалии, которые выделяются визуально, и слабые, обнаружение которых затруднено. Интенсивность аномалий в рассматриваемом методе определяется относительными величинами контрастности электрических свойств изучаемого объекта и вмещающей среды. Минимальная интенсивность ожидаемых аномалий А определяется путём решения прямой задачи для выбранной ФГМ при наименее благоприятных условиях (наименьшая контрастность электрических свойств, наименьшие размеры и наибольшая глубина залегания объекта). Обычно нужно, чтобы Amin 3bc где Ьс - среднее квадратичное расхождение элементов поля. В связи с повышением разрешающей способности электрической томографии необходимость выделения слабых аномалий становится наиболее важной процедурой обработки данных.
Закономерности поля для среды с локальным объектом
Модель со сфероидом вращения в однородной среде может быть использована при аппроксимации локальных трехмерных неоднородностей субгоризонтальной или субвертикальной формы. В структурных провинциях к таким неоднородностям можно отнести различные пластовые выклинивающиеся залежи, линзы водоносных горизонтов, вертикальные водопроводящие каналы, области загрязнения подземных вод. В рудных районах - это рудовмещающие структуры, зоны сульфидизации, дайки и другие объекты. Ранее исследования закономерностей поля проводились по кривым электрического зондирования на основе приближенных решений [28, 30, 113] для предельных установок, либо для частных моделей типа шар в однородной среде.
Ниже изложены результаты анализа для томографических систем наблюдений над однородным полупространством с удельным сопротивлением р\, включающим на глубине h сфероид с сопротивлением /. Размеры сфероида определяются полуосями а по вертикали и Ъ по горизонтали. Тогда при а Ъ имеем горизонтально протяженный сфероид ("диск"), при а Ъ - вертикально протяженный сфероид ("веретено"), а при а « Ъ - сфероид близок к шару (изометрическому объекту).
К настоящему времени выполнен большой объем вычислений томографических матриц при различных комбинациях геометрических и физических параметрах модели. На первом этапе использованы относительные геометрические параметры в единицах малой полуоси (а = 1, либо Ъ = 1), аппроксимирующие наиболее интересные случаи в практике. Для "диска" выбраны величины Ыа = 4, 8; hla =2, 8; для изометрического объекта - Ыа = 1/2, alb = 2; hla = 2, 8; для "веретена" - alb = 4, 8; hlb = 5, 9. Удельные электрические сопротивления сфероида в единицах вмещающей среды изменялись в диапазоне Pilpi- 1/16, 1/4, 4, 16, охватывая таким образом, случаи высокой, повышенной, пониженной и низкой проводимости объекта. Глубины залегания выбраны так, чтобы исследовать неоднородности вблизи поверхности и глубоко расположенные объекты.
Особенности поля рассмотрены для нескольких вариантов расположения многоэлектронной системы наблюдений относительно центра сфероида. Основным назначением анализа было установление критериев выделения локального объекта (сфе 53 роида) в поле кажущихся сопротивлений и установление зависимости параметров модели от структуры поля.
Из общих особенностей поля отметим следующие. Форма, интенсивность и расположение аномальных областей зависят от соотношений полуосей сфероида, удельных сопротивлений объекта и вмещающей среды и глубины залегания. При любых соотношениях геометрических и физических параметров на разрезах повсеместно наблюдаем плавный характер поведения изолиний со сгущением их на определенных участках аномальных областей.
В случае расположения системы наблюдений над горизонтально-протяженным сфероидом линии наибольшего градиента, огибающие аномалию, удовлетворительно отмечают размеры сфероида по профилю и положение кровли объекта. Например (рис. 15), если центральные электроды 60-ти канальной системы наблюдений (20-40) располагаются над сфероидом, то он выделяется замкнутыми изолиниями с минимальными значениями при pjp\ 1 или максимальными при pilp\ 1.
По огибающей линии наибольшего градиента для ближней к поверхности аномалии можно выделить сфероид, причем линию легко провести сверху (на малых разносах), хуже - с боков (по оси х) и затруднительно снизу (на больших разносах). Размеры сфероида по профилю определяются достаточно уверенно, а для установления верхней и нижней кромок следует вводить коэффициент зависимости от разноса, величина которого изменяется в диапазоне С = 0,2-Ю,5.
Для изометрических объектов и "дисков" с соотношением Ыа А аномальная область (рис. 15) и особенно ее внутренние изолинии вытянуты по оси ординат, но по огибающей линии большей протяженности по профилю всегда можно отличить "диск" от изометрического объекта. Вытянутая форма аномальной области по оси х усиливается для сфероидов с соотношением Ыа 4, причем в этом случае, и внутренние изолинии области вытянуты по профилю. Внешние изолинии имеют, как правило, форму "гриба".
Как видно, по обе стороны от истинной аномалии, по которой выделяется локальный объект, на больших разносах располагаются две аномалии обратного знака с меньшими интенсивностями и противоположенными по знаку величинами рк. Если середина многоэлектродной расстановки находится строго над центром сфероида, то наблюдается симметрия в расположении этих аномалий. При смещении установки симметрия нарушается: площадь и амплитуда аномалии обратного знака на краевых участках системы наблюдений уменьшается или аномалия отсутствует.
При расположении крайних электродов системы над сфероидом наблюдаем только часть аналогичной области без аномалий обратного знака. С увеличением глубины залегания сфероида интенсивность аномалий резко понижается, и они выделяются на больших разносах. Ложные аномалии уменьшаются в размерах, а при hla 8 они практически отсутствуют. Внутренние и внешние изолинии области по форме практически не различаются.
Таким образом, по огибающей линии наибольшего градиента нормальной аномалии надежно выделяются объекты типа "дисков" с соотношениями полуосей Ыа А.
При этом, если Ыа 4, hla = 2, pilpx = 1/4 коэффициент зависимости определения кровли объекта Ск = 0.4. Подошва объекта во всех случаях определяется примерно, поскольку трудно провести огибающую линию, а коэффициент Сп, как правило, меньше 0.4.
Размеры сфероида по профилю удовлетворительно выделяются сгущением изолиний аномалии по оси х. Огибающие линии для изометричных объектов определяются значительно труднее.
Интенсивность аномалии зависит от геометрических и физических параметров модели. Например, для сфероида с параметрами Ыа = 2, hla = 2, pzlp\ = 1/4, который расположен под серединой расстановки электродов, величина аномалии В = 24%, амплитуда Л = 1.3. При уменьшении только удельного сопротивления {pilp\ = 1/16) эти значения увеличиваются -В = 30%, А = 1.43 (рис. 16), а при увеличении только Ыа = 4 в первом случае В = 37%, А = 1.6, во втором - В = 60%, А = 2.5. Для модели изометрического сфероида (шар в однородной среде) интенсивность аномалий соответственно уменьшается.
Исследование структурно-тектонического строения на участке «Фадеевском» (Приморский край)
Впервые опытно-методические работы с целью выяснения возможностей методики электрической томографии были проведены при изучении структурно-тектоническбго строения углеперспективного участка в Октябрьском районе Приморского края вблизи с. Фадеевка (Раздольненский угольный бассейн) в 2000 г. Поскольку подобные угольные объекты предназначаются для открытого способа добычи, исследования были ограничены глубиной 50 м. С использованием многоканального комплекса Е60В на двух профилях было выполнено 18 расстановок по 60 электродов в каждой. Использовалось равномерное расположение электродов в каждой расстановке с переключением их таким образом, что каждое измерение параметров поля соответствует установке Веннера (AMNB, AM=MN=NB). Начальные размеры AM=MN=NB=2.5 м. Кроме того, в пределах томографических профилей были выполнены 12 точек вертикального электрического зондирования для увеличения глубины изучения разреза с максимальным разносом АВ/2 = 350 м. Также было пробурено четыре параметрические скважины, одна из которых вскрыла пласт каменного угля.
Вначале на основе цифровых матриц были составлены отдельные разрезы кажущихся сопротивлений (рис. 25), а затем сводные разрезы из одиночных разрезов томографических матриц и кривых ВЭЗ по профилям. Из анализа этих разрезов видно, что электрические свойства пород резко меняются вдоль профиля и геоэлектрическая модель среды является горизонтально-неоднородной. Были выделены фрагменты горизонтально-слоистого и вертикально-слоистого разреза, определены участки с локальными неоднородностями. Анализ этих разрезов показал, что геоэлектрический разрез является слоисто-блоковым.
Предварительные количественные параметры по фрагментам разреза были по-лучены в результате интерпретации выборок кривых зондирования из томографических матриц, практических кривых ВЭЗ и обработки графиков профилирования по отдельным разносам. В результате формировались модели начального приближения с установленными размерами блоков по горизонтали, приближенными величинами мощностей и удельных сопротивлений отдельных слоев в пределах блоков.
Окончательная интерпретация выполнена по программе методом подбора выборок строк и столбцов матриц с теоретическими графиками профилирования и кривыми зондирования. Интерпретация производилась в диалоговом режиме, в процессе подбора изменялись геометрические и электрические параметры модели.
В результате интерпретации получены геоэлектрические разрезы по профилям до глубин 40 м, а на отдельных участках - до 50 м. После геологического истолкования этих разрезов с использованием данных каротажа скважин и привязки электрических границ к стратиграфическим составлены геолого-геофизические разрезы (рис. 26,27).
Сверху разреза почти повсеместно прослеживается почвенно-растительный слой, элювий с обломками пород мощностью 1 м и удельным сопротивлением 12-16 Омм. Местами он практически выклинивается. Н отдельных участках этот слой по удельному сопротивлению не отличается от подстилающих пород, представленных элювиальными отложениями, дресвой песчаника, суглинком, разрушенным песчаником с глинистым материалом. Тогда мощность слоя увеличивается до 4-5 м (ПР 2, ПК 60, ПК 350) или до 7 м (ПР 1 ПК 120).
Дальнейшие рассмотрения лучше начать с ПР 2, где строение менее сложное и почти на линии профиля располагаются три скважины №№ 25,26,28. Здесь выделяем четыре блока, разделённых разломами. Наличие блоков можно установить при анализе количественных разрезов / и карт графиков р по смене электрических свойств, а линии разломов по наибольшему градиенту изолиний. По результатам количественной интерпретации в пределах каждого блока выделяем четыре либо пять слоев.
В пределах первого блока ниже почвенно-растительного слоя (14-16 Омм) на южном и северном участках, в локальных прогибах, послеживаем аргиллиты с прослоями туфогенного песчаника галенкинской свиты (Kjg/), отмечаемые повышенными сопротивлениями (22-25 Омм). Наибольшая мощность этого слоя (Юм) отмечена в районе ПК 50-70, а на ПК 350 (скв. 26) он составляет 8 м. На южном участке нижняя часть галенкинской свиты в большей мере представленная туфогенными песчаниками и по электрическим свойствам она выделяется выдержанным электрическим слоем с удельными сопротивлениями 50-55 Омм. Наибольшая мощность слоя (15 м) отмечается также на интервале ПК 50-70 в центре локального прогиба. Слой прослежен на протяжении 200 м по профилю и на других участках не встречается.
На рассматриваемом профиле почти повсеместно выделяем слой с сопротивлениями 26-38 Омм. Это аргиллиты плотные глинистые с прослоями угля и песчаника липовецкой свиты (К\1р2). В первом блоке изученная мощность его колеблется от 15 до 35 м, наибольшая мощность проходится на интервал профиля ПК 210-305, где выклиниваются отложения галенкинской свиты. В пределах II—IV блоков мощность его небольшая (2-6 м) и он залегает ниже почвенно-растительного слоя и практически выходит на поверхность. Ниже в разрезе липовецкой свиты установлен слой повышенного сопротивления с величинами 48 Омм в первом блоке и 52-70 Омм во втором и четвёртом блоках. Он представлен песчаниками с прослоями алевролитов. Повышение сопротивления до 70 Омм связано, по-видимому, с уменьшением доли алевролита. Мощность слоя колеблется от 5 до 15 м, залегание пологое. Ещё ниже выделяем слой сравнительно высокого сопротивления (90 Омм), который представляет наибольший интерес, поскольку среди гравелистых песчаников и углистых алевролитов он содержит прослои угля. В пределах первого блока кровля его фиксируется на глубине 30 м (ПК 390), а в пределах второго блока на глубине 10-15 м. Скважиной № 26 он вскрыт на глубине 34 м, а скважиной № 28 не был вскрыт, поскольку расположена она вне блока И. В первом блоке слой монотонно погружается в южном направлении. Мощность слоя, судя по блоку II, превышает 40 м.
